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ProfiBus-DP 设备及应用
1 前言
现场总线（Fieldbus）是应用在现场、在智能化测量控制设备之间实现双向串行多接点数字通信的 系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。ProfiBus 是比较有影响的现场总线技 术之一，它符合欧洲标准EN50170。
ProfiBus 根据应用特点分为ProfiBus-DP、ProfiBus-FMS、ProfiBus-PA 三种协议。ProfiBus-DP 是经
过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备级分散 I/O 之间通信设计。使用 ProfiBus-DP 模 块可以取代价格昂贵的24V 和0～20mA 并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。
2 ProfiBus-DP 简介
2. 1 ProfiBus 的基本特性
ProfiBus 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，该系统分为主站和从站。主站决定 总线的数据通讯，当主站得到总线控制权，没有外界请求也可以主动发送信息。从站没有总线控制 权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。ProfiBus 提供了三种类型的传 输技术：DP 和FMS 的RS485 传输；PA 的IEC1158-2 传输；光纤。RS485 是ProfiBus 最常用的一
种，采用屏蔽双绞线，共用一根导线对。RS485 为总线结构，最大总线负载32 个单位负载（UL）， 传输速度可选用9.6Kbps～12Mbps ，一旦设备投运，每条链路上的全部设备需设定为同一传输速率。 传输速度取决于电缆长度。
2. 2 ProfiBus-DP 的基本功能
中央控制器周期地读取从设备的输入信息并周期地向从设备发送信息。 ProfiBus-DP 的基本功能如下： 传输技术
· RS-485 双绞线电缆或光缆 · 波特率9.6Kbps～12Mbps 总线存取
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· 各主站间令牌传送，主站与从站间数据传送 · 支持单主和多主系统
· 主-从设备，总线上最多站点数126 通信
· 点对点（用户数据发送）或广播（控制指令） · 循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送
3 ProfiBus-DP 总线在MACSTM 系统中的应用
MACSTM 是和利时公司集多年的开发、工程经验设计的大型综合控制系统。该系统 I/O 站总线采用 了目前世界上先进的现场总线技术（ProfiBus-DP 总线）。I/O 站的主控单元（如：FM811）为 ProfiBus-DP 主站， I/O 输入/输出模块（如：FM1 系列模块）为ProfiBus-DP 从站。主/从站及他们
之间的连接件构成了完整的ProfiBus-DP 总线网络。网络的配置（包括主/从站数量、传输数率、传 输距离等）的优化，在保证系统的正确、快速工作的前提下，可大大提高系统稳定性。
3.1 支持最大站点
标准ProfiBus-DP 系统每条链路最多可连接126 个站（站号从0~125），总线系统可以分为4 个 段，段与段之间用重复器连接。
目前HollySys 公司MACSTM 系统DP 网的最大配置为： （第一段：终端匹配器+2 主站+21 个从站+重复器）+（第二段：23 个从站+重复器）+（第三段： 23 个从站+重复器）+（第四段：23 个从站+终端匹配器）
3.2 支持的传输速率
标准DP 支持以下传输速率：（单位：kbps） 9.6、19.2、31.25、45.45、93.75、187.5、500、1500、（3000、6000、）12000
Hollysy 公司DP 支持的传输速率1（单位：kbps）为： 9.6、19.2、31.25、45.45、93.75、500
1
输入/输出模块类型不同，传输数率不同，详见各种模块的说明书
2 HollySys
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3.3 传输介质
MACSTM 系统网络传输技术采用RS485 双绞线电缆或者光纤。从工程应用的角度（施工难易度、
可维护性、经济性等）考虑和根据实际产品应用现场实际情况，MACSTM 系统中，传输介质通常采 用屏蔽双绞线(Line A)。
RS485 双绞线电缆传输介质可以选择型式A 和型式B 两种导线，A 为屏蔽双绞线，B 为普通双 绞线。但在EN50 170 标准中规定为型式A 导线，型式A 比型式B 有较大的扩展长度，见表2。
表3-1 ：导线A 和导线 B 说明
参
数
Line A 135~165 <30 110 0.64 >0.34
>0.53 >0.22 Line B 100~130 <60
特征阻抗（Ω） 单位长度的电容（PF/m） 回路电阻（Ω/km） 线芯直径（mm） 线芯截面积（mm2）
3.4 传输线最大距离
不同的介质，不同的波特率，信号可传输的的距离是不同的，见表3。
表3-2 传输速率与距离关系表
波特率 (kbps) 传输距离 （导线 A） 传输距离 （导线 B）
9.6 1200 1200
19.2 1200 1200
93.75 1200 1200
187.5 1200 600
500 400 200
1500 200
12000 100
不推荐 不推荐
*注：该传输距离指不加重复器的距离。
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3.5 长距离时节点数的计算
先根据通讯距离由表3 查出最快通讯速率，再根据3.5.1~3.5.3 的数据和方法计算该速率下最多 能挂多少个站.
3.5.1 FM1 系列模块的数据量
FM1 的数据量表如下：
表4 FM1 系列I/O 模块通讯数据量表（每控制周期）
FM1 模块名称
FM141 FM142 FM143 FM144 FM145 FM146 FM147 FM151 FM152
数据量 341bit 341bit 341bit 187bit 341bit 528bit 341bit 550bit 462bit
FM1 模块名称 FM161 FM161-SOE FM162 FM163 FM171 FM172 FM148 FM182 FM148E
数据量 187bit 231bit 341bit 330bit 242bit 220bit 341bit 2068bit 341bit
3.5.2 MACS 系统数据交换周期的概念
在FM 系列硬件系统中，用于数据交换的周期有两个：
一个是主控单元CPU 与DP 主卡的数据交换周期，称为I/O 周期； 一个是DP 主卡与I/O 模块的数据交换周期，称为DP 周期；
为了实现系统中两个周期处理的同步性，系统规定：DP 周期应该不超过I/O 周期的2/3。
在FM 系列硬件系统中，I/O 周期是设定的，当从站含有SOE 功能时，I/O 周期是30ms；当从 站不含有SOE 功能时，I/O 周期是50ms；而DP 周期是随模块数量和种类自动变化的。
在FM 系列硬件系统中，DP 周期的工程计算可以采用如下公式：
DP 周期 (s)=∑I/O 总数据量(bit)/传输速率(bit/s)
4 HollySys
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3.5.3 数据交换周期的工程应用
虽然由表 3：传输距离与电缆长度的关系，可以保证信号的正常传输。但从站数目太多时，可 能会使在DP 主卡与I/O 模块的数据交换的数据量太大，使得上述DP 周期大于I/O 周期。此时，提 高传输速率是解决问题的一个有效办法。
例：当某IO 站不含SOE 时，假定有若干个FM 模块，如果参考上述表4，得出一个控制周期 中，该工程的DP 总线中所有从站的数据量是10000bit，而总线的传输速率是9600bps，此时一个完 整的数据交换周期是10000/9600>>（50×2/3）ms，会产生失控。若采用提高传输速率的办法，将传 输速率提高到500kbps，则此时一个完整的数据交换周期为10000/500000=20ms<（50×2/3）ms，因 此通讯传输速率设置合理。
3.6 重复器与终端匹配器的应用
用于 MACS 系统中的 ProfiBus-DP，出于其网络拓扑的结构和工程安全考虑，必须要求加终端 匹配器（FM192-TR）。
目前的重复器或终端匹配器内的终端匹配电阻、偏置电阻均是与型式A 的导线相配。
重复器内的终端匹配电阻的需要与否可以依据网络拓扑需要，通过重复器上的相应拨码选择。
3.7 通过重复器改变网络拓扑结构
MACSTM 系统最常见的是总线型网络拓扑结构，主站、从站和重复器通过传输介质串联构成。
利用重复器，可以根据需要改变网络拓扑结构，详见下节“ProfiBus-DP 重复器在 MACSTM 系统中 的使用”。
4 ProfiBus-DP 重复器在MACSTM 系统中的使用
4．1 ProfiBus-DP 重复器的功能说明
西门子公司的 DP 重复器是 ProfiBus-DP 现场总线网络结构中的重要模块，它主要用于下列目 的：
z
拓展总线的物理长度；
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z 改变总线的拓扑结构； z 增加总线的节点数目； z 两段总线间的隔离或关断。
MACSTM 系统选用的DP 重复器的原理框图如图1-1 所示。
L+ M B1 B1' A1
24V 转5V
+5V1
470
T A
逻 辑 控 制
R B
T
A
+5V2
470
on
220 R
220
B
on
B2 B2'
A1'
470
470
A2 A2'
PE M5.2
GND1
GND2
图 1-1 原理框图
4．2 接线端子、指示灯及开关说明
DP 重复器的前面板布置如图2-1 所示。
图2-1 DP 重复器正视图
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24V电源正极
24V电源负极
保护地
DC 24V电源
24V
L+ M PE M5.2
测试用端子 指示灯
电缆屏蔽 层压紧夹 总线1接 线端子
A1 B1 A1' B1'
总线1终端 电阻开关
保留的
ON 总线1指示灯 编程口
PG
DP1 OP OFF
关断传输开关 DP2 总线2指示灯 ON
总线2终端 电阻开关
A2 B2 A2' B2'
总线2接 线端子 电缆屏蔽 层压紧夹
导轨滑块
各接线端子的定义见表2-1。
表2-1 DP 重复器接线端子定义
端子标号
端子定义
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L+ M PE M5.2 A1 B1 A1′ B1′ A2 B2 A2′ B2′
DP 重复器各开关设置见表2-3。
面板符号 DP1
24V 直流电源输入正极 24V 直流电源输入负极
保护地，内部已与上下电缆压紧夹相连，模块安装后
自动与导轨相连。
模块测试用端子，不允许接线
总线第1 段进线负极 总线第1 段进线正极 总线第1 段进线负极转出 总线第1 段进线正极转出 总线第2 段进线负极 总线第2 段进线正极 总线第2 段进线负极转出 总线第2 段进线正极转出
表2-3 DP 重复器开关设置
开关名称 设 置
总线1 终端 拨向 ON: 总线 1 连接终端电阻，且A1 和 A1’ 电阻开关 断开，B1 和B1’断开。
远离 ON: 总线 1 不连终端电阻，且A1 和 A1’ 内连，B1 和B1’内连。 总线2 终端 拨向 ON: 总线 2 连接终端电阻，且A2 和 A2’ 电阻开关 断开，B2 和B2’断开。
远离 ON: 总线 2 不连终端电阻，且A2 和 A2’ 内连，B2 和B2’内连。 总线传输 拨向OFF: 总线1 和总线2 断开。
关断开关 远离OFF: 数据可在总线1 和总线2 之间传输。
DP2
OFF
DP 重复器指示灯定义见表2-2。
灯标号
8
表2-2 DP 重复器指示灯定义
灯定义
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DC24V DP1 DP2
亮：24V 电源正常；灭：24V 电源失电 亮/闪：总线第1 段活动；灭：总线第1 段寂静 亮/闪：总线第2 段活动；灭：总线第2 段寂静
8.5
6 16
10
使用标准DP 电缆时，电缆头剥线要求参见 图2-2。
将通讯电缆的线头接入DP 重复器时，应将
金属线芯
电缆头用DP 重复器的屏蔽层压紧夹将电缆 压紧，并保证剥开的 8.5mm 屏蔽网部分刚
内绝缘层 金属箔 屏蔽网 外绝缘层
好被夹子压紧。
图2-2 DP 重复器通讯电缆线头剥线要求示意图
4．3 典型应用举例
DP 重复器的典型使用如图3-1 和图3-2 所示。在具体设计时，需要注意的是： 1、图中每一个收发器表示主站或从站；
2、建议A1、B1、 A1′、B1′上最多接23 个主从站。如需扩展从站数目或长距离传输， 需要通过重复器扩展。
3、建议A2、B2、A2′、B2′上最多接23 个主从站。如需扩展从站数目或长距离传输，需要 通过重复器扩展。
4、星型接法中，要注意将重复器分支处的终端匹配电阻拨码断开，即去掉重复器的终端匹配 电阻。只用于扩展的重复器应该在接入端去掉终端匹配电阻，在输出侧加上终端匹配电阻。
5、终端匹配器加在各支路末端。
6、DP 重复器的使用可以参见下述“ProfiBus-DP 重复器”。
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FM192-TR
Rt
DP 重复器
内置终端器
Rt
A1 B1
A2 B2
FM192-TR
Rt
Rt
内置终端器
...
R
T
R
T
R
T
... R
T
图3-1 DP 重复器用于节点数扩展或总线延长
FM192-TR
Rt
A1
B1
DP 重复器
A2 Rt B2 B1'
A1'
内置终端器
Rt
FM192-TR
...
R
T
R
T
R
T
...
R
T
Rt FM192-TR
图3-2 DP 重复器用于改变网络拓扑结构
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重复器技术指标
型号
6ES7 972-0AA01-0XA0 模块电源 供电电压 24V DC (20.4V 到28.8V) 电流消耗 200mA@24V
传输速率
9.6kbps, 19.2kbps,45.45kbps，93.75kbps, 187.5kbps,500kbps,1.5Mbps,3Mbps,6Mbps,
12Mbps。波特率自适应，无需跳线选择。 外型尺寸 宽×高×深=45mm×128mm×67mm 重量 约350 克
安装
DIN 35mm 导轨安装 工作温度 0℃~60℃ 存储温度 -40℃~70℃
相对湿度 5~95%相对湿度,不凝结 防护等级
IP20
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5 DP 有源终端匹配器FM192-TR
5．1 功能说明
FM192-TR DP 总线终端匹配器模块是为MACSTM 系统配套设计的，用于DP 总线终端匹配。 模块为+24V 供电，利用电阻消除信号不匹配，以克服干扰，提高通讯质量。
5．2 端子说明
四针连接器如图2-1 所示。
图2-1 端子说明
四针连接器信号定义如表2-1 所示：
表2-1
序号 定义 1 +24V 2 GND 3 DP 通讯正端 4
DP 通讯负端
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5．3 使用说明
本模块与MACSTM 系统现场控制站中ProfiBus-DP 总线末端的IO 模块相连。
5.3.1 与导轨相连安装说明
①用底座后面的两个卡 槽卡住导轨的一边
②将底座接线端子的一
DIN35 导轨
边推向导轨，使此卡 销卡住导轨
图 3-1 FM192-TR 与导轨的安装 步骤 1：用模块后面的两个卡槽卡住导轨的一边。
步骤2：将模块的另一边推向导轨，当听到“咔嗒”一声时，说明底座已安装到位。
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5.3.2 与导轨拆卸说明
35mmDIN 导轨
② 将 底 座 扳 离 35mmDIN 导轨
①将底座的卡销撬起
图3-2 FM192-TR 与导轨的拆卸
步骤 1：用“一”字螺丝刀插入模块卡销的方孔，将卡销撬起，使之没有卡住 35mmDIN 导轨的边 沿。
步骤 2：将模块扳离35mmDIN 导轨。
5.3.3 与IO 模块相连安装说明
步骤 1：按模块的安装方法将模块装到导轨上。
步骤2：将模块向底座移动，使模块上和底座上的连接头对接良好。
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