PROFIBUS传输技术详解

现场总线系统的应用在较大程度上取决于采用哪种传输技术，而且既要考虑传输的拓扑结构、传输速率、传输距离和传输的可靠性等通用要求，还要考虑成本低廉、使用方便等因素；在过程自动化的应用中，为了满足本质安全的要求，数据和电源还必须在同一根传输媒介上传输，因此单一的传输技术不可能满足以上所有要求。

在通信模型中，物理层直接和传输介质相连，规定了线路传输介质、物理连接的类型、电气、功能等特性，提供了三种数据传输类型，分别是用于DP和FMS的RS-485传输技术、用于DP和FMS的光纤传输技术以及用于PA的IEC1158-2传输技术。

1.RS-485传输技术

RS-485是一种简单的、低成本的传输技术，其传输过程是建立在半双工、异步、无间隙同步化的基础上，数据的发送采用NRZ编码，这种传输技术通常称为H2。网络连接情况如图9-21所示，具有以下特点：

图9-21 使用中继器连接各总线段

1）网络拓扑：所有设备都连接在总线结构中，每个总线段的开头和结尾均有一个终端电阻。为确保操作运行不发生误差，两个总线终端电阻必须要有电源。

2）传输介质：双绞屏蔽电缆，也可取消屏蔽，取决于电磁干扰环境（ElectroMagnetic Compatibility，EMC，电磁兼容性）的条件。

3）站点数：每个总线段最多可以连接32个站，如果站数超过32个或需要扩大网络区域，则需要使用中继器来连接各个总线段。使用中继器时最多可用到127个站，串联的中继器一般不超过3个。

4）插头连接：采用9针、D型插头，插座被安装在设备上，9针D型连接器的针脚分配见表9-3。

表9-3 9针D型连接器的针脚分配

5）传输速率：可以在9.6 kbit/s～12Mbit/s之间选择各种传输速率。

6）传输距离：总线的最大传输距离取决于传输速率，范围为100～1000m。对应关系见表9-4，若有中继器距离可延长到10km。

表9-4 传输速率所对应的最大允许段长度

RS-485传输的数据位格式如图9-22所示。

图9-22 数据传输格式

数据的发送采用NRZ编码方式，1个字符帧为11位。每个八位二进数字节按最小的有效位（Least Significant Bit，LSB）先发送，最高的有效位（Most Significant Bit，MSB）最后被发送的顺序传输；每个八位二进数都补充三位即开始、奇偶校验和终止位。用高电位表示“1”，零电位表示“0”；表示“1”的高电位脉冲中途不归零。

站与站数据线的连接方式如图9-23a所示，两根PROFIBUS数据线也常被称为A线和B线，A线对应于RxD/TxD-N信号，B线对应于RxD/TxD-P信号。总线终端电阻的连接结构如图9-23b所示，包括一个相对于DGND数据参考电势的下拉电阻和一个相对于输入正电压VP的上拉电阻；当总线上没有发送数据时，即在两个报文之间总线处于空闲状态，这两个电阻也能确保在总线上有一个确定的空闲电位。

在数据传输期间，二进制“1”对应于RXD/TXD-P线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上则相反；各报文间的空闲状态对应于二进制“1”信号，如图9-24所示。

RS-485总线的连接结构如图9-25所示。根据EIA RS-485标准，在数据线A和B的两端均要连接总线终端器，几乎在所有标准的PROFIBUS总线连接器上都组合了所需要的总线终端器，可以由跳接器或开关来启动。

(www.xing528.com)

图9-23 总线的连接

a）数据线的连接 b）A型电缆总线终端电阻的连接

图9-24 A/B导线的电位

图9-25 RS-485总线结构

2.DP/FMS的光纤传输技术

在电磁干扰很大的环境或需要覆盖很远的传输距离的网络应用中，可使用光纤传输技术。光纤是一种采用玻璃作为波导，以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。光纤电缆对电磁干扰不敏感并能保证总线上站与站的电气隔离，允许PROFIBUS系统站之间的距离最大为15km。

现在的低损耗玻璃光纤相对于早期发展的传输介质，几乎不受带宽限制且传输距离远、衰减小；点到点的光学传输系统由三个基本部分构成：产生光信号的光发送机、携带光信号的光缆和接收光信号的光接收机。

许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤信号，或者将光纤信号转换成RS-485信号，这使得在同一系统中，可同时使用RS-485传输技术和光纤传输技术。为了使光纤导体与总线站连接，可以采用OLM（Optical Link Module）技术、OLP（Optical Link Plug）技术和集成的光缆连接等技术。

3.PA的IEC1158-2传输技术

IEC1158-2传输技术能满足化工、石化等工业对环境的要求，可保证本质安全性和现场设备通过总线供电。这是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1，采用曼彻斯特编码，能进行本质及非本质安全操作；每段只有一个电源作为供电装置，当站收发信息时，不向总线供电。具体特性如下：

1）数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。

2）传输速率：通信速率为31.25kbit/s，与系统结构和总线长度无关。

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）传输介质：可以采用屏蔽双绞线电缆，也可以采用非屏蔽式双绞线电缆。

5）远程电源供电：为可选附件，可通过数据总线供电。

6）防爆型：能进行本征及非本征安全操作。

7）站点数：每段最多有32个站；使用中继器最多可到127个站。

8）拓扑结构：采用总线型、树型或混合型网络拓扑结构。

PA总线电缆的终端各有一个无源RC线路终端器，如图9-26所示。一个PA总线上最多可连接32个站点，总线的最大长度取决于电源、传输介质的类型和总线站点的电流消耗。

图9-26 PA总线的结构