profibus training course presented by ge sgm team

Profibus Training Course

Presented by GE SGM Team

GE Fanuc AutomationGE Fanuc Automation

课程内容• Profibus 与 OSI 7 层网络模型• Profibus 的物理层• Profibus 的数据链路层• Profibus 的高层协议• 有关 Profibus DP 的技术术语• GE Fanuc 的远程 I/O--- Field Control• 建立 90-70 PLC 的 Profibus DP 网络• 建立 90-30 PLC 的 Profibus DP 网络

Profibus 与 OSI 7 层网络模型• Profibus 的全称是 Process Field Bus ，

可见 Profibus 是一种适用于工业过程控制的局域网

• 作为一个局域网， Profibus 必须至少具有 OSI 参考模型中的第一、二层

• 网络的第一层包括了网络设备的接口及其传输技术，这是任何一个网络设备都必须具有的

• 网络的第二层是数据链路层，它负责处理网络设备如何共享传输介质

物理层

数据链路层

网络层

运输层

会话层

表示层

应用层

用户

主机层次

7

6

5

4

3

2

1

物理层连接 ( 传输介质 )

Profibus 与 OSI 7 层网络模型 ...

• Profibus 的三个子集： FMS, DP 和 PA 在物理层的定义有所不同 , DP 与 FMS 均采用 RS485 技术， PA 采用 IEC 1158-2 技术

• 但是，这三个子集在数据链路层均采用符合 IEEE802.4 标准的逻辑令牌环协议

• 在第二层以上，这三个子集采用各自的高层协议对应不同的通讯任务： FMS 主要完成 PLC 与 PLC 之间的通讯， DP 用于 PLC与分散 I/O 之间的通讯， PA 用于过程控制中主控制器向传感器供电并读取信息


• Profibus 的 DP 、 FMS 和 PA所完成的不同任务如右图所示

• Profibus DP 所构成的分散型 I/O 控制方案与传统的集中型控制方案相比，具有节省电缆、排除故障方便等优点


• 传统的集中型 I/O 控制方案如左图所示• 以 Profibus DP 为代表的分散型 I/O 控制方案如右图所示

接线端子排

去现场设备

GBC

集中 I/O 分散 I/O

Profibus 的物理层• Profibus PA 在物理层采用 IEC 1158-2 传输技术• 每段 32 个设备，最多 126 台设备• 每段只有一个电源，向该段上的设备供电，每站消耗常量稳态基本

电流 (10mA) ，信号的调制电流从 +/-9mA 到基本电流之间• PA 与 DP 的之间通过分段耦合器连接，分段耦合器还是供电装置

波特率 31.25k ，总线电缆两端装有无源 RC终端器，电缆最大长度小于 1900m

Profibus 的物理层 ...

• DP 与 FMS 均采用 RS485 传输技术• 每个网站应提供 9 针 D 型连接器作为总线接口，实际有用的只有 4 根针• 每个网站 9 针 D 型连接器中 3 号针串连在一起， 8 号针也串连在一起• 总线电缆的两端须安装有源终端电阻来保证总线通讯的可靠


• Profibus DP/FMS 按分段方式构成网络• 每段可有 32 台设备，整个网络可有 127 台设备• 每段的电缆长度与总线的波特率有一定的关系，见下表• 段与段之间可通过中继器相连，网上中继器最大个数在 3 和 10

之间


• 中继器 (Repeator) 的作用是将传输信号放大、整形，中继器的引入不可避免会引起位传输的延迟

• 当网络上设备太多、网络总线太长，引起传输信号衰减严重时，就应该考虑使用中继器

• 中继器两边的网段必须使用相同的波特率

中继器

Profibus DP


• 在电磁干扰很大的环境下、或者为了增加总线传输距离， Profibus DP/FMS 允许使用光纤传输技术

• 每台设备有两根光纤，一根用于发送，另一根用于接受• 每台设备通过光纤连到星型耦合器，耦合器将接受到的光信号分送给连到它的每台设备

• 这种拓补结构看似星型的，实际上仍是总线型的• 光纤的传输距离一般在 1km 左右，已有 RS485/光纤转换器

星型耦合器

网站网站网站网站

Profibus 的数据链路层• Profibus FMS/DP/PA 在网络的第二层都运行相同的介质存取协

议： Fieldbus Data Link(FDL)• Profibus 网上的设备可分为主站和从站 (Master-Slave)• 所有运行 FMS 协议的设备都是主站，运行 DP 和 PA 协议的设

备有主站和从站之分，每个主站有权控制总线访问其他设备• 主站之间依靠令牌的传递依次获得总线的控制权

Profibus 的数据链路层 ...

• 网络上的每个主站都设有一个定时器：实际令牌运行时间。这个定时器计算从令牌离开本站到令牌再次到达本站的时间，这个时间值与最大令牌循环时间的差值即是本站可以控制令牌的时间

• 当网络上的令牌环建立后，每个主站保持有三个地址：本站地址 TS ，前趋地址 PS ，后继地址 NS。 TS发送完之后，就发出一数据帧将令牌转移给 NS ，并监听 NS 是否发送数据帧

• 如果 NS没有响应，则 TS断定 NS已经不活动。 TS 会发出广播帧，征询是否有其他站的站地址比 NS小，如有，则该站取代 NS 在逻辑环中的地位 , 这就完成了一个不活动站的删除

• 每个站在获得令牌若干次之后，总会发出广播帧，询问网上是否有站号在 TS 与 NS 之间的站，如有一个，则该站插入逻辑环。如有多个，则 TS 发出分解争用帧，每次允许一个站插入逻辑环

• 逻辑环的初始化操作是令牌的争用过程，只有一个站争得令牌，其余站按站插入算法插入逻辑环

Profibus 的高层协议• Profibus DP 的第三至第七层是由 DDLM(Direct Data Link Mapper)

来完成的，在第七层之上，主站的 DP 协议要完成如下任务：根据主站中有关各个从站的配置信息，向各从站发出配置查询命令，如果从站的实际配置情况与主站中关于该从站的配置情况相符，则主站将开始与该从站周期性的数据交换，每个 DP 从站可有 244 个输出字节和 244 个输入字节

• Profibus FMS 的第七层是现场总线信息规格 (Fieldbus Message Specification) ，第七层与第二层之间是低层接口 (Lower Layer Interface, LLI)。设备的 FMS 上层协议提供以对象为主的客户机 -服务器通讯

• Profibus PA 的高层协议与 DP类似，它采用了扩展的 DP 协议

有关 Profibus DP 的术语• GSD文件：每个 Profibus 设备的技术性能 ( 如： I/O 数量 ) 、总线参数

( 如：所支持的波特率 ) 均在 GSD文件中说明， GSD 也称为电子设备数据库文件用户在利用网络组态软件配置主站时，需要提供每个从站的 GSD文件以告诉主站每个从站的参数

• Gap Factor ： Profibus 的主站获得多少次令牌后，应允许有新站插入，次数即是 Gap Factor

• Target Rotation Time( 最大令牌循环时间 ) ：网络中令牌循环一周的可能的最长时间，该参数往往由网络组态软件自动计算出

• Actual Token Runtime( 实际令牌运行时间 ) ：从令牌离开本站开始计时的时间值，令牌再次到达本站时，该计时值清零。该值与最大令牌循环时间的差值即是本站可以控制令牌的时间

• Slot Time ：主站发出数据帧之后，等待响应的时间值

远程 I/O --- Field Control

• Field Control 是 GE Fanuc 的 Profibus DP 从站

• 一个 Field Control 远程 I/O 站由总线接口单元 (BIU)和 I/O 模块组成

• 总线接口单元负责接收总线数据和向总线发送数据，同时， BIU 还负责与 I/O 模块交换数据

• BIU 提供标准的 9 针 D 型网络接口

• BIU 上的 8 位 DIP开关用于设定 Field Control 的站号， SW8 设置从站站号是硬件设定还是软件设定， SW1-7设定硬件从站站号

• 如果 BIU 上的 SW8 设成 ON ，则 Field Control 的从站站号由 SW1-7 决定。如果 SW=OFF, 则从站站号由手持式编程器设定

• BIU 上的 15 针 D 型接口用于连接手持式编程器

• 在手持式编程器上，可设置一些参数

• 通常， Auto Config 应设成 Enable ，这使得 BIU 能自动扫描检测 I/O 模块

• 在手持式编程器上还可以监视、强制本站的 I/O 状态

• BIU 可以自动检测总线的波特率



• BIU 上有三个 LED指示灯 , 分别为： PWR 、 OK 和 Run

• PWR 灯代表 BIU 的 24V 供电正常

• OK 灯代表 BIU 自检通过 , 如果 BIU 下面的 I/O模块发生故障或者增加、减少了 I/O 模块， OK 灯会闪烁排除故障后再重新上电， OK灯恢复正常

• Run 灯代表 BIU 与主站正常通讯，如果 Run 闪烁，则表明 BIU 下面的 I/O 被 HHP 强制着


• Field Control单元与主站交换数据的准则如下：每次 BIU 向主站发送数据时， BIU 除了汇报本站所有输入模块的信息，还汇报两个字节的故障诊断信息；每次主站向 BIU发送数据时，除了送出所有输出模块的信号外，还向 BIU送出两个字节长度的清除错误命令

• 故障诊断和清除错误命令的数据格式如右

故障诊断

清除错误


• 通过 HHP(手持式编程器 ) 对 Field Control 进行 I/O 的强制操作步骤如右

• 将 HHP 连在 BIU 上， HHP 的初始菜单如右图第一级所示，按 1进入 I/O监控，按 2进入组态

• 将一个变量设置成强制状态后，该变量的状态值左侧会显示 * 表明该变量目前处于强制状态

• 用光标移动键找寻 I/O 地址

按 1

按 1

按 ENT

按 1

建立 90-70 PLC 的 Profibus DP 网络 ...

• 建立 90-70 PLC 的 Profibus DP 网络的基本步骤如下： 1. 设置 5136-PFB 的 DIP开关和跳线，设置 Field Control 的 DIP开关 2. 在 COM PROFIBUS 软件中，组态网上的所有主站与从站，并将组态文件输出成二进制文件 3. 在 CPU 中装入 5136-PFB 的初始化程序 4. 运行 CPU ，并在 PC 机上运行 Hyper Terminal 软件，将二进制文件下载给 5136-PFB 模块

建立 90-70 PLC 的 Profibus DP 网络• 90-70 PLC 的 Profibus 接口模块是 SS-Tech 公司生产的 5136-PFB-

VME 模块，该模块可提供 DP 、 FMS功能• 5136-PFB 提供标准的 9 针 D 型网络接口• 5136-PFB 提供五个 LED 指示灯，从上至下分别为： PASS ：该灯由 VME 总线主站 (PLC 的 CPU) 向 5136-PFB 的内部寄存器写入代码后点亮。通常 CPU 对 5136-PFB初始化后，该灯亮 FAIL ：该灯与 Pass灯相反 OK ：当 5136-PFB模块的看门狗正常工作时，该灯点亮 SYS ：网络上的所有从站均正常通讯，该灯点亮 COMM ： 5136-PFB 模块获得令牌时点亮

• 5136-PFB 模块上有一组 DIP 开关用来设置该模块在 VME 总线上的地址


• 设置 Field Control 的 DIP 开关为： SW8 = ON ， SW1=1, Sw2=1 SW3-SW7=0 ，这使得 Field Control 的站号被设为 3

• 用 HHP 设置 BIU 的 Auto Config = Enable ，并查看 Profibus ID• 设置 5136-PFB 的 DIP 开关为： SW1=OFF ， SW2- SW10=ON ，

这使得 5136-PFB 的 VME 总线地址被设为 8000H


• COM PROFIBUS 软件包是 Profibus 模块的常用组态工具， 5136-PFB 也需要用该软件包来生成组态文件

• 该软件可以在 Win3.1 和 Win95 下运行

• 因该软件被设计成可以在 Siemens PG710/750/770 等专用编程器上运行，所以在一般 PC 机上安装时，不要选择 Online 功能和 Memory Driver

• 安装完软件之后，应将所有 GSD 文件拷贝到 COM PROFIBUS 的 GSD 子目录下，将 5136-PFB 的 2mh文件拷贝到 Masters 子目录下


• 进入 COM PROFIBUS 软件包，可以在 File 菜单下选择建立新文件 (New) 或打开已有文件 (Open)

• 在 COM PROFIBUS 软件包中，一个主站的组态文件的扩展名为 et2

• 每次增加一个从站设备的 GSD 文件到 COM PROFIBUS 中，用户应该执行 Scan GSD Files 操作

• 用户也可选择 Open GSD Files 操作来阅读 GSD 文件中的数据信息


• 选择 New ( 建立新文件 ) ，窗口弹出如下• 用户必须选择主站类型： 5136-PFB• 用户还须为主站选定站号 (Address)


• 选好主站类型及站号之后，主站显示在窗口中，如左图所示

• 此时，可以开始配置从站• 用鼠标选中 others• 将鼠标移至主站下方点击，如下窗口弹出，要求用户选定从站站号


• 选定从站类型 ( 如 : Field Control)

• 从站显示在主站下方，双击从站图标，从站的组态窗口显示如下 :


• 在从站的组态窗口中，每一行对应从站的 BIU 或 I/O 模块• 如果 Field Control 带有一个 BIU 和一个 16 点输入模块、一个 8 点

输出模块，则第一行对应 BIU ，第二行对应 16 点 DI ，第三行对应 8点 DO

• 用户可选中 Order No. 或双击 ID 下的空白栏来组态每个 I/O 模块


• 选择 Order No. 组态 I/O 模块的窗口如上所示

• 双击 ID 下的空白栏组态 I/O 模块的窗口如下所示，在此窗口中，须选择每个 I/O 模块的类型 (I 、 O 、 I/O)和数据长度，之后自动产生 ID 代码


• 对于一个 Field Control 单元包含一个 BIU ，一个 16 点输入模块和一个 8 点输出模块，其在 COM PROFIBUS 中的组态如下：


• 生成了一个主站的组态文件之后，应该将该文件输出转换成二进制文件，以便下载给 5136-PFB 模块

• 在 File 下选 Export --- Binary File ，即可完成二进制文件的转换

• 二进制文件的扩展名是 2bf

• 此时， COM PROFIBUS 的操作全部完成


• 现在，应利用 Hyper Terminal 将二进制文件下载到 5136-PFB 中

• 在 Win95 的 Accessories 中选 Hyper Terminal, 窗口如右

• 双击 Hypertrm, 窗口如下，选 Direct to COM1


• 建立好这个连接后就可以运行这个连接

• 让 CPU 运行 5136-PFB 模块的初始化程序， 5136-PFB 上的 SYS 灯会开始闪烁

• 当 SYS 停止闪烁时，在 Hyper Terminal 中按住“ *”直到与 5136-PFB 建立通讯 , 此时， SYS 与 COMM交替闪烁 (橙色 )

• 键入 rec2bfXmodem 命令• 在 Transfer 菜单下选 Send File 操作，再选中二进制文件，利用 Xmodem 协议下载二进制文件

• 键入 exit ，并选择将二进制文件载入 5138-PFB 的 Flash Memory


• 如果主站的组态文件与实际的从站情况相符，且网络电缆连接正常，则 5138-PFB 上的 LED 除 FAIL外全部点亮

• 这表明你已成功建立了 90-70 Profibus DP 网络


• 在 90-70 CPU 中， GE Fanuc 提供标准的子程序块来初始化 5136-PFB 模块，并读取 5136-PFB 模块中的数据

• 程序如右图所示， INIT 子程序用于初始化 5136-PFB ， Get 和 Put 用于读写 5136-PFB 的数据

建立 90-30 PLC 的 Profibus DP 网络• 90-30 PLC 的 Profibus DP 主站模块如右图• 标准的 9 针 Profibus 连接器• 9 针 RS232 连接器用于下载 Firmware ，更新模块版本

• 该模块只须用 Cimplicity Control 对它组态，不需要额外的组态软件

• 三个 LED 指示灯： OK 、 RUN 、 PWR• PWR灯：绿色 --正常，黄色 -- 模块故障• OK灯：绿色 -- 模块从 CPU 接收到正确组态内

容黄色 -- 模块没有从 CPU 接收到正确组态内容

• RUN灯：绿色 -- 模块在进行总线通讯，所有从站通讯正常且无故障红色 -- 模块不进行总线通讯黄色 -- 模块在进行总线通讯，但总线有故障或总线上的从站有故障


• 进入 Cimplicity Control ，在机架上配置 Profibus DP 主模块。注意，该模块在 Bus Controller 菜单中

• 90-30 Profibus DP 主模块的配置菜单第一页 (Settings)显示如右

• 在 Bus Address 中应填入本站站号

• Status Reference 是指从站状态位，一个从站对应一位

• 用户可选择总线的波特率 (Baud Rate)


• 90-30 Profibus DP 主模块的第二页配置 (Slave Information)显示如右 , 其中一行对应一个从站设备

• 窗口中最靠左边的一栏的数字指的是从站在从站状态字中的状态位处于的位序号

• 在 GSD File 处应输入该从站的 GSD文件的路径名，如： C:\Cimplicity\Control\GSD\ge0534de.gsd ，输入完毕， Cimpicty Control 会寻找到该文件并读取该文件中的信息

• 在 Bus Addr 处，应输入从站地址号

• 其余数据来自 GSD文件，用户不必修改


• 90-30 Profibus DP 主模块的第三页配置菜单 (Data Area) 如右

• 在此菜单中，用户应配置每个从站的 I/O 信息

• 在 Slave Addr 处输入从站站号• 在 Module # 处输入从站中每个

I/O 模块的序号，如 1 ， 2 ， 3...• 在 Type 处输入 I/O 模块的类型• 在 Length Type 处选择 Word

或 Byte ，在 Data Length 处输入数据长度 , 在 Input Offset 和 Output Offset 处输入 I/O地址

• 对于从站站号为 3 ，带有一个 16 点输入和一个 8 点输出的 Field Control ，其组态如右图所示


• 将此硬件配置信息下载到 PLC 中• 使得 PLC 从 Stop 切换到 Run 状态• 察看 Profibus DP 主模块上的 OK 和 Run 灯是否变成绿色• 如果这两个 LED 指示灯全部变成绿色，表明你已成功建立了 9

0-30 PLC 的 Profibus DP 网络

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