第二章：現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS技術(shù)要點(diǎn)
   本章從PROFIBUS協(xié)議標準角度，概要說(shuō)明了PROFIBUS技術(shù)要點(diǎn)。使讀者可快速了解PROFIBUS技術(shù)概貌。

2.1 PROFIBUS概貌
    (1) PROFIBUS是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。
    (2) PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。
    (3) PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，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(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，可使傳感器和執行機構聯(lián)在一根總線(xiàn)上，并有本征安全規。
    (5) PROFIBUS-FMS：用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)令牌結構、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò )。
    (7) PROFIBUS是一種用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？蓪?shí)現現場(chǎng)設備層到車(chē)間級監控的分散式數字控制和現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，從而為實(shí)現工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)設備智能化提供了可行的解決方案。

2.2 PRFIBUS基本特性
2.2.1 PROFIBUS協(xié)議結構
    PROFIBUS協(xié)議結構是根據ISO7498國際準，以開(kāi)放式系統互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖2-1所示：

(1) PROFIBUS-DP：定義了第一、二層和用戶(hù)接口。第三到七層未加描述。用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說(shuō)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，應用層包括現場(chǎng)總線(xiàn)信息規范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低層接口（Lower Layer Interface-LLI）。FMS包括了應用協(xié)議并向用戶(hù)提供了可廣泛選用的強有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調不同的通信關(guān)系并提供不依賴(lài)設備的第二層訪(fǎng)問(wèn)接口。
    (3) PROFIBUS-PA：PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現場(chǎng)設備行為的PA行規。根據IEC1158-2標準，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過(guò)總線(xiàn)給現場(chǎng)設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網(wǎng)絡(luò )。
2.2.2 PROFIBUS傳輸技術(shù)
    PROFIBUS提供了三種數據傳輸類(lèi)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(shù)
     由于DP與FMS系統使用了同樣的傳輸技術(shù)和統一的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，因而，這兩套系統可在同一根電纜上同時(shí)操作。
     RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱(chēng)之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線(xiàn)。
RS-485傳輸技術(shù)基本特征：
     · 網(wǎng)絡(luò )拓撲：線(xiàn)性總線(xiàn)，兩端有有源的總線(xiàn)終端電阻。
     · 傳輸速率：9.6K bit/s~12M bit/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(diǎn)數：每分段32個(gè)站（不帶中繼），可多到127個(gè)站（帶中繼）。
     · 插頭連接：最好使用9針D型插頭。

2.2.2.2 RS-485傳輸設備安裝要點(diǎn)
    (1) 全部設備均與總線(xiàn)連接。
    (2) 每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）。
    (3) 每段的頭和尾各有一個(gè)總線(xiàn)終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差。兩個(gè)總線(xiàn)終端電阻必須永遠有電源。見(jiàn)圖2-2所示。
   (4) 當分段站超過(guò)32個(gè)時(shí)，必須使用中繼器用以連接各總線(xiàn)段。串聯(lián)的中繼器一般不超過(guò)3個(gè)。見(jiàn)圖2-3所示：

 

 

(5) 電纜最大長(cháng)度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長(cháng)度如下表2-1：

 (6) A型電纜參數：
    阻抗：135-165W 電容：〈 30pf/m 回路電阻：110W
    線(xiàn)規：0.64mm 導線(xiàn)面積：>0.34mmW
   (7) RS-485的傳輸技術(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )最好使用9針D型插頭，插頭針腳定義和接線(xiàn)見(jiàn)圖2-2所示。
   (8) 當連接各站時(shí)，應確保數據線(xiàn)不要擰絞，系統在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車(chē)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(xiàn)和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過(guò)盡可能的大面積屏蔽接線(xiàn)來(lái)復蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數據線(xiàn)必須與高壓線(xiàn)隔離。
   (10) 超過(guò)500Kbit/s的數據傳輸速率時(shí)應避免使用短截線(xiàn)段，應使用市場(chǎng)上現有的插頭可使數據輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線(xiàn)插頭可在任何時(shí)候接通或斷開(kāi)而并不中斷其它站的數據通信。

2.2.2.3 用于PA的IEC1158-2傳輸技術(shù)
   (1) 數據IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA，能滿(mǎn)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(guò)總線(xiàn)對現場(chǎng)設備供電。
   (2) IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱(chēng)為H1。
   (3) IEC1158-2技術(shù)用于PROFIBUS-PA，其傳輸以下列原理為依據：
       · 每段只有一個(gè)電源作為供電裝置。
       · 當站收發(fā)信息時(shí)，不向總線(xiàn)供電。
       · 每站現場(chǎng)設備所消耗的為常量穩態(tài)基本電流。
       · 現場(chǎng)設備其作用如同無(wú)源的電流吸收裝置。
       · 主總線(xiàn)兩端起無(wú)源終端線(xiàn)作用。
       · 允許使用線(xiàn)性、樹(shù)型和星型網(wǎng)絡(luò )。
       · 為提高可靠性，設計時(shí)可采用冗余的總線(xiàn)段。
       · 為了調制的目的，假設每個(gè)總線(xiàn)站至少需用10mA基本電流才能使設備啟動(dòng)。通信信號的發(fā)生是通過(guò)發(fā)送設備的調制，從±9 mA到基本電流之間。
   (4) IEC1158-2傳輸技術(shù)特性:
       · 數據傳輸：數字式、位同步、曼徹斯特編碼。
       · 傳輸速率：31.25K bit/s，電壓式。
       · 數據可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符避免誤差。
       · 電纜：雙絞線(xiàn)，屏蔽式或非屏蔽式。
       · 遠程電源供電：可選附件，通過(guò)數據線(xiàn)。
       · 防爆型：能進(jìn)行本征及非本征安全操作。
       · 拓撲：線(xiàn)型或樹(shù)型，或兩者相結合。
       · 站數：每段最多32個(gè)，總數最多為126個(gè)。
       · 中繼器：最多可擴展至4臺。

2.2.2.4 IEC1158傳輸設備安裝要點(diǎn)
    (1) 分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術(shù)總線(xiàn)段與RS-485傳輸技術(shù)總線(xiàn)段連接。藕合器使RS-485信號與IEC1158-2信號相適配。它們?yōu)楝F場(chǎng)設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線(xiàn)的電流和電壓。
    (2) PROFIBUS-PA的網(wǎng)絡(luò )拓撲有樹(shù)型和線(xiàn)型結構，或是兩種拓撲的混合，見(jiàn)圖2-3

(3) 現場(chǎng)配電箱仍繼續用來(lái)連接現場(chǎng)設備并放置總線(xiàn)終端電阻器。采用樹(shù)型結構時(shí)連在現場(chǎng)總線(xiàn)分段的全部現場(chǎng)設備都并聯(lián)地接在現場(chǎng)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(xiàn)屏蔽電纜

      · 導線(xiàn)面積（額定值）： 0.8mm2(AWG18)

      · 回路電阻（直流）： 44W/Km

      · 阻抗（31.25千赫時(shí)）： 100W±20%

      · 39千赫時(shí)衰減： 3dB/Km

      · 電容不平衡度： 2nF/Km

    (5) 主總線(xiàn)電纜的兩端各有一個(gè)無(wú)源終端器，內有串聯(lián)的RC元件，R=100W，C=1mF。當總線(xiàn)站極性反向連接時(shí)，它對總線(xiàn)的功能不會(huì )有任何影響。

    (6) 連接到一個(gè)段上的站數目最多是32個(gè)。如果使用本征安全型及總線(xiàn)供電，站的數量將進(jìn)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(xiàn)路最長(cháng)長(cháng)度的確定，根據經(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，再根據表2-3中線(xiàn)的長(cháng)度選定哪種電纜。

    (8) 外接電源：如果外接電源設備，根據EN50020標準帶有適當的隔離裝置，將總線(xiàn)供電設備與外接電源設備連在本征安全總線(xiàn)上是允許的。

2.2.2.5 光纖傳輸技術(shù)

    (1) PROFIBUS系統在電磁干擾很大的環(huán)境下應用時(shí)，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(jià)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(chǎng)商提供專(zhuān)用總線(xiàn)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。