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• 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，成为唯一能够全面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领导者。

  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）。

  第7层 （应用层）	DP设备行规	FMS设备行规	PA设备行规
  	基本功能 扩展功能		基本功能 扩展功能
  	DP用户接口     直接数据链路映象程序(DDLM)	应用层接口 （ALI)	DP用户接口     直接数据链路映象程序(DDLM)
  第3～6层		（并没有省略）
  第2层（数据链路层）	数据链路层                 现场总线数据链路（FDL)	数据链路层          现场总线数据链路（FDL)	IEC接口
  第1层 （物理层）	物理层 （RS485/光纤)	物理层 （RS485/光纤）	IEC61158-2

  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）。因此这里我们从最基本的网络硬件着手，介绍PROFIBUS的网络连接方式。

  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，最大电缆长度为1.2km 。对1500 kbits/s的速度，最大长度减到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：

  电缆参数	A型	B型
  阻抗	135Ω-165Ω (f=3到20MHz)	100Ω-130Ω (f>100kHz)
  电容	<30pF/m	<60pF/m
  电阻	≤110Ω/Km	-
  导线截面积	≥0.34mm2 (22AWG)	≥0.22mm2(24AWG)

  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最大长度

  
  

  
  

  波特率 [kbit/s]	9.6~93.75	187.5	500	1500	3000~12000
  A型电缆 长度（m）	1200	1000	400	200	100
  B型电缆 长度（m）	1200	600	200	70

  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，最外面是紫色的外皮（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

  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。

  OLM接口及匹配光纤看如下表格：

  OLM/                                      P11      P12      G11      G12       G11-1300     G12-1300

  接口 --电气                                      1           1            1           1              1                     1 --光纤（BFOC）                     1           2            1           2              1                     2

  可连光纤 --塑料  (如：6XV1 821-0AT10)        980/100um                            80m       80m        --            --             --                   -- --PCF  (如：6XV1 861-2A)              200/230um                           400m      400m      --            --             --                   -- --石英玻璃     (如：6XV1 820-5BT30) 单模 (10/125um)                      --           --           --            --            15km            15km                                                                                      多模 (50/125um)                      --           --          3km       3km         10km            10km 多模 (62.5/125um)                   --           --          3km       3km         10km            10km

  表4  OLM的接口及其光纤选型

  表中列出了塑料光纤、PCF光纤和玻璃光纤主要的应用场合，与OLM相关的设备基本上都是BFOC接头类型。

  光纤可以选择预装了接头的（如购买时已经安装了BFOC接头），但如果事先不知道距离，也可以选择单独购买光纤和接头。但一般玻璃光纤的BFOC接头都需要专业人士来安装。

  除了OLM，其它的带有光纤接口的设备包括：OBT / CP342-5 FO / IM467 FO / CP5613 FO / IM153-2 FO，这些设备使用的光纤一般使用的是简单接头（Simplex plug），且有两种光纤可以选择：

  A．塑料光纤 980/100um        50m   (如：6XV1 821-0AT10)      

  B．PCF光纤200/230um       300m    (如：6XV1 861-2A)

  C．接头 Simplex plug :            6GK1 900-0KB00-0AC0

  
  

  这里再总结一下两种接头的订货号：

  玻璃光纤的BFOC connector ：           6GK1 901-0DA20-0AA0

  塑料光纤的PCF Simplex plug ：    6GK1 900-0KB00-0AC0

                     BFOC plug ：              6GK1 900-0HB00-0AA0

       

   

    

  图5 Simplex plug                                   图6  BFOC接头

  如果希望自己完成接头的焊接工作，可以订工具箱（图7）：

  工具箱    PCF Simplex plugs：  6GK1 900-0KL00-0AA0

               BOC plugs：        6GK1 900-0HL00-0AA0

  

  图7  熔接工具箱

  但如果是玻璃光纤还是建议找专业的人员和设备来熔接。

  
  

  2.2.3 PRFOBUS插头

  PROFIBUS插头用于连接PROFIBUS电缆和PROFIBUS的站点（图8）。

  

  图8  PROFIBUS插头的使用

  在PROFIBUS插头上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站。

  当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时，根据RS485串口通讯的规范，每个物理网段支持32个物理设备，且在物理网段终端的站点应该设置终端电阻防止浪涌保证通讯质量。而每个PROFIBUS插头上，都内置了终端电阻，需要是可以接入（On）和切除（Off）。当终端电阻设置为“On”时，表示一个物理网段的终结，因此连接在出线端口“Out”后面的网段的信号也将被中断。因此，在每个物理网段两个终端站点上的插头，需要将网线连接在进线口“In”，同时将终端电阻设置为“On”，而位于网段中间的站点，需要依次将网线连接在进线口“In”和出线口“Out”，同时将终端电阻设置为“Off”。（图9）

  

  图9  PROFIBUS插头的连接和设置

  
  

  需要注意的是，PROFIBUS插头有一种带编程口（PG口）的，建议至少每个网段的两个终端站点处的插头尽量使用带编程口的（见图8，左侧的插头），便于系统的诊断和维护。

  2.2.4      终端电阻

  PROFIBUS电缆的两端应该连接终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。

  阻抗不连续：信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有（例如：短路）或者阻抗很大（例如：断线），信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻（图10）。

  

  图10 网络中的设备连接和终端电阻

  引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。

  在EIA RS-485中规定的端接电阻Rt是以下拉电阻Rd（与数据地DGND连接）和上拉电阻Ru（与正电压VP连接）做补充。当没有站进行传输（即空闲时间）时，这个补充迫使不同的状态电压（即导体间的电压）趋于一个确定值（图11）。

  

  图11  终端电阻的组成

  在一个物理网段中，但是如果终端和总线电缆阻抗不匹配，则最大通讯距离会减少一半。

  因而，在一个物理网段中，应该保证在网络的两个终端各有一个终端电阻，不能增加也不能减少，否则我们的总线上的网线与终端电阻将会出现不匹配的问题。这就意味着，如果终端站点出现问题，则有可能会影响到整个网络的通讯质量，因而除了使用PROFIBUS connector上自带的终端电阻，西门子还提供了有源的终端电阻设备（图12）。

  

  图12 有源终端电阻

  有源终端电阻可以单独供电，安装在网段的两端，保证网段内任何一个设备出现问题，都不会影响网络的电阻匹配的问题。

  2.2.4      RS485中继器

  按照RS485串口通讯的规范，当网络中的硬件设备超过32个，或者波特率对应的网络通讯距离已经超出规定范围时，就应该使用RS485中继器来拓展网络连接。

  PROFIBUS通讯属于RS485通讯的一种，因而也遵循这样的原则，及如果网络中实际连接的硬件超过32个时，或者所对应的波特率超过一定的距离时（表3），则需要增加相应的RS485中继器来进行物理网段的扩展。

  由于RS485中继器本身将造成数据的延时，因而一般情况下，网络中的中继设备都不能超过3个，但西门子的PROFIBUS RS485中继器采用了特殊的技术，因而可以将中继器的个数增加到9个，即在一条物理网线上，最多可以串联9个西门子的RS485中继器（图10）。这样，网段的扩展距离将大大增加。

  

  图13 RS485中继器

  
  

  使用RS485中继器时，需要注意几个问题：

  1） 安装问题

  l  RS485中继器上下分为两个网段，其中A1/B1 和 A1’ / B1 ‘ 接口是网段1的一个PROFIBUS接口，A2/B2和 A2’ / B2 ‘ 接口是网段2的一个PROFIBUS接口，PG/OP 接口属于网段1；

  l  信号放大是在网段1和网段2之间实现的，同一网段内信号不能放大；因而需要进行距离扩展的网络必须是接在网段2上；

  l  两个网段之间是物理隔离的，因而RS485中继器除了扩展网段外，还有一个作用就是可以进行网络隔离。

  l  这两个网段是都是指物理网段，与STEP7硬件组态中所组态的PROFIBUS网络没有关系，不同的物理网段仍然可以属于同一个PROFIBUS逻辑网络。

  l  在网络拓扑中，RS485中继器也是一个信号收发设备，占一个物理设备的位置，但不需要分配站号，因而注意在物理连接站点时，每个网段所连接的从站数是小于32的。扩展的距离则对应于每个波特率的传输距离（表3）。

  2 ）终端电阻的设置问题

  由于两个接口分别属于不同的物理网段，因此中继器上终端电阻的设置往往比较容易混淆。

  ① 中继器做为终端设备的网络拓展

  

  图14  中继器做为网络终端站点

  
  

  在这个网络拓扑中，中继器连接了网段1和网段2，由于中继器内部是隔离的，因而做为网段1来讲，中继器就是该网段的一个终端设备，因而在网段1中，应该将PROFIBUS网线接在A1/B1上，同时网段1的终端电阻设置为“On”；而网段2与网段1类似，也需要将电缆连接在A2/B2上，同时终端电阻设置为“On”。

  在这种网络中，上下两个网段中，最多都还可以连接31个从站设备。

  ②中继器在的两个网段内都做为中间设备的网络拓展

  
  

  

  图15  中继器在的两个网段内都做为中间设备的网络拓展

  此时，中继器的网段1和网段2都是网络中间的一个站点，即终端电阻为“Off”，网段1的总长度为200米（1.5M bps），网段2的总长度也为200米（1.5M bps）。两个网段之间是电气隔离的。

  
  

  3 ）隔离网段

  中继器除了具有信号放大、扩展网络的作用，还可以将不同的两个物理网段进行电气隔离，从而避免两个网段之间的EMC干扰。

  

  图16 隔离2个网段

  由于网段之间是隔离的，因而如果 断开PE端时，可以将两个网段分别按照接地和不接地的两个网段进行连接操作。