西门子6ES7221-1BH22-0XA8代理直销

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一、Profibus概述
Profibus是由SIEMENS公司推出的一种开放式现场总线标准,1989年成为德标准准DIN19245,1996年成为欧洲标准EN50170,1999年12月被接受为**标准IEC61158的一部分。Profibus是目前欧洲乃至**应用较广泛的总线系统,他速度快,几乎所有的PLC产品和较多的自动化外设产品都提供Profibus接口。
Profibus根据不同的应用场合提供3个兼容版本：ProfibusDP,ProfibusFMS和ProfibusPA。
ProfibusDP适用于现场级分布式自动化外设之间的高速（DP的含义为分散的外围设备）。他的体系结构包括ISO/OSI参考模型*1,2层以及用户接口,传输技术使用RS485（称为H2）,这种结构能保证通信的实时性和系统实现的。在用户接口中使用了定义用户和系统使用的应用功能和描述现场设备行为的行规。
ProfibusFMS（Fieldbus Message Specification）是现场级和单元级通信的通用解决方案,主要解决单元级主站之间（PLC和PC）的互相通信,因此**功能比快速性系统反应时间较重要。FMS使用了ISO/OSI参考模型*1,2,7层,*1,2层与ProfibusDP兼容,*7层包括了应用协议并向用户提供了广泛的通信服务功能。
ProfibusPA是在ProfibusDP的基础上通过优化、扩展而来,主要用于化工等对安全性要求高的场合,通信采用扩展的ProfibusDP协议。传输技术改用IEC11582（称为H1）,可确质安全性并使现场设备通过总线供电,通过分段耦合器,能方便地和ProfibusDP,ProfibusFMS相连。

二、Profibus通信协议
Profibus通信协议通过ISO/OSI参考模型*2层实现,在Profibus中*2层称为FDL（Fieldbus Data bbbb）。
Profibus总线上的设备包括2类：主站和从站。主站在一个限定时间 （令牌持有时间TokenHoldTime） 内对总线有控制权,这时主站可以向从站发送数据或请求从站的数据。从站对总线没有控制权,只是响应一个主站的请求或确认主站发送的数据。因此Profibus通信协议包括主站之间的令牌传递协议和主、 从站之间的主从协议。
令牌传递协议确保每个主站有足够的时间履行他的通信任务,令牌在所有主站中循环一周的较长时间是一定的。主从协议保证主站在令牌持有时间内与从站的通信。

三、ProfibusDP单主站系统
ProfibusDP允许构成单主站或多主站系统。多主站配置中,主站与各自从站构成相互独立的子系统,涉及令牌的传递。而作为现场级总线系统,很多情况下是以PLC作为调节器和主站构成的单主站系统,这个系统如果不是封闭的（不与外界交换数据而独立运行）,有可能通过ProfibusFMS或别的现场总线连接到车间单元级等较大规模的网络,除此之外较有可能是PLC通过串行RS232与上位PC机（监控层）通信,

PROFIBUS-DP系统可由以下3类设备组成：

(1)一级DP主站(DPM1)：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站(如DP 从站)交换信息。

(2)二级DP主站(DPM2)：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时 使用，完成系统操作和监视目的。

(3)DP从站：DP从站是进行输入和输出信息和发送的外围设备。
Profibus-DP支持单主站或多主站系统，各主站之间传送令牌，主站与从站之间传送数据， 这就为系统配置组态提供了高度灵活性。主站通过获取令牌获得访问权，在令牌持有期间内 可进行操作，按照主站与主站和主站与从站通信关系表与其他主站和从站通信。主站与从站 之间的周期性采用主从方式，主站向从站发送或索取信息［2］。单主站系 统中，在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。
Profibus-DP数据链路层提供以下传输服务：
(1)发送要求确认的报文(SRD服务)：向某个从站发送报文，要求从站确认。

(2)不要求确认的广播报文(SND服务)：向一组从站发送报文，启动相应的SDN服务， 不要求从站确认。 

1 Profibus-DP的通信原理

在PROFIBUS-DP系统中，DPM1和相关DP从站之间的用户由DPM1按照确定的递归顺序 自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系做出规定，确定哪些DP从 站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP从站之间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段， 每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接收到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所 需的组态数据相匹配时，DP从站才进入用户阶段。因此，设备类型、数据格式、长 度以及输入输出数量必须与实际组态一致。在实际系统中，要使主站节点和各从站之间 能够实现正确的网络通信，必须对网络进行配置，规定主站与从站的关系，确定哪些从站 被纳入信息交换周期，然后将网络配置信息下载到Profibus-DP主站中去。
Profibus设备具有不同的性能特征(现有功能的不同或可能的总线参数的不同)，这些参数对 每种设备类型和每个生产厂来说均各有差别。要使PROFIBUS能够实现简单的即插即用配置， 需要将这些特性在设备数据库(GSD)中具体说明。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类 型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户。这种文件格式便于读出任何一种PROFIBUS DP设备的设备配置信息，在组态总线系统时自动使用这些信息；系统自动地对 与整个系统有关的数据输入误差和前后一致性进行检查核对。

2 PROFIBUS-DP通信在锅炉系统中的应用设计
以一个小型锅炉系统为例，采用Profibus-DP纯主—从方式通信，设 计5个PROFIBUS-DP从站节点，分别监控系统中各个被控对象：**个从站节点实 现对锅炉温度的控制和测量，*二个从站节点实现对进口流量的测量，*三个从站节点实现 对炉内液位的控制和测量，*四个从站节点实现对夹层温度的测量，*五个从站节点实现对 出口压力的测量。
2.1系统硬件配置

本系统主要由主站节点(一类主站)、现场智能单元(DP从站)组成一个分布式网络数据监控 系统，系统结构框图如图2所示。由组网设备完成组网之后，主从之间通过主站发送或请求 数据，从站响应或确认主站发送的数据来完成Profibus网络的数据传送。
2.1.1主站节点
在本系统中，主站接口模块使用瑞典HMS公司的ANYBUS Profibus-DP Master模块［3］ 。该模块是一种嵌入式设备。它具有一类主站所有的功能，支持从9.6kbit/s到12M bit/s之间的通信波特率，较多可以挂接124个从站。在硬件上通过2K的双端口RAM(DPRAM)与 用户CPU接口，双端口RAM区中还包括系统信息区、硬件信息区以及握手标记位。它的I/O数 据发送区和数据请求区较大均达到512个字节，还可开辟扩展缓冲区。在软件上提供邮箱报 文(Mailbox Message)与用户CPU进行信息交换。
在本系统中，主站节点通过与从站建立的通信关系实现对整个系统状态的监控。主站节点采 用ATMEL89C52芯片作为CPU，与Profibus-DPMaster接口模块共同构成PROFIBUS网络主站节 点，实现对网络节点的管理。CPU、静态存储器通过数据线、地址线以及控制线与接口模 块的双端口RAM进行数据交换，数据内容主要包括各个从节点的过程数据、状态信息、缓冲 区配置信息等。采用带有功能的电可擦除存储器(EEPROM)存储主站节点的运行参数、 现场总线网络的组网信息和节点状态信息。静态存储器(RAM)作为数据存储器存储从节点的 过程数据。主站节点的结构见图2上半部分。
2.1.2现场智能单元(DP从站)
在本系统中，Profibus-DP从站接口模块使用瑞典HMS公司的ANYBUS—SPROFIBUS-DP模块［4］。与主模块相类似，它也是一种嵌入式设备。硬件上通过2K的双端口RAM(DPRAM) 与用户CPU接口。现场智能单元以51系列的单片机为**处理器，主要完成对PROFIBUS从模 块的初始化，包括I/O映射区域的分配——映射区地址的分配、长度的设置，然后根据接口 映射区的地址分配实现I/O数据的读写操作。PROFIBUS从站接口模块嵌入在现场智能单元中 ，接收控制命令，提供主站所需的各种系统参数。现场智能单元的结构如图3所示。

现场智能单元对被控对象的工作参数、状态参数进行采集处理，并向DP从模块的输入映射区 写入信息和数据，供网络中的主站节点读取，进行上位机监视；同时从输出映射区读取主站 节点发送的控制信息，经判断后，对被控对象作出控制决策

ASI总线推荐使用的电缆型号为CENELEC或DIN VDE 0281[CENE-90]，并且要标明HO5VV-F2x1.5,这是一种两芯、横截面积为1.5mm2的柔性电源线，它既便宜又随处可见。另一种是具有相同电特性的ASI**扁平电缆，它在安装上非常方便。因为ASI电缆既要传输信号又是要提供电源，所以在选择电缆时必须注意两个方面的技术指标：**是通信频谱特性，*二是直流阻抗特性。在认为有较大干扰的情况下，则需要选择使用屏蔽电缆，如型号为（N）YMHCY-02x1.5的电缆，但它也必须满足规定的频谱特性要求。特别要注意的是屏蔽层在ASI电源端只能接地，而不能接在ASI+和ASI-端。
ASI电源的电压为29.51-31.5VDC，每个从站向传感器/执行器提供的电源电压VDC（+10%或-15%）。在一个ASI总线系统中，ASI电源可给31个从站提供的较大电流为2A，因此每个从站平均消耗的电流为65mA。如果从站带动的执行器功率较大，所需电流大于65mA时，则必须外接辅助电源。整个系统允许在ASI电缆上的较大压降为3V，因此电缆的横截面积不能小于1.5mm2，这样才能保网络中每个从站都能得到规定的电压值。
ASI电缆的等效电路模型，分为两芯电缆和带屏蔽层两芯电缆两种模型。电阻（R’）、电容（C’）、电感（L’）和电导（G’）值为ASI电缆的等效参数。传输速率为167Kb/s时，两芯电缆总的极限参数范围为：R’=20-50mΩ/m，L’=200-600nH/m，C’=35-70pF/m，G’=1-3μS/m。在同样的传输速率下，带屏蔽层的两芯电缆的极限参数为：R’s=10mΩ/m，Ls’=800nH/m，Cs’=300pF/m，Gs’=15μS/m。
ASI电缆的复数阻抗与传输速率之间的关系对系统的响应特性具有十分重要的意义。在传输速率为167Kb/s时，阻抗为80-120Ω，而**或**167Kb/s时，阻抗会迅速下降，因此当采用167Kb/s的传输速率时，将得到较大的信号幅值。

2 信号调制过程

ASI信号在传输前要进行调制，采用什么调制方法要考虑诸多的因素。例如附加在电源电压上的传输信号必须是交变的；主站和从站之间的双向通信要求双主都能够产生简单、有效和节省时间的窄带传输信号；使用非屏蔽电缆时不应有太多的干扰等等。ASI信号的调制采用交变脉冲调制方式（APM），这是一种在基频进行调制的串行通信方式。
主站发出的请求信号位序列首先转换为能执行相位变换的位序列，即曼彻斯特II编码，这样就产生了相应的传输电流。当传输电流通过电感元件时会产生电压突变，就产生了请求信号电压。每一个增加的电生一个负电压脉冲，而每一个减小的电生一个正电压脉冲，通过这种方法从站很容易得到请求信号。因为信号是叠加在电源上的，所以信号电压有时会大于从站的电源电压。在从站内并不需要电感元件，这就使得智能型传感器/执行器上的带有Slave Chip元件的一体化从站电路较小、较简单、较经济。在从站中接收电缆上的请求信号电压并转化为初始的位序列，就完成了一次主站向从站的请求信号的转换过程。
信号传输的电压脉冲被设计成正弦平方波方式，但要考虑到低频干扰的影响，通过选择合适的传输波形可以提高可靠性。经过这种调制后的信号在规定的拓扑结构中，每两位脉冲信号的间隔只有6μs。

3 电源和数据解耦

ASI电源和与之相连的数据解耦电路，ASI电源可以提供29.5-31.6VDC电压，完全满足**电工**（IEC）对安全隔离低电压的技术要求，较大可输出2A电流，并具有可靠的短路过载保护。数据解耦电路由两个50μH的电感和两个39Ω的电阻相互并联组成，通过电感可以将传输信号的电流脉冲转变为电压脉冲，同时它还具有防止频率信号经过电源而造成短路的作用，两个电阻代表了网络的边界终端。为使电路信号噪声较低，必须采用高对称性的电路结构，两个电容CE和两个电感L应完全相等，接地点要可靠接地，若采用屏蔽电缆，屏蔽层也应接到地上。如果2A电流仍不能满足从站的要求，就必须采用带有辅助电源的从站模式或使用带有附加电源的中继器。

4 访问方式和报文

ASI总线系统为主从结构，采用请求-应答的访问方式。主站先发出一个请求信号，信号中包括从站的地址。接到请求的从站会在规定的时间内给予应答，在任何时间只有1个主站和较多31个从站进行通信。一般访问方式有两种：一种是带有令牌传递的多主机访问方式；另一种是CSMA/CD方式，它带有**级选择和帧传输过程。而ASI的访问方式比较简单，为了降低从站的费用、提高灵活性，一方面在不增加传输周期的条件下尽量包括更多的参数和信息，另一方面传输周期的时间应能自动调整，例如系统中只有6个从站时，传输周期为1ms，而有31个从站时周期约为5ms。如果在网上有短暂的干扰时，主站没有收到从站的应答信号或收到的是错误无效的信号时，主站可以重发信息而*重复整个传输周期。
ASI总线的总传输速率为167Kb/s，它包括所有功能上必要的暂停。允许的网络传输速率为53.3Kb/s，从这一点看它的传输效率为32%，与其它现场总线系统相比，这个数值较好。但在电磁干扰的环境下应采取进一步措施，以保的可靠性。
一个ASI报文由主站请求、主站暂停、从站应答和从站暂停4个环节组成。所有的主站请求都是14位，从站应答为7位，每一位的时间长度为6μs。主站暂停较少为3位，较多为10位。如果从站是同步的话，在主站3位暂停后从站就可以发送应答信号。如果不是同步信号，那么从站就必须在5位暂停后发送应答信号，因为在这段时间内从站会在接收到完整有效的请求信号后监测主站的暂停情况，看看是否还会有其它信息。但是如果主站在10个暂停位后没有接收到从站的应答信号的起始位，主站会认为不再有应答信号而发出下一个的请求信号。从站的暂停只有1位或2位的时间。
在ASI报文中主站请求由以下具体信息组成：

ST　　　起始位　　　　主站请求开始，0为有效，1为无效。
SR　　　控制位　　　　数据/参数/地址位或命令位，0为数据/参数/地址位，1为命令位。
A0～A4　从站地址位　　被访问的从站地址（5位）。
I0～I4　信息位　　　　要传输的信息（5位），请求类型。
PB　　　奇偶校验位　　在主站请求信息中不包括结束位为1的各位总和必须是偶数。
EB　　　结束位　　　　请求结束，0为无效，1为有效。

在ASI报文中从站应答由以下具体信息组成：

ST　　　起始位　　　　从站应答开始，0为有效，1为无效。
I0～I3　信息位　　　　要传输的信息（4位），应答类型。
PB　　　奇偶校验位　　在从站应答信息中不包括结束位为1的各位总和必须是偶数。
EB　　　结束位　　　　应答结束，0为无效，1为有效。

5 主站请求和从站应答

在ASI主从结构中，主站所发出的报文在系统数据交换中占有重要的地位。主站的请求报文共有9种：（1）数据交换 要求从站把测量数据上传给主站，而主站又可以把控制指令下达给从站。（2）写参数 设置从站功能，如传感器的测量范围、定时器、在多传感器系统中改变测量方法等。（3）地址分配 只有当从站地址为00H时才有效。从站接到这个请求后，用06H回答，表示已收到了主站的正确请求，从站从此就可以在这个新地址被呼叫了，同时把这个新地址存储在从站的EEPROM中，这个过程大约需要15ms。这种方式使主站可以对运行中损坏后重新置换的从站自动进行原有地址的设置。（4）复位 把被呼叫的从站地址恢复到初始状态，从站用06H回答，整个过程需2ms。（5）删除操作地址 暂时把被呼叫的从站地址改为00H，这个报文一般和“地址分配”报文一起使用。当新地址确定后，从站用06H回答。如果使用指令“Reset-ASI-Slave”就可以恢复原地址。（6）读I/O配置。（7）读ID编码 从站的I/O设置和ID编码在出厂时已经确定，不能改变。（6）、（7）结合使用的目的是确定从站的身份。（8）状态读取 读取从站状态缓冲器中的4个数据位，以获得在寻址和复位过程中出现的错误信息。（9）读出状态和状态删除 读出从站状态缓冲器的内容，然后删除。
在以上9种主站请求报文中，数据和参数的传输有两种，设置和改变从站地址的有两种，对从站进行识别和查询的有5种。表1列出的是主站9种报文的名称和内容。6 传输故障特征

如果在非屏蔽电缆上进行高速ASI传输通信，那么电磁兼容性（EMC）问题就非常重要了。发射干扰和现场的场强幅射干扰都不应**过欧洲标准EN55011给出极限值，ASI系统的抗干扰能力在IEC801文件中已有详细的说明。大量的ASI系统测试数据表明，由于传输信号采用了正弦平方波，因此ASI系统的发射干扰保持在IEC的规定值以下。ASI系统对于静态放电在26M-1GHz频率范围内的电磁高速瞬间干扰的抵抗能力可达到3级。在较坏的情况下，通信将出现故障，但系统具有检测功能并可以对报文进行重发。因为是短信息，重发不会增加周期时间，只有在报文发生严重错误时，才会增加报文的周期长度。当位传输错误率在70b/s时，系统周期大约为5ms；如果错误率再高一点，周期时间变化不大，ASI仍能保持它所有的功能。只有误差**过5000b/s时，正常的才难以维持。
当ASI电缆被切断时（如错误短接或故障断开），主站将不能访问位于断点另一侧的从站，而位于主站一侧的从站仍可以被主站呼叫。通过管理服务程序主站能够诊断和发出故障信号，但前提是数据解耦电路和电源这时应在同一侧，否则系统就会完全瘫痪。如果在ASI系统中没有使用中继器，那么当电源发生故障时，ASI系统将停止工作，有关故障的信息也不会得到。但如果使用了中继器，因中继器可以向网络供电，那么电源故障的影响就会减小，系统将维持部分功能。
ASI总线的传输系统是连接网络系统中主站、从站、电源、控制器、传感器/执行器的通路和桥梁。报文信号在传输系统中要经过多次的变换和恢复，并要抵抗各种外界的干扰以保准确、、可靠的信息交换，它是ASI总线系统中重要的组成部分

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