总线专题：第五讲 PROFIBUS

PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是德国于20世纪90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号为DIN19245。德国科学技术部总结了20世纪80年代德国工业界自动控制技术发展经验，认识到了适应20世纪90年代分布式计算机自动控制系统的发展需要，有必要对现有各公司自己定义的网络协议加以规范化，公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级能够兼容，以利于整体提高工业自动化系统的标准化水平，因此于1987年将该任务列为德国国家项目，由13家大公司（Siemens、ABB等）及5家研究所经过2年多的时间完成。1991～1995年PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA先后被批准实施。1996年3月PROFIBUS被CENELEC（欧洲电工标准化委员会）批准为欧洲标准，2001年1月4日，IEC61158被正式通过的现场总线国际标准中，类型3就是PROFIBUS。

1989年成立PROFIBUS User Organigzation(PNO)，即PROFIBUS用户组织，由制造商、用户和研究所组成。1995年又成立了国际的中央管理机构PROFIBUS International(PI),PNO是PI下的一个机构。负责研究和推广PROFIBUS。1997年7月中国PROFIBUS用户组织（CPO）在北京成立。2000年4月中国现场总线PROFIBUS技术资格中心（CPCC）成立。2001年8月中国PROFIBUS产品测试实验室（CPPTL）通过P1验收，正式开业，目前已认证PROFIBUS-DP的产品。

1.PROFIBUS通信模型

PROFIBUS采用ISO/OSI参数模型中的1，2和7层，如图1所示。

（1）PROFIBUS第1层为PHY，即物理层规定了线路介质、物理连接的类型与电气特性。PROFIBUS通过采用差分电压输出的RS485实现电流连接。在线性拓扑结构下采用双绞线电缆。

（2）PROFIBUS第2层，由MAC与FLC二个子层及FMA1/2组成，现简述如下：

1）MAC。MAC是介质存取控制子层的缩写，他描述了连接到传输介质的总线存取方法。由于PROFIBUS采用的是主/从（Master/slave）通信模式，所以PROFIBUS采用了一种混合访问方法。即在主站（Master Station）之间用令牌传递的方法；而为了使从站之间也能传递信息，采用了主站对所属从站进行循环查询的方法，图2描述了上述二种方法。

2）FLC。FLC是现场总线链路控制子层的缩写，他规定了对低层接口（LLI）有效的第2层服务，提供服务访问点（SAP）的管理与LLI相关的缓冲器。

3）FMA1/2。第2层的现场总线管理（FMA1/2）完成第2层（MAC）特定的总线参数的设定和第1层（PHY）的设定。FLC和LLI之间的SAP可以通过FMA1/2激活或撤销。此外，第1层和第2层可能出现的错误事件会被传递到更高层FMA7。

（3）PROFIBUS第3层至第6层设有具体应用，但这些层要求的任何重要功能都已经集成在LLI中，如包括连接监控和数据传输的监控。

（4）PROFIBUS第7层

1）LLI。LLI是低层接口的缩写，他将现场总线信息规范（FMS）的服务映射到第2层（FLC）的服务。除了上面已经提到的监控连接或数据传输，LLI还检查在建立连接期间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数，可以在LLI中选择不同的连接类型，主/主连接或主/从连接。数据交换既可是循环的还可是非循环的。

2）FMS。FMS是现场总线信息规范子层的缩写，他将用于通信管理的应用服务和用于用户的用户数据（变量、域、程序事件通告）分组。借助于此，才可能访问一个应用过程的通信对象。FMS主要用于协议数据单元（PDU）的编码和译码。

3）FMA7。与第2层类似，第7层还有现场总线管理（FMA7）。FMA7保证FMS和LLI子层的参数化以及总线参数向第2层（FMA1/2）的传递。在某些应用过程中，还可以通过FMA7把各子层的事件和错误显示给用户。

（5）PROFIBUS ALI

ALI。ALI是位于第7层之上的应用层接口的缩写，他构成了到应用过层的接口。ALI的目的是将过程对象转换为通信对象。转换的原因是每个过程对象都是由他在所谓的对象字典（OD）中的特性（数据类型、存取保护、物理地址）所描述的。[page]

2.PROFIBUS 的协议结构

早期的PROFIBUS根据应用的特点由3部分构成如图3所示，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA。其中现场总线信息规范FMS（Fieldbus Message Specification）解决车间级通用性通信任务，即完成各控制器、PLC、操作站和工程师站等之间的通信任务。而DP是分散的外围设备（Decentra-ligzd Perighery）的缩写是PROFIBUS的核心部分，功能强大，是专为工厂自动化（Factory Automation FA）而设计的，适用于PLC应用的场合，他高效、低廉，所以应用甚广。PA是过程自动化（Process Automation）的缩写，是专为过程自动化PA而设计的，适用于现场智能化仪表，包括防爆场合的应用在内，是DP的延伸部分，他靠耦合器（Coupler）或链接器（Link）与DP相连。

DP的中央控制器周期地读取从站（如I/O、驱动器、阀门等）的输入信息并周期地向从站发送输出信息（如控制阀门的控制信息等），总线循环时间必须要比中央控制的程序循环时间短，因为除了周期性用户数据（这是大量的）传输外，还要有与现场智能化设备进行的非周期性通信的时间，如进行组态，诊断和报警等信息的处理。

3.PROFIBUS的传输技术

现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑一些总的要求（传输可靠，传输距离和高速）又要考虑一些简便而又价廉的机电因素。当涉及过程自动化时，数据和电源的传送必须在同一根电缆上。由于单一的传输技术不可能满足所有的要求，因此PROFIBUS提供以下3种类型；DP和FMS的RS-485传输，PA的IEC61158-2传输和光纤（FO）传输。

1）DP和FMS的RS485传输

采用一根导线对的双绞屏蔽铜芯电缆，RS485传输技术的操作非常容易，双绞线电缆的安装不需要专门的知识。总线结构允许随时增加站、撤除站或者说系统的分步投运而不影响总线上的其他站。后继站的扩展不影响已在总线上运行的所有站。RS485的传输速率在9.6kbit/s和12Mbit/s之间选用。总线上的所有设备均应选用相同的传输速率。在一个总线段中最多可连接32个站（分站或从站），当使用中继器时，可扩展至126个站。

在每个总线段的开始和结束端各用一个有源（active）的总线终端器来终止。最大的电缆长度取决于传输速率，见表1。

A型电缆的参数为①阻抗为135～165Ώ；②电容小于30pF/m；③回路电阻为110Ω/km；④线规为0.64mm；⑤导线截面积大于0.34mm2 在连接器方向，最好采用9针D型（IP20）；而在保护等级为IP65/67时，则是好用M12，HAN-BRID或西门子的混合型连接器。

2）IEC 61158-2传输

PROFIBUS PA 应用IEC61158-2传输技术，PA可用于危险区域，如化工，石油等行业需防爆的场合。所有用在危险区域的部件都必须经过授权批准的中立机构按照FISCO(Fieldbus Instrinsically Safe Concept)模型和IEC61158-2的要求进行认证和核准。这些机构如PTB，BVS(德国)，UL，FM(美国)等。如果所有使用的部件按要求进行认证，并对供电装置、电缆长度和总线终端器的选择遵照以下的规则，那么PA网络的投运就不需要更多的系统试验了，因此是有IEC61158-2传输技术的送件和限制由FISCO模型来定义。FISCO模型已经在德国由PTB(联邦物理技术研究院)开发，并被国际所承认作为用于危险场合现场总线的基本模型。符合IEC61158-2和FISCO模型的传输技术基于以下的规则：

①每一段只有一个供电电源，作为供电装置。②当一个站在发送信息时，对总线不供电。③在稳定状态下，每个现场设备消耗恒定的基本电流。 ④现场设备的作用如同一个无源的（passive）电流吸收器。⑤在主总线的二端各有一个无源的终端器⑥允许线型、树型和星型拓补结构。

IEC61158-2传输技术的主要特性见表2

关于IEC611582-2