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• 隨著現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，PROFIBUS技術(shù)也在不斷的發(fā)生著變化，例如FMS行規(guī)目前已經(jīng)不再使用，而DP和PA的應(yīng)用會越來越多，另外類似Motion Control with PROFIBUS 和PROFIsafe 等新的行規(guī)也都會隨著應(yīng)用而逐漸普及。

  但無論那種行規(guī)，涉及到的硬件和網(wǎng)絡(luò)形式基本都是*的（PA除外）。因此這里我們從基本的網(wǎng)絡(luò)硬件著手，介紹PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)連接方式。

  2 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)硬件

  PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)主要涉及到的硬件包括：PROFIBUS接口，通訊介質(zhì)，PROFIBUS插頭，中繼器，診斷中繼器，OLM以及有源終端電阻等。

  2.1 PROFIBUS接口

  PROFIBUS接口是RS485串口，一般采用SUB-D female的接口，其管腳定義為：

   

   

  一般CPU或者CP板卡都采用該接口。該接口外部的金屬部分一般連接到CPU或者CP的內(nèi)部的“PE”。而當(dāng)CPU安裝在底板上時，其“PE”與底板是連通的，此時如果將安裝底板在電氣柜內(nèi)做接地處理，則該SUB-D接口的外部金屬部分也是接地的。

  2.2 通訊介質(zhì)

  關(guān)于通訊介質(zhì)，在表1的OSI模型中已經(jīng)規(guī)定：PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質(zhì)。當(dāng)然，現(xiàn)在也有支持無線通訊的設(shè)備，但我們目前面對的主要還是有線介質(zhì)的用戶。

   

  2.2.1 PROFIBUS 電纜

  PROFIBUS（類型1）介質(zhì)是一根屏蔽雙絞電纜，屏蔽可以提高電磁兼容（EMC）能力。

  類型1：NRZ位編碼與EIA RS-485信號結(jié)合，目的是降低總線耦合器成本，耦合器可以使站與總線之間電氣隔離或非電氣隔離；需要總線終端器，特別在較高數(shù)據(jù)傳輸速率（達到1500 k bits/s）時更需要。類型1規(guī)范描述平衡的總線傳輸，符合美國標(biāo)準(zhǔn)EIA RS-485(EIA: 電氣工業(yè)協(xié)會；RS-485: 平衡的數(shù)字多點系統(tǒng)中使用的收/發(fā)器的電特性標(biāo)準(zhǔn))。在雙絞線兩端的終端器使得類型1的物理層支持高速數(shù)據(jù)傳輸。傳輸速率≤93.75 kbits/s時，大電纜長度為1.2km 。對1500 kbits/s的速度，大長度減到70/200m(對B/A型電纜)。

  PROFIBUS電纜的特性阻抗應(yīng)在100Ω到220Ω之間，電纜電容（導(dǎo)體間）應(yīng)該＜60pF/m，導(dǎo)線截面積應(yīng)≥0.22mm²(24 AWG)。電纜選擇標(biāo)準(zhǔn)參見美國標(biāo)準(zhǔn)EIA RS-485的附錄。

  兩類電纜的特性：

  電纜參數(shù)	A型	B型
  阻抗	135Ω-165Ω   (f=3到20MHz)	100Ω-130Ω   (f>100kHz)
  電容	<30pF/m	<60pF/m
  電阻	≤110Ω/Km	-
  導(dǎo)線截面積	≥0.34mm2 (22AWG)	≥0.22mm2(24AWG)

  表2  電纜規(guī)格

  下面的表指出兩類電纜（A和B）對不同傳輸速度時的大長度

   

   

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

  表3  不同傳輸速度時的電纜長度

  標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS電纜為屏蔽雙絞電纜，其中數(shù)據(jù)線有兩根：A-綠色和B-紅色，分別連接DP接口的管腳3（B）和8（A），電纜的外部包裹著編織網(wǎng)和鋁箔兩層屏蔽，外面是紫色的外皮（圖1）。

   

  圖1  標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS電纜

   

  標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS電纜一般都是A類電纜。

  除了標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS電纜，還有許多其它特殊類型的電纜可以用于特定的環(huán)境：

   

   

  圖2  各種類型的PROFIBUS電纜

   

  為了方便將PROFIBUS的外皮以及屏蔽層按照固定的長度進行切除，減少剝線的時間和剝線過程中將電纜破壞或者造成短路的可能，西門子還提供了PROFIBUS快速剝線工具（訂貨號：6GK1 905-6AA00）（見圖3）。

   

  圖3  PROFIBUS快速剝線工具

  2.2.2光纖及接口

  光纖通訊具有很多優(yōu)點，比如傳輸距離遠，抗電磁干擾性好，且光纖尺寸小，重量輕，耐腐蝕性好，便于敷設(shè)等。當(dāng)然也有缺點：光纖彎曲半徑不能過小，光纖連接處及終端不容易處理等等。

  按光在光纖中的傳輸模式不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖（圖4）。

   

  圖4  光纖的分類

  多模光纖：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。

  單模光纖：中心玻璃芯教細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊。

  在現(xiàn)場總線的規(guī)范中，定義了光纖可以做為現(xiàn)場總線的通訊介質(zhì)。西門子可以使用光纖的PROFIBUS設(shè)備有：帶光纖接口的CP板卡及模板（如CP5613 A2 FO， CP3425-FO等）， OLM和OBT。

  光纖主要涉及到選型的問題，因為通訊距離與光纖的類型有很大關(guān)系，而且并非所有的設(shè)備都能支持多種類型的光纖。因此需要注意設(shè)備與光纖以及接頭的選型。這可以通過OLM的選型來了解。

  OLM接口及匹配光纖看如下表格：

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

  接口 --電氣                                      1           1            1           1              1                     1 --光纖（BFOC）                     1           2            1           2              1                     2

  可連光纖 --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) 單模 (10/125um)                      --           --           --            --            15km            15km                                                                                      多模 (50/125um)                      --           --          3km       3km         10km            10km 多模 (62.5/125um)                   --           --          3km       3km         10km            10km

  表4  OLM的接口及其光纖選型

  表中列出了塑料光纖、PCF光纖和玻璃光纖主要的應(yīng)用場合，與OLM相關(guān)的設(shè)備基本上都是BFOC接頭類型。

  光纖可以選擇預(yù)裝了接頭的（如購買時已經(jīng)安裝了BFOC接頭），但如果事先不知道距離，也可以選擇單獨購買光纖和接頭。但一般玻璃光纖的BFOC接頭都需要專業(yè)人士來安裝。

  除了OLM，其它的帶有光纖接口的設(shè)備包括：OBT / CP342-5 FO / IM467 FO / CP5613 FO / IM153-2 FO，這些設(shè)備使用的光纖一般使用的是簡單接頭（Simplex plug），且有兩種光纖可以選擇：

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

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

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

   

  這里再總結(jié)一下兩種接頭的訂貨號：

                         玻璃光纖的BFOC connector ：           6GK1 901-0DA20-0AA0

                         塑料光纖的PCF Simplex plug ：    6GK1 900-0KB00-0AC0

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

                                   

                            圖5 Simplex plug                                         圖6  BFOC接頭

  如果希望自己完成接頭的焊接工作，可以訂工具箱（圖7）：

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

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

   

  圖7  熔接工具箱

  但如果是玻璃光纖還是建議找專業(yè)的人員和設(shè)備來熔接。

   

  2.2.3 PRFOBUS插頭

   

  PROFIBUS插頭用于連接PROFIBUS電纜和PROFIBUS的站點（圖8）。

   

  圖8  PROFIBUS插頭的使用

  在PROFIBUS插頭上，有一個進線孔（In）和一個出線孔（Out），分別連接至前一個站和后一個站。

  當(dāng)各站點通過插頭連接以及網(wǎng)線連接到網(wǎng)絡(luò)上時，根據(jù)RS485串口通訊的規(guī)范，每個物理網(wǎng)段支持32個物理設(shè)備，且在物理網(wǎng)段終端的站點應(yīng)該設(shè)置終端電阻防止浪涌保證通訊質(zhì)量。而每個PROFIBUS插頭上，都內(nèi)置了終端電阻，需要是可以接入（On）和切除（Off）。當(dāng)終端電阻設(shè)置為“On”時，表示一個物理網(wǎng)段的終結(jié)，因此連接在出線端口“Out”后面的網(wǎng)段的信號也將被中斷。因此，在每個物理網(wǎng)段兩個終端站點上的插頭，需要將網(wǎng)線連接在進線口“In”，同時將終端電阻設(shè)置為“On”，而位于網(wǎng)段中間的站點，需要依次將網(wǎng)線連接在進線口“In”和出線口“Out”，同時將終端電阻設(shè)置為“Off”。（圖9）

   

  圖9  PROFIBUS插頭的連接和設(shè)置

   

  需要注意的是，PROFIBUS插頭有一種帶編程口（PG口）的，建議至少每個網(wǎng)段的兩個終端站點處的插頭盡量使用帶編程口的（見圖8，左側(cè)的插頭），便于系統(tǒng)的診斷和維護。

  2.2.4      終端電阻

  PROFIBUS電纜的兩端應(yīng)該連接終端電阻。終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射在通信過程中，有兩種原因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。

  阻抗不連續(xù)：信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有（例如：短路）或者阻抗很大（例如：斷線），信號在這個地方就會引起反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻（圖10）。

   

  圖10 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備連接和終端電阻

   引起信號反射的另一個原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時，整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。

  在EIA RS-485中規(guī)定的端接電阻Rt是以下拉電阻Rd（與數(shù)據(jù)地DGND連接）和上拉電阻Ru（與正電壓VP連接）做補充。當(dāng)沒有站進行傳輸（即空閑時間）時，這個補充迫使不同的狀態(tài)電壓（即導(dǎo)體間的電壓）趨于一個確定值（圖11）。

   

  圖11  終端電阻的組成

  在一個物理網(wǎng)段中，但是如果終端和總線電纜阻抗不匹配，則大通訊距離會減少一半。

  因而，在一個物理網(wǎng)段中，應(yīng)該保證在網(wǎng)絡(luò)的兩個終端各有一個終端電阻，不能增加也不能減少，否則我們的總線上的網(wǎng)線與終端電阻將會出現(xiàn)不匹配的問題。這就意味著，如果終端站點出現(xiàn)問題，則有可能會影響到整個網(wǎng)絡(luò)的通訊質(zhì)量，因而除了使用PROFIBUS connector上自帶的終端電阻，西門子還提供了有源的終端電阻設(shè)備（圖12）。

   

  圖12 有源終端電阻

  有源終端電阻可以單獨供電，安裝在網(wǎng)段的兩端，保證網(wǎng)段內(nèi)任何一個設(shè)備出現(xiàn)問題，都不會影響網(wǎng)絡(luò)的電阻匹配的問題。

  2.2.4      RS485中繼器

  按照RS485串口通訊的規(guī)范，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備超過32個，或者波特率對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊距離已經(jīng)超出規(guī)定范圍時，就應(yīng)該使用RS485中繼器來拓展網(wǎng)絡(luò)連接。

  PROFIBUS通訊屬于RS485通訊的一種，因而也遵循這樣的原則，及如果網(wǎng)絡(luò)中實際連接的硬件超過32個時，或者所對應(yīng)的波特率超過一定的距離時（表3），則需要增加相應(yīng)的RS485中繼器來進行物理網(wǎng)段的擴展。

  由于RS485中繼器本身將造成數(shù)據(jù)的延時，因而一般情況下，網(wǎng)絡(luò)中的中繼設(shè)備都不能超過3個，但西門子的PROFIBUS RS485中繼器采用了特殊的技術(shù)，因而可以將中繼器的個數(shù)增加到9個，即在一條物理網(wǎng)線上，多可以串聯(lián)9個西門子的RS485中繼器（圖10）。這樣，網(wǎng)段的擴展距離將大大增加。