PROFIBUS传输技术介绍

在ISO/OSI参考模型中，第1层定义物理的数据传输方法（即电气的和机械的）。这里包括编码类型和所使用的传输标准（如RS-485），第1层也称为物理层。PROFIBUS对第1层的传输技术提供多种不同的版本，见表2-3。所有版本都基于国际标准，并包含在IEC61158和IEC 61784的PROFIBUS部分中。

表2-3 PROFIBUS的传输技术（物理层）

1.用于DP/FMS的RS-485传输技术

RS-485传输技术是PROFIBUS最常用的一种传输技术，通常称之为H2。RS-485传输技术适用于PROFIBUS-DP与PROFIBUS-FMS。由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时工作。RS-485传输技术是一种简单的、低成本的传输技术，主要用于需要高传输速率的任务，传输介质为屏蔽双绞铜质电缆。RS-485传输技术容易使用，安装电缆无需专门知识。总线结构允许随时增加或拆除站或逐步投运系统而不影响其他的站。后来的扩展（在定义的限制内）也不影响已经投入运行的站，RS-485也可以在本征安全区域运行。

（1）RS-485的特性

RS-485传输技术基本特征是：网络拓扑为线性总线，两端有一个有源的总线终端电阻；传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s；介质为屏蔽双绞铜质电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件；不带中继时每分段可连接32个站，带中继时可多达127个站。最好使用9针D型插头连接。投运系统时，在总线上的所有站应选择相同的传输速度。

（2）RS-485网络拓扑

所有设备都连接在总线结构中，在一个总线段中最多可连接32个站（主站或从站）。每个总线段的开头和结尾均有一个有源的总线终端器。两个总线终端器都有永久的供电电源，以确保无出错运行，如图2-5所示。总线终端器通常在设备或连接器中切换。如果在实现中大于32个站或需要扩大网络区域，则必须使用中继器（Repeater）来连接各个总线段，串联的中继器一般不超过3个，如图2-6所示。传输速率可选用9.6k～12Mbit/s，一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速率。电缆最大长度取决于传输速率，如使用A型电缆，则传输速率与长度见表2-4。A型电缆参数：阻抗为135～165Ω；电容小于30pF/m；回路电阻为110Ω；线规为0.64mm；导线面积大于0.34mm/Ω。

图2-5 PROFIBUS-DP和RPOFIBUS-FMS的电缆接线和总线终端电阻

图2-6 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）

表2-4 传输速率与长度

当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境下运行应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线压接，以保持良好的传导性。数据传输速率超过500kbit/s时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头使数据输入和输出电缆直接与插头连接，并且总线插头可在任何时候接通或断开而并不中断其他站的数据通信。

（3）电缆和连接器

对于不同的应用，在市场上有不同类型的电缆（类型A～D）可供使用，既可用于设备与设备之间的连接，也可用于设备与网络元件（如段耦合器、连接器和中继器）之间的连接。当使用RS-485传输技术时，PI推荐使用A类型电缆，见表2-5。

表2-5 电缆类型A的传输速率和范围

表2-5 中的参数值适用于具有表2-6特性的A型电缆。

表2-6 A型电缆技术参数

许多制造商可以提供PROFIBUS电缆，PI特别推荐一种快速连接系统，当使用适当的电缆和特殊的剥线工具时它可以使布线快速、可靠且非常简单。在连接站时要始终确保数据线不颠倒。为了确保系统对电磁辐射的高抗干扰性能，应使用屏蔽数据线（类型A是屏蔽的）。屏蔽层应接地，在两端的地应使用尽可能大面积屏蔽压板，以保证对大地的良好导电性。此外，要始终确保数据线与所有电力电缆分开敷设，并尽可能保持一定的距离。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。对于保护等级IP65/67有三种通用连接器可供选择：

1）M12圆形连接器，符合IEC 947-5-2。

2）Han-Brid连接器，符合DESINA建议。

3）西门子混合连接器。混合连接器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提供用于外部设备的24V工作电压。

在PROFIBUS网络中出现的与传输技术有关的问题，常是由于不正确的布线和安装引起的。这些问题通常使用总线测试设备来解决，在投运前它能检查出许多典型的布线和安装错误。

（4）RS-485-IS

已经有很多用户要求支持在本征安全区域中使用具有快速传输速率的RS-485，PNO已开始了此任务并制定出用于本征安全的、具有简单设备可互换性的RS-485解决方案导则。在相互连接期间，为了保证安全功能，此接口的规范规定所有站必须遵守的电流和电压标准。电气线路在规定的电压下允许最大的电流，所有站的电流总和不得超过最大允许的电流。与FISCO模型相比，RS-485-IS原理的创新点在于它仅有一个本征安全源，在本征安全的总线线路中最多可连接32个站。

2.MBP的传输技术

MBP作为传输技术具有曼彻斯特编码（M）和总线供电（BP）属性。此术语代替以前用于本征安全传输的公共术语“符合IEC 61158-2（物理层）”、“1158-2”等，这样改变的理由是，在确定的IEC 61158版本中，IEC 61158-2（物理层）描述了若干种不同的连接技术，也包含MBP技术。

MBP是使用固定传输速率31.25kbit/s和曼彻斯特编码的同步传输技术，此传输技术通常用于过程自动化领域，因为它满足化学工业和石化工业的特殊要求，即使用双线技术的本征安全和总线供电。这就是说PROFIBUS也可以用于有爆炸危险的区域，是具有本征安全品质的。

（1）连接技术

本征安全传输技术MBP通常被限定于工厂的一个特定的总线段（现场设备在危险区域），然后通过段耦合器或连接器，把此总线段连接到RS-485总线段（控制系统和工程设备在控制室内），如图2-7所示。

段耦合器是一个信号转换器，它把RS-485信号调制成MBP信号电平，反之亦然。从总线协议的观点看这些是透明的。相反，连接器有它自己内在的智能，它把与MBP总线段连接的所有现场设备映象为RS-485总线段中的单个从站。当使用连接器时，对RS-485总线段中使用的传输速率没有限制，所以使用MBP连接的现场设备可以实现快速网络。

图2-7 使用MBP传输技术的现场设备的系统拓扑

（2）MBP的网络拓扑

使用MBP传输技术的PROFIBUS支持树形或线形（或二者的组合）结构的网络拓扑，在总线线形结构中，使用T型连接器将站连接到主干电缆。树形拓扑与传统的现场安装方法是可以比较的，多芯主电缆由双线总线主电缆代替，仍然保留现场分配器连接现场设备和检测总线终端器阻抗的功能。当使用树形拓扑时，连接到现场总线段的所有现场设备都并行地布线在现场分配器中。在所有情况下，计算总线总长度时都必须把最大允许的短接线长度考虑进去。在本征安全的应用中，短接线的最大允许长度为30m。

（3）传输介质

使用屏蔽双线电缆作为传输介质，在总线主干电缆的两端都有一个无源的总线终端器，它由一个串接R＝100Ω和C＝2μF的RC元件组成。总线终端器已经被集成在段耦合器或连接器中。当使用MBP技术时，不正确连接的现场设备（如极性颠倒）不会影响总线的功能，因为这些设备通常具有极性自动检查功能。

可以连接到一个总线段上的站数限制为32个，然而，实际可连接的站数还要根据所选择的保护类型和总线供电能力（如果需要话）来确定。在本征安全网络中，最大反馈电压和最大反馈电流被规定在严格的限值内。即使对非本征安全网络，供电装置的输出也是有限制的。

作为确定最大总线长度的首选原则，要充分计算所连接的现场设备的功率需求、指定供电装置以及所选电缆类型的总线长度。所需电流（功率需求）包括连接在各个总线段中现场设备的基本电流之和以及为每个总线段预留的9mA电流，此预留电流是用于FDE（Fault Disconnection Equipment）的运行电流。

允许总线供电的设备与外部供电的设备联合运行时，必须注意外部供电的设备也要通过总线终端器消耗基本电流。因此，在计算最大有效供电电流时，必须把外部供电设备要消耗的基本电流考虑进去。

3.IEC 1158-2传输技术

IEC 1157-2传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC 1157-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。IEC 1158-2传输技术以下列原理为依据：

1）每段只有一个电源作为供电装置。

2）当站收发信息时，不向总线供电。

3）每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。

4）现场设备相当于无源的电流吸收装置。

5）总线两端起无源终端线作用。

6）允许使用线形、树形和星形网络。(www.xing528.com)

7）为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。

假设每个总线站至少需要10mA基本电流才能使设备起动，通信信号的发生通过发送设备调制在±9mA到基本电流之间。

（1）IEC 1158-2传输技术特性

1）数据传输：数字式、位同步传输、曼彻斯特编码。

2）传输速率：31.25kbit/s，电压式。

3）数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。

4）电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。采用双绞线电缆，传输距离可达1900m。

5）远程电源供电：可选附件，通过数据线。

6）防爆型：能进行本征及非本征安全工作。

7）拓扑：线形，树形和星形及混合形式。

8）站数：每段最多32个，总数最多为126个，取决于总系统电流。

9）中继器：最多可扩展至4台，有中继器传输距离可扩展到10km。

10）数据储存：前同步，故障—安全，开始—定界符和结束—定界符。

11）电缆长度：最长为1900m，光纤最长为120m。在危险地区，最长为1000m，光纤最长为30m。

（2）IEC 1158传输设备安装要点

分段耦合器将IEC 1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接，耦合器使RS-485信号与IEC 1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC 1158-2总线的电流和电压。

PROFIBUS-PA网络拓扑有树形和线形结构，或是两种拓扑的混合，如图2-8所示。现场配电箱用来连接现场设备并放置总线终端电阻器，采用树形结构时，连在现场总线分段的全部现场设备都并联接在现场配电箱上。传输电缆应使用下列电缆，也可使用导体截面更粗的其他电缆。

1）电缆类型：双绞线屏蔽电缆。

2）线面积（额定值）：0.8mm²（AWG18）。

3）回路电阻（直流）：44Ω/km。

4）阻抗（31.25千赫时）：100Ω±20％。

5）39千赫时衰减：3dB/km。

6）电容不平衡度：2nF/km。

图2-8 两种混合拓扑

主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R＝100Ω、C＝1μF。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。连接到一个段上的站数目最多是32个，如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。线路最长长度的确定方法是，首先根据经验先计算一下电流的需要，从表2-7中选用一种供电电源单元，再根据表2-8中线的长度选定哪种电缆。外接电源设备根据EN 50020标准带有适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是允许的。

表2-7 标准供电装置（操作值）

表2-8 IEC 1158-2传输设备的线路长度

4.光纤传输技术

PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体，一种是价格低廉的塑料纤维导体，可在距离小于50m情况下使用；另一种是玻璃纤维导体，可在距离小于1km情况下使用。许多厂商提供专用总线插头，可将RS-485信号转换成光信号或将光信号转换成RS-485信号，这样就为RS-485和光纤传输技术在同一系统上使用提供了十分简便的方法。

有些现场总线的应用环境对耦合电线的传输技术有限制，像有很高电磁干扰的环境或需要覆盖特别大的网络距离的应用，光纤传输技术是适用的。在光纤网络中允许集成现有的PROFIBUS设备，而不需要改变PROFIBUS（第1层）协议特性，这就确保与现有的PROFI-BUS安装的向下兼容性。

表2-9给出了所支持的光纤类型，传输特性不仅支持星形和环形拓扑结构，也支持线形结构。最简单的案例是使用光—电转换器来实现光纤网络，光—电转换器通过RS-485接口连接设备和光纤。这样，在一个工厂内就允许根据环境在RS-485传输和光纤传输之间转换。

表2-9 光纤的特性

5.FISCO模型

在需要防爆的区域，使用FISCO模型（Fieldbus Intrinsically Safe Concept）使PROFIBUS网络的设计、安装和扩展相当的简单。此模型是由德国联邦物理技术研究院（Physikalisch Technische Bundesanstalt，PTB）开发的，现在它作为在防爆区域现场总线运行的基本模型得到国际上的承认。此模型以本征安全的网络规范为基础，当相关的四个总线组件（现场设备、电缆、段耦合器和总线终端器）的电压、电流、输出、电感和电容符合预先确定的界限时，无需对它们分别进行本征安全计算。

如果使用符合FISCO模型的合格设备，则不仅在一条线上可以运行更多的设备，而且可以在运行期间用其他制造商的设备来替换总线上的设备，或者可以扩展总线范围。所有这些都无需进行计算或系统验证，所以可以简单地即插即用，甚至在危险区域也可以如此。不过，在选择电源、总线长度和总线终端器时，必须保证遵守前面叙述的规则。应用FISCO的边界条件是：

1）每段只允许一个供电电源。

2）所有站必须符合FISCO模型并经验证合格。

3）电缆长度不得超过1000m（防爆类型ia）/1900m（防爆类型ib），电缆必须满足R＝15～150Ω/km；L＝0.4～1mH/km；C＝80～200nF/km。

供电装置和现场设备的所有组合必须确保在故障情况下，任何现场设备可允许的输入变量（U_I、I_I、P_I）必须超过相关供电装置的最大可能和认可的输出变量（U_O、I_O、P_O，在美国为U_max、I_max、P_max）。

FISCO给应用带来的益处是支持即插即用，甚至在危险区域也可以，无需系统验证，设备更换或系统扩展无需计算，连接的设备个数最大化。符合MBP和FISCO模型的传输基于以下原理：

1）当一个站发送信息时，对总线不供电。

2）每个总线段只有一个供电电源。

3）在稳定状态下每个现场设备消耗至少10mA的恒定基本电流。

4）现场设备的作用如同一个无源的电流吸收器。

5）在主干线的两端各有一个无源的总线终端器。

6）支持总线线形、树形和星形网络拓扑。

7）用总线供电，对每个设备至少有10mA的基本电流提供给现场设备，通信信号由发送设备对基本电流调制±9mA的方法来产生。