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PROFIBUS结构与硬件

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本文对PROFIBUS的组成、PROFIBUS协议结构、传输技术、总线连接器、PROFIBUS介质存取协议和PROFIBUS设备分类做专业介绍,方便仪表技术人员全面熟悉PROFIBUS结构与硬件。

PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一,PR0FIBUS总线是1987年由西门子公司等13家企业和5家研究机构联合开发,1999年PROFIBUS成为国际标准IEC 61158的组成部分,2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001。

PROFIBUS支持主从模式和多主多从模式。对于多主站的模式,在主站之间按令牌传递决定对总线的控制权,取得控制权的主站可以向从站发送、获取信息,实现点对点的通信。

一、PROFIBUS的组成
PROFIBUS协议包括三个主要部分:PROFIBUS-DP(分布式外部设备)、PR0FIBUS-PA(过程自动化)和PR0FIBUS-FMS(现场总线报文规范)。

1、PROFIBUS-DP(分布式外部设备)
PROFIBUS-DP是一种高速低成本数据传输,用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O(例如ET 200)的通信。主站之间的通信为令牌方式,主站与从站之间为主从轮询方式,以及这两种方式的混合。一个网络中有若干个被动节点(从站),而它的逻辑令牌只含有一个主动令牌(主站),这样的网络为纯主一从系统。图1所示为典型的主从PROFIBUS-DP总线,图中有一个站为主站,其他站都是主站的从站。

图1    典型的主从PROFTBUS-DP总线

2、PROFIBUS-PA(过程自动化)
PROFIBUS-PA用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输,使用扩展的PROFIBUS-DP协议。传输技术采用IEC 1158-2标准,可以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。使用屏蔽双绞线电缆,由总线提供电源。典型PROFIBUS-PA系统配置如图2所示。

图2    典型PROFIBUS-PA系统配置

3、PR0FIBUS-FMS(现场总线报文规范)
PR0FIBUS-FMS可用于车间级监控网络,FMS提供大量的通信服务,用以完成中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言,它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间。如图3所示,一个典型PROFIBUS-FMS系统由各种智能自动化单元组成,如PC、plchmi等。

图3    典型PROFIBUS-FMS系统

二、PROFIBUS协议结构
PROFIBUS协议结构以ISO/OSI参考模型为基础,其协议结构如图4所示,第1层为物理层,定义了物理的传输特性;第2层为数据链路层;第3-6层PROFIBUS未使用;第7层为应用层、定义了应用的功能。

图4     典型的PROFIBUS-FMS系统

PROFIBUS-DP是高效、快速的通信协议,它使用了第1层与第2层及用户接口,第3-7层未使用。这种简化的结构确保了DP快速、高效的数据传输。

三、传输技术
PROFIBUS总线使用两端有终端的总线拓扑结构、如图5所示。

图5    两端有终端的总线拓扑结构

PROFIBUS使用三种传输技术:PROFIBUS DP和PROFIBUS FMS采用相同的传输技术,可使用RS485屏蔽双绞线电缆传输或光纤传输;PROFIBUS PA采用IEC 1158-2传输技术;DP和FMS使用相同的传输技术和统一的总线存取协议,可以在同一根电缆上同时运行;DP/FMS符合EIA RS-485标准(也称为H2),采用屏蔽或非屏蔽双绞线电缆,9.6kbit/s-12Mbit/s。一个总线段最多32个站、带中继器最多127个站。DP/FMS传输距离与传输速率有关,3-12Mbit/s时为100m,9.6-93.75kbit/s时为1200m。

另外,为了适应强度很高的电磁干扰环境或使用高速远距离传输,PROFIBUS可使用光纤传输技术。

四、PROFIBUS总线连接器
PROFIBUS总线连接器是用于连接PROFIBUS站与电缆实现信号传输·带有内置终端电阻,如图6所示。

图6    PROFIBUS总线连接器

五、PROFIBUS介质存取协议
1、PROFIBUS介质存取协议
PROFIBUS通信规程采用了统一的介质存取协议,此协议由OSI参考模型的第2层来实现。PROFIBUS介质存取协议如下:
①在主站间通信时,必须保证在正确的时间间隔内,每个主站都有足够的时间来完成它的通信任务。
②PLC与从站间通信时,必须快速、简捷地完成循环,实时地进行数据传输。为此,PROFIBUS提供了两种基本的介质存取控制、即令牌传递方式和主从轮循方式。

令牌传递方式可以保证每个主站在事先规定的时间间隔内都能获得总线的控制权。令牌是一种特殊的报文、它在主站之间传递着总线控权,每个主站均能按次序获得一次令牌,传递的次序是按地址的升序进行的。主从轮循方式允许主站在获得总线控制权时可以与从站进行通信,每个主站均可以向从站发送或获得信息。

2、PROFIBUS系统配置
使用上述的介质存取方式,PROFIBUS可以实现以下三种系统配置:纯主-从系统(单主站)、纯主-主系统(多主站)和两种配置的组合系统(多主-多从)。
①纯主-从系统(单主站)
单主系统可实现最短的总线循环时间。以PROFIBUS DP系统为例、一个单主系统自一个DP-1类主站和1到最多125个DP-从站组成,典型系统如图7所示。

图7    单主站系统

②纯主-主系统(多主站)
若干个主站可以用读功能访问一个从此。以PROFIBUS-DP系统为例,多主系统由多个主设备(1类或2类)和1到最多124个DP-从设备组成。典型系统如图7所示。

图7   多主站系统

③两种配置的组合系统(多主-多从)
图7所示为一个由3个主站和7个从站构成的PROFIBUS系统结构的示意图。由图7可看出,3个主站构成了一个令牌传递的逻辑环,在这个环中,令牌按照系统确定的地址升序从一个主站传递给下一个主站。当一个主站得到了令牌后,它就能在一定的时间间隔内执行该主站的任务,可以按主从关系与所有从站通信,也可按主主关系与所有主站通信。

六、PROFIBUS-DP设备分类
PROFIBUS-DP在整个PROFIBUS应用中,应用最多、最广泛,可以连接不同厂商符合PROFIBUS-DP协议的设备。PROFIBUS-DP定义了三种设备类型:
1、DP-1类主设备
DP-1类主设备(DPM1)可构成DP-1类主站。这类设备是一种在给定的信息循环中与分布式站点(DP从站)交换信息,并对总线通信进行控制和管理的控制器。典型设备如PLC、CNC或PC等。

2、DP-2类主设备
DP-2类主设备(DPM1)可构成DP-2类主站。它是DP网络中的编程、诊断和管理设备。DPM2除了具有1类主站的功能外,可以读取DP从站的输入/输出数据和当前的组态数据,可以给DP从站分配新的总线地址。如PC、OP、TP等。

3、DP-从设备
DP-从设备可构成DP从站。这类设备是DP系统中直接连接I/O信号的外围设备。典型DP-从设备有分布式I/O、ET200、变频器、驱动器、阀、操作面板等。根据它们的用途和配置,可将SIMATIC S7的DP从站设备分为以下几种:
①分布式I/O(非智能型I/O))由主站统一编址,如ET 200。
②PLC智能DP从站:PLC(智能型I/O)做从站。存储器中有一片特定区域作为与主站通信的共享数据区。
③具有PROFIBUS-DP接口的其他现场设备。
在DP网络中、一个从站如果只能被一个主站所控制,那么这个主站是这个从站的1类主站;如果网络上还有编程器和操作面板控制从站、这个编程器和操作面板是这个从站的2类主站。另外一种情况、在多主网络中,一个从站只有一个1类主站,1类主站可以对从站
执行发送和接收数据操作,其他主站只能可选择地接收从站发给1类主站的数据,这样的主站也是这个从站的2类主站、它不直接控制该从站。各种站的基本功能如图8所示。

图8     PROFIBUS-DP基本功能

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沙发
发表于 7 天前 | 只看该作者
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