浅谈PROFIBUS工业网络的应用（一）

近年来，随着工业自动控制、计算机、通信、工业网络等技术在汽车制造行业的广泛应用，我公司的信息管理平台不仅可以对生产经营信息进行实时处理，而且已逐步通过工业网络将生产流程和自动控制系统纳入到企业管理信息化平台，其中西门子（SIEMENS）公司PROFIBUS总线技术及产品在生产线中的大量采用，为公司管控一体化功能的实现提供了坚实的基础。
随着制造业自动化中分散化结构的广泛采用，原来集中安装在控制柜中的器件逐步分散安装到生产线上的各个工位的附近，这使得PROFIBUS现场总线在机器级和车间级应用日益广泛；现场总线实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置与可编程逻辑控制器（PLC）和PC之间的数据传输，把输入/输出模块分散到实际需要的工位附近，可节省大量的设备安装调试费用和维修成本。由于PROFIBUS已成为国际开放标准，标准化的现场总线具有“开放”的通信接口、对用户“透明”的通信协议，可将不同制造厂商的PROFIBUS产品集成到一个控制系统中，现场总线PROFIBUS不仅能满足传感器/执行器领域的控制需求，同时也能满足生产过程中现场级控制数据交换的要求。
一、 PROFIBUS工业网络简介
PROFIBUS定义了串行现场总线系统的技术和功能特征，利用该总线系统，可组网连接底层（传感器、执行器）的分布式数字可编程逻辑控制器和中间层执行层（单元级）设备。PROFIBUS协议采用ISO/OSI网络参考模型的第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和第七层（应用层）。从用户角度看，PROFIBUS提供了DP、FMS、PA三种通信协议。PROFIBUS总线可使用电气网络、光纤网络和红外线无线传输等传输介质进行实际工程组网。在总线拓扑上可分为线型结构和树型结构。
1、 PROFIBUS设备分为主站设备和从站设备
主站设备：主站设备决定了总线上的数据流量。一个主站如果具有总线访问授权，就可以发送消息而无需外部请求。在PROFIBUS协议中，也称主站为主动站。
从站设备：从站设备是低成本的I/O设备。典型的从站设备是传感器、执行器和测量变送器。它们不能分配总线访问授权，也就是说，它们只允许响应接收到的信息或在主站请求时给出响应消息。从站也称为被动站。它们只占用总线协议的一小部分。因此，总线协议极其简单。
2、 PROFIBUS的分类
按传输介质分：电气网络、光纤网络、红外线无线传输；
按信息处理方法分：数据通信、过程和现场通信。
3、 传输速率
PROFIBUS总线的传输速率从9.6kbit/s－12Mbit/s,总线长度与传输速率相关，传输速率越高总线长度越短，越容易受到电磁干扰。
4、 拓扑结构
线型结构：所有的节点都只需要一个接口即可连接到总线上的称为线型结构，有时线型结构也称为总线结构，当然不是每个总线都具有线型结构。
　　树型结构 ： PROFIBUS也使用树型结构。树型结构也可以看作是不同长度以及不同类型的多个线型结构的串联。连接单独线路的组件尤为重要。 如果所连接的组件类型相同，那么这些组件可以是简单的放大器(中继器)；但是如果使用的是不同类型的组件，那么连接组件也可以是转换器(路由器、网桥、网关等)。 树型结构的单独的“分支”也可以直接相互连接。
5、 PROFIBUS－DP协议
　　PROFIBUS DP是主站和现场设备(DP从站)之间过程输入和过程输出数据进行传输的标准化接口。DP主站和DP从站之间周期性地交换少量数据。PROFIBUS DP是与标准EN 50170 Vol. 2 PROFIBUS一致的串行总线。因此这种PROFIBUS协议(已经为快速数据交换进行了优化)特别适用于现场级的自动化系统和分布式I/O设备之间的通信。
紧凑型DP从站 ：紧凑型DP从站使用一种不能更改的I/O结构。
西门子数字式ET 200B系列(B代表Block I/O)是该类DP从站的一个实例。根据所需要的I/O通道数量和电压范围，可以在200B模块范围内选择合适的模块。
模块化DP从站：对于模块化DP从站，其输入和输出区域的结构多种多样，并且可以在组态中定义。西门子ET 200M是该类DP从站的典型实例。可以在ET 200M的接口模块(IM153)上连接多达8块I/O模块(S7-300系列模块)。
智能DP从站(I-DP从站)：能预处理信号的现场设备被称为“智能从站”。在硬件配置期间就定义了其输入和输出区域的结构。智能从站的一个特征是：DP主站可以使用的从站输入和输出区域不能与实际的物理I/O设备一致，但是必须与由预处理CPU所虚拟的输入和输出区域一致。
6、FMS标准通信
PROFIBUS FMS(现场总线报文规范)提供了结构化数据(FMS协议)的传输服务。FMS服务可以看作是ISO参考模型第七层的一部分。允许在PROFIBUS上与不同公司的设备进行开放通信。在FMS所提供的服务当中，通过FMS连接，可以完成FMS协议的读取、写入和信息发布服务。数据接收由通信伙伴通过用户确认的方式进行确定，即远程通信伙伴上的应用程序已正确地接收到数据。只能在PROFIBUS子网上进行使用FMS服务的数据传输。FMS服务的自动重发和附加校验机制(第2层上各个字符的奇偶位及校验和)保证了非常高的数据完整性。
7、PROFIBUS－PA协议
PROFIBUS-PA是为过程处理而特别设计的，且允许把传感器/执行器连接到共享的现场总线电缆(也可以用于危险区域)。PROFIBUS-PA在数据传输中使用了扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，还使用定义了现场设备响应特性的PA配置文件。符合IEC 61158-2 (同步传输方法)的传输方法还保证了本质安全，以及通过总线给现场设备供电。通过使用网段耦合器，PROFIBUS-PA设备可以轻松地集成到PROFIBUS DP网络中。PROFIBUS PA可以用于实现单独的线型、树型和星型总线结构或混合结构系统。在单一总线段上运行的节点数目依赖于所用的电源、总线节点的能耗、总线电缆和总线系统的扩展。本质安全系统中的PROFIBUS-PA总线段可以连接多达10个节点；非本质安全系统可以处理多达32个站点。此协议所使用的传输率是31.25 kbits/s。要增加系统的可靠性，可以使用冗余总线段。使用网段耦合器或DP/PA链路，可以将PA总线段连接到PROFIBUS DP总线段上。














8、公司生产车间广泛使用的电气传输的PROFIBUS－DP
电气网络使用带屏蔽层的双绞线电缆。RS 485接口使用电压差分信号，所以它比电压或电流接口更抗干扰。在PROFIBUS中，节点通过总线端子或总线连接器连接到总线(每个网段至多32个节点)，一个网络上节点的最大数目限制在127个（其中0号站用于编程设备，1号站用于HMI）。 单独的网段通过RS485中继器连接到一起。传输速率可以逐级从9.6 kbit/s调整到1.5 Mbit/s。对于实时性要求极高的PROFIBUS DP应用，也可以采用符合IEC 61158/ EN 50170的传输速率：3、6和12 Mbit/s。最大网段长度取决于传输速率。电气网络可以组态为线型(总线型)或树型拓扑结构。
















　　为了保证PROFIBUS的正常可靠的工作，在总线的两端应安装终端电阻（阻值为220Ω），终端电阻分为有源终端电阻和无源终端电阻，对于无源终端电阻所连接的站必须始终通电，这样才能保证PROFIBUS工作正常。







如果需要扩展总线的长度或者PROFIBUS从站数大于32个时，就要加入RS485中继器，RS485中继器具有信号放大和再生功能，在一条PROFIBUS总线上最多可安装9个西门子RS485中继器。中继器是一个有源的网络元件，本身在网络中也算做一个站点。RS485中继器还可使网段之间相互实现电气隔离。

二、 PROFIBUS网络的诊断
随着公司技改、技措项目的大量实施，采用PROFIBUS通讯方法的分布控制系统在企业中的应用越来越多，每个系统中PROFIBUS站点的数量和总线应用长度也不断增长。在日常维修中只有掌握PROFIBUS网络的诊断技术才能迅速识别和纠正故障，把设备停机时间降到最低，保障企业生产的正常进行。PROFIBUS的诊断方法主要分为过程诊断和系统诊断，过程诊断是在PLC外部采用诊断工具识别和修正总线故障（如西门子的BT200总线测试仪），系统诊断是在PLC系统（包括总线和人机界面）进行定位并修正故障。
1、 使用西门子BT200　485总线测试仪测试PROFIBUS
BT200是一种对RS485物理层进行测试的检测工具，它不仅可测试电缆的情况，还可以测量从站的站地址。BT200分为普通和专家两种测试模式，在普通模式下可检测出站点连接中断、接线反相、短路、AB相或屏蔽层断路、没有或多于2个终端电阻等信息；专家模式还可进行RS485接口测试、路径测试、网络距离测量和信号反射测试等功能。
站点测试：将BT200连接到已通电的从站上，对于一个从站的RS485接口，可检测出485接口的好坏，还能测量实际总线电平（标准为5V）。
路径测量：BT200可跨越中继器或光纤对整个网络进行测试，还可测出总线上的正常工作的从站数量和站地址。
距离测量：BT200可测出PROFIBUS电缆的实际长度（测量误差0.5米，电缆较短时不能准确测量）。
2、使用带诊断功能的总线中继器对PROFIBUS网络进行在线诊断
　　诊断中继器用于在系统正常工作时进行线路诊断。它作为一个RS 485中继器集成在 PROFIBUS DP网络中，并且具有线路诊断的强大功能。诊断中继器可以检测出A或者B断线、信号线和屏蔽层之间发生短路、缺少总线终端电阻等电缆故障。在STEP 7中，可以使用COM PROFIBUS或者GSD文件将诊断中继器组态为一个标准从站。
3、用西门子STEP7软件进行网络诊断
在STEP7中的“HW config”中，使用菜单项“PLC－故障模块”在线打开可访问站的组态信息。
4、通过编程诊断PROFIBUS故障
　　对于分布式I/O，如果机架、子网或者站发生故障被PLC识别后，CPU（CPU315－2DP或S7－400）操作系统会调用OB86机架故障处理组织块，并且这些事件的发生和离去都会触发调用。在OB86中编程可识别PROFIBUS总线是否发生故障，并可编程对产生的不同故障分类处理。
通过调用SFC13系统功能（读出从站诊断信息）诊断PROFIBUS，在OB1中调SFC13系统功能，可将从站诊断信息存入一个DB数据块中进行分析，识别故障从站地址。
CALL SFC13
REQ :=TRUE /读请求
LADDR :=W#16#3FE　　　 /从站诊断地址
RET_VAL :=MW0 /SFC13的输出参数
RECORD :=P#db100.DBX0.0 BYTE 64/诊断数据目的数据块
BUSY :=M2.0 /SFC13运行状态
通过调用功能块FB125和功能FC 125PROFIBUS－DP诊断块诊断PROFIBUS网络，功能块FB125不仅可诊断出哪个从站发生了错误和故障，还可检测有关从站错误或者故障的详细信息。调用功能块FB125(包括相同的背景数据块编号和实际的用户操作数) 必须在OB1、OB82和OB86中执行。功能FC125是一个简化版本，只能给出 “哪一个从站发生了错误或者故障”的信息。使用该功能无法显示更详细信息。功能FC125在组织块OB1调用。

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谢谢楼主，辛苦了。[em07]

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