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现场总线 陆晓春 实验楼A310 Luxc@hhuc.edu.cn 第六章 设备现场总线 6.1 概述 6.2 产生及特点 6.3 体系结构 6.1 设备现场总线概述 在工业控制系统的长期发展过程中，控制领域的工程技术人员研制了众多的单体自动化设备，不仅具有较强的控制功能，而且使用方便，性能可靠。 最典型的例子就是可编程控制器（PLC），PLC 是以微处理器为核心的数字式电子装置，在模拟量检测、控制输出等方面的作用越来越大，具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围 建立在PLC 基础上的现场总线，如Profibus、ControlNet、WorldFIP、Interbus 和CC-Link 等，通常称它们为设备现场总线 从本质上讲，这类总线的传输信号单位是字节数，通信活动发生在远程I/O 设备之间，不具备总线供电和本安性能 本章主要介绍Profibus（PROcess FIeld BUS）现场总线 6.2 Profibus总线的产生及特点 Profibus 是用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线标准，主要由三个兼容的协议类型组成，分别是Profibus-FMS、Profibus-DP 和Profibus-PA， DP（Decentralized Periphery）是分散化外围设备 FMS（Field Message Specification）为现场总线报文规范 PA（Process Automation）代表过程自动化。 6.2.1 发展历程 1989 年德国正式将Profibus-FMS 和Profibus-DP 现场总线确立为德国标准DIN19245 1996 年经过欧洲电工标准化委员将Profibus-FMS 和Profibus-DP 确立为现场总线欧洲标准EN50170 Vol.2 1998 年具有本安功能的Profibus-PA现场总线被加入到现场总线欧洲标准EN50170 Vol.2 2000 年，Profibus 成为现场总线国际标准IEC61158 Type 3 6.2.2 Profibus的特点 Profibus-FMS Profibus-FMS 协议旨在解决车间级通用性通信任务，为用户提供强有力的通信服务功能选择，实现中等传输速度的周期性和非周期性数据传输。 每次数据传输量可达上千个字节，响应时间为毫秒级 用于电气、楼宇、纺织等领域的一般自动化系统 Profibus-DP Profibus-DP 协议是专为现场级控制系统与分散I/O 的高速通信而设计的 数据传输速率范围在9.6kbps~12Mbps 之间，每次可传输的数据量多达244 个字节 采用周期性通信方式，响应时间为毫秒级 可用于大多数工业领域 Profibus-PA Profibus-PA 协议是需要本质安全或总线供电的设备之间进行数据通信的解决方案 数据传输速率是固定的，其大小为31.25kbps，每次可传输数据的最大长度为235 个字节 采用周期性和非周期性通信方式，响应时间为毫秒级 用于化工、石油、冶金、发电等领域的过程工业自动化系统。 6.3 Profibus总线体系结构 6.3.1 物理层及物理连接 Profibus 标准的基本方案是定义RS-485 接口为标准传输接口，用于Profibus-DP/FMS协议。 为满足本质安全和总线供电方面的需要，Profibus 将IEC 制定的现场物理层标准IEC61158.2 用于Profibus-PA 的数据传输。 为增加高速传输的距离，提高抗干扰能力，还可采用光纤传输方法 Prifibus-DP、FMS 的RS-485 传输 Profibus 标准的基本方案中，网络拓扑结构为总线型，每段最多连接32 个站 可以通过另外增加总线段来增加连接的站数，总线段之间由中继器相连接，中继器只起着放大传输信号电平的作用，每增加一个中继器，可将总线传输距离增加1200m 中继器不提供信号再生，在远距离传输时，会存在位信号的失真和延迟，因此，限定串联的中继器数不超过3 个，总线上的最多站点数可扩展到126个 采用屏蔽双绞线作为物理层传输媒体 每个总线段的两端需要配置低阻值的终端电阻 所有信号接口的参考电位与DGND 之间电位之差，其绝对值必须小于7V Profibus-DP、FMS 采用半双工、异步传输，数据的发送用NRZ 编码，每个字符帧为11 位，包括1 个起始位、8 个数据位、1 个奇偶检验位和1 个终止位 起始位ST＝0，终止位SP＝1，数据位或奇偶检验位可为0 或1 二进制1 对应于RxD/TxD-P线（也称为B 线）上的正电位，而在RxD/TxD-N线（也称为A 线）上则相反 各报文间的空闲（idle）状态对应于二进制1 信号 6.3.2 现场总线数据链路层