1、ROFIBUS技術PROFIBUS現場總線現場總線技術技術ROFIBUS技術 現場總線是近幾年來迅速發展起來的一種工業數據總線，是一種串行的數字數據通信鏈路，是應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義，現場總線是“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動化控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線”。 ROFIBUS技術 現場總線是在生

2、產現場、測控設備之間形成開放型測控網絡的新技術，現場總線控制系統既是一個開放式通信網絡，又是一種全分布式控制系統。它作為智能設備的聯系紐帶，把掛接在總線上，作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及控管一體化的綜合自動化功能。ROFIBUS技術典型現場總線典型現場總線 自80年代以來，有幾種現場總線技術逐漸形成其影響，并在一些特定的應用領域顯示了自己的優勢。它們具有各自的特點，也顯示了較強的生命力，對現場總線技術的發展已經發揮并將繼續發揮較大的作用。 1 、PROFIBUS 2、 FF 3、 Lonworks 4、C

3、AN 5、HARTROFIBUS技術現場總線在自動化系統中的位置ROFIBUS技術PROFIBUS現場總線概述 (1) PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。 (2) PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、 PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。ROFIBUS技術 (3) PROFIBUS-DP：是一

4、種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。 (4) PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。 (5) PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。 PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。 ROFIBUS技術PROFIBUS傳輸技術 PROFIBUS提供了

5、三種數據傳輸類型： 用于DP和FMS的RS485傳輸。 用于PA的IEC1158-2傳輸。 光纖ROFIBUS技術 用于DP/FMS的RS485傳輸技術 由于DP與FMS系統使用了同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，因而，這兩套系統可在同一根電纜上同時操作。 RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。 ROFIBUS技術RS-485傳輸技術基本特征 網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。 傳輸速率：9.6K bit/s12M bit/s 介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件（EMC）。 站點數：每分段32個站（

6、不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。 插頭連接：最好使用9針D型插頭。 ROFIBUS技術RS-485傳輸設備安裝要點 (1) 全部設備均與總線連接。 (2) 每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。 (3) 每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。 (4) 當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯的中繼器一般不超過3個。如圖所示： ROFIBUS技術每個分段上最多可接32個站（主站或從站） ROFIBUS技術 (5) 電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下表 波特率（K bit/s）9.619

7、.293.75187.5500150012000距離/段（M）1200120012001000400200100ROFIBUS技術 (6) RS-485的傳輸技術的PROFIBUS網絡最好使用9針D型插頭。(7) 當連接各站時，應確保數據線不要擰絞，系統在高電磁發射環境（如汽車制造業）下運行應使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。(8) 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數據線必須與高壓線隔離。(9) 超過500Kbit/s的數據傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現有的插頭可使數據輸入和輸出電纜直

8、接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數據通信。ROFIBUS技術用于PA的IEC1158-2傳輸技術 (1) 數據IEC1158-2的傳輸技術用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現場設備供電。 (2) IEC1158-2是一種位同步協議，通常稱為H1。 (3) IEC1158-2技術用于PROFIBUS-PA： 每段只有一個電源作為供電裝置。 當站收發信息時，不向總線供電。 每站現場設備所消耗的為常量穩態基本電流。 現場設備其作用如同無源的電流吸收裝置。 主總線兩端起無源終端線作用。 允許使用線性、樹型和星型

9、網絡。 為提高可靠性，設計時可采用冗余的總線段。 ROFIBUS技術IEC1158-2傳輸技術特性 傳輸速率：31.25K bit/s，電壓式。 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。 遠程電源供電：可選附件，通過數據線。 防爆型：能進行本征及非本征安全操作。 拓撲：線型或樹型，或兩者相結合。 站數：每段最多32個，總數最多為126個。 中繼器：最多可擴展至4臺。ROFIBUS技術 IEC1158傳輸設備安裝要點 (1) 分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術總線段與RS-485傳輸技術總線段連接。藕合器使RS-485信號與IEC1158-2信號相適配。它們為現場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制I

10、EC1158-2總線的電流和電壓。 (2) PROFIBUS-PA的網絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合 ROFIBUS技術ROFIBUS技術光纖傳輸技術 (1) PROFIBUS系統在電磁干擾很大的環境下應用時，可使用光纖導體，以增加高速傳輸的距離。 (2) 可使用兩種光纖導體，一是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導體，供距離大于1公里情況下使用。 (3) 許多廠商提供專用總線插頭可將RS-485信號轉換成光纖導體信號或將光纖導體信號轉換成RS-485信號。 ROFIBUS技術PROFIBUS總線存取協議 (1) 三種PROFIBUS（DP、FMS

11、、PA）均使用一致的總線存取協議。該協議是通過OSI參考模型第二層（數據鏈路層）來實現的。它包括了保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。 (2) 在PROFIBUS中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層（Fieldbus Data Link-FDL）。介質存取控制（Medium Access Control-MAC）具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發送數據。 ROFIBUS技術 (3) PROFIBUS協議的設計要滿足介質存取控制的兩個基本要求： 在復雜的自動化系統（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。 在復雜

12、的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。 ROFIBUS技術PROFIBUS協議模型與ISO/OSI協議模型的關系ROFIBUS技術PROFIBUS協議結構ROFIBUS技術 PROFIBUS總線存取協議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。(4) 令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規定的時間內得到總線存取權（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。(5) 主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發送或讀取信息。 ROFIBUS技術S1S2S4S7S9S10M3M5M6M8令牌環令牌傳遞輪詢M:Ma

13、ster (active stations)S:Slave (passive stations)主站從站.ROFIBUS技術 在圖中，PROFIBUS總線上的主設備M3獲得令牌，即獲得了總線控制權，此時，主設備M3與M5進行數據傳遞，同時M3也可以與從設備S1、S2、S3等進行通信，M3對從設備進行循環查詢。當M3主站沒有需要發送的幀或在規定時間內發送完了所需發送的幀，或者M3的控制時間終了時，它就將主站令牌傳遞給下一個主站M5。以后，令牌在M5-M6-M8-M3之間進行傳遞。 ROFIBUS技術PROFIBUS-DP系統配置和設備類型 PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統。在同一

14、總線上最多可連接126個站點。系統配置的描述包括：站數、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數據格式、診斷信息格式及所使用的總線參數。每個PROFIBUS-DP系統可包括以下三種不同類型設備： (1) 一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC ROFIBUS技術 (2) 二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的。(3) DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（I/O設備、驅動器、HMI、閥門等）。 (4) 單

15、主站系統：在總線系統的運行階段，只有一個活動主站。 ROFIBUS技術電子設備數據文件（GSD） 為了將不同廠家生產的PROFIBUS產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件（電子設備數據庫文件）方式提供這些產品的功能參數（如I/O點數、診斷信息、波特率、時間監視等）。標準的GSD數據將通信擴大到操作員控制級。使用根據GSD文件所作的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。 ROFIBUS技術 GSD文件可分為三個部分： (1) 總規范：包括了生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監視時間間隔、總線插頭指定信號。 (2) 與DP有關的規范：包括適用于主站的各項參數，如允許從站

16、個數、上裝/下裝能力。 (3) 與DP從站有關的規范：包括了與從站有關的一切規范，如輸入/輸出通道數、類型、診斷數據等。 ROFIBUS技術網絡結構 412-2DP 編程站 工程師站 操作員站以太網Profibus-DP總線315-2DPET200變頻器軟啟動觸摸屏DP/ASI網關 各控制對象ASI總線LOGOLOGO4I/4O 控制對象光電開關接近開關ROFIBUS技術 最上一層為SIEMENS工業以太網，該網絡上有兩臺計算機，分別為工程師站和操作員站，工程師站安裝有監控軟件組態王運行狗，負責整個監控系統的運行；同時作為OPC服務器，負責與Profibus主站-西門子S7400系列可編程CP

17、U412-2DP交換數據，使組態王的變量與PLC中的各個控制點關聯起來 ROFIBUS技術 工程師站、操作員站、CPU412-2DP是通過SIEMENS工業以太網電氣鏈路模塊（相當于HUB）6GV1 105-3AA0互相連接通訊；其中工程師站和操作員站分別裝有SIEMENS專用工業以太網卡CP1612；而CPU412-2DP則是通過CP443-1工業以太通訊模塊連接。（該模塊的作用相當于PLC的以太網卡），同時CPU412-2DP是OPC客戶端。在以太網中是通過各站點的IP地址來標識身份的，本系統的IP地址分別為：工程師站：140.80.0.10操作員站：140.80.0.11 CP443-1

18、：140.80.0.3ROFIBUS技術 第二層為Profibus-DP現場總線網，各站點是通過DP地址來標識身份的，本系統的各站點地址分別為：主站CPU412-2DP其DP地址為2，掛在DP總線上的各從站點分別：CPU315-2DP其DP：3 遠程I/O ET200M其DP：4，變頻器其DP：5，DP/ASI網關其DP地址為：6，CP5613其DP：0（系統規定，一般不允許更改），觸摸屏其DP：1（系統規定，一般不允許更改）ROFIBUS技術 第三層為ASI現場總線網，通過DP/ASI網關（IM153）與DP網相連，該網關同時作為ASI主站，ASI總線的特點是結構簡單，兩線信號即是電源回路也

19、是信號回路（類似于兩線制傳感器的工作方式），可連接31個ASI從站，每站點最大傳輸點為4I/4O，比較適合于一些簡單的檢測器件和執行機構的組態，本系統中的ASI從站有以下幾個：帶ASI接口模塊的西門子LOGO兩塊，4I/4O模塊一塊，帶ASI接口的光電開關和接近開關各一只；一個LOGO用于控制挖土機，另一個用于控制天車；ASI各從站的地址通過專用的ASI手持編址器進行設定。 ROFIBUS技術西門子工業以太網西門子工業以太網 西門子工業以太網其本質上與傳統的以太網一樣，只是其硬件都是工業級專用，如網卡、網線、鏈路模塊（HUB）等；PLC連接以太網是通過以太網通訊模塊來實現（如上所述），采用標準

20、的TCP/IP通訊協議，10M帶寬，硬件結構見下圖： ROFIBUS技術PC Station 1CP1612PC Station 2CP1612S7400PLC以太網通訊模塊CP443-1鏈路模塊（HUB）6GV1 105-3AA0Profibus-DPROFIBUS技術名稱型號備注地址PLCCPU412-2DP自帶DP口2PLCCPU315-2DP自帶DP口3遠程I/OET200M自帶DP口4遠程I/OET200M自帶DP口7變頻器MM420外置DP通訊模塊5網關IM-153自帶DP口6DP InterfaceCP5613自帶DP口0OPMP270B自帶DP口1ROFIBUS技術西門子CPU

21、412-2DP和CPU315-2DP都帶有兩個通訊口，一個為MPI另一個為DP，在出廠時，新的PLC其MPI地址和DP地址都為2，因此在CPU首次使用時，若系統中DP總線上有兩個以上的CPU就必須先對每個CPU進行單獨DP地址設置，否則系統將報錯，地址重復。CP5613既可設置為DP也可設置為MPI，先將CP5613設置為MPI方式，然后用一根兩端裝有總線接頭的DP電纜（注：電纜和總線接頭MPI和DP是一樣的）一端插在CP5613上，另一端插在PLC的MPI口上，通過STEP7就可以和PLC連接上了，此時通訊占用MPI口，DP口被自由釋放，可以修改地址。 ROFIBUS技術 本系統就是通過此方

22、式將CPU412-2DP的DP地址設置為2，CPU315-2DP的DP地址設置為3，ET200M、變頻器的DP地址通過其自身撥碼開關設置，網關和觸摸屏可通過其設置按鍵設置。一般情況下，為保證系統的通訊可靠，修改DP的地址，DP的通訊速率等參數均采用系統的默認值（1.5Mbps），這樣一致性好，且不會出錯。ROFIBUS技術 當硬件連接好后，主要是通過STEP7軟件中的管理器來組態各硬件之間的關系。首先在管理器中建立各個站（這里主要是指建立各類型主站），本系統各類型主站分別為：S7300 Station、S7400 Station、PC Station (5613)、PC Station 1 (1612)、PC Station 2 (1612)，然后再分別對每個站進行硬件配置，此處必須與實物對應，包括具體的槽位、各