PLC技術培訓班(第5講)現(xiàn)場總線介紹.ppt

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2019/12/23,1,熱烈歡迎,中核集團的領導和工程師們！,北京機械工業(yè)自動化研究所,2019/12/23,2,熱烈歡迎,參加PLC技術培訓班的全體學員！,北京精誠智合教學科技有限公司,2019/12/23,3,陳忠華教授,PLC培訓班（第5講）現(xiàn)場總線標準介紹,2019/12/23,4,現(xiàn)場總線技術介紹,1.現(xiàn)場總線技術產生的背景2.現(xiàn)場總線技術概念3.現(xiàn)場總線技術的主要特點4.現(xiàn)場總線的主要優(yōu)點5.成熟的現(xiàn)場總線應該具有的技術特點6.現(xiàn)場總線技術對自動控制及自動化技術的影響7.使用Profibus-DP進行數(shù)據(jù)通信的實例,2019/12/23,5,2019/12/23,6,2019/12/23,7,現(xiàn)場總線技術產生的背景,現(xiàn)場總線技術自20世紀80年代產生以來，一直受到人們的關注，被譽為自動化控制領域的一次新的革命．進入90年代以后，現(xiàn)場總線技術一度成為人們研究的熱點．現(xiàn)場總線技術的產生是由多方面因素共同作用的結果，首先，現(xiàn)場總線技術的產生反映了當時儀器儀表自身發(fā)展的需要，同時也反映了用戶實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化，信息化的實際應用的要求，是工業(yè)自動化技術和儀器儀表發(fā)展的必然趨勢，其次由于計算機技術，通信技術和控制技術的迅速發(fā)展，為實現(xiàn)上述要求提供了技術基礎．因此，用戶的需要是產生現(xiàn)場總線技術的動力，而計算機，網(wǎng)絡通信和自動控制三種技術的發(fā)展則為研究開發(fā)現(xiàn)場總線提供了技術基礎．,2019/12/23,8,現(xiàn)場總線技術產生的背景,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有諸多不足：控制器與現(xiàn)場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20ma模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設備．這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設備參數(shù)，故障及故障記錄等數(shù)據(jù)很難得到．底層數(shù)據(jù)不全，信息集成能力不強，不能完全滿足自動化系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求；除現(xiàn)場設備均靠標準4-20ma／24VDC連接外，系統(tǒng)其它軟，硬件通常只能使用一家產品．不同廠家產品之間缺乏互操作性，互換性，因此開放性，可集成性差．,2019/12/23,9,現(xiàn)場總線技術產生的背景,這種系統(tǒng)很少留出接口允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法，工藝流程，配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少；對于大范圍的分布式系統(tǒng)，使用大量的I/O電纜，以及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性；由于現(xiàn)場級設備信息不全，現(xiàn)場級設備的在線故障診斷，報警，記錄功能不強，也很難完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定，修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性等．,2019/12/23,10,現(xiàn)場總線技術產生的背景,由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器，執(zhí)行機構，驅動裝置等現(xiàn)場設備智能化，即內置CPU控制器，完成諸如線性化，量程轉換，數(shù)字濾波甚至回路調節(jié)等功能．因此，對于這些智能現(xiàn)場設備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的．有了這樣的接口控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)控．如果設想全部或大部分現(xiàn)場設備都具有串行通信接口，并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可與分散的現(xiàn)場設備連接，采用數(shù)字通信方式，完成對所有現(xiàn)場設備的監(jiān)控和信息集成，這就是現(xiàn)場總線技術的初始想法．,2019/12/23,11,現(xiàn)場總線技術產生的背景,隨著控制，計算機，通信，網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制，管理的各個層次，覆蓋從工段，車間，工廠，企業(yè)乃至世界各地的市場．信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結構的變革，逐步形成以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)．現(xiàn)場總線就是順應這一形式發(fā)展起來的新技術．,2019/12/23,12,現(xiàn)場總線技術產生的背景,,20世紀末，世界最重大的變化是全球市場的逐步形成，從而導致競爭空前加劇，產品技術含量高，更新?lián)Q代快．處于全球市場之中的工業(yè)生產必須加快新產品的開發(fā)，按市場需求調整產品的上市時間T，改善質量Q，降低成本C，并不斷完善售前售后服務S，才能在劇烈的競爭之中立于不敗之地．追求完善的T.Q.C.S是一個永無止境的過程，它能不斷地促進技術進步與管理改革．為了適應市場競爭需要，在追求TQCS的過程中逐漸形成了計算機集成制造系統(tǒng)CIMS．,2019/12/23,13,,,現(xiàn)場總線技術產生的背景,它采用系統(tǒng)集成，信息集成的觀點來組織工業(yè)生產．把市場，生產計劃，制造過程，企業(yè)管理，售后服務看做要統(tǒng)一考慮的生產過程，并采用計算機，自動化，通信等技術來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產加工，管理決策等．由于它把整個生產過程看做是信息的采集，傳送及加工處理的過程，因而信息技術成為工業(yè)生產制造過程的重要因素．綜合自動化就是在信息采集，加工的基礎上，運用網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)信息集成，在集成信息的基礎上進一步優(yōu)化生產與操作，增加產量，改善T.Q.C.S提高企業(yè)的市場應變能力和競爭能力．,2019/12/23,14,現(xiàn)場總線技術產生的背景,隨著計算機功能的不斷增強，價格急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)得到迅速發(fā)展．據(jù)統(tǒng)計，過去二十年中，計算機和通信的年增長率不低于25%，使計算機集成制造系統(tǒng)的實施具備了良好的物質基礎．但處于企業(yè)生產過程底層的測控自動化系統(tǒng)，要與外界交換信息．要實現(xiàn)整個生產過程的信息集成，要實現(xiàn)綜合自動化，就必須設計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的，性能可靠，造價低廉的通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設備之間的多點數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產現(xiàn)場與外界的信息交換．現(xiàn)場總線就是在這種背景下產生的．,2019/12/23,15,現(xiàn)場總線技術概念,現(xiàn)場總線是應用在生產現(xiàn)場，在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式，數(shù)字化，多點通信的底層控制網(wǎng)絡．它把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息，共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)．,2019/12/23,16,現(xiàn)場總線技術概念,根據(jù)國際電工委員會（IEC）的定義，現(xiàn)場總線是＂安裝在生產過程區(qū)域的現(xiàn)場設備／儀表與控制室內的自動化控制裝置／系統(tǒng)之間的一種串行，數(shù)字式，多點通信的數(shù)據(jù)總線＂．或者說，現(xiàn)場總線是以單個分散的數(shù)字化，智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)．其中，＂生產過程＂應包括斷續(xù)生產過程和連續(xù)生產過程．現(xiàn)場設備／儀表指位于現(xiàn)場層的傳感器，驅動器．執(zhí)行機構等設備．因此，現(xiàn)場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡技術．,2019/12/23,17,現(xiàn)場總線技術的主要特點,(1)現(xiàn)場總線使用數(shù)字化通信信號取代傳統(tǒng)的4-20mA模擬信號，可用一條通信電纜將控制器與現(xiàn)場設備連接，使用數(shù)字化通信完成底層設備通信及控制要求．(2)現(xiàn)場總線要求現(xiàn)場設備數(shù)字化，智能化，因此，現(xiàn)場設備是帶有串行通信接口的智能化設備．(3)現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的控制器可從現(xiàn)場設備獲取大量信息，可實現(xiàn)設備狀態(tài)，故障，參數(shù)信息傳送，可完成設備遠程控制，參數(shù)化及故障診斷工作．,2019/12/23,18,現(xiàn)場總線技術的主要特點,(4)現(xiàn)場總線是計算機網(wǎng)絡通信向現(xiàn)場級的延伸，現(xiàn)場總線技術采用計算機數(shù)字化通信技術，使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡，完成了企業(yè)信息系統(tǒng)的覆蓋范圍一直延伸到生產現(xiàn)場的要求．(5)現(xiàn)場總線技術是實現(xiàn)工廠底層信息集成的關鍵技術，要成功地實施CIMS,各層次的信息集成及支撐技術（計算機網(wǎng)絡問題）就必須得到解決．現(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場設備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術基礎．,2019/12/23,19,現(xiàn)場總線的主要優(yōu)點,(1)基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)增強了現(xiàn)場級信息集成能力，現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，能夠更好地滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求，系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作．(2)開放式，互操作性，互換性，可集成性，不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性，互換性，因此設備具有很好的可集成性．系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將會出現(xiàn)許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)．,2019/12/23,20,現(xiàn)場總線的主要優(yōu)點,(3)系統(tǒng)可靠性高，可維護性好，基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連接，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素．同時系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷，報警，記錄功能，可完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定，修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性．(4)節(jié)省成本，對大范圍，大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜費用，I/O模塊及電纜的敷設工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本．,2019/12/23,21,成熟的現(xiàn)場總線應該具有的技術特點,目前，國際上流行的現(xiàn)場總線技術有很多，但一種成熟的現(xiàn)場總線技術應該包括以下特點：(1)現(xiàn)場總線組織：一個由產品制造商，系統(tǒng)集成商，研究院所組成的企業(yè)組織聯(lián)盟，負責管理現(xiàn)場總線的技術標準，研發(fā)，市場拓展，技術信息交流，產品技術認證等工作．(2)現(xiàn)場總線標準：一部無知識產權保護，開放的現(xiàn)場總線技術標準．,2019/12/23,22,成熟的現(xiàn)場總線應該具有的技術特點,(3)現(xiàn)場總線產品：有一批產品制造商開發(fā)并生產出相當數(shù)量和品種的現(xiàn)場總線產品，供用戶選擇使用．（4）現(xiàn)場總線認證：有獨立于產品制造業(yè)的產品測試認證機構，負責產品的技術標準測試認證工作，以保證現(xiàn)場總線技術產品的標準一致性和可互換性．(5)現(xiàn)場總線工程研究：有一批系統(tǒng)集成商針對行業(yè)應用，給出基于現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)解決方案，并可完成工程實施．,2019/12/23,23,現(xiàn)場總線技術對自動控制及自動化技術的影響,現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化的計算機局域網(wǎng)，它導致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構的變革，形成了新型的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)－現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS，最終將取代傳統(tǒng)的DCS．它的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術領域又一個新時代的開始，并將對該領域的發(fā)展產生重要影響．其深度與廣度將超過歷史上的任何一次，將開創(chuàng)自動化的新紀元．,2019/12/23,24,現(xiàn)場總線技術對自動控制及自動化技術的影響,(1)現(xiàn)場總線技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級設備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術，計算機網(wǎng)絡及信息集成技術在自動化領域發(fā)展的必然結果：是一次工業(yè)現(xiàn)場級設備通信的數(shù)字化變革，正像計算機網(wǎng)絡給社會經(jīng)濟帶來巨大變化一樣，現(xiàn)場總線技術將給自動化領域帶來一場深刻的革命．,2019/12/23,25,現(xiàn)場總線技術對自動控制及自動化技術的影響,(2)現(xiàn)場總線技術以其開放性為重要特點，為自動化領域帶來全新的技術概念．現(xiàn)場總線技術打破了自動化領域被少數(shù)幾個國際性大公司壟斷的局面，使眾多中，小企業(yè)有機會參與技術及市場競爭．自動化產品，市場，及產業(yè)格局將發(fā)生巨大變化，以技術為核心，具有技術創(chuàng)新活力的企業(yè)在自動化產業(yè)中將占有重要位置．,2019/12/23,26,現(xiàn)場總線技術對自動控制及自動化技術的影響,(3)以現(xiàn)場總線技術，自動化技術，計算機網(wǎng)絡及信息集成技術，計算機軟件技術為核心，推出基于現(xiàn)場總線技術的先進控制系統(tǒng)平臺．不局限于工業(yè)自動化領域,可廣泛應用于市政建設，交通運輸，能源電力，環(huán)保工程，智能樓宇及住宅小區(qū)的自動化控制及監(jiān)控系統(tǒng)．現(xiàn)場總線技術促進與該系統(tǒng)平臺相關的技術研究，產品開發(fā)及相關產業(yè)的發(fā)展，如現(xiàn)場總線技術及工業(yè)控制網(wǎng)絡技術和產品，計算機網(wǎng)絡及信息技術和軟件產品，自動化及機電一體化技術和智能儀器儀表產品．帶出一個以相關高新技術為核心的自動化技術產業(yè)群體．,2019/12/23,27,現(xiàn)場總線技術對自動控制及自動化技術的影響,(4)現(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場級設備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術基礎．基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)字化通信技術，使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡底層，使企業(yè)信息系統(tǒng)的覆蓋范圍一直延伸到生產現(xiàn)場．從工廠底層自動化及信息集成技術角度看，現(xiàn)場總線技術不是一項單純的以芯片換電纜的技術，是計算機及其數(shù)字化通信技術向工廠底層，即設備層的延伸，是工廠底層通信技術的一次數(shù)字化革命．是實現(xiàn)全廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎．現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)系統(tǒng)結構發(fā)生變革，并帶來傳統(tǒng)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)異特性．,2019/12/23,28,現(xiàn)場總線技術對自動控制及自動化技術的影響,,,(5)現(xiàn)場總線技術將使自動化和自動控制領域產生重大變化．如傳統(tǒng)的信號制，將由4-29mA模擬信號制轉換為雙向數(shù)字通信的現(xiàn)場總線信號制:自動控制系統(tǒng)的體系結構，將由模擬與數(shù)字的分散型系統(tǒng)（DCS）轉換為全數(shù)字現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）．進而，自動控制系統(tǒng)的設計方法和安裝調試方式也將發(fā)生重大的變化；現(xiàn)行的現(xiàn)場設備和儀表的產品結構將發(fā)生重大變革；現(xiàn)場總線把自動控制系統(tǒng)和設備帶進了信息網(wǎng)絡之中，形成為企業(yè)信息網(wǎng)絡的底層．從而為實現(xiàn)企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動化提供了可行的基礎．,2019/12/23,29,,,經(jīng)過國際協(xié)商，專家們認識到，以一種現(xiàn)場總線技術適應各行各業(yè)的自動化需求是不現(xiàn)實的。最后通過協(xié)商，妥協(xié)，于1999年底IECTC65(負責工業(yè)測量和控制的第65標準化委員會)通過了包含8種類型的現(xiàn)場總線的IEC61158作為現(xiàn)場總線國際標準，并于2000年正式發(fā)布．此國際標準（2000）所包含的8種類型的現(xiàn)場總線分別為：,IEC61158現(xiàn)場總線標準,2019/12/23,30,,,類型1IEC技術報告（以FF的H1為原型）類型2Control-Net(美國Rockwell公司支持)類型3Profibus(德國西門子公司支持)類型4P-Net(丹麥ProcessDats公司支持)類型5FFHSE(即原FF的H2Fisher-Rosemount公司支持)類型6SwiftNet(美國波音公司支持)類型7WorldFIP(法國Alstom公司支持)類型8Interbus(德國Phoenixcontact公司支持),IEC61158現(xiàn)場總線標準,2019/12/23,31,,,由于2000年IEC61158標準的發(fā)布比較倉促，又由于現(xiàn)場總線技術的發(fā)展必須滿足用戶的新要求，于是，在此后各類型總線協(xié)議的提出者又分別做了修改，完善和補充，現(xiàn)在已進入第三版．根據(jù)最新的IEC/TC65C文件，該標準目前包括10種協(xié)議類型：除以上所說的8種外，增加了：類型9:FF應用層類型10:PROFInet(工業(yè)以太網(wǎng)),IEC61158現(xiàn)場總線標準,2019/12/23,32,現(xiàn)場總線Profibus標準介紹,1987年德國工業(yè)界開始起動了Profibus聯(lián)合開發(fā)項目。由這個聯(lián)合體開發(fā)的規(guī)則和標準成為德國的工業(yè)標準，即DINE19245[2]Profibus標準。并于1996年，德國的國家現(xiàn)場總線標準成為國際性標準，即歐洲標準EN50170。（2000年3月，Profibus標準被批準為國際現(xiàn)場總線標準IEC61158的組成部分TypeⅢ）。ISO/OSI模型Profibus利用了現(xiàn)有的國家標準和國際標準。其協(xié)議以國際ISO（國際標準組織）的OSI（開放系統(tǒng)互連）參考模型為基礎。圖5.1用圖解說明ISO/OSI通信標準模型.,2019/12/23,33,ISO/OSI通信標準模型,,,2019/12/23,34,ISO/OSI通信標準模型,ISO/OSI通信標準模型由7層組織，并分成兩類。一類是面向用戶的第5層到第7層，另一類是面向網(wǎng)絡的第1層到第4層。第1層到第4層描述數(shù)據(jù)從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方，而第5層到第7層給用戶提供適當?shù)姆绞饺ピL問網(wǎng)絡系統(tǒng)。,2019/12/23,35,協(xié)議結構和類型,從圖5.2可以看出，Profibus協(xié)議采用了ISO/OSI模型中的第1層、第2層以及必要時還采用了第7層。第1層和第2層的物理介質和傳輸協(xié)議是依據(jù)美國標準EIARS485[8]、國際標準IEC870-5-1[3]和歐洲標準EN60870-5-1[4]制定的。總線存取程序、數(shù)據(jù)傳輸和管理服務是基于德國DIN19241[5]標準的第1到3部分和IEC955[6]標準制定的。管理功能（FMA7）采用了ISODIS7498-4（管理框架）的概念。從用戶的角度看，Profibus提供了三種通信協(xié)議類型：DP，F(xiàn)MS和PA。,2019/12/23,36,Profibus-DP,Profibus-DP使用了第1層、第2層和用戶接口層。第3到7層未使用，這種精簡的結構能確保高速數(shù)據(jù)傳輸。采用直接數(shù)據(jù)鏈路映象程序（DDLM）提供對第2層的訪問。在用戶接口中規(guī)定了Profibus-DP設備的應用功能，以及各種類型的系統(tǒng)和設備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的Profibus協(xié)議特別適用于可編程序控制器與現(xiàn)場級分散的I/O設備之間的通信。,2019/12/23,37,Profibus的協(xié)議結構,,2019/12/23,38,Profibus-FMS,Profibus-FMS使用了第1層、第2層和第7層。應用層（第7層）包括FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）和LLI（低層接口）。FMS包含應用協(xié)議和提供的通信服務。LLI建立各種類型的通信關系，并給FMS提供不依賴于設備的對第2層的訪問。FMS處理單元級（PLC和PC）的數(shù)據(jù)通信。功能強大的FMS服務可在廣泛的應用領域內使用，并為解決復雜通信任務提供了很大的靈活性。Profibus-DP和Profibus-FMS使用相同的傳輸技術和總線存取協(xié)議。因此，它們可以在同一根電纜上同時運行。,2019/12/23,39,Profibus-PA,Profibus-PA使用擴展的Profibus-DP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，它執(zhí)行規(guī)定現(xiàn)場設備特性的PA設備行規(guī)。傳輸技術依據(jù)IEC1158-2[7]標準，確保＂本徵＂安全和通過總線對現(xiàn)場設備供電。使用段耦合器可將Profibus-PA設備很容易地集成到Profibus-DP網(wǎng)絡之中。Profibus-PA是為＂過程＂自動化工程中的高速、可靠的通信要求而特別設計的。用Profibus-PA可以把傳感器和執(zhí)行機構連接到通常的現(xiàn)場總線段上，即使在防爆區(qū)域的傳感器和執(zhí)行機構也可如此。,2019/12/23,40,DP/FMS（RS485）的物理層（第一層）,對于屏蔽雙絞電纜的基本類型來說，Profibus的第1層實現(xiàn)對稱的數(shù)據(jù)傳輸，符合EIARS485[8]標準（也稱為H2）。一個總線段內的導線是屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個終端器（見圖5.3）。傳輸速率從9.6kbit/sec到12Mbit/sec可選，所選用的波特率適用于連接到總線（段）上的所有設備。,2019/12/23,41,Profibus信號的傳輸程序,用于ProfibusRS485的傳輸程序是以半雙工、異步、無間隙同步為基礎的。數(shù)據(jù)的發(fā)送用NRZ（不歸零）編碼，即1個字符幀為11位（bit）見圖5.4。當發(fā)送位（bit）時，由二進制“0”到“1”轉換期間的信號形狀不改變。在傳輸期間，二進制“1”對應于RD/TD-P（Receive/Transmit-Data-P）線上的正電位，而在RXD/TXD-N線上則相反。各報文間的空閑（idle）狀態(tài)對應于二進制“1”信號（見圖5.5）。在專用文獻中，兩根Profibus數(shù)據(jù)線也常稱之謂A線和B線。A線對應于RXD/TXD-N信號，而B線則對應于RD/TD-P信號。,2019/12/23,42,RS485-總線段的結構,2019/12/23,43,Profibus信號的傳輸程序,,,2019/12/23,44,Profibus信號的傳輸程序,,2019/12/23,45,Profibus總線導線長度與波特率的關系,,對于Profibus而言，最大允許的總線長度，亦稱為段長度，取決于所選用的傳輸速率（見表5.1）。在一個總線段中最多可以運行32個站。,2019/12/23,46,Profibus的總線終端器,根據(jù)EIARS485標準，在數(shù)據(jù)線A和B的兩端均加接總線終端器。Profibus的總線終端器包含一個下拉電阻（與數(shù)據(jù)基準電位DGND相連接）和一個上拉電阻（與供電正電壓VP相連接）。當在總線上沒有站發(fā)送數(shù)據(jù)時，也就說在兩個報文之間總線處于空閑狀態(tài)時，這兩個電阻確保在總線上有一個確定的空閑電位。幾乎在所有標準的Profibus總線連接器上都組合了所需要的總線終端器，而且可以由跳接器或開關來啟動。當總線系統(tǒng)運行的傳輸速率大于1,500Kbit/s時，由于所連接的站的電容性負載而引起導線反射，因此必須使用附加有軸向電感的總線連接插頭（見圖5.6）。,2019/12/23,47,傳輸速率>1500Kbit/s時的總線插頭連接器和總線終端器的結構,,2019/12/23,48,現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（第2層）,根據(jù)OSI參考模型，第2層規(guī)定總線存取控制、數(shù)據(jù)安全性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。在Profibus中，第2層稱為FDL層（現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層）。第2層報文格式（圖5.11）提供高等級的傳輸安全性。所有報文均具有海明距離HD=4。HD=4的含意是：在數(shù)據(jù)報文中，可以檢查出最多3個同時出錯的位。這一要求是通過使用國際標準IEC870-5-1的規(guī)定、選擇特殊的報文起始和終止標識符、使用無間隙同步以及使用奇偶校驗位和控制字節(jié)來實現(xiàn)的?？梢詸z查出以下類型的出錯：,2019/12/23,49,現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（第2層）,字符格式出錯（奇偶校驗，溢出，幀出錯）協(xié)議出錯起始和終止定界符出錯幀檢查字節(jié)出錯報文長度出錯出錯的報文至少要被自動地重發(fā)一次。在第2層中，報文的重發(fā)次數(shù)最多可設定為8（“retry”總線參數(shù)）。除邏輯的點對點的數(shù)據(jù)傳輸外，第2層還允許進行廣播和群播通信的多點傳輸。,2019/12/23,50,在廣播通信中，一個主站發(fā)送信息給所有其他站（主站和從站）。數(shù)據(jù)的接收不需應答。在群播通信中，一個主站發(fā)送信息給一組站（主站和從站）。數(shù)據(jù)的接收不需應答。第2層提供的數(shù)據(jù)服務列于表5.5中。,現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（第2層）,2019/12/23,51,,Profibus傳輸服務,,2019/12/23,52,,PROFIBUS的報文格式,,,2019/12/23,53,,PROFIBUS的報文格式,,,其中：L信息字段長度SC（單字符）單字符，僅用于應答SD1~SD4起始字節(jié)，用于區(qū)別不同的報文格式（起始定界符）LE/LEr長度字節(jié)，指出可變長報文中信息字段的長度DA（目的地址）目的地址字節(jié)，指出將接收此信息的站SA（源地址）源地址字節(jié)，指出將發(fā)送此信息的站FC（幀控制）控制字節(jié)，包含用于此信息的服務和此信息的優(yōu)先權的詳細說明DU數(shù)據(jù)單元，包含報文的有用信息，必要時還包含擴展地址的詳細說明。FCS（幀檢查順序）檢查字節(jié)，包含報文檢查和（不進位地加所有報文元素的和）ED（終止定界符）終止字節(jié)，指出此報文終止。,2019/12/23,54,,PROFIBUS的報文格式,,,Profibus-DP和Profibus-PA各使用第2層服務的子集。例如，Profibus-DP只使用SRD和SDN服務。上一層通過第2層的SAP（服務存取點）調用這些服務。對Profibus-FMS來說，這些服務存取點被用來編址邏輯通信關系。在Profibus-DP和-PA中，每一個服務存取點分配一個確定的功能。所有主站和從站允許同時使用若干個服務存取點。有兩類服務存取點：SSAP（源服務存取點）和DSAP（目的服務存取點）。,2019/12/23,55,,Profibus應用層(第7層),,,ISO/OSI參考模型的應用層(第7層)提供用戶需要的各種通信服務。PROFIBUS的應用層由FMS接口（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）和LLI接口（低層接口）組成。FMS行規(guī)為了使FMS通信服務適應實際需要的功能范圍和定義符合實際應用的設備功能，PNO（Profibus用戶組織）制定了FMS行規(guī)。這些FMS行規(guī)確保由不同制造商生產的同類設備具有同樣的通信功能。目前已制定了如下的FMS行規(guī)：,2019/12/23,56,,Profibus應用層(第7層),,,可編程序控制器之間的通信行規(guī)（3.002）此通信行規(guī)規(guī)定哪些FMS服務將用于可編程序控制器（PLC）之間的通信。依據(jù)確定的控制器類型，此行規(guī)規(guī)定哪種PLC必須能支持哪些服務、參數(shù)和數(shù)據(jù)類型。樓宇服務自動化的行規(guī)（3.011）此行規(guī)是一個面向應用分支的行規(guī)，可作為樓宇服務自動化方面許多公共需求的基礎。它描述怎樣通過FMS來處理監(jiān)視、開閉環(huán)控制、操作員控制、報警和樓宇服務自動化系統(tǒng)的歸檔等。,2019/12/23,57,,Profibus應用層(第7層),,,低壓開關設備行規(guī)（3.032）此行規(guī)是一個面向應用分支的FMS應用行規(guī)。在用FMS的數(shù)據(jù)通信時它規(guī)定了低壓開關設備的特性。,2019/12/23,58,,Profibus應用層(第7層),,,DP用戶接口和DP行規(guī)Profibus-DP只使用了第1層和第2層。而用戶接口定義了PROFIBUS-DP設備可使用的應用功能以及各種類型的系統(tǒng)和設備的行為特性。PROFIBUS-DP協(xié)議的任務只是定義用戶數(shù)據(jù)怎樣通過總線從一個站傳送到另一個站。在這里，傳輸協(xié)議并沒有對所傳送的用戶數(shù)據(jù)進行評價，這是DP行規(guī)的任務。由于精確規(guī)定了相關應用的參數(shù)和行規(guī)的使用，從而使不同制造商生產的DP部件能容易地交換使用。,2019/12/23,59,,Profibus應用層(第7層),,,NC/RC行規(guī)（3.052）此行規(guī)描述怎樣通過PROFIBUS-DP來控制加工和裝配的自動化設備。從高一級自動化系統(tǒng)的角度看，精確的順序流程圖描述了這些自動化設備的運動和程序控制。編碼器行規(guī)（3.062）此行規(guī)描述具有單轉或多轉分辨率的旋轉、角度和線性編碼器怎樣與PROFIBUS-DP相耦連。兩類設備定均義了基本功能和高級功能，如標定、報警處理和擴展的診斷,2019/12/23,60,,Profibus應用層(第7層),,,變速驅動的行規(guī)（3.072）主要的驅動技術制造商共同參加開發(fā)了PROFIDRIVE行規(guī)。該行規(guī)規(guī)定了怎樣定義驅動參數(shù)、怎樣發(fā)送設定點和實際值。這樣就可能使用和交換不同制造商生產的驅動設備。此行規(guī)包含運行狀態(tài)“速度控制”和“定位”所需要的規(guī)范。它規(guī)定了基本的驅動功能，并為有關應用的擴展和進一步開發(fā)留有足夠的余地。此行規(guī)包括DP應用功能或FMS應用功能的映象。,2019/12/23,61,,Profibus應用層(第7層),,,操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī)，HMI（人機接口）（3.082）此行規(guī)為簡單HMI設備規(guī)定了怎樣通過Profibus-DP把它們與高一級自動化部件相連接。本行規(guī)使用PROFIBUS-DP擴展功能進行數(shù)據(jù)通信。Profibus-DP的防止出錯數(shù)據(jù)傳輸?shù)男幸?guī)（3.092）此行規(guī)定義了用于有故障安全設備通信的附加數(shù)據(jù)安全機制，如緊急O(jiān)FF。由本行規(guī)規(guī)定的安全機制已經(jīng)被T?V和BIA批準。,2019/12/23,62,,使用Profibus-DP進行數(shù)據(jù)通信的實例,,,,下面我們介紹行規(guī)在傳動裝置中應用的一個實例，行規(guī)的名稱叫DRIVECOM，實例說明，怎樣通過行規(guī)完成西門子公司的S7PLC與德國Lenze公司傳動裝置之間的通信。,2019/12/23,63,,一般描述,,,,本例子由德國Lenze公司提供，它與Profibus有關，對于西門子公司的S7PLC方塊，通常是可以適用于Lenze裝置的應用的。所提供例子的編程方塊和項目的策劃，支持Lenze產品的Profibus-DP應用，并且建議了可能的解決方法。行規(guī)規(guī)定Profibus接口具有參數(shù)通道和過程數(shù)據(jù)通道。我們提供的功能塊支持參數(shù)設置和發(fā)送/接收過程數(shù)據(jù)。,2019/12/23,64,,本例子目的：,,,,2019/12/23,65,,參數(shù)通道和數(shù)據(jù)通道,,,,參數(shù)通道（Parameterchannel）:參數(shù)通道是用來讀和寫參數(shù)數(shù)據(jù)的。這些數(shù)據(jù)對時間的要求不是很嚴格。參數(shù)數(shù)據(jù)有可能是操作參數(shù)（例如，Lenze的C11－nmax），診斷參數(shù)（例如，C161－當前的故障號）或者電動機數(shù)據(jù)（例如，C15－V/f額定頻率）。過程數(shù)據(jù)通道（Processdatachannel）:過程數(shù)據(jù)必須非?？焖俣乙芷诘亟粨Q。過程數(shù)據(jù)象控制字、狀態(tài)字、設定點和實際值都是要傳送的。過程數(shù)據(jù)通道的大小是能夠通過硬件組態(tài)來選擇的。,2019/12/23,66,,建立項目或打開項目,2019/12/23,67,,建立項目或打開項目,,2019/12/23,68,,組態(tài)硬件,,,2019/12/23,69,,組態(tài)硬件,,,,,2019/12/23,70,,選擇Profibus-DP網(wǎng)絡的地址和波特率,,,,,,2019/12/23,71,,選擇網(wǎng)絡協(xié)議和波特率,,,,,,,2019/12/23,72,,GSE文件（GSEfiles）復制,,,,,,,如果你是第一次用Lenze傳動裝置與Profibus一起工作，或者你希望插入一個新的GSE文件，你首先必須將這一文件寫入硬件目錄中。?注意：最新的GSE文件能夠在Lenze網(wǎng)頁的主頁上免費下載。(?“服務”?“下載”?“PROFIBUS”)(?“Service”?“Download”?“PROFIBUS”),2019/12/23,73,,GSE文件（GSEfiles）復制,,,,,,,首先要確認在硬件組態(tài)工具內還沒有組態(tài)這一GSE文件。在SIMATIC管理器的硬件組態(tài)畫面上，選擇?“選擇項”?“插入新的GSE”(?“Options”?“InstallNewGSE”)。從打開的對話框中，選擇一個新的GSE文件，點擊OK確認這一文件。另外一種安裝GSE文件的方法，是將所有新的GSE文件，復制到計算機的程序文件“文件夾”（“ProgramFiels”）目錄中的?“Siemens”?“Step7”?“S7data”?“gse”文件夾中，然后，在硬件組態(tài)工具時，點擊菜單條目?“Option”?“UpdateCatalog“更新GSE文件目錄就可以了。,2019/12/23,74,,安裝和更新GSD文件,,,,,,,,2019/12/23,75,,生成DP從站,,,,,,,在安裝完GSE文件后，Lenze的DP從站模板，能夠在硬件組態(tài)庫目錄中找到?“PROFIBUSDP”?“AdditionalFieldDevices”?“Drives”。用“拖動”或雙擊DP從站模板名的方法來生成新的DP從站。為了集成一個從站，整個文件夾（2133(8200/9300)）必須拖到PROFIBUS硬件的組態(tài)線上。這時會打開一個對話框，可以設置地址。在本例子中，模板2133具有的地址是3。,2019/12/23,76,,對Profibus-DP從站進行硬件組態(tài),,,,,,,,,2019/12/23,77,,對Profibus-DP從站進行硬件組態(tài),點擊在器件目錄中所選擇的驅動模板前面的＋號，從其下拉的列表中，你能選擇模板所支持的各種過程數(shù)據(jù)格式。選中高亮的DP從站，在窗口下方出現(xiàn)一個安排硬件的表，將所選中的過程數(shù)據(jù)格式，拖動到表中。,,,,,,,,2019/12/23,78,,Lenze傳動裝置作為DP從站的硬件組態(tài),,,,,,,,,,2019/12/23,79,,Lenze傳動裝置作為DP從站的硬件組態(tài),,,,,,,,,,對從站而言，一個合適的表格，包含完整的兩行。第一行表示參數(shù)通道，第二行表示過程數(shù)據(jù)通道在I/O地址列（圖5.21中的紅色圈所示）中的地址是重要的。?注意：表中有許多種用于通信的過程數(shù)據(jù)格式。,2019/12/23,80,,Lenze傳動裝置作為DP從站的硬件組態(tài),,,,,,,,,,有關控制字和狀態(tài)字的分配，請參考相關通信模板手冊的操作說明書。目錄中標有（cons.）的含義是指數(shù)據(jù)（參數(shù)和/或過程數(shù)據(jù)）是同時連續(xù)（consistently）發(fā)送的。?注意：如果應用FC127功能來發(fā)送參數(shù)，那么數(shù)據(jù)的同時連續(xù)（consistency）是非常重要的！,2019/12/23,81,,有關控制字和狀態(tài)字的分配,,,,,,,,,,什么是“同時連續(xù)”（“consistency”）的含義？如果包含的相關數(shù)據(jù)多于一個字節(jié)或一個字，在這種情況下,“consistency”的使用，保證了在控制器的中央處理單元與Profibus主站之間通過連接存儲器（雙口RAM）的數(shù)據(jù)交換能做到無故障傳送。這就是“consistency”這一術語的含義。這一點還意味著，除非“consistency”是允許的，否則在讀請求時不會有相關的數(shù)據(jù)進入CPU中，這時就會出現(xiàn)一個故障信息。,2019/12/23,82,,中央處理單元CPU和Profibus主站接口之間的數(shù)據(jù)通信,,,,,,,,,,2019/12/23,83,,CPU和Profibus主站接口之間的數(shù)據(jù)通信,,,,,,,,,,在PLC的程序中，要求有I/O的起始地址。它們在組態(tài)時是可以改變的。雙擊圖5.21中的地址列，打開對話框（見圖5.23）,在對話框中能夠改變地址的范圍。對同一列（輸入和輸出地址）的地址范圍總是應該相同的（見圖上紅色的圈）。這樣的表示比較清楚，同時編制應用程序也更容易一些。,2019/12/23,84,,CPU和Profibus主站接口之間的數(shù)據(jù)通信,,,,,,,,,,2019/12/23,85,,方塊的順序調用,,,,,,,,,,2019/12/23,86,,方塊的順序調用,,,,,,,,,,FC30功能是一個例子，可以用來說明參數(shù)和過程數(shù)據(jù)轉移的基本要求。除此之外，F(xiàn)C30功能通過過程數(shù)據(jù)通道寫DRIVECOM的控制字和讀DRIVECOM的狀態(tài)字。功能是按照DRIVECOM的狀態(tài)機制工作的，用這種方法，只要DRIVECOM的狀態(tài)機制已經(jīng)被激活，允許通過Profibus對控制器進行初始化。進而，F(xiàn)C30功能還完成，怎樣調用FC127功能和怎樣讓Profibus的參數(shù)能夠讀和寫。所有讀或寫的碼都進入到數(shù)據(jù)塊DB31中。為了參數(shù)轉移，要求同時連續(xù)地轉移數(shù)據(jù)，所以，必須裝入系統(tǒng)功能SFC14（讀“consistent”數(shù)據(jù)）和SFC15（寫“consistent”數(shù)據(jù)），并調用它們。,2019/12/23,87,,方塊的順序調用,,,,,,,,,,下面，對每一個方塊進行說明。方塊是用STL語言（語句表語言）編寫的。DRIVECOM行規(guī)（DRIVECOMprofile）FC30程序支持DRIVECOM行規(guī)。它假設過程數(shù)據(jù)通道的第一個字是DRIVECOM的控制字或狀態(tài)字。根據(jù)這一行規(guī)，和控制器的允動有關，一定的順序是必須遵守的。FC30自動的處理這些順序。在下面的章節(jié)中，將詳細地介紹DRIVECOM控制字的功能。,2019/12/23,88,,方塊的順序調用,,,,,,,,,,DRIVECOM控制字（DRIVECOMcontrolword）DRIVECOM控制字的每一個位，在FC30程序中的處理，我們用在該程序的第幾網(wǎng)絡段（NW）來注解，例如，對控制字的“0”位（加電，Switchon）,在程序中是在第6網(wǎng)絡段處理的，我們就用括號（NW6）來注解。下面的列表是Lenze公司傳動裝置，使用DRIVECOM行規(guī)時，對控制字每一個位的定義，和在FC30程序中的處理。,2019/12/23,89,,DRIVECOM行規(guī)的控制字定義,,,,,,,,,,2019/12/23,90,,DRIVECOM行規(guī)的控制字定義,,,,,,,,,,2019/12/23,91,,DRIVECOM行規(guī)的控制字定義,,,,,,,,,,2019/12/23,92,,DRIVECOM行規(guī)的控制字定義,,,,,,,,,,DRIVECOM狀態(tài)字（DRIVECOMstatusword）DRIVECOM狀態(tài)字表示控制器裝置的當前狀態(tài)表5.7:DRIVECOM行規(guī)的狀態(tài)字定義,2019/12/23,93,DRIVECOM行規(guī)的狀態(tài)字定義,2019/12/23,94,,DRIVECOM行規(guī)的狀態(tài)字定義,,,,,,,,,,2019/12/23,95,DRIVECOM行規(guī)的狀態(tài)字定義,2019/12/23,96,控制字和狀態(tài)字的自由定義位是可以自由分配的。在對其進行分配定義之前，請閱讀相關的PROFIBUS操作指令手冊，因為對不同的控制器而言，其位的分配定義是可能不完全相同的。下面的表，列出了Lenze公司不同的操作指令手冊，相對于不同的控制器：表5.8:,DRIVECOM行規(guī)的狀態(tài)字定義,2019/12/23,97,功能FC30既可以由OB1調用，也可以由其它的方塊調用。下面我們對FC30功能，一步、一步地進行說明，本例子中使用的通信模板是2131。注意：如果需要對數(shù)據(jù)進行“同時連續(xù)轉移”（consistentdatatransfer），那么在PLC中必須裝入系統(tǒng)功能SFC14(讀consistent數(shù)據(jù))和SFC15(寫consistent數(shù)據(jù))。在FC30的變量登記表中，我們建立了兩個暫存的數(shù)據(jù)結構：data_receive(接收數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)結構)data_sent(發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)結構)在下面的例子中，F(xiàn)C30功能設計成用3個過程數(shù)據(jù)字（PCD）進行通信。在變量登記表中，每一個數(shù)據(jù)結構是由6個字節(jié)或3個字組成。,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,98,注意：請參考你的PROFIBUS主站操作說明書，確認數(shù)據(jù)是按照字節(jié)傳送還是按照字傳送。變量登記表必須根據(jù)過程數(shù)據(jù)字進行調整。舉例表5.9：,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,99,上面的表表明data_receive結構有4個PCD字。對data_send結構也需要重復上面的做法。FC30功能總共有9個網(wǎng)絡段組成，并且支持DRIVECOM行規(guī)。下面對每一個網(wǎng)絡段進行說明。網(wǎng)絡段1，讀過程數(shù)據(jù)字（Network1,processdata<=controller）為了更容易讀懂程序，下面把程序中用的符號地址表列出表5.10:,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,100,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,101,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,102,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,103,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,104,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,105,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,106,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,107,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,108,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,109,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,110,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,111,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,112,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,113,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,114,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,115,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,116,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,117,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,118,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,119,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,120,FC30功能（FC30function）,2019/12/23,121,FC30功能（FC30function）,