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PROFIBUS通讯教材-212页-BD


第4章 PROFIBUS通讯教


教学目的与要求:了解PROFIBUS的基本概念、组 成及其应用范围,理解PROFIBUS的通信参考模型 ,掌握PROFIBUS采用的访问控制方式、PROFIBUS 的通信协议,了解PROFIBUS-DP三个版本的数据 传输,了解PROFIBUS站点开发与实现,了解 PROFIBUS-PA的基本特点、连接接口及安

装。 教学重点:PROFIBUS总线访问控制的特点、 PROFIBUS的通信协议

教学难点:PROFIBUS的通信协议

第4章 PROFIBUS
4.1 PROFIBUS概述 4.2 PROFIBUS的通信协议 4.3 PROFIBUS-DP

4.4 PROFIBUS站点的开发与实现
4.5 PROFIBUS-PA

4.1 PROFIBUS概述
PROFIBUS定义

PROFIBUS的发展过程
PROFIBUS的三个子集

PROFIBUS应用范围
PROFIBUS的通信参考模型

PROFIBUS的组成
PROFIBUS的主站与从站

PROFIBUS的总线访问控制的特点

PROFIBUS概述
? PROFlBUS (Process Fieldbus的缩写)是一种 国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的 现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化 、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其 他自动化领域。

PROFIBUS技术的发展经历了如下过程: ? 1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机 构联合开发; ? 1989年成为德国工业标准DIN19245; ? 1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMSDP); ? 1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2;

? 1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分 (TYPEIII);
? 2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001

PROFIBUS包含有三个子集
PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery,分散型外围设
备) 用于设备级分散I/O之间的通信,实现分布式控制系统 设备间的高速数据传输,传输速率在9.6Kbps~12Mbps之间 可选。 PROFIBUS-PA(Process Automation,过程自动化) 用于

过程自动化,采用IEC61158-2通信规程,传输速率为
31.25Kbps,适用于有总线供电、本质安全要求的应用场合 PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification,现场 总线报文规范) 用于车间级的数据通信,可提供通信量大 的相关服务

PROFIBUS应用范围
工厂 管理级
总线 循环时间
< 1000 ms

Ethernet/TCP/IP

区域 控制器

TCP/IP/Ethernet
PC/VME

CNC

车间级
总线 循环时间
< 100 ms
VME/PC

PROFIBUS-FMS

PLC

DCS

现场级
总线 循环时间
< 10 ms

PROFIBUS-DP

PROFIBUS-PA

PROFIBUS的通信参考模型

PROFIBUS 电缆长度 (对 RS 485)
传输速度与A型电缆传输距离的关系
波特率( kBit/s) 线长(m, A类电缆) 9.6 1200 19.2 1200 93.75 1200 187.5 1000 500 400 1500 200 12000 100

传输速度在9.6Kbps-12Mbps之间可选,挂接在 同一条网段上的所有设备均需选用同一传输速 度 ? 长度可以用中继器来延长

PROFIBUS的组成
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA PROFIBUS-FMS

PROFIBUS的组成
? PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高速数据 传输,它以DIN19245的第一部分为基础,根据其 所需要达到的目标对通信功能加以扩充,DP的传 输速率可达12Mbit/s,一般构成单主站系统,主 站、从站间采用循环数据传输方式工作。版本分 为V0,V1,V2。

DP三个版本
? V0:规定周期性数据交换所需要的基本通 信功能。 ? V1:包括有依据过程自动化的需求而增加 的功能,特别被用于参数赋值、操作、智 能化现场设备可视化,报警等非周期行数 据通信。报警类型有:状态报警,刷新报 警和制造商专用报警。 ? V2: 有根据驱动技术的需求增加的其他功 能,如同步从站模式、驱动器标准化配置

? PROFIBUS-PA具有本质安全特性,它实现了与FF总
线相同的IEC1158-2规定的通信规程。 PROFIBUS-

PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案,PA将自动
化系统和过程控制系统与现场设备,如压力、温

度和液位变送器等连接起来,代替了4-20mA模拟
信号传输技术。因此,PA尤其适用于石油、化工

、冶金等行业的过程自动化控制系统。PA与DP网
段之间必须用耦合器相联。

本质安全
? 本质安全源于按GB3836.1-2000标准生产,专 供煤矿井下使用的防爆电器设备的分类,防爆电 器分为隔爆型、增安型、本质安全型等种类,本 质安全型电器设备的特征是其全部电路均为本质 安全电路,即在正常工作或规定的故障状态下产 生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混 合物的电路。也就是说该类电器不是靠外壳防爆 和充填物防爆,而是其电路在正常使用或出现故 障时产生的电火花或热效应的能量小于0.28mJ, 即瓦斯浓度为8.5%(最易爆炸的浓度)最小点 燃能量。

? 本质安全防爆方法是利用安全栅技术将提 供给现场仪表的电能量限制在既不能产生 足以引爆的火花,又不能产生足以引爆的 仪表表面温升的安全范围内,从而消除引 爆源的防爆方法。

4-20mA
? 一般仪器仪表的信号电流都为4-20mA, 指最小电流为4mA,最大电流为20mA 。 ? 在工业现场,用一个仪表放大器来完 成信号的调理并进行长线传输,会产生以 下问题:第一,由于传输的信号是电压信 号,传输线会受到噪声的干扰;第二,传 输线的分布电阻会产生电压降;第三,在 现场如何提供仪表放大器的工作电压也是 个问题。 ?

? 为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,我们 用电流来传输信号,因为电流对噪声并不敏感。4 ~20mA的电流环便是用4mA表示零信号,用 20mA表示信号的满刻度,而低于4mA高于 20mA的信号用于各种故障的报警。那么为什么 选择4-20mA而不是0-20mA呢?为了减少接线 的复杂性,传感器选择2线要比多线简单的多,2 线既要传输信号,又要给传感器供电,所以设计 者从中盗窃4mA电流给传感器放大电路供电,这 样4-20mA的标准就确定了。

? PROFIBUS-FMS:解决车间一级通用性通信任务,FMS提供大 量的通信服务,用以完成以中等传输速率进行的循环和非 循环的通信任务。由于它是完成控制器和智能现场设备之

间的通信以及控制器之间的信息交换,因此它考虑的主要
是系统的功能而不是系统响应时间,应用过程通常要求的 是随机的信息交换 (如改变设定参数等)。用于大范围和 复杂的通信系统。应用较少,已经被工业以太网代替。

PROFIBUS的主站与从站
1类主站:是中央控制器,有能力控制若干从站、 可完成总线通信控制与管理的设备。PLC、PC机等 可作为1类主站。 2类主站:是编程装臵、诊断和管理设备,有能力 管理1类主站的组态数据和诊断数据的设备;具有1 类主站所具有的通信能力,可完成站点的数据读写 、系统组态、监视、故障诊断等。例如编程器、操 作员工作站、操作员接口等都是2类主站。 从站:通信上从属于1类主站管理,提供I/O数据的 现场设备。例如驱动器、传感器、执行机构等带有 PROFIBUS接口的I/O现场设备都可以作为从站。

? PROFIBUS家族新的行规:p187

PROFIBUS-DP多主系统
若干个 DP-主可以用读功能 访问一个 DP-从 PROFIBUS-DP 多主系统的组成: - 多个主设备 (1 类 or 2 类) - 1 到最多124 个 DP-从 - 在同一个总线上最多126 个设备
PC PLC
DP- 主 ( 1 类)

DP- 主 ( 2 类)

DP- 主 ( 1 类)

CNC

PROFIBUS - DP

分散的 I/O

分散的 I/O

PROFIBUS-P

DP - 从

总线访问
? 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
e.g., I / O
PLC

PLC / PC

PROFIBUS 总线访问方式

多主令牌环,主-从通信

主动站、主设备

PLC

PC

PLC

PROFIBUS

被动站、从设备

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

? 目标令牌循环时间 (TTR)
?站点的令牌持有时间(TTH)

接收令牌后可用于完成通信任务的时间(TTH)
?令牌实际循环时间TRR

连接在PROFIBUS网络的主站按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环, 如图所示。控制令牌按顺序从一个主站传递到下一个主站。令牌提供访问总 线的权力,并通过特殊的令牌帧在主站间传递。具有HAS(最高站地址)的 主站将令牌传递给具有最低总线地址的主站,以使逻辑令牌环闭合。 主站-主站

令牌传递方式

主从通信(补充知识)
主站负责所有通信连接。
主站对从站依次逐一轮询(为保证每个从站都有机会 传送数据),形成严格的周期性报文传输。主站不停 地传送报文给从站,并等待相应的从站的应答报文。 从站如果收到一个正确无误的报文,且报文中的地址 与自己的地址相同,则需要应答,才能得到发送报文 的机会。 主站在规定的时间内收到应答报文,就表明主站与从 站之间已经建立好连接,可以进行数据传输了。

一个主站在得到令牌后,可以主动发起与从站的数据交换。 主-从方式允许主站访问主站所控制的从站设备,主站可以 发送信息给从站或从从站获取信息,其数据传递如图所示。

主从方式(响应时间问题)
主站-从 站

在DP主站上处理轮询表的示意图

4.2 PROFIBUS通信协议
PROFIBUS的协议类型及其特点 PROFIBUS的物理层及其网络连接
RS-485的物理连接 PA总线的物理连接

PROFIBUS的数据链路层
数据传输功能 报文帧的格式和定义

PROFIBUS的应用层 PROFIBUS的MAC协议
PROFIBUS的传递令牌

逻辑环的管理

PROFIBUS的协议类型
? PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的

第1层(物理层)和第2层(数据链路层),
其中FMS还采用了第7层(应用层),另外增加

了用户层。采用TOKEN-PASSING方式。
? PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS的第1层和第2层

相同, PROFIBUS-FMS有第7层,PROFIBUS-DP
无第7层。PROFIBUS-PA有第1层和第2层,但 与DP/FMS有区别,无第7层。

PROFIBUS的通信参考模型

PROFIBUS协议的特点
1) 不支持长信息段>235B 2)不支持短信息组块功能

3)本规范不提供由网络层支持运行的功能
4)除规定的最小组态外,根据应用需求可以 建立任意的服务子集。 5)其他功能是可选的,如口令保护方法等。

6)网络拓扑是总线形,两端带终端器或不带 终端器。

7)介质、距离、站点数取决于信号特性。

8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度,从 9.6kbit/s到l2Mbit/s不等。 9)可选第二种介质(冗余)。
10)在传输时,使用半双工,异步,滑差 (Slipe)保护同步 。 11)报文数据的完整性,用海明距离 (HD)=4

12)地址定义范围为:0~127(对广播相群播而 言,127是全局地址)。

13)使用两类站:主站 (主动站,具有总线存取 控制权)和从站 (被动站,没有总线存取控 制权)。

14)总线存取基于混合、分散、集中3种方式。
15)数据传输服务有两类: 非循环的:有/无应答要求的发送数据;有应答 要求的发送和请求数据。 循环的 (轮询):有应答要求的发送和请求数据

PROFIBUS的物理层及其网络连接
DP/FMS(RS-485)的物理层
DP/FMS(光纤电缆)的物理层 PA的物理层

DP网段(RS-485)的物理连接
?RS-485, NRZ(不归零)异步传输

? 比特率从 9.6 kBit/s 到 12 MBit/s,可选
? 双绞屏蔽电缆,符合EIA RS-485标准(也称H2) ? 每段 32 个站,最多允许 127 个站 ? 传输距离: 12 MBit/s 时 100 m; 1.5 MBit/s 时
400m; < 187.5 kBit/s 时1000 m

? 有中继器距离可延长到 10 公里
? 9 针, D 型插头

?总线段的两端各有一个终端器

PROFIBUS 电缆要求 – RS-485
参数
? 电缆设计 ? 浪涌阻抗 ? 回路电阻 ? 线径

电缆类型 A

屏蔽双绞电缆
135 ... 165 ? 110 ? / km 0.64 mm

? 线截面积
? 每单位长度的电容
? PROFIBUS

> 0.34 mm
< 30 pF / m

电缆被列在 PROFIBUS 电子

产品指南中。

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
针脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 信号 Shield M24 RxD/TxD-P * CNTR-P DGND * VP * P24 RxD/TxD-N * CNTR-N 规定 屏蔽/保护地 24 V 输出电压的地 接收数据/传输数据阳极 (+) 中继器控制信号 (方向控制) 数据传输势位(对地 5V) 终端电阻-P的供给电压, (P5V) 输出电压 + 24V 接收数据/传输数据阴极(-) 中继器控制信号 (方向控制)

* 每个设备必须支持命令信号

安装 RS-485 (1)
电缆
站1
RxD/TxD-P (3) DGND (5) VP (6)

A型电缆的 总线终端
站2
(3) RxD/TxD-P (5) DGND (6) VP (8) RxD/TxD-N VP (6)

390 ?

数据线

RxD/TxD-P (3) 220 ?

RxD/TxD-N (8)

数据线

RxD/TxD-N (8)

屏蔽
保护地 保护地
390 ? DGND (5)

? 在PROFIBUS插头上,有一个进线孔(In)和一个出线 孔(Out),分别连接至前一个站和后一个站。当各站点 通过插头以及网线连接到网络上时,根据RS-485串口通 信的规范,每个物理网段支持32个物理设备,且在物理网 段终端的站点应该设置终端电阻保证通信质量。而每个 PROFIBUS插头上,都内置了终端电阻,需要时通过拨码 开关接入(On)和切除(Off)。当终端电阻设置为 “On”时,表示一个物理网段的终结,因此连接在出线端 口“Out”后面的网段信号也将被中断。因此,在每个物 理网段两个终端站点上的插头,需要将网线连接在进线口 “In”,同时将终端电阻设置为“On”,而位于网段中间 的站点需要依次将网线连接在进线口“In”和出线口 “Out”,同时将终端电阻设置为“Off”

安装 RS-485 (2)
第一个站
总线终端 VP 390 ? B 220 ? A 390 ? DGND 390 ? 数据线 A 220 ? A 数据线 B 390 ? B 总线终端 VP 最后一个站

DGND

A 站2

B

A 站3

B

RS-485总线段的结构

VP(6) RS485段 390Ω

VP(6)

390Ω
B

RS485总线段的结构

220Ω

220Ω
A

390Ω

....
最多32个站

390Ω

DGND(5)

DGND(5)

RS-485 传输的数据位顺序
? 每个八位二进制数(1字节)按 11 位的顺序被传输
?每个八位二进数都补充三位,即开始、终止和奇偶校验位 ?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 ? 此编码原理称 NRZ (即 Non Return to Zero)
2. 字节

1. 字节
空闲 LSB 位顺序:
开始 1 2 3 4 5 6 7

MSB
8
奇偶 终止 开始 校验

LSB

PROFIBUS-DP上的NRZ编码信号

传输程序
半双工、异步、无间隙同步

NRZ(不归零)编码
“1”——RXD/TXD-P(Receive/TransmitData-P)线上的正电位,而在RXD/TXD-N线 上则相反。 各报文的空闲(idle)状态对应于二进制 “1”信号 A线对应于RXD/TXD-N信号,而B线对应于 RXD/TXD-P信号。

总线连接
国际性的PROFIBUS标准EN50170推荐使用9 针D型连接器用于总线站与总线的相互连 接(9针头)。

D型连接器的插座与总线站相连接,而D型
连接器的插头与总线电缆相连接。

总线终端器
?根据EIA RS-485标准,在数据线A和B两端均 加接总线终端器。 ?空闲状态:确定的空闲电位。 ?可以由跳接器或开关来启动。 ?传输速率大于1.5Mbit/s时,由于所连接站的 电容性负载而引起导线反射,因此必须使用

附加有轴向电感的总线连接插头。

轴向电感

传输技术
网络拓扑:线性总线,两端有有源的总线终 端电阻; 传输速率: 9.6kbit/s—12Mbit/s;

介质:屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决 于环境条件(EMC); 站点数:每段32站(无中继),127站(有中 继); 插头连接:9针D型插头

拓朴结构
(PROFIBUS 支持总线型,树型和星型拓扑)
? 这里是总线型拓扑 ? 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
终端 终端 中继器

终端

站1

2
终端
中继器

3

30

31

62

61

33

32

* 注: 中继器没有站地址,但它们被计算在每段的最多站数中

DP/FMS(光纤电缆)的物理层
PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体中光
的传输来传送数据。

站之间的距离最大到15km。
用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质

玻璃光纤能处理的连接距离达到15km,而塑料光纤
只能达到80m。 问题:如何使光纤与普通电缆互连? OLM(光纤连接模块)、OLP(光纤连接插头)、集成的 光纤电缆连接器

连接技术
OLM技术(Optical Link Module,光纤连接模块)

OLP技术 (Optical Link Plug,光纤连接插头)

集成的光纤电缆连接
使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节点与 光纤电缆直接连接。

OBT(Optical Fiber Bus Terminal,光纤 总线终端)
一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或一个 RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电路。

PA总线的物理连接
采用IEC 1158-2标准

?非直流传输的位同步、曼彻斯特编码 (也称
H1编码),单一固定的传输速率31.25 KB/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 ?数据的发送采用对总线系统的基本电流IB调
节±9mA的方法实现 。

? 每段距离达 1900 米,用中继器可延长到
10公里

PROFIBUS 电缆要求 - IEC 1158-2

? 电缆设计: ? 导线面积: ? 回路电阻: ? 阻抗 (在31.25 KHz时): ? 衰减 (在39 KHz时):

屏蔽双绞电缆
0.8毫米2(AWG 18) 44 ? / km 100 ? +/- 20% 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-PA的数据传输

(2)总线连接 (PA总线段的结构)

拓扑结构
? 树形结构是典型的现场安装技术,现场分配器负责 连接现场设备与主干总线,所有连接在现场总线上 的设备通过现场分配器进行并行切换。
控制室 现场 现场设备

PROFIBUS-DP
控制器
DP/ PA耦合器

PROFIBUS-PA
多路分配器 现场设备

(Exi)

终端电阻

现场设备

PROFIBUS-PA
现场设备

供电设备 (Exi)

终端电阻

图3-11

树型结构

? 总线形结构:提供了与供电电路安装类似的 沿现场总线电缆的连接点,现场总线电缆可 通过现场设备连接成回路,其分支线也可连 接一个或多个现场设备。
控制室 现场 现场设备 现场设备

PROFIBUS-DP
控制器
DP/ PA耦合器

PROFIBUS-PA

(Exi) 终端电阻 现场设备

现场设备 供电设备 (Exi)

现场设备

终端电阻

图3-12

总线型结构

? 树形与总线形的组合结构:基于IEC1158-2传 输技术总线段与基于RS-485传输技术总线段 可以通过DP/PA耦合器或链接器相连,耦合器 使RS485信号和IEC1158-2信号相适配。
现场设备 现场设备 现场设备 I 控制室 现场 多路分配器 终端电阻 I I

PROFIBUS-DP
控制器

DP/ PA耦合器

I

PROFIBUS-PA/ IEC1158-2

(Exi)

I
外接电源 供电设备 (Exi)

现场设备

现场设备

终端电阻

非本质安全区

本质安全区

图3-13

树型与线型的组合结构

(4) IECl158-2传输技术特性
数据传输:数字式、位同步、曼彻斯特编码; 传输速率:31.25kbit/s,电压式; 数据可靠性:前同步信号,采用起始和终止界定符避免误差; 电缆:双绞线,屏蔽式或非屏蔽式;

远程电源供电:可选附件,通过数据线;
防爆型:能进行本征及非本征安全操作;

拓扑:总线形或树形,或两者相组合;
站数:每段最多32个,总数最多为126个;

中继器:最多可扩展至4台。

现场总线数据链路层
根据OSI参考模型,数据链路层规定总线存取控制

、数据安全性以及传输协议和报文的处理。
数据链路层的性能在很大程度上决定一个网络控制 系统的性能。 在PROFIBUS中,数据链路层 (第2层)称为FDL层 ( 现场总线数据链路层)。 数据传输功能 PROFIBUS系统响应时间

PROFIBUS的报文格式

PROFIBUS数据链路层的数据传输功能 SDN 发送不需确认的数据(对DP和PA):用于有一个主站向多个站 点广播发送及群发数据,它不需要回复响应,主要用于数据的同步 发送,状态宣告等。 SDA 发送需确认的数据(仅对FMS):由一个主站发起者向另外的 站点发送数据且接收其确认响应。SDA只发生在主站间的通信。 SRD 发送数据且要求回复数据(对DP、PA和FMS ):通信的发起者 发送数据到另一端时,还要求响应者立即回复数据。

CSRD 周期性发送且要求回复数据(周期性数据交换)(仅对FMS)
MSRD 发送数据且要求以群发数据帧答复(仅对DPV2):与SRD不同 在于,它要求响应者以群发数据帧答复。

CS 时钟同步信号(仅对DP) :用于在一个系统内同步各站点的时 钟
上一层通过第2层的SAP(服务存取点)调用这些服务:SSAP(源服务存 取点)和DSAP(目的服务存取点)。

PROFIBUS系统响应时间
PROFIBUS系统的系统响应时间主要取决于以下因素:

? ? ? ?

Tsdr(在这个时间后,一个站可应答的响应时间)

选择的数据传输率(即波特率)
Min-Slave-Interval:从站可与主站交换数据的 规定的净数据长度(输入数据字节数和输出数据字

两个轮询循环之间的时间。 节数)

PROFIBUS-DP单主系统的典型循环时间
PROFIBUS-DP(500kbit/s/1.5Mbit/s/12Mbit/s)的响应时间
总线循环时间 [ms]
500 kBit/s

1.5 MBit/s

12 MBit/s

条件: 每个DP从站设备有 2 字节的输入和 2 字节的输出数据, 最小的间隔时间是 200 微秒 Tidl= 75 个 位时间, Tsdr = 11 个 位时间

DP从站设备数

DP-单主系统报文循环时间的计算

? 一个八位二进制数(一字节)按 11位传输。 ? 报文头和尾由11 个字节(1个起始位,1个停止位,1
个奇偶校验位和8位数据)或 9 个字节(在数据交换时, 报文的报头包括9字节)组成。

? ?

波特率为1.5 M 时,1个位时间=0.6667 ??s

(1 个八位二进制数 = 11位时间=7.33 ?s)
波特率为12 M时,1个位时间= 83 ns (1个八位二进制数=11个位时间= 0.913ns) ? 在实施中,还要加上约10 - 20% 的余量。 精确的计算规则可以从EN50170V.2 获得.

DP-单主系统报文循环时间的计算

Tsyn = 33 TBit

请求帧 = 头 + 输出数据 min Tsdr = 11 TBit Tsdr

Tidl = 75 TBit

响应帧 = 头 + 输出数据

max Tsdr = 60 ... 800 TBit

DP-报文循环时间的计算
TMC = ( Tsyn + Tidl + Tsdr + Header + I x 11TBit + O x 11TBit ) x Slaves
TMC Tsyn Tidl Tsdr Header I O Slaves 例: = = = = = = = = 1个报文循环时间按位时间计 总线空闲时间 主站的空闲时间 = 典型的75 个位时间 从站要求的响应时间 = 典型的11个位时间 在请求和响应帧中的电文头 = 198 个位时间 每个从站的输入数据字节数 每个从站的输出数据字节数 从站个数

PROFIBUS-DP 系统的组成,包括1 个主站和 20 个从站,每个从站有 2 个字节 的输入和 2 个字节的输出。 TMC = ( 33 + 75 + 11 + 198 + 22 + 22 ) x 20 = 7220 TBit 7220 TBit (1.5 MBaud) = (TBit = 0.66 ?s) = 4.8 ms 7220 TBit (12 MBaud) = (TBit = 0.83 ns) = 0.6 ms 在实施时,还要加上约10 to 20% 的余量。

PROFIBUS的报文 格式: 1.有固定信息字 段长度的格式 2.带数据的有固 定信息字段长度 的格式 3.有可变信息字 段长度的格式 4.短应答 5.令牌报文

L:信息字段长度。
SC(单字符):单字符,仅用于应答。 SD1-SD4(起始界定符):起始字节,用于区别 不同的报文格式。 LE/LEr:长度字节,指出可变长报文中信息字 段的长度。 DA(目的地址):目的地址字节,指出将接收此 信息的站。

FC(帧控制):控制字节,包含用于此信息的服

务和此信息的优先权的详细说明。
DU:数据单元,包含报文的有用信息,必要时

还包含扩展地址的详细说明。
FCS(帧校验顺序):校验字节,包含报文校验

和 (不进位地加所有报文字节的和)。
ED(终止界定符):终止字节,指出此报文终止

第2层报文格式提供高级的传输安全性,海明距离HD=4。 HD=4的含义是:在数据报文中,可以检查出最多3个位同时 出错。这一要求是通过使用国际标准IEC 870-5-1的规定、 选择特殊的报文起始和终止定界符、使用无间隙同步以及使 用奇偶校验位和控制字节来实现的。检查以下类型错误:
? ? ? ? ? 字符格式出错 (奇偶校验,溢出,帧出错) 协议出错 起始和终止界定符出错 帧校验字节出错 报文长度出错 点对点的数据传输

广播和群播通信的多点传输

PROFIBUS-DP报文通信顺序
DP主站
DP从站 DP从站



DP主站

SRD- 请求,各种长度的用户数据
SYNSD2 LE LEr SD2 DA SA FC DU FCS ED

SRD- 响应,各种长度的用户数据
SD2 LE LEr SD2 DA SA FC DU FCS ED

Syn = SD2 = LE = LEr =

同步时间 帧前定界符 长度 重复长度

DA = 目的地址 SA= 源地址 FC= 功能码

DU = 数据单元 FCS = 帧校验 ED = 帧结束

立即响 应

PROFIBUS-DP报文通信顺序
上图为报文通信的基本顺序,为了使主站和从站进行 数据交换,在启动时,主站应遵守以下的报文顺序: 请求诊断 改变站地址 参数化从站 组态从站

在数据交换前请求诊断,以保证系统在启动状态
数据交换 全局控制

应用层
ISO/OSI参考模型的应用层提供用户需要的各种通 信服务。

PROFIBUS的应用层由FMS接口(现场总线报文规范) 和LLI接口(低层接口)组成。
在不同的应用中,具体需要的功能范围必须与具体 应用相适应,这些适应性定义称为行规。 行规提供了设备的可互换性,保证不同厂商生产的 设备具有相同的通信功能。

PROFIBUS-FMS行规
? (1)控制器间的通信行规(3.002):可编程控制器 (PLC)之间通信的FMS服务。

? (2)楼宇自动化行规 (3.001):对楼宇自动化系统
使用FMS进行监视、闭环和开环控制、操作控制、 报警处理及系统档案管理作了描述。 ? (3)低压开关设备行规(3.032):通过FMS在通信过 程中低压开关设备的应用行为。

PROFIBUS-DP行规
PROFIBUS-DP只使用了第1层和第2层。而用户接 口定义了PROFIBUS-DP设备可使用的应用功能以及各 种类型的系统和设备的行为特性。 (1)NC/RC行规 (3.052):机床和装配机器人 (2)编码器行规 (3.062):回转式、转角式和线性编 码器与PROFlBUS-DP的连接。 (3)变速传动行规 (3.071):传动技术设备生产厂商 共同制定了PROFIDRIVE行规。

(4)操作员控制和过程监视行规,HMI(人机接口) (3.082):通过PROFIBUS-DP与更高一级自动化部件的 连接。

PROFIBUS-PA行规
? PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设 备的互换性和互操作性,PA行规的任务是选用各种 类型现场设备真正需要的通信功能,对所有通用的 测量变送器和其他被选类型的设备作了具体规定: 压力、液位、温度和流量用测量变送器 数字量输人和输出

模拟量输人和输出
阀门

定位器

PROFIBUS的MAC协议
MAC(Medium Access Control,介质存取控制)
控制数据传输的程序,MAC必须确保在任何时刻只有

一个站点发送数据。要保证两个方面的需求:
? 总线主站必须在确定的时间范围内获取足够的机会

来处理它自己的通信任务。
? 主站与从站之间的数据交换必须是快速且具有很少

的协议开销。

主站之间采用令牌传递方式,令牌在主站之间

传递,拥有令牌的主站拥有总线访问控制权。
主站与从站之间采用主-从方式,主站具有总线

访问控制权,从站仅在主站要求它发送时才可以
使用总线。 在PROFIBUS系统中,有3种系统配臵: 纯主-主系统(执行令牌传递方式) 纯主-从系统(执行主-从方式) 混合系统(执行令牌传递方式和主-从方式)

连接在PROFIBUS网络的主站按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环, 如图所示。控制令牌按顺序从一个主站传递到下一个主站。令牌提供访问总 线的权力,并通过特殊的令牌帧在主站间传递。具有HAS(最高站地址)的 主站将令牌传递给具有最低总线地址的主站,以使逻辑令牌环闭合。

多主站系统

一个主站在得到令牌后,可以主动发起与从站的数据交换。 主-从方式允许主站访问主站所控制的从站设备,主站可以 发送信息给从站或从从站获取信息,其数据传递如图所示。

纯主-从系统

混合系统
多主令牌环,主-从通信

主动站、主设备

PLC

PC

PLC

PROFIBUS

被动站、从设备

4.3 PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP的基本功能及扩展功能

DP设备类型
DP设备之间的通信

PROFIBUS-DP循环
GSD设备数据库文件

PROFIBUS-DP V1
PROFIBUS-DP V2

1、PROFIBUS-DP的基本功能

(1)传输技术
RS-485双绞线或光缆

波特率从9.6kbit/s-l2Mbit/s
(2)总线存取 各主站间为令牌传输,主站与从站间为主 -从传输; 支持单主或多主系统; 主-从设备,总线上最多站点数为126

(3)功能

DP主站和DP从站间的循环用户数据传输;
各DP从站的动态激活和撤消;

DP从站组态的检查;
强大的诊断功能,三级诊断信息;

输人或输出的同步;
通过总线给DP从站赋予地址;

通过总线对DP主站 (DPM1)进行配臵;
每个DP从站最大为246字节的输人和输出数据

(4)设备类型
第二类DP主站 (DPM2):可编程、可组态、可诊断的

设备;
第一类DP主站 (DPMl):中央可编程控制器,如PLC 、PC等; DP从站:带二进制或模拟输人输出的驱动器、阀门 等

(5)诊断功能

分为3类:
? 本站诊断操作:诊断信息表示本站设备的一般操作

状态,如温度过高,电压过低。
? 模块诊断操作:诊断信息表示一个站点的某具体

I/O模块出现故障 (如8位的输出模块)。
? 通道诊断操作:诊断信息表示一个单独的输人输出

位的故障 (如输出通道7短路)。

(6)系统配置
PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站

系统,这就为系统配臵组态提供了高度的灵
活性。系统配臵的描述包括:站点数目、站点

地址和输人输出数据的格式,诊断信息的格
式以及所使用的总体参数。

(7)运行模式
? 运行:输入和输出数据的循环传输。DPM1由DP从站 读取输入信息并向DP从站写入输出信息。

? 清除:DPM1读取DP从站的输入信息,并使输出信息
保持为故障-安全状态。

? 停止:只能进行主-主数据传输,DPM1和DP从站之
间没有数据传输。

(8)通信
点对点 (用户数据传输)或广播 (控制指令)。
循环主-从用户数据传输和非循环主-主数据传输。

DPM1和DP从站之间的数据传输分为3个阶段:
参数设定、组态配臵、数据交换。

PROFIBUS-DP主-主之间的数据通信

(9)同步

? 控制指令允许输人和输出的同步。
? 同步模式:输出同步。

? 锁定模式:输入同步。
(10)可靠性和保护机制 ? 所有信息的传输在海明距离HD=4进行。 ? DP从站带看门狗定时器。 ? DP从站的输入输出存取保护。 ? DP主站上带可变定时器的用户数据传输监视。

2、PROFIBUS-DP扩展功能
DP扩展功能允许非循环的读写功能并中断并

行于循环数据传输的应答。
对从站参数和测量值的非循环存取可用于某 些诊断或操作员控制站 (二类主站,DPM2)。 DP扩展功能可选,与DP基本功能兼容。DP扩 展实现通常采用软件更新的办法。

DP设备类型
DP 1类主站(DPM1)
循环地与DP从站交换用户数据:PLC、PC或可以 做1类主站使用的控制器。
通信任务: (l)Set_Prm(设定参数)和Chk_Cfg(检查组态) 在启动、重启动和数据传输阶段,DP主站发送参 数集给DP从站。 (2)Data_Exchange 循环地与指定DP从站进行输人/输出数据交换

(3)Slave_Diag(读从站诊断)

在启动期间或循环的用户数据交换期间,读取DP从
站的诊断信息。

(4)Global_Control(全局控制)
DP主站将它的运行状态告知给各DP从站;将控制命

令发送给个别从站或规定的DP从站组,以实现输出
数据和输人数据的同步 (Sync和Freeze命令)。

DP从站
PLC、分散式I/O、驱动器、传感器、执行机构等现 场设备。 DP从站只与装载此从站的参数并组态它的DP主站交 换用户数据。DP从站可以向此主站报告本地诊断中 断和过程中断。

DP 2类主站(DPM2)
2类DP主站是操作员工作站、编程装臵,诊断和管 理设备,完成各站点的数据读写、系统配臵、故障 诊断等。

特殊功能:
(l)RD_Inp和RD_Outp

在与l类DP主站进行数据通信的同时,读取DP 从站的输人和输出数据。 (2)Get_Cfg
读取DP从站的当前组态数据。

(3)Set_Slave_Add
DP主站 (2类)分配一个新的总线地址给一个 DP从站。

DP组合设备
可以将l类DP主站、2类DP主站和DP从站组合 在一个硬件模块中形成一个DP组合设备。 这样的设备是很常见的,一些典型的设备组 合如下: (1)l类DP主站与2类DP主站的组合 (2)DP从站与l类DP主站的组合

DP设备之间的通信
DP通信关系和DP数据交换
通信作业的发起者:请求方,通信伙伴:响应方。
l类DP主站的请求报文以第2层中的“高优先权”报文服 务级别处理。 由DP从站发出的响应报文使用第2层中的“低优先权” 报文服务级别。 DP从站可将当前出现的诊断中断或状态事件通知给DP 主站,通过将Data_Exchange的响应报文服务级别从 "低优先权"改变为高优先权来实现。

各类DP设备间的通信关系

初始化阶段,重启动和用户数据通信
DP主站检查DP从站是否在总线上 DP主站通过请求从站的诊断数据来检查DP从 站的准备情况 DP主站定义DP从站的参数并组态此从站

DP主站循环地与DP从站交换用户数据

DP从站初始化

(1)参数数据 (Set_Prm):参数集包括预定给DP从站 的重要的本地和全局参数、特征和功能。
? Station Status:与从站有关的功能和设定

? Watchdog: (定时监视器,“看门狗”)检查DP主站 的故障 ? Ident_Number:DP从站的标识号,由PNO在认证时规 定的DP从站的标识号放在此设备的主要文件中。
? Group_Ident:将DP从站分组组合,以便使用Sync 和Freeze控制命令。 ? User_Prm_Data:DP从站参数数据 (User_Prm_Data) 为DP从站规定了有关应用数据。

(2)组态数据(Chk_Cfg) ? 在组态数据报文中,DP主站发送标识符格式 给DP从站,这些标识符格式告知DP从站要被 交换的输入/输出区域的范围和结构。

? 这些区域 (也称 “模块”)是按DP主站和DP从
站约定的字节或字结构 (标识符格式)形式定

义的。标识符格式允许指定输入或输出区域
,或各模块的输入和输出区域。

(3)诊断数据 (Slave_Diag)
? 在启动阶段,DP主站使用请求诊断数据来检

查DP从站是否存在和是否准备就绪接收参数
信息。由DP从站提交的诊断数据包括符合

EN50170标准的诊断部分。还包括此DP从站专
用的诊断信息。

? DP从站发送诊断信息告知DP主站它的运行状
态以及发生出错事件时出错的原因。

(4)用户数据 (Data_Exchange)
? DP从站检查从DP主站接收到的参数和组态信 息,如果没有错误而且允许由DP主站请求的 设定,则DP从站发送诊断数据报告它已为循 环地交换用户数据准备就绪:DP主站与DP从 站交换所组态的用户数据。 ? DP从站只对由定义它的参数并组态它的l类DP 主站发来的Data_Exchange请求帧报文作出反 应。其他的用户数据报文均被此DP从站拒绝

PROFIBUS-DP循环 PROFIBUS-DP循环的结构
? 一个DP循环包括固定部分和可变部分。 ? 固定部分由循环报文构成,它包括总线存 取控制(令牌管理和站状态)和与DP从站的 I/O数据通信 (Data_Exchange)。

? DP循环的可变部分由被控事件的非循环报 文构成。

单主总线系统中DP循环的结构

报文的非循环部分包括下列内容 ? (1)DP从站初始化阶段的数据通信; ? (2)DP从站诊断功能; ? (3)2类DP主站通信; ? (4)DP主站-主站通信; ? (5)非正常情况下 (Retry),第2层控制的 报式;

? (6)与DPVl对应的非循环数据通信;
? (7)PG编程器在线功能;

? (8)HMI (人机接口)。功能

固定的PROFIBUS-DP循环的结构
对于自动化领域的某些应用来说,固定的DP 循环时间和固定的I/O数据交换是有好处的。 与正常的DP循环相比较,在DP主站的一个固 定的DP循环期内,保留一定的时间用于非循 环通信。 允许一定数量的非循环报文事件。如果此保 留的时间未用完,则通过多次给自己发报文 的办法直到达到所选定的固定总线循环时间 为止,这样就产生了一个暂停时间。

固定的PROFIBUS-DP循环的结构

DP从站的状态机
DP的主从通信中,从站一般只能是被动地等待主 站的请求,然后才能执行数据交换,而在进入此 状态之前,必须有主站对从站配臵参数,并进行 初始化。 DP从站有如图所示的几种状态。 PROFIBUS-DP从站状态机,各个椭圆表示不同的状 态,带箭头的连线表示状态间的转换,而连线上 的文字表示状态的转换所需满足的条件。

上电/复位
Power_on Set_Slave_Add

初始化
Wait_Prm

Slave_Diag Get_Cfg

Chk_Cfg not OK Set_Prm not OK

Slave_Diag Set_Prm Wait_Cfg Get_Cfg 初始化OK Chk_Cfg OK Data_Exch

初始化OK 参数OK 周期性交换

在POWER_ON状态,从站能从2类主站接收 Set_Slave_Address报文来改变地址,然后从站进入 Wait_Prm状态,等待参数化,此状态从站还可以接受 Get_Cfg,Slave_Diag报文。 参数化完成后,从站进入Wait_Cfg状态,等待Check_Cfg 报文,另外还可以接收Slave_Diag,Set_Prm ,Get_Cfg 报文。 如果Check_Cfg完成后,从站将进入Data_Exch状态,进行 数据通信。此时从站还可接收Writing_Outputs, Reading_Inputs,Gloable_Control,Slave_Diag, Chk_Diag,Get_Cfg报文,若组态和数据交换不成功,就 会返回到参数化阶段。 Wait_Prm在对从站进行组态时,必须要编写它的GSD文件

设备数据库文件
PROFIBUS设备具有不同的性能特征,特性的不同在于现 有功能(即I/O信号的数量和诊断信息)的不同或可能 的总线参数,如波特率和时间的监控不同。这些参数对 每种设备类型和每家生产厂商来说均各有差别,为达到

PROFIBUS简单的即插即用配臵,这些特性均在电子数据
单中具体说明,称为设备数据库文件或GSD文件。 标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制一级,使用 基于GSD的组态工具可将不同生产厂商的设备集成在一 个总线系统中,简单、用户界面友好。

设备数据库文件
对一种设备类型的特性GSD以一种准确定义的格式 给出其全面而明确的描述。 GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备 并以设备数据库清单的形式提供给用户,这种明 确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP 设备的数据库文件,并用在组态总线系统时自动

使用这些信息。

设备数据库文件
GSD包括以下三个部分:
?(1)总规范
包括厂商和设备名称、软硬件版本情况、支持的波特率 、监控时间间隔及总线插头的信号分配

?(2)与DP主站有关的规范
包括所有只适用于DP主站的参数(例如可连接的从站的 最多台数或加载和卸载能力)。

?(3)与DP从站有关的规范
包括与从站有关的所有规范(例如I/O通道的数量和类 型、诊断测试的规格及I/O数据的一致性信息)。

创建GSD文件
#Profibus_DP ; DP设备的GSD文件均以此关键字开头 GSD_Revision=1 ; GSD文件版本 ; 通用参数 Vendor_Name=“STUD” ; 设备制造商 Model_Name=“DP Slave” ; 设备名称 Revision=“V1.0” ; 设备版本

Ident_Number=0x0032 ; 设备ID(识别号)
Protocol_Ident=0 ; 协议ID,0表示PROFIBUS-DP Station_Type=0 ; 站类型(0表示DP从站,1表示DP主站)

FMS_Supp=0 ; 对FMS的支持,0为不支持FMS
Hardware_Release=“HW1.0” ; 设备硬件版本 Software_Release=“SW1.0” ; 设备软件版本 9.6_Supp=1 ; 设备所支持的波特率从9.6k~12M ,1为支持 ……

12M_Supp=1 MaxTsdr_9.6=60 ; 波特率从9.6k~12M时的最大站延迟时间 …… MaxTsdr_12M=800 Redundancy=0 ; 是否支持冗余传输方式,0为不支持 Implementation_Type=“SPC3 Solution” ; 采用SPC3协议芯片 Bitmap_Device=“DP Slave” ; 组态时所用的图标文件名 ; 从站专用参数 Freeze_Mode_Supp=1 ; 是否支持同步输入模式,1为支持 Syn_Mode_Supp=1 ; 是否支持同步输出模式,1为支持 Auto_Baud_Supp=1 ; 是否支持自动识别波特率,1为支持

Set_Slave_Add_Supp=0 ; 不支持通过总线改变地址(1为支持)
Module Offset=“3” ; 从站地址默认为3 Fail_Safe=0 ; 故障安全模式类型

Min_Slave_Intervall=10 ; 最小从站轮询时间 Modular_Station=1 ; 设备的类型,0为紧凑型,1为模块型 Max_Modular=2 ; 模块的最大数量 Max_Input_Len=32 ; 最大输入数据长度 Max_Output_Len=32 ; 最大输出数据长度 Max_Data_Len=64 ; 最大数据长度 ; 通用接口配置(标识符)描述从站专用参数 Max_User_Prm_Data Len=4 ; 用户参数数据最大长度(0-237) Module=“Module1:2 Byte In,2 Byte Out”0x11,0x21 1 EndModule ; 2字节的输入输出

Module=“Module2:4 Byte In,4 Byte Out”0x13,0x23
2 ; 4字节的输入输出

EndModule

; 有关从站诊断内容的描述 Max_Diag_Data_Len=8 ; 诊断信息的最大长度(6-244) Slave_Family=0 ; 从站类型,设备属于功能性从站类 Unit_Diag_Bit(0)=“Lack power” ; 以下为用户专用诊断数据 Unit_Diag_Bit(1)=“Over-moment” Unit_Diag_Area= 2-5 Value(0) =“No erro” Value(1) =“Low voltage” Value(2) =“AD erro” Value(3) =“Display erro” Value(4) =“Control conflict”

Value(5) =“Command error”
Unit_Diag_Area_End

PROFIBUS-DP V1
PROFIBUS-DP V1主要是增加了非循环服务, 并扩大了与2类主站的通信。 DPM1与DP从站之间的扩展数据传输
? 1类DP主站(DPM1)与DP从站间的非循环数据通信功能
是通过附加的服务存取点SAP51来执行的。 ? 当连接点成功地建立后,DPM1可通过MS1(循环连接) 来执行循环数据传输,并通过MS1连接进行非循环数据 传输。

DPM2与从站之间的扩展数据传输
? DP扩展允许一个或多个诊断设备或操作控制设
备(DPM2)对DP从站的任何数据块进行非循环读

写服务。这种通信是以连接为主进行的,该连
接称之为MS2。 ? 主站在间隔中可以自动插入监视报文(IdlePDUs),MS2的连接就提供了由时间控制的自 动监视。

PROFIBUS-DP V2
DP V2解决了从站之间的通信与时间同步等 重大问题。

PROFIBUS-DP V2可以实现循环通信、非循 环通信以及从站之间的通信。 DP V2可以根据不同的应用需要开发出专用 的行规(Profile),如用于运动控制的 PROFIDrive和用于连锁保护的PROFISafe。

4.4 PROFIBUS-DP站点的开发与实现
PROFIBUS从站开发思路 PROFIBUS-DP从站开发方案 PROFIBUS-DP开发包4(kit4) ASIC介绍 网络接口卡 PROFIBUS-DP智能从站节点设计

PROFIBUS从站开发思路
PROFIBUS-DP是一个开放的、与制造商无关的标准, 任何人都可以获得这个标准并设计各自的PROFIBUS-

DP设备。
PROFIBUS-DP设备开发的核心是进行符合协议规范

的接口软硬件设计,实现数据通信和远程测控。
原则上,PROFIBUS-DP协议在任何微处理器上都可

以实现,只要在微处理器内部或外部安装UART(异
步串行通信接口)就可完成。

PROFIBUS-DP从站开发方案
单片机+软件:DP的数据链路层协议通过软件在单 片机中实现,物理层通信由UART完成。缺点是开发人 员需透彻了解DP协议和运行机制,软件编程工作量大, 开发的周期长,可靠性不易保证,通信速度受到限制。

单片机+ASIC(专用通信协议芯片):DP协议完全由 通信协议芯片来实现,单片机主要处理用户程序。开 发人员只需了解DP协议相关内容及通信协议芯片的技 术内容,因此缩短了开发周期,且波特率可达到 12Mbit/s。
采用接口模板 采用总线桥

PROFIBUS-DP开发包4(kit4)
? 开发包4(kit4)是专门对Siemem的从站ASIC 芯片SPC3开发而提供的,它包括SPC3与单片 微控制器的接口电路图以及主站和从站的所 有源代码,有了开发包4将会加快用户 PROFIBUS-DP产品的开发,Siemens公司所提 供的接口模块的优点在于开发人员不需要再 开发附加的外围电路,不同的接口模块可用 于各种需求及应用场合。

Development kit4开发包综观图

kit4开发包的组成
Kit4开发包是PROFIBUS-DP智能从站开发工具,它 很容易将一个产品快速连接到PROFIBUS-DP上。 开发包主要由硬件、软件和文档组成。 硬件包括:IM180主站接口模块、IM183-1智能从 站接口模块、IM184简单从站接口模块及总线连接器 等附件。 软件包括:COM PROFIBUS总线组态软件、DPMT主 站软件。 主站和从站都可以使用kit4并行开发,最大数据 传输速率为12Mbit。

硬件

IM180主站接口模块
IMl80可将第三方设备作为主站连接到PROFIBUS-DP上。 该模块可完全独立完成总线控制。IMl80可接替PLC、PC 、驱动器、人机接口的通信处理任务,最大数据传输速 率l2Mbit/s。 IM180模块主要由ASIC芯片ASPC2、80C165微处理器和 FLASH-EPROM、RAM组成。专用集成电路ASPC2芯片可独 立处理总线协议,与主系统的通信通过双口RAM完成。 数据交换由应用程序完成。 IM180可使用COM PROFIBUS软件完成配臵,用户不必开 发自己的配臵工具。

1M183-1从站接口模块
lM183-1可将第三方设备作为从站连接到PROFIBUS-DP上,最

大数据传输速率l2Mbit/s。
IM183-1用于智能从站,可自动检测总线数据传输速率。

IM183-1模块主要由ASIC芯片SPC3、80C32微处理器、EPROM
、RAM和一个用于PROFIBUS-DP的RS-485接口组成,还提供一 个RS-232接口,专用集成电路SPC3芯片可独立处理总线协议 ,与主系统的通信通过数据和地址总线,由连接器连接,数 据交换操作由应用程序完成。

1M184从站接口模块
lM184可将第三方设备作为从站连接到PROFlBUS-DP

上。最大数据传输速率l2Mbit/s。IM184用于简单
从站,如传感器和执行机构。

IM184模块主要由ASIC芯片LSPM2、EEPROM扩展槽和
一个用于PROFIBUS-DP的RS-485接口组成。 专用集成电路LSPM2芯片可独立处理总线协议,与 主系统的通信通过连接器连接,因此,输入输出信 号也必须由连接器的端子提供。

软件部件
COM PROFIBUS总线组态软件 用于组态总线系统和IM180接口模板 可以配臵主站与从站,直接读取主站与从站的输入、输出 数据,设臵总线数据传输速率和输入输出数据字节的个数, 它还具有测试自主开发的通讯接口的功能。 DPMT主站软件 适宜于开发包的配臵

可演示接口配臵和从站控制,是PROFIBUS-DP操作与设计的 快速介绍,有利于用户熟悉PROFIBUS-DP现场总线的功能。
用于IM183-1和IM180接口模板的固件:它包括主站与从站 的源代码。

文档

?Siemens提供相当详细的资料。
?Spc3.pdf:从站芯片SPC3的器件手册;

?IM180_e.pdf:主站接口板IM180的用户手册。

Development Kit4开发包测试
使用开发包构建PROFIBUS-DP现场总线控制系统,即采用工控 机(装载IM180+181,并安装COM PROFIBUS及DPMT软件)作 为主站,IM183-1作为智能从站和IM184作为简单从站构成了 包括一个主站和两个从站的PROFIBUS-DP总线控制系统,如图 所示。

在COM PROFIBUS中的组态配臵

ASIC介绍
? 西门子为PLC之间简单高速的数字通信提供用 户ASICs。 ? ASIC——Automation Special Integrated Circuit ? 参照PROFIBUS DlN19245第1部分和第3部分设 计的这些ASICs,支持并可以完全处理PLC站 之间的数据通信。

? ASICs与微处理器结合提供智能从站的解决方案:
? SPC(Siemens PROFIBUS controller):基于OSI参 考模型的第1层,需要附加一个微处理器用于实现 第2层和第7层的功能。 ? SPC2:集成了第2层的执行总线协议的部分,附 加微处理器执行第2层的其余功能 (即接口服务和 管理)。

? ASPC2:集成了第2层的大部分功能,但仍需要微
处理器。可以支持12Mbaud总线。主要用于复杂的

主站设计。

? SPC3:集成了全部PROFIBUS-DP协议,有效地
减轻了处理器的压力,因此可用于12Mbaud总

线。
? SPC4创支持DP,FMS和PA协议类型,且可以工

作于12Mbaud总线。
? LSPM2(Lean Siemens PROFIBUS

Multiplexer):在自动化工程领域也有一些
简单的设备,如:开关、热元件,不需要微处

理器记录它们的状态。

从站通信控制器SPC3
? SPC3只集成了传输技术的部分功能,而没有 集成模拟功能 (RS-485驱动器)、FDL(现场总 线数据链路Fieldbus Data Link)传输协议。

它支持接口功能、FMA功能和整个DP从站协议
,用户接口让用户很容易访问第2层。第2层的

其余功能 (软件功能和管理)需要通过软件来
实现。

相关接口
? (1)ASIC接口

? 方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器看门 狗定时器等寄存器规定了ASIC硬件的功能和 保温处理过程。
? (2)PROFIBUS-DP接口 ? (3)通信处理器总线接口 ? (4)UART(异步串行通信接口) ? (5)PROFIBUS接口

主站通信控制芯片ASPC2
? Siemens公司生产的主站通信控制器,该通信控制

器可以完全处理PROFIBUS EN50170的第一层和第二
层,同时ASPC2还为PROFIBUS-DP和使用段藕合器的 PROFIBUS-PA提供一个主站。 ? ASPC2通信控制器用作一个DP主站时需要庞大的软 件(约64KB),PROFIBUSASIC可用于从站应用,链接

低级设备 (如:控制器、执行器、测量变送器和分
散1/0设备)。

网络接口卡
CP5611 网络接口卡
? 用于工控机连接到PROFIBUS和SlMATIC S7 的 MPI。 支 持 PROFIBUS 的 主 站 和 从 站 、 PG/OP、S7通信。OPC Server软件包已包含 在通信软件供货,但是需要SOFTNET支持。

CP5611与从站通信的过程
? 当CP5611作为网络上的主站时,CP5611通过 轮询方式与从站进行通信。 ? 通常按地址增序轮询所有的从站,当与最后 一个从站通信完以后,接着再进行下一个周 期的通信。这样就保证所有的数据 (包括输 出数据,输入数据)都是最新的。

? 主要报文有:令牌报文,固定长度没有数据单 元的报文,固定长度带数据单元的报文,变 数据长度的报文。

CP5613网络接口卡
? CP5613是Siemens公司推出的基于PCI总线

的PROFIBUS-DP网络接口卡,其报价已包括
软件使用费,目前,一般使用该网络接口卡

。 用 于 工 控 机 连 接 到 PROFIBUS, 一 个
PROFlBUS接口,仅支持DP主站、PG/OP、S7

通信。OPCSerVer软件包已包含在通信软件
供货。

PROFIBUS-DP智能从站节点设计
从站的设计分两种: ? 利用现成的从站接口模块如lM183、1M184开发,这 时只要通过1M183/184上的接口开发。 ? 利用ASIC芯片进行深层次的开发。对于简单的开发 如远程I/O测控,用LSPM系列就能满足要求;开发一 个比较复杂的智能系统选择SPC3。

简单的PROFIBUS-DP从站结构图

智能PROFIBUS-DP从站结构图

采用SPC3协议芯片开发PROFIBUS-DP从站的步骤

采用DP通信协议芯片进行DP从站的开发,

首先需确立开发方案,是开发简单从站还是
智能从站;协议芯片选型;是采用接口模块

进行开发还是直接采用SPC3协议芯片与单片
机进行开发;根据设备的应用场合、对传输

速率的要求来选择响应的器件。DP从站的开
发步骤如下图所示。

DP从站的开发步骤
确定从站类型

简单从站:不用 微处理器,仅需 硬件设计

智能从站:需加 微处理器,需软 硬件设计

根据所开发从站的不同类型选择从站协议芯片 向PROFIBUS组织申请识别号 从站硬件设计 从站软件开发 创建GSD文件 组网通信测试 产品认证

通信协议芯片SPC3
SPC3是SIEMENS公司提供的一种用于开发 PROFIBUS-DP智能从站的通信专用协议芯片,集成 了完整的PROFIBUS-DP协议。 SPC3通过它的双口RAM与微处理器交换数据,微 处理器操作SPC3芯片就像操作它的外部RAM一样。 SPC3的总线接口是可参数化的同步/异步8位接口, 适合于Motorola和Intel的微处理器。

PROFIBUS-DP通信的服务存取点(SAP)由SPC3自动 建立,各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF 的内部数据。用户可以通过此总线接口访问这些内 部数据。

通信协议芯片SPC3
SPC3内部有RAM、方式寄存器、状态寄存器、中断 寄存器、看门 狗、波特率发生器以及各种缓冲器指 针和缓冲区等。SPC3有8根数据线和11根地址线,其 中8根数据线与地址线复用,可以接80C32、80C166、 80C196、HC196、51系列等单片机。

SPC3内部集成一个看门狗定时器,操作于三种不同 的状态:波特率监测、波特率控制和DP控制。内部的 异步串行收发器(UART)实现串并数据流的相互转换, SPC3可以自动识别总线的波特率(9.6kbit/s~ 12Mbit/s)。空闲定时器控制串行总线电缆上的总线 定时。微序列器(MS,microsequencer)控制整个 SPC3的工作过程。

SPC3内部结构示意图
CPU控制线 数据线 总线接口单元 地址线

中断 控制器

模式/状态/参 数寄存器

看门狗 SPC3内部 1.5 KB RAM

微序列器

RAM控制器

UART TXD RXD

空闲定时器

波特率发生器 时钟输入

时钟2/4分频输出

用SPC3实现数据通信
SPC3自动识别并接收传送给本站的数据报文,并 根据数据报文的不同,识别出不同的SAP(服务存取 点),将数据存进对应的BUF。用户程序与SPC3通过 固态程序进行数据交换的原理如图所示。
控制寄存器 参数与指针 数据缓冲区
地址总线 数据总线

SPC3 RS-485 接口 1.5K RAM

固态 程序

用户 程序

用户程序与SPC3之间的数据交换原理

DP_Mode = 1时,SPC3 DP方式使能。在这种过程中,下列 SAP服务于DP方式。 Default SAP —— 数据交换(Write_Read_Data) SAP55 —— 设定从站地址(Set_Slave_Address) SAP56 —— 读DP输入(Read_Inputs) SAP57 —— 读DP输出(Read_Outputs)

SAP58 —— 全局控制指令(Global_Control)
SAP59 —— 读通信接口配臵(标识符)(Get_Config) SAP60 —— 读从站诊断(Slave_Diagnosis) SAP61 —— 设臵参数(Set_Param) SAP62 —— 通信接口配臵检查(Check_Config)

智能从站接口模块设计
硬件设计
软件开发 可靠性设计

硬件设计
设计的PROFIBUS-DP智能从站接口模块
主要由协议芯片SPC3、单片机AT89S52、

数据存储器6264、RS-485总线驱动芯片
SN75ALS176、高速光耦HCPL7720、译码电

路、输入输出接口、晶振等组成,模块各
部分之间通过内部地址总线、数据总线相

连。硬件设计框图如下图所示。

硬件设计框图
数据显示 74LS164 带EEPROM的看门狗

8KB RAM 48MHz 晶振

微处理器AT89S52 12MHz 协议芯片SPC3 光耦隔离 RS-485总线驱动 PROFIBUS-DP总线 A/D 转 换 电 路 D/A 转 换 电 路 DI/ DO 电 路

SPC3芯片内部译码电路

SPC3与AT89S52之间接口电路

用户接口电路

软件开发
采用程序模块化编程思想,按不同功 能和操作分成不同模块,程序更具独立性, 便于以后的功能拓展。
主程序

中断处理程序 初始化程序 从站数据接收程序 从站数据发送程序 处理外部诊断程序 创建GSD文件

开始 单片机内部寄存器初始化

中断开始 新的PRM? Y 处理PRM报文 N N

SPC3初始化 (站地址、波特率、中断允许等)

启动SPC3

新的CFG?
N

有输出数据? Y 读出并处理输出数据

Y 处理CFG报文 Y

与主站配置的CFG相同?
有输入数据? Y 处理输入数据 N

N 更新原CFG N

有SSA报文?
有外部诊断? Y 处理外部诊断 N

Y 存入地址缓冲区

结束SPC3中断

主程序流程图

中断程序流程图

SPC3和微处理器之间的软件接口
初始化SPC3 启动SPC3 输入数据 输出数据 SPC3 诊断 状态显示 设定从站地址 组态检查 分配从站参数 89S52 DO DI

主程序
void { #if defined __MCU main ()

UBYTE xdata * xdata loesch;
UWORD zaehl; SPC3_RESET = SPC3_RESET_SET;/* 复位SPC3 */ for(i = 100; i ; i--); SPC3_RESET = !SPC3_RESET_SET; HW_WATCHDOG_TRIGGER = 1; HW_WATCHDOG_TRIGGER = 0; SPC3_INTERRUPT_ENABLE = !I_ENABLE;/* 设置中断参数 */ SPC3_INTERRUPT_PRIOR = P_HIGH; ……

中断程序
if(DPS2_GET_IND_NEW_SSA_DATA()) /*是否有从站地址改 变中断事件*/
{ address_data_function(DPS2_GET_SSA_BUF_PTR(), DPS2_GET_SSA_LEN()); DPS2_CON_IND_NEW_SSA_DATA(); /* 确 认 从 站 地 址 改 变 */

}
void address_data_function (void SPC3_PTR_AT TR*(address_data_ptr),UBYTE address_data_len)

……

SPC3初始化流程
初始化开始 设定SPC3寄存器变量名称 设定看门狗值 设定SPC3地址,标识号 设定各个BUF长度 设定辅助BUF长度和段地址 设定配置、诊断和读配 置BUF长度 取得输入BUF指针 取得诊断BUF指针 SPC3工作使能 初始化结束

初始化程序
void user_dps_reset (void) { enum SPC3_INIT_RET dps2_init_result; /*初始化结果 */

DPS2_SET_IDENT_NUMBER_HIGH(ident_numb_high); /* 设 置 设 备 的 ID 号*/
DPS2_SET_IDENT_NUMBER_LOW(ident_numb_low); SPC3_SET_STATION_ADDRESS(this_station); /* 设置从站地址*/

SPC3_SET_HW_MODE(SYNC_SUPPORTED|FREEZE_SUPPORTED|INT_POL_L OW|USER_TIMEBASE_10m); /* 设置 SPC3 硬件模式 */ if (!real_no_add_chg) { DPS2_SET_ADD_CHG_ENABLE(); } else /* 设置从站地址是否可以改变 */

……

user_error_function(error_code);
} } user_input_buffer_ptr = DPS2_GET_DIN_BUF_PTR();/*取得输入缓冲 区指针*/ dps_chg_diag_srvc_byte_new = dps_chg_diag_srvc_byte_old = 0; /* 取得诊断缓冲区指针 */

user_diag_buffer_ptr = DPS2_GET_DIAG_BUF_PTR();
user_diag_flag = TRUE; user_baud_value = SPC3_GET_BAUD(); SPC3_SET_BAUD_CNTRL(0x1E); SPC3_START();/* 启动 SPC3 */ } /* 获得波特率值 */

/*设置内部看门狗工作模式 */

从站数据接收
if (DPS2_POLL_IND_DX_OUT()) /* 判断是否有新的输出数据 */ { DPS2_CON_IND_DX_OUT(); /* 中断确认对SPC3中断响应寄存器写操 作*/ user_output_buffer_ptr = DPS2_OUTPUT_UPDATE(); /* 获取实际 输出数据指针 */ /* 输出数据到 IO 口*/

for (i=0; i<user_io_data_len_ptr->outp_data_len; i++)
{ (*((io_byte_ptr) + i)) = (*(((UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_output_buffer_ptr) + i)); } od=(*((io_byte_ptr) + 1)); xporta=od; }

从站数据发送
od=xporta; /* 取得外部数据*/ (*((io_byte_ptr) + 1))=od; for (i=0; i<user_io_data_len_ptr->inp_data_len; i++) { *(((UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + i) =

*((io_byte_ptr) + i); /* 将输入数据写到 SPC3 缓冲区 */
}

user_input_buffer_ptr = DPS2_INPUT_UPDATE(); /* 取得
下次输入数据的缓冲区指针*/

处理外部诊断
if (DPS2_POLL_IND_DIAG_BUFFER_CHANGED()) ; /*查 询诊断数据是否已发送完成*/ { DPS2_CON_IND_DIAG_BUFFER_CHANGED(); /*确认*/ user_diag_buffer_ptr = DPS2_GET_DIAG_BUF_PTR(); /* 取得可用的诊断缓冲区指针 */ user_diag_flag = TRUE; /* 设置缓冲区可用标志位 */ }

创建GSD文件
#Profibus_DP ; DP设备的GSD文件均以此关键字开头 GSD_Revision=1 ; GSD文件版本 ; 通用参数 Vendor_Name=“STUD” ; 设备制造商 Model_Name=“DP Slave” ; 设备名称 Revision=“V1.0” ; 设备版本

Ident_Number=0x0032 ; 设备ID(识别号)
Protocol_Ident=0 ; 协议ID,0表示PROFIBUS-DP Station_Type=0 ; 站类型(0表示DP从站,1表示DP主站)

FMS_Supp=0 ; 对FMS的支持,0为不支持FMS
Hardware_Release=“HW1.0” ; 设备硬件版本 Software_Release=“SW1.0” ; 设备软件版本 9.6_Supp=1 ; 设备所支持的波特率从9.6k~12M ,1为支持 ……

12M_Supp=1 MaxTsdr_9.6=60 ; 波特率从9.6k~12M时的最大站延迟时间 …… MaxTsdr_12M=800 Redundancy=0 ; 是否支持冗余传输方式,0为不支持 Implementation_Type=“SPC3 Solution” ; 采用SPC3协议芯片 Bitmap_Device=“DP Slave” ; 组态时所用的图标文件名 ; 从站专用参数 Freeze_Mode_Supp=1 ; 是否支持同步输入模式,1为支持 Syn_Mode_Supp=1 ; 是否支持同步输出模式,1为支持 Auto_Baud_Supp=1 ; 是否支持自动识别波特率,1为支持

Set_Slave_Add_Supp=0 ; 不支持通过总线改变地址(1为支持)
Module Offset=“3” ; 从站地址默认为3 Fail_Safe=0 ; 故障安全模式类型

Min_Slave_Intervall=10 ; 最小从站轮询时间 Modular_Station=1 ; 设备的类型,0为紧凑型,1为模块型 Max_Modular=2 ; 模块的最大数量 Max_Input_Len=32 ; 最大输入数据长度 Max_Output_Len=32 ; 最大输出数据长度 Max_Data_Len=64 ; 最大数据长度 ; 通用接口配置(标识符)描述从站专用参数 Max_User_Prm_Data Len=4 ; 用户参数数据最大长度(0-237) Module=“Module1:2 Byte In,2 Byte Out”0x11,0x21 1 EndModule ; 2字节的输入输出

Module=“Module2:4 Byte In,4 Byte Out”0x13,0x23
2 ; 4字节的输入输出

EndModule

; 有关从站诊断内容的描述 Max_Diag_Data_Len=8 ; 诊断信息的最大长度(6-244) Slave_Family=0 ; 从站类型,设备属于功能性从站类 Unit_Diag_Bit(0)=“Lack power” ; 以下为用户专用诊断数据 Unit_Diag_Bit(1)=“Over-moment” Unit_Diag_Area= 2-5 Value(0) =“No erro” Value(1) =“Low voltage” Value(2) =“AD erro” Value(3) =“Display erro” Value(4) =“Control conflict”

Value(5) =“Command error”
Unit_Diag_Area_End

可靠性设计
硬件抗干扰措施
SPC3内部线路与物理接口在电气上隔离 输入输出通道上的电气隔离 电源的电气隔离 软件抗干扰措施

采用指令冗余、软件陷阱和监视定时器等 软件抗干扰措施。

PROFIBUS-DP智能从站接口模块的测试

测试平台

组态DP从站

DP从站参数配臵1

DP从站参数配臵2

DP从站参数配置3

DP从站测试1

DP从站测试2

DP从站测试3

4.5 PROFIBUS-PA
? PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决 方案。PA将自动化系统与现场设备,例如 压力、温度和液位变送器的过程控制系统 连接起来,PA可以取代4-20mA的模拟技术 。PA在现场设备的规划、电缆敷设、调试 、投人运行和维护方面可节省成本40%以 上,并可提供多功能和安全性。

常规的4-2OmA系统与基于PROFIBUS-PA的系统 在布线方面的区别

过程工业--应用领域的特殊要求:
? 1)过程自动化独特的应用行规以及来自不同厂商的 现场设备的互换性; ? 2)增加和去除总线站点,即使在本质安全地区也不 会影响到其他站点;

? 3)过程自动化中的PPOFIBUS-PA总线段和制造自动 化中的PROFIBUS-DP总线段之间通过段耦合器实现 通信透明化; ? 4)同样的两条线,基于IEC61158-2技术可进行远程 供电和数据传输;
? 5)在潜在的爆炸区使用防爆型 "本质安全"或 "非 本质安全"。

PROFlBUS-PA总线的数据传输

PROFIBUS-PA使用PROFIBUS-DP的基本功 能传输测量值和状态,使用PROFIBUS-DP扩展 功能对现场设备设臵参数及操作。
传输采用基于IEC6l158-2的两线技术。 PROFIBUS总线存取协议 (第2层)和IEC6l1589技术 (第1层)之间的接口在DIN19245系列标 准的第4部分中作了规定。

在IEC6l158-2段传输时,报文被加上起 始和结束界定符。

PROFlBUS-PA总线的数据传输

小结
PROFIBUS概述
PROFIBUS的定义、组成、通信参考模型、主 站与从站、总线访问控制的特点

PROFIBUS的通信协议
PROFIBUS的物理层及其网络连接、数据链路 层、MAC协议

PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP V0、GSD文件、V1、V2

小结 PROFIBUS站点的开发与实现
PROFIBUS的站点实现、主站实现方案、从 站实现方案、系统的初始化过程

PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA的基本特点、DP/PA连接接口 、PA总线的安装

作业:
1、PROFIBUS现场总线协议结构中包含哪几部分 协议?简述各自的应用场合及特点。
2、简述PROFIBUS现场总线采用的总线访问控制 方式。 3、PROFIBUS的物理层遵循哪些规范标准?支持 哪几种传输媒体?指出其通信速率和相应的 传输距离范围。

4、PROFIBUS的DP与PA网段之间采用何种连接? 该连接设备是网桥还是网关?为什么?

作业:
5、PROFIBUS引入GSD期望解决什么问题?GSD中 包含的主要内容是什么?
6、简述PROFIBUS-DP与PROFIBUS-PA数据报文的 帧结构。 7、PROFIBUS-DP的通信信号采用何种编码?每 个数据字节是多少位?其传输速率和传输距 离为多少? 8、一个PROFIBUS-DP系统由1个主站和15个从站 组成,每个从站有3个字节的输入和2个字节 的输出,计算传输速率为1.5Mb/s时的循环时 间。


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