1.0 介紹

PROFIBUS(過程現(xiàn)場總線)是1989年開發(fā)的開放現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，滿足過程自動化和工廠制造自動化的需要。它最初由西門子開發(fā)，特別適用于快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的應(yīng)用，也涉及復(fù)雜的通信。它是一個(gè)開放的、獨(dú)立于供應(yīng)商(從而提供互操作性)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，遵循開放系統(tǒng)互連(OSI)/國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)的通信模型。它支持單電纜布線，具有多輸入傳感器塊、智能設(shè)備、操作接口和AS-i等較小的子網(wǎng)絡(luò)。它是基于德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19 245部分1和2，并已通過歐洲國家標(biāo)準(zhǔn)EN 50170卷2。

PROFIBUS支持兩種類型的設(shè)備:主設(shè)備和從設(shè)備。前者稱為主動站，后者稱為被動站。當(dāng)主設(shè)備擁有總線訪問權(quán)時(shí)，它就擁有控制總線的權(quán)利。這樣它就可以在不需要任何遠(yuǎn)程請求的情況下傳輸消息。從設(shè)備的例子有變送器、傳感器和執(zhí)行器等。從設(shè)備確認(rèn)接收到的任何消息，并且在收到來自主設(shè)備的請求時(shí)，可以向該主設(shè)備發(fā)送消息。

2.0 PROFIBUS 家族

PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)家族包括:PROFIBUS DP(主/從),PROFIBUS FMS(多主/點(diǎn)對點(diǎn)),PROFIBUS PA(防爆)。DP、FMS和PA分別代表，分布式外設(shè)(Decentralized Pheriphery)，現(xiàn)場總線消息規(guī)范(Fieldbus Message Specification),以及流程自動化(Process Automation)。

PROFIBUS DP處理快速通信過程，如驅(qū)動、遠(yuǎn)程輸入/輸出(I/O),通常用于工廠自動化。在這種模式下，使用多主站時(shí)，一個(gè)從站只能分配給一個(gè)主站。在這中情況下，多個(gè)主機(jī)可以從特定設(shè)備讀取輸入，但只有一個(gè)主機(jī)可以向該設(shè)備寫入輸出。

現(xiàn)場設(shè)備通常通過PROFIBUS-PA連接。它與PROFIBUS-DP的不同,主要是，設(shè)備可以在總線電纜上供電,它支持有爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的設(shè)備,物理層的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)可參考IEC 61158-2。它允許較高的自由度選擇總線拓?fù)浜透L的總線段。

PROFIBUS FMS是一種點(diǎn)對點(diǎn)消息傳遞格式。這使得主站之間能夠進(jìn)行通信。多達(dá)126個(gè)節(jié)點(diǎn)可用，比如在PROFIBUS DP中可以都是主站。FMS消息比PROFIBUS DP消息需要更多的開銷。

除了上述三種類型外，有時(shí)還使用一種combi模式，即在同一網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)使用FMS和DP。當(dāng)PLC與PC一起使用時(shí)，這是使用的，在這種情況下，主主機(jī)通過FMS與副主機(jī)通信。

3.0 傳送技術(shù)

PROFIBUS采用了RS485, RS485-IS, MBP和光纖等多種傳輸技術(shù)。最常用的是RS485，它使用屏蔽雙絞線，傳輸速率高達(dá)12mbps。所使用的總線結(jié)構(gòu)允許添加和刪除一個(gè)站點(diǎn)而不影響其他站點(diǎn)。在一個(gè)特定的段中，包括主設(shè)備和從設(shè)備，最多可以有32個(gè)設(shè)備。段的任意一邊都由活動總線終端連接器終止。當(dāng)使用超過32個(gè)設(shè)備或有需要時(shí)使用中繼器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

RS485-IS用于潛在爆炸區(qū)域(ex-i型)四線的媒介。

MBP(Manchester coding with bus powered)代表總線供電曼徹斯特編碼。它是一種同步傳輸方案，傳輸速率為31.25 kbps。它主要用于過程自動化系統(tǒng)，特別是化學(xué)和石油化工行業(yè)。

具有高電磁干擾和設(shè)備間距相當(dāng)大的行業(yè)采用光纖傳輸方案。

4.0 通信協(xié)議

PROFIBUS的三個(gè)版本，即FMS、DP和PA，都使用標(biāo)準(zhǔn)的總線訪問協(xié)議。該協(xié)議由OSI的第二層實(shí)現(xiàn)，在PROFIBUS的情況下，稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(FDL)。 除了處理傳輸協(xié)議外，F(xiàn)DL還處理數(shù)據(jù)安全和錯(cuò)誤檢測。

該協(xié)議是這樣設(shè)計(jì)的，通過提供高速、高確定性的現(xiàn)場操作，通過為PA使用兩個(gè)電線連接降低成本，并在FMS控制層擴(kuò)展能力，三種變體無縫結(jié)合在一起工作。

在這三種協(xié)議中，F(xiàn)MS是第一種通信協(xié)議，設(shè)計(jì)用于單元層的操作，通常PLC和PC在單元層進(jìn)行通信。

DP有三個(gè)變體，即DPV0到DPV2。原始的DPV0提供了基本的功能，包括循環(huán)I/O通信和診斷報(bào)告。DPV1提供循環(huán)和非循環(huán)通信和報(bào)警服務(wù)、診斷、參數(shù)化和現(xiàn)場設(shè)備控制，而DPV2支持驅(qū)動控制領(lǐng)域特別需要的一些服務(wù)。這些功能包括從設(shè)備之間的發(fā)布/訂閱通信、同步從站模式、時(shí)間同步和時(shí)間戳。PROFIBUS DP可以解決時(shí)間敏感性的通信任務(wù)。最后一個(gè)是PROFIBUS PA，它是專門針對過程自動化通信的要求而設(shè)計(jì)的。

第二層(數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)或FDL)對應(yīng)于總線訪問協(xié)議，它管理主-從和多主站系統(tǒng)的令牌傳遞方法之間的通信過程。FDL還處理數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)幀。

第7層或應(yīng)用層作為應(yīng)用程序和現(xiàn)有的不同配置文件(fms、DP或PA)之間的接口。

5.0 設(shè)備分類

PROFIBUS設(shè)備可以分為三種設(shè)備類型，1類PROFIBUS DP 主站 (DPM1)， 2類 PROFIBUS DP 主站 (DPM2)和PROFIBUS 從站。

1類主站通常用于與相關(guān)的從站進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)交換。他們通常是PLC或個(gè)人電腦,在精確的時(shí)間共享基礎(chǔ)上與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。1類主站具有以下特點(diǎn):在主站之間傳遞令牌,可以將數(shù)據(jù)寫入分配給它的從站,并可以從網(wǎng)絡(luò)上的其他從站讀取數(shù)據(jù),設(shè)置數(shù)據(jù)速率和連接的從站自動檢測相同的數(shù)據(jù)。

2類主站被用作設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試的工具。在DPV1和DPV2中，這個(gè)主站類型用于不周期性地設(shè)置/更改設(shè)備參數(shù)值。DPM2不需要保持與系統(tǒng)的永久連接，只用于初始設(shè)備配置。通常，PROFIBUS主設(shè)備同時(shí)支持DPM1和DPM2的功能。第2類主站具有以下特征:充當(dāng)監(jiān)視主機(jī)，用于診斷目的和從機(jī)調(diào)試，在任何給定時(shí)間點(diǎn)控制從站，只能讀從站但沒有寫訪問權(quán)。

PROFIBUS從設(shè)備通過發(fā)送設(shè)備數(shù)據(jù)來響應(yīng)主設(shè)備輪詢。從設(shè)備是現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、閥門、遠(yuǎn)程I/O等。從設(shè)備可以有兩種類型:緊湊型設(shè)備和模塊化設(shè)備。

緊湊型設(shè)備具有固定的I/O配置，不像模塊化設(shè)備，它可能會有所變化。模塊化設(shè)備包含一個(gè)站點(diǎn)，現(xiàn)場總線接口通過專門為其設(shè)計(jì)的單獨(dú)插槽連接到該站點(diǎn)。多變量裝置可以被認(rèn)為是模塊化裝置。

6.0 PROFIBUS在自動化中

下圖，顯示了PROFIBUS技術(shù)是如何在自動化層次結(jié)構(gòu)的不同層上應(yīng)用的。PROFIBUS的三個(gè)不同版本DP、PA和FMS都使用相同的傳輸介質(zhì)RS-485。 該圖顯示了一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)，在同一網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)具有過程自動化和工廠自動化任務(wù)。

7.0 PROFIBUS協(xié)議棧的OSI模型

PROFIBUS系統(tǒng)的所有三個(gè)版本(DP、PA和FMS)都遵循統(tǒng)一的總線訪問機(jī)制。該協(xié)議由OSI模型的第二層實(shí)現(xiàn)。PROFIBUS中的這一層稱為FDL。PROFIBUS協(xié)議棧,如下圖所示。

PROFIBUS協(xié)議確保所有三個(gè)變體無縫工作，并提供高速、確定的操作和通信在現(xiàn)場層(1和2層)、DP(7層)和用戶/單元層(FMS)。

8.0 PROFIBUS DP 的特點(diǎn)

PROFIBUS用于，化學(xué)、紙張、食品、汽車行業(yè)等自動化系統(tǒng)的設(shè)備層上的快速通信。它遵從50254 和 IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBUS DP是PROFIBUS系統(tǒng)的高速解決方案。它主要用于時(shí)間敏感的解決方案。最初它是為自動化系統(tǒng)和分散設(shè)備之間的通信而開發(fā)的。

上圖，顯示了DP單主站系統(tǒng)的總線周期時(shí)間，假設(shè)每個(gè)從系統(tǒng)有兩個(gè)字節(jié)的輸入和輸出數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，在比特率為12兆位/秒的情況下，傳輸分布在32個(gè)站的512位輸入和512位輸出數(shù)據(jù)大約需要1毫秒的時(shí)間。總線的周期將取決于總線站點(diǎn)的數(shù)量和傳輸速率。

8.1 DPV0版本

DPV0提供了DP的基本功能。其中包括主、從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)交換、模塊診斷、特定信道診斷、站診斷等。

主站以循環(huán)方式從從站讀取輸入信息，并將輸出信息循環(huán)寫入相應(yīng)的從站。

8.1.1 診斷功能

診斷功能用于快速定位故障。診斷消息通過總線發(fā)送。這些功能可以有三種類型:特定于設(shè)備的診斷、與模塊相關(guān)的診斷和與通道相關(guān)的診斷。

任何特定于設(shè)備的參數(shù)，如過電壓、電壓不足或過熱，都由特定于設(shè)備的診斷服務(wù)處理。模塊相關(guān)診斷與站的特定I/O子域中的任何未決診斷有關(guān)。任何與單個(gè)輸入/輸出位相關(guān)的故障(通道)表現(xiàn)為通道相關(guān)診斷。

8.1.2 同步和凍結(jié)模式

DPM1自動處理循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸。除此之外，它還可以同時(shí)向一個(gè)從站或一組從站發(fā)送控制命令。這些命令稱為多播命令。一個(gè)主站可以向一個(gè)從站或一組從站發(fā)送同步命令。然后，被尋址的從站的輸出被凍結(jié)在當(dāng)前狀態(tài)。在后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，輸出數(shù)據(jù)存儲在從機(jī)中，輸出狀態(tài)保持不變。在從站接收到下一個(gè)同步命令之前，存儲的輸出數(shù)據(jù)不會被發(fā)送到輸出?？梢酝ㄟ^發(fā)出不同步命令來終止同步命令。

當(dāng)主站向從站發(fā)出凍結(jié)命令時(shí)，對應(yīng)的從站進(jìn)入凍結(jié)模式。然后從輸入的狀態(tài)被凍結(jié)在它們的當(dāng)前值。這將一直保持下去，直到從站接收到另一個(gè)凍結(jié)命令，這時(shí)輸入數(shù)據(jù)被更新。

8.1.3 系統(tǒng)配置

PROFIBUS系統(tǒng)支持單主站和多主站系統(tǒng)?？偩€上最多可以連接126個(gè)設(shè)備，包括主設(shè)備和從設(shè)備。系統(tǒng)配置包括:站數(shù)、總線參數(shù)、診斷消息格式、為I/O分配站地址。

8.1.4 時(shí)間監(jiān)控

時(shí)間監(jiān)視器是一種非常高效和有效的保護(hù)機(jī)制，以防止不正確的參數(shù)化或傳輸相關(guān)功能的故障。時(shí)間監(jiān)控機(jī)制同時(shí)安裝在主站和從站上。在配置后，指定時(shí)間監(jiān)視器的時(shí)間間隔。

在主站，DPM1使用data_control_timer函數(shù)監(jiān)視與從站的數(shù)據(jù)通信。每個(gè)從站都有自己的時(shí)間監(jiān)視器。如果在指定的時(shí)間間隔內(nèi)沒有發(fā)生正確的用戶數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)時(shí)器將被觸發(fā)，并相應(yīng)地通知用戶

從站使用各自的看門狗定時(shí)器來檢測主站的錯(cuò)誤或傳輸錯(cuò)誤。如果在預(yù)設(shè)的看門狗控制間隔內(nèi)沒有與主站的數(shù)據(jù)通信，從站的輸出將進(jìn)入故障安全模式。

在多主站系統(tǒng)中，必須保證只有授權(quán)的主站才能訪問對應(yīng)的從站。

8.1.5 令牌傳遞特性

下面討論與令牌傳遞機(jī)制相關(guān)的特征:

• 令牌傳遞技術(shù)涉及多個(gè)主站。
• 令牌按升序從一個(gè)主站傳遞到另一個(gè)主站。
• 每個(gè)主站負(fù)責(zé)增加或刪除其地址范圍內(nèi)的站點(diǎn)。
• 如果token丟失，系統(tǒng)不需要初始化。最低地址的主站在令牌計(jì)時(shí)器超時(shí)后創(chuàng)建一個(gè)新的令牌。
• 上電后，主站地址最低的站點(diǎn)開始初始化。如果在等待預(yù)定義的一段時(shí)間后沒有看到總線活動，則聲明令牌。它將自己的活動通知網(wǎng)絡(luò)上的其他主站，并以遞增的順序向每個(gè)站發(fā)送請求字段數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)。響應(yīng)此請求的站將被傳遞令牌。

8.2 DPV1版本

DPV1是在過程自動化和控制領(lǐng)域?qū)PV0的改進(jìn)。循環(huán)通信和非循環(huán)通信都在這個(gè)版本中實(shí)現(xiàn)。這允許使用工程工具在線訪問站點(diǎn)。此外，參數(shù)分配、智能設(shè)備報(bào)警處理、現(xiàn)場設(shè)備校準(zhǔn)等也由該版本完成。

8.2.1. 循環(huán)和非循環(huán)通信

循環(huán)通信和非循環(huán)通信都是PROFIBUS DPV2的特點(diǎn)。DPM1設(shè)備，如PLC，與從站循環(huán)交換信息預(yù)定義的時(shí)段。主站擁有令牌，并向從站1發(fā)送消息或從從站2獲取消息，以此類推，直到到達(dá)列表中的最后一個(gè)從從站。如下圖:

那么，主站可以利用程序周期的剩余可用時(shí)間與任何從站建立非循環(huán)通信，如下圖：

循環(huán)通信大多以透明的方式進(jìn)行。

主站有自己的內(nèi)存，用于存儲從站傳入的數(shù)據(jù)。從主站發(fā)出的任何數(shù)據(jù)都首先寫入主站的內(nèi)存中，然后再發(fā)送給相關(guān)的從站。

8.3 DPV2版本

版本DPV2仍然是對DPV1的另一個(gè)改進(jìn)。DPV2的其他功能包括等時(shí)模式、從站對從站直接通信，而不需要協(xié)調(diào)主站的任何幫助。這種發(fā)布者-訂閱者模型有助于減少高達(dá)90%的總線響應(yīng)時(shí)間。DPV2還可以作為驅(qū)動總線實(shí)現(xiàn)，以控制驅(qū)動軸上的快速移動序列。

8.3.1 從站之間通信

它是從站與從站之間的直接通信，而不需要經(jīng)過主主站。它大大節(jié)省了時(shí)間，達(dá)到90%的程度。一個(gè)從站作為發(fā)布者，另一個(gè)從站作為訂閱者。這是在沒有主站的情況下發(fā)生的。因此，這個(gè)過程允許一個(gè)從站(訂閱者)從另一個(gè)從站(發(fā)布者)讀取數(shù)據(jù)。下圖解釋了上述過程。

8.3.2. 同步模式

這促進(jìn)了主站和從站之間的時(shí)鐘同步，而不考慮總線負(fù)載。它提供高度精確的定位系統(tǒng)，具有精確到一微秒的時(shí)鐘。

8.3.3 時(shí)鐘控制

所有連接到主站的從站都通過時(shí)鐘控制進(jìn)行同步。時(shí)鐘控制有助于診斷和識別故障，以及事件的時(shí)間規(guī)劃。

8.3.4 上傳和下載

這是一個(gè)特殊的函數(shù)，它可以用很少的命令加載設(shè)備中任何大小的數(shù)據(jù)。它允許更新程序或更換設(shè)備，而不需要手動加載過程。

8.3.5 DP 上的 HART

HART設(shè)備的龐大安裝基礎(chǔ)導(dǎo)致許多用戶集成PROFIBUS系統(tǒng)。HART設(shè)備的一個(gè)直接優(yōu)勢是，它們可以受益于PROFIBUS通信技術(shù)。

為了在DP上集成HART, PROFIBUS在主設(shè)備和從設(shè)備中都實(shí)現(xiàn)了第7層以上的規(guī)范概要。這確保了HART客戶端-主站-服務(wù)器模型在PROFIBUS上的映射。下圖，顯示了這樣一個(gè)集成，其中HART -客戶端應(yīng)用程序集成在PROFIBUS主站，而HART主站在PROFIBUS從站上。

8.4 通訊概況

PROFIBUS DP的通信概況如下圖所示。

它展示了物理層，物理層使用不同的物理介質(zhì)，如光纖、紅外或其他無線通信系統(tǒng)。第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層，在這里稱為FDL。第3層到第7層在PROFIBUS中是空的DP配置?，F(xiàn)場總線中需要的其他功能由兩個(gè)上層實(shí)現(xiàn)，即直接數(shù)據(jù)鏈路映射器(DDLM)和用戶接口。

8.5 物理層

大多數(shù)情況下，PROFIBUS DP的物理層由R-S485標(biāo)準(zhǔn)指定。其他一些配置包括使用光纖、紅外或其他無線傳輸介質(zhì)。對于RS-485，使用的物理介質(zhì)是可以是屏蔽的雙絞線，如果需要的話。最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。

基于RS-485的PROFIBUS DP物理層具有以下特點(diǎn):

• 拓?fù)錇榫€性總線，兩端終止。
• 傳輸是通過雙絞線，可選屏蔽。 當(dāng)傳輸速率大于500波特時(shí)，優(yōu)先使用A型電纜;當(dāng)短距離通信，波特率小于500波特時(shí)，使用B型電纜。
• 可以使用不同的物理媒體，如;光纖、紅外、無線傳輸?shù)取?/li>
• PROFIBUS DP, FMS和PA可以一起在公共總線線路上使用。

8.5.1 傳輸速度vs段長度

傳輸速度在9.6 kbps ~ 12mbps之間，段的最大長度與傳輸速度有關(guān)，如下表所示。

8.6 數(shù)據(jù)鏈路層

PROFIBUS DP中的數(shù)據(jù)鏈路層稱為FDL。它執(zhí)行以下任務(wù):

• 總線訪問控制或介質(zhì)訪問控制
• 數(shù)據(jù)安全
• 電報(bào)結(jié)構(gòu)
• 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的可用性
• SRD(發(fā)送和請求數(shù)據(jù)并返回)和
• SDN(無確認(rèn)的串行數(shù)據(jù))

主和從之間的數(shù)據(jù)通信通過邏輯令牌傳遞方法進(jìn)行。每個(gè)站點(diǎn)都知道從哪個(gè)站點(diǎn)接收到令牌的地址，也知道要將令牌移交給哪個(gè)站點(diǎn)的地址。

SRD為確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸方式，源站向所選目的站發(fā)送的數(shù)據(jù)最多為246字節(jié)。后者的響應(yīng)最多為246個(gè)響應(yīng)字節(jié)。使用SRD，主站要么發(fā)出命令，要么向相關(guān)的從站發(fā)送數(shù)據(jù)，然后接收一個(gè)在指定的時(shí)間內(nèi)回復(fù)(來自從站的確認(rèn)或數(shù)據(jù))。對于SDN業(yè)務(wù)，沒有來自目的地站的確認(rèn)。SDN主要用于廣播或組播消息。