PROFIBUS 是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统,在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。 由于PROFIBUS一直侧重于系统集成和系统工程等方面,尤其是侧重于应用行规的研究开发,使得该总线具有适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务的特点,成为能够覆盖工厂自动化和过程自动化应用的现场总线,特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。因而从诞生至今,PROFIBUS 在现场总线技术领域一直是国际市场上的**者。 随着PROFIBUS的大量应用,许多用户开始接触并使用了现场总线。但由于用户对现场总线技术的了解程度不同,再加上现场施工情况复杂,因而很有可能导致许多项目的现场总线通讯上可能存在着一些隐患,如果不能及时发现和处理,将有可能导致系统出现通讯故障,从而影响整个系统的正常运行。 为了帮助广大用户――特别是刚刚接触到现场总线的用户能够对PROFIBUS的硬件有个初步的了解,这里将重点介绍如何在现场正确的安装和使用相关PROFIBUS的网络元件和设备,帮助用户在使用PROFIBUS现场总线的过程中从硬件安装的角度尽量减少问题的发生,从而尽量减少整个网络使用中出现故障的概率。
1 PROFIBUS 概述PROFIBUS网络通讯的本质是RS485串口通讯,按照不同的行业应用,主要有三种通讯行规:DP(Decentralized Peripherals),FMS(Field Message Specification)和PA(Process Automation)行规。 其中DP通讯的方式在OSI参考模型中主要使用第1、2、7层,因此PROFIBUS DP网络的通讯速度较快,且报文简单(表1)。
表1 三种PROFIBUS的通讯行规的OSI模型 随着现场总线的应用领域不断扩大,PROFIBUS技术也在不断的发生着变化,例如FMS行规目前已经不再使用,而DP和PA的应用会越来越多,另外类似Motion Control with PROFIBUS 和PROFIsafe 等新的行规也都会随着应用而逐渐普及。 但无论那种行规,涉及到的硬件和网络形式基本都是一致的(PA除外)。因此这里我们从基本的网络硬件着手,介绍PROFIBUS的网络连接方式。 西门子RS485拖拽总线电缆2 PROFIBUS网络硬件PROFIBUS网络主要涉及到的硬件包括:PROFIBUS接口,通讯介质,PROFIBUS插头,中继器,诊断中继器,OLM以及有源终端电阻等。 2.1 PROFIBUS接口PROFIBUS接口是RS485串口,一般采用SUB-D female的接口,其管脚定义为:
一般CPU或者CP板卡都采用该接口。该接口外部的金属部分一般连接到CPU或者CP的内部的“PE”。而当CPU安装在底板上时,其“PE”与底板是连通的,此时如果将安装底板在电气柜内做接地处理,则该SUB-D接口的外部金属部分也是接地的。 2.2 通讯介质关于通讯介质,在表1的OSI模型中已经规定:PROFIBUS网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。当然,现在也有支持无线通讯的设备,但我们目前面对的主要还是有线介质的用户。
2.2.1 PROFIBUS 电缆PROFIBUS(类型1)介质是一根屏蔽双绞电缆,屏蔽可以提高电磁兼容(EMC)能力。 类型1:NRZ位编码与EIA RS-485信号结合,目的是降低总线耦合器成本,耦合器可以使站与总线之间电气隔离或非电气隔离;需要总线终端器,特别在较高数据传输速率(达到1500 k bits/s)时更需要。类型1规范描述平衡的总线传输,符合美国标准EIA RS-485(EIA: 电气工业协会;RS-485: 平衡的数字多点系统中使用的收/发器的电特性标准)。在双绞线两端的终端器使得类型1的物理层支持高速数据传输。传输速率≤93.75 kbits/s时,电缆长度为1.2km 。对1500 kbits/s的速度,长度减到70/200m(对B/A型电缆)。 PROFIBUS电缆的特性阻抗应在100Ω到220Ω之间,电缆电容(导体间)应该<60pF/m,导线截面积应≥0.22mm2(24 AWG)。电缆选择标准参见美国标准EIA RS-485的附录。 两类电缆的特性:
表2 电缆规格 下面的表指出两类电缆(A和B)对不同传输速度时的长度
表3 不同传输速度时的电缆长度 标准PROFIBUS电缆为屏蔽双绞电缆,其中数据线有两根:A-绿色和B-红色,分别连接DP接口的管脚3(B)和8(A),电缆的外部包裹着编织网和铝箔两层屏蔽,外面是紫色的外皮(图1)。
图1 标准PROFIBUS电缆
标准的PROFIBUS电缆一般都是A类电缆。 除了标准PROFIBUS电缆,还有许多其它特殊类型的电缆可以用于特定的环境:
图2 各种类型的PROFIBUS电缆
为了方便将PROFIBUS的外皮以及屏蔽层按照固定的长度进行切除,减少剥线的时间和剥线过程中将电缆破坏或者造成短路的可能,西门子还提供了PROFIBUS快速剥线工具(订货号:6GK1 905-6AA00)(见图3)。
图3 PROFIBUS快速剥线工具 西门子RS485拖拽总线电缆2.2.2光纤及接口光纤通讯具有很多优点,比如传输距离远,抗电磁干扰性好,且光纤尺寸小,重量轻,耐腐蚀性好,便于敷设等。当然也有缺点:光纤弯曲半径不能过小,光纤连接处及终端不容易处理等等。 按光在光纤中的传输模式不同,光纤可分为单模光纤和多模光纤(图4)。
图4 光纤的分类 多模光纤:中心玻璃芯较粗(50或62.5μm),可传多种模式的光。但其模间色散较大,这就限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。例如:600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此,多模光纤传输的距离就比较近,一般只有几公里。 单模光纤:中心玻璃芯教细(芯径一般为9或10μm),只能传一种模式的光。因此,其模间色散很小,适用于远程通讯。 在现场总线的规范中,定义了光纤可以做为现场总线的通讯介质。西门子可以使用光纤的PROFIBUS设备有:带光纤接口的CP板卡及模板(如CP5613 A2 FO, CP3425-FO等), OLM和OBT。 光纤主要涉及到选型的问题,因为通讯距离与光纤的类型有很大关系,而且并非所有的设备都能支持多种类型的光纤。因此需要注意设备与光纤以及接头的选型。这可以通过OLM的选型来了解。
基于 PC 的自动化SIMATIC 基于 PC 的自动化工业 IoT 网关 - SIMATIC IOT2000 一种智能网关,用于协调各种数据源之间的通信,然后对数据进行分析并将数据转发至相应接收方。易于实施的解决方案。 工业 PC 西门子性能可靠的创新工业 PC 是西门子基于 PC 的自动化系统的 PC 硬件平台。
软件控制器 SIMATIC S7-1500 软控制器用于在 SIMATIC IPC 上实现 SIMATIC S7-1500 控制器。它特别适用于**机器制造中的控制解决方案,涉及高性能实现复杂控制任务、集成 PC 应用程序或在单个设备上实现多个任务。 基于 PC 的控制器 这些基于 PC 的控制器将基于 PC 的软控制器的功能与可视化、PC 应用程序和集中式 I/O(输入/输出)组合到一个紧凑型装置中。SIMATIC ET 200SP 开放式控制器是一种工业 PC,其具有 ET 200SP I/O 系统的设计形式,并预装有 S7-1500 软控制器。 西门子RS485拖拽总线电缆
单元式热电联产机组 在重新设计单元式热电联产机组时,也应对自动化方法进行重新设计。目标是执行所有控制、可视化和归档任务,这些任务以前都是通过紧凑型机组中的 PLC 和 PC 处理的。以节省控制柜空间,降低管理和培训要求。同时还需要一种坚固耐用的免维护设备,并可方便地通过 Internet 进行连接。 基于 SIMATIC PC 的自动化解决方案的优点:
工厂解决方案 薄膜厚度测量 在生产塑料薄膜的过程中,在整个宽度上具有高度和统一的薄膜厚度是一个决定性的质量标准。为此,一个带有放射源的测量头在薄膜上方与连续输送的滚轴垂直的方向上来回移动,一个传感器在薄膜下放移动。 从辐射的衰减程度并通过大量数学计算,可以确定每个位置处的薄膜厚度,并对与参考位置的偏差进行补偿。 基于 SIMATIC PC 的自动化解决方案的优点:
工厂解决方案 用于太阳能电池板生产、带有功能的创新性基于 PC 的解决方案 对于生产太阳能电池板的新工厂来说,现有的高度混杂的设计需要由一种新的拥有技术的自动化解决方案代替,该解决方案紧凑而集成,可满足广泛需要。 由于系统复杂性的提高,性能和存储方面的要求也相应提高。PLC 还应能够提供的功能(急停、危险区域的访问保护)。 必须在装置 3 中链接各种总线系统。由于需要在选定系统上运行客户的特定 Windows 应用程序,因此必须实现与上位 MES 系统的连接。 该系统是为实现高产量和三班作业而设计的。 基于 SIMATIC PC 的自动化解决方案的优点:
海上运送 为了将人员输送到海上发电厂或石油平台,一家荷兰公司开发了靠液压缸驱动的六支柱平台。 该平台基本上是一种上下颠倒的飞行模拟器,即使在恶劣天气条件下,也可从船上输送人员。 一个带有快速 I/O 卡的 SIMATIC S7 模块化嵌入式控制器 (S7-mEC) 可以测量船的运动,并控制液压缸的伸缩,以便对全部运动进行补偿。 基于 SIMATIC PC 的自动化解决方案的优点:
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