PROFIBUS 現場總線技術標準

PROFIBUS作為一種現場總線標準，在世界市場上已被普遍接受並得到廣泛運用。本培訓教程全面闡述了PROFIBUS的技術特點、應用模式和產品開發方法。

PROFIBUS的系統模型如下：

　

PROFIBUS是國際性的、開放的現場總線標準
（1）PROFIBUS 標準 EN 50170 是完整的、開放的、與製造商無關的、已經生效的
（2）穩固的 PROFIBUS 標準保護世界範圍的用戶和製造商的投資
（3）PROFIBUS 經實踐證明並在世界範圍內已安裝使用的設備超過1,500,000 個。（截止於１９９７年四季度）
PROFIBUS給客戶的好處
（1）節省硬體和安裝費用
減少硬體成份 (I/O, 終端塊、隔離柵)
更容易、更快捷和低成本的安裝
（2）節省工程費用更容易組態(對所有設備只需一套工具)
更容易保養和維修
更容易和更快捷的系統起動
（3）更大的製造靈活性
改進功能 減少故障時間 準確、可靠的診斷數據 可靠的數字傳輸技術
※ PROFIBUS減少40%的安裝費用：

※ 1,200多個產品（到1998年1季），一個標準
到目前為止，已250家不同的製造商可提供 1,200 多個產品，你可免費獲得最新的 PROFIBUS電子產品指南的拷貝：
（1）從每一個PROFIBUS用戶的CD-ROM或軟盤
（2）或訪問PROFIBUS的國際網頁http://www.profibus.com
※ 產品範圍快速增長

※ 產品應用範圍廣泛
※ 經認證的產品確保互操作性
（1）PROFIBUS 國際已經建立了質量認證系統，包括產品的一致性和互操作性的測試
（2）幾百個產品已經通過了認證
（3）在歐洲和美國建有這樣的測試實驗室
（4）經認證的產品都有一個認證號，它們已在 PROFIBUS 電子產品指南中列出
PROFIBUS 是領先的開放的現場總線系統
•獨立的市場研究證實， PROFIBUS 在歐洲是市場的領導者，且在世界範圍內有最高的增長率。在１９９７年已安裝的PROFIBUS 基本設備超過了 1,500,000個，年增長到約20-30%。
•市場總值 根據1997 ARC 的市場研究現場總線的世界市場總值大於2百萬個節點， 50%以上是用在歐洲。
•市場份額 根據1996 Consultic 關於德國和歐洲市場的市場研究2 ，PROFIBUS 在歐洲市場中約佔 41% 。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/329022.htm

三種有效的傳輸技術

→ PROFIBUS 使用兩端有終端的總線拓撲
→ 在運行期間，接入和斷開一個或幾個站不會影響其他站的工作，即使在本質安全區也如此。
→ 提供三種不同的物理層選擇
(1)RS 485: 用於 DP 和 FMS
(2)IEC 1158-2: 用於 PA
(3)光纖: 用於 DP 和 FMS
PROFIBUS 協議
→ PROFIBUS 總線訪問協議（第二層）對三種PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同
→ 這使通信透明和FMS/DP/PA 網絡區域容易組合
→ 因為 FMS/DP 使用相同的物理介質 (RS-485/FO) ，因此它們能組合在同一根電纜上。

PROFIBUS-DP 的特點
•代替PLC/PC 與 I/O 之間昂貴的電線
•快速，傳輸 1 千字節的輸入數據和 1千字節的輸出數據所需時間<2 ms
•強有力的工具，減少組態和維護費用
•被所有主要的 PLC 製造商支持
•有廣泛的產品: PLC, PC, I/O, 驅動器, 閥, 編碼器等
•允許周期性和非周期性的數據傳輸
•單主和多主網絡
•每個站的輸入和輸出數據最多可達 244 字節
典型的PROFIBUS-DP系統組成：

PROFIBUS-PA(PA = Process Automation) 的特點
•基於擴展的 PROFIBUS-DP 協議和 IEC 1158-2 傳輸技術
•適用於代替現今的 4...20 mA 技術
•僅用一根雙絞線進行數據通信和供電
•通過串行總線聯接儀器儀表與控制系統
•適用於本質安全的 EEx 應用區域
•可靠的串行數字傳輸
•通過一根雙絞電纜進行控制、調節和監視
•對所有設備只需一個工程工具
•由於 PROFIBUS-PA 行規，保證了互操作性和互換性
•儀器儀表的維護和診斷信息

PROFIBUS-FMS 的特點
•FMS 最佳適用於車間級智能主站間通用的、面向對象的通信
•FMS 提供一個 MMS-功能子集 （MMS 即 Manufacturing Message Specification, ISO9506)
•主要應用區域
大數量的數據傳輸，例如程序、數據塊等等
若干個分散過程部分集成到一個公共過程中
智能站間的通信

開放的組態允許即插即用
PROFIBUS ASICs 提供大量產品的關鍵
•對PROFIBUS許多 ASICs 晶片是有效的
•對 PROFIBUS-DP 用單個晶片即可解決
•對 FMS/DP/PA，與處理器無關的外圍晶片
•對FMS/DP，帶 PROFIBUS 核心功能的微控制器
優點：
•對製造商而言，減少實現費用
•對一個接口的價格減至小於 US $ 25
PROFIBUS國際
•超過 650 個會員
•20個地區用戶協會
•一個很強大的組織

PROFIBUS技術培訓 —— 典型應用
PROFIBUS 已經有廣泛的應用
到1997年四季度，實際應用超過150,000個，應用領域包括：
•製造業自動化
汽車製造
裝瓶系統
倉儲系統
•樓宇自動化
交通管理自動化
供熱、空調系統
•過程工業自動化
清洗工廠
化工和石化工廠
造紙和紡織品工廠
•電力工業和電力輸送
發電廠
開關裝置
1 PROFIBUS 在汽車生產中的應用
例如，在 Bochum 的 GM (Opel) 工廠
（1）對每個車身，PROFIBUS-DP控制機器人處理2，000多個焊接操作
（2）PROFIBUS-DP用在組裝線上，每天生產1，200輛轎車
（3）PROFIBUS-DP用在衝壓車間，每天處理22，000噸鋼材
在 OPEL 工廠的網絡結構示意圖

2 PROFIBUS 在樓宇自動化中
例如，在法國的 Bibliotheque Nationale
PROFIBUS 控制四個 80 米高的塔樓
總面積 360,000 m2
容積約11,000,000 m3
PROFIBUS 任務包括
•報警管理
•能量優化
•監視
•技術設備的控制
•操作服務間的可靠、有效的通信、
3 PROFIBUS 在過程自動化中
在 1997 年四季度已銷售出 15,000 多個 Profibus - PA 的設備
※ ROFIBUS-PA在 WACKER 化工廠的應用
WACKER 化工廠簡介
•由Dr. Alexander Wacker 建立於1914年10月13日
•1992年,員工13,000 人, 32億德國馬克的營業額
•主要生產矽和膠製品
WACKER 化工廠項目實施情況
•項目從1997年1月開始
•使用儀器儀表和控制設備總價值500萬馬克
•1,000個PROFIBUS-PA的傳感器和執行器

化工廠為什麼選擇PROFIBUS - PA？
•節省 50% 以上的規劃、設計和安裝成本
•適應本質安全區安裝
•由於集中組態工具，容易維修
儀器儀表和控制部門的負責人 Mr. H. Krummen對此評論：
「由於PROFIBUS-PA 的使用，使新的生產線的設計、安裝費用節省 超過2百萬馬克，
此外，本質安全能力和一個組態工具對所有儀器儀表都適用，這就意味著PROFIBUS-PA
完全符合NAMUR* 所期望的準則。」
※ PROFIBUS-PA在 bitburger啤酒廠的應用
•bitburger啤酒廠每年生產 350,000 噸， 在歐洲是最大的
Bitburger為什麼選擇 PROFIBUS-PA？
•由於容易安裝，節省成本
•由於集中組態，建立系統簡單
•由於提高了準確性，工廠有更高安全性和有效性
•由於減少了維護，而節省成本
•由於是開放的國際標準，使投資安全

PROFIBUS技術培訓 —— 安裝與布線
傳輸特點 (1)
高速 (H2), RS 485
•依據 RS 485，異步 NRZ 傳輸
•波特率從 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s，可選
•雙絞屏蔽電纜
•每段 32 個站，最多允許 127 個站

•距離: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
•有中繼器距離可延長到 10 公裡
•9 針, D 型插頭

傳輸特點 (2)
低速 (H1), IEC 1158-2
•同步 Manchester 編碼, 31.25 kBit/s
•本質安全 (可選) 和通過總線對站供電 (可選)
•屏蔽或非屏蔽的雙絞電纜
•每段距離達 1900 米，用中繼器可延長到 10 公裡
•最多 127 個站, 每段 10-32 個設備 (依賴於 EX-類型和供電消耗)
PROFIBUS 電纜要求 - IEC 1158-2
電纜設計: 屏蔽雙絞電纜
導線面積: 0.8毫米2(AWG 18)
迴路電阻: 44 ? / km
阻抗 （在31.25 KHz時）: 100 ? +/- 20%
衰減 （在39 KHz時）: 3dB / km
每單位長度的電容: 2nF / km
對 IEC 1158-2 傳輸的電纜被列在 PROFIBUS 電子產品指南中
PROFIBUS 電纜要求 - RS 485
參數 電纜類型 A
電纜設計 屏蔽雙絞電纜
浪湧阻抗 135 ... 165 ?
迴路電阻 110 ? / km
線徑 0.64 mm
線截面積 > 0.34 mm
每單位長度的電容 < 30 pF / m
PROFIBUS 電纜被列在 PROFIBUS 電子產品指南中。

PROFIBUS 電纜長度 （對 RS 485）
波特率（ kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
線長（m, A類電纜） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
長度可以用中繼器來延長
9 針D 型連接器的針腳分配 （為RS 485用）
•對 PROFIBUS-DP/FMS 提供的連接器類型是9 針 D 型連接器
•插座部分被安裝在設備上
•如果其他連接器能提供必要的命令信號的話，也允許使用

拓樸
PROFIBUS 支持總線型，樹型和星型拓撲
•這裡提供的拓撲是總線型拓撲
•在總線的開頭和結尾必須有終端
•一段可以由最多 32 個站*組成


RS-485 傳輸的數據位順序
每個八位二進數（１字節）按 11 位的順序被傳輸
最小的有效位 (LSB) 被第一個發送
最大的有效位 (MSB) 被最後發送
每個八位二進數都補充三位，即開始、終止和奇偶校驗位
此編碼原理稱 NRZ （即 Non Return to Zero）

信號電平

1 = 數據傳輸開始
2 = 空閒段、無數據傳輸、總線終端終止的電平
冗餘性提高了系統的可靠性

PROFIBUS技術培訓 —— 總線協議

PROFIBUS 總線訪問方式兼有多主通信和主從通信

總線訪問協議的特徵 (1)
混合總線訪問協議
主站間的邏輯令牌環
主從站間的主從協議
主站
主動站在一個限定時間內 (Token Hold Time) 對總線有控制權
從站
從站只是響應一個主站的請求，它們對總線沒有控制權
PROFIBUS 總線訪問協議 (FDL)的特點
•主站或從站可以在任何時間點接入或斷開。FDL 將自動地重新組織令牌環。
•令牌環調度確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務。因此，用戶必須計算全部目標令牌環時間 (TTR)。
•總線訪問協議有能力發現有故障的站、失效的令牌、重複的令牌、傳輸錯誤和其他所有可能的網絡失敗。
•所有信息(包括令牌信息)在傳輸過程中確保高度安全，以免傳輸錯誤。
海明距離 HD = 4
令牌調度原理
•在多主網絡中，令牌調度必須確保每個主站有足夠的時間完成它的通信任務
•用戶組織全部目標令牌循環時間 (TTR) 進入所有主站的通信任務帳戶。
•每一個主站根據下列公式計算它接收令牌後完成它的通信任務的時間(TTH)
TTH = TTR - TRR
TTH = 持有令牌時間
TTR = 目標令牌循環時間
TRR = 實際令牌循環時間
FDL 狀態圖

重要的 PROFIBUS 電文結構


圖例： TRDY = 準備時間 TSDR = 站響應時間 TSYN = 同步時間
數據鏈路層服務及其用法

服務存取點 (SAP)
•在 PROFIBUS 數據鏈路層與應用層之間的接口處，服務存取點被用來交互作用
•請求站的服務存取點叫做源服務存取點（= SSAP）
•響應站的服務存取點叫做目的服務存取點 (= DSAP)
•服務存取點對 FMS 和 DP/PA 有著不同的功能
對 FMS: 它們被用於區分站之間的邏輯連接
對 DP/PA: 它們被用於選擇不同的功能。