自学工业控制网络之路1.2-典型的现场总线介绍PROFIBUS

2018/07/16 07:25
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自学工业控制网络之路1.2-典型的现场总线介绍PROFIBUS

目前看来,现场总线标准不会统一,多标准并存现象将会持续。

现场总线国家标准:

  • 中国的DeviceNet和ASi
  • 德国的PROFIBUS
  • 法国的FIP
  • 英国的ERA
  • 挪威的FINT等
  • 丹麦的PINT

现场总线企业标准:

  • Echelon公司的LONWORKS
  • Phenix Contact公司的Interbus
  • Robert Bosch公司的CAN
  • Rosemount公司的HART
  • Carlo Garazzi公司的Dupline
  • Process Date公司的P-net
  • Peter Hans公司的F-Mux

PROFIBUS

 1987年制定,主要支持者德国西门子。
 1991年4月在DIN19245中发表,正式称为德国标准。只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS。
 1994年推出PROFIBUS-PA,引用了IEC标准的物理层(IEC1158-2)。
 1996年3月15日,批准成为欧盟标准EN500170的第2卷。
 1999年,成为国际标准IEC61158的组成部分(TYPEIII)

1.PRIFIBUS组成

由三个部分组成:
(1)PROFIBUS-FMS:主要用来解决车间级通用性通信任务,可用于大范围和复杂通信,定义了主站到主站之间的通信功能。总线周期一般小于100ms,市场占额比最小。
(2)PROFIBUS-DP:其设计专门为自动控制系统和分散的I/O设备级之间进行通信使用的,面向工厂现场应用的。总线周期一般小于10ms,市场占额比最大。
         历史发展3个版本:
         PROFIBUS-DP V0基本版本:

  • 总线访问方法:各主站之间为令牌传送,主站与从站间为主-从循环传送,支持单主站或多主站系统,总线上多126个站。
  • 循环数据交换:可以实现中央处理器(PLC,过程控制系统,PC)与分布式现场设备(从站例如I/O、阀门、变送器和分析仪等)之间的快速循环数据交换,主站发出请求报文,从站收到后返回响应报文,这种循环数据交换是在被称为MS0的连接上进行的。
  • 诊断功能:经过扩展的PROFIBUS-DP诊断,能对站级、模块级、通道级这3级故障进行诊断和快速定位,诊断信息在总线上传输并由主站采集。
  • 保护功能:对DP从站输出进行访问保护,DP主站用监控定时器监视与从站的通信,对每个从站都设置有独立的监控定时器。在规定的监视时间间隔内,如果没有执行用户数据传送,将会使监控定时器超时,通知用户程序进行处理。
  •  通过网络的组态功能与控制功能:通过网络可以实现下列功能,动态激活或关闭DP从站,对DP主站(DPM1)进行配置,可以设置站点 的数目、DP从站的 地址、输入、输出数据的格式、诊断报文的格式等,以及检查DP从站的组态。控制命令可以同时发送给所有的从站或部分从站。
  • 同步与锁定功能:用SYNC命令使指定从站进入同步模式,用“UNSYNC”命令来解除。用FREEZE命令使指定从站进入锁定模式,用“UNFREEZE”命令解除锁定模式。
  • DPM1和系统组态设备之间的循环数据传输:PROFIBUS-DP允许主站之间的数据交换,即DPM1和DPM2之间的数据交换。该功能使组态和诊断设备可以通过总线对系统进行组态,DPM1的操作方式,动态地允许或禁止DPM1与某些从站之间交换数据。

          PROFIBUS-DP V1 版本:

  • 基于DP-V0的所有功能
  • DP-V1最主要的特征是具有主站与从站之间的非循环数据交换功能,可以用它来进行参数设置、诊断和报警处理。非循环数据 交换与循环数据交换是并行执行的,但是优先级较低。
  • 第二个特征是具有扩展诊断功能,DP从站通过诊断报文将突发事件(报警信息)传送给主站,主站收到后发 送确认报文给从站。从站收到后只能发送新的报警信息,这样可以防止多次重复发送同一报警报文。状态报文由从站发送给主站,不需要主站确认。

          PROFIBUS DP-V2 版本:

  • 从站与从站之间的通信:从站之间的直接数据交换(DX)通信采用广播式的通信方式。
  • 等时同步模式:同眇功能可以实现主站与从站中的时钟同步,而与总线负载无关。此可能可以实现高精度定位处理,误差小于1微秒。
  • 时钟控制与时间标记:通过用于时钟同步的新的连接MS3,实时时间主站将时间标记发送给所有的从站,将从站的刊名同步到系统时间,误差小于1毫秒。
  • HARTTonDP:HART是一种应用较广的现场总线。HART规范将HART客户-主机-服务器模型映射到PROFIBUS。
  • 上载与下载(区域装置):这一功能允许用少量的装载任意现场设备中任意大小的数据区。
  • 功能请求:功能请求服务用于对DP从站的程序进行控制是(启动、停止、返回或重新启动)和功能调用。
  • 从站冗余

(3)PROFIBUS-PA:其设计专门为过程自动化设计的,他可使传感器和执行器按在一根共用的总线上,本质安全通信传输。IEC1158-2标准,PROFIBUS-PA用双线进行总线供电和数据通信。

2.PRIFIBUS应用范围

 

(1)PROFIBUS-FMS:加工自动化,通用,应用范围广,多主机通信
(2)PROFIBUS-DP:加工自动化,快捷,插接方便,效益好,价格适中
(3)PROFIBUS-PA:过程自动化,面向行业,总线馈电和本质安全可选

3 .PRIFIBUS参考模型

 

 PROFIBUS协议结构根据ISO7498国际标准,以OSI作为参考模型,但省略了3~6层,却增加了服务层。
(1)PROFIBUS-DP:使用了第1层物理层,第2层数据链路层和用户层。这种精简结构确保了数据传输可以快速和有效进行。
                  第1层物理层提供了用于传输的RS-485传输技术或光纤。
                  第2层现场总线数据链路层FDL提供了采用基于Token-Passing的主从分时轮询协议,完成总线访问控制盒可靠的数据传输。
                  用户层规定了用户、系统以及不同设备可以调用的应用功能,是第三方的应用程序可以被直接调用,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
(2)PROFIBUS-FMS:使用了第1层物理层,第2层数据链路层和第7层。
                  第1层物理层提供了用于传输的RS-485传输技术或光纤。
                  第2层现场总线数据链路层FDL提供了采用基于Token-Passing的主从分时轮询协议,完成总线访问控制盒可靠的数据传输。(由于FDL相同,PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS可以在同一根电缆上同时操作)
                  第7层即为应用层,现场总线报文规范,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。           

(3)PROFIBUS-PA:使用了第1层物理层,第2层数据链路层和用户层。但是物理层和数据链路层定义规范不相同。
                  第1层物理层采用与FF总线规范标准一致的IEC 1158-2,通信信号采用曼彻斯特编码,传输速率为31.25Kbps 。(由于物理层不同,PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA网段间必须通过耦合器才能相联)
                  第2层现场总线数据链路层采用了扩展的Token-Passing的主从分时轮询协议,与DP所用基本相同,但提供IEC接口。
                  用户层规定了用户、系统以及不同设备可以调用的应用功能,是第三方的应用程序可以被直接调用,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。 

4 . PRIFIBUS传输技术

 PROFIBUS提供了三种传输技术:

  •  用于DP和FMS的RS-485传输
  •  用于PA的IEC 1158-2传输
  •  光纤

 

4.1  RS-485

4.1.1  RS-485传输技术基本特征:

① RS-485是PROFIBUS中最常见的一种传输技术,RS-485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485,通常称为H2
     RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准,该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。
     使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。
② RS485有两线制和四线制两种接线:
  • 四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用
  • 现在多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓扑结构,在同一总线上最多可以挂接32个节点。
③ 在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式,即一个主机带多个从机。
     采用屏蔽双绞铜线,共用一根导线对。
     很多情况下,连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来,而忽略了信号地的连接,这种连接方法在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患:
  • 原因一是共模干扰:RS-485接口采用差分方式传输信号方式,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了,但容易忽视了收发器有一定的共模电压范围,RS-485收发器共模电压范围为-7到+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作;当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口;
  •  原因二是EMI的问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如没有一个低阻的返回通道(信号地),就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

 ④电缆

  • 在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线
  • 在高速、长线传输时,则必须采用阻抗匹配(一般为120Ω)的RS485专用电缆(STP-120Ω(用于RS485 & CAN)一对18AWG)
  • 在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆(ASTP-120Ω(用于RS485 & CAN)一对18AWG)。

    传输速率:可选在9.6Kbps~12Mbps
    站点数:每分段32个站,不带中继器;带中继器可多达127个站

   ④布线方式

     网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。在构建网络时,应注意如下几点:
  • 采用一条双绞线电缆作总线,将各个节点串接起来,从总线到每个节点的引出线长度应尽量短,以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。有些网络连接尽管不正确,在短距离、低速率仍可能正常工作,但随着通信距离的延长或通信速率的提高,其不良影响会越来越严重,主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加,会造成信号质量下降。
  • 应注意总线特性阻抗的连续性,在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性:总线的不同区段采用了不同电缆,或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装,再者是过长的分支线引出到总线。总之,应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
  • 注意终端负载电阻问题,在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作,但随着距离的增加性能将降低。理论上,在每个接收数据信号的中点进行采样时,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握,美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配:当信号的转换时间(上升或下降时间)超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。

   ⑤插头连接:最好使用9针D型插头。
4.1.2  RS-485传输设备安装要点

  • 全部设备均与决线连接。
  • 每个分段上最多可接32个站(主站或站)。
  • 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永远有电源。
  • 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3个。(注:中继器没有站地址,但被计算机在每段的最多站数中)
  • 电缆最大长度取决于传输速率
  • A型电缆参数:
    阻抗:135-165Ω 电容:<30 pf / m 回路电阻:110Ω
    线规:0.64mm 导线面积:>0.34mmΩ
  • RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型插头。
  • 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)下运行应使用带屏蔽的电缆,屏蔽可提高电磁兼容性(EMC)。
  • 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。
  • 超过500K bit/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,而且总线插头连接可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。

 

4.2  IEC1158 - 2

 4..2.1 IEC1158 - 2传输技术基本特征:

(1) 数据IEC1158-2的传输技术用于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,可进行无电流的连续传输,通常称为H1。
(3) IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA,其传输以下列原理为依据:

  • 每段只有一个电源作为供电装置。
  • 当站收发信息时,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。
  • 主总线两端起无源终端线作用。
  • 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,假设每个部线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制,从±9mA到基本电流之间。

(4) IEC1158-2传输技术特性:

  • 数据传输:数字式.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..2.2 IEC1158-2 传输设备安装要点:

(1)分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。藕合器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电,供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。

(2)PROFIBUS-PA的网络拓扑有树型和线型结构,或是两种拓扑的混合。

(3)现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。

(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=1цF。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。

(7) 线路最长长度的确定,根据经验先计算一下电流的需要,根据以下参数(2-2)选用一种供电电源单元,再根据以下参数中(2-3)线的长度确定选用哪种电缆。

  (2-2):标准供电装置(操作值)

  型号    应用领域      供电电压        供电最大电流   最大功率    典型站数

  Ⅰ   EEx ia/ibⅡC        13.5V             110mA            1.8W             8

  Ⅱ   EEx ia/IbⅡC       13.5V              110mA            1.8W             8

  Ⅲ   EEx ia/IbⅡB        13.5V              250mA           4.2W            22

  Ⅳ 不具有本征安全      24V                500mA           12W             32

                      (备注:假设每个设备耗电10mA。)

  (2-3):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)                          13.5        13.5        13.5       24       24      24

  Σ所需电流(mA)                     ≤110          ≤110       ≤250    ≤110     ≤250      ≤500

  Q=0.8mm2的导线长度(m)  ≤900        ≤900        ≤400    ≤1900   ≤1300    ≤650

  Q=1.5mm2的导线长度(m)  ≤1000      ≤1500      ≤500    ≤1900   ≤1900   ≤1900

(8) 外接电源:如果外接电源设备,根据EN500200标准带有适当的隔离装置,将总线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是允许的。

 

4.3 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)许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成导体信号或将光纤导体信号转成RS-485信号。

 

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