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信息标签:西门子屏蔽电缆6XV1830-5FH10,供应,电子、电工,工控系统及装备

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上海西万自动化科技有限公司

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Profibus是联邦德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号DIN19245，由十三家工业企业及五家研究所经过两年多 的时间完成。1996年经欧洲电工委员会批准被列为欧洲标准EN50170。根据欧洲标准化规则，EN50170于当年自动地在法律上得到欧洲所有国家标 准化机构的认可。德国注销了原有的PROFIBUS国家标准DIN19245，以EN50170取而代之。从现在起，欧洲所有公开的招标都是在 EN50170的基础上进行的.EN50170在保护投资方面为生产厂家和用户提供了一个**高的标准。 PROFIBUS 提供一个从传感器直至管理层的透明网络。


正因为如此，PROFIBUS 可以在许多方面——从汽车工业、机器制造业、食品工业、运输业直到环保工程等，获得应用。近年来，PROFIBUS在众多的现场总线中占据首位，并以其约 占40%的市场份额居欧洲之冠.作为开放式通信系统工业标准，PROFIBUS现场总线公布了网络各层协议的所有规范。按照这些规范设计设备网络接口，不 同的设备可以实现网络互联。这给控制设备的生产厂家、系统设计安装调试单位和用户带来了极大的方便。用户可根据需要选择不同的设备，构成相应的系统，以减 少设备的冗余度，降低成本，也为以后系统的扩充提供了方便。Profibus现场总线技术的特点?PROFIBUS为多主多从结构，可方便地构成集中式、 集散式和分布式控制系统。网络协议以 ISO/OSI参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化。
 

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Profibus协议的**部分是物理层和链路层协议。物理层采用RS-485标准通信规范，传输介质为双绞线，其技术指标如下：
技术标准：EN50170 接口标准：EIA RS－485; 网络插口：SUB－D9芯插头; 波 特 率：9.6K，19.2K，93.75K，187.5K，500K 响应时间：<20ms; 码方式：IEC规定之ManchesterⅡ标准 ; 拓扑结构：两端带有终端器的总线结构 ;传输距离：波特率9.6K，19.2K，93.75K时 1200m; 波特率187.5K时600m ;波特率500K时200m（可通过中继器增加传输距离） ;站 点 数：主站+从站共126个 电 缆：屏蔽双绞线，截面>0.22mm ，阻抗120 W 　　

Profibus链路层又称FDL，它采用混合介质存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作。令牌是一条特殊的电文，它在主站之间按照 地址的升序传递总线控制权（即令牌），得到令牌的主站可在一定的时间内执行本站的工作。这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任一个主站 在一个特定的时间片内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。链路层保证损坏或掉电的站点从环中排除，新上电的主站加入令牌环。链路层的另一个主要任 务是保证数据的无差错传输，这是通过海明间距＝4、按照国际标准IEC870－5－1制定的特殊的起始和结束界定符、每个字节的奇偶校验和每条电文的 CRC循环校验保证的.（可通过中继器增加传输距离） PROFIBUS链路层提供的服务有：SDA （发送数据并要求回答） SDN （发送数据，不要求回答） SRD （发送数据并要求回送数据）CSRD（循环发送数据并要求回送数据）

Profibus的**电文长度为255个字节。电文由标识符、源及目的地址、数据长度、数据、命令字和循环校验码等构成，有效数据**长246字节。
Profibus协议的第二部分是应用层协议(FMS)，第三部分为DP协议，它们都使用相同的底层协议，用于不同的应用领域。 FMS定义了应用层（第七层）的内容。由于Profibus没有第三层到第六层，所以这几层的必要功能在一个称为“底层接口”（LLI）的模块中完成，由 LLI将这些功能映射到FMS中。FMS提供了多种强有力的通信服务，这些服务是**的MAP协议中MMS服务的一个子集。为使这些功能适应不同应用领域 当中真正的实际需要，FMS包括称为“行规”（PROFILE）的特殊定义。行规规定不同制造商制造的、遵从同一行规的PRIFIBUS设备应具有相同的 通信功能。行规中除通信参数的选择外，还包括队状态和错误的解释及针对应用的定义等许多信息。

目前已经完成的有大楼自动化、驱动器、传感器和执行器、可编程控制器、纺织机器和低压开关设备等行规，这些行规的制定为用户使用提供了极大的方便，也是Profibus得到广泛应用的一个重要原因。
Profibus协议的第三部分是PROFIBUS的DP协议，用于传感器和执行器级的高速数据传输。它以PROFIBUS-FDL为基础，根据其所需要 达到的目标对通信功能加以扩充。DP的传输速率可达12Mbit/S，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式（CSRD）工作。 PROFIBUS-DP广泛地应用在德国西门子公司生产的控制设备当中。DP和FMS可混合工作。

Profibus协议的第四部分是PROFIBUS的PA协议,适用于对安全性要求较高的场合，这由PROFIBUS的第四部分描述，PA实现了 IEC1158-2规定的通信规程，设备行规定义了设备各自的功能，设备描述语言（DDL）及功能块允许对设备进行完全的内部操作。
综上所述，Profibus严格的定义和完善的功能使其成为开放式系统的典范。特别需要指出的是，除了使用专门的ASIC芯片之外，PROFIBUS也可 以用通用电子器件实现（如8050，8086，V25等），价格低廉，容易推广。这些特点使得它在短短几年内在化工、冶金、机械加工以及其它自动控制领域 得到了迅速普及和应用。
Profibus现场总线的应用:据1997年统计，**上已有约100多万台PROFIBUS仪表在自动化设备中应用，而且每年增长20-30%。目 前，**上约有650家厂商加入了PROFIBUS用户协会并提供上千种PROFIBUS产品。以**的西门子公司为例，它可提供一百多种 PROFIBUS产品并已经把它们应用在中国的许多自动控制系统中.为在中国推广应用PROFIBUS工业现场总线标准，PROFIBUS中国用户协会于 1997年7月成立。协会的会员由生产厂商（包括国际PROFIBUS用户协会成员在中国开办的合资或独资企业）、科研单位、学校、厂矿企业及其他用户组 成。协会的宗旨是竭城为广大用户服务，通过举办技术讲座及发行不定期内部刊物等手段介绍国际国内PROFIBUS发展及应用的**动态，宣传和介绍有关生 产厂家的**产品及应用实例，促进用户之间的信息交流。

西门子DP总线逐渐在工业现场推广，不少设备不但具有传统仪表的功能，而且还具备现场总线的功能、在DCS中，西门子DP总线被广泛应用。现场总线在使用中需要注意以下几个问题：

1）通信距离。西门子DP总线的通信距离一般有一定的要求，例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率时，采用标准电缆，可以达到200m，如果采 用187.5kbps速率，可以达到1 000m。通信距离有两层含义，**个，是两个节点之间不通过中继器能够实现的距离，一般来说，距离和通信速率成反比；另一个，是整个网络**远的两个节点 之间的距离。往往在厂家的介绍材料中对于此类的描述不够清楚，在实际使用中，必须考虑整个网络的范围，电磁波信号在电缆中传递是需要时间的，特别在—些高 速的现场总线中，如果增大距离，就必须对一些通信参数进行修改；

2）线缆选择。现场的环境决定现场总线的通信速度和通信介质。一般而言，西门子DP总线线采用电信号传递数据，在传输的过程中不可避免地收到周围电磁环境 的影响。大多数现场总线采用屏蔽双绞线。必须注意的是，不同种类现场总线要求的屏蔽双绞线可能是不同的。现场总线的开发者一般规定一种特制的线缆，在正确 使用这种线缆的条件下才能实现规定的速率和传输距离。在电磁条件极度恶劣的条件下，光缆是合理的选择，否则局部的干扰，可能影响整个现场总线网络的工作；

3）隔离。一般来说，西门子DP总线的电信号与设备内部是电气隔离的。现场总线电缆分布在车间的各个角落，一旦发生高电压串入，会造成整个网段所有设备的总线收发器损坏。如果不加以隔离，高电压信号会继续将设备内部其他电路损坏，导致严重的后果；

4）屏蔽。西门子DP总线采用的屏蔽电缆的外层必须在一点良好接地，如果高频干扰严重，可以采用多点电容接地，不允许多点直接接地，避免产生地回路电流；

5）连接器。现场总线一般没有对连接器做严格的规定，但是如果处理不当，会影响整个系统通信。例如，现场总线一般采用总线型菊花链连接方式，在连接每一个设备时，必须注意如何不影响在现有通信的条件下，实现设备插入和摘除，这对连接器就有一定的要求；
6）终端匹配。西门子DP总线信号和所有电磁波信号一样具有反射现象，在总线每一个网段的两个终端，都应该采用电阻匹配，**个作用可以 吸收放射，第二个作用是在总线的两端实现正确的电平，保证通信。因此，现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，它的出现和**发展体现了控制 领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。

西门子Profibus总线仍普遍应用于自动化控制系统。系统规模较大，DP设备数量多分布范围广，因此DP网络的性能是程序执行可靠性的先决条件。本文旨在总结所经历项目经验的基础简单总结DP网络设计、调试的一般方法，并愿意得到大家的补充与指正。

网络可靠性的重要性。
这个问题可能大家都很少去关注。在进行现场调试的时候，一旦看到网络诊断的信息上显示所有站点都通讯上了，就暗暗庆贺网络已经完成，殊不 知这才是网络调试的开始。在接下来的调试过程中，大家会经常发现，某些站点经常显示短暂的故障，虽然短暂，但为输入信号的读取，程序执行的逻辑判断以及输 出信号的执行都埋下了隐患。

DP网络设计的一般方法
1、网络结构的设计者首先要知道程序执行对于网络速率的要求，当然这也程序编写者应该提供的信息。在运动控制系统中，控制精度越高，其对网络速率的要求就越大，速率越慢，其对输入输出的读写也会减慢，必然增大因为读写过程而发生的误差。
在了解了该参数之后就有了系统设计的基准。通讯速率的大小就决定了网络的长度，可以参考西门子的相关资料，一般12Mbs是100米，1.5Mbs**长是 两百米。如果长度超过技术资料所允许的范围，就一定不要吝啬，增加一台中继，来扩展网络。如果从PLC出来想形成星形结构，也可以在主控制柜出来的位置增 加一台中继。
2、网络路径的规划
有一个看起来比较顽固的观点，在进行网络路径规划的时候一定要注明一个节点的电缆的进出的顺序，从哪个节点出，至哪个节点进。
**的是在控制柜设计的时候，注明进线应该从哪个格兰头进，从哪个格兰头出。在进行现场施工的时候，也将这个思想完全执行下去。
这看似老顽固的要求，也会给大家带来无尽是的便利。

现场问题的分析
解决网络问题的经验来自于丰富的现场经验和强有力的工具。在这里为大家提供一些基本问题的解决办法。
1、DP 网络除了要满足通讯速率所决定的**长距离，还要避免小于一米的**短距离；
2、网络终端的终端电阻一定要拨在ON 的位置；
3、线缆质量与铺设：一定要用专用的DP网络线，**就是西门子生产的。铺设电缆的时候，电缆的弯角不要小于75度，更不要有把线缆折叠放置在线槽中的情况发生。
4、屏蔽的制做：屏蔽能有效的保护信号不受外界信号的干扰，因此做信号屏蔽的时候一定要用专用工具，且不要伤害到屏蔽电缆，**的方法是在地上发置一张白纸，在剥开表皮之后，白纸上没有一根屏蔽层电缆。
在综合考虑上叙问题之后，DP网络一定十分健康，为数据通讯提供了一条畅通大路。也为编程提供稳定的环境。

1  引言
莱钢4300mm宽厚板热处理生产线是莱芜钢铁集团有限公司于2009年开始建设的年产180万吨的生产线,它广泛采用了当代厚板领域的 新技术及**的装备,热处理线作为后区重要的生产线,实时可靠的通信系统是必不可少的,因此采用Profibus—DP现场总线使全部控制设备通信网络 化。Profibus-DP现场总线把现场设备和PLC紧密集成为一个完整的控制系统; 现场操作台由于采用了Profibus-DP通信接口, 节省了大量电器元件和电缆。作为众多现场总线家族的成员之一,Profibus是在欧洲工业界得到**广泛应用的一个现场总线标准,也是目前国际上通用的现 场总线标准之一。[1]本文主要以预处理区域Profibus-DP网络的实现来介绍Profibus-DP在宽厚板热处理系统中的应用。

2  Profibus组成

2.1  Profibus概述
Profibus是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统,在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。Profibus由3部分组 成,即Profibus-DP(分布式外围设备),Profibus-PA(过程自动化),Profibus-FMS(现场总线报文)[2]。
Profibus-DP具有高速传输、价格低廉等特点,实现起来比较简单,主要用于分散设备间的数据高速传输,传输速率可由9.6kbps至 12Mbps。一般用于自动化控制系统和现场设备级间的开关量的通信,可满足全数字交直流调速系统对于**的时间响应要求。该总线具有适合于**、时间要 求严格的应用和复杂的通信任务的特点,成为**能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用的现场总线,特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。在莱钢宽厚板 热处理线中所采用的就是这种Profibus-DP现场总线。

2.2  Profibus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, DP/DP COUPLER以及有源终端电阻等。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。

2.3  Profibus接口
Profibus接口是RS485串口,一般采用SUB-D female的接口。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。

2.4  通讯介质
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。

3  Profibus-DP在预处理区系统中的应用

3．1  网络拓扑的规则
在进行Profibus网络连接之前,首先应当考虑拓扑结构的设计是否有问题。如果拓扑结构有问题,将来网络通讯很可能出现问题。
另外,从波特率与距离的对应关系中可以看到,波特率越高,则对应的通讯距离越近,因而如果现场遇到Profibus的通讯有通讯不上或者通讯不稳定的情况,也可以考虑先将波特率降低,再进行观察处理。
设计一条Profibus网络,首先需要了解Profibus网络的拓扑规则:
①  Profibus网络是RS485串口通讯,半双工,支持光纤通讯;
②  每个网络理论上**多可连接127个物理站点,其中包括主站、从站以及中继设备;
③  网络的通讯波特率9.6kbps-12Mbps;
④  每个物理网段**多32个物理站点设备,物理网段两终端都需要设置终端电阻或使用有源终端电阻;
⑤  每个网段的通讯距离或者设备数如果超限,需要增加RS485中继器进行网络拓展,中继器**多可串联9个;
⑥  每个中继设备(RS485中继器、OLM)也做为网络中的一个物理站点,但没有站号;
⑦  网络支持多主站,但在同一网络中,不建议多于3个主站;
⑧  一般0是PG的地址,1～2为主站地址,126为某些从站默认的地址,127是广播地址,因而这些地址一般不再分配给从站,故DP从站**多可连接124个,站号设置一般为3~125。
⑨  如果网络中涉及到分支电缆,则应注意分支电缆的长度应当严格遵守Profibus 的协议规定。

3.2  预处理区DP网络构成
预处理区系统包括一套S7-400 PLC、两套S7-300 PLC、一套S7-200 PLC、7套ET200站、变频器、编码器和两台上位机,同时系统还与1#热处理炉、3#热处理炉通过DP通讯,与2#热处理炉通过工业以太网通讯。根据 网络拓扑的规则设计网格构成见图1。
其中1#热处理炉、2#热处理炉、3#热处理炉PLC是S7-400 PLC,磁盘上料PLC和抛丸机PLC是S7-300 PLC,H7是S7-200PLC,BWL是编码器,每个设备后面括号里的数字是给这个设备分配的硬件地址。
在预处理区DP网络中,S7-400 PLC主站与S7-300 PLC之间的通讯和与1#热处理炉、3#热处理炉之间的通讯采用的是通过DP/DP COUPLER连接的方法。对于DP/DP COUPLER连接的两个网段,通讯速率可以不同,因此DP/DP COUPLER非常适用于不同通讯速率的两个PROFIBUS-DP主站系统之间的数据通讯,但对于通讯数据区,网络1的输入区必须和网络2的输出区完全 对应,同样网络2的输入区必须和网络1的输出区完全对应,否则会造成通讯故障。

3.3  硬件组态

通过Profibus-DP网连接,整个系统构成了一个全数字、全网络化系统,成为能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。预处理区系统的硬件组态如图2所示。
预处理区系统PLC主站由一块电源模块PS 407 10A、一块CPU模块 416-2 DP、6块DP通讯模块CP 443-5、1块以太网通讯模块CP 443-1、一块数字量输入模板和一块数字量输出模板组成。结合图1和图2可以看出,磁盘上料和抛丸机通过地址是8和6的两块DP/DP COUPLER与预处理区系统通讯,在此系统中直接挂在416-2 CPU自带的DP端口;系统中所有设备的变频器挂在**块CP 443-5模块;与三号热处理炉通讯的DP/DP COUPLER和ET200站RIO05挂在第二块CP 443-5模块;ET200站RIO04和6个编码器挂在第三块CP 443-5模块;H7系统的EM277、ET200站RIO01、ET200站RIO02和7个编码器挂在第四块CP 443-5模块;ET200站RIO03、ET200站RIO06、ET200站RIO02和2个编码器挂在第五块CP 443-5模块;与一号热处理炉通讯的DP/DP COUPLER挂在第六块CP 443-5模块。在S7-400中,不需要为现场总线编写通讯程序,只要通过STEP 7软件包对DP主站和所有DP从站进行硬件组态,统一分配地址即可[3]。由于在上述硬件组态过程中已经解决了网络的通讯问题,所以在编程时无须考虑通讯 问题,只要像对一台PLC那样对所有I／O地址编程即可。由此可见使用PROFIBUS—DP现场总线具有“硬件分散,软件集中”的特点。

3.4  Profibus的故障诊断
Profibus是一种抗干扰性比较强的现场总线,但不时还会发生一些故障。在处理故障的过程中我们发现,造成Profibus通讯出现故障的原因,80％都是**简单的原因,比如:现场没有接地处理、布线时与动力电缆没有分开等等。
现场诊断一般会使用到BT200和示波器等设备。BT200是西门子的提供的Profibus网络诊断设备,可以进行网络距离检测,网络连接的质量的检查(比如断线、短路等等);而示波器常常用于检测Profibus通讯的波形[4]。
STEP7等编程工具也可以做为网络诊断的一种工具。在STEP7软件中,提供了“在线诊断”的功能,可以实时的对Profibus网络进行**直接的诊 断。比如:哪些从站出现故障,可在STEP7的诊断缓冲区中直接得到故障信息。STEP7还提供了一些Profibus的诊断功能块,比如 FB125/FC125等,方便用户通过编程的方式在程序运行中诊断ProfibusS网络中出现的故障,同时可将故障信息直接显示在上位机画面上。

4 结束语
本系统在试运行后,运行安全、稳定、可靠,能够满足莱钢宽厚板热处理生产所需的各项工艺技术指标,系统采用Profibus-DP现场总线方式,PLC通 过DP线连接各个ET200站和现场设备,减少了现场电缆的数量和接线工作量,降低了系统故障率。由于所有的测控信息通过总线通信来实现,全数字通信取代 了模拟信号的传输,提高了系统的控制精度,取得了比较明显的经济效益和社会效益。
5保养编辑设备定期测试、调整

（1） 每半年或季度检查PLC柜中接线端子的连接情况，若发现松动的地方及时重新坚固连接；

（2） 对柜中给主机供电的电源每月重新测量工作电压；

设备定期清扫

（1） 每六个月或季度对PLC进行清扫，切断给PLC供电的电源把电源机架、CPU主板及输入/输出板依次拆下，进行吹扫、清扫后再依次原位安装好，将全部连接恢复后送电并启动PLC主机。认真清扫PLC箱内卫生；

（2） 每三个月更换电源机架下方过滤网；

检修前准备

（1） 检修前准备好工具；

（2） 为保障元件的功能不出故障及模板不损坏，必须用保护装置及认真作防静电准备工作；

（3） 检修前与调度和操作工联系好，需挂检修牌处挂好检修牌；

设备拆装顺序及方法

（1） 停机检修，必须两个人以上监护操作；

（2） 把CPU前面板上的方式选择开关从“运行”转到“停”位置；

（3） 关闭PLC供电的总电源，然后关闭其它给模坂供电的电源；

（4） 把与电源架相连的电源线记清线号及连接位置后拆下，然后拆下电源机架与机柜相连的螺丝，电源机架就可拆下；

（5） CPU主板及I/0板可在旋转模板下方的螺丝后拆下；

（6） 安装时以相反顺序进行；

检修工艺及技术要求

（1） 测量电压时，要用数字电压表或精度为1%的**表测量

（2）电源机架，CPU主板都只能在主电源切断时取下；

（3） 在RAM模块从CPU取下或插入CPU之前，要断开PC的电源，这样才能保证数据不混乱；

（4） 在取下RAM模块之前，检查一下模块电池是否正常工作，如果电池故障灯亮时取下模块RAM内容将丢失；

（5） 输入/输出板取下前也应先关掉总电源，但如果生产需要时I/0板也可在可编程控制器运行时取下，但CPU板上的QVZ（超时）灯亮；

（6） 拨插模板时，要格外小心，轻拿轻放，并运离产生静电的物品；

（7） 更换元件不得带电操作；

（8） 检修后模板安装一定要安插到位

总线拓扑结构的分类：

总线拓扑结构可以分为星型拓扑结构，树形拓扑结构，总线型拓扑结构还有环形拓扑结构，按照485总线的标准布线规范，485总线布线只能按照总线型拓扑结 构进行布线，但是现场环境复杂多变，为了485线路能够稳定运行，可能需要其他的拓扑结构，利用相应的设备，485总线是可以有其他的拓扑结构的。

本文介绍一下相关的拓扑结构形式以及他们是怎样实现的。

总线型拓扑结构：

总线型拓扑结构是485总线布线的标准敷设方式，其主控设备与多个从控形成手牵手的菊花链连接方式，即：假设整个485总线上有A,B,C,D,E多个设 备，其接线方式是，将A的485+接到B的485+接口上，再从B的485+上面再引一条线接到C的485+上面，以此类推，一直接到E的485+接口上 面，485-的接线方式和485+的接线方式类似。

　　星型拓扑结构：星型拓扑结构是485总线使用得比较多的接线方式，由于485总线上的设备相对比较分散，而且主控设备一般作为主控室大多都位于中心位置，星型拓扑结构是很多施工方选择的接线方式，星型拓扑结构必须要借助485集线器才可以做到。

　　树形拓扑结构：其实总线型拓扑结构就是一种特殊的树形拓扑结构，只不过总线型拓扑结构的分支距离几近于零，而485总线在通信时，如果有分支并且超过 一定距离的话，就会形成信号反射，从而导致485信号相互干扰，导致信号变弱甚至于出错，导致整个系统通信质量大大下降，将485中继器接在分支上，将分 支与主干线相互隔离，使其没有信号反射问题，从而可以使得485总线可以实现树形拓扑结构。

　　环形拓扑结构：485总线一般情况下都不会用到环形拓扑结构，如果要敷设成环形拓扑结构，485总线的通信方式必须是四线全双工485通信模式，只有在全双工通信模式下，才可以有环形拓扑结构。