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Profibus DP总线故障诊断方法(2)

冷轧电气控制2020-10-14 12:41:57
  PROFIBUS传输技术(物理层)和DP通讯


在ISO/OSI参考模型中,第1层定义“物理的”数据传输方法。这里包括编码类型和所使用的传输标准(例如,RS 485)。PROFIBUS为第1层提供了多种不同类型的传输技术:RS 485、RS 485-IS、MBP以及光纤传输技术。传统的DP是使用RS 485或光纤传输技术的高速通信系统,它最初是面向制造业自动化应用的。为了使其能够应用到过程自动化领域,开发应用了本质安全的RS 485-IS传输技术。它是以IEC61158-2为基础的本质安全“物理层”,以很好的防爆功能广泛应用于危险区域。RS 485-IS能够很容易地被集成到具有现有PROFIBUS DP RS 485设备的系统中。这就意味着,它可以使用整个PROFIBUS的基础结构。使用具有集成隔离栅的现场总线隔离中继器来实现将RS 485-IS集成到现有的PROFIBUS系统中。此外,还有用于过程自动化系统与现场设备的PROFIBUS PA通信系统,使用PROFIBUS DP的扩展协议进行数据传输。它使用符合国际标准IEC61158-2的特殊的物理层,此物理层以术语“曼彻斯特编码和总线供电”(Manchester Coded Bus Powered)为特征,并满足过程工程的要求(例如,远程供电和本质安全)。以上所有的传输技术都基于国际标准,并包含在IEC 61158和IEC 61784的PROFIBUS部分中。


 

1. RS 485传输特点

PROFIBUS传输技术描述设备接口的物理的、电的和光的特性。在实际的现场应用中,90%采用RS 485传输技术。且有如下特点:

RS 485,高速(H1):

● 依据 RS 485,异步NRZ传输

● 波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s,可选。

● 双绞屏蔽电缆。

● 每段32个站,最多允许126个站。

● 距离:12Mbit/s=100m;1.5Mbit/s=200m;≤187.5Kbit/s=1000m。

● 有中继器距离可延长到10公里。

● 9针,D型插头

MBP,低速(H2):

● 同步Manchester编码,31.25kbit/s

● 本质安全(可选)和通过总线供电(可选)

● 屏蔽或非屏蔽的双绞电缆

● 每段距离达1900米,用中继器可延长到10公里

● 最多126个站,每段10~32个设备(依赖于Ex-类型和供电消耗)

2. RS 485传输技术

(1)发送方通过电流方向的改变来定义逻辑“0”和“1”的信号电平来发送数据。

(2)接收方通过读取输入端电阻上流过的不同方向的电流来接收数据。

(3)由于发送端及接收端电阻的并联,相当于总线上的负载。所以,每个总线分段最多可以连接32个站。

(4)A、B之间的差动电压应大于±200mv,实际使用中测量值应在4到5V。

(5)在每个总线分段的起始端和结尾端必须要激活电阻网络,即终端电阻,通常我们称之为总线终端器。每个总线终端器都有永久不断的供电电源,以确保数据无差错地传输。在西门子的标准总线联结器中都接入了总线终端器。

(6)接地电阻保证在总线上没有数据传送时,总线上的高电平信号,以防止抑制噪声进入。尤其是在高速数据传送时,保证总线通信正常。

3. RS 485传输技术的布线


4. RS 485信号

RS 485传输技术通过带屏蔽的双绞数据电缆芯线A(绿色)和电缆芯线B(红色)传输PROFIBUS信号。在上图中,Line A为绿色电缆芯线上的信号(可以通过示波器测量数据线A与数据线地之间测得),Line B为红色电缆芯线上的信号(可以通过示波器测量数据线B与数据线地之间测得),Line B-Line A为实际测量得到的差动RS485信号(可以通过示波器测量数据线B对数据线A之间测得),也就是PROFIBUS的实际信号波形。在Line B与Line A之间测量到的高电平与低电平之间的电压差分应该是在4V与7V之间。正电压值和负电压值应该大约相同。在实际中,这二值之差大约是0.5V。下图所示的为一些典型的PROFIBUS信号波形。


5. PROFIBUS电缆规格要求—RS485

标准的PROFIBUS电缆由紫色外壳、双绞铜质电缆、支撑导管、屏蔽编织层(屏蔽≤50MHZ的信号)及屏蔽铝箔层(屏蔽>50MHZ的信号)组成。


在PROFIBUS标准中,规定总线电缆为“电缆类型A”,并且遵守以下特性参数。

除了标准的PROFIBUS DP标准紫色电缆外,针对不同的过程自动化和工厂自动化应用领域,PROFIBUS提供众多满足特殊领域特点的不同类型的电缆。

⊙ 加强型(Robust)电缆

  用于食品(Food)及医药制造业(完全不同于标准总线电缆的电缆外壳)

  可以直接掩埋(Underground)电缆,带有额外保护护套

  可拖曳(Trailing)电缆,用于偶然或间断拖曳的机械部分

  丝网(Festooned)电缆,与拖曳电缆相比,丝网电缆拥有额外的张力消除元件

  带有无卤外壳(FRNC)的标准总线电缆

  超柔性(Flexible)电缆,用于经常拖曳的机械部分

  船用(Shipboard)电缆,可以抵御海水的腐蚀

  混合(Hybrid)电缆

在这些不同的应用场合中,PROFIBUS电缆通常都有明显的颜色标识

6. RS 485的网络拓扑

在PROFIBUS网络中,所有设备都被连接在一个总线结构中,在一个总线分段中最多可连接32个站(主站或从站)。每个总线分段的开头和结尾都有一个有源的总线终端器。两个总线终端器都有各自不间断的供电电源,以确保无差错地运行。总线终端器通常被接入在设备中或连接器中。如果大于32个站或需要扩大网络区域,则必须使用中继器来连接各个总线分段。中继器没有站地址,但它们被计算在每段的站数中。在波特率低于1500 kbps时,在两个站点之间连接的支线以及站点与中继器的连接短接线应该尽量短。当波特率高于1500 kbps时,两个站点之间的支线不得小于1米。

PROFIBUS总线的传输波特率从9.6Kbit/s~12Mbit/s,在早期有些设备只支持到1.5Mbit/s,现在大多数设备都可以达到12Mbit/s,总线长度与传输速率相关,总的规律是传输波特率越高总线长度越短,越容易受到电磁干扰。从下图中可以看出,当波特率在187.5Kbit/s~3000Kbit/s范围内,总线长度随着波特率的变化几乎是成倍缩减的。波特率随着基于传输波特率的最大段长度参见图3-14。

PROFIBUS总线电缆与PROFIBUS总线连接器的终端电阻相匹配,并配有轴向电感以消除电容性负载而引起的导线反射,所以选择普通的屏蔽双绞线将不能保证下图中总线的段长度。

 

7. DB 9连接器

不同的连接器需要不同的配线技术。因此,对于安装插头连接器没有通用的说明书。适用于RS 485传输技术的连接器类型取决于保护等级。9针D型连接器主要用于保护等级为IP20的区域,适合在控制柜内部使用。对于保护等级IP65/67有三种通用连接器可供选择:

a) M12圆形连接器,符合IEC 947-5-2

b) Han-Brid连接器,符合DESINA建议

c) Siemens混合连接器。

混合连接器系统还提供一种用于使用光纤数据传输的类型,并在共用的混合电缆中通过铜缆给外围设备提供24V工作电压。

如上图所示,通过连接器通常能够很好地将PROFIBUS电缆链接起来。这样就可以不使用T型连接头(它引出分支(spur)线)来连接PROFIBUS站。因此,PROFIBUS连接器通常有两个电缆入口,每个入口有一组接线端。每个接线端通常用“A”和“B”来标记,或者用特定的颜色标记,例如“绿”和“红”。这两个接线端与PROFIBUS电缆中的两条数据线连接。在一个分段内所使用的颜色配置必须一致,即线芯不能互换。PROFIBUS导则“互连技术(Interconnection Technology)”规定了以下的配置:A:绿色 B:红色。在实际应用中,通常应在每个PROFIBUS分段的开头或末端至少安装一个具有用于编程或诊断设备的插座(备板(piggy-back)插座),以用于现场的诊断和维护。(例如,当现场使用的是S7 400 412-DP的CPU时,只有一个DP接口)。


 

8. M12连接器

5针M12圆型连接器是另一种连接器,适用于保护等级IP65/67的区域,通常用于极端环境下的PROFIBUS-RS 485设备。M12型连接器适合在控制柜外面使用,它的一侧固定地安装在PROFIBUS站中,另一侧与电缆连接。在许多应用中,使用预安装的PROFIBUS电缆可以使安装得到简化。对于M12型连接器,可以利用下图所示T型装置来连接PROFIBUS电缆分段。

9. RS 485总线终端器

PROFIBUSRS 每个总线分段的起始端和结尾端都有一个总线终端器来保证数据的正常交换。当总线上没有数据传输任务时不间断电源保证总线上有效的逻辑电平。为了最小化电缆反射并确保在数据线上所定义的噪声等级,在数据传输电缆的两端,必须使用如下连接的终端电阻器来终止。

在一条PROFIBUS总线上,位于总线中间的站点掉电从电路连接上不会影响整个网络通讯功能,如果设备检修而要停掉总线两端任一站点,这将失去终端电阻的功能,使整个网络通讯中断,例如一个PROFIBUS主站带有几个从站,如果最后一个从站掉电,主站和其他从站通讯可能也会中断,如果在总线两端各加入一个有源的终端电阻,这样就可以避免整个网络瘫痪。有两个元件可以作为有源的总线终端。

1:由于RS 485中继器有独立的电源,因此可以作为一个有源的总线终端,但是价位高。

2:利用专用的有源总线终端 Active Bus Terminal,Active Bus Terminal是一个有源的网络元件,它能方便地安装在标准的安装导轨上。在一个网段里本身也是一个站点,仅作为总线终端使用,无中继功能,见图3-22 PROFIBUS有源总线总线终端器。

10. 中继器

在PROFIBUS规范中描述,每一个总线分段最多可连接32台有源设备,为了能够连接更大量的PROFIBUS DP站,则必须将总线分成若干个分段。然后,每个分段可以使用具有放大和刷新数据信号能力的中继器来相互连接。中继器也可以用作网段之间相互电气隔离。每一个中继器允许加接一个具有最大可允许电缆长度及最大现场总线设备数量的总线分段来扩展PROFIBUS DP系统。但是,中继器也增加了信号的传播次数。由于西门子RS 485中继器具有信号放大和再生功能,在一条PROFIBUS总线上最多可以安装9个RS 485中继器,其他厂商的产品要查看其产品规范以确定安装个数。

从上图中可以看到,通过中继器实现了网段1与网段2之间的电气隔离。在PROFIBUS的线型及树型总线拓扑结构中,可以在实际的安装中根据传输波特率及导线规格等灵活使用中继器。从上图中继器的结构中,我们还可以将中继器用于两个网段的隔离。如果数据速率≤93.75kbit/s,并且若所链接的部分构成一个链,并假定导线的横截面积为0.22mm2,则最大可允许的拓扑结构如下:

1个中继器: 2.4km, 62个站

2个中继器: 3.6km, 92个站

3个中继器: 4.8km, 122个站

在树型拓扑结构中,可以使用更多个中继器,并可连接多余122个站,如5个中继器和127个站。这种拓扑结构可覆盖很大的一个区域,例如在数据率低于93.75kbit/s,导线的横截面积为0.22mm2时,总线长度可达4.8km。


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