4 Profibus1
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第五章 PROFIBUS总线
第一节 PROFIBUS基础 第二节 PROFIBUS - DP 第三节 PROFIBUS - PA 第四节 PROFIBUS - FMS 第五节 PROFIBUS的实现
1
第一节 PROFIBUS基础
一、PROFIBUS概况 二、PROFIBUS类型和协议结构 三、PROFIBUS传输方式 四、PROFIBUS总线网络中的总线访问机制
13
PROFIBUS-FMS 行规举例
控制器间通信的行规 定义了用于可编程控制器之间通信的FMS服务。根据控制器 的类型，对它们所支持的服务、参数和数据类型作了具体规定。 楼宇自动化行规 专为楼宇自动化制定的分支行规，作为楼宇自动化中的公共 基础。该行规包括一般定义，如楼宇自动化设备如何使用 PROFIBUS-FMS 协议进行通信。 低压开关装置行规 定义低压开关装置如何使用 PROFIBUS-FMS 协议进行通信。
25
Manchester（曼彻斯特）编码： 信号从0变到1时发送二进制“0” 信号从1变到0时发送二进制“1” 数据的发送采用调节电流±9mA到总线的基本电流IB的方法来实现。 总线段的两端用一个无源的RC线终端器来终止。
用电流调节法实现数据传输；
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四、PROFIBUS总线网络中的总线访问机制
5
现场总线数据链路层（FDL）
功能：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 PROFIBUS的报文格式 1>、令牌信息(报文)
SD4 DA SA
SD4 = 开始分界符4 （Start Delimiter 4） DA = 目的地址（Destination Address） SA = 源地址 （Source Address）
* 注: 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中
23
2、光纤传输技术
1>、在电磁干扰很大且要求传输距离较远的环境下宜采用光 纤传输技术，以增加高速传输的距离。 2>、 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体， 供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距 离大于1公里情况下使用。 3>、 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光 纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。
2
一、PROFIBUS概况
1、PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生 产商的现场总线标准。 2、PROFIBUS主要应用领域 制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线等）、造 纸、纺织。 过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品。 电力：发电、输配电。 楼宇：空调、风机、照明。 铁路交通：信号系统
4
FMS
Layer 用户层 FMS 设 备行规
DP
DP- 行规
PA
PA- 行规 DP- 扩充功能 DP 基本功能
应用层
现场总线信息规范
(7)
(3)-(6) 数据链路层 (2) 物理层 (1)
低层接口(LLI)
未用 现场总线数据链路层FDL RS-485 / 光纤 EN 50 170 IEC 接口 IEC 1158-2 PROFIBUS 导则 + 行规
3
二、PROFIBUS类型和协议结构
1、类型：三个分支 PROFIBUS－DP，PROFIBUS－PA和PROFIBUS－FMS 2、协议结构
PROFIBUS-DP：第1层、第2层和用户接口层。其他层未使 用，可以确保高速数据传输。用户接口中规定了设备的应用 功能和各种类型的系统和设备的行为特性。 PROFIBUS-PA：第1层、第2层和用户接口层。使用扩展的 PROFIBUS－DP协议进行数据传输。 PROFIBUS-FMS：第1层、第2层和第7层，其他层未使用。
两个数据线上的信号电平相反，以差分方式传输。
采取差分电路的优点：
抑制噪声； 不受节点间接地电平差异的影响； 传输距离远 。
17
RS-485信号定义： 差分电压信号为-200~+200mV（阈值范围）时，为高 阻状态； 在传输期间，“1”对应于RXD/TXD-P(B)线上的正电位， 在RXD/TXD-N(A)线上的负电位。 信号电平 B A
12
PROFIBUS的专用应用行规举例
名称 行规内容 版本现状 3.042 3.052 PA devices 为在过程自动化中的PROFIBUS上工作的 V3.0 过程工程设备规定设备特性。 Robots/NC 描述怎样通过PROFIBUS来控制加工和装 V1.0 配的自动机械设备。 Panel devices Fluid power 描述简单人机界面(HMI) 设备与高层自动 化部件的接口。
主动站、主设备
PLC PC PLC
PROFIBUS
被动站、从设备
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1、总线访问协议的特征
混合总线访问协议 主站间的逻辑令牌环和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，对总线没有控制权
28
2、总线访问协议的特点
功能特性和行为的规范。
10
行规定义的内容：
除通信行为外，还定义设备行为；
——设备可互换性
定义被使用的通信功能子集；——减少实现成本 定义设备参数的缺省值。——减少组态成本
11
行规分类：
通用应用行规，具有用于不同应用的实现选项（例如， PROFIsafe行规，冗余行规，时间标签（time stamp） 行规）； 专用应用行规，为特定的应用而开发，如PROFIdrive, SEMI 或 PA Devices行规； 系统和主站行规，描述可供现场设备使用的特定的系统 性能。 PROFIBUS 提供大范围的应用行规，允许面向应用的实 现。
V1.0D 3.082 3.112
描述在PROFIBUS上工作的液压驱动器的 V1.5 控制。 3.162
Dosage/we 描述在PROFIBUS DP 上的称重和计量系 ighing 统的实现。 Ident systems Liquid pumps
描述用于标识用途的设备(如条形码，发送 3.142 -应答器)之间的通信。 定义在PROFIBUS DP上的液压泵的实现。 3.172
14
三、PROFIBUS传输方式 3种传输方式：
RS-485：针对工厂制造环境普遍要求； 光纤：可以提高抗干扰能力和传输距离；
IEC1158-2 ：针对过程自动化的要求，具有本质防爆特
性； 。
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1、RS-485传输方式
传输格式：
１字节二进数按 11 位的顺序传输，补充开始、终止和奇偶校验位
19
基本特征：
·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。 ·站点数： 不带中继，每分段最多32个站； 带中继，可多到5电缆连接方式
第一个站 VP B A DGND A B 站2 A B 站3 总线终 端 390 220 390 总线终端 数据线 B 数据线 A 390 B 220 390 A DGND 最后一个站 VP
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电缆连接头： 9针D型插头，管脚定义：
编号 1 2 管脚名 Shield M24 功能 屏蔽/保护地 24V输出电压的地 （辅助电源）
3
4 5 6 7 8 9
RxD/TxD-P*
CNTR-P DGND * VP * P24 RxD/TxD-N* CNTR-N
接收数据/传输数据-正 ，B线
方向控制信号P 数据基准电位（地） 供电电压-正 输出电压＋24V（辅助电源） 接收数据／传输数据-负，A线 方向控制信号N
TTR = 目标令牌循环时间 TRR = 实际令牌循环时间
30
第二节 Profibus-DP 一、设备类型 二、通讯协议版本 三、PROFIBUS-DP特点 四、典型的PROFIBUS-DP 系统 五、Profibus-DP用户数据交换的原理
31
一、设备类型
DP-1类主设备 (DPM1)
• • • • 中央控制器, 它与分散的 I/O 设备交换数据 确定波特率 处理令牌 允许若干个DPM1，典型的设备是 PLC, PC
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3、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其
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其通信任务的时 间(TTH)： TTH = 持有令牌时间
TTH = TTR - TRR
9
应用层和用户层
应用层组成： FMS接口（现场总线报文接口）+LLI接口（低层接口） 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， 这些适应性定义为行规，行规在用户层中体现。 行规提供了设备的可互换性，保证不同的厂商生产的设备具有 相同的通信功能。 行规定义：由制造商和用户制定的有关设备和系统的特征、
21
使用总线拓扑方式，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。
站1 终端
.....
站n 终端
当分段站超过32个时，须使用中继器用以连接各线段。串 联的中继器一般不超过3个。图示：
22
终端 站1
终端 中继器
终端
2
终端
3
30
31
中继器
62
61
33
32
24
3、 IEC1158-2传输技术
·数据传输：数字式、位同步、 Manchester（曼彻斯特）编码。 ·传输速率：31.25K bit/s。 ·数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。 ·电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。 ·远程电源供电： ·防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 ·站数：每段最多32个，总数最多为126个，(依赖于供电消耗)。 ·中继器：最多可扩展至4台。 每段距离达 1900 米，用中继器可延长到 10 公里——取决于供电 装置、导线类型和所连接的站的电流消耗
第一节 PROFIBUS基础 第二节 PROFIBUS - DP 第三节 PROFIBUS - PA 第四节 PROFIBUS - FMS 第五节 PROFIBUS的实现
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第一节 PROFIBUS基础
一、PROFIBUS概况 二、PROFIBUS类型和协议结构 三、PROFIBUS传输方式 四、PROFIBUS总线网络中的总线访问机制
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PROFIBUS-FMS 行规举例
控制器间通信的行规 定义了用于可编程控制器之间通信的FMS服务。根据控制器 的类型，对它们所支持的服务、参数和数据类型作了具体规定。 楼宇自动化行规 专为楼宇自动化制定的分支行规，作为楼宇自动化中的公共 基础。该行规包括一般定义，如楼宇自动化设备如何使用 PROFIBUS-FMS 协议进行通信。 低压开关装置行规 定义低压开关装置如何使用 PROFIBUS-FMS 协议进行通信。
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Manchester（曼彻斯特）编码： 信号从0变到1时发送二进制“0” 信号从1变到0时发送二进制“1” 数据的发送采用调节电流±9mA到总线的基本电流IB的方法来实现。 总线段的两端用一个无源的RC线终端器来终止。
用电流调节法实现数据传输；
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四、PROFIBUS总线网络中的总线访问机制
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现场总线数据链路层（FDL）
功能：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 PROFIBUS的报文格式 1>、令牌信息(报文)
SD4 DA SA
SD4 = 开始分界符4 （Start Delimiter 4） DA = 目的地址（Destination Address） SA = 源地址 （Source Address）
* 注: 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中
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2、光纤传输技术
1>、在电磁干扰很大且要求传输距离较远的环境下宜采用光 纤传输技术，以增加高速传输的距离。 2>、 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体， 供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距 离大于1公里情况下使用。 3>、 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光 纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。
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一、PROFIBUS概况
1、PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生 产商的现场总线标准。 2、PROFIBUS主要应用领域 制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线等）、造 纸、纺织。 过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品。 电力：发电、输配电。 楼宇：空调、风机、照明。 铁路交通：信号系统
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FMS
Layer 用户层 FMS 设 备行规
DP
DP- 行规
PA
PA- 行规 DP- 扩充功能 DP 基本功能
应用层
现场总线信息规范
(7)
(3)-(6) 数据链路层 (2) 物理层 (1)
低层接口(LLI)
未用 现场总线数据链路层FDL RS-485 / 光纤 EN 50 170 IEC 接口 IEC 1158-2 PROFIBUS 导则 + 行规
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二、PROFIBUS类型和协议结构
1、类型：三个分支 PROFIBUS－DP，PROFIBUS－PA和PROFIBUS－FMS 2、协议结构
PROFIBUS-DP：第1层、第2层和用户接口层。其他层未使 用，可以确保高速数据传输。用户接口中规定了设备的应用 功能和各种类型的系统和设备的行为特性。 PROFIBUS-PA：第1层、第2层和用户接口层。使用扩展的 PROFIBUS－DP协议进行数据传输。 PROFIBUS-FMS：第1层、第2层和第7层，其他层未使用。
两个数据线上的信号电平相反，以差分方式传输。
采取差分电路的优点：
抑制噪声； 不受节点间接地电平差异的影响； 传输距离远 。
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RS-485信号定义： 差分电压信号为-200~+200mV（阈值范围）时，为高 阻状态； 在传输期间，“1”对应于RXD/TXD-P(B)线上的正电位， 在RXD/TXD-N(A)线上的负电位。 信号电平 B A
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PROFIBUS的专用应用行规举例
名称 行规内容 版本现状 3.042 3.052 PA devices 为在过程自动化中的PROFIBUS上工作的 V3.0 过程工程设备规定设备特性。 Robots/NC 描述怎样通过PROFIBUS来控制加工和装 V1.0 配的自动机械设备。 Panel devices Fluid power 描述简单人机界面(HMI) 设备与高层自动 化部件的接口。
主动站、主设备
PLC PC PLC
PROFIBUS
被动站、从设备
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1、总线访问协议的特征
混合总线访问协议 主站间的逻辑令牌环和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，对总线没有控制权
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2、总线访问协议的特点
功能特性和行为的规范。
10
行规定义的内容：
除通信行为外，还定义设备行为；
——设备可互换性
定义被使用的通信功能子集；——减少实现成本 定义设备参数的缺省值。——减少组态成本
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行规分类：
通用应用行规，具有用于不同应用的实现选项（例如， PROFIsafe行规，冗余行规，时间标签（time stamp） 行规）； 专用应用行规，为特定的应用而开发，如PROFIdrive, SEMI 或 PA Devices行规； 系统和主站行规，描述可供现场设备使用的特定的系统 性能。 PROFIBUS 提供大范围的应用行规，允许面向应用的实 现。
V1.0D 3.082 3.112
描述在PROFIBUS上工作的液压驱动器的 V1.5 控制。 3.162
Dosage/we 描述在PROFIBUS DP 上的称重和计量系 ighing 统的实现。 Ident systems Liquid pumps
描述用于标识用途的设备(如条形码，发送 3.142 -应答器)之间的通信。 定义在PROFIBUS DP上的液压泵的实现。 3.172
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三、PROFIBUS传输方式 3种传输方式：
RS-485：针对工厂制造环境普遍要求； 光纤：可以提高抗干扰能力和传输距离；
IEC1158-2 ：针对过程自动化的要求，具有本质防爆特
性； 。
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1、RS-485传输方式
传输格式：
１字节二进数按 11 位的顺序传输，补充开始、终止和奇偶校验位
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基本特征：
·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。 ·站点数： 不带中继，每分段最多32个站； 带中继，可多到5电缆连接方式
第一个站 VP B A DGND A B 站2 A B 站3 总线终 端 390 220 390 总线终端 数据线 B 数据线 A 390 B 220 390 A DGND 最后一个站 VP
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电缆连接头： 9针D型插头，管脚定义：
编号 1 2 管脚名 Shield M24 功能 屏蔽/保护地 24V输出电压的地 （辅助电源）
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RxD/TxD-P*
CNTR-P DGND * VP * P24 RxD/TxD-N* CNTR-N
接收数据/传输数据-正 ，B线
方向控制信号P 数据基准电位（地） 供电电压-正 输出电压＋24V（辅助电源） 接收数据／传输数据-负，A线 方向控制信号N
TTR = 目标令牌循环时间 TRR = 实际令牌循环时间
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第二节 Profibus-DP 一、设备类型 二、通讯协议版本 三、PROFIBUS-DP特点 四、典型的PROFIBUS-DP 系统 五、Profibus-DP用户数据交换的原理
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一、设备类型
DP-1类主设备 (DPM1)
• • • • 中央控制器, 它与分散的 I/O 设备交换数据 确定波特率 处理令牌 允许若干个DPM1，典型的设备是 PLC, PC
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3、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其
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其通信任务的时 间(TTH)： TTH = 持有令牌时间
TTH = TTR - TRR
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应用层和用户层
应用层组成： FMS接口（现场总线报文接口）+LLI接口（低层接口） 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， 这些适应性定义为行规，行规在用户层中体现。 行规提供了设备的可互换性，保证不同的厂商生产的设备具有 相同的通信功能。 行规定义：由制造商和用户制定的有关设备和系统的特征、
21
使用总线拓扑方式，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。
站1 终端
.....
站n 终端
当分段站超过32个时，须使用中继器用以连接各线段。串 联的中继器一般不超过3个。图示：
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终端 站1
终端 中继器
终端
2
终端
3
30
31
中继器
62
61
33
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3、 IEC1158-2传输技术
·数据传输：数字式、位同步、 Manchester（曼彻斯特）编码。 ·传输速率：31.25K bit/s。 ·数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。 ·电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。 ·远程电源供电： ·防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 ·站数：每段最多32个，总数最多为126个，(依赖于供电消耗)。 ·中继器：最多可扩展至4台。 每段距离达 1900 米，用中继器可延长到 10 公里——取决于供电 装置、导线类型和所连接的站的电流消耗
