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PROFIBUS总线基础知识和网络结构

来源:上仪销售网 编辑:上仪销售网 发布时间:2014-12-23 文章点击数:2105

1.PROFIBUS总线基础知识

(1)传输介质

PROFIBUS提供了多种不同的传输介质和方法,PROFIBUS-DP主要使用RS485传输技术,而PROFIBUS-PA主要使用MBP传输技术

RS485是一种最常用的串行通信协议,它使用有一对导体的屏蔽双绞线作为传输介质, 主要用于需要高传输速率的任务。RS485传输技术非常容易使用,而且安装无需特别的专门知识。其总线结构允许随时增加、拆除站点或系统逐步投入运行而不影响其他的站点。RS485接口釆用二线差分平衡传输方式,其一根导线上的电压值是另一根导线上的电压值取反,接 收端的输入电压为这两根导线电压值的差值。差分电路的最大优点是可以抑制噪声,因为噪声一般会出现在两根导线上,RS485的一根导线上的噪声电压会被另一根导线上出现的噪声 电压抵消,因而可以极大地消弱噪声对信号的影响。

MBP (Manchester Bus Powered,曼彻斯特总线供电方式)使用固定传输速率31.25kbit/s 和同步传输技术,它使用双绞线屏蔽电缆,具有本质安全和总线供电能力,总站数量可达126 个,每段可达32个,主干电缆和所有的分支电缆长度最长可达1900m,在危险区域最长可达1000m,满足了化学工业和石化行业的特殊要求,所以此传输技术常用于过程控制自动化领域。

有些现场总线的应用环境限制了耦合电缆的使用,比如那些有高电磁干扰的环境或远距离传输的情况,然而使用光纤传输技术就可解决这些问题。PROFIBUS-DP的传输介质可以使用光纤。光纤有塑料光纤和玻璃光纤两种可供选择,塑料光纤的使用便宜,连接方便,但传输距离小于50m,玻璃光纤价格较贵,但传输距离可达几千米。

虽然PI (PROFIBUS International)没有制定无线传输方面的规范或指导性文件,但PROFIBUS支持无线传输,许多厂家也提供有这方面的产品,可以实现无线传输和有线传输之间的互操作。在 PROFIBUS 中集成无线 HART (Highway Addressable Remote Transducer, 可寻址的远程变送器,过程控制领域使用)和无线传感器/执行器网络(制造业自动化领域使 用)的规范正处于制定过程中。

(2)DP网络接线

用于PROFIBUS-DP网络的双绞线有“红”、“绿”两根信号线,其中“红”线为“+”信 号线(B线),而“绿”线为“一”信号线(A线)。“红”线和“绿”线绝不能反接,信号线 捽反是最常见的接线错误之一。

图7-8所示为PI定义的PROFIBUS-DP网络连接常用的连接器,即9针D形接口和M12接口。D形接口用于较干净的干燥环境,而M12接口用于环境较差、保护等级 要求较高的场合。


当信号在电缆上传输时,任何附加的电阻、电容,以及线路终端等都会引起信号反射,就像回声一样,反射会在线路上一起许多线路的叠加,产生严重的信号干扰,特别是在高速率传输时,这种情况更为严重。减少或消除反射的方法是在电路的终端上加一个适当的终端电阻网络,这个电阻网络可以吸收信号能量, 显著地减弱信号。反射终端电阻网络可以设置在设备中,也可以是专门的外加的活动终端电阻器,PROHBUS-DP终端电阻器的原理如图7-9所示。

在连接PROFIBUS-DP网络时,必须使用专门的D形连接器或M12连接器,这样做一方面是为了保证可靠快速地连接和可靠接地;另一方面是为了使网络连接成菊花形。更重要的是使用专用的连接器可以保证电缆屏蔽层之间的可靠连接,使得干扰电流通过连接的地线快速的分流掉。D形连接器的原理如图7-10所示。

(3)设备类型

DP网络中的设备类型有以下4类:①1类主站(Class 1 Master),它是DP网络的主角, 负责和从站交换数据,并控制整个网络的运行。它可以是具备DP通信接口的PLC、插入DP 板卡的IPC等。②2类主站(Class 2 Master),它负责对DP系统进行组态,对网络进行诊断等,它一般是装有通信卡和工程软件的上位机。③从站(Slaves),它是更接近于底层现场的设备,它们负责执行主站的输出命令,并向主站提供从现场传感器采集到的输入信号或其他输入信号。它们可以是远程I/O、小型PLC、驱动器、阀、智能检测仪表等设备。④网络连 接器件:中继器、耦合器、链接器、电缆等。

(4)系统配置

PROFIBUS-DP可以构成单主站和多主站系统,这为系统配置提供了高度的灵活性。一 个PROFIBUS网络中最多只能有126个设备(包括主站、从站和其他网络设备),如果距离过长或某一处的从站设备过多,就需要把DP网络分成若干个网段(Segment)。在同一个网段中,最多只能有32个设备。如果一个网络中的设备数量多于32个或由于受距离以及设备性质的限制,那就必须划分出多个网段。网络段之间的连接可以使用中继器或段耦合器,它 们的作用是增加网络的长度,提供段与段之间的信号隔离和缓冲。另外,段耦合器也可以用于DP段和PA段之间的信号转换。

典型的单主站系统如图7-11所示,在单主站系统里,只能有一个1类主站,2类主站可选。

多主站系统如图7-12所示,在多主站系统中,可以有两个以上的1类主站,2类主站可选。

(5)设备地址

PROFIBUS支持的设备地址范围是0?127,这其中有几个特殊地址是保留作为它用的, 除此之外,一般情况下是可以随便使用的,但在实际中还要遵守一定的规则。

配置PROFIBUS网络的设备地址有如下规则:地址127保留用于全局控制或广播信息; 地址126保留用于尚未分配地址需要使用2类主站来设置地址的从站;地址0 —般保留作为 2类主站地址;1类主站地址一般应该从地址1开始编号,然后连续编址,即使主站数量很少, 也要适当保留几个地址号作为备用;从站地址一般按段的不同,从一个整数号码开始编址, 如段1的从站地址为10、11、12……,段2的从站地址为20、21、22……,这样做主要是为 了使用方便。

2. PROFIBUS总线的网络结构

由PROFIBUS总线构成的控制网络如图7-13所示,它包括现场层和监控层。

现场层的从站有传感器、传动设备、执行机构、开关、变送器、阀门等,主站有PLC、 PC机等。它们由DP或PA连接起来,完成生产线上现场设备的控制任务,并进行通信管理, 实现主、从设备之间以及现场层和监控层间的信息传输功能。

监控层有操作站、控制器等设备,可由FMS或PROFINet连接起来,完成对生产设备的 监控、故障报警、统计、调度等功能。该层通过通信处理器与现场层相连,也可通过集线器 与上一级管理层连接,构成规模更大的工控网络系统。


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