ProfiBus通讯原理详解解析.ppt

,P R O F I B U S,现场总线技术,ProfiBus(Process field Bus)通讯简介,作为众多现场总线家族的成员之一，ProfiBus是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准，它既符合德国标准DIN19345及欧洲标准EN50170，同时也于2000年成为国际标准IEC61158的组成部份，是目前国际上通用的现场总线标准之一。ProfiBus是属于单元级、现场级的SIMITAC网络，适用于传输中、小量的数据。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合ProfiBus协议的产品，这些产品可以连接在同一个ProfiBus网络上。Profibus是在1987年由Simens等13家企业和5家科研机构在德国联邦研技部的资助下，联合研究开发的开放式现场总线标准。ProfiBus是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输。,ProfiBus主要有三部分组成，包括：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、ProfiBus-FMS，简称DP、PA和FMS ProfiBus-DP（H2）是一种经优化的高速低成本通信，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计 ProfiBus-PA(H1)是专为过程自动化设计，提供本安传输技术，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要用于现场设备层的总线ProfiBus-FMS主要用于车间级监控网络，解决车间级通用性通信任务，是一个令牌结构的实时多主网络一般将DP和FMS混合使用 Profibus 的三个兼容产品，使得Profibus 既适合于自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监控。,通 信 透 明 从 传 感 器执 行 器 到 区 域 控 制 器,Ethernet/TCP/IP,TCP/IP/Ethernet,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-DP,PROFIBUS-PA,工厂级,总线循环时间 1000 ms,车间级,总线循环时间 100 ms,现场级,总线循环时间 10 ms,PLC,其它技术特点,信号线可用设备电源线。每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。传输速率可在9.6kB/S12MB/S间选择。传输介质可以用金属双绞线或光纤。提供通用的功能模块管理规范。在一定范围内可实现相互操作。提供系统通信管理软件(包括波形识别、速率识别和协议识别等功能)。提供244字节报文格式，提供通信接口的故障安全模式(当IO故障时输出全为零)。,EN 50170 Volume 2,Device ProfilesApplication Profiles,过程自动化,PROFIBUS-PAIEC 1158-2,-总 线 供 电-本 质 安 全,PROFIBUS 簇,工厂自动化,PROFIBUS-DPRS 485/FO,-即 插 即 用-高 效、廉 价,快速,通用目的自动化,PROFIBUS-FMSRS 485/FO,-大 范 围 的 应 用-多 主 通 信,通用,面向应用,1.Profibus 基本特征,一.协议结构 Profibus现场总线是目前应用最广泛的现场总线技术之一。DP和PA的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能上优越于其它现场总线Profibus 既适合于自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监控。并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用Profibus协议以OSI为参考模型，其协议结构如下图所示,PROFIBUS 协议符合 ISO/OSI 的开放系统参考模型,FMS的协议结构,FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，三到六层未加描述物理层提供了光纤和RS485二种传输技术数据链路层完成总线的存取控制并保证数据的可靠性应用层定义了低层接口LLI和现场总线信息规范FMS LLI的作用是协调不同的通信关系并提供不信赖设备的第二层访问接口，FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求要适应，这些适应性定义称之为行规，行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能 FMS在用户接口中规定了相应的用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规,DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，三至七层未加描述这种结构是为了确保数据传输的快速有效地进行DP中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同，二者采用了相同的传输技术（光纤或RS485传输）和统一的总线控制协议（报文格式），直接数据链路映像DDLM为用户接口与数据链路层之间的信息交换提供了方便。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同DP行规,DP的协议结构,PA的协议结构,PA主要应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用一根总线连接起来PA数据传输采用扩展的DP协议，只是在上层增加了描述现场设备行为的PA行规简单的说，PA就相当于DP通信协议加上最适合现场仪表的传输协议IEC1158-2根据IEC1158-2标准，PA可通过总线给现场设备供电，并可确保数据传输的本质安全性当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络,二 传输技术,现场总线系统的应用在很大程度上取决于选择哪种传输技术除了传输可靠性、传输速度、传输距离等通用的要求以外，考虑一些使用的灵活性及其它一些机电因素也十分重要例如，当应用于过程自动化时，特别是涉及本质安全防爆的应用场合，数据和电源在同一根总线上传输就很有必要由于单一的传输技术不可能满足所有要求，因此Profibus提供了RS485传输、IEC1158-2传输和光纤传输三种类型,三种有效的传输技术,PROFIBUS 使用两端有终端的总线拓扑在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作，即使 在本质安全区也如此。,提供三种不同的物理层选择:,RS 485:用于 DP 和 FMSIEC 1158-2:用于 PA光纤:用于 DP 和 FMS,站 1,.,站 n,（1）RS485传输技术,RS485传输用于PROFIBUS-DP和PROFIBUS FMS,通常称之为H2总线电缆在EN50170标准中规定为A型屏蔽双绞铜芯电缆，其最大允许的长度与传输速率是直接相关的RS485传输技术的基本特征，A型导线的特性，参数以及传输速率与总线长度的关系分别如下表所示,RS485传输的基本特征和A型导线的特性参数,传输速率与A型电缆总线长度的关系,PROFIBUS 电缆要求-RS 485,参数电缆类型 A 电缆设计 屏蔽双绞电缆 浪涌阻抗 135.165 回路电阻 110/km线径0.64 mm线截面积 0.34 mm每单位长度的电容 30 pF/m,PROFIBUS 电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中。,A型屏蔽双绞电缆,9 针D 型连接器的针脚分配（为RS 485用）,对 PROFIBUS-DP/FMS 提供的连接器类型是9 针 D 型连接器 插座部分被安装在设备上 如果其他连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用,表 9 针D 型连接器的针脚分配,9针D型插头外观,RS 485传输设备安装 要点(1),电缆接线,A型电缆的总线终端器,*注:中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中,*终羰电阻供电电源+5V,数据传输结束，即+5V地,全部设备均与总线连接每个分段上最多可接32个站每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须一直有电源当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过四个电缆的最大长度取决于传输速度.一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速度。,安装 RS 485(2),VP,B,A,DGND,第一个站,总线终端,最后一个站,总线终端,VP,B,A,DGND,数据线 B,数据线 A,B,B,A,A,站 2,站 3,总线的连接示意图,为了在高电磁辐射环境下获得良好的抗干扰性能，可以使用带屏蔽的数据传输电缆，屏蔽电缆两端的屏蔽编织箔必须与地线连接，并通过尽可能大面积的屏蔽接线来覆盖。此外，在铺设过程中建议把数据线和高压线隔离,拓朴,这里提供的拓扑是总线型拓扑 在总线的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多 32 个站*组成,终端,终端,终端,2,3,30,31,62,61,33,32,(PROFIBUS 支持总线型，树型和星型拓扑),终端,中继器,中继器,*注:中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中,站 1,在一个PROFIBUS 系统中最大可连接126个站，总线系统分为若干段，每个分段最多可连接32个站（主站和从站），每段的头尾都需要一个永远有源的总线连接器，标准的总线连接器用一个开关来控制终端电阻。两个总线终端必须一直有电源如果总线上超过32个站点，各个总线分段之间用中继器（线路放大器）连接，中继器也计数为其中的一个站点作为被动的总线站，中继器的作用是保证能明确识别与之连接站点之间所交换的数据如果PROFIBUS总线要覆盖更长的距离，中间可建立连接段，连接段内不挂接任何站点一般情况下，建议使用的中继器不超过四个,RS 485 的屏蔽/接地,详细的安装指示在PROFIBUS-DP/FMS 的安装导则中说明，订单号 2.112,数据电缆,接地电缆,从,从,主,接地线,数据电缆,接地线,接地线,RS-485 传输的数据位顺序,每个八位二进制数（字节）按 11 位的顺序被传输 最小的有效位(LSB)被第一个发送 最大的有效位(MSB)被最后发送 每个八位二进数都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位 此编码原理称非归零码NRZ（即 Non Return to Zero）,开始 1 2 3 4 5 6 7 8 奇偶 终止 开始 校验,根据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足石油和化工工业要求，它可保证其本质安全，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2是一种位同步协议，其技术特性如下：本质安全(可选)和通过总线对站供电(可选)，能满足化工和石油化工业的要求 同步 Manchester 编码,，可进行无电流的连接传输，通常称为H1传输速度：31.25 kBit/s（kbps),电压式数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差电缆：屏蔽或非屏蔽的双绞电缆网络拓扑：总线型、树型或两者相结合、星型站点数最多 127 个站,每段 10-32 个设备(依赖于 EX-类型和供电消耗)距离：每段距离达 1900 米，用中继器可延长到 10 公里,用于PA的IEC1158-2传输技术,PROFIBUS 电缆要求-IEC 1158-2,电缆设计:屏蔽双绞电缆 导线面积:0.8毫米2(AWG 18)回路电阻:44/km 阻抗（在31.25 KHz时）:100+/-20%衰减（在39 KHz时）:3dB/km 每单位长度的电容:2nF/km,对 IEC 1158-2 传输的电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中,冗余性提高了系统的可靠性,若干种接口给予了冗余系统的可能,光纤段给予了冗余电线的能力,PROFIBUS-DP,每个测量点两个设备,系统冗余,介质冗余,IEC1158-2传输技术总线段与RS485传输技术总线段连接,基于IEC1158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过耦合装置相连，耦合器使RS485信号和IEC1158-2信号相适配。每段通常配一个电源装置，电源装置经耦合器和PA总线为现场设备提供电源，这种供电方式可以限制IEC1158-2总线段上的电流和电压。如果需要外接电源设备，根据EN5020标准必须用适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连接在本质安全总线上。,IEC1158-2标准供电装置及传输设备的线路长度,PA使用的传输介质是双绞线电缆，可以使用下表所列的IEC1158-2传输技术的参考电缆规格，也可使用更粗截面导体的其它电缆,IEC1158-2传输技术,连接到一个端的站点数量最多限于32个如果使用本质安全型总线供电方式，总线上最大供电电压和电大供电电流均具有明确的规定按防爆等级和总线供电装置，总线上的站点数量也将受到限制为此，PROFIBUS-PA总线段的设计应遵循根据现场仪表的型号和数量初步计算所需要的电流根据现场的防爆要求和电源装置的功率要求选择合适的电源装置根据现场对总线长度的要求确定电缆类型,（3）光纤传输技术,PROFIBUS系统要桥接更长的距离或在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体（塑料和玻璃）传输。光链路插头可以实现RS485信号和光纤导体信号的相互转换，价格低廉的塑料纤维导体适用于50米以内的信号传输，玻璃纤维导体供电离小于1公里情况下使用为此，用户可十分方便地在PROFIBUS系统同时使用RS485传输技术和光纤传输技术,三、总线存取协议,PROFIBUS 总线均使用单一的总线存取协议，通过参考模型的第2层（数据链路层）实现，包括 数据可靠性以及传输协议和报文的处理媒体访问控制（MAC）具体控制数据传输，并确保在任何时刻只有一个站点发送数据PROFIBUS总线存取协议的设计必须满足MAC控制的两个基本要求，即：在复杂的自动化系统（主站）间通信，必须保证在确切的限定时间间隔内，任何一个站点有足够的时间来完成通信任务在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输,PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同 这使通信透明和FMS/DP/PA 网络区域容易组合 因为 FMS/DP 使用相同的物理介质(RS-485/FO)，因此它们能组合在同一根电缆上。PRIFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式 和主站与从站之间的主从方式，如下图所示,PROFIBUS 总线存取协议,总线存取协议示意图,主从方式允许主站在得到这些存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息当某主站得到令牌后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内，它可依照 主-从关系表与所有从站通信，也可依照主-主关系表与其它主站通信,令牌传递程序保证了每个主站在一个确定的时间内得到令牌，令牌只在主站之间通信时使用,P R O F I B U S-DP,DP概述,PROFIBUS-DP主要用于现场设备级的高速数据传输DP除了安装简单之外，它具有很高的传输速率、多种网络拓扑结构（总线型、星型、环型）以及可选的光纤双环冗余在这一级，中央控制器（主站）通过高速串行线同分散的现场设备（从站）进行通信,PROFIBUS-DP 的特点:,代替 PLC/PC 与 I/O 之间昂贵的电线快速，传输 1 千字节的输入数据和 1千字节的输出数据所需时间2 ms强有力的工具，减少组态和维护费用 被所有主要的 PLC 制造商支持有广泛的产品:PLC,PC,I/O,驱动器,阀,编码器等允许周期性和非周期性的数据传输单主和多主网络每个站的输入和输出数据最多可达 244 字节,1设备类型,PROFIBUS具体说明了串行现场总线的技术和功能特征，它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，该系统分为主站和从站主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，不用外界请求就可以主动发送信息，它可分为DPM1和DPM2,（1）一类主站DPM1,DPM1相当于完成自动控制的中央控制器，如PLC、PC或可做一类主站的控制器，主要完成通信控制与管理当DPM1取得令牌时，在规定的信息周期内可依据通信关系表进行主-从或主-主通信，可周期性地通过循环和非循环与分散的从站交换信息,（2）二类DP主站DPM2,DPM2是指操作员工作站，是可进行编程、组态、诊断的设备，如编程器、操作面板等DPM2主要用于系统组态、调试和监视目的，它们可以通过非循环与DPM1和从站交换数据,（3）DP从站,DP从站是支持DP协议的智能现场仪表或智能型I/O设备，它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向主站发送信息DP从站是更接近于底层的现场设备，它们负责执行主站的输出命令，并向主站提供 从现场传感器采集到的输入信号或其它输入信号常见的DP从站包括PLC、分散型的I/O、驱动器、传感器、执行机构等现场设备,设备类型,PROFIBUS可支持单主站系统也支持多主站系统,2基本DP功能,基本功能有：传输技术：RS485传输，传输介质可以是双绞线、双线电缆或光缆MAC协议：主站之间是令牌传递，主站和从站之间是主从传递站地址：0126，其中126只能用于投运目的，不可用于数据交换传输速率：9.6kbps12Mbps,通信：点对点方式循环传输(用户数据传送)或广播方式(控制指令)。可进行循环或非循环通信。主站循环地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比中央控制器（PLC）的程序循环时间短，在很多应用场合，程序循环时间约为10ms。一般来说，DPM1与从站之间的通信（I/O数据交换)是循环的（用户数据），和DPM2有关的通信是非循环的（报警、诊断或参数设定）。总线冗余：采用光学链路模块OLM和光纤构成双环冗余,行为模式和诊断功能 DP规范包括了对系统行为的详细描述以保证设备的互换性，系统行为主要取决于DPM1的操作状态，这些状态由本地或总体的配置设备所控制，主要有以下三种状态运行-DPM1处于数据传输阶段，DPM1从DP从站读取输入信息并向从站写入输出信息清除-DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态停止-只能进行主-主数据传送，DPM1和DP从站之间没有数据传送,行为模式和诊断功能,此外，为达到安全可靠的目的，有必要对PROFIBUS-DP系统提供有效的保护功能，以防止出现传输差错或传输设备发生故障。在DP主站和DP从站中均带有监视定时器，定时器间隔时间在组态时加以确定。DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视，在规定的监视时间间隔中，如数据传输发生差错，定时器会超时，用户DPM1将根据用户设定的错误自动反应功能决定下一步的处理。DP从站使用看门狗控制器（WDT）检测主站和传输线路的故障，如果在一定的时间间隔内发现没有与主站的数据通信，从站自动将其输出进入故障安全状态,典型的PROFIBUS-DP 系统,主站,一个典型的 PROFIBUS-DP 系统的组成:一个 PLC/PC 作为中央控制器 各种外围设备，如:数字或模拟 I/O AC 或 DC 驱动器 电磁或气动阀 人机界面(HMI),PROFIBUS-DP,PLC,从站,从站,从站,从站,RS 485 up to 12 MBit/s,PLC,3、扩展DP功能,DP扩展功能是面向连接的数据通信技术，它允许主站之间非循环的通信功能在过程自动化系统中，除了周期性的高速数据传输以外，许多信息往往只在需要时才进行数据交换，如DPM2非循环存取现场控制设备的参数测量值等，DP扩展功能满足了过程自动化系统中非周期性的数据传输要求相对于高速循环的用户数据传输而言，非循环的数据传输具有较低的优先权,（1）一类主站DPM1与DP从站的扩展数据通信,在这种数据通信的服务顺序中，DPM1与从站间先建立 链接，该链接称为MSAC-C1，它与主从站之间的循环数据传输紧密连接在一起当链接成功建立以后，DPM1就可以通过MSCY-C1链接来执行循环数据传输，也可以通过MSAC-C1链接来执行非循环数据传输带直接数据链路映像的非循环读/写功能报警响应,（2）二类主站DPM2与从站间的非循环的数据传输,DP扩展功能允许一个或几个诊断或操作员控制设备（DPM2）对DP从站的任何数据块进行非循环读/写服务。这也是一种面向链接的通信功能，称为MSAC-C2新的DDLM-Initiate服务用于在用户数据传输开始之前建立连接，从站用确认应答DDLM-Initiate.res确认链接成功链接成功以后，在通过DDLM读写服务过程中，允许任何长度的间歇如果连接监视器监视到故障，将自动终止主站和从站的连接,4 电子设备数据库文件,为了要明确识别PROFIBUS产品，生产厂家必须以电子设备数据库文件GSD方式将一类DP主站和DP从站的功能参数（如I/O点数、诊断信息、波特率、时间监视等，这些参数对于每种设备类型和制造商来说均有差别）进行说明，使用根据GSD所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中GSD文件实现了设备的即插即用,GSD是一种准确定义的格式描述，每一种设备均有一个GSD文件。使用组态软件时，把设备的GSD文件copy至相应的目录下，即可把此设备放至网络中。GSD文件可分为三个部份 一般规范：包括生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头的信号分配与DP主设备有关的规范，包括适用于主站的各项参数，如允许连接从站的个数、上装/下装能力与DP从站有关的规范：包括 了与从站有关的一切规范，如如输入/输出通道数、类型、诊断数据等,开放的组态允许即插即用,PROFIBUS 组态工具,5、RORIBUS-DP行规,行规对用户数据的含义做了具体说明，并规定DP如何用于应用领域行规使得不同厂商生产的同类产品能互换DP行规如下：NC/RC行规（3.052）-描述不同型号的数据机床、机器人如何用PROFIBUS-DP控制等编码器行规（3.062）-描述单圈和多圈分辨率的回转式、角转式、线性编码器与DP的连接等变速传动行规（3.071）-描述在转速控制的传动中如何进行参数化，以及设定值与实际测量值如何进行传送等内容操作员控制过程监视行规（HMI）-HMI行规具体说明了通过DP把这些设备与更高一级的自动化部件的连接，行规使用了扩展的DP功能来进行通信,P R O F I B U S-PA,基于扩展的 PROFIBUS-DP 协议和 IEC 1158-2 传输技术 适用于代替现今的 4.20 mA 技术仅用一根双绞线进行数据通信和供电 通过串行总线联接仪器仪表与控制系统适用于本质安全的 EEx 应用区域可靠的串行数字传输通过一根双绞电缆进行控制、调节和监视对所有设备只需一个工程工具由于 PROFIBUS-PA 行规，保证了互操作性和互换性仪器仪表的维护和诊断信息,PROFIBUS-PA 的特点PA=Process Automation,概述,PRIFIBUS PA是专为过程自动化而设计的，它是在保持DP通信协议的条件下，增加了对现场仪表实现总线供电的IEC1158-2的传输技术，使PROFIBUS也可以应用于本质安全领域，同时了保证PA总线系统的通用性。,概述,PA总线还有以下几个重要的特征PA描述了适合过程自动化应用的各种行规，这些行规使不同厂家生产的现场设备具有了互换性PA允许设备操作过程中进行维修，增加或去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其它站点过程自动化的PROFIBUS-PA总线段和制造自动化中的PROFIBUS-DP总线段之间通过耦合器实现通信透明化同样的两条线，基于IEC1158-2技术可以进行远程供电和数据传输。,现场仪表与主控系统的连接,1、PA传输协议,PA采用DP的基本功能来传送测量值和状态，用DP的扩展功能来进行现场设备的参数化和操作PA传输在第一层（传输协议）采用IEC1158-2技术，第二层（总线存取协议）和第一层之间的在DIN19245系列标准的第四部分作了规定在IEC1158-2段传输时，报文被加上前导码、起始定界符和结束定界符,2、PA/DP的连接,PA协议使用同DP一样的通信协议。事实上，PA=DP通信协议+扩展的非周期性服务+作为物理层的IEC1158它使得工厂各层次的自动化和过程控制一致并高度集成，这意味着使用一种协议的不同种类来集成工厂的所有区PA 和DP总线段之间通过链接器或耦合器连接，以实现两个不同总线段的透明通信，在本质安全地区可使用防爆型PA/DP耦合器或PA/DP链接器.由于DP和PA使用不同的数据传输速率和方式，为使它们之间可以平滑的传输数据，使用PA/DP耦合器或PA/DP链接器作为网关。,PA/DP的连接,PA/DP耦合器不占地址，而PA/DP链接器要占用一个DP网络从站地址，但对于PA段，它是一个主站一个链接器下通常有多个即插式的耦合器去驱动几个PA网络,PA/DP耦合器,PA/DP耦合器的作用是把传输速率为31.25kbps的PA总线段和传输速率为45.45kbps(SIEMENS公司耦合器）或93.75kbps(PEPPERL+FUCHS公司非模块型耦合器)的DP总线段连接起来，PA总线还可以为现场仪表提供电源。主要用于简单网络和运算要求不高的场合。PA/DP耦合器用于在PA和DP之间传递物理信号。PA/DP耦合器分为两类：本质安全型（Ex型）和非本质安全型（非Ex型）通过Ex型耦合器连接的PA总线最大的输出电流是100mA，它可以为10台现场仪表提供电源通过非Ex型耦合器连接的PA总线最大的输出电流是400mA，最多可为31台现场仪表提供电源系统组态后，PA/DP耦合器是可见的，作为控制系统可见的网关，其所有参数改变通过PROFIBUS系统自动进行，系统采用单一协议的不同种类,PA/DP链接器,PA/DP链接器最多由5个Ex型和非Ex型PA/DP耦合器组成。它们通过一块主板作为一个工作站连接到DP总线上。通过一个PA/DP链接器允许连接不超过30台的现场仪表，这个限制与所使用的耦合器类型无关。PA/DP链接器的上位总线（DP）的最大传输速率是12Mbps，下位总线（PA）的传输速率是31.25Kbps，因此PA/DP链接器主要应用于对总线循环时间要求高和设备连接数量大的场合PA/DP链接器一方面作为DP网络段的从站，同时作为PA网络段的主站将耦合网络上的所有数据通信。由于每个PA/DP链接器可以连接多台现场设备，而只占用DP的一个地址，因此整个网络能容纳的设备数目大大增加。根据网络复杂程度和处理时间要求的不同，可有不止一个链接器连接到DP。,3、PA仪表行规,PA行规保证了不同生产厂商生产的设备的互换性和互操作性PA行规的任务是为现场设备类型选择实际需要的通信功能，并为这些设备功能和设备行为提供所有需要的规格说明PA行规包括适用于所有设备类型的一般要求和用于各种设备类型组态信息的数据单,PA行规,一台现场仪表中的行规参数可分为3组过程参数-指测量值或输出阀位及有关状态工作参数-它包括量程、滤波时间、报警参数（报告、报警与警告权限）等参数生产厂商特定参数-如专用诊断信息等，它们多用于仪表的诊断和维护,PA行规,带有 PROFIBUS-PA 的典型系统配置,PROFIBUS-DP,RS 485 up to 12 MBit/s,区域控制器(PLC),工程或 HMI 工具,PROFIBUS-PA,IEC 1158-2 with 31.25 kBit/s,I,段耦合器链接器,变送器,H2,H1,+,P R O F I B U S-FMS,概述,FMS的设计旨在解决车间监控级的通信，在这一级，可编程控制器（如PLC，PC机等）之间需要比现场级更大数据传输量，但实时性要求低于现场级，也就是说，高级功能比快速系统反应时间更重要,FMS应用层,应用层提供了用户可使用的通信服务，包括访问变量、程序传递和事件控制等FMS应用层包括两个部份现场总线信息规范（FMS）：描述了通信对象和应用服务低层接口（LLI）：用于将FMS适配到第2层的接口,FMS的通信模型,FMS的通信模型可以使分散应用过程利用通信关系统一到一个共用的过程中现场设备中用来通信的那部份应用过程 称之为虚拟现场设备（VFD）,通信对象和对象字典（OD）,每个FMS设备的所有通信对象都要填入该设备的本地对象字典中，对象字典包括描述、结构和数据类型以及通信对象的内部设备地址 和它们在总线上的标志（索引/名称）之间的关系对象字典包括以下元素：头：包含对象字典结构的有关信息静态数据类型表：所支持的静态数据类型列表变量列表的动态列表：所有已知变量表列表动态程序列表：所有已知程序列表,通信对象和对象字典（OD）,静态通信对象填入静态对象字典中，可由设备的制造者定义或在总线系统组态时确定。FMS能识别的通信对象包括：简单变量、数组、记录、域、事件动态通信对象填入对象字典的动态部份可以用FMS服务预定义或定义、删除或改变，FMS能识别的动态通信对象有程序调用、变量列表,PROFIBUS-FMS服务,FMS服务是ISO9506制造信息规范服务的子集，已在现场总线应用中被优化，而且增加了通信对象管理和网络操作功能通过总线的FMS服务的执行用服务序列描述。包括被称为服务原语的几个互操作服务原语描述请求者和应答者之间的互操作,PROFIBUS-FMS行规,控制器通信（3.002）-定义了用于PLC控制器之间通信的FMS服务，根据控制器的等级对每个PLC必须支持的服务、参数和数据类型做了规定楼宇自动化行规（3.011）-用于提供特定的分类和服务作为楼宇自动化的公共基础，描述了使用FMS的楼宇自动化系统如何进行监控、开闭环控制、操作员控制、报警处理和档案管理低压开关设备（3.032）-规定了通过FMS通信过程中的低压开关设备的应用行为。,典型的PROFIBUS-FMS 系统,主站,一个典型的 PROFIBUS-FMS 系统的组成:各种智能自动化单元，如:PC 作为中央控制器的PLC 作为人机界面的HMI,PROFIBUS-FMS,PLC,主站,主站,主站,主站,RS 485 up to 12 MBit/s,PLC,PROFIBUS-FMS 与PROFIBUS-DP的混合操作系统,FMS和DP设备在一条总线上进行混合操作是PROFIBUS的一个主要优点，两个协议也可以同时在一台设备上执行，这些设备称为混合设备。之所以能进行混合操作是因为FMS和DP均使用统一的传输技术和总线存取协议 不同的应用功能是通过第2层不同的服务访问点来分开的。,PROFIBUS-FMS 与PROFIBUS-DP的混合操作系统,PROFIBUS控制系统的几种配置,根据现场设备是否具有PROFIBUS接口，PROFIBUS控制系统配置可分为3种模式（1）总线接口型 现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式的I/O作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。,（2）单一总线型 现场设备都具备PROFIBUS接口，这是一种理想情况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的利益。新建项目若能具有这种条件是最好的，但就目前来看，这种方案的设备成本会较高。,（3）混合型 现场设备部份具备PROFIBUS接口，这将是一种相当普遍的情况。这时应采用PROFIBUS现场设备加分散式I/O混合使用的办法。无论是旧设备改造还是新建项目，希望全部使用具备PROFIBUS接口现场设备的场合可能不多，分散式I/O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。,PROFIBUS的应用,PROFIBUS系统的层次结构,系统的层次结构,一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络现场设备层车间监控层工厂管理层,二、现场仪表与DP从站的连接,根据现场仪表的具体功能，它与DP主站之间有二种连接方式总线连接 现场仪表与主控制器之间采用单一的总线连接，是现场总线技术最完全的体现，这种连接方式可以实现完全的分布式结构，总线连接要求所有的现场仪表都具备PROFIBUS接口，而且现场仪表成本会较高分布式现场I/O连接如果现场仪表不具备PROFIBUS接口，可以采用分布式I/O作为总线接口与现场仪表连接，I/O接口安装在生产现场，分布在现场I/O可作为通用的现场总线接口，它对现场仪表没有额外的功能要求。这种形式更适用于现场总线技术初期的推广应用以及对旧系统的技术改造。,现场级常见的结构类型,现场级常见的结构类型,在图（A）、（B）中不设监控站，只包括了一类主站DPM1，由DPM1完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。图（A）以PLC做一类主站，这种结构类型在调试阶段往往需要配置一台编程设备，完成系统的基本配置和初始化，图（B）使用IPC（Industrial Personal Computer,工控机）加PROFIBUS网卡做一类主站，这种结构类型往往可以实现监控站与DPM1一体化。由于 通信厂商通常只提供一个模板的驱动程序，因此IPC上的总线控制、从站远程参数化设置、系统监控等各种程序可能都要由用户自行开发,现场级常见的结构类型,在图（C）中，DPM1和作为监控站的DPM2都连接在PROFIBUS总线上，DPM2可完成远程编程、参数化及在线监控功能。DPM1可以是PLC、IPC和其它控制器，监控站可以是操作面板OP、触摸屏TP和其它监控站图（D）采用了二级网络结构。这种结构类型的监控站不连接在PROFIBUS网上，因此监控站不能直接与从站进行数据交换，其所需的数据只能从所连接的DP主站读取。这种网络结构是工业现场最常见的结构类型。,应用实例,工程介绍甬（宁波）台（州）温（州）高速公路是两纵两横4条国道主干线中同江至三亚的组成部份。公路设计等级为高速公路，路基宽度24.5米。行车道宽度2*7.5米，计算行车速度100公里/小时。位于该路段K3943处的大溪岭一湖雾岭公路隧道，是目前国内最长的公路隧道。隧道设计车速为80公里/小时；设计交通量为6612辆/日（1999年）、46371辆/日（2020年）,隧道机电系统,包括十大系统通风设施照明设施火灾检测与报警、紧急呼救设施交通检测与诱导控制设施通风用照明控制设施闭路电视监视设施配电设施消防设施,系统组成,监控系统采用了西门子基于Profibus-DP的全集成自动化技术以10公时双环光缆冗余Profibus现场总线系统为主干18台德国SIMENS公司S7-300、S7-400可编程控制器分区域控制6套法国ARC公司PCVUE32图形控制软件热冗余客户机/服务器模式构成监控平台的弱电系统集成方案，有力地将各子系统集成为一个整体,监控系统的通信网络选择Profibus冗余光纤环网,控制方案,现场控制层,数据库服务层,中央管理层,总体控制方案特点,交通检测与控制系统、通风照明检测与控制系统和中央管理与控制系统各控制器、服务器通过冗余的双环光缆Profibus现场总线系统相连接连接各控制器、服务器的冗余双环光缆Profibus现场总线系统以高达1.5MBps的速率构成贯穿 两条隧道 的信息高速公路，高速传递现场控制、检测信息冗余的双环光缆Profibus现场总线系统，保证在灾难情况下系统的有效性,总体控制方案特点,在各个控制点相对集中的地方分别设置区域控制器，进行分散控制。某一控制点或控制器的故障或失效，不会影响系统的安全运行使用先进、可靠的SIEMENS S7系统可编程控制器S7-300、S7-400作为控制器，完成现场数据的采集、控制、通信用于SIEMENS S7系统可编程控制器的所有输入、输出、通信都具有光电隔离措施，保证输入、输出、通信的高可靠性每个控制器都具有自身独立的CPU、通信卡件和I/O卡件，即使现场总线系统或计算机网络系统完全瘫痪，每个控制器也可独立完成自身检测、控制。,总体控制方案特点,每个控制器之间可以独立、自由的交换信息，不需中央管理控制系统的协调即可完成控制器间连锁与数据交换在各控制系统和中央管理控制系统计算机网络之间配置冗余的两台通信、数据、数据库服务器，充分保证计算机监控系统的可靠性中央管理系统各服务器、计算机使用100M的交换式网络相连接，充分保证计算机监控、操作的实时性和可靠性。中央管理系统采用PIMS信息集成和管理软件，实现隧道 交通状态的显示、记录、操作、报警、报表输出等功能。,系统构成,交通检测控制与诱导设施主要由管理室内的控制台、交通检测控制计算机、车道指