PROFIBUS-DP現場總線協議結構及功能

PROFIBUS的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等領域。PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布I/O系統）、PROFIBUS-PA（Process Automation，現場總線信息規范）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，過程自動化）。

PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，專門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專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構連在一根總線上，并有本質安全規范。PROFIBUS-FMS用于車間級監控網絡，是一個令牌結構的實時多主網絡。

1．PROFIBUS的協議結構

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

2．PROFIBUS的傳輸技術

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

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

RS-485傳輸技術基本特征是：網絡拓撲為線性總線，兩端有有源的總線終端電阻；傳輸速率為9.6kbps~12Mbps；介質為屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件；不帶中繼時每分段可連接32個站，帶中繼時可多到127個站。

RS-485傳輸設備安裝要點：全部設備均與總線連接；每個分段上最多可接32個站（主站或從站）；每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發生誤差；兩個總線終端電阻必須一直有電源；當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段，串聯的中繼器一般不超過4個；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。電纜最大長度取決于傳輸速率。

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

（2）IEC1157-2傳輸技術

IEC1l57-2的傳輸技術用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業的要求。它可保持其本質安全性，并通過總線對現場設備供電。IEC1157-2是一種位同步協議，可進行無電流的連續傳輸，通常稱為H1。

（3）光纖傳輸技術

PROFIBUS系統在電磁干擾很大的環境下應用時，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。許多廠商提供專用總線插頭可將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總線存取控制技術

PROFIBUS-DP、FMS、PA均采用一樣的總線存取控制技術，它是通過OSI參考模型第2層（數據鏈路層）來實現的，它包括保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。在PROFIBUS中，第2層稱之為現場總線數據鏈路層（FDL，Fieldbus Data Link）。介質存取控制（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時刻只有一個站點發送數據。PROFIBUS協議的設計要滿足介質存取控制的兩個基本要求：

1）在復雜的自動化系統（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。

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

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主站在一個確切規定的時間內得到總線存取權（令牌），令牌在所有主站中循環一周的最長時間是事先規定的。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到總線存取令牌時可依照主-從通信關系表與所有從站通信，向從站發送或讀取信息，也可依照主-主通信關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。

在總線系統初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環中排除，新上電的主站必須加入邏輯環。

第2層的另一重要工作任務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，除提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信，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送輸出信息?？偩€循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。

（1）PROFIBUS-DP基本特征

采用RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜傳輸，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，總線上最多站點（主-從設備）數為126。采用點對點（用戶數據傳送）或廣播（控制指令）通信。循環主-從用戶數據傳送和非循環主-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從站間的循環用戶有數據傳送。各DP從站的動態激活和可激活。DP從站組態的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。輸人或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進行配置，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進行。DP從站帶看門狗定時器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監視。

每個PROFIBUS-DP系統包括3種類型設備：第一類DP主站（DPM1）、第二類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、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的；DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備，是帶二進制值或模擬量輸入輸出的I/O設備、驅動器、閥門等。

經過擴展的PROFIBUS-DP診斷能對故障進行快速定位。診斷信息在總線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，如溫度過高、壓力過低；模塊診斷操作，即一個站點的某具體I/O模塊故障；通道診斷操作，即一個單獨輸人/輸出位的故障。

（2）PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統

在同一總線上最多可連接126個站點。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參數。

PROFIBUS-DP單主站系統中，在總線系統運行階段，只有一個活動主站。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多主站系統中總線上連有多個主站?？偩€上的主站與各自從站構成相互獨立的子系統。如圖2所示，任何一個主站均可讀取DP從站的輸入／輸出映像，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數據。

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，這些狀態由本地或總線的配置設備所控制，主要有運行、清除和停止3種狀態。在運行狀態下，DPM1處于輸入和輸出數據的循環傳輸，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫入輸出信息；在清除狀態下，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；在停止狀態下，DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。

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