昌暉儀表在本文對PROFIBUS的組成、PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)、傳輸技術、總線連接器、PROFIBUS介質(zhì)存取協(xié)議和PROFIBUS設備分類做專業(yè)介紹，方便儀表技術人員全面熟悉PROFIBUS結(jié)構(gòu)與硬件。

PROFIBUS是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一，PR0FIBUS總線是1987年由西門子公司等13家企業(yè)和5家研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)，1999年PROFIBUS成為國際標準IEC 61158的組成部分，2001年批準成為中國的行業(yè)標準JB/T 10308.3-2001。

PROFIBUS支持主從模式和多主多從模式。對于多主站的模式，在主站之間按令牌傳遞決定對總線的控制權，取得控制權的主站可以向從站發(fā)送、獲取信息，實現(xiàn)點對點的通信。

一、PROFIBUS的組成
PROFIBUS協(xié)議包括三個主要部分：PROFIBUS-DP(分布式外部設備)、PR0FIBUS-PA(過程自動化)和PR0FIBUS-FMS(現(xiàn)場總線報文規(guī)范)。

1、PROFIBUS-DP(分布式外部設備)
PROFIBUS-DP是一種高速低成本數(shù)據(jù)傳輸，用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式I/O(例如ET 200)的通信。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間為主從輪詢方式，以及這兩種方式的混合。一個網(wǎng)絡中有若干個被動節(jié)點(從站)，而它的邏輯令牌只含有一個主動令牌(主站)，這樣的網(wǎng)絡為純主一從系統(tǒng)。圖1所示為典型的主從PROFIBUS-DP總線,圖中有一個站為主站，其他站都是主站的從站。

圖1    典型的主從PROFTBUS-DP總線

2、PROFIBUS-PA(過程自動化)
PROFIBUS-PA用于過程自動化的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸，使用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議。傳輸技術采用IEC 1158-2標準，可以用于防爆區(qū)域的傳感器和執(zhí)行器與中央控制系統(tǒng)的通信。使用屏蔽雙絞線電纜，由總線提供電源。典型PROFIBUS-PA系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2    典型PROFIBUS-PA系統(tǒng)配置

3、PR0FIBUS-FMS(現(xiàn)場總線報文規(guī)范)
PR0FIBUS-FMS可用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，F(xiàn)MS提供大量的通信服務，用以完成中等級傳輸速度進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信服務。對于FMS而言，它考慮的主要是系統(tǒng)功能而不是系統(tǒng)響應時間。如圖3所示，一個典型PROFIBUS-FMS系統(tǒng)由各種智能自動化單元組成，如PC、PLC、HMI等。

圖3    典型PROFIBUS-FMS系統(tǒng)

二、PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)以ISO/OSI參考模型為基礎，其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4所示，第1層為物理層，定義了物理的傳輸特性；第2層為數(shù)據(jù)鏈路層；第3-6層PROFIBUS未使用；第7層為應用層、定義了應用的功能。

圖4     典型的PROFIBUS-FMS系統(tǒng)

PROFIBUS-DP是高效、快速的通信協(xié)議，它使用了第1層與第2層及用戶接口，第3-7層未使用。這種簡化的結(jié)構(gòu)確保了DP快速、高效的數(shù)據(jù)傳輸。

三、傳輸技術
PROFIBUS總線使用兩端有終端的總線拓撲結(jié)構(gòu)、如圖5所示。

圖5    兩端有終端的總線拓撲結(jié)構(gòu)

PROFIBUS使用三種傳輸技術：PROFIBUS DP和PROFIBUS FMS采用相同的傳輸技術，可使用RS485屏蔽雙絞線電纜傳輸或光纖傳輸；PROFIBUS PA采用IEC 1158-2傳輸技術；DP和FMS使用相同的傳輸技術和統(tǒng)一的總線存取協(xié)議，可以在同一根電纜上同時運行；DP/FMS符合EIA RS-485標準(也稱為H2)，采用屏蔽或非屏蔽雙絞線電纜，9.6kbit/s-12Mbit/s。一個總線段最多32個站、帶中繼器最多127個站。DP/FMS傳輸距離與傳輸速率有關，3-12Mbit/s時為100m，9.6-93.75kbit/s時為1200m。

另外，為了適應強度很高的電磁干擾環(huán)境或使用高速遠距離傳輸，PROFIBUS可使用光纖傳輸技術。

四、PROFIBUS總線連接器
PROFIBUS總線連接器是用于連接PROFIBUS站與電纜實現(xiàn)信號傳輸·帶有內(nèi)置終端電阻，如圖6所示。

圖6    PROFIBUS總線連接器

五、PROFIBUS介質(zhì)存取協(xié)議
1、PROFIBUS介質(zhì)存取協(xié)議
PROFIBUS通信規(guī)程采用了統(tǒng)一的介質(zhì)存取協(xié)議，此協(xié)議由OSI參考模型的第2層來實現(xiàn)。PROFIBUS介質(zhì)存取協(xié)議如下:
①在主站間通信時，必須保證在正確的時間間隔內(nèi)，每個主站都有足夠的時間來完成它的通信任務。
②PLC與從站間通信時，必須快速、簡捷地完成循環(huán)，實時地進行數(shù)據(jù)傳輸。為此，PROFIBUS提供了兩種基本的介質(zhì)存取控制、即令牌傳遞方式和主從輪循方式。

令牌傳遞方式可以保證每個主站在事先規(guī)定的時間間隔內(nèi)都能獲得總線的控制權。令牌是一種特殊的報文、它在主站之間傳遞著總線控權，每個主站均能按次序獲得一次令牌，傳遞的次序是按地址的升序進行的。主從輪循方式允許主站在獲得總線控制權時可以與從站進行通信，每個主站均可以向從站發(fā)送或獲得信息。

2、PROFIBUS系統(tǒng)配置
使用上述的介質(zhì)存取方式，PROFIBUS可以實現(xiàn)以下三種系統(tǒng)配置：純主-從系統(tǒng)(單主站)、純主-主系統(tǒng)(多主站)和兩種配置的組合系統(tǒng)(多主-多從)。
①純主-從系統(tǒng)(單主站)
單主系統(tǒng)可實現(xiàn)最短的總線循環(huán)時間。以PROFIBUS DP系統(tǒng)為例、一個單主系統(tǒng)自一個DP-1類主站和1到最多125個DP-從站組成，典型系統(tǒng)如圖7所示。

圖7    單主站系統(tǒng)

②純主-主系統(tǒng)(多主站)
若干個主站可以用讀功能訪問一個從此。以PROFIBUS-DP系統(tǒng)為例，多主系統(tǒng)由多個主設備(1類或2類)和1到最多124個DP-從設備組成。典型系統(tǒng)如圖7所示。

圖7   多主站系統(tǒng)

③兩種配置的組合系統(tǒng)(多主-多從)
圖7所示為一個由3個主站和7個從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖。由圖7可看出，3個主站構(gòu)成了一個令牌傳遞的邏輯環(huán)，在這個環(huán)中，令牌按照系統(tǒng)確定的地址升序從一個主站傳遞給下一個主站。當一個主站得到了令牌后，它就能在一定的時間間隔內(nèi)執(zhí)行該主站的任務，可以按主從關系與所有從站通信，也可按主主關系與所有主站通信。

六、PROFIBUS-DP設備分類
PROFIBUS-DP在整個PROFIBUS應用中，應用最多、最廣泛，可以連接不同廠商符合PROFIBUS-DP協(xié)議的設備。PROFIBUS-DP定義了三種設備類型：
1、DP-1類主設備
DP-1類主設備(DPM1)可構(gòu)成DP-1類主站。這類設備是一種在給定的信息循環(huán)中與分布式站點(DP從站)交換信息，并對總線通信進行控制和管理的控制器。典型設備如PLC、CNC或PC等。

2、DP-2類主設備
DP-2類主設備(DPM1)可構(gòu)成DP-2類主站。它是DP網(wǎng)絡中的編程、診斷和管理設備。DPM2除了具有1類主站的功能外，可以讀取DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)和當前的組態(tài)數(shù)據(jù)，可以給DP從站分配新的總線地址。如PC、OP、TP等。

3、DP-從設備
DP-從設備可構(gòu)成DP從站。這類設備是DP系統(tǒng)中直接連接I/O信號的外圍設備。典型DP-從設備有分布式I/O、ET200、變頻器、驅(qū)動器、閥、操作面板等。根據(jù)它們的用途和配置，可將SIMATIC S7的DP從站設備分為以下幾種：
①分布式I/O(非智能型I/O))由主站統(tǒng)一編址，如ET 200。
②PLC智能DP從站：PLC(智能型I/O)做從站。存儲器中有一片特定區(qū)域作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)。
③具有PROFIBUS-DP接口的其他現(xiàn)場設備。
在DP網(wǎng)絡中、一個從站如果只能被一個主站所控制，那么這個主站是這個從站的1類主站；如果網(wǎng)絡上還有編程器和操作面板控制從站、這個編程器和操作面板是這個從站的2類主站。另外一種情況、在多主網(wǎng)絡中，一個從站只有一個1類主站，1類主站可以對從站
執(zhí)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)操作，其他主站只能可選擇地接收從站發(fā)給1類主站的數(shù)據(jù)，這樣的主站也是這個從站的2類主站、它不直接控制該從站。各種站的基本功能如圖8所示。

圖8     PROFIBUS-DP基本功能

目前在國內(nèi)工控領域PROFIBUS總線技術應用較多，如果您對這方面知識有興趣，小編建議您再閱讀《昌暉儀表談Profibus總線的特點和應用》，對PROFIBUS做更深了解。