淺談Profibus工業(yè)總線及其應(yīng)用

栗小寬

摘 要：隨著數(shù)字計算機的介入，產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)，隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，設(shè)備之間彼此通信、控制，對精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。Profibus現(xiàn)場總線可分為三個互相兼容版本的通信協(xié)議：Profibus-DP主要用于自控系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信；Profibus-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，解決車間級通用性通信任務(wù)：Profibus-PA是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制的過程自動化，該文就Profibus總線做一簡單闡述。

關(guān)鍵字：現(xiàn)場總線 通信協(xié)議 GSD文件 RS-485

中圖分類號：TD65 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0003-02

Profibus是Process Field Bus（過程現(xiàn)場總線）的簡稱，是上世紀80年代后期由西門子、ABB等著名公司和研究機構(gòu)按照ISO/OSI參考模型開發(fā)并制定的一種現(xiàn)場總線標準，是國際標準IEC61158的組成部分。2001年成為中國機械行業(yè)推薦標準，2006年成為中國第一個工業(yè)通訊領(lǐng)域現(xiàn)場總線技術(shù)國家標準。

1 PROFIBUS現(xiàn)場總線基礎(chǔ)

1.1 Profibus總線的分類

Profibus現(xiàn)場總線可分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個互相兼容版本的通信協(xié)議。

（1）Profibus-DP：主要用于自控系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。取代4mA～20mA或24VDC并行信號線，實現(xiàn)自控系統(tǒng)和分散外圍I/O設(shè)備及智能現(xiàn)場儀表之間的數(shù)據(jù)通信，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。

（2）Profibus-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，解決車間級通用性通信任務(wù)，多用于紡織工業(yè)、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執(zhí)行器、PLC等自動化控制，一般構(gòu)成實時多主站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種令牌結(jié)構(gòu)、實時的多主網(wǎng)絡(luò)。

（3）Profibus-PA （Process Automation，過程自動化）是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制的過程自動化，用于安全性要求較高的場合及由總線供電的站點。

1.2 Profibus的通信協(xié)議

1.2.1 Profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)

Profibus是以O(shè)SI參考模型為基礎(chǔ)的。第1層為物理層，定義物理傳輸特性；第2層為數(shù)據(jù)鏈路層，解決兩個相鄰節(jié)點之間的通信問題；第3～6層Profibus未使用；第7層為應(yīng)用層，定義應(yīng)用功能，另外加了用戶層，把很多基本功能和擴展功能放在用戶層處理。

1.2.2 總線存取協(xié)議

Profibus協(xié)議有一些基本要求，如同一級的PLC或者網(wǎng)絡(luò)主站之間的通信必須使每一個主站在一定的時間內(nèi)獲得足夠的機會來處理它自己的通信任務(wù)；主站和從站之間應(yīng)盡可能快速地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。為此，Profibus使用令牌傳送方式和用于主站與從站之間通信的主從方式。當(dāng)一個主站獲得了令牌，它就可以擁有主從站通信的總線控制權(quán)，而且此地址在整個總線上必須是唯一的。

2 Profibus的傳輸技術(shù)

2.1 DP/FMS的RS-485傳輸技術(shù)

2.1.1 RS-485傳輸技術(shù)的特點

RS-485傳輸過程是建立在半雙工、異步、無間隙同步化的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)的發(fā)送采用NRZ編碼，這種傳輸技術(shù)通常稱之為H2。網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示，所有設(shè)備都連接在總線上，每個總線段的兩頭均有一個終端電阻。兩個總線終端電阻必須要有電源。傳輸介質(zhì)采用雙絞屏蔽電纜。每個總線段最多可以連接32個站，站數(shù)超過32個則需要使用中繼器來連接各個總線段。使用中繼器時最多可用到127個站，串聯(lián)的中繼器一般不超過3個。插頭連接采用9針、D型插頭，插座被安裝在設(shè)備上。傳輸速率在9.6～12 Mbps之間選擇。總線的最大傳輸距離取決于傳輸速率，范圍為：100～1000 m。

2.1.2 RS485的數(shù)據(jù)傳輸格式

2.2 DP/FMS的光纖傳輸技術(shù)

在電磁干擾很大的環(huán)境，可使用光纖傳輸技術(shù)。光纖電纜對電磁干擾不敏感并能保證總線上站與站的電氣隔離。現(xiàn)在的低損耗玻璃光纖相對于早期發(fā)展的傳輸介質(zhì)，幾乎不受帶寬限制且傳輸距離遠、衰減小。光學(xué)傳輸系統(tǒng)由三個基本部分構(gòu)成：光發(fā)送機、光纜和接收光信號的光接收機。

2.3 PA的IEC1158-2傳輸技術(shù)

IEC1158-2傳輸技術(shù)的特點：

IEC1158-2傳輸技術(shù)是一種位同步協(xié)議，通常稱為H1，采用曼徹斯特編碼，每段只有一個電源作為供電裝置，當(dāng)站收發(fā)信息時，不向總線供電。數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼；傳輸速率為31.25 Kbps，數(shù)據(jù)可靠性采用起始和終止限定符避免誤差；傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線電纜，也可以采用非屏蔽式雙絞線電纜；遠程電源供電為可選附件，可通過數(shù)據(jù)總線供電；站點數(shù)每段最多有32個站；使用中繼器最多可到127個站；拓撲結(jié)構(gòu)采用總線型、樹型或混合型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

3 Profibus控制系統(tǒng)的配置

3.1 現(xiàn)場設(shè)備的分類

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備是否具有Profibus接口分為現(xiàn)場設(shè)備不具備Profibus接口；部分現(xiàn)場設(shè)備具有Profibus接口；現(xiàn)場設(shè)備都有Profibus接口。

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備在控制系統(tǒng)中所起的作用不同，可分為1類主站（DPM1）設(shè)備、2類主站（DPM2）和從站。1類主站是中央控制器，完成總線通信控制、管理及周期性數(shù)據(jù)訪問。1類主站是系統(tǒng)必須的。2類主站（DPM2）完成非周期性數(shù)據(jù)訪問，它可以與1類主站進行通信，也可以與從站進行輸入/輸出數(shù)據(jù)的通信。Profibus從站是對數(shù)據(jù)和控制信號進行輸入/輸出的設(shè)備。從站在主站的控制下，進行現(xiàn)場輸入信號的采集與控制信號的輸出。

3.2 Profibus控制系統(tǒng)的配置形式

Profibus控制系統(tǒng)的配置有以下幾種結(jié)構(gòu)類型：（1）PLC或其他控制器做1類主站，不設(shè)監(jiān)控站；（2）以PLC或其他控制器做1類主站，監(jiān)控器通過串口與PLC連接；（3）以PLC或其他控制器做1類主站，監(jiān)控站連接在Profibus總線上；（4）使用PC+Profibus網(wǎng)卡做1類主站；（5）工業(yè)控制PC機+Profibus網(wǎng)卡+SoftPLC。

4 GSD文件

為了將不同公司生產(chǎn)的Profibus產(chǎn)品集成在一起，廠商必須為其產(chǎn)品提供電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件，即GSD文件。GSD對Profibus設(shè)備的特性諸如波特率、信息長度等進行了詳細說明；GSD數(shù)據(jù)將通信擴大到操作員控制級；基于GSD的組態(tài)工具可將不同公司生產(chǎn)的設(shè)備進行集成，操作簡單并界面漂亮。GSD是可讀的ASCII文本文件，可以用任何一種ASCII編輯器編輯。GSD文件由若干行組成，每行包括關(guān)鍵字及參數(shù)。借助于關(guān)鍵字，組態(tài)工具從GSD讀取組態(tài)的設(shè)備標識、可調(diào)整的參數(shù)等。

5 結(jié)語

現(xiàn)場總線在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給工業(yè)總線注入了新的生命力，相信不久的將來現(xiàn)場總線會得到更好的發(fā)展和普遍應(yīng)用。

參考文獻

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