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ProfiBus总线协议类型_架构_优缺点

IC先生 IC先生 3049 2023-03-16 16:48:06

ProfiBus等国际网络标准协议被广泛接受并通常用于大型装配、物料搬运和过程控制机器,该控制网络仅支持具有单电缆传感器块的多输入接线、较小的子网络(如AS-i)、复杂的智能设备、操作员界面和气动阀。

PROFIBUS总线协议主要目的是提供控制器或控制系统与现场传感器之间的交互,该网络使用OSI 模型来确保来自不同供应商的设备可以有效且轻松地交互。

Profibus最早是由德国教育和研究部门推广的。之后在1989年被西门子与不同的自动化设备制造商合作使用。目前,在全球有超过1150万个基于PROFIBUS的设备用于过程自动化系统。

Profibus协议定义

术语Profibus(Process Field Bus)译为“过程现场总线”,它是全球使用最广泛的工业控制网络,用于工业过程控制、运动控制、自动化和安全网络,得到全球1400多家设备供应商的支持。在OSI模型中,该控制网络在不同层提供服务,包括layer1、layer2和layer7。

Profibus设备

当前两个最常用的Profibus版本是 Profibus-DP和Profibus-PA。

Profibus使用的设备是主设备和从设备。其中,主设备的主要功能是一旦有权访问总线就可以控制总线,因此它们可以在没有任何远程请求的情况下传输消息,称为活动站。而从设备通常是外围设备,如传感器、发射器和执行器,它们可以根据主设备的请求接收消息,将消息发送给被称为被动站的主设备。

此外,Profibus在控制网络的组件之间使用主从通信。在主从通信中,主设备包括对其所有从设备和进程的单向控制。因此控制器始终是主机,而IO设备将始终是从机。这也是Profibus协议的工作原理。

Profibus协议类型

Profibus提供三个兼容版本,分别为Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。

1、Profibus-DP

PROFIBUS DP是Profibus最常用的变体之一,也称为标准PROFIBUS。这种变体的主要好处是:即插即用,数据传输可以非常快速地完成,并且最常用于全球生产环境。

此变体专为设备级别的自动化控制系统和分布式I/O之间的高速数据通信而设计。PC或PLC等中央控制器通过高速串行链路与其分布式现场设备交互。因此,大部分通过分布式设备的数据通信可以循环进行。

Profibus-DP

除了执行循环功能外,还可以获得非循环通信功能,特别是通过允许配置、诊断和处理警报,适用于智能现场设备。Profibus DP在一条总线上支持多达126个节点,允许多个主站,只有当所有从站都与一个主站相连时,这些主站才可以在网络上使用。PROFIBUS DP包括三个不同的版本DP-V0、DP-V1和DP-V2。

  1. DPV0版本主要用于简易远程设备。DPV0版本的特点主要包括:可在主站和从站、诊断和GSD或一般站描述之间交换的循环数据。
  2. DPV1版本主要用于需要异步数据交换的情况。DPV1版本的主要特点包括:主从之间可以进行非循环数据交换,报警管理,结合FDT和EDDL,功能块。
  3. DPV2版本主要用于执行不同的高性能功能,如广播中的数据交换和同步通信。DPV2版本的特点主要包括:循环的时间模式是确定的,数据交换可以通过从站到从站通信,上传和下载冗余,HART协议实现DP等来完成。

2、Profibus-PA

Profibus PA主要设计用于自动化过程。因此,即使在本质安全区域,它也允许不同的传感器和执行器连接在一条公共总线上。它允许通过基于国际标准 (IEC 1158-2)的双线技术在总线上进行电源和数据通信。

Profibus-PA

PROFIBUS PA改进并取代了过程自动化中的传统系统,如4-20mA和HART。与PROFIBUS-DP相比,Profibus-PA中的电源和数据在类似的两条线上传输。此外,PROFIBUS DP和PA在使用和协议方面都是相同的。

3、Profibus-FMS

Profibus FMS规范是一种通用解决方案,尤其适用于单元级通信任务。这主要是为了通过在它们之间传输复杂数据来在PLC和PC之间进行交互。

Profibus-FMS

Profibus-FMS不适用于低复杂度的消息,否则会在更复杂和更广泛的网络上进行通信。强大的FMS服务提供了巨大的灵活性,也可用于复杂和广泛的通信任务。目前,PROFIBUS FMS仍在被更多的运营商使用。

Profibus协议规范

Profibus DP和Profibus PA规范包括以下内容:

  • Profibus DP中使用的物理层是RS485。
  • 屏蔽双绞线用于信号。
  • 电缆长度主要取决于波特率。
  • 每个网段的设备数量为32个,包括四个中继器在内最多可达126个。
  • 总线电源为24 VDC电源。
  • 传输速率从每秒9.6K到12M位。
  • 数据传输的大小主要取决于设备的类型,例如输入最大为246字节,输出最大为246字节。
  • 设备识别可以基于每个设备的特定ID号来完成。
  • Profibus PA的物理层是IEC61158-2。
  • 使用的拓扑是带有分支的主干。
  • 电缆长度为1900米。
  • 使用的设备数量为32。
  • 每个段的总线功率2~24W之间。
  • 传输速率为31.25 kbits/秒。

Profibus总线架构

PROFIBUS是一种开放领域且独立于供应商的标准总线,用于过程自动化和制造等不同应用领域。这些通过EN 50254和EN 50170等国际标准得到保证。

PROFIBUS只是简单地允许不同制造商的设备之间进行通信,而无需对特殊接口进行任何调整。它可以简单地用于时间紧迫、高速和困难的基于通信的任务。该总线根据要求提供FMS和DP等通信协议,RS-485、IEC 1158-2等传输技术,或者可以使用光纤。Profibus的架构如下图所示:

Profibus连接图

PROFIBUS协议体系结构的体系结构是开放系统互连(OSI)参考模型。在这种类型的架构中,每个传输层都准确地处理定义的任务。所以物理层/第1层只是简单地定义了物理传输的特性。数据链路层/第2层简单描述总线访问协议,应用层/第7层简单描述应用功能。

应用行规

PROFIBUS的应用行规主要通过正在使用的传输技术描述通信协议,它们还描述现场设备在使用PROFIBUS的整个通信过程中的行为。因此,目前最重要的应用规范是PROFIBUS PA,因为它定义了过程自动化设备(如测量阀、定位器和传感器)的功能块和参数。

应用层/Layer7

在OSI模型中,应用层只是简单地为用户提供应用的服务。因此,这些服务将在第2层和应用程序之间实现高效和开放的数据传输。应用层包括两个协议DP和FMS。

  • DP是一种非常高效的通信协议,它使用第1层、第2层和用户界面。因此,这种流线型架构将确保非常高效和快速的数据传输。DDLM(直接数据链路映射器)只是向第2层提供用户界面。操作员和设备可获得的应用程序功能以及各种类型DP设备的系统行为在用户界面中指定。
  • FMS重要性的通用通信协议是连接第1、2和7层。第7层主要包括FMS(现场总线消息规范)和LLI(下层接口)。因此,FMS简单地描述了用于主站到主站和主站到从站通信的大量通信服务,而下层接口定义了FMS服务在第2层数据传输协议上的描述。由于FSM是一种通用的通信配置文件,它提供了多种复杂的应用功能,用于智能设备之间的通信。但随着PROFIBUS技术的进一步发展和单元级TCP/IP的使用,FMS将在未来扮演不那么重要的角色。

物理层/Layer7

现场总线系统的应用主要取决于可用的传输技术,以及对总线系统的正常要求,如大距离、最大传输速度、高传输可靠性、自动化过程,以及应满足的额外要求,如在危险区域内操作、在正常电缆上传输数据和能量。

一旦不能通过单一的传输技术来满足所有需求,那么目前PROFIBUS可以获得三种传输方式包括:

  • RS-485传输用于通用应用的制造自动化。
  • IEC 1158-2传输用于过程自动化。
  • 光纤用于提高抗干扰能力以及大型网络的距离。

数据链路层/Layer2

数据链路第2层简单地定义了具有数据安全性的总线访问技术描述。通过使用PROFIBUS,实现了令牌方式组合的主从技术。

通常情况下,数据链路层负责将消息或帧从一个节点移动到另一个节点。在这一层中,通信的单位是帧。该层使用来自网络层的数据包,总而言之,将它们分成帧。如果帧的大小变得非常大,则可以将数据包分成小帧。因此,接收端的数据链路层接收信号并将它们收集到消息或帧中。

下图将显示数据链路层与网络层和物理层的主要关系。该层的主要功能在下面介绍。

数据链路层

  • Framing(帧格式);数据链路层只是将从网络层获得的比特流分离成可控的帧。
  • Physical Addressing(物理寻址);如果将帧或消息传输到网络上的各种系统,则该层向帧插入一个标头以描述帧或消息的发送者和接收者。
  • Flow Control(流量控制);此时,与发送方内部生成的数据相比,通过接收方吸收的数据速度较低,因此数据链路层会施加一种流量控制机制,以避免接收方不堪重负。
  • Error Control(差错控制);数据链路层通过包括通知和重传丢失帧的机制向物理层插入一致性。它还利用一种机制来识别重复的消息或帧。因此,通常在整个预告片(包括帧末尾)中实现差错控制。
  • Access control(访问控制);一旦至少两个或两个以上的设备链接到相似的链路,则需要该层的协议来决定在给定时间内哪个设备有权控制该链路。
  • Fieldbus Data Link(现场总线数据链路);PROFIBUS使用统一的介质访问协议,该协议通过数据链路层或OSI模型的第2层实现。因此,这还包括数据安全、电报和传输协议处理。PROFIBUS中的第2层称为现场总线数据链路。现场总线数据链路仅通过一种混合访问技术工作,该技术将通过主从技术的令牌传递结合起来。PROFIBUS DP网络中的过程控制系统或控制器是主站,而执行器和传感器是从站。

Profibus Dp与Profibus Pa的区别

Profibus Dp和Profibus Pa之间的区别包括以下内容:

Profibus Dp Profibus Pa
PROFIBUS分散式外围设备用于通过工业自动化应用中的集中式控制器激活传感器和执行器。 Profibus过程自动化用于增强和替换过程自动化中的传统系统。
它使用RS-485,虽然物理层不一样,但协议是相似的。 它使用MBP(Manchester Encoded Bus Powered)物理层。
它被认为是一种高性能的总线网络,能够在几毫秒内传输数千个I/O点数据。 Profibus-PA可用作过程工业中HART和4至20mA信号传输的替代方案。

Profinet和Profibus之间的区别

Profinet和Profibus之间的区别包括以下内容。

Profinet Profibus
Profine(过程现场网络)是一种基于以太网的通信协议。 Profibus(过程现场总线)用于自动化技术中的现场总线通信。
它包括两个主要类别,包括Profinet IO和Profinet CBA。 它包括Profibus DP、FMS和PA三个类别。
它以100兆比特/秒的速度运行。 它以9600位/秒到12兆位/秒的速度运行。
Profinet的电缆长度可达100米。 Profibus的电缆长度可达1000 米。
Profinet中使用的物理层是以太网。 Profinet中使用的物理层是RS485。
这里使用的通信类型是主/从设备。 这其中使用的技术是提供者或消费者。
Profinet中使用的文件用于确定硬件是GSD文件。 Profibus使用的文件用于确定硬件是GSD文件。
Profinet中的文件使用XML文件。 Profibus中的文件使用ASCII文件。

优缺点

Profibus的优点包括以下几点内容:

  • 易于使用且灵活。
  • 基于模块化和标准。
  • 唯一的通信协议允许连续离散和基于安全的过程的完全集成解决方案在类似的总线上运行。
  • 允许混合自动化并消除了单独系统的使用。
  • 允许快速和非常灵活的生产。
  • 使用更少的硬件和布线。
  • 操作员可以不断地感知状态并做出适当的反应。

Profibus的缺点包括以下几点内容:

  • 它在短消息传输中的利用率很高。
  • 公共总线上没有电。
  • 与其它总线相比价格昂贵。
  • Profibus DP的数据带宽限制很低,例如每个节点244字节。
  • 安装成本很高,包括距离延长器和电缆。
  • Profibus PA的数据速率较慢,如31.25kbit/s。
  • 电流在整个总线线路中的流动速度很慢,不过相对比较安全。

主要应用

Profibus的应用也是非常的广泛,一些常见的应用包括:

  • 提供现场传感器与控制器或控制系统之间的通信。
  • PROFIBUS解决方案用于工业自动化、工业过程、制造等。
  • 用于复杂的通信任务和高速时间关键型应用程序。

常见问题

为什么使用 Profibus?

答:Profibus是自动化技术中用于现场总线通信的协议,该网络通过传感器、编码器和执行器等不同设备简单地连接控制器和自动化系统。通过使用这些网络,可以使用单根总线电缆进行数据交换。

Profinet和Ethernet(以太网是一样的吗?

答:Profinet和Ethernet两者并不相同,因为Profinet是基于以太网的应用。

Profibus还在使用吗?

答:Profibus并不经常使用,但它正在逐渐迁移到当前的技术,如Profinet。但在某些国外市场,它是作为工业通信中必不可少的协议来实施的。

Profinet电缆是双绞线吗?

答:Profinet电缆是一种工业以太网电缆,这些电缆有时被称为工业双对Cat5或Cat5。

Profibus的速度是多少?

答:Profibus网络速度范围从9600位/秒到12兆位/秒。

总结

以上就是用于跨设备通信和自动化的Profibus工业协议介绍,Profibus电路用于工业现场总线快速连接型系统,主要为过程应用开发。它们为自己的DP(分散式外围设备)和PA(过程自动化)应用程序提供出色的电气传输性能。

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