PROFIBUS总线介绍及网络

    PROFIBUS是一种具有广泛应用的、开放的数字通信系统，适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务，特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。PROFIBUS是工业控制领域中的主流现场总线标准，被纳入国际标准IEC 61158和IEC 61784中。在“PROFIBUS用户组织”的普遍可提供的导则中规定了应用和工程方面的信息，这满足用户对于制造商无关性和开放性的要求，并确保在各个制造商的设备之间进行通信。PROFIBUS主要应用于工业通信、加工制造、过程控制、工厂自动化、交通电力等领域。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40％，截止2008年底，超过2 800万个设备节点被安装。在2006年，PROFIBUS成为中国第一个工业通信领域现场总线技术国家标准：GB/T 20540-2006。

    PROFIBUS-DP是一种经过优化的高速通信连接，是专为自动控制和设备级分散I/O之间的通信设计的，主要侧重于工厂自动化，用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率高达12 Mb/s。截止目前，DP的应用占到整个PROFIBUS应用的80%安装实例，代表了PROFIBUS的技术精华和特点。

    PROFIBUS由国际PI组织负责管理与维护，保障用户最大的利益。

1 PROFIBUS技术系统结构

    PROFIBUS技术系统结构如图1所示。

2 PROFIBUS-DP特点

    PROFIBUS-DP的主要特点：(1)传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆，波特率从9.6 kb/s～12 Mb/s。(2)总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送；支持单主或多主系统；总线上最多站点（主-从设备）数为126。(3)通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）；循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。(4)运行模式：运行、清除、停止。(5)同步：控制指令允许输入和输出同步；同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。(6)功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送；各DP从站的动态激活和可激活；DP从站组态的检查；强大的诊断功能，三级诊断信息；输入或输出的同步；通过总线给DP从站赋予地址；通过总线对DP主站（DPM1）进行配置；每DP从站的输入和输出数据最大为246 B。(7)可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行；DP从站带看门狗定时器；对DP从站的输入/输出进行存取保护；DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。(8)设备类型：第二类DP主站(DPM2)是可进行编程、组态、诊断的设备；第一类DP主站(DPM1)是中央可编程序控制器，如PLC、PC等；DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。

    DP-V1扩展主要内容：PC/PLC和从站设备之间的非循环数据交换；故障安全通信（PROFIsafe）；报警。

    DP-V2扩展主要内容：广播数据交换(生产者/消费者)；同步模式（等距离）；时钟同步或时间标签；冗余。

3 PROFIBUS网络组建

    PROFIBUS实际上是指一组协议与应用规约的集合，其核心是数据链路层上使用统一的通信协议——基于Token_passing的主从轮询协议，而在其下的物理层和其上的应用层则使用不同的应用规约。PROFIBUS典型的面向应用的特性如图2所示。

    尽管如此，在大多数的应用场合，使用了RS-485物理层，这主要是由于PROFIBUS-DP的应用占据了大部分PROFIBUS的应用。

    PROFIBUS-DP网络布线时选用带屏蔽双绞线，提高总线抗干扰能力。表1所示为DP通信波特率与总线长度的关系。PROFIBUS-DP网络分段，每段最大包括32个站，整个网络最大站个数是126。

    在一个PROFIBUS网络中包含有三种设备，它们分别是：一类主站、二类主站和从站。一个网络系统中，可以没有二类主站，但必须包含一类主站和从站。依据其主站个数，可分为单主站和多主站系统，其中单主站系统最为常见。

    图3是一个单主站网络，网络中有多个从站设备。分布式I/O、变频器、电机启动保护装置、智能高低压电器、电量测量装置、各种变送器、智能现场测量设备及仪表等都可以通过XGate-DPS系列模块作为一个从站设备连接到PROFIBUS总线上。

    图4所示为多主混合网络，网络中一类主站PLC负责与其所属的从站交换数据，二类主站负责监控或组态或诊断。当然，一个网络中可以有多个一类主站和二类主站。通过作为DP从站的网关，可以将其他网络设备(如CAN网络、MODBUS网络等)接入PROFIBUS-DP网络，如图中，通过广州致远电子的DPS-CAN网关将CAN总线（iCAN模块，Any-CAN模块等）接入DP总线网络；如果站ADDR=15是一台PA耦合器，则可以将PROFIBUS-PA网络接入DP网络。

    根据不同应用环境可选用不同的物理层和应用行规来组建PROFIBUS网络，在PROFIBUS网络的布置方面，采用标准的总线电缆和总线接线器，在总线终端正确接上接线器的终端电阻，是组建一个抗干扰能力强、稳定可靠的PROFIBUS网络的有效方法。

    广州致远电子有限公司致力于嵌入式系统、工业通信网络的技术研发与应用推广，自主研发了一系列PROFIBUS-DP网络产品，包括嵌入式模块、通信卡、调试工具、PC软件、OPC服务器等，并提供基于PROFIBUS总线的整套组网方案及应用集成。