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现场总线(第8讲) ProfiBus现场总线标准


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现场总线控制系统
第8讲 ProfiBus现场总线标准

信息学院自动化系

主 要 内 容
1 PROFIBUS 现场总线概述
2 PROFIBUS ——DP

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3 PROFIBUS ——PA 4 PROFIBUS ——FMS
5 几种支持芯片

1 RPOFIBUS技术的由来
? 87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合 开发; ? 89年批准为德国工业标准DIN 19245; ? 96年批准为欧洲标准EN 50170 V.2; ? 98年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170 V.2; ? 99年PROFIBUS成为国际标准IEC 61158的组成部分 (Type III); ? 2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.32001;

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PROFIBUS簇

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PROFIBUS 应用领域
?PROFIBUS DP: 主要应用于制造业自动化系统中单 元级和现场级设备高速通信。

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?PROFIBUS PA: 电源和通信数据通过总线并行传输, 主要用于面向过程自动化系统中单 元级和现场级通讯。
?PROFIBUS FMS: 主要用于自动化系统中系统级和车 间级的过程数据交换。

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PROFIBBUS PA

RPOFIBUS给客户的好处
一、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 二、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 三、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

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PROFIBUS 网络的构成

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PROFIBUS 主站(一类主站,必需) 中央可编程控制器,如PLC、 PROFIBUS 从站
PC ,支持主站功能的通讯处 理器(通信控制和管理) ?分布式I/O、支持DP 接口的传动装置

?支持从站功能的通讯处理器
?其它支持 DP 接口的输入、输出或智能设备

PROFIBUS 网络部件
?通信介质—电缆

?总线部件—总线连接器、中继器、耦合器、链路等

人机界面设备(二类主站,可选)
? ? 经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备 工程及诊断工具 、网络配置、诊断工具

PROFIBUS 协议结构
IEC 传 输 技 术 保 证 安 全 性 和 直 接 给 现 场 设 备 供 电 。

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PROFIBUS 传输技术

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PROFIBUS使用两端有终端的总线拓朴。在运 行期间,接入和断开一个或几个站不会影响其 它站的工作,即使在本质安全区也如此。

提供三种不同的物理层选择: RS 485: 用于DP和FMS(对称传输,称H2) IEC 1158-2: 用于PA(位同步协议,称H1) 光纤: 用于DP和FMS

数据传输
传输特点(1) 高速(H2),RS 485 依据RS 485,异步NRZ传输 波特率从9.6kBit/s~12MBit/s,可选双绞屏蔽电缆 每段32个站,最多允许127个站 距离:12MBit/s=100m; 1.5MBit/s=400;小于等 187.5KBit/s=1000m; 有中继器距离可延长到10公里 9针,D型插头

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RS 485传输数据位顺序

每个8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 每个八位二进当选都补充三位,即开始、终止和奇偶校验位 此编码原理称NRZ(即 Non Return to Zero)

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传输特点(2)
低速(H1) IEC 1158-2 同步Manchester编码,31.25kBit/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 第段距离达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)本安、防爆、安全 栅隔离

PROFIBUS电缆要求-RS 485
参数 电缆设计 浪涌阻抗 回路电阻 线径 线截面积 每单位长度的电容 电缆类型A 屏蔽双绞线电缆 135~165 ? 110? /km 0.64mm >0.34mm <30pF/m

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PROFIBUS电缆要求-IEC 11582-2
电缆设计: 导线面积: 回路电阻: 阻抗(在31.25KHz时): 衰减(在39KHz时): 每单位长度的电容: 屏蔽双绞电缆 0.8毫米2(AWG18) 44 ? /km 100 ? +/-20% 3dB/km 2nF/km

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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它连接器能提供 必要的命令信号的话,也允许使用

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PUOFIBUS 支持总线型,树型和星型拓朴 这里提供的拓朴是总线型拓朴 在总线型的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多32个站组成

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过程自动化典型结构

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PROFIBUS总线存取协议
1.PROFIBUS 总线访问协议(第二层)对三种PROFIBUS 版本(FMS/DP/PA)均相同 2.这使通令透明和FMS/DP/PA网络区域容易组合 3.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。

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PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求:
在主站间通信,必须保证在确切限定的时间间隔中, 任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务; 在主站和从站间通信,应尽可能快速又简单地完成数 据的实时传输。

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令牌方式

主从方式

轮询

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

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主站: 主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)的特征(2)

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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。

FDL层提供4种服务:SDA(发送需确认的数据)、SRD(发送并请 求回答的数据)、SDN(发送不要求确认的数据)和CSRD(周期 性的发送并请求回答的数据)。

令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通令任务。因此, 用户必须计算全部目标令牌环时间(TTR)。
持有令牌时间(TTH) = 目标令牌循环时间(TTR) – 实际令牌循环时间(TRR)

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、 传输错误和其它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。

2 PROFIBUS ——DP
PROFIBUS—DP 用于设备级的高速数据传送, 中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进 行通信。 多数数据交换是周期性的,智能化现场设备还需 要非周期性通信进行配置、诊断和报警处理。

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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<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,运动器,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;

PROFIBUS_DP定义的三种设备类型
DP-1类主设备(DPM1) ? 中央控制器,它与分散的I/O设备(DP-从)交换数据; ? 允许若干个DPM1,典型的设备是PLC,PC,VME。 DP-2类主设备(DPM2) ? 组态、监视或工程工具,它被用来设定网络或参数/监视 总线控制器板,嵌入式 DP-从设备。 计算机常用总线。 DP- 从设备 ? 直接连接I/O信号的外围设备; ? 典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。

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VME(VersaModule Eurocard)总线是一种通用的计算机总线,它结合Motorola公司Versa总 线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子,是一种开放式架构。 VME系统的总线分为四大类:数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线和通用总 线。数据传输总线是一个高速异步平行数据传输总线,能传输数据和地址信号。

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PROFIBUS-DP提供广泛的诊断可能性
诊断信息能快速确定故障的位置。

诊断信息分为三级:
1、与站有关的诊断: 站一般运行状态的信息,如温度过高,电压过低 …… 2、与模块有关的诊断: 设备中相关模块的信息,如输出模块 8A有故障…… 3、与通道有关的诊断: 输入或输出某一信号位的信息,如输出线3断了……

系统配置

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运行模式
在EN50170 Vol.2中定义了DP-主和DP-从的系统行为。 系统行为主要由DP-主站(1类)的系统行为来确定。 DP-主站(1类)区别下列状态: 停止(STOP) 清除(CLEAR) 在DP-主和DP-从之间无数据传输。 DP-主读DP-从的输入数据并保持输出在 失效安全状态。

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运行(OPEARTE)DP-主处在数据传输段。 在后继的周期中,DP-从的输入被读,且输 出数据被写给DP-从。

通信模式
? 点对点(用户数据传送)或广播(控制指令) ? 循环主—从用户数据传送 ? 非循环主—主数据传送

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DP-主站和DP-从站间的数据传输
参数化阶段: 从站由DP-主站用现行总线参数、监控时间和从站 的特定参数进行参数化。 组态阶段: DP-主站对DP-从站所需要的配置和现行的配置进行比较。 用户数据传输阶段: 在参数化和组态成功后,DP-从站改变其状态进入用户数据 交换阶段。在此阶段,从站的参数化能被更改,而不心中断 数据传输。

在这三个阶段中,都可以附加诊断数据和控制命令的传输。

主—主数据传送
功能 取得主站诊断数据 含义 读取DPM1的诊断数据或从站的所有诊断数 据 DPM1 M O DPM2 O O

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加载-卸载组合(开始,加载或卸载DPM1及有关DP从站的全部配置 加载/卸载,结束) 参数

激活参数(广播) 激活参数

同时激活所有已编址的DPM1的总线参数 激活已编址的DPM1的参数或改变其操作状 态

O O

O O

PROFIBUS-DP主-主功能

控制命令
? 除与用户数据传输有关的站以外,DP-主站可以发 送控制命令给一个、一组或全部DP-从站。这些控 制命令设计为全局控制(Global-Controls)。它 们是: ? 输入同步(锁定模式) ? 输出同步(同步模式) ? 输出清除进入失效安全状态(清除模式)

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DP扩展功能
? DP扩展功能允许非循环的读写功能

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设备数据库文件GSD
FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件(1)
? 在GSD文件中,描述每一个FPOFIBUS-DP 设备的特性。 ? 每个设备的GSD文件用设备的电子数据单来表示。 ? GSD文件包含所有设备的特定参数,如: 支持的波特率 支持的信息长度 输入/输出的数据量 诊断信息的含义 对模拟设备有效的选择 GSD是可读的ASCII文本文件,它包含用于通信的通用的和设备 专用的规范。GSD的结构分为3部分:通用规范、主站规范和从 站规范。

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FPOFIBUS-DP 设备的GSD文件(2) ? GSD文件由设备制造商建立。 ? 每一个设备类型分别需要一个GSD文件。 ? PROFIBUS用户组织提供GSD编辑程序,它使得建立 GSD文件非常容易。 ? GSD编辑程序包括GSD检查程序,它确保GSD文件符 合PROFIBUS标准。 ? DPROFIBUS网页(http://www.profibus.com)中构 成了一个GSD文件库。

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允许开放配置

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RPOFIBUS-DP行规概述(1)
对NC/RC的行规 ? 此行规描述许多操作机器和许多装配机器人怎 么通过DP来实现控制。 ? 根据详细的流程图,从高水平自动化的观点, 很容易描述这些机器人的运动和程序控制。

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对编码器的行规 ? 此行规描述PROFIBUS-DP到编码器的联接,如旋 转编码器,角度编码器和线性编码器,两类设备 定义基本功能和补充功能。 (如比例尺,中断处理和扩展的诊断)。

RPOFIBUS-DP行规概述(2)
各种速度驱动器的行规 ? 知名的驱动技术的制造商都参加了PROFIDRIVE的制订。 此行规指出驱动器如何参数化以及设定点和实际值如何 被传输,这就使不同制造商的驱动器能相互换。此行规 包括必要的速度和位置控制的规范,还说明了对DP或FMS 的应用功能联系。 操作员控制和过程监视(HMI)行规 ? 简单操作员控制和过程监视设备(HMI)的行规指出这此 设备通过PROFIBUS-DP怎样与高层自动化部件连接。此行 规使用扩展的PROFIBUS-DP通信功能。

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3 PROFIBUS-PA

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应用范围
PROFIBUS-PA=用于过程自动化的PROFIBUS ? 变送器、阀、执行器等等 ? 通过串行总线系统连接 ? 在化学工业和过程控制中使用 ? 通过数据线对现场设备供电 ? 在危险区域(EExi型保护区域)应用

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PROFIBUS-PA适应所有过程自动化领域

? 对防爆和非防爆区域过程自动化的低端应用,PROFIBUS-PA 是优选。 ? PROFIBUS-PA完全满足化学工业用户组织(如NAMUR)对数 字现场总线的要求。

采用PROFIBUS-PA技术,PA设备运行在下列 防爆区域

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? Zone 0: ? Zone 1: 区域 ? Zone 2: 区域

危险的爆炸瓦斯气体经常或长期存在的区域 在正常运行期间危险的爆炸瓦斯气体有可能存在的 不希望在正常运行期间存在危险的爆炸瓦斯气体的

PROFIBUS-PA与4—20mA系统的比较

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节省成本的潜力
安装 节省 ? 电线 ? PLC I/O板 ? 安装元件(Ex-/电流隔离器等) ? 排列机架 ? 空间 ? 减少错误 ? 减少安装时间

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PROFIBUS-PA的基本成份 PROFIBUS-DP现场总线系统
主站(1类) 主站(2类)

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PROFIB-PA的组态——拓朴

PROFIB-PA的组态—现场设备的 供电

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设备数

PROFIB-PA的成份
网络元件耦合器和链接器

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耦合器的功能
段耦合器在不同的传输技术之间提供一个网关( gateway)

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? 异步NRZ编码 ? 1Byte=11Bit ? 可变的波特率

DP/PA耦合器

同步Manchester编码 1Byte=8Bit 固定波特率=31.25kBit/s

(8个用户位+1开始位+1停止位+1奇偶检验位)

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从现今的4-20mA很容易转移到PROFIBUS-PA

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PROFIBUS-PA 协议功能
? PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础。 ? 通过标准的DP周期性数据交换功能传输 量值和状态。 ? 对于设备参数的传输和用工程工具的设 备运行,使用扩展PROFIBUS-DP的非周期 性读/写功能。 ? PROFIBUS-PA行规定义有送PA功能映像。

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PROFIBUS-PA的基本成份
DP协议,周期和非周期的

PROFIBUS-PA行规概述
对过程自动化的行规 这是专为过程自动化制定的行规。 依据功能块技术, 它包括对所有类型 现场设备都有效的一般定义和设备数据 单(如温度、压力、液位、流量变送器 和定位器等)。

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PROFIBUS-PA行规确保互操作性
? ? ? ? ? ? ? 定义运行、识别、维护、诊断等参数 定义数据(如温度、压力、流量等)的含义 定义一个模拟量,含范围、工程单位和状态 依据国际承认的功能块技术 定义通信子集和设备行为 支持简单的(单变量)和复杂的(多变量)设备 结合化学工业的应用开发的

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The PROFIBUS-PA行规
行规包括两部分: 一般定义 ? 对所有类型的设备都有效 ? 定义此设备与PROFIBUS-PA间的关系 ? 定义操作、起动和再起动 设备数据单 ? 每个设备类型(如变送器、阀)有各自的设备 数据单 ? 定义此设备的特定参数和操作

今天可提供的PA行规的设备数据单
变送器
+温度 +压力 +液位 +流量

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执行器
+阀

+数字I/O

PID-循环控制器

PA行规标准化的设备参数
? 例:功能块模拟输入,压力变送器

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PROFIBUS-PA的组态—
设备行规(简单现场设备)

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PROFIBUS-PA的组态—
互操作性

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4 PROFIBUS ——FMS
FMS的设计旨在解决车间级的通信,在这一级可编程 控制器主要是互相通信。在此应用领域内,高级功能比 快速系统反应时间更重要。

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PROFIBUS—FMS应用层包括以下两个部分: 1. FMS: 现场总线信息规范(FMS)描述通信对象和服务; 2. LLI: 低层接口(LLI)用于将FMS适配到第 2 层。

PROFIBUS-FMS协议结构

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PROFIBUS-FMS的特点
? ? ? ? ? ? ? ? 为连接智能现场设备设计,如PLC,PC,MMI 强有力的应用服务提供广泛的功能 面向对象的协议 多主和主-从通信 点对点、广播和局部广播通信 周期性和非周期性的数据传输 每个设备的用户数据多达240个字节 得到所有主要PLC制造商的支持

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PROFIBUS—FMS面向对象
? ? ? ? 变量、参数、程序均设计为对象 每个对象都有确定的特性(读,写……) 所有对象被列在对象字典(OD)中 对象字典根据每个设备单独构成

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通信对象类型
对象
不明确的
由PROFIBUS标准定义 明确的 由用户定义 静态: 由行规予定义或在组态期间定 义 如变量、数组、记录、区域 动态: 在运行时定义如程序、变量表

VFD:虚拟现场设备 OD:对象字典 Data Types:标准数据类型

对象字典(OD)
对象字典包括如下部分:
? 头部 包含此OD的结构信息 ? 数据类型字典 包括静态通信对象表(如停机时间、故障率……) ? 动态变量表的表* 包括所有现今已知变量表的表 ? 动态程序表* 包括所有现今已知程序的表 注:*部分是可选的,仅对某些设备存在。

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例:一个简单设备的OD
头部: ROM/RAM标志 名字长度,访问保护,OD版本 静态OD的第一个指针和长度 数据类型OD的第一个指针和长度 动态OD部分的第一个指针和长度
数据类型字典: 索引 对象代码 1 数据类型 …… 数据类型 6 数据类型 含义 整数8 整数16 浮点

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静态对象字典: 指针 对象代码 数据类型 内部地址 符号 20 VAR 1 4711H 件数 21 VAR 2 5000H 停机时间 22 VRA 6 100H 故障率

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PROFIBUS—FMS支持如下类型的对象
静态通信对象
(这些对象登入静态对象字典) ? 简单变量:变量类型如整数、布尔数…… ? 数组:同类型的简单变量的数组 ? 记录:各种类型的简单变量的数组 ? 区域:大数量的数据 ? 事件:事件信息

动态通信对象
(这些对象登入动态对象字典) ? 程序调用:程序的描述 ? 变量表:简单变量、数组或记录的记录

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PROFIBUS—FMS的通信关系
站之间的数据传输通过通信关系来执行 通信关系允许存取保护和自动的联接监视

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PROFIBUS—FMS设备的电子数据 单
? 对每一个FMS设备有一张由制造商定义的 电子数据单(GSD文件) ? FMS GSD文件包括所有相关设备的通信能 力。 ? 在组态期间,FMS组态工具读GSD文件并 将所有信息放入账号。 ? 在PROFIBUS导则No.2.101中,描述了FMS GSD 文件的格式。

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ROFIBUS—FMS行规的概述
? 控制器间通信的行规 这是一个通信行规,对标准的控制器类型描述了必 要的服务、参数和数据类型。

? 楼宇自动化的行规 这是专为楼宇自动化制定的分支行规,它包括一般 定义,如楼宇自动化设备如何使用ROFIBUS—FMS协议进 行通信。
? 低夺开关装置的行规 这是一个分支行规。它定义低夺开关装置如何作用 ROFIBUS—FMS协议进行通信。

5 几种支持芯片

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SPC3是个带有处理器接口的智能通信接口,用于硬件控制通道的ProfibusDP。 SPC3为Profibus-DP处理信息、识别地址、数据排序和协议执行。 SPC4支持Profibus-DP、 PROFIBUS-FMS、 PROFIBUS-PA。
SPM2是带有64位输入/输出的单个芯片,用于简单的从站。SPM2独立处 理整个数据传送,它不需要增加处理机和系统软件。 LSPM2是带有32位输入/输出的单个芯片,用于简单的从站。由于它的芯 片小,适用于空间有限的场合。

SPM2(Siemens PROFIBUS Multiplexer)和LSPM2(Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer)是用于简单从站协议芯片。可用于传感器.执行 机构.开关设备.显示设备和热电偶测量。这两种ASICs 芯片支持 PROFIBUS-DP协议。LSPM2采用小尺寸封装,更适合于体积小的应用 场合。最大数据传输速率12Mbit/s。
ASPC2是一种用于主站的智能通信芯片,支持PROFIBUS-DP和 PROFIBUS-FMS协议。通过段耦合器也可接PROFIBUS-PA。这种芯 片可使可编程控制器、个人计算机、驱动控制器、人机接口等设备减轻通 信任务负担。IM 180接口模板使用的就是ASPC 2。ASPC2最大数据传输 速率12M bit/s。

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应用LSPM2的PROFIBUS-DP从站接口

LSPM2支持PROFIBUS-DP协议。最大数据传输速率12Mbit/s, 可自动检测并调整数据传输速率。

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SIM1(Siemens IEC H1介质连接单元)与IEC H1即PROfIBUS-PA信 号兼容。PROfIBUS-PA是PROfIBUS-DP的扩展,专门用于流程自动 化行业。可用于本征安全场合。

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本讲结束


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