西门子ProfiBusPADP总线设备及应用

收稿日期:2008208207(修改稿)。

作者简介:胡昱(1977—),男,陕西宝鸡人,2000年毕业于沈阳化工学院检测技术及仪器仪表专业,现在华陆工程科技有限责任公司(原化工六院)从事自控工程设计工作,任工程师。

Profibus 总线技术及工程应用胡　昱(华陆工程科技有限责任公司,陕西西安　710054) 摘要:Profibus 是目前最流行的现场总线标准之一。

主要分析了Profibus 现场总线的发展历史、网络结构、技术特点及其与远程I/O 站的连接方式,并通过工程实例对该现场总线在防爆区域中和远程I/O 站配合使用过程中的网络拓扑结构、仪表选型、系统调试等技术做了比较详细的分析,希望能对以后采用Profibus 总线技术的工程设计有所帮助。

关键词:现场总线;网络结构;通信速率;远程I/O ;网络连接器;网络适配器中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:100727324(2008)0520056204Application of Prof ibus T echnology in E ngineeringHu Yu(Hualu Engineering &Technology Co.Ltd.,Xian ,710054,China )Abstract :The Profibus is t he one of mo st pop ular standards of Field Bus.The develop ment history ,network configuration ,technical feat ure and connection met hod wit h remote I/O stations are mainly analyzed.To take a p roject as an example ,topological configuration ,inst rument type selection and system testing in t he explosion 2proof area and working wit h remote I/O stations is analyzed in detail in order to provide help for engineering design which adopted t he Profibus Field Bus technology.K eyw ords :field bus ;network configuration ;communication velocity ;remote I/O ;DP/PA link ;DP/PA coupler1　Profibus 总线的发展过程随着计算机、控制、通信和网络等技术的进步,现场总线在20世纪80年代中期逐渐发展起来。

Profibus DP调试和使用故障DP总线故障－调试过程故障1，A、B的连接出错；2，左右进线和出线的顺序出错，注意总线接头上的箭头；3，接地的屏蔽层没有接好，或者A、B线没有接好；4，DP主站以及DP从站组态错误，如设备订货号错误（硬件在线可以找出此故障）、DP/MPI总线插口的组态错误等（表现的现象是可以在set pc/pg interface里面找到总线，就是连接不上）；5，在 CPU 内编程寻址的从站地址错误，可以查看诊断缓冲区；6，使用终端电阻的站点断电，整个网络瘫痪。

DP总线故障－使用过程故障1DP总线控制的变频器，经常F082停机系统为S7 414-3 CPU，带了两个IM467，CPU上的DP口和其中一个IM467带有一堆I/O，另外一个IM467带了一些变频器（五十几个）和测速装置以及张力测量装置。

速度为3M，这条总线经常出现问题，下面称之为驱动总线。

系统中挂在驱动总线上的变频器经常报出F082的故障，然后整个PLC系统停机，手动复位变频器后设备可以重新启动，每隔3－10小时出现一次，即使所有的变频器不启动，也会出现变频器给出F082报警的故障。

变频器为西门子6se70的MASTERDRIVE以及SIMODRIVE sensor和第三方的测速设备。

最大变频器为170千瓦左右。

此套系统已经正常工作了两年，之前没有任何问题，所以排除是程序或者波特率以及线缆过长的问题。

整个系统中有两个Reapter，之间的从站数量不超过32个，大约20个左右，驱动电缆和信号电缆分桥架排放或者90度交叉；变频器的DP总线电缆采用西门子原装屏蔽电缆，屏蔽层接在变频器的机壳上。

在CPU处屏蔽层接在机壳上。

电机到变频器采用屏蔽电缆。

问：1，是否为接地点氧化问题？2，单端接地，双端接地？3， F082的意思是总线信号没有送到变频器，但是现场发生故障的变频器不是固定在某些设备上，而是一堆变频器，此起彼伏的报警，所以估计不是通讯板的故障。

西门子（S7-1200）与发那科（M-20iD）ProfiBus-DP通讯
工具清单
1：S7-1200CPU,CM1243-5（PROFIBUS-DP）模块
2：FANUC机械臂（M-20iD/25）
3：通讯线接法：a：机械臂接3号角（+）与8号角（-）
b：西门子通讯模块（CM1243-5）接3号角
（+）与8号角（-）
FANUC机械臂设置
1：进入“设置”界面后点击“PROFIBUS”界面，主要设置a：“FDL地址”（从站站号），需要与PLC站号对应
b：“波特率”需要与PLC对应
设置完成后点击“其他”，选择“从站”设置输入输出字节数与站地址
2：选择数字IO，激活PUOFIBUS-DP（IO地址），机架67位PROFIBUS-DP地址，设置IO范围，机械臂设置OK
西门子PLC设置
1：导入GSD文件
2：选择CPU,组态PROFIBUS-DP模块，导入FANUC机械人GSD 文件后选择FANUC机械臂进行组态
3：设置IO地址、站号、波特率
顺序步骤如下图（FANUC机械臂GSD已加载完成下图不会显示）
添加CPU如1
选择自己所用到的PLC如2
点击设备组态如3，选择设备视图如4
点击101（如5）地址选择PROFIBUS通讯模块如6
点击网络视图如7，选择FANUC机械臂站如8
点击两个端头，自动连接一条线如9
双击FANUC组件如10
站号与FANUC站号一致如11，选择所需要的的字节数如12，双击确认
双击地址，在下方IO地址处输入自己所需要的地址PLC设置OK。

PROFIBUS现场总线摘要：现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种集控制技术、仪表技术和计算机网络技术为一体的先进的工业控制技术。

这其中PROFIBUS现场总线是目前较为流行的五种现场总线中较为有仪表性的一种。

与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。

目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。

PROFIBUS的开放性和不依赖于厂商的通信设想，已在10多万成功应用中得以实现。

市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%。

一、现场总线1.1 现场总线的产生背景随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。

信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的深刻变革，现场总线就是在这种形式下发展起来的新技术。

20世纪50年代至今，工业过程控制仪表一只采用4-20mA的标准信号。

20世纪60年代，测控系统一般采用直接数字式控制系统。

20世纪70年代，数字式计算机被映入到测控系统中，此时的计算机提供的是集中式控制处理。

20世纪80年代，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，而形成了分布式控制系统(DCS)，这种分布式控制系统经历了若干发展阶段，从集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)到智能控制、维护、管理集成系统(ICMMS)，控制单元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制单元的协同工作模式。

由于各种现场总线技术的相继出现，人们对传统的模拟仪表和控制系统要求变革的呼声越来越高，现场总线为引入智能现场仪表提供了一个开放平台。

基于现场总线的分布式控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是在传统的分布式控制系统(DistributedControlSystem,DCS)的基础之上发展起来的，顺应了自动控制系统发展的潮流。

PROFIBUS现场总线摘要：PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。

它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等领域自动化。

本文主要就PROFIBUS的国内外发展动态、技术特性、在控制领域的技术优势及应用前景进行了讨论。

关键词：现场总线；开放控制系统；PROFIBUS；PROFIBUS-DP；PROFIBUS-PA；PROFIBUS-FMS；IEC61158；EN50170标准；RS-485；Abstract: PROFIBUS is an international, open and equipment vendor independent standard for field bus communication. It is widely used in manufacturing automation, process industrial automation and buildings, transportation, electricity and other areas of automation. This article focuses on domestic and international developments in PROFIBUS, its technical characteristics, its technical advantages and prospects in automation control area.Keyword: field bus, open control system, PROFIBUS；PROFIBUS-DP；PROFIBUS-PA；PROFIBUS-FMS；IEC61158；EN50170 standard；RS-485 一．概述随着计算机、控制、通信和网络等技术的进步，现场总线在20世纪80年代中期逐渐发展起来。

PROFIBUS现场总线 现场总线技术是 20 世纪 80 年代兴起的一种集控制技术、仪表技术和计算机网络技术为一体的先进的工业控制技术。 PROFIBUS 是一种国际性的开放式现场总线标准,是唯一的全集成 H1 (过程)和 H2 (工厂自动化)现场总线解决方案,它不依赖于产品制造商,不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信,因此它广泛应用于制造业自动化、交通自动化、楼宇和过程自动化等自动控制领域。它包括3个兼容版本, Profibus – DP (H2)、Profibus -FMS (H1)、Profibus - PA。DP 是经过优化的高速、廉价的通信接口,专为自动控制系统和设备级分散 I/O 之间通信设计,可取代 24V 或 0～20mA并行信号线。也可用于分布式控制系统的高速数据传输。FMS用于车间级通用性中等传输速度的循环和非循环通信,适用于传感器、执行器、PLC 等一般自动控制系统。PA 是专为过程自动化设计的标准本质安全传输技术,满足 IEC1158 – 2 中规定的通信规程,适用于安全性要求高以及由总线供电的场合。PROFIBUS 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化,总线系统分为主站和从站,主站决定总线的数据通信,从站仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。 1 PROFIBUS的协议结构 PROFIBUS 的协议结构是根据 ISO7498 国际标准化开发式互联网络(OSI)作为参考模型,具体结构如图1 所示。 图1 PROFIBUS 协议结构图 PROFIBUS - DP 使用了第1 、2 层和用户接口,这样确保了数据传输快速和有效地进行,直接数据链路映像 (DDLM) 使用户接口易于进入第2 层。PROFIBUS - FMS 对第1 、2 、7 层均加以定义。应用层包括现场总线信息规范( FMS) 和底层接口 (LLI) 。FMS 包括了应用协议并向用户提供可广泛选用的通信服务；LLI 协调不同通信关系并保证FMS 不依赖设备访问第二层,第二层(FDL) 提供总线访问控制并保证数据的可靠性。PROFIBUS - PA 的数据传输采用扩展的PROFIBUS - DP 协议,另外还使用了PA 行规。这种传输技术可确保其本身的安全性并可通过总线为现场设备供电。 2 PROFIBUS总线访问方式：多主令牌环；主从通信，具体结构如图2 所示 图2 PROFIBUS总线访问方式图 2. 1 令牌的传递 在逻辑环中的每一个站内都存放着一张 LAS 表,在 LAS 表中列出PS、TS、NS。在正常情况下,每一个站都按 LAS 表进行令牌传递。对于具体某个站而言,令牌一定是从它的 PS 传来,传到它的 NS 去,图2 中各站的 LAS 表如表1 所示。 表1 PROFIBUS 的LAS 表 NS 2 PS 2 2 NS 2 TS 4 TS 4 PS 4 4 6 NS 6 TS 6 PS 6 PS 8 8 NS 8 TS 8 结束 结束 结束 结束 站2 LAS表 站4 LAS表 站6 LAS表 站8 LAS表 当一个站把令牌传递给自己的下一个站后,它还应当监听一个时间片(Slot time) ,看下一站是否收到令牌。当下一站收到令牌,无论是发送数据还是再向它的下一站传递令牌,都将在帧的 SA 段填入监听站的 NS。若监听不到则再次向自己的 NS 发令牌,若连试两次仍收不到 SA 等于自己 NS 的帧,则表明自己的下一站 NS 出了故障。于是此站应向再下一站传递令牌。若找到新的下一站,则令牌绕过故障站继续流动;若失败,则再向下找一站。如果一直没有找到下一站,则表明现有令牌持有站是逻辑环上唯一的站,必须重新建立逻辑环。 3 PROFIBUS与 其他现场总线比较 目前除了过程现场总线 PROFIBUS 以外,较为流行的现场总线主要还有以下 4 种:基金会现场总线FF, 局部操作网络 LONWORKS , 控制局域网 CAN , HART 总线。 FF 总线功能强大,支持本安装系统,实时性好, 总线供电,但如果主设备失效将使整个网络瘫痪,总线虽然性能突出,成本却较高,协议也复杂,主要应用于流程控制领域。LONWORKS 总线开发平台完善,在楼宇自动化、电力行业、测控系统和智能通信产品方面具有较大优势,由于行业应用的特点和历史原因,在离散制造加工领域没有优势 。CAN 总线简单可靠,抗干扰性强,成本低,非常适合用作传感器/执行器总线,但它的速度慢,传输距离也有限,不能满足有严格实时性要求的场合,其主要应用于汽车检测和控制。HART 总线建立在目前广泛采用的模拟系统之上,技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要,其技术本身还在不断完善与更新,如需提高传输速率。与以上总线技术相比,PROFIBUS 在以下几方面显现了它的应用优势。 (1)由于 PROFIBUS 现场总线技术投运时间较长,因而它的应用范围已渗透扩散到电力拖动的电力电子技术(如变频调速器)等领域中。 (2 ) PROFIBUS 可远距离高速度传输数据。PROFIBUS - DP /FMS通信介质为屏蔽双绞电缆或光纤,传输速率为9.6 k～12M bit/s,传输距离为100～1200 m,通过中继器后传输距离还可加长 。 (3) PROFIBUS 根据不同的应用对象可灵活选取不同规格的总线系统。如简单的设备一级的高速数据传送,可选用 PROFIBUS – DP 单主站系统;稍微复杂一些的设备级高速数据传送可选用 PROFBUS - DP多主站系统;比较复杂一些的系统可以将 PROFIBUS–DP 与PROFIBUS- FMS 混合选用,两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作,无需附加任何转换装置 。 (4) PROFIBUS 具有本征安全的优势。目前各种现场总线技术中考虑本征安全的只有 PROFIBUS 与 FF。而 FF 的部分协议及成套硬件支撑尚未完善,可以说目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决方案是 PROFIBUS - PA 。它只需一条双绞线就既可传送信息又向现场设备供电,由于总线的操作电源来自单一供电装置,它就不再需要绝缘装置和隔离装置,设备在操作过程中进行的维修、接通或断开,即使在潜在的爆炸区也不会影响到其它站点。使用分段式耦合器 PROFIBUS - PA 可以很方便地集成到 PROFIBUS - DP 网络上,使用连接器可在DP上扩展PA网络。PROFIBUS - DP总线上可挂接的设备有 PROFIBUS- PA 总线变送器和执行器等。经过扩展的PROFIBUS - DP诊断能对故障进行快速定位,诊断信息在总线上传达输出并由主站采集,诊断信息分为3级:本站诊断操作、模块诊断操作和通道诊断操作。 (5) PROFIBUS 具有硬件支持。由于 PROFIBUS 协议芯片具有广泛的系列,故 PROFIBUS 协议的具体实现既简单又便宜。原则上, PROFIBUS协议在任何微处理器上都可实现,同时在微处理器内部或外部装上异步串行口即可,但当传输速度超过500 kbit/s或需要联接使用 IEC1158 - 2 传输技术时,要用西门子公司 ASIC 协议芯片 。 4 PROFIBUS 应用发展趋势分析 4. 1 网络兼容与标准统一 目前的普遍观点是将来肯定会出现许多种现场总线并存的情况,这是由各种总线技术的特点、适用场合及大公司、集团的既得利益所决定的。各种现场总线技术相互融合、合理搭配真正形成开放的互联系统将是现场总线下一步的发展趋势。在单元级和现场级使用的PROF IBUS和在管理级使用的工业以太网 TCP / IP构成一个自上而下的统一和透明的通信网络系统。 PROFIBUS 与工业以太网技术的结合与安全技术的结合,将是未来自动化技术发展的主要趋势。由此可见,网络协议的兼容使得 PROFIBUS 在更多方面如生产自动化、过程自动化、驱动技术和楼宇自动化等领域得到了成功的应用, 证明其强大、灵活的功能,并在众多的现场总线技术中占据首要地位。 4. 2 PROFIBUS 产品开发 在近几年内,国产现场总线技术产品应用主要是在现场设备及仪表领域。主要产品可能是与电力驱动有关的产品,如传感器类、专用控制设备及分布式控制系统 。PROFIBUS 产品开发已有适用的。但国内经过认证的 PROFIBUS 产品还很少。现场总线技术和现场总线控制系统的概念早己被市场所认知。国外产品力求在竞争中获胜并占据中国市场,虽然称为开放的现场总线,但是其核心技术却只对成员开放,我们在某些深层次的技术和应用仍依赖于国外公司,在此基础上的进一步发展越来越困难。因此,开发自主知识产权的 PROFIBUS 接口卡件和上位机软件,构建自己的基于PROFIBUS的现场总线控制系统势在必行。 5 结术语 在相当长的时间内还难以统一现场总线的国际标准,因此仍然会保持几种现场总线标准并存的局面。这不仅会给用户的选择带来不便,而且也会使现场总线间的竞争日益加剧。目前,由于 PROFIBUS 的自身性能等各方面的优势以及 PLC 各大生产商的支持,再加上其他总线的标准迟迟得不到完善, PROFIBUS 将会有更大的发展空间,有望成为在国际上推广速度最快、用户最多、应用范围最广及最有发展前景的现场总线。

Profibus是Process Field Bus(过程现场总线)的简称,是上世纪80年代后期由西门子、ABB等著名公司和研究机构按照ISO/OSI参考模型开发并制定的一种现场总线标准,是国际标准IEC 61158的组成部分。

2001年成为中国机械行业推荐标准,2006年成为中国第一个工业通讯领域现场总线技术国家标准。

1 PROFIBUS现场总线基础1.1Profibus总线的分类Profibus现场总线可分为Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三个互相兼容版本的通信协议。

(1)Profibus-DP:主要用于自控系统中单元级和现场级通信。

取代4mA～20m A或24VD C并行信号线,实现自控系统和分散外围I/O设备及智能现场仪表之间的数据通信,一般构成单主站系统,适合于加工自动化领域的应用。

(2)Profibus-FMS用于车间级监控网络,解决车间级通用性通信任务,多用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、PLC等自动化控制,一般构成实时多主站网络系统,是一种令牌结构、实时的多主网络。

(3)Profibus-PA (Process Automation,过程自动化)是应用于工业现场控制的过程自动化,用于安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。

1.2Profibus的通信协议1.2.1Profibus的协议结构Profibus是以OSI参考模型为基础的。

第1层为物理层,定义物理传输特性;第2层为数据链路层,解决两个相邻节点之间的通信问题;第3～6层Profibus未使用;第7层为应用层,定义应用功能,另外加了用户层,把很多基本功能和扩展功能放在用户层处理。

1.2.2总线存取协议Profibus协议有一些基本要求,如同一级的PL C或者网络主站之间的通信必须使每一个主站在一定的时间内获得足够的机会来处理它自己的通信任务;主站和从站之间应尽可能快速地完成数据的实时传输。

基于PROFIBU-DP的安川变频器与西门子PLC的数据通讯本文介绍的是关于安川变频器通过PROFIBUS-DP现场总线与西门子PLC实现数据通讯的一个应用实例。

描述了安川Varispeed G7（以下简称VS G7）系列变频器接入西门子PROFIBUS-DP网络的条件和应用环境，详细介绍了一个基本数据通讯系统的硬件和软件配置，并举例说明了相关应用程序的编制方法。

1. 安川变频器接入SIEMEMNS PROFIBUS-DP 网络的应用环境众所周知，西门子S7系列PLC是目前国内应用较为广泛的一种PLC，而安川VS G7系列变频器则是性能价格比较高的一种变频器，它们两者在传动控制系统中的合理组合，无疑是一种较好的选择。

在大型圆坯连铸机控制系统中，将用于结晶器振动和拉矫机传动装置调速的安川VS G7 变频器接入以SIEMEMNS S7-400 PLC（CPU 414-2DP）为主站的PROFIBUS-DP 网络中，通过PROFIBUS-DP，主站可监视变频器的运行状态，也可设置和改变其内部参数。

从运行的情况来看，使用效果良好。

投入运行两年来，尚未出现网络数据通讯因受干扰而紊乱或中断的现象，也未发生传动方向和速度指令错误以及指令延迟等故障，除了正确的设置和编程以外，这与装设了独立而可靠的专用接地系统也不无相关。

安川变频器和其它厂家生产的变频器一样，不能直接接入SIEMENS的PROFIBUS-DP 网络，而必须通过专用的接口卡并需要相应的配置软件。

安川VS G7 变频器配置的用于PROFIBUS-DP 网络通讯的SI-P1 接口卡已是安川公司推出的第二代产品，数年前推出的是SI-P 卡。

据说，有数家集成商已先后将配置了上述通讯卡的变频器接入了GE Fanuc 和SIEMENS的PROFIBUS-DP网络中，但使用效果不太理想。

SI-P1 卡可用于安川变频器的G5、F7 和G7三个系列。

当用于VS G7 系列时，将其插入变频器的2CN 插槽中，并用DP 总线电缆和总线连接器与PROFIBU-DP 的主站（这里为S7-400 PLC的CPU414-2DP）的DP口相连接，我们在一条专供电气传动用的PROFIBUS-DP总线上接入了8 台变频器（参见图1.使用SI-P1 卡需在PLC 的编程软件（如SIEMENS的STEP 7）中配置一通用源数据描述文件GSD（Version 3.1，此文件可在安川公司（YASGAWA）的网站中下载，文件名为YASKOOCA.gsd），而老一代的SI-P卡则安装GSD（Version 1.0）。

Profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。

目前已广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域。

Profibus由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布I/O系统）、PROFIBUS-PA（Process Automation，现场总线信息规范）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，过程自动化）。

PROFIBUS-DP是一种高速、低成本通信，专门用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。

使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或4~20mA信号传输。

PORFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。

PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。

1．PROFIBUS的协议结构PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以OSI作为参考模型的。

PROFIBUS-DP定义了第1、2层和用户接口。

第3到7层未加描述。

用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。

PROFIBUS-FMS定义了第1、2、7层，应用层包括现场总线信息规范（FMS）和低层接口（LLI）。

FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务；LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第2层访问接口。

PROFIBUS-PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。

另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。

根据IEC1157-2标准，PA的传输技术可确保其本质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。

使用连接器可在DP上扩展PA网络。

2．PROFIBUS的传输技术PROFIBUS提供了三种数据传输型式：RS-485传输、IEC1157-2传输和光纤传输。