第十章Profibus现场总线(简)
PROFIBUS 总线详解
PROFIBUS 总线简介及应用PROFIBUS 是一个用在自动化技术的现场总线标准，常用于PLC 与现场设备的数据通信和控制。
目前的PROFIBUS 可分为二种，分别是大多数人使用的PROFIBUS DP 和用在过程控制的PROFIBUS PA。
通信速率在9.6kb/s~12Mb/s。
PROFIBUS PA（过程自动化，Process Automation）应用在过程自动化系统中，由过程控制系统监控量测设备控制，是本质安全的通信协议，可适用于防爆区域（工业防爆危险区分类中的Ex-zone 0 及Ex-zone 1）。
PROFIBUS DP（分布式周边，Decentralized Peripherals）用在工厂自动化的应用中，可以由中央控制器控制许多的传感器及执行器，也可以利用标准或选用的诊断机能得知各模块的状态。
Profibus DP 是工业现场比较常用的总线形式。
Profibus DP 物理接口一般采用RS485形式，通信线缆包括RS485 的A 和B 两根数据线和一个屏蔽线。
因为Profibus DP 的通信速率较高(最高达12Mb/s),所以现场安装中一定要注意加入阻抗匹配，线缆尽量使用带有屏蔽的线缆。
DP 接头如下，红色的拨片就是匹配阻抗的开关，打到ON 及加入匹配电阻。
需要注意的是同一条Profibus 总线上，只能有两个DP 头打开阻抗匹配。
Profibus 由于其较快的通信速度和较强的故障诊断能力，在工业现场中的到非常广泛的应用。
然而在实际应用过程中，Profibus 总线总会出现一些不理想的情况。
如：1）PLC 控制器和其他需要通信的设备相距比较远，profibus 布线会比较长。
较长的电缆布线会使Profibus 信号不稳定，经常出现数据错误，丢包，设备掉线等情况，使整个系统运行很不稳定。
2）一些电磁干扰特别强的现场，采用电缆布线后也会出现Profibus 通信不稳定的情况。
关于PROFIbus总线
关于PROFIbus总线（１）三种PROFIBUS(DP．FMS．PA)均使用一致的总线存取协议。
该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。
它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。
（２）在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link - FDL）。
介质存取控制（Medium Access Control - MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。
（３） PROFIBUS协议的设计要满足介质控制的两个基本要求：①．在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。
②．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。
因此，PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。
（４）令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。
在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。
（５）主站得到总线存取令牌时可与从站通信。
每个主站均可向从站发送或读取信息。
因此，可能有以下三种系统配置：①．纯主－从系统②．纯主－主系统③．混合系统（６）以一个由３个主站．７个从站构成的PROFIBUS系统为例。
３个主站之间构成令牌逻辑环。
当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。
在这段时间内，它可依照主－从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主－主通讯关系表与所有主站通信。
（７）在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。
在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。
（８）第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。
PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。
（９）PROFIBUS在第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及选择广播功能。
(SIMENS)PROFIBUS 现场总线
PROFIBUS现场总线
A&D Region East Customer Support
CONTENT
1 Profibus简介 简介 2 用于 用于PC/PG的Profibus 网卡 的 3 用于 用于PLC S7 200/300/400的Profibus网卡 的 网卡 4 Profibus现场总线网络连接设备 Profibus现场总线网络连接设备 5 总线安装、布线和故障诊断 总线安装、
Automation and Drives and Drives Automation China 2005 Automation and Drives
PROFIBUS现场总线－简介
A&D Region East Customer Support
PROFIBUS 网络的构成 PROFIBUS 主站 一类主站，必需 主站(一类主站 必需) 一类主站， SIMATIC PLC ,SIMATIC WinAC 控制器 支持主站功能的通讯处理器 ,IE/PB 链路模块 ET 200S/ET 200X 的主站模块 PROFIBUS 从站 ET200 系列分布式I/O 支持DP 接口的传动装置 DP 支持从站功能的通讯处理器 其它支持DP 接口的输入、输出或智能设备 PROFIBUS 网络部件 通信介质-电缆 总线部件-总线连接器、中继器、耦合器、链路 网络转接器-串行通信、以太网、AS-i、EIB系统 人机界面设备(二类主站 可选) 二类主站， 人机界面设备 二类主站，可选 TP/OP 设备 经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备 工程及诊断工具 网络配置、诊断工具 、剥线工具
第讲PROFIBUS现场总线
概述
1、PROFIBUS-DP
DP—— Decentralized Periphery 〔分布式外围设备〕.
是一种高速低本钱通信，即插即用， 最高传输速率12Mbps，用于中央控制 器〔PLC、PC〕与分散的现场设备 〔如I/O、阀门、驱动器等〕的通信。 使用PROFIBUS-DP可取代24VDC信 号传输。
主动站、主设备
PC
PLC
PROFIBUS
被动站、从设备
协议
四、总线访问协议的特点(1)
1、混合总线访问协议 主站间的逻辑令牌环 主从站间的主从协议
2、主站 主动站在一个限定时间内 (Token Hold Time) 对总线有控制权
3、从站 从站只是响应一个主站的请求，它们对总线 没有控制权
PLC
PLC / PC
e.g., I / O
协议
四、总线访问协议的特点〔2〕
4、主站或从站可以在任何时间点接入或断开。FDL 将自动地重新组织令 牌环。
5、令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通信任务。因此，用 户必须计算全部目标令牌环时间 (TTR)。
6、总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传 输错误和其他所有可能的网络失败。
概述
带有 PROFIBUS-PA 的典型系统配置
区域控制器 (PLC)
工程或 HMI 工具
H2
x
RS 485 up to 12 MBit/s
PROFIBUS-DP
I
耦合器／链接器
+ x
IEC 1158-2 with 31.25 kBit/s
PROFIBUS-PA
变送器
H1
概述
PROFIBUS-FMS 的特点:
PROFIBUS 现场总线
PROFIBUS 现场总线一、PROFIBUS 现场总线概述PROFIBUS (Process Fieldbus的缩写)是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。
它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。
二、PROFIBUS的通信模型PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层。
PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1层和第2层相同，PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUS－DP无第7层。
PROFIBUS－PA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。
PROFIBUS通信模型三、协议通信方法PROFIBUS提供了三种通信协议类型：DP、FMS和PA。
1、PROFIBUS－DPPROFIBUS－DP通信协议定义了第1层、第2层和用户接口层，未定义第3层到第7层，这种精简的结构确保了数据传输的高速有效。
直接数据链路映象（DDLM，direct data link mapper）提供了访问第2层的用户接口，用户接口规定了用户和系统以及各类设备可以调用的应用功能，并描述了各种设备的设备行为。
物理层采用RS—485传输技术或光纤传输技术。
DP协议的用户层包括DP基本功能、DP扩展功能和DP行规。
2、PROFIBUS－FMSPROFIBUS－FMS通信协议定义了第1层、第2层和第7层，第7层又分为现场总线报文规范（FMS，fieldbus message specification）和低层接口（LLI，lower layer interface）。
FMS包括了应用协议并向用户提供通信服务。
LLI协调不同的通信关系，并向FMS提供不依赖于设备的对第2层的访问接口。
第2层现场总线数据链路（FDL，fieldbus data link）用于完成总线访问控制及保证数据的可靠性。
Profibus讲解
➢ Profibus-PA。Profibus-PA协议是需要本质安全或总线供电的设备 之间进行数据通信的解决方案，数据传输速率是固定的，大小为 31.25kbps,主要用于化工、石油、冶金、发电等领域的过程工业自
采用差分电路的优点主要有： ➢ 抑制噪声 ➢ 不受节点间地电平差异的影响
RS-485差分平衡电路
2.Profibus-DP的物理层
2.2 RS-485特点
➢ RS-485可以实现点对点 通信，也可进行广播式 通信。
➢ RS-485只对接口的电气 特性做出了规定，不涉 及连接器、信号功能、 引脚分配或协议，用户 可在此基础上建立自己 的高层通信协议。
SN75LBC184引脚图 RS-485应用电路
2.Profibus-DP的物理层
2.4 RS-485网络互联 ➢ 利用RS-485接口可以使一个或者多个信号发生器与接收器互联，实现远距离数据通
➢ 1989年德国正式将Profibus-FMS和Profibus-DP现场总线确立为现 场总线的德国标准DIN19245。
➢ 1996年经过欧洲电工标准化委员会投票，Profibus-FMS和 Profibus-DP被确立为现场总线欧洲标准EN50170Vol.2。
➢ 1998年具有本质安全功能的Profibus-PA现场总线标准又被加入到 现场总线标准EN50170Vol.2中。（通过设计等手段使生产设备或生 产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会 造成事故的功能。）
profibus总线概念
Profibus（Process Field Bus）是一种用于自动化和过程控制领域的现场总线协议，它是工业自动化领域中最常用的通信协议之一。
Profibus 旨在实现工业设备和系统之间的实时数据传输，用于监控、控制、诊断和配置各种设备，如传感器、执行器、PLC（可编程逻辑控制器）等。
以下是一些Profibus 总线的关键概念：总线拓扑结构：Profibus 支持多种拓扑结构，包括总线拓扑、星形拓扑和环形拓扑。
总线拓扑是最常见的，其中所有设备都连接到单个总线上。
物理层：Profibus 通信可以在不同的物理层上运行，包括RS-485、光纤和电缆。
这使得它适用于各种工业环境和距离要求。
数据传输速率：Profibus 支持多种数据传输速率，从9.6 kbps 到12 Mbps 不等，这取决于特定应用的需求。
帧结构：Profibus 帧包括头部、数据部分和尾部，其中包含了发送方和接收方的地址信息、控制信息以及数据内容。
帧结构的定义使得数据在总线上可以被准确地识别和解析。
主站和从站：在Profibus 网络中，有一个或多个主站（Master）负责控制通信，而其他设备则作为从站（Slave）响应主站的请求。
主站通常是控制系统或上级设备，而从站是各种传感器、执行器和外围设备。
通信协议：Profibus 支持多种通信协议，包括Profibus-DP（用于实时控制和数据交换）、Profibus-PA（用于过程自动化）和Profibus-FMS（用于制造过程管理系统）等。
诊断和监控：Profibus 提供了诊断和监控功能，可以用于检测网络故障、设备状态和通信问题。
这有助于维护人员及时识别和解决问题。
可扩展性：Profibus 是一个灵活的总线系统，可以根据需要扩展和定制。
新设备可以轻松添加到现有的Profibus 网络中，而不需要重大更改。
Profibus 通常用于工业自动化、制造业、工厂自动化、过程控制、建筑自动化和机器控制等领域。
PROFIBUS现场总线的通信原理
PROFIBUS现场总线的通信原理PROFIBUS是一种用于工业自动化领域的现场总线通信协议，它具有高可靠性、高性能和广泛适应性的特点。
PROFIBUS采用串行通信方式，在现场设备和控制器之间传输数据，支持实时控制、远程诊断和设备管理等功能。
下面将详细介绍PROFIBUS的通信原理。
首先，PROFIBUS采用主-从式通信结构，主站负责组织和控制整个网络，从站负责接收和响应主站的指令。
主站可以是一个控制器，例如PLC或DCS；从站则是各种各样的现场设备，例如传感器、执行器和驱动器等。
通信过程中，主站发送指令和请求给从站，从站根据指令执行相应的操作，并将结果返回给主站。
主站可以使用轮询方式和点对点通信方式与从站进行通信。
在轮询方式中，主站按照一定的顺序逐个轮询从站，发送指令并接收响应。
在点对点通信方式中，主站直接与一些从站进行通信，这种方式适用于需要快速响应的实时控制应用。
PROFIBUS的通信过程分为数据通信和配置通信两个阶段。
在数据通信阶段，主站发送数据给从站，从站执行相应的操作并返回数据。
数据通过物理层的电缆线路传输，可以采用不同的物理层介质，例如RS485、Fiber Optic和PROFIBUS PA等。
在数据传输过程中，PROFIBUS使用分段传输技术将数据按照帧的形式进行传输，每个帧包括起始码、帧头、数据域、CRC校验和帧尾等字段。
在配置通信阶段，主站与从站进行参数的配置和诊断信息的交换。
主站可以配置从站的通信地址、数据传输速率和通信周期等参数，从而实现对从站的管理和控制。
主站还可以向从站发送诊断命令，获取从站的运行状态和故障信息，实现设备的远程诊断和维护。
为了保证通信的可靠性和实时性，PROFIBUS采用了一系列的通信协议和机制。
例如，PROFIBUS DP（Decentralized Peripherals）协议用于高速数据传输；PROFIBUS PA（Process Automation）协议用于现场仪器设备的连接和控制；PROFIsafe协议用于安全相关的应用；PROFIenergy 协议用于能源管理等。
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1 PROFIBUS技术简介
PROFIBUS概貌
PROFIBUS是一种国际化、开放式（不依赖于设备 生产商）的现场总线标准。广泛适用于制造业 自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力 等其他领域自动化。 PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现 场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可 实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控 制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动 化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
不具有本征 24V 安全
IEC1158-2传输设备的线路长度
供电装置 I型 II型 III型 IV型 V型 VI型
供电电压(V)
S 所需电流(mA)
13.5
110 900 1000
13.5
110 900 1500
13.5
250 400 500
24
110
24
250
24
500
Q=0.8mm2的导线长 度（m）
(5) 电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则 传输速率与长度如下表：
9.69.6 19.2 187.5 波特率 (K bit/s) 波特率 (K bit/s) 19.2 93.75 93.75 187.5 1000 距离 /段(M) 距离 /段(M) 1200 12001200 1200 1200 1000 500 1500 150012000 12000 500 400 200 200 100 100 400
用于PA的IEC1158-2传输技术
(1) IEC1158-2的数据传输技术用于 PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。 它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备 供电。 (2) IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为 H1。
用于PA的IEC1158-2传输技术
IEC1158-2技术的传输原理是： · 每段只有一个电源作为供电装置。 · 收发站不向总线供电。 · 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。 · 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。 · 主总线两端要有无源终端器。 · 允许使用线性、树型和星型网络。 · 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。 · 为了调制的目的，假设每个总线站至少需用 10mA基本电流才能使设备启动。
(3) PROFIBUS总线存取协议规定：主站之间采用令牌传 送方式，主站与从站之间采用主从方式。 这是因为 PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本 要求： ·在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证 在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时 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。 (4) 可能有以下三种系统配置： ·纯主-从系统 ·纯主-主系统 ·混合系统 主站间的逻辑令牌环+主从站间的主从 协议 主站在一个限定时间内 (Token Hold Time) 对总线有控制 权 从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权
PROFIBUS 总线访问协议 (FDL) 的特点
主站或从站可以在任何时间点接入或断开。FDL 将自动地重新组织令牌环。 令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的 通信任务。因此，用户必须计算全部目标令牌 环时间 (TTR)。 总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令 牌、重复的令牌、传输错误和其他所有可能的 网络失败。 所有信息(包括令牌信息)在传输过程中确保高度 安全，以免传输错误。 海明距离 HD = 4
PROFIBUS组成
PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP （Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。 PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备 级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP 可取代24VDC或4-20mA信号传输。 PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器 和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。 PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令 牌结构、实时多主网络。
2 PROFIBUS物理层
PROFIBUS提供了三种数据传输类型： · 用于DP和FMS的RS485传输。 · 用于PA的IEC1158-2传输。 · 光纤 由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术 和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可 在同一根电缆上同时操作。 RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输 技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是 屏蔽双绞铜线。
(1) PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。 第三到七层未加描述。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 PROFIBUS-DP设备的设备行为。 (2) PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用 层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message SpecificationFMS）和低层接口（Lower Layer Interface-LLI）。FMS包 括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信 服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的与第 二层访问接口。 (3) PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的 PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的 PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本 征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器 可在DP上扩展PA网络。
令牌调度原理
在多主网络中，令牌调度必须确保每个主站有 足够的时间完成它的通信任务 用户将全部目标令牌循环时间 (TTR) 配置进入 所有主站的通信任务帐户。 每一个主站根据下列公式计算它接收令牌后完 成它的通信任务的时间(TTH) TTH = TTR - TRR TTH = 持有令牌时间 TTR = 目标令牌循环时间（令牌必须交出时间） TRR = 实际令牌循环时间（令牌到达时间）
(6) A型电缆参数： 阻抗：135-165Ω 电容：< 30pf/m 回路电阻：110Ω 线径：0.64mm 导线面积：>0.34mm2 (7) RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型 插头，插头针脚定义和接线见下图所示。 (8) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电 磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屛蔽的 电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。
Q=1.5mm2的导线长 度（m）
1900 1300 650 190 0 190 0 1900
光纤传输技术
(1) PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下 应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输 的距离。 (2) 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑 料纤维导体，供距离小于50米情况下使用。 另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1公里 情况下使用。 (3) 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信 号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转 换成RS-485信号。
(5) 在总线系统初建时，主站MAC的任务是制 定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线 运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排 除，新上电的主站必须加入逻辑环 (6) MAC的另一重要工作任务是保证数据的可 靠性。PROFIBUS的数据结构格式可保证数 据的高度完整性。 (7) MAC层按照非连接的模式操作，除提供点 对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其 中包括广播及有选择广播功能。
IEC11式、位同步、曼彻斯特编码。 · 传输速率：31.25K bit/s，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：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。 · 远程电源供电：可选附件，通过数据线。 · 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 · 拓扑：线型或树型，或两者相结合。 · 站数：每段最多32个，总数最多为126个。 · 中继器：最多可扩展至4台。
(4) 建议使用下列参考电缆，也可使用更粗截面导体的 其它电缆。 ·电缆设计： 双绞线屏蔽电缆 ·导线面积（额定值）： 0.8mm2(AWG18) ·回路电阻（直流）： 44Ω/Km ·阻抗（31.25千赫时）： 100Ω±20% ·39千赫时衰减： 3dB/Km ·电容不平衡度： 2nF/Km (5) 主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联 的RC元件，R=100Ω，C=1μF。当总线站极性反向连 接时，它对总线的功能不会有任何影响。 (6) 连接到一个段上的站数目最多是32个。如果使用本 征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。 即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受 到限制。
标准供电装置（操作值）
型 号 I II III IV 应用领域 EEx ia/ib IIC EEx ib IIC EEx ib II 供电 电压 供电最大 电流 最大 功率 1.8W 1.8W 4.2W 12W 典型 站数 8 8 22 32 备注 假设每 个设 备耗 电10 mA
13.5V 110 mA 13.5V 110 mA 13.5V 250 mA 500 mA
(9) 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护 接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线 来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数 据线必须与高压线隔离。 (10) 超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使 用短截线段，应使用市场上现有的插头。可 使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而 且总线插头可在任何时候接通或断开而并不 中断其它站的数据通信。
3 PROFIBUS数据链路层
PROFIBUS-DP
数据链路层概述 PROFIBUS-DP设备类型 报文结构 DP-V0 DP-V1 DP-V2
数据链路层概述
(1) 三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使 用一致的总线存取协议： PROFIBUS-DP 。该 协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层） 来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传 输协议和报文处理。 (2) 在PROFIBUS-DP中，也分二个子层：上 层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link-FDL）。下层是介质存取控制（Medium Access Control-MAC）具体控制数据传输的程序， MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发 送数据。