現(xiàn)場總線（PROFIBUS）技術簡介（三）

2.1PROFIBUS概貌
(1)PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)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（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。
(3)PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。
(5)PROFIBUS-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡。
(7)PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。

2.2PRFIBUS基本特性
2.2.1PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡（OpenSystemInterconnection-SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖2-1所示：

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圖2-1：PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)

(1)PROFIBUS-DP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可調(diào)用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。
(2)PROFIBUS-FMS：定義了第一、二、七層，應用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低層接口（LowerLayerInterface-LLI）。FMS包括了應用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層訪問接口。
(3)PROFIBUS-PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場設備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網(wǎng)絡。
2.2.2PROFIBUS傳輸技術
PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型：
·用于DP和FMS的RS485傳輸。
·用于PA的IEC1158-2傳輸。
·光纖

2.2.2.1用于DP/FMS的RS485傳輸技術
由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)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。
RS-485傳輸技術基本特征：
·網(wǎng)絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。
·傳輸速率：9.6Kbit/s~12Mbit/s
·介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。
·站點數(shù)：每分段32個站（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。

2.2.2.2RS-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(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。見圖2-2所示。
(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(lián)的中繼器一般不超過3個。見圖2-3所示：

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圖2-2：PROFIBUD-DP和PROFIBUS-FMS的電纜接線和總線終端電阻

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圖2-2:每個分段上最多可接32個站（主站或從站）

(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2-1：
表2-1

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(6)A型電纜參數(shù)：
阻抗：135-165W電容：〈30pf/m回路電阻：110W
線規(guī)：0.64mm導線面積：>0.34mmW
(7)RS-485的傳輸技術的PROFIBUS網(wǎng)絡最好使用9針D型插頭，插頭針腳定義和接線見圖2-2所示。
(8)當連接各站時，應確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運行應使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。
(9)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(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。
(10)超過500Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，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(shù)據(jù)通信。

2.2.2.3用于PA的IEC1158-2傳輸技術
(1)數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設備供電。
(2)IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱為H1。
(3)IEC1158-2技術用于PROFIBUS-PA，其傳輸以下列原理為依據(jù)：
·每段只有一個電源作為供電裝置。
·當站收發(fā)信息時，不向總線供電。
·每站現(xiàn)場設備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。
·現(xiàn)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、樹型和星型網(wǎng)絡。
·為提高可靠性，設計時可采用冗余的總線段。
·為了調(diào)制的目的，假設每個總線站至少需用10mA基本電流才能使設備啟動。通信信號的發(fā)生是通過發(fā)送設備的調(diào)制，從±9mA到基本電流之間。
(4)IEC1158-2傳輸技術特性:
·數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼。
·傳輸速率：31.25Kbit/s，電壓式。
·數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符避免誤差。
·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(shù)據(jù)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(jié)合。
·站數(shù)：每段最多32個，總數(shù)最多為126個。
·中繼器：最多可擴展至4臺。

2.2.2.4IEC1158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?yōu)楝F(xiàn)場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。
(2)PROFIBUS-PA的網(wǎng)絡拓撲有樹型和線型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓撲的混合，見圖2-3

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(3)現(xiàn)場配電箱仍繼續(xù)用來連接現(xiàn)場設備并放置總線終端電阻器。采用樹型結(jié)構(gòu)時連在現(xiàn)場總線分段的全部現(xiàn)場設備都并聯(lián)地接在現(xiàn)場配電箱上。
(4)建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導體的其它電纜。
·電纜設計：雙絞線屏蔽電纜
·導線面積（額定值）：0.8mm2(AWG18)
·回路電阻（直流）：44W/Km
·阻抗（31.25千赫時）：100W±20%
·39千赫時衰減：3dB/Km
·電容不平衡度：2nF/Km
(5)主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內(nèi)有串聯(lián)的RC元件，R=100W，C=1mF。當總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。
(6)連接到一個段上的站數(shù)目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數(shù)量將進一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。
(7)線路最長長度的確定，根據(jù)經(jīng)驗先計算一下電流的需要，從表2-2中選用一種供電電源單元，再根據(jù)表2-3中線的長度選定哪種電纜。
表2-2標準供電裝置（操作值）

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(8)外接電源：如果外接電源設備，根據(jù)EN50020標準帶有適當?shù)母綦x裝置，將總線供電設備與外接電源設備連在本征安全總線上是允許的。
2.2.2.5光纖傳輸技術
(1)PROFIBUS系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應用時，可使用光纖導體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。
(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(zhuǎn)換成光纖導體信號或?qū)⒐饫w導體信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號。