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现场总线技术及应用
有人把它定义为应用于现场的控制系统与现场检测仪表、执行装置之间实行进行双向数字通信的串行总线系统。 也有人把它称为应用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字的、双向、多点的通信系统。总之,在对现场总线的描述中,开放、全数字、串行通信等字眼是少不了的。国际电工委员会在IEC61158中给现场总线下了一个定义:安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。 在该定义中,首先说出了它的主要使用场合;其次说出了系统中的主要角色是谁;第三点说它是一种数据总线技术,即一种通信协议,而该通信是数字式的(非模拟式的)、串行的(可以进行长距离的千米级通信,以适应工业现场的实际需求)、多点的(真正的分散控制)。这三点描述了现场总线技术中最实质性的方面。
现场总线发展初期,各大自动化公司分别推出自己的现场总线标准,类型多达40多种,1999年12月底,国际标准化组织最终确定了8种总线标准,本文主要介绍PROFIBUS总线技术及应用。
一、现场总线PROFIBUS
1.1 简介
PROFIBUS是l987年德国联邦科技部制订的现场总线德国国家标准,目前是IEC 61158国际标准中的Type3部分。物理接口采用RS-485标准,网络拓扑为线性总线两端加终端电阻。
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。PROFIBUS传送速度可在9.6kbit/s~12Mbit/s范围内选择,且当总线系统启动时,所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。它还用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络,从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
PROFIBUS由三个兼容部分组成,即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS 。主要使用主-从方式,通常周期性地与传动装置进行数据交换。
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。
PORFIBUS-PA:专为过程自动化设计,可使传感器和执行机构联在一根总线上,并有本征安全规范。
PROFIBUS-FMS:用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主网络。
与其它现场总线系统相比,PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证,并经实际应用验证具有普遍性。
1.2 协议结构
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准,以开放式系统互联网络作为参考模型的。第一层定义物理的传输性,第二层定义总线存取协议,第七层定义应用功能,3-6层未用。
(1)PROFIBUS-DP:定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
(2)PROFIBUS-FMS:定义了第一、二、七层,应用层包括现场总线报文规范(?FMS)和低层接口(Lower?Layer?Interface?-?LLⅠ)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLⅠ协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
(3)PROFIBUS-PA:PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外,PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准,PA的传输技术可确保其本征安全性,而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络
1.3 PROFIBUS传输技术
1.3.1 用于DP/FMS的RS-485传输技术
由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议,因而,这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。
RS-485传输技术基本特征:
(1)?网络拓扑:总线型,两端有有源的总线终端电阻。
(2)?传输速率:9.6K?bit?/s~12M?bit/?s
(3)?介质:屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决于环境条件(EMC)。
(4)?站点数:每分段32个站(不带中继器),可多到126个站(带中继器)。
(5)?插头连接:最好使用9针D型插头
1.3.2 用于PA的IEC1158-2传输技术
(1)?数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA,能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性,并通过总线对现
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