PROFIBUS技术培训 —— 概论
 
    PROFIBUS作为一种现场总线标准，在世界市场上已被普遍接受并得到广泛运用。本培训教程全面阐述了PROFIBUS的技术特点、应用模式和产品开发方法。
PROFIBUS的系统模型如下：
 
　
 
PROFIBUS是国际性的、开放的现场总线标准
（1）PROFIBUS 标准 EN 50170 是完整的、开放的、与制造商无关的、已经生效的
（2）稳固的 PROFIBUS 标准保护世界范围的用户和制造商的投资
（3）PROFIBUS 经实践证明并在世界范围内已安装使用的设备超过1,500,000 个。（截止于１９９７年四季度）
PROFIBUS给客户的好处
（1）节省硬件和安装费用
     减少硬件成份 (I/O, 终端块、隔离栅)
     更容易、更快捷和低成本的安装
（2）节省工程费用更容易组态(对所有设备只需一套工具)
     更容易保养和维修
     更容易和更快捷的系统起动
（3）更大的制造灵活性
     改进功能 减少故障时间 准确、可靠的诊断数据 可靠的数字传输技术
※ PROFIBUS减少40%的安装费用：
 
※ 1,200多个产品（到1998年1季），一个标准
到目前为止，已250家不同的制造商可提供 1,200 多个产品，你可免费获得最新的 PROFIBUS 电子产品指南的拷贝：
（1）从每一个PROFIBUS用户的CD-ROM或软盘
（2）或访问PROFIBUS的国际网页 http://www.profibus.com
※ 产品范围快速增长
 
※ 产品应用范围广泛
※ 经认证的产品确保互操作性
（1）PROFIBUS 国际已经建立了质量认证系统，包括产品的一致性和互操作性的测试
（2）几百个产品已经通过了认证
（3）在欧洲和美国建有这样的测试实验室
（4）经认证的产品都有一个认证号，它们已在 PROFIBUS 电子产品指南中列出
PROFIBUS 是领先的开放的现场总线系统
?独立的市场研究证实， PROFIBUS 在欧洲是市场的领导者，且在世界范围内有最高的增长率。在１９９７年已安装的PROFIBUS 基本设备超过了 1,500,000个，年增长到约20-30%。
?市场总值 根据1997 ARC 的市场研究现场总线的世界市场总值大于2百万个节点， 50%以上是用在欧洲。
?市场份额 根据1996 Consultic 关于德国和欧洲市场的市场研究2 ，PROFIBUS 在欧洲市场中约占 41% 。

 
三种有效的传输技术
 
→ PROFIBUS 使用两端有终端的总线拓扑
→ 在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作，即使在本质安全区也如此。
→ 提供三种不同的物理层选择
   (1)RS 485: 用于 DP 和 FMS
   (2)IEC 1158-2: 用于 PA
   (3)光纤: 用于 DP 和 FMS
PROFIBUS 协议
→ PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同
→ 这使通信透明和FMS/DP/PA 网络区域容易组合
→ 因为 FMS/DP 使用相同的物理介质 (RS-485/FO) ，因此它们能组合在同一根电缆上。
 
PROFIBUS-DP 的特点
?代替 PLC/PC 与 I/O 之间昂贵的电线
?快速，传输 1 千字节的输入数据和 1千字节的输出数据所需时间<2 ms
?强有力的工具，减少组态和维护费用
?被所有主要的 PLC 制造商支持
?有广泛的产品: PLC, PC, I/O, 驱动器, 阀, 编码器等
?允许周期性和非周期性的数据传输
?单主和多主网络
?每个站的输入和输出数据最多可达 244 字节
典型的PROFIBUS-DP系统组成：
 
PROFIBUS-PA(PA = Process Automation) 的特点
?基于扩展的 PROFIBUS-DP 协议和 IEC 1158-2 传输技术
?适用于代替现今的 4...20 mA 技术
?仅用一根双绞线进行数据通信和供电
?通过串行总线联接仪器仪表与控制系统
?适用于本质安全的 EEx 应用区域
?可靠的串行数字传输
?通过一根双绞电缆进行控制、调节和监视
?对所有设备只需一个工程工具
?由于 PROFIBUS-PA 行规，保证了互操作性和互换性
?仪器仪表的维护和诊断信息
 
PROFIBUS-FMS 的特点
?FMS 最佳适用于车间级智能主站间通用的、面向对象的通信
?FMS 提供一个 MMS-功能子集 （MMS 即 Manufacturing Message Specification, ISO9506)
?主要应用区域
   大数量的数据传输，例如程序、数据块等等
   若干个分散过程部分集成到一个公共过程中
   智能站间的通信
 
开放的组态允许即插即用
PROFIBUS ASICs 提供大量产品的关键
?对PROFIBUS许多 ASICs 芯片是有效的
?对 PROFIBUS-DP 用单个芯片即可解决
?对 FMS/DP/PA，与处理器无关的外围芯片
?对FMS/DP，带 PROFIBUS 核心功能的微控制器
优点：
?对制造商而言，减少实现费用
?对一个接口的价格减至小于 US $ 25
PROFIBUS国际
?超过 650 个会员
?20个地区用户协会
?一个很强大的组织
PROFIBUS技术培训 —— 典型应用
PROFIBUS 已经有广泛的应用
到1997年四季度，实际应用超过150,000个，应用领域包括：
? 制造业自动化
汽车制造
装瓶系统
仓储系统
? 楼宇自动化
交通管理自动化
供热、空调系统
? 过程工业自动化
清洗工厂
化工和石化工厂
造纸和纺织品工厂
? 电力工业和电力输送
发电厂
开关装置
1 PROFIBUS 在汽车生产中的应用
例如，在 Bochum 的 GM (Opel) 工厂
（1）对每个车身，PROFIBUS-DP控制机器人处理2，000多个焊接操作
（2）PROFIBUS-DP用在组装线上，每天生产1，200辆轿车
（3）PROFIBUS-DP用在冲压车间，每天处理22，000吨钢材
在 OPEL 工厂的网络结构示意图
 
2 PROFIBUS 在楼宇自动化中
例如，在法国的 Bibliotheque Nationale
PROFIBUS 控制四个 80 米高的塔楼
总面积 360,000 m2
容积约11,000,000 m3
PROFIBUS 任务包括
? 报警管理
? 能量优化
? 监视
? 技术设备的控制
? 操作服务间的可靠、有效的通信、
3 PROFIBUS 在过程自动化中
在 1997 年四季度已销售出 15,000 多个 Profibus - PA 的设备
※ ROFIBUS-PA在 WACKER 化工厂的应用
WACKER 化工厂简介
?由Dr. Alexander Wacker 建立于1914年10月13日
?1992年,员工13,000 人, 32亿德国马克的营业额
?主要生产硅和胶制品
WACKER 化工厂项目实施情况
?项目从1997年1月开始
?使用仪器仪表和控制设备总价值500万马克
?1,000个PROFIBUS-PA的传感器和执行器
 
化工厂为什么选择PROFIBUS - PA？
?节省 50% 以上的规划、设计和安装成本
?适应本质安全区安装
?由于集中组态工具，容易维修
仪器仪表和控制部门的负责人 Mr. H. Krummen对此评论：
“由于PROFIBUS-PA 的使用，使新的生产线的设计、安装费用节省 超过2百万马克，
此外，本质安全能力和一个组态工具对所有仪器仪表都适用，这就意味着PROFIBUS-PA
完全符合NAMUR* 所期望的准则。”
※ PROFIBUS-PA在 bitburger啤酒厂的应用
?bitburger啤酒厂每年生产 350,000 吨， 在欧洲是最大的
Bitburger为什么选择 PROFIBUS-PA？
?由于容易安装，节省成本
?由于集中组态，建立系统简单
?由于提高了准确性，工厂有更高安全性和有效性
?由于减少了维护，而节省成本
?由于是开放的国际标准，使投资安全
 
                   PROFIBUS技术培训 —— 安装与布线
传输特点 (1)
高速 (H2), RS 485
? 依据 RS 485，异步 NRZ 传输
? 波特率从 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s，可选
? 双绞屏蔽电缆
? 每段 32 个站，最多允许 127 个站
? 距离: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
? 有中继器距离可延长到 10 公里
? 9 针, D 型插头

传输特点 (2)
低速 (H1), IEC 1158-2
? 同步 Manchester 编码, 31.25 kBit/s
? 本质安全 (可选) 和通过总线对站供电 (可选)
? 屏蔽或非屏蔽的双绞电缆
? 每段距离达 1900 米，用中继器可延长到 10 公里
? 最多 127 个站, 每段 10-32 个设备 (依赖于 EX-类型和供电消耗)
PROFIBUS 电缆要求 - IEC 1158-2
电缆设计: 屏蔽双绞电缆
导线面积: 0.8毫米2(AWG 18)
回路电阻: 44 ? / km
阻抗 （在31.25 KHz时）: 100 ? +/- 20%
衰减 （在39 KHz时）: 3dB / km
每单位长度的电容: 2nF / km
对 IEC 1158-2 传输的电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中
PROFIBUS 电缆要求 - RS 485
参数 电缆类型 A
电缆设计 屏蔽双绞电缆
浪涌阻抗 135 ... 165 ?
回路电阻 110 ? / km
线径 0.64 mm
线截面积 > 0.34 mm
每单位长度的电容 < 30 pF / m
PROFIBUS 电缆被列在 PROFIBUS 电子产品指南中。
PROFIBUS 电缆长度 （对 RS 485）
波特率（ kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
线长（m, A类电缆） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
长度可以用中继器来延长
9 针D 型连接器的针脚分配 （为RS 485用）
? 对 PROFIBUS-DP/FMS 提供的连接器类型是9 针 D 型连接器
? 插座部分被安装在设备上
? 如果其他连接器能提供必要的命令信号的话，也允许使用
 
拓朴
PROFIBUS 支持总线型，树型和星型拓扑
? 这里提供的拓扑是总线型拓扑
? 在总线的开头和结尾必须有终端
? 一段可以由最多 32 个站*组成 

 
RS-485 传输的数据位顺序
每个八位二进数（１字节）按 11 位的顺序被传输
最小的有效位 (LSB) 被第一个发送
最大的有效位 (MSB) 被最后发送
每个八位二进数都补充三位，即开始、终止和奇偶校验位
此编码原理称 NRZ （即 Non Return to Zero）
 
信号电平
 
1 = 数据传输开始
2 = 空闲段、无数据传输、总线终端终止的电平
冗余性提高了系统的可靠性
 
 
PROFIBUS技术培训 —— 总线协议
 

PROFIBUS 总线访问方式兼有多主通信和主从通信
 
总线访问协议的特征 (1)
混合总线访问协议
  主站间的逻辑令牌环
  主从站间的主从协议
主站
  主动站在一个限定时间内 (Token Hold Time) 对总线有控制权
从站
  从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权
PROFIBUS 总线访问协议 (FDL)的特点
?主站或从站可以在任何时间点接入或断开。FDL 将自动地重新组织令牌环。
?令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通信任务。因此，用户必须计算全部目标令牌环时间 (TTR)。
?总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其他所有可能的网络失败。
?所有信息(包括令牌信息)在传输过程中确保高度安全，以免传输错误。
  海明距离 HD = 4
令牌调度原理
?在多主网络中，令牌调度必须确保每个主站有足够的时间完成它的通信任务
?用户组织全部目标令牌循环时间 (TTR) 进入所有主站的通信任务帐户。
?每一个主站根据下列公式计算它接收令牌后完成它的通信任务的时间(TTH)
TTH = TTR - TRR
TTH = 持有令牌时间
TTR = 目标令牌循环时间
TRR = 实际令牌循环时间
FDL 状态图
 
重要的 PROFIBUS 电文结构
 
 
图例： TRDY = 准备时间 TSDR = 站响应时间 TSYN = 同步时间
数据链路层服务及其用法
 
服务存取点 (SAP)
? 在 PROFIBUS 数据链路层与应用层之间的接口处，服务存取点被用来交互作用
? 请求站的服务存取点叫做源服务存取点（= SSAP）
? 响应站的服务存取点叫做目的服务存取点 (= DSAP)
? 服务存取点对 FMS 和 DP/PA 有着不同的功能 
  对 FMS: 它们被用于区分站之间的逻辑连接
  对 DP/PA: 它们被用于选择不同的功能