現(xiàn)場總線技術(shù)及Profibus的概念以及相關(guān)的基礎(chǔ)知識
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2.2.2.3用于PA的IEC1158-2傳輸技術(shù)
(1)數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)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(shè)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(shù)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(dāng)站收發(fā)信息時，不向總線供電。
·每站現(xiàn)場設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。
·現(xiàn)場設(shè)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(luò)。
·為提高可靠性，設(shè)計時可采用冗余的總線段。
·為了調(diào)制的目的，假設(shè)每個總線站至少需用10mA基本電流才能使設(shè)備啟動。通信信號的發(fā)生是通過發(fā)送設(shè)備的調(diào)制，從±9mA到基本電流之間。
(4)IEC1158-2傳輸技術(shù)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(shè)備安裝要點
(1)分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與RS-485傳輸技術(shù)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(shè)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(luò)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本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/331456.htm
圖2-3
(3)現(xiàn)場配電箱仍繼續(xù)用來連接現(xiàn)場設(shè)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(shè)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(dǎo)體的其它電纜。
·電纜設(shè)計：雙絞線屏蔽電纜
·導(dǎo)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)供電裝置（操作值）
表2-3IEC1158-2傳輸設(shè)備的線路長度
(8)外接電源：如果外接電源設(shè)備，根據(jù)EN50020標(biāo)準(zhǔn)帶有適當(dāng)?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連在本征安全總線上是允許的。
2.2.2.5光纖傳輸技術(shù)
(1)Profibus系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時，可使用光纖導(dǎo)體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。
(2)可使用兩種光纖導(dǎo)體，一是價格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導(dǎo)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(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號。
2.2.3Profibus總線存取協(xié)議
(1)三種Profibus（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報文處理。
(2)在Profibus中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FieldbusDataLink—FDL）。介質(zhì)存取控制（MediumAccessControl—MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦颍琈AC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。
(3)Profibus協(xié)議的設(shè)計要滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求：
·在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)（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(wù)。
·在復(fù)雜的程序控制器和簡單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。
因此，Profibus總線存取協(xié)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(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)（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(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置：
·純主—從系統(tǒng)
·純主—主系統(tǒng)
·混合系統(tǒng)
(6)圖2-4是一個由3個主站、7個從站構(gòu)成的Profibus系統(tǒng)。3個主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時間內(nèi)，它可依照主—從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主—主通訊關(guān)系表與所有主站通信。
圖2-4：3個主站、7個從站構(gòu)成的Profibus系統(tǒng)
(7)在總線系統(tǒng)初建時，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。
(8)第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。Profibus第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。
(9)Profibus第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點通信，其中包括廣播及有選擇廣播功能。
2.3Profibus-DP
Profibus-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。
2.3.1Profibus-DP的基本功能
(1)傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。
(2)總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主—從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點（主—從設(shè)備）數(shù)為126。
(3)通信：點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主—從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主—主數(shù)據(jù)傳送。
(4)運行模式：運行、清除、停止。
(5)同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。
(6)功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的動態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。
(7)可靠性和保護機制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。DP從站帶看門狗定時器（WatchdogTimer）。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。
(8)設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動器、閥門等。
2.3.1.1Profibus-DP基本特征
(1)速率：在一個有著32個站點的分布系統(tǒng)中，Profibus-DP對所有站點傳送512bit/s輸入和512bit/s輸出，在12Mbit/s時只需1毫秒。
(2)診斷功能：經(jīng)過擴展的Profibus-DP診斷能能對故障進行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級：
·本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。
·模塊診斷操作：一個站點的某具體I/O模塊故障。
·通道診斷操作：一個單獨輸入/輸出位的故障。
2.3.1.2Profibus-DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型
Profibus-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個站點。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：
(1)一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。
(2)二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。
(3)DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動器、HMI、閥門等）。
(4)單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運行階段，只有一個活動主站。如圖2-5所示：
圖2-5：單主站系統(tǒng)
(2)多主站系統(tǒng)：總線上連有多個主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨立的子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)包括一個DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設(shè)備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數(shù)據(jù)。如圖2-6所示：
圖2-6：多主站系統(tǒng)
2.3.1.3系統(tǒng)行為系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所控制。主要有以下三種狀態(tài)：
·停止：在這種狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。
·清除：在這種狀態(tài)下，DPM1讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài)。
·運行：在這種狀態(tài)下，DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段，循環(huán)數(shù)據(jù)通信時，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息。
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