西门子DP电缆 - 犀利的小啊柏工控博客工控论坛

张先生

学历：大学本科

职称：高级工程师

年龄：32岁

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发表人：yanli9218

发表时间：2016/11/29 0:56:00

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本栏论题：

西门子DP电缆 [4454]

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    1 西门子DP电缆概述

    PROFIBUS网络通讯的本质是RS485串口通讯，按照不同的行业应用，主要有三种通讯行规：DP（Decentralized Peripherals），FMS（Field Message Specification）和PA（Process Automation）行规。

    其中DP通讯的方式在OSI参考模型中主要使用第1、2、7层，因此PROFIBUS DP网络的通讯速度较快，


    随着现场总线的应用领域不断扩大，PROFIBUS技术也在不断的发生着变化，例如FMS行规目前已经不再使用，而DP和PA的应用会越来越多，另外类似Motion Control with PROFIBUS 和PROFIsafe 等新的行规也都会随着应用而逐渐普及。

    但无论那种行规，涉及到的硬件和网络形式基本都是一致的（PA除外）。因此这里我们从基本的网络硬件着手，介绍PROFIBUS的网络连接方式。

    2 西门子DP电缆网络硬件

    PROFIBUS网络主要涉及到的硬件包括：PROFIBUS接口，通讯介质，PROFIBUS插头，中继器，诊断中继器，OLM以及有源终端电阻等。

    2.1 PROFIBUS接口

    PROFIBUS接口是RS485串口，一般采用SUB-D female的接口，其管脚定义为：



    image004.jpg

    一般CPU或者CP板卡都采用该接口。该接口外部的金属部分一般连接到CPU或者CP的内部的“PE”。而当CPU安装在底板上时，其“PE”与底板是连通的，此时如果将安装底板在电气柜内做接地处理，则该SUB-D接口的外部金属部分也是接地的。

    2.2 通讯介质

    关于通讯介质，在表1的OSI模型中已经规定：PROFIBUS网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。当然，现在也有支持无线通讯的设备，但我们目前面对的主要还是有线介质的用户。



    2.2.1 PROFIBUS 电缆

    PROFIBUS（类型1）介质是一根屏蔽双绞电缆，屏蔽可以提高电磁兼容（EMC）能力。

    类型1：NRZ位编码与EIA RS-485信号结合，目的是降低总线耦合器成本，耦合器可以使站与总线之间电气隔离或非电气隔离；需要总线终端器，特别在较高数据传输速率（达到1500 k bits/s）时更需要。类型1规范描述平衡的总线传输，符合美国标准EIA RS-485(EIA: 电气工业协会；RS-485: 平衡的数字多点系统中使用的收/发器的电特性标准)。在双绞线两端的终端器使得类型1的物理层支持高速数据传输。传输速率≤93.75 kbits/s时，大电缆长度为1.2km 。对1500 kbits/s的速度，大长度减到70/200m(对B/A型电缆)。

    PROFIBUS电缆的特性阻抗应在100Ω到220Ω之间，电缆电容（导体间）应该＜60pF/m，导线截面积应≥0.22mm2(24 AWG)。电缆选择标准参见美国标准EIA RS-485的附录。

    两类电缆的特性：


    标准PROFIBUS电缆为屏蔽双绞电缆，其中数据线有两根：A-绿色和B-红色，分别连接DP接口的管脚3（B）和8（A），电缆的外部包裹着编织网和铝箔两层屏蔽，外面是紫色的外皮（图1）。

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    图1 标准PROFIBUS电缆



    标准的PROFIBUS电缆一般都是A类电缆。

    除了标准PROFIBUS电缆，还有许多其它特殊类型的电缆可以用于特定的环境：



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    图2 各种类型的PROFIBUS电缆



    为了方便将PROFIBUS的外皮以及屏蔽层按照固定的长度进行切除，减少剥线的时间和剥线过程中将电缆破坏或者造成短路的可能，西门子还提供了PROFIBUS快速剥线工具（订货号：6GK1 905-6AA00）（见图3）。

    image010.jpg

    图3 PROFIBUS快速剥线工具

    2.2.2光纤及接口

    光纤通讯具有很多优点，比如传输距离远，抗电磁干扰性好，且光纤尺寸小，重量轻，耐腐蚀性好，便于敷设等。当然也有缺点：光纤弯曲半径不能过小，光纤连接处及终端不容易处理等等。

    按光在光纤中的传输模式不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤（图4）。


    图4 光纤的分类

    多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

    单模光纤：中心玻璃芯教细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。

    在现场总线的规范中，定义了光纤可以做为现场总线的通讯介质。西门子可以使用光纤的PROFIBUS设备有：带光纤接口的CP板卡及模板（如CP5613 A2 FO， CP3425-FO等）， OLM和OBT。

    光纤主要涉及到选型的问题，因为通讯距离与光纤的类型有很大关系，而且并非所有的设备都能支持多种类型的光纤。因此需要注意设备与光纤以及接头的选型。这可以通过OLM的选型来了解。

    2.2.3 PRFOBUS插头



    PROFIBUS插头用于连接PROFIBUS电缆和PROFIBUS的站点（图8）。

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    图8 PROFIBUS插头的使用

    在PROFIBUS插头上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站。

    当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时，根据RS485串口通讯的规范，每个物理网段支持32个物理设备，且在物理网段终端的站点应该设置终端电阻防止浪涌保证通讯质量。而每个PROFIBUS插头上，都内置了终端电阻，需要是可以接入（On）和切除（Off）。当终端电阻设置为“On”时，表示一个物理网段的终结，因此连接在出线端口“Out”后面的网段的信号也将被中断。因此，在每个物理网段两个终端站点上的插头，需要将网线连接在进线口“In”，同时将终端电阻设置为“On”，而位于网段中间的站点，需要依次将网线连接在进线口“In”和出线口“Out”，同时将终端电阻设置为“Off”。（图9）

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    图9 PROFIBUS插头的连接和设置



    需要注意的是，PROFIBUS插头有一种带编程口（PG口）的，建议至少每个网段的两个终端站点处的插头尽量使用带编程口的（见图8，左侧的插头），便于系统的诊断和维护。