現場總線技術及Profibus的概念以及相關的基礎知識

圖2-3

(3)現場配電箱仍繼續用來連接現場設備并放置總線終端電阻器。采用樹型結構時連在現場總線分段的全部現場設備都并聯地接在現場配電箱上。
(4)建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導體的其它電纜。
·電纜設計：雙絞線屏蔽電纜
·導線面積（額定值）：0.8mm2(AWG18)
·回路電阻（直流）：44W/Km
·阻抗（31.25千赫時）：100W±20%
·39千赫時衰減：3dB/Km
·電容不平衡度：2nF/Km
(5)主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內有串聯的RC元件，R=100W，C=1mF。當總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。
(6)連接到一個段上的站數目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數量將進一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。
(7)線路最長長度的確定，根據經驗先計算一下電流的需要，從表2-2中選用一種供電電源單元，再根據表2-3中線的長度選定哪種電纜。
表2-2標準供電裝置（操作值）

表2-3IEC1158-2傳輸設備的線路長度

(8)外接電源：如果外接電源設備，根據EN50020標準帶有適當的隔離裝置，將總線供電設備與外接電源設備連在本征安全總線上是允許的。
2.2.2.5光纖傳輸技術
(1)Profibus系統在電磁干擾很大的環境下應用時，可使用光纖導體，以增加高速傳輸的距離。
(2)可使用兩種光纖導體，一是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導體，供距離大于1公里情況下使用。
(3)許多廠商提供專用總線插頭可將RS-485信號轉換成光纖導體信號或將光纖導體信號轉換成RS-485信號。
2.2.3Profibus總線存取協議
(1)三種Profibus（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協議。該協議是通過OSI參考模型第二層（數據鏈路層）來實現的。它包括了保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。
(2)在Profibus中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層（FieldbusDataLink—FDL）。介質存取控制（MediumAccessControl—MAC）具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發送數據。
(3)Profibus協議的設計要滿足介質存取控制的兩個基本要求：
·在復雜的自動化系統（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。
·在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。
因此，Profibus總線存取協議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。
(4)令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規定的時間內得到總線存取權（令牌）。在Profibus中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。
(5)主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統配置：
·純主—從系統
·純主—主系統
·混合系統
(6)圖2-4是一個由3個主站、7個從站構成的Profibus系統。3個主站之間構成令牌邏輯環。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執行主站工作。在這段時間內，它可依照主—從通訊關系表與所有從站通信，也可依照主—主通訊關系表與所有主站通信。

圖2-4：3個主站、7個從站構成的Profibus系統

(7)在總線系統初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環中排除，新上電的主站必須加入邏輯環。
(8)第二層的另一重要工作任務是保證數據的可靠性。Profibus第二層的數據結構格式可保證數據的高度完整性。
(9)Profibus第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信，其中包括廣播及有選擇廣播功能。
2.3Profibus-DP
Profibus-DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。
2.3.1Profibus-DP的基本功能
(1)傳輸技術：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。
(2)總線存取：各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主—從傳送。支持單主或多主系統。總線上最多站點（主—從設備）數為126。
(3)通信：點對點（用戶數據傳送）或廣播（控制指令）。循環主—從用戶數據傳送和非循環主—主數據傳送。
(4)運行模式：運行、清除、停止。
(5)同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。
(6)功能：DP主站和DP從站間的循環用戶數據傳送。各DP從站的動態激活和可激活。DP從站組態的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進行配置。每DP從站的輸入和輸出數據最大為246字節。
(7)可靠性和保護機制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。DP從站帶看門狗定時器（WatchdogTimer）。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監視。
(8)設備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進行編程、組態、診斷的設備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅動器、閥門等。
2.3.1.1Profibus-DP基本特征
(1)速率：在一個有著32個站點的分布系統中，Profibus-DP對所有站點傳送512bit/s輸入和512bit/s輸出，在12Mbit/s時只需1毫秒。
(2)診斷功能：經過擴展的Profibus-DP診斷能能對故障進行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級：
·本站診斷操作：本站設備的一般操作狀態，如溫度過高、壓力過低。
·模塊診斷操作：一個站點的某具體I/O模塊故障。
·通道診斷操作：一個單獨輸入/輸出位的故障。
2.3.1.2Profibus-DP系統配置和設備類型
Profibus-DP允許構成單主站或多主站系統。在同一總線上最多可連接126個站點。系統配置的描述包括：站數、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數據格式、診斷信息格式及所使用的總線參數。每個PROFIBUS-DP系統可包括以下三種不同類型設備：
(1)一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。
(2)二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的。
(3)DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（I/O設備、驅動器、HMI、閥門等）。
(4)單主站系統：在總線系統的運行階段，只有一個活動主站。如圖2-5所示：

圖2-5：單主站系統

(2)多主站系統：總線上連有多個主站。這些主站與各自從站構成相互獨立的子系統。每個子系統包括一個DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數據。如圖2-6所示：

圖2-6：多主站系統