详细介绍
安庆西门子PLC代理商 安庆西门子PLC代理商
PROFIBUS 是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统,在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。
由于PROFIBUS一直侧重于系统集成和系统工程等方面,尤其是侧重于应用行规的研究开发,使得该总线具有适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务的特点,成为*能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用的现场总线,特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。因而从诞生至今,PROFIBUS 在现场总线技术领域一直是市场上的*。
随着PROFIBUS的大量应用,许多用户开始接触并使用了现场总线。但由于用户对现场总线技术的了解程度不同,再加上现场施工情况复杂,因而很有可能导致许多项目的现场总线通讯上可能存在着一些隐患,如果不能及时发现和处理,将有可能导致系统出现通讯故障,从而影响整个系统的正常运行。
为了帮助广大用户――特别是刚刚接触到现场总线的用户能够对PROFIBUS的硬件有个初步的了解,这里将重点介绍如何在现场正确的安装和使用相关PROFIBUS的网络元件和设备,帮助用户在使用PROFIBUS现场总线的过程中从硬件安装的角度尽量减少问题的发生,从而尽量减少整个网络使用中出现故障的概率。
1 PROFIBUS 概述
PROFIBUS网络通讯的本质是RS485串口通讯,按照不同的行业应用,主要有三种通讯行规:DP(Decentralized Peripherals),FMS(Field Message Specification)和PA(Process Automation)行规。
其中DP通讯的方式在OSI参考模型中主要使用第1、2、7层,因此PROFIBUS DP网络的通讯速度较快,且报文简单(表1)。
第7层 (应用层) | DP设备行规 | FMS设备行规 | PA设备行规 |
基本功能 扩展功能 | 基本功能 扩展功能 | ||
DP用户接口 直接数据链路映象程序(DDLM) | 应用层接口 (ALI) | DP用户接口 直接数据链路映象程序(DDLM) | |
第3~6层 |
| (并没有省略) |
|
第2层(数据链路层) | 数据链路层 现场总线数据链路(FDL) | 数据链路层 现场总线数据链路(FDL) | IEC接口 |
第1层 (物理层) | 物理层 (RS485/光纤) | 物理层 (RS485/光纤) | IEC61158-2 |
表1 三种PROFIBUS的通讯行规的OSI模型
随着现场总线的应用领域不断扩大,PROFIBUS技术也在不断的发生着变化,例如FMS行规目前已经不再使用,而DP和PA的应用会越来越多,另外类似Motion Control with PROFIBUS 和PROFIsafe 等新的行规也都会随着应用而逐渐普及。
但无论那种行规,涉及到的硬件和网络形式基本都是*的(PA除外)。因此这里我们从zui基本的网络硬件着手,介绍PROFIBUS的网络连接方式。
2 PROFIBUS网络硬件
PROFIBUS网络主要涉及到的硬件包括:PROFIBUS接口,通讯介质,PROFIBUS插头,中继器,诊断中继器,OLM以及有源终端电阻等。
2.1 PROFIBUS接口
PROFIBUS接口是RS485串口,一般采用SUB-D female的接口,其管脚定义为:
一般CPU或者CP板卡都采用该接口。该接口外部的金属部分一般连接到CPU或者CP的内部的“PE”。而当CPU安装在底板上时,其“PE”与底板是连通的,此时如果将安装底板在电气柜内做接地处理,则该SUB-D接口的外部金属部分也是接地的。
2.2 通讯介质
关于通讯介质,在表1的OSI模型中已经规定:PROFIBUS网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。当然,现在也有支持无线通讯的设备,但我们目前面对的主要还是有线介质的用户。
2.2.1 PROFIBUS 电缆
PROFIBUS(类型1)介质是一根屏蔽双绞电缆,屏蔽可以提高电磁兼容(EMC)能力。
类型1:NRZ位编码与EIA RS-485信号结合,目的是降低总线耦合器成本,耦合器可以使站与总线之间电气隔离或非电气隔离;需要总线终端器,特别在较高数据传输速率(达到1500 k bits/s)时更需要。类型1规范描述平衡的总线传输,符合美国标准EIA RS-485(EIA: 电气工业协会;RS-485: 平衡的数字多点系统中使用的收/发器的电特性标准)。在双绞线两端的终端器使得类型1的物理层支持高速数据传输。传输速率≤93.75 kbits/s时,zui大电缆长度为1.2km 。对1500 kbits/s的速度,zui大长度减到70/200m(对B/A型电缆)。
PROFIBUS电缆的特性阻抗应在100Ω到220Ω之间,电缆电容(导体间)应该<60pF/m,导线截面积应≥0.22mm2(24 AWG)。电缆选择标准参见美国标准EIA RS-485的附录。
两类电缆的特性:
电缆参数 | A型 | B型 |
阻抗 |
135Ω-165Ω
(f=3到20MHz) |
100Ω-130Ω
(f>100kHz) |
电容 | <30pF/m | <60pF/m |
电阻 | ≤110Ω/Km | - |
导线截面积 | ≥0.34mm2 (22AWG) | ≥0.22mm2(24AWG) |
表2 电缆规格
下面的表指出两类电缆(A和B)对不同传输速度时的zui大长度
波特率 [kbit/s] | 9.6~93.75 | 187.5 | 500 | 1500 | 3000~12000 |
A型电缆 长度(m) | 1200 | 1000 | 400 | 200 | 100 |
B型电缆 长度(m) | 1200 | 600 | 200 | 70 |
|
表3 不同传输速度时的电缆长度
标准PROFIBUS电缆为屏蔽双绞电缆,其中数据线有两根:A-绿色和B-红色,分别连接DP接口的管脚3(B)和8(A),电缆的外部包裹着编织网和铝箔两层屏蔽,zui外面是紫色的外皮(图1)。
图1 标准PROFIBUS电缆
标准的PROFIBUS电缆一般都是A类电缆。
除了标准PROFIBUS电缆,还有许多其它特殊类型的电缆可以用于特定的环境:
图2 各种类型的PROFIBUS电缆
使用RS485中继器时,需要注意几个问题:
1) 安装问题
l RS485中继器上下分为两个网段,其中A1/B1 和 A1’ / B1 ‘ 接口是网段1的一个PROFIBUS接口,A2/B2 和 A2’ / B2 ‘ 接口是网段2的一个PROFIBUS接口,PG/OP 接口属于网段1;
l 信号放大是在网段1和网段2之间实现的,同一网段内信号不能放大;因而需要进行距离扩展的网络必须是接在网段2上;
l 两个网段之间是物理隔离的,因而RS485中继器除了扩展网段外,还有一个作用就是可以进行网络隔离。
l 这两个网段是都是指物理网段,与STEP7硬件组态中所组态的PROFIBUS网络没有关系,不同的物理网段仍然可以属于同一个PROFIBUS逻辑网络。
l 在网络拓扑中,RS485中继器也是一个信号收发设备,占一个物理设备的位置,但不需要分配站号,因而注意在物理连接站点时,每个网段所连接的从站数是小于32的。扩展的距离则对应于每个波特率的传输距离(表3)。
2 )终端电阻的设置问题
由于两个接口分别属于不同的物理网段,因此中继器上终端电阻的设置往往比较容易混淆。