PROFIBUS（精选10篇）
PROFIBUS 篇1
前两期专栏以XGate-DPS10模块应用为例介绍了如何设计DP从站,至此,已经可以设计各类从站。在开发过程中,设计者需要使用主站来配合完成从站各项功能的调试。对于设计好的从站,也需要接入PROFIBUS-DP网络来测试其稳定性。传统的方法是采用带PROFIBUS-DP接口的PLC或PROFIBUS-DP专用PC接口卡作为主站。但是,开发者将面临一些问题,即必须懂得PLC编程,或者,必须了解PROFIBUS原理并花时间编写PC应用软件来使用PC主站卡。值得一提的是,这些PLC或PC主站卡都价格不菲,一般用户难以承受。无论从哪个角度来讲,对于PROFIBUS陌生或者时间紧迫的开发者来说,这都不是他们的最佳选择。本期的讲解将使得开发工作“柳暗花明”,因为这里为开发者提供更好的选择:使用方便的PROFIBUS调试助手——ProfiAssist。
1 ProfiAssist简介
ProfiAssist及测试模式如图1所示。ProfiAssist的主要功能特点如下:
·全面的数据统计分析功能,智能实时列表;
·模拟主站功能,支持单主网络的模拟测试;
·解码FDL、DP、DP-V1,全面分析总线的所有关键参数;
·参数设置、配置设置、数据交换、诊断信息、全局控制;
·完整总线和单个设备的日志记录功能;
·实时显示、分析从站响应;
·可对报文进行筛选和存储,支持记录和显示过滤;
·USB2.0接口,方便移动环境使用;
·支持特定条件查找及标记功能;
·支持Windows2000/XP/Vista系统。
2 ProfiAssist组网
ProfiAssist支持单主网络测试,并自动检测在线的从站,一个典型的ProfiAssist测试网络拓扑如图2所示,在该网络中,既有使用致远XGate-DPS模块开发的从站设备,也有其他厂商的DP设备。
3 ProfiAssist测试
在正确安装了软件和驱动,并按图2连接测试好网络后,就可以启动软件测试了。使用ProfiAssist测试从站比较简单,其步骤如下:
(1)打开ProfiAssist软件,首先需要选择测试模式,并指定总线波特率,如图3所示。
(2)在测试模式下,点击“搜寻”查找在线从站,查找到的从站都列在了“从站管理”树中。测试界面如图4所示。界面的左侧是“站状态区”,在线或曾在线的从站的状态均显示在这里;在界面最下方是各在线从站的“测试操作区”;界面中部是“测试分析区”,发送的帧和接收的帧都在此显示,供开发者分析。如果当前从站不在线,图标上会以红色的“x”标记,同时,在“从站”操作栏中,相应的“测试操作区”消失。“测试操作区”依据从站功能分为“1类主站”和“2类主站”两部分。“1类主站”一栏包括从站的输入和输出数据镜像、诊断数据镜像、配置数据镜像及全局控制,在输出区,可以手动输入输出数据。“2类主站”包括“读输入”数据镜像和“读输出”数据镜像。
(3)在启动主站测试前,需要配置从站,点击“配置参数”进入配置界面,该步骤很重要,这里设定的从站参数是基于实际从站属性,并符合从站GSD文件描述。如图5所示,如果站号连续且配置相同,可以采用批量配置。在“用户参数”栏中的设置在GSD文件中有描述,包括数据的顺序,“复选框”的内容一般采用默认设置。PROFIBUS可将网络分为8个组,可勾选“组成员”下的8个组号来选择,注意不可复选。在“用户参数”文本框中,前3个字节是DP V1使用参数,其后是用户根据实际自定义的参数,这些数据的意义可具体到位(bit),这些设置必须和GSD文件描述一致。同样,配置数据也在GSD文件中描述,它用于描述从站设备输入输出长度及数据安排。如何生成这些数据,可参考《XGate-DPS10数据手册》。
(4)所有从站配置完成后,点击“启动主站”开始测试,测试区的数据镜像将实时更新,来自从站的输入数据更新在“输入”文本框中,设置在“输出”文本框的数据将发送到从站,点击“诊断”、“获取配置”、“读输入”、“读输出”将获得相应的数据镜像。测试结果直观地反应在数据镜像文本框中,同时,在“测试分析区”显示了完整的帧信息。“诊断”数据镜像是分析的重点,它直接反应了从站的故障和状况,请参考《XGate-DPS10数据手册》的相关章节获取更多的信息。
PROFIBUS-DP从站应用广泛,在零起点和高效开发中,选用适合的开发工具和协议模块是决定开发效益的关键,XGate-DPS系列模块解决了这个问题,而ProfiAssist的出现更是让开发者的设计如虎添翼,它的功能实用,操作简单,解除了昂贵工具费和必备相关知识的困境。
广州致远电子有限公司致力于嵌入式系统、工业通讯网络的技术研发与应用推广,自主研发了一系列PROFIBUS-DP网络产品,包括嵌入式模块、通讯卡、调试工具、PC软件、OPC服务器等,并提供基于PROFIBUS总线的整套组网方案及应用集成。
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◎PROFIBUS系列产品
PROFIBUS 篇2
摘要 本文以山西省某污水处理厂为例，论述了基于Profibus总线的DCS系统在污水处理领域的应用。对系统的硬件、软件结构及工作原理进行了说明。运行表明，该系统能够满足污水处理的自动控制要求，并且具有先进、可靠、控制性能好等优点。
关键词 污水处理；现场总线；分布式控制前言
污水处理厂DCS系统是根据进入污水处理厂的水量、水质等变化指标对提升泵房、P－MSBR生化反应池、污泥脱水间、风机房、紫外线消毒池、排水泵房等进行控制，并把现场各子单元的工艺参数、报警参数、历史数据等通过现场总线传输到中控室的PC机上，在中控室显示器中反应出来，并能自动打印。通过工业以太网和厂长办公室以及当地环保部门相连，随时监视厂里的生产情况。综合考虑投资、运行成本、处理效果、污水水质等因素，污水处理工艺可分为物理处理、生物处理和化学处理。典型的工艺流程如图1所示：
图1 典型工艺流程图
污水经过粗格栅清除较大的固体悬浮物后进入曝气沉砂池，在沉砂池侧壁下部鼓人压缩空气，污水中的有机物处于悬浮状态，而吸砂机则将沉砂吸出，送到砂水分离器，污水进人初沉池，至此，完成污水的物理处理工艺阶段。污水进人曝气池，保持好氧条件。对沉淀产生的污泥进行浓缩、消化、脱水等处理。大部分二沉池的污泥回流人曝气池进口。完成生物处理阶段工作后，根据需要选择化学处理方法，最终使污水达到国家排放标准[1]。2 现场总线与分布式控制概述
2.1 现场总线的概念
现场总线是一种在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，可以完成现场自动化设备之间的多点通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换.它是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输[2]。
2.2 现场总线技术的基本特征
开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统，产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。
(1)开放性：现场总线是开放互连网络。现场总线标准、协议、规范是公开的，现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层次网络互连，用户可共享网络资源。
(2)分散性：现场总线是结构与功能高度分散的系统。结构上采用了全分布式方案，设备之间可点对点、点对多点或广播多种方式通信。连接到总线上的现场设备是智能化的，且具有按照现场总线协议、规范进行数字通信的能力，并且能够实现分散的功能模块，完成测量、控制、通信的一体化。
(3)低成本：现场总线开放的体系结构省去了中间的控制站，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构，将一对一模拟信号传输方式变为一对多的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的D/A转换装置、布线安装成本和维护费用。
2.3 Profibus现场总线技术
主流的现场总线技术有以下几种：FF，CAN，Lonworks，DeviceNet，Profibus，Hart，CC-Link，WorldFIP，Interbus。下面主要介绍本文用到的Profibus。
Profibus是过程现场总线的缩写，是20世纪80年代末兴起的一种高可靠性、低成本、组态方便快捷、互换性高、互操作性强、便于运行、系统开放的总线系统，代号DIN19245。Profibus具体规定了串行现场总线的技术和功能特性，它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间网络化[3]。
Profibus系统以ISO7498为基础，以开放式系统互联网（OS）I作为参考模型，包括Profibus－DP、Profibus－PA和Profibus－FMS。Profibus－DP是一种高速和便宜的通信连接，它专门为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用设计。其特点是快速、即插即用、效率高、成本低s。Profibus－PA是专门为过程自动化设计的，可用于爆炸危险区域，其特点是面向过程控制，总线供电，本征安全。Profibus－FMS是用来解决车间级通用性通信任务的，可用于大范围和复杂的通信系统。其特点是通用、大范围应用、多主通信。
现场总线控制系统对现场自动化设备的要求较高，而现间段由系列智能节点（控制器、传感器、执行机构等）构成的统一的现场总线系统价格昂贵且难以实现，所以由PLC、PC和现场总线组成与DCS相兼容的系统是比较经济合理的选择。
2.4 分布式控制
分布式控制系统(Distributed Control System)现已成为工业生产过程控制的重要手段，目前已广泛应用到电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业。传统的工业自动化系统中的现场层设备与控制器之间的连接, 是采用一个I/O 点对设备的一个测控点的连接方式,每一个数据至少需要一对双绞线, 一般每个设备只能提供单一的过程信号，大量的相关数据很难得到。传统的DCS 系统结构分为3层, 图2为一个典型的传统DCS 结构图。
图2 传统DCS结构 图 3引入现场总线后的DCS体系结构
虽然在FCS 系统中, 一对双绞线或一条电缆上可以挂接多个设备, 使得硬件数量与投资大为降低。而且通信总线直接延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构, 使操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定,从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力。但是在一些大型的控制系统中存在着许多比较复杂的闭环控制, 系统运行的模式变化也较多, 必须由运算能力强大的DCS 控制器来完成控制作用。所以, 即使出现FCS, 传统的DCS 结构依旧具有其存在的必要。引入现场总线后的DCS 体系结构如图3所示。
系统构成 3.1 DCS系统层次
根据本污水处理厂工艺特点和技术要求，整个污水处理厂的DCS系统分三个层次：现场控制层、车间监控层、厂级监控层。
车间监控层包括：1＃PLC站（预处理系统）主要包括粗格栅、提升泵、细格栅、沉砂池设备等，主要检测参数有水位、流量、液位差等；主要监控设备有粗格栅、提升泵等。2＃PLC站（生化处理系统）主要包括P－MSBR生化反应池、风机房等，主要检测参数有溶解氧、液位、电流、电压、功率等，主要监控设备有鼓风机、泵类等。3＃PLC站（泥处理系统）主要包括污泥浓缩池、污泥脱水机房、紫外线消毒系统出水等，主要检测参数有液位、水量水质等，主要监控设备有泥处理设备、消毒设备[4]。
现场控制层包括各子站、各分站及现场设备。厂级监控层包括中控室及厂长办公室。
PLC是整个DCS控制系统的核心，负责现场控制信号的处理、执行机构的控制。在处理的关键环节设置现场控制站，本系统中的预处理系统、生化处理系统、泥处理系统分别用一个PLC控制系统，根据实际处理情况和要求，控制泵站系统、曝气设备和排泥设备的启停和工况，以达到设备的最优运行状态，保证污水处理效果。本污水处理厂40kW以上电机全部采用软启动，避免了电机突然启停对电网和设备造成冲击。下位机采用西门子公司的S7－300系列产品，它通过接口模板IM153－3及Profibus－DP网和上一级的PLC站相连进行数据交换和命令传输[5]。系统网络结构如图4所示。
图4 系统网络结构图 3.2 监控软件
上位机采用西门子公司的WINCC监控组态软件，实现对整个工艺流程的设备运行状况的实时监控，将工艺流程以直观的画面显示出来，记录在线检测的参数、设备运行状态和过程，分析参数的变化趋势，及时发布和预告情况，实时诊断和报警[6]。中央控制室设置两台互备的上位机（IPC）冗余相联，有两个完全独立的中央处理站（双电源、双CPU）用以对系统进行开发编程、在线调试和数据修改、存放各种历史数据。值班员通过显示器上显示的各种曲线、报表、画面和声音，可以全面监控工厂工艺参数变化情况、设备运行情况、故障发生情况，通过键盘和鼠标对各站进行远程操作，通过设置的打印机打印所需要的各种资料，控制车间各站的工作状况，根据要求对车间各站发布命令，并能将污水处理厂的各种信号经网络管理层的服务器传输。
厂级监控层作为系统的人机接口单元，可实现对污水处理厂的整个产生过程进行监控，同时又可将污水处理厂的各种现场信号经以太网向上一级的管理服务器传输并执行管理层下达的命令。本系统采用Windows NT4.0操作系统、西门子公司的控制系统组态软件WINCC4.2。该软件是工控界流行的Windows界面软件，它支持TCP/IP协议，因而方便管理。利用它很容易开发各种监控界面，显示现场各种工艺参数、状态、历史曲线、故障发生情况等。并利用键盘操作来进行参数的设置及对现场设备的控制。
结论
将基于Profibus的分散控制集中管理的DCS系统成功地运用于污水处理厂，实现了全厂生产过程的自动化，达到了节能降耗、保护设备的目的，减轻了工人的劳动强度，提升了管理水平，提高了工作效率和处理效果，创造了良好的社会效益，改善了周边环境，减轻了对下游水源的污染[8]。参考文献
PROFIBUS 篇3
【关键词】profibus-DP；变频器；波特率
1、引言
Profibus是安装在生产过程区域的现场设备与辅助室内部系统之间的一种串行、数字式、双向通信的数据总线。他以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用数据总线相连接，实现相互交换数据。我厂打包机是通过PROFIBUS-DP实现西门子400cpu与西门子I/O卡、传感器、变频器相连接，从而实现自动控制。
2、Profibus-DP的带来的好处
自动控制系统的体系结构，将由模拟与数字的分散型控制系统转换为全数字现场总线控制系统，进而自动控制系统的设计方法和安装调试方式也将发生重大的改变，Profibus-DP把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成了企业信息网络的底层，从而实现了企业信息集成和自动化控制。profibus-DP控制与传统相比较的优点在于：节省硬件成本；设计、组态、安装、调试简便；系统的安全、可靠性好，减少故障停机时间；系统维护、设备更换和系统扩充方便；用户对系统配置、设备选型用最大的自主权；完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。
3、Profibus-DP的传输特点
Profibus-DP是依据RS485的异步传输，波特率从9.6kbit/s到12mbit.s可选，使用的是双绞屏蔽电缆，每段电缆上允许安装32个站，每条线路上最多允许126个站。电缆的实际距离和波特率相关，一般12mbit/s的距离为100m，1.5mbit/s的距离为400m，小于等于187.5kbit.s的距离为1000m，通过中继器可将距离延长到10公；Profibus-DP使用的接头为9针D型插头。
4、Profibus-DP网络在打包机系统中的应用
远达16万吨生产线有2台2000C型全自动进口打包机，打包机设计能力为日产量270吨/台；此打包机是目前已应用的速度最快的提箱式打包机，与传统机型相比，不需停车更换包布，适用于连续生产的粘胶短纤行业，其所有控制卡件及设备全部采用Profibus-DP网络。
4.1、硬件组态
打包机系统总线采用的是目前世界上先进的现场总线技术（profibus-dp总线）。主控单元为CPU414-2 DP作为profibus-dp主站，I/O输入/输出模块（IM151）、变频器、编码器、称重传感器DK800作为profibus-dp从站。主从站及他们之间的连接构成了完整的profibus-dp总线网络。其中主从站数量、传输速率、传输距离等的优化，在保证系统正确，快速工作的前提下，可大大提高系统稳定性。
4.2、支持最大站数
标准Profibus-dp系统每条链路最大可连接126个站，站号从0-125。目前二期远达打包机系统DP网络最大配置为：1个主站+11个变频器+1个耦合器+5个IM151模块+1个编码器+1个IM151+1个耦合器+4个变频器+5个IM151+1个编码器。整个网络通过2个耦合器把DP网分成了四部分。
4.3、支持的传输速率
标准DP支持一下传输速率（单位：kbps）：9.6、19.2、187.5、1500等。二期打包机使用的是1500。
5、结束语
PROFIBUS—DP目前应用比较广泛，通过在打包机控制系统上的应用，我们对它有了更加深入的了解，采用profibus-dp实现分布式控制可靠性高、抗干扰能力强，安装、调试和设备维护方便，提高了生产效率和管理水平。
参考文献
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999
[2]郝莉，王东兴.PROFIBUS—DP从站开发研究.北京机械产业学院学报，2000，（3）；15～1
PROFIBUS现场总线技术 篇4
1 现场总线的现状
目前世界上存在40多种现场总线, 如德国西门子公司的PROFIBUS、Rober Bosch公司的CAN、国际标准组织-基金会现场总线FF (Foundation Field Bus) 、美国的Device Net和Control Net、法国的FIP、英国的ERA、挪威的FINT等等。其中, PROFIBUS是当前国际上通用的现场总线中8大现场总线之一, 而且以它的技术优势和开放性, 日益得到诸多厂商的支持, 逐渐成为现场通信网络的优秀解决方案, 目前其全球网络节点数年均增长几百万个。
2 PROFIBUS的组成部分
PROFIBUS已被纳入现场总线的国际标准IEC61158和欧洲标准EN20170, 并于2001年被定为我国的国家标准JB/T10308.6-2001。ISO/OSI通信标准由七层组成, PROFIBUS协议使用了ISO/OSI模型的第一层 (物理层) 、第二层 (数据链路层) 和第七层 (应用层) 。
PROFIBUS提供三种通信协议:P R O F I B U S-F M S、P R O F I B U S-D P、PROFIBUS-PA。PROFIBUS-FMS (现场总线报文规范) , 使用ISO/OSI通信标准的第一、二、七层, 主要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据。PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery, 分布式外部设备) , 使用ISO/OSI通信标准的第一、二层, 用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信。PROFIBUS-PA (Process Automation, 过程自动化) 用于过程自动化的现场传感器和执行单元的数据传输。
3 PROFIBUS的通信模型
PROFIBUS通信模型是根据ISO7498国际准, 采用开放式系统互联网络 (ISO) 作为参考模型的, 该模型共有七层, 而PROFIBUS只使用了第一、二、七层, 第三至第六层没有使用。
第一层 (物理层) :是协议的最底层, 功能是为终端设备间的数据通信提供传输媒介及连接。PROFIBUS-FMS/DP/PA物理层不尽相同。
第二层 (数据链路层) :数据链路层是物理层和应用层之间, 实现物理层和应用层之间的数据路的建立、链路管理、链路控制、差错控制链路结束。PROFIBUS-FMS/DP/PA数据链路层是一致的。
第三层 (应用层) :应用层是操作者与控制系统的接口, 方便人机互动, 使整个系统具有更强大的开放性。
第四层 (用户层) :用户层建立在应用层之上, 与应用层建立统一的数据库存取规则, 最终实现用记的控制程序。
4 PROFIBUS的通信组成
PROFIBUS-DP是PROFIBS协议的主体, 它负责主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息, 总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。可实现功能包括:DP主站和DP从站间的循环用户;各DP主站的动态激活和可激活;DP从站组态的检查;具有强大的三级诊断功能;输入或输出的同步功能;通过总线给DP从站赋予地址;通过总线对DP从站进行配置。PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统, 在同一总线上最多可连接126个站点, 系统配置内容包括:站数、站地址、输入和输出地址、输入和输出数据格式、诊断信息格式等。
5 PROFIBUS通信方式
PROFIBUS支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统3种传输方式。主站具有对总线的控制权, 可主动发送信息, 对多主站系统来说, 主站之间采用令牌方式传递信息, 得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权, 应事先规定好令牌在各主站之间中循环一周的最长时间。按PROFIBUS的通信规范, 令牌在主站之间按地址编号顺序, 沿上行方向进行传递。主站在行到控制权时, 可以按主-从方式, 向从站发送或索取信息实现点对点通信。PROFIBUS系统的物理层也还可以支持光纤, 大大扩展了通信范围。
6 PROFIBUS的优势
PROFIBUS总线技术与其它总线技术相比有以下几个方面优势:
(1) PROFIBUS应用范围广, 具有开放性和互用性。
(2) PROFIBUS可远距离高速度传输数据。
(3) PROFIBUS根据不同的应用对象可灵活选取不同规格的总线系统。
(4) PROFIBUS具有对环境的适应性。传输介质支持双绞线、同轴电缆、光纤等。
(5) PROFIBUS具有西门子等厂商支持。
7 结束语
随着电子技术、网络技术、计算机技术和自动化控制技术的发展, PROFIBUS现场总线技术将具备更强的性能、更高的可靠性、更好的性价比, 将有更多的工程技术人员学习和掌握它, PROFIBUS现场总线技术应用将越来越广泛。
摘要：本文介绍了PROFIBUS是一种国际化、开放的现场总线标准, 它是一种能把各网络节点的智能设备连接成自动化网络系统的协议。
关键词：PROFIBUS,现场总线
参考文献
[1]向晓汉, 西门子PLC工业通信完全精通教程[M].北京:清华大学出版社, 2013.
[2]阳宪惠, 现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社, 2008.
[3]顾洪军, 工业企业网与现场总线技术及应用[M].北京:人民邮电出版社, 2002.
PROFIBUS 篇5
关键词：PROFIBUS-DP；冗余；Y－Link; ET200M.
1前言
随着计算机控制的迅速推广和普及，许多企业已大量使用各种可编程设备，如工业控制计算机、PLC及变频器等。有的企业已经实现了全车间乃至全厂的综合自动化，即将不同产品的可编程设备连接在单层或多层网络上，使它们相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此，通讯与网络已成为控制系统中不可缺少的重要组成部分，也是控制系统中设计与维护的重难点之一。
2软硬件构成
PROFIBUS是不依赖于生产厂家，且开放的现场总线，各种自动化设备均可通过同样的接口交换信息。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。特别适合于PLC与现场级分布式I/O设备之间的通讯。
2.1硬件
（1）总线连接器
PROFIBUS-DP标准推荐总线站与总线的相互连接使用9针D形连接器。D形连接器的插座与总线站相连接，而D形连接器的插头与总线电缆相连接。连接器的接线见表1。
表1总线连接器的引脚分配
（2）总线终端器
在数据线A和B的两端均应加接总线终端器（见图1）。总线终端器的下拉电阻与数据基准电位DGND相连；上拉电阻与供电正电压VP相连。当总线上没有站发送数据时，这两个电阻保证总线上有一个确定的空闲电位，用开关来选择是否使用它。
2.2软件
（1）通讯模型
PROFIBUS-DP可以使用灵活的拓扑结构，支持线性、树形、环形结构以及冗余的通讯模型。
（2）电子设备数据文件（GSD）
为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件，即电子设备数据库文件方式提供这些产品的功能参数（如I/O点数、诊断信息、波特率、时间监视等）。标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据GSD文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。GSD文件可分为三个部分：
①总规范包括生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔及总线插头指定信号。
②与DP主站有关的规范包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数、上装/下装能力。
③与DP从站有关的规范包括从站输入/输出通道数、类型、诊断数据等。
3应用
下面以六米焦炉为例，对PROFIBUS-DP冗余网络通讯如何实现控制，进行具体阐述，见图2。
图2 PROFIBUS-DP网络通讯系统
3.1冗余系统
CPU采用的是西门子S7-417H冗余系统。打开STEP7,在STEP7中新建一个项目，在Insert菜单下的Station选项中选择SIMATIC H Station，添加一个新的S7-400H的站。具体组态步骤如下：
（1）在S7-400H站目录下双击Hardware打开硬件配置。
（2）添加一个UR2 H机架。
（3）配置电源和CPU，并设定CPU上PROFIBUS DP主站的地址为2。
（4）添加同步子模板到IF1和IF2槽位上。
（5）添加以太网网卡并配置MAC网络地址。只有以太网可以与HMI系统WINCC通信。
（6）将机架0的硬件配置拷贝，粘贴，复制机架1并调整网络参数，如：以太网的MAC地址等，在硬件组态中出现两个机架，见图3。
图3 S7-400H的硬件配置图
（7）系统参数设置
容错站中的模板参数赋值与S7-400标准站中的模板参数赋值没有什么区别。
对于中央处理器单元只需对CPU0（机架0上的CPU）设定CPU参数，所设定的数值将自动分配给CPU1（机架1上的CPU）。
若CPU0和CPU1没有形成环网，那么两者参数完全一样，否则，以下参数CPU1的设置将与CPU0不同：
CPU的MPI地址
集成PROFIBUS DP接口的站地址和诊断地址
I/O地址区中的模板
在I/O地址区编址的模板必须完全在过程映象内或完全在过程映象外，否则不能保证数据的一致性。
CPU系统参数设置具体如下：
①点击Cycle/Clock memory（循环/时钟存储器）”选项栏，设置CPU循环处理参数。
建议设置：
扫描循环监视时间尽可能长（例如6000 ms）
过程输入映象尽可能小（稍大于实际使用的输入点数）
过程输出映象尽可能小（稍大于实际使用的输出点数）
出现I/O访问错误时调用OB85：只用于输入错误和输出错误的情况。
②设置诊断缓冲区中的报文数量
在“Diagnostics/Clock（诊断/时钟）”选项栏中可以设置诊断缓冲区的报文数量
建议设定较大数值，例如：1000。
③模块的监控时间
在“Startup（启动）”选项栏中，可以指定模块监视时间，它取决于容错站的配置。如果监视时间太短，CPU将在诊断缓冲区中输入W#16#6547事件。
参数的传输时间取决于以下因素：
总线系统的传输速率（传输速率高=>传输时间短）
参数和系统数据块的大小（参数长=>传输时间长）
总线系统上的负载（从站多=>传输时间长）
建议设置：600（对应于60秒）
④CPU自检周期
在“H Parameter（冗余系统参数）”选项栏中，配置CPU后台自检的周期。可选范围为10分钟到60000分钟。建议设置：使用缺省值90分钟。
3.2配置ET200M从站
I/O模块采用PROFIBUS-DP远程通讯的方式，用ET200M来实现。具体步骤如下：
（1）点击DP总线“master：DP master system（1）”,在硬件目录PROFIBUS DP下，选择一个IM153-2的站点，双击添加一个ET200M站。
（2）设定ET200M站的地址。
（3）在ET200M站上添加I/O模块。
从站配置后见图4。
3.3 Y-Link
由于本设计采用冗余系统，故在现场的控制级设备的DP通讯就必须用Y-Link来实现。配置Y-Link耦合器步骤如下：
（1）点击DP总线“master：DP master system（1）”，在硬件目录的DP/PA Link下选择IM157，并双击添加一个站。
（2）设定Y-Link的站地址
（3）选择将Y-Link设置为一个DP/DP耦合器。
（4）在Y-Link后的PROFIBUS总线上添加单一总线接口的从站站点，如：Masterdrive等。组态变频器、编码器等现场设备需要安装相应的GSD文件，组态完成的界面见图4。
图4 ET200M和Y-Link配置图
4结束语
PROFIBUS-DP技术的应用，提高了设备的自动化控制水平，不但减少了设备间大量的硬线连接与设备的故障点，使运行更加安全可靠，而且用户平时维护的工作量也大大减少，同时节约了投资设备的后继成本，是工业现场控制级设备电气自动化发展的方向，是网络发展的趋势，也是信息技术发展的必然结果。
参考文献
[1]SIEMENS工业通讯及现场设备手册.2010.10
[2]SIEMENS MMV440系统使用大全手册.2011.08
[3]SIEMENS SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制使用大全手册. 2011.06
PROFIBUS 篇6
随着电子技术和计算机技术的不断发展, 工业生产过程的控制系统正在向着智能化、数字化和网络化的方向发展。传统的集散控制制方式和计算机分层控制方式已经开始让位于智能终端与网络结合的总线网络控制方式。总线网络控制方式是指通过一个适当的现场总线把系统中的各种设备连接在一起, 从而形成一个完整的封闭系统, 连接在总线上的设备可以是各种具备智能和通信功能传感器和控制器, 也可以是通信设备和计算机。连接在总线上的设备之间都能直接进行信息交换。因此, 以总线为核心形成一个完整的控制网络, 其系统具有设备之间的信息交换的能力, 具有设备自调整的能力, 同时还有与internet直接连接的能力。现场总线网络可以被看成是信息系统的直接终端, 是一种以信息网络技术为基础的控制系统, 实现了控制灵活、分散控制、信息共享、优化企业生产过程、实现企业量化管理、提高生产效率。
1 PROFIBUS的组成
PROFIBUS由PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-dp、PROFIBUS-paD 3个系统组成。
1.1 PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-FMS主要用于主站之间的对等通信, 但随着以太网技术的发展, 车间管理级的通信将越来越多地采用100m的高速工业以太网技术。另外, FMS推荐只用于不同厂家主站之间的通信。对于同一厂家的控制设备, 例如全是西门子设备可以采用S7协议或FDL协议, 它们和DP、FMS协议在同一根电缆上并行。
1.2 PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP主要用于现场级的主从通信, 例如PLC或PC和远程I/O、传动装置、人机界面等之间的通信。同时, DPV1补充协议定义了从站之间的直接通信功能, 这使得PROFIBUS的实时性又得到进一步的提高。
1.3 PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA主要用于主站与仪表、变送器等之间的通信, 具有本质安全特征。通常DP与PA结合使用, DP作为高速的骨干网络, PA置于防爆区。
2 PROFIBUS特点及技术特性
2.1 一切集成到一条总线上
1) PROFIBUS的通用性证明其最适合应用于“混合式”工厂内, 最具代表性的就是过程工业。除了生产本身的批量或连续工序以外, 包括分散的上游领域, 以及生产末端的下游领域。总体而言, 这些分散的应用通常占有数量优势。此外, 还有必要考虑需要本质安全的危险区域以及与安全相关的应用。使用的设备种类包括从简单的开关或通用的4mA~20mA设备到复杂的过程设备, 从驱动器到变频器的安全设备。“混合型工业”的各个市场领域只须使用一种现场总线:PROFIBUS。
2) PROFIBUS-DP是一种通用性的高速骨干网络, 传输速度可达12Mbit/s, 可以将主生产线上从上游到下游的所有设备连接在一起。本质安全的现场设备可以整合到各个部分, 并且分别完成工艺工程的特殊要求, 以便在总线上实现本质安全的电源供应和热拔插功能。这种匹配的物理传输介质和PA设备应用行规就是指PROFIBUS-PA, 可以确保过程设备具有相同的性能特点。传输速率采用固定的31.5 kbit/s的耦合器可适用于向总线上的设备提供电源以及与PROFIBUS-DP的连接。这种耦合器能够处理PROFIBUS-DP到本质安全的“MBP”接口的物理转换。由于在PROFIBUS-PA上采用同一通讯协议, 所以可以从PROFIBUS-DP无缝过渡到PROFIBUS-PA, 而不存在系统中断或其它其它现场总线系统所需的协议转换。
3) 与安全相关的任务也可以通过使用PROFIsafe应用行规的PROFIBUS总线上执行。对于用户而言, “一切集成到一条总线上”意味着可以避免设备故障和减少工厂内的接口。这样可以带来更高的操作可靠性和实用性, 减少工程、文件编制和培训的间接费用, 并最终拥有中央数据库的优势。
2.2 灵活多样的解决方案
本质安全设备是在工厂防爆危险区进行操作的一项不可或缺的前提条件。PROFIBUS可以采用两种不同的方式实现:
1) 在PROFIBUS-PA采用MBP-IS接口技术, 提供符合IEC标准的两线制供电技术。MBP-IS符合FISCO模型。就在本质安全环境下即:每个总线段都只有一个有源终端。
2) PROFIBUS同时规定了具有EExi保护等级的RS485-IS接口。它提供在危险区直接使用PROFIBUS-DP远程I/O站的可能性, 这种方式的好处可提供很高的通信数据速率。
2.3 集成的故障安全技术
PROFIBUS在整合了所有设备的安全功能之后, 标志着一个决定性的转折点。这种基于软件的PROFIsafe应用行规也可以在其它没有更改的标准设备中实施, 从而可以在一条或相同的总线上运行故障安全的标准应用。因此, 不再需要一条单独的安全总线。由于减少了所需的硬件, 所实施的安全应用无须专用设施, 并能够减少用户成本, 而且可以降低工程和安装费用。
2.4 基于PROFIBUS的系统诊断技术
在配置有现场总线通讯设备的工厂内, 从智能型现场设备获取的有关运行状况以及最近的过程环境的信息具有重要的实际作用, 尤其是在工厂维护方面, 用户获得的好处是显而易见的。过去现场出现问题靠维修人员跑到现场检查故障设备, 而现在基于PROFIBUS的系统诊断技术能够优化自动化系统的价值工程, 它可以为整个项目的生命周期提供支持。从设备安装、系统的调试以及系统运行和维护阶段, 系统诊断技术可以为现场技术人员提供丰富详细的系统诊断信息。
3 结论
现有的现场总线系统有其自己的市场位置, 随着网络协议的融合技术的不断加强, 集成多种通信协议的工业“网关”产品将占有更大的市场份额。可以预见, PROFIBUS是具有巨大发展前途的“自动化技术”。
摘要：本文介绍了PROFIBUS的组成及技术特性。从通信过程的效率、传输速度、可靠性及诊断技术等方面, 说明了使用现场总线技术对企业进行了成本优化、逐步进行现场化或扩展, 以推进现场总线PROFIBUS技术的应用, 从而提升工业自动化技术水平。
关键词：现场总线技术,网络,PROFIBUS
参考文献
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社, 2010.
PROFIBUS 篇7
1 几种主流的现场总线的简介
(1) 基金会现场总线 (Foundation Fieldbus简称FF) :FF分H1低速和H2高速两种通信速率。
(2) CAN (Controller Area Network控制器局域网) :由德国BOSCH公司最早推出, 广泛用于离散控制领域。
(3) Lonworks:被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、工业过程控制等行业, 被誉为通用控制网络。
(4) PROFIBUS∶PROFIBUS是德标和欧标的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-NET、PROFIBUS-PA系列组成。
(5) HART (Highway Addressable Remote Transducer) :HART最早由Rosemount公司开发。属于模拟向数字系统转变的过渡产品。
Profibus不依赖于个别供应商, 采用国际化开放式的现场总线标准, 即EN50170欧洲标准。在目前工业的各个领域里, 这种Profibus技术已得到非常广泛的使用, 几乎已渗透到各行各业。Profibus是一种具有一定代表性、影响大和应用广泛的工业现场总线。
2 Profibus现场总线的概述
Profibus现场总线是应用在生产现场的、实现测量和控制之间的双向串行多点通讯的数字系统。把专用的Profibus协议芯片嵌入传统的测量、控制等现场设备内, 使之具有数字计算、通讯能力, 形成可接入Profibus现场总线的现场设备站点。它采用一定的媒体作为连接这些站点的通讯总线, 常用的有双绞线和光纤。按照Profibus的公开和规范的通讯协议, 对已接入到现场总线的多个设备站点之间和设备站点与远程监控计算机之间, 可实现数据传送和信息交换, 形成适应实际需要的自动化控制系统。
Profibus现场总线本质上是一种控制网络, 与Internet, Intranet等类型的信息网络不同。控制网络直接面向生产过程, 要求有很高的实时性、可靠性、数据的完整性和可用性。但在完整的企业网的构架中, Profibus现场总线仍然起着非常重要的作用, 要通过由Profibus现场总线构成的控制网络, 实现从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输。一般讲, 企业网络系统的应用具有3个层次的结构。从底向上依次为过程控制层 (PCS) 、制造执行层 (MES) 和企业资源规划层 (ERP) 。
其中过程控制层, 即Profibus构成的现场设备层, 是整个企业网络系统模型的核心。所以, Profibus现场总线一方面要确保挂在总线上的现场设备之间的数据传输, 完成其控制任务;另一方面也要确保现场设备层与中间监控层、Internet和Intranet应用层之间的数据传输, 实现控制网络与信息网络的紧密结合。
3 Profibus现场总线的兼容版本及基本特征
Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准, 广泛用于制造业自动化、流程工业自动化等其他领域自动化。它由3个兼容部分组成, 即Profibus-DP、Profibus-PA和Proflbus-FMS。
3.1 Profibus-DP
Profibus-DP是一种高速低成本通信, 用于设备级控制系统与分散式IO的通信, 使用它可取代4~20m A直流信号传输。
Profibus-DP的基本功能和特征有: (1) 传输技术:RS485双绞线、双芯电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。 (2) 总线存取:各主站间采用令牌传递方式占用总线, 主站与从站之间为主-从轮询方式。 (3) 通信:点对点 (用户数据传送) 或广播 (控制指令发送) , 周期性主-从用户数据传送和非周期性主-主数据传送。 (4) 运行模式:运行、清除、停止。 (5) 同步:控制指令允许输入和输出同步。 (6) 功能:DP主站和DP从站之间的周期性用户数据传送, 各DP从站的动态激活和禁止, DP从站组态检查, 诊断功能, 三级诊断信息, 输入/输出同步。 (7) 可靠性和保护机制:DP从站带看门狗定时器 (Watchdog Timer) , 对DP从站的输入/输出进行存取保护。 (8) 设备类型:第一类DP主站 (DPM1) 是中央可编程控制器, 如PLC、PC等;第二类DP主站 (DPM2) 是可以进行编程、组态、诊断的设备, 如编程器和PC等。 (9) 诊断功能:能对故障进行快速定位。
3.2 Profibus-FMS
Profibus-FMS主要应用在车间一级范围内, 具有非实时性、有关生产管理信息的通讯。在这一级, 利用令牌传递方式进行各主站之间的通讯。由于车间一级的通讯要涉及到车间生产信息控制, 高性能的通讯功能要比系统的快速反应时间显得更重要。这是Profibus-FMS应用的主要特点。
每一台设备里与其他设备发生通讯的内容, 要作为通讯对象都添入本地对象字典中。对象字典包括对通讯对象的描述, 结构和数据类型, 还包括通讯对象的内部地址和它们在总线上的标志 (索引/名称) 之间的关系。这样构成一个网络通讯数据服务器, 所有的通讯内容作为变量来管理。任何通讯伙伴 (客户端) , 只需凭标志 (索引/名称) 就可读写到数据服务器上相应的数据, 无需知道该数据在对方中的位置地址, 做到面向对象的通讯。
根据Profibus-FMS的特点, 其应用场合是工厂的车间级的通用性通讯任务, 以中等传输速度、循环和非循环通讯形式, 完成大量的通讯服务任务。特别在车间的生产管理、设备管理、质量控制、物流控制和故障监控中, 由于要求通讯数据量大而通讯速度不高, 故采用Profibus-FMS是比较适合的。
3.3 Profibus-PA
Profibus-PA的技术特点: (1) PA使用DP-V1通信协议进行通信。DP-V1是DP-V0的扩展, 它不仅有循环数据通信, 而且还有非循环数据通信。 (2) PA在从站设备的行规中定义了应具有的特性, 从而保证了不同设备制造商产品的互操作性和互换性。 (3) PA使用同步传送技术IEC61158-2。 (4) 通过总线供电模式, PA可以在有爆炸危险的场合使用;MBP技术允许数字信号和设备电源通过同一电缆传送, 符合了在危险场合设备使用的规定, 所以可以在Zone0~Zone2区域使用。 (5) PA使用FISCO模式, 使得本质安全网络得以延伸;FISCO是一种新研究的本质安全应用的更有效的方法, 它的根本特点就是充分利用了危险场合所允许的最大负载电流的规定, 所以扩大了本质安全的设备使用数量和范围。 (6) 由于使用了GSD、EDDL、FDT/DTM, PA方便了设备的管理, 并奠定了优化资源管理的基础。
过程控制使用PA的好处: (1) 减少了各种费用。项目设计、建设费用降低;大大节省安装和电缆费用;维修费用降低;本质安全部分的费用降低。 (2) 投资可以得到保护。统一的标准;认证的设备;不依赖于任何制造商的产品。 (3) 高品质的服务。在线的诊断手段;大量的产品选择;具有互换性的设备。 (4) 优化资源管理。高品质的工厂;减少库存;新旧产品的兼容性。
4 Profibus现场总线的发展趋势
Profibus现场总线的技术由于具有许多独特的优势引起人们的广泛注意, 得到了大范围的推广和应用, 引发了自动化领域的一场革命。同时也推动了Profibus现场总线技术的进步, 其发展趋势体现在以下两个方面:
4.1 向工业以太网转化
随着商用计算机领域的局域通讯逐步被以太网垄断, 控制领域的通讯受其影响也出现了逐步统一到以太网和高速以太网的大趋势。另外, Profibus现场总线可靠性的提高, 是以适当降低通讯速率为代价的, 而通讯速率过低又会影响Profibus现场总线的实时性。当系统规模不断扩大时, 总线的可靠性和实时性就会发生矛盾。正是由于以太网应用技术的不断发展, 现在已经解决了以太网的工业控制的实时性要求, 其网络器件也符合工业现场恶劣环境的要求。因此, 现在出现了工业以大网技术, TCP/IP也进入了控制领域。
4.2 系统组态通用化
现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块, 虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别, 但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块, 是系统组态要解决的问题。目前现场总线系统的组态是比较复杂的, 需要组态的参数多, 各参数之间的关系比较复杂, 如果不是对现场总线非常熟悉, 很难将系统设置到最佳状态。我们可以提高组态的功能, 使其更加通用化。
5 结束语
由于在各行各业的控制工程中都普遍使用Profibus现场总线技术, 故其已显示出强大的生命力。Profibus现场总线由于其系统结构简单, 从而实现了彻底的分散控制, 使设计、安装、调试和维护工作大大简便, 节省了大量的硬件和成本。同时, 利用其开放性, 可以选择不同厂商提供的设备来集成系统, 使其应用更加广泛。事实证明, Profibus现场总线是最佳和最经济的现场总线, 已被全世界所接受, 被广泛应用于自动化领域的各个方面, 发挥着越来越大的作用, 为社会带来了巨大的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]张鹤.Profibus工业现场总线技术及其应用.西门子专家会议论文集, 2005.
PROFIBUS 篇8
关键词：PROFIBUS,现场总线,故障处理,预防
1 PROFIBUS现场总线的分类
PROFIBUS是Process Field Bus的缩写, 由以SIEMENS公司为主的十三家工业企业和五家研究机构联合推出, 是联邦德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议标准。PROHBUS己经成为一种国际化的、开放的现场总线标准。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA三个兼容版本。
1.1 PROFIBUS-FMS (现场总线信息规范)
用于解决车间层通用性通信任务, 要求面向对象, 提供较大数据量的通信服务, 完成中等速度的循环和非循环通信任务, 是一个令牌结构、实时多主网络。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换, 因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统的响应时间, 应用过程通常要求的是随机的信息交换 (如改变设定参数等) 。强有力的FMS向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性, 可用于大范围和复杂的通信系统。主要用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、低压开关设备等一般自动化控制。
1.2 PROFIBUS-PA (过程自动化)
是专为过程自动化而设计, 具有本质安全性, 主要用于安全性要求较高的场合以及有总线供电的站点。因此, PA尤其适用于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制系统。
1.3 PROFIBUS-DP (分散外设)
是一种经过优化的、高速廉价的通信连接, 是专为自动控制系统和设备层分散加之间的通信而设计, 使用PROFIBUS.DP模块可取代价格昂贵的24V或0-20m A并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输, 其数据传输速率可达12Mbps。截至目前, DP的应用占整个PROFIBUS应用的80%安装实例, 代表了PROFIBUS的技术精华和特点。
2 PROFIBUS现场总线常见故障分析及处理方法
2.1 线路引起的故障
故障现象:生产过程中, 通信网络突然出现大面积的网络节点无法通讯。控制主站PLC网络状态指示灯提示, 网段1出现网络通讯故障。
解决方法:通过STEP7的硬件在线监控软件现场监控发现, 核子秤通讯子站以后的网路节点全部出现网络通讯故障。检查故障点周围的网线, 发现新增的一处通讯子站的桥架内网线出现破损, 将破损网线更换后, 网络通讯恢复正常。
排查心得:此类故障可以采用逐点排除的方法即用通讯节点逐个脱网的方法排查此类故障。先从发生通讯故障网段中选择离通讯主站最远的一个节点开始, 逐一合上节点插头上的终端电阻, 排查线路故障点。当合上某一个节点的终端电阻后, 其靠近主站侧的节点通讯恢复正常, 基本可以判定故障点就在这个节点与上个合上节点之间。
预防措施: (1) 定期检查桥架内的网线, 是否存在破损等影响通讯质量情况; (2) 设备进行局部改造施工时, 注意不要损坏已经铺设的网线。
2.2 通讯端口引起的故障
故障现象:在高压装置压缩厂房进行进出料过程中, 一数采柜数次出现突然停机现象。重新启动生产线后, 能够正常生产。
解决方法:查看触摸屏的故障信息发现, 该数采柜存在本地开关和本地电源开关置0、ET200通讯故障等故障。当发生子站通讯故障时, 在PLC控制器的输入缓冲区中的输入信息会自动复位到常开状态, 所以触摸屏显示本地开关和本地电源开关置0。由此基本上可以判断该储丝柜异常停机是其子站的ET200通讯子站通讯故障造成的。检查ET200通讯模板与DP网网络插头, 发现插头紧固螺丝松动, 致使子站通讯模板与网络插头接触不良。更换网络插头并重新紧固后, 没有再出现类似现象。
排查心得:在工作环境较恶劣的情况下, 要定期检查通信端口, 尤其是网段线路的末端, 当出现无规律的网络末端“掉网”时, 很可能是网段末端DP插头的终端电阻故障造成的, 首先要更换网络末端的DP插头。
预防措施: (1) 定期检查网络接头是否松动、虚接; (2) 定期检查模块电压是否正常, 压降是否在允许范围内; (3) 定期检查接地是否规范, 包括动力接地和通讯接地。
2.3 中继器引起的故障
故障现象:在生产过程中, 高压装置风送段发生故障停机, 同时伴有大面积网络通讯故障。
解决方法:现场观察发现, 多路阀旋转电机停在释放位置一端, 没有正常反向。通过检查发现, 旋转电机西侧限位开关发生线路短路, 造成DCS04站内的24V空气开关保护。恰好有一中继器也从这个空气开关引出24V电源, 开关一保护中继器“掉电”, 也就造成了大面积的网络通讯故障。单独给中继器提供24V电源后, 没有再发生类似的情况。
排查心得:有些网络通讯的故障, 并不一定就是网络设备自身引起的。故障排查时, 在排除网络自身设备故障后, 就要围绕相关设备进行排查。
预防措施:网络通讯模块电源一定要单独从总电柜直接引出, 不能从子站电源接入或和其它设备共用一个电源。因为一旦这个设备出现短路或这个子站电源中断, 就会使网络通讯模块“掉电”, 整个通讯网络就会因网络通讯模块电源故障而瘫痪。
3 PROFIBUS现场总线特殊故障的实例分析及预防措施
3.1 现场总线接口卡件损坏
某厂操作人员反映电气机构的多个电机无法操作, 经热控维修人员排查发现:现场总线节点Y-LINK卡上的故障 (Error) “红灯”亮起, 该卡所带的SIMOCODE电击的全部信息处干故障状态, 近20台电机、开关信息全部中断, 使该装置的电机、开关全部处于瘫痪状态。此时采用复位或者更换卡件是解决问题的最有效的办法。另外要求厂家寄备件以备再次出现此类情况。
3.2 现场总线连接器连接松动
某化学水总线调试期间, 运行操作人员发现数台仪表、阀门的数据同时回零, 热控人员根据软件诊断, 确认是某条总线段出现了故障。认真排查了现场总线卡、总线电源等都没有发现问题;接着检查从站的总线连接器、连接线头全松动, 造成了线路的断路, 使得通讯陷入瘫痪。安装期间采用专用压线器可以消除隐患。
3.3 数据量阻塞
工业以太网上用户负载的大小决定数据量是数据量阻塞的原因, 为了满足工艺的要求, 经过前期准备和调研, 对现场总线的设备进行合理选型, 利用调试, 我们对操作员站和总线通讯容量进行了验证, 在预算范围内选出最优的硬件配备方案, 使得今后数据阻塞的故障隐患可能降为最低。
3.4 操作员站死机
针对操作界面的死机, 原因有两个:一是控制器时间程序系统占用大量内存, 造成控制器运行内存不够而死机;二是病毒导致死机。后者我们使用定期升级病毒库的方法使得可能性在运行期间基本没有出现。前者我们升级了软件版本, 把死机的可能性降到最小, 使得隐患发生率达到最小。
结束语
现场总线作为一种典型的实时分布式控制网络技术, 己经成为目前最受关注的控制网络, 它在世界上特别是工业领域的广泛应用也给它带来了新的要求和新的发展契机, 本文对PROFIBUS总线在现场应用中的故障及处理方法进行了分析总结, 以期为从事相关总线技术的人员发现解决故障问题提供帮助。
参考文献
[1]侯维岩, 费敏锐.PROFIBUS协议分析和系统应用[M].清华大学出版社, 2006.
PROFIBUS 篇9
PROFIBUS是一种开放的现场总线标准,符合欧洲标准E N 5 0 1 7 0。P R O F I B U S包括三个兼容部分,即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-FMS(Field Message Specification)用于面向对象的场合、在工业自动化系统中单元层与现场层的通用目的的数据通信。强有力的F M S服务向用户提供了广泛的应用范围和高度的灵活性,不仅可以用来解决车间级的通信任务,还能够用于大范围和复杂的通信系统[1]。研究其通信协议,有利于我们更好地掌握P R O F I B U S技术和开发现场总线产品。本文就PROFIBUS-FMS通信协议的结构和现场设备FMS接口的实现方法进行详细阐述。
2 PROFIBUS-FMS协议结构与服务
PROFIBUS-FMS协议的结构是根据ISO7498国际标准,以开放式系统互联网络ISO/OSI作为参考模型的。为了提高效率,PROFIBUS-FMS仅定义了第1、2、7层和用户接口,第3~6层未加描述。这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效进行,低层接口(LLI)使用户接口易于进入第二层。
PROFIBUS-FMS协议提供的服务可以用图1描述。
2.1 物理层(Layer 1)
PROFIBUS-FMS在物理层规定了数据传输介质和数据传输格式。对于屏蔽双绞电缆的基本类型而言,PROFIBUS-FMS的层1实现对称的数据传输,符合EIA RS-485标准。一个总线段内的电缆两端各有一个终端器,传输速率从9.6Kbit/s~12Mbit/s可选,设定的波特率适用于总线段上的所有设备[1]。
RS-485总线段的两端必须装配总线终端器。总线终端器内含有一个上拉电阻和一个下拉电阻,分别与供电正电压VP和数据基准电位DGND相连。这样当总线处于空闲状态时仍能保证有一个确定的空闲电位。R S485数据传输是以半双工、异步、无间隙同步为基础的,数据的发送用不归零(NRZ)编码,每个帧字符为11位。在数据传输期间,R X D/T X D-P线(B导线)上的正电位对应于二进制“1”,RXD/TXD-N线(A导线)上的正电位对应于二进制“0”。
除了R S-4 8 5数据传输方式外,P R O F I B U S用户组织(P N O)还规定了基于P R O F I B U S-F M S的光纤传输技术。使用光纤传输能够增强系统的抗干扰性并能增加总线段的传输距离。采用带有集成转换器的专用插头,可方便地实现R S-4 8 5信号与光纤导体信号的相互转换。
2.2 数据链路层(Layer 2)
在PROFIBUS-FMS中,数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理,在数据帧的头尾分别加上标识不同应用功能的报头和报尾以组成不同类型的报文。在PROFIBUS-FMS总线段上,主站是主动节点,通过请求报文发送控制命令;从站是被动节点,响应主站的请求并发送响应报文。PROFIBUS-FMS定义的基本的报文格式与报文循环示意如图2所示。
数据链路层的报文格式提供高等级的传输安全性,所有报文均具有海明距离HD=4。基于规定的HD=4描述安全可靠的数据传输字符间无间隙,不符合规定格式的数据报文必须被再次发送。应用H D=4可以检查以下错误:字符格式错误(奇偶校验、帧错误、超限)、协议错误、错误的起始/终止定界符、错误的帧校验字节和错误的报文长度。
上层协议通过数据链路层的服务存取点(SAP)调用P R O F I B U S-F M S的数据传输服务。P R O F I B U S-F M S使用的服务包括S R D(发送和请求数据需应答)、S D N(发送数据不需应答)、SDA(发送数据需应答)和CSDR(循环地发送和请求数据需应答)服务。在PROFIBUS-F M S中,每个S A P都赋有一个定义明确的功能。其中Default SAP用于数据交换。
2.3 应用层(Layer 7)
PROFIBUS-FMS在应用层提供的服务是ISO 9506制造信息规范MMS(Manufacturing Message Service)服务项目的子集,这些服务项目在现场总线应用中已被优化,而且还增加了通信对象管理和网络管理功能。FMS服务的执行用服务序列来描述,这些服务序列包括称为服务原语的一些内部服务操作。服务原语描述请求者和应答者之间的内部操作。
PROFIBUS-FMS提供大量的应用服务以满足不同设备对通信所提出的广泛要求,如确认服务和非确认服务。其中确认服务只用于面向连接的通信关系中,服务请求者利用“请求服务原语”请求,此原语在总线上传送后,给各接收站的应用过程发送指示服务原语,而后各接收站利用应答服务原语响应;非确认服务则不存在应答服务原语。
由应用层到数据链路层服务的映射由LLI(Lower Layer Interface)来解决,其任务包括数据流控制和连接监视。LLI提供了各种类型的通信关系,通信关系具有不同的连接能力,如图3所示。
2.4 用户接口
用户接口规定了PROFIBUS-FMS设备可使用的应用功能以及各种类型的系统和设备的行为特性,即FMS行规(Profile)。行规提供了设备的互换性以保证不同厂商所生产的设备具有相同的通信功能。目前P R O F I B U S-F M S已经定义了以下行规:
(1)控制器间的通信此通信行规定义了用于可编程控制器PLC之间的FMS服务,根据控制器的类型,对每台控制器所支持的服务、参数和数据类型作了具体的规定;
(2)楼宇自动化行规此行规提供了一个特定的分支和服务,作为楼宇自动化中的公共基础。该行规对楼宇自动化系统中使用F M S进行监视、闭环和开环控制、操作控制、报警处理及系统档案管理作了描述;
(3)低压开关设备此行规是面向行业的FMS应用行规,具体说明了通过FMS在通信过程中低压开关设备的应用行为。
由于PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP均使用统一的传输技术和总线存取协议,因此FMS设备和DP设备能够在同一总线段上进行混合操作,两个协议也可以同时在一台设备上执行,这使得组建PROFIBUS网络更加容易。
3 PROFIBUS-FMS协议的实现
PROFIBUS-FMS协议的开放性保证了其在任何微处理器上都可以实现,但使用微处理器的串行通信接口实现总线数据传输时通信速率将受到很大的限制。使用协议芯片不仅能够加速协议的执行,而且能够提高总线模块的稳定性、减少用户自主开发时间,因此采用协议芯片开发F M S从站产品是明智的选择。
西门子公司提供SPC4协议芯片为优化的PROFIBUS-FMS从站使用。在SPC4芯片内集成有完整的FMS/DP协议,能够完整地体现FMS从站状态机制。SPC4芯片提供参数化的总线接口,可以方便地连接到8 0 C 3 2、80X86和80C165等微处理器[3],用户可与SPC4片内R A M和参数锁存器直接通信。利用S P C 4协议芯片实现的P R O F I B U S-F M S接口电路结构如图4所示。
SPC4芯片用户开发包中以源码方式提供了固态程序,该固态程序可实现在SPC4内部寄存器与应用接口之间的连接。固态程序的运行基于现场设备中的微处理器,为应用提供了简单集成化的接口。使用SPC4并不一定要使用固态程序,但由于SPC4中的寄存器是完全格式化的,使用固态程序可使用户节省自主开发的时间。
4 PROFIBUS-FMS从站程序设计
PROFIBUS-FMS从站程序主要用于FMS协议的执行和通过I/O宏接口实现主、从站间的数据交换,此外还用于从站诊断和系统的抗干扰设计。F M S从站的程序流程如图5所示。
在SPC4正常工作之前,需要进行初始化,以配置需要的寄存器,包括设置协议芯片的中断允许,写入从站识别号和地址,设置S P C 4方式寄存器,设置诊断缓冲区,参数缓冲区,配置缓冲区,地址缓冲区,初始长度,并根据以上初始值得出各个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指针。根据传输的数据长度,确定输出缓冲区,输入缓冲区及指针。
S P C 4初始化完成后,主站与从站才能进行数据交换。主站首先发送请求诊断报文,检查从站的运行准备情况。当取得需要的请求反应后,检查是否有其他主站占用此从站。如果没有,则进行参数设置和配置检查,然后再进行诊断报文请求。当参数化或配置错误或有其它主站占用时,主站将返回初始态,重新检查从站的准备情况。当发生静态用户诊断或从站没有准备好,主站将不断进行报文请求,直到没有此种诊断信息为止。无错误信息时则进行数据的交换。
5 结束语
P R O F I B U S总线协议已成为我国机械行业的首个总线标准,在我国的市场份额迅速扩大。研究P R O F I B U S-F M S通信协议、掌握P R O F I B U S通信技术,对于开发PROFIBUS从站产品、推动我国自动化技术的发展有重要的现实意义。
参考文献
[1]唐济扬.现场总线(PROFIBUS)技术应用指南[M].中国机电一体化技术应用协会现场总线(Fieldbus)专业委员会,1998
[2]Technical Guideline of PROFIBUS-DP Extension to EN50174-Version 2.0[M].PNO,April 1998
PROFIBUS 篇10
西门子工业控制通信网络主要包括AS-i、Profibus、以太网三种。目前, Profibus总线技术应用范围已从传统的数据通信延伸到现场设备的控制与检测。Profibus总线在日常应用中会出现很多通信故障, 网络拓扑结构越复杂, 故障隐蔽性就越强, 在查找故障源时往往会耗费大量的人力和时间, 因此有必要对Profibus总线故障的诊断方法进行总结。
1 Profibus总线特性分析
Profibus总线协议参考模型如图1所示。Profibus总线根据应用场合的不同可分为现场总线报文 (FMS) 、分布式外围设备 (DP) 、过程控制自动化 (PA) 。DP总线因抗干扰能力强、传输速度快而主要用于现场单元级设备与分布式I/O (例如ET200M) 间的信息通信;最大优点是取代传统的4~20mA模拟信号, 利用标准的RS-485接口通信, 解决自动化信息传递问题;传输波特率在9.6kb/s~12Mb/s之间, 主要应用于过程自动化, 适用于安全性要求较高的场合。FMS总线可提供灵活的通信服务, 适用于车间级的通信。
Profibus总线协议以开放系统互联网络OSI/ISO为参考模型, 使用了物理层、数据链路层、用户层, 而中间的3~7层没有使用。这种结构的优点是数据传输效率高、速度快, 直接数据链路映像 (Direct Data Link Mapper) 提供第二层用户接口, 用户接口定义了用户可以调用的功能及DP设备的行为特性。
Profibus总线访问协议有主站、从站主从方式和主站间的令牌环方式两种。对于主从式系统而言, 主站拥有总线控制权, 可以向从站发送各种控制命令;对于多主站系统而言, 主站间通信采用令牌方式进行, 即只有得到令牌的主站在一个周期内具有总线的控制权, 令牌按用户设定的地址序号在多个主站间传递。
2 Profibus总线故障因素分析
2.1 终端电阻设置
Profibus终端电阻主要有两个功能:防止信号反射引起通信出错;将电流信号转换为电压信号, 使网络上的设备获取信号。终端电阻设定错误是最常见的通信故障。Profibus总线连接器上均集成了终端电阻, 将选择开关拨至“ON”时终端电阻串入通信网络, 将选择开关拨至“OFF”时终端电阻脱离通信网络。Profibus-DP网络的首端和末端都必须接终端电阻, 并保证电阻两端电压恒定, 以避免信号的反射和干扰。
实际生产中, 误碰使开关位置移动以及现场环境潮湿等都可能使接触电阻阻值增大, 从而导致通信故障。
2.2 屏蔽与接地
Profibus通信网络的干扰源主要是传动设备、变频器、动力电缆、高压变压器等, 因此总线的EMC治理是必不可少的。总线屏蔽夹不仅可以保证人身安全, 而且可以抑制高次谐波干扰, 因此必须正确使用屏蔽夹 (如图2所示) 。通信电缆两端必须按EMC原则可靠接地, 否则将出现电势差, 使系统的稳定性降低。通信波特率在1MHz以下时, 通常采用单点接地;通信波特率在10MHz以上时, 通常采用多点接地。
2.3 电缆选型及走线
Profibus总线一般选择符合EN50170标准的DP/FMS A型电缆。Profibus总线电缆的分布电容、阻抗、电感等参数直接决定了网络的通信性能, 因此必须重视电缆的选型。
现场安装Profibus总线电缆时, 通过合理布局可减少干扰影响。如:信号电缆与动力电缆必须交叉时, 将它们垂直敷设;不交叉时, 它们间的最小敷设距离为20cm。信号电缆和与其相关联的等电位电缆应尽可能靠近敷设且距离尽量短。动力电缆和信号电缆必须分开敷设在电缆槽中, 通过一个大的接触表面连接屏蔽层。
2.4 组态及通信功能块配置
Profibus通信网络中, 下载到CPU中的硬件组态信息必须与现场实际配置的硬件系统相匹配, 否则CPU的BF灯会闪烁报警。在系统新增设备或设备更新升级后, 必须检查组态信息及CPU内编程寻址的从站地址是否有误。
通信功能块的合理配置在Profibus通信编程中尤为重要。如果CPU中缺少与网络相关的故障处理OB块, 那么PLC将会自动进入STOP模式。常用故障处理OB块及其优先级见表1。在程序设计时, 为避免出现配置错误, 应尽量添加通信网络需要的OB块。
3 Profibus总线故障诊断方法
3.1 BT200诊断
BT200是针对RS-485物理层进行检测的工具, 适用于Profibus-DP网络诊断。它不仅可以测量站地址, 显示Profibus通信电缆长度, 还具有反射测试等功能。BT200测试线路如图3所示, 测试时必须配置一个终端块, 将终端块置于通信线路的一端, 将BT200接于通信线路总线连接器上, 便可对线路进行分段测试, 检测接线反相、短路、终端电阻错误等故障, 操作简便。
3.2 CP5611诊断
CP5611通信处理器将PC上位机连接到Profibus网络, 诊断故障功能较强。使用前, 先在Step7软件中点击“Option→Set PG/PC Interface”, 在对话框中将访问点S7ONLINE设定为CP5611Profibus模式后点击确定按钮, 返回对话框后点击“Diagnostics→PROFIBUS/MPI Network Diagnostic→Test”, 将会显示编程器地址、波特率、从站个数、响应时间间隔等参数。网络有故障时, 故障代码会显示在Test右侧的诊断信息栏目中。点击“Read”按钮, 所有网络节点都会显示, 有黑色对勾的节点表示系统检测到的主站 (计算机、CPU等) , 没有黑色对勾且底纹为白色的节点表示系统检测到的从站。
3.3 PLC模块信息诊断
打开Step7软件Simatic管理器相关应用程序, 点击“PLC→Diagnostic/Setting→Module Information”, 便可打开PLC模块信息对话框。通过对话框中的“诊断信息”, 便可查看到故障代码和事件信息, 事件信息是按事件发生的时间先后顺序排列的。双击某条故障信息, 便可看到故障详细信息 (从站诊断地址、错误组织块OB编码、功能FC块编码等) ;点击“帮助”按钮, 故障的帮助信息将会在对话框中显示。
如果故障由编程错误导致, 那么在事件选项卡中点击“打开块”, Step7将打开对应的故障块, 光标会出现在出错的程序段。
3.4 FC125程序块诊断
在用户程序中调用FB125和FC125程序块, 可以诊断网络中从站及模块的故障, 而且这两个程序块还具有通道诊断功能。需要注意的是, FB125可以诊断PLC集成的DP口以及IM接口, 但是不能诊断CP342-5。
FC125块需要在OB1、OB82、OB86中调用。在程序中需要按Profibus网络硬件配置设定CHECK_ACTIVE、EXTERNAL_DP_INTERFACE、LIST_SLAVES_ER-ROR、RETVAL等参数。
在Step7中, 选择菜单栏中PLC→Monitor/Modify Variables后, 点击工具栏中的, 便可查看诊断信息。数据存储器中的数据可由WinCC 7.0上位机采集, 信息显示在上位机中方便维护人员参考。
4 结束语