PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議結構及功能

PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應用驗證具有普遍性。目前已廣泛應用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等領(lǐng)域。PROFIBUS由3個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布I/O系統）、PROFIBUS-PA（Process Automation，現場(chǎng)總線(xiàn)信息規范）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，過(guò)程自動(dòng)化）。

PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，專(zhuān)門(mén)用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或4~20mA信號傳輸。PORFIBUS-PA專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，可使傳感器和執行機構連在一根總線(xiàn)上，并有本質(zhì)安全規范。PROFIBUS-FMS用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)令牌結構的實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò )。

1．PROFIBUS的協(xié)議結構

PROFIBUS協(xié)議結構是根據ISO7498國際標準，以OSI作為參考模型的。PROFIBUS-DP定義了第1、2層和用戶(hù)接口。第3到7層未加描述。用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說(shuō)明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。PROFIBUS-FMS定義了第1、2、7層，應用層包括現場(chǎng)總線(xiàn)信息規范（FMS）和低層接口（LLI）。FMS包括了應用協(xié)議并向用戶(hù)提供了可廣泛選用的強有力的通信服務(wù)；LLI協(xié)調不同的通信關(guān)系并提供不依賴(lài)設備的第2層訪(fǎng)問(wèn)接口。PROFIBUS-PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現場(chǎng)設備行為的PA行規。根據IEC1157-2標準，PA的傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性，而且可通過(guò)總線(xiàn)給現場(chǎng)設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網(wǎng)絡(luò )。

2．PROFIBUS的傳輸技術(shù)

PROFIBUS提供了三種數據傳輸型式：RS-485傳輸、IEC1157-2傳輸和光纖傳輸。

（1) RS-485傳輸技術(shù)

RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)，通常稱(chēng)之為H2。RS-485傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-DP與PROFIBUS-FMS。

RS-485傳輸技術(shù)基本特征是：網(wǎng)絡(luò )拓撲為線(xiàn)性總線(xiàn)，兩端有有源的總線(xiàn)終端電阻；傳輸速率為9.6kbps~12Mbps；介質(zhì)為屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件；不帶中繼時(shí)每分段可連接32個(gè)站，帶中繼時(shí)可多到127個(gè)站。

RS-485傳輸設備安裝要點(diǎn)：全部設備均與總線(xiàn)連接；每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）；每段的頭和尾各有一個(gè)總線(xiàn)終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差；兩個(gè)總線(xiàn)終端電阻必須一直有電源；當分段站超過(guò)32個(gè)時(shí)，必須使用中繼器用以連接各總線(xiàn)段，串聯(lián)的中繼器一般不超過(guò)4個(gè)；傳輸速率可選用9.6kbps~12Mbps，一旦設備投入運行，全部設備均需選用同一傳輸速率。電纜最大長(cháng)度取決于傳輸速率。

采用RS-485傳輸技術(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )最好使用9針D型插頭。當連接各站時(shí)，應確保數據線(xiàn)不要擰絞，系統在高電磁發(fā)射環(huán)境下運行應使用帶屏蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。如用屏蔽編織線(xiàn)和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過(guò)盡可能的大面積屏蔽接線(xiàn)來(lái)復蓋，以保持良好的傳導性。

（2）IEC1157-2傳輸技術(shù)

IEC1l57-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA，能滿(mǎn)足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本質(zhì)安全性，并通過(guò)總線(xiàn)對現場(chǎng)設備供電。IEC1157-2是一種位同步協(xié)議，可進(jìn)行無(wú)電流的連續傳輸，通常稱(chēng)為H1。

（3）光纖傳輸技術(shù)

PROFIBUS系統在電磁干擾很大的環(huán)境下應用時(shí)，可使用光纖導體，以增加高速傳輸的距離?？墒褂脙煞N光纖導體：一種是價(jià)格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50m情況下使用；另一種是玻璃纖維導體，供距離小于1km情況下使用。許多廠(chǎng)商提供專(zhuān)用總線(xiàn)插頭可將RS-485信號轉換成光纖導體信號或將光纖導體信號轉換成RS-485信號。

3. PROFIBUS總線(xiàn)存取控制技術(shù)

PROFIBUS-DP、FMS、PA均采用一樣的總線(xiàn)存取控制技術(shù)，它是通過(guò)OSI參考模型第2層（數據鏈路層）來(lái)實(shí)現的，它包括保證數據可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報文處理。在PROFIBUS中，第2層稱(chēng)之為現場(chǎng)總線(xiàn)數據鏈路層（FDL，Fieldbus Data Link）。介質(zhì)存取控制（M A C， Medium Access Control）具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數據。PROFIBUS協(xié)議的設計要滿(mǎn)足介質(zhì)存取控制的兩個(gè)基本要求：

1）在復雜的自動(dòng)化系統（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來(lái)完成通信任務(wù)。

2）在復雜的程序控制器和簡(jiǎn)單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡(jiǎn)單地完成數據的實(shí)時(shí)傳輸。

因此PROFIBUS主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規定的時(shí)間內得到總線(xiàn)存取權（令牌），令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長(cháng)時(shí)間是事先規定的。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。主站得到總線(xiàn)存取令牌時(shí)可依照主-從通信關(guān)系表與所有從站通信，向從站發(fā)送或讀取信息，也可依照主-主通信關(guān)系表與所有主站通信。所以可能有3種系統配置：純主-從系統、純主-主系統和混合系統。

在總線(xiàn)系統初建時(shí)，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線(xiàn)上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線(xiàn)運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。

第2層的另一重要工作任務(wù)是保證數據的高度完整性。PROFIBUS在第2層按照非連接的模式操作，除提供點(diǎn)對點(diǎn)邏輯數據傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，包括廣播和選擇廣播功能。

4．PROFIBUS-DP基本功能

PROFIBUS-DP用于現場(chǎng)設備級的高速數據傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€(xiàn)循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶(hù)數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。

（1）PROFIBUS-DP基本特征

采用RS-485雙絞線(xiàn)、雙線(xiàn)電纜或光纜傳輸，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps。各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送。支持單主或多主系統，總線(xiàn)上最多站點(diǎn)（主-從設備）數為126。采用點(diǎn)對點(diǎn)（用戶(hù)數據傳送）或廣播（控制指令）通信。循環(huán)主-從用戶(hù)數據傳送和非循環(huán)主-主數據傳送?？刂浦噶钤试S輸入和輸出同步。同步模式為輸出同步；鎖定模式為輸入同步。

DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶(hù)有數據傳送。各DP從站的動(dòng)態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。輸人或輸出的同步。通過(guò)總線(xiàn)給DP從站賦予地址。通過(guò)總線(xiàn)對DP主站（DPM1）進(jìn)行配置，每DP從站的輸入和輸出數據最大為246字節。 所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從站帶看門(mén)狗定時(shí)器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護。DP主站上帶可變定時(shí)器的用戶(hù)數據傳送監視。

每個(gè)PROFIBUS-DP系統包括3種類(lèi)型設備：第一類(lèi)DP主站（DPM1）、第二類(lèi)DP主站（DPM2）和DP從站。DPM1是是中央控制器，它在預定的周期內與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC、PC等；DPM2是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在DP系統組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統操作和監視目的；DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備，是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的I/O設備、驅動(dòng)器、閥門(mén)等。

經(jīng)過(guò)擴展的PROFIBUS-DP診斷能對故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線(xiàn)上傳輸并由主站采集。診斷信息分3級：本站診斷操作，即本站設備的一般操作狀態(tài)，如溫度過(guò)高、壓力過(guò)低；模塊診斷操作，即一個(gè)站點(diǎn)的某具體I/O模塊故障；通道診斷操作，即一個(gè)單獨輸人/輸出位的故障。

（2）PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統

在同一總線(xiàn)上最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。系統配置的描述包括：站數、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數據格式、診斷信息格式及所使用的總線(xiàn)參數。

PROFIBUS-DP單主站系統中，在總線(xiàn)系統運行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站。如圖1所示為PROFIBUS-DP單主站系統，PLC作為主站。

圖1 PROFIBUS-DP單主站系統

PROFIBUS-DP多主站系統中總線(xiàn)上連有多個(gè)主站?？偩€(xiàn)上的主站與各自從站構成相互獨立的子系統。如圖2所示，任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入／輸出映像，但只有一個(gè)DP主站允許對DP從站寫(xiě)入數據。

圖2 PROFIBUS－DP多主站系統

（3）PROFIBUS-DP系統行為

PROFIBUS-DP系統行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線(xiàn)的配置設備所控制，主要有運行、清除和停止3種狀態(tài)。在運行狀態(tài)下，DPM1處于輸入和輸出數據的循環(huán)傳輸，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫(xiě)入輸出信息；在清除狀態(tài)下，DPM1讀取 DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài)；在停止狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒(méi)有數據傳輸。

DPM1設備在一個(gè)預先設定的時(shí)間間隔內，以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地發(fā)送到每一個(gè)有關(guān)的DP從站。如果在DPM1的數據傳輸階段中發(fā)生錯誤，DPM1將所有相關(guān)的DP從站的輸出數據立即轉入清除狀態(tài)，而DP從站將不再發(fā)送用戶(hù)數據。在此之后，DPM1轉入清除狀態(tài)。