PROFIBUS过程现场总线有哪些特点及其类型？

1.0 介绍

PROFIBUS(过程现场总线)是1989年开发的开放现场总线标准，满足过程自动化和工厂制造自动化的需要。它最初由西门子开发，特别适用于快速、实时性强的应用，也涉及复杂的通信。它是一个开放的、独立于供应商(从而提供互操作性)的现场总线标准，遵循开放系统互连(OSI)/国际标准组织(ISO)的通信模型。它支持单电缆布线，具有多输入传感器块、智能设备、操作接口和AS-i等较小的子网络。它是基于德国国家标准DIN 19 245部分1和2，并已通过欧洲国家标准EN 50170卷2。

PROFIBUS支持两种类型的设备:主设备和从设备。前者称为主动站，后者称为被动站。当主设备拥有总线访问权时，它就拥有控制总线的权利。这样它就可以在不需要任何远程请求的情况下传输消息。从设备的例子有变送器、传感器和执行器等。从设备确认接收到的任何消息，并且在收到来自主设备的请求时，可以向该主设备发送消息。

2.0 PROFIBUS 家族

PROFIBUS标准家族包括:PROFIBUS DP(主/从),PROFIBUS FMS(多主/点对点),PROFIBUS PA(防爆)。DP、FMS和PA分别代表，分布式外设(Decentralized Pheriphery)，现场总线消息规范(Fieldbus Message Specification),以及流程自动化(Process Automation)。

PROFIBUS DP处理快速通信过程，如驱动、远程输入/输出(I/O),通常用于工厂自动化。在这种模式下，使用多主站时，一个从站只能分配给一个主站。在这中情况下，多个主机可以从特定设备读取输入，但只有一个主机可以向该设备写入输出。

现场设备通常通过PROFIBUS-PA连接。它与PROFIBUS-DP的不同,主要是，设备可以在总线电缆上供电,它支持有爆炸危险区域的设备,物理层的数据传输实现可参考IEC 61158-2。它允许较高的自由度选择总线拓扑和更长的总线段。

PROFIBUS FMS是一种点对点消息传递格式。这使得主站之间能够进行通信。多达126个节点可用，比如在PROFIBUS DP中可以都是主站。FMS消息比PROFIBUS DP消息需要更多的开销。

除了上述三种类型外，有时还使用一种combi模式，即在同一网络中同时使用FMS和DP。当PLC与PC一起使用时，这是使用的，在这种情况下，主主机通过FMS与副主机通信。

3.0 传送技术

PROFIBUS采用了RS485, RS485-IS, MBP和光纤等多种传输技术。最常用的是RS485，它使用屏蔽双绞线，传输速率高达12mbps。所使用的总线结构允许添加和删除一个站点而不影响其他站点。在一个特定的段中，包括主设备和从设备，最多可以有32个设备。段的任意一边都由活动总线终端连接器终止。当使用超过32个设备或有需要时使用中继器扩展网络。

RS485-IS用于潜在爆炸区域(ex-i型)四线的媒介。

MBP(Manchester coding with bus powered)代表总线供电曼彻斯特编码。它是一种同步传输方案，传输速率为31.25 kbps。它主要用于过程自动化系统，特别是化学和石油化工行业。

具有高电磁干扰和设备间距相当大的行业采用光纤传输方案。

4.0 通信协议

PROFIBUS的三个版本，即FMS、DP和PA，都使用标准的总线访问协议。该协议由OSI的第二层实现，在PROFIBUS的情况下，称为现场总线数据链路(FDL)。 除了处理传输协议外，FDL还处理数据安全和错误检测。

该协议是这样设计的，通过提供高速、高确定性的现场操作，通过为PA使用两个电线连接降低成本，并在FMS控制层扩展能力，三种变体无缝结合在一起工作。

在这三种协议中，FMS是第一种通信协议，设计用于单元层的操作，通常PLC和PC在单元层进行通信。

DP有三个变体，即DPV0到DPV2。原始的DPV0提供了基本的功能，包括循环I/O通信和诊断报告。DPV1提供循环和非循环通信和报警服务、诊断、参数化和现场设备控制，而DPV2支持驱动控制领域特别需要的一些服务。这些功能包括从设备之间的发布/订阅通信、同步从站模式、时间同步和时间戳。PROFIBUS DP可以解决时间敏感性的通信任务。最后一个是PROFIBUS PA，它是专门针对过程自动化通信的要求而设计的。

第二层(数据链路层(DLL)或FDL)对应于总线访问协议，它管理主-从和多主站系统的令牌传递方法之间的通信过程。FDL还处理数据安全和数据帧。

第7层或应用层作为应用程序和现有的不同配置文件(fms、DP或PA)之间的接口。

5.0 设备分类

PROFIBUS设备可以分为三种设备类型，1类PROFIBUS DP 主站 (DPM1)， 2类 PROFIBUS DP 主站 (DPM2)和PROFIBUS 从站。

1类主站通常用于与相关的从站进行循环数据交换。他们通常是PLC或个人电脑,在精确的时间共享基础上与从站进行数据交换。1类主站具有以下特点:在主站之间传递令牌,可以将数据写入分配给它的从站,并可以从网络上的其他从站读取数据,设置数据速率和连接的从站自动检测相同的数据。

2类主站被用作设备和系统调试的工具。在DPV1和DPV2中，这个主站类型用于不周期性地设置/更改设备参数值。DPM2不需要保持与系统的永久连接，只用于初始设备配置。通常，PROFIBUS主设备同时支持DPM1和DPM2的功能。第2类主站具有以下特征:充当监视主机，用于诊断目的和从机调试，在任何给定时间点控制从站，只能读从站但没有写访问权。

PROFIBUS从设备通过发送设备数据来响应主设备轮询。从设备是现场设备，如传感器、阀门、远程I/O等。从设备可以有两种类型:紧凑型设备和模块化设备。

紧凑型设备具有固定的I/O配置，不像模块化设备，它可能会有所变化。模块化设备包含一个站点，现场总线接口通过专门为其设计的单独插槽连接到该站点。多变量装置可以被认为是模块化装置。

6.0 PROFIBUS在自动化中

下图，显示了PROFIBUS技术是如何在自动化层次结构的不同层上应用的。PROFIBUS的三个不同版本DP、PA和FMS都使用相同的传输介质RS-485。 该图显示了一个典型的网络，在同一网络中同时具有过程自动化和工厂自动化任务。

7.0 PROFIBUS协议栈的OSI模型

PROFIBUS系统的所有三个版本(DP、PA和FMS)都遵循统一的总线访问机制。该协议由OSI模型的第二层实现。PROFIBUS中的这一层称为FDL。PROFIBUS协议栈,如下图所示。

PROFIBUS协议确保所有三个变体无缝工作，并提供高速、确定的操作和通信在现场层(1和2层)、DP(7层)和用户/单元层(FMS)。

8.0 PROFIBUS DP 的特点

PROFIBUS用于，化学、纸张、食品、汽车行业等自动化系统的设备层上的快速通信。它遵从50254 和 IEC 61158标准。

PROFIBUS DP是PROFIBUS系统的高速解决方案。它主要用于时间敏感的解决方案。最初它是为自动化系统和分散设备之间的通信而开发的。

上图，显示了DP单主站系统的总线周期时间，假设每个从系统有两个字节的输入和输出数据。从图中可以看出，在比特率为12兆位/秒的情况下，传输分布在32个站的512位输入和512位输出数据大约需要1毫秒的时间。总线的周期将取决于总线站点的数量和传输速率。

8.1 DPV0版本

DPV0提供了DP的基本功能。其中包括主、从站之间的循环数据交换、模块诊断、特定信道诊断、站诊断等。

主站以循环方式从从站读取输入信息，并将输出信息循环写入相应的从站。

8.1.1 诊断功能

诊断功能用于快速定位故障。诊断消息通过总线发送。这些功能可以有三种类型:特定于设备的诊断、与模块相关的诊断和与通道相关的诊断。

任何特定于设备的参数，如过电压、电压不足或过热，都由特定于设备的诊断服务处理。模块相关诊断与站的特定I/O子域中的任何未决诊断有关。任何与单个输入/输出位相关的故障(通道)表现为通道相关诊断。

8.1.2 同步和冻结模式

DPM1自动处理循环数据传输。除此之外，它还可以同时向一个从站或一组从站发送控制命令。这些命令称为多播命令。一个主站可以向一个从站或一组从站发送同步命令。然后，被寻址的从站的输出被冻结在当前状态。在后续的数据传输过程中，输出数据存储在从机中，输出状态保持不变。在从站接收到下一个同步命令之前，存储的输出数据不会被发送到输出。可以通过发出不同步命令来终止同步命令。

当主站向从站发出冻结命令时，对应的从站进入冻结模式。然后从输入的状态被冻结在它们的当前值。这将一直保持下去，直到从站接收到另一个冻结命令，这时输入数据被更新。

8.1.3 系统配置

PROFIBUS系统支持单主站和多主站系统。总线上最多可以连接126个设备，包括主设备和从设备。系统配置包括:站数、总线参数、诊断消息格式、为I/O分配站地址。

8.1.4 时间监控

时间监视器是一种非常高效和有效的保护机制，以防止不正确的参数化或传输相关功能的故障。时间监控机制同时安装在主站和从站上。在配置后，指定时间监视器的时间间隔。

在主站，DPM1使用data_control_timer函数监视与从站的数据通信。每个从站都有自己的时间监视器。如果在指定的时间间隔内没有发生正确的用户数据传输，计时器将被触发，并相应地通知用户

从站使用各自的看门狗定时器来检测主站的错误或传输错误。如果在预设的看门狗控制间隔内没有与主站的数据通信，从站的输出将进入故障安全模式。

在多主站系统中，必须保证只有授权的主站才能访问对应的从站。

8.1.5 令牌传递特性

下面讨论与令牌传递机制相关的特征:

• 令牌传递技术涉及多个主站。
• 令牌按升序从一个主站传递到另一个主站。
• 每个主站负责增加或删除其地址范围内的站点。
• 如果token丢失，系统不需要初始化。最低地址的主站在令牌计时器超时后创建一个新的令牌。
• 上电后，主站地址最低的站点开始初始化。如果在等待预定义的一段时间后没有看到总线活动，则声明令牌。它将自己的活动通知网络上的其他主站，并以递增的顺序向每个站发送请求字段数据链路状态。响应此请求的站将被传递令牌。

8.2 DPV1版本

DPV1是在过程自动化和控制领域对DPV0的改进。循环通信和非循环通信都在这个版本中实现。这允许使用工程工具在线访问站点。此外，参数分配、智能设备报警处理、现场设备校准等也由该版本完成。

8.2.1. 循环和非循环通信

循环通信和非循环通信都是PROFIBUS DPV2的特点。DPM1设备，如PLC，与从站循环交换信息预定义的时段。主站拥有令牌，并向从站1发送消息或从从站2获取消息，以此类推，直到到达列表中的最后一个从从站。如下图:

那么，主站可以利用程序周期的剩余可用时间与任何从站建立非循环通信，如下图：

循环通信大多以透明的方式进行。

主站有自己的内存，用于存储从站传入的数据。从主站发出的任何数据都首先写入主站的内存中，然后再发送给相关的从站。

8.3 DPV2版本

版本DPV2仍然是对DPV1的另一个改进。DPV2的其他功能包括等时模式、从站对从站直接通信，而不需要协调主站的任何帮助。这种发布者-订阅者模型有助于减少高达90%的总线响应时间。DPV2还可以作为驱动总线实现，以控制驱动轴上的快速移动序列。

8.3.1 从站之间通信

它是从站与从站之间的直接通信，而不需要经过主主站。它大大节省了时间，达到90%的程度。一个从站作为发布者，另一个从站作为订阅者。这是在没有主站的情况下发生的。因此，这个过程允许一个从站(订阅者)从另一个从站(发布者)读取数据。下图解释了上述过程。

8.3.2. 同步模式

这促进了主站和从站之间的时钟同步，而不考虑总线负载。它提供高度精确的定位系统，具有精确到一微秒的时钟。

8.3.3 时钟控制

所有连接到主站的从站都通过时钟控制进行同步。时钟控制有助于诊断和识别故障，以及事件的时间规划。

8.3.4 上传和下载

这是一个特殊的函数，它可以用很少的命令加载设备中任何大小的数据。它允许更新程序或更换设备，而不需要手动加载过程。

8.3.5 DP 上的 HART

HART设备的庞大安装基础导致许多用户集成PROFIBUS系统。HART设备的一个直接优势是，它们可以受益于PROFIBUS通信技术。

为了在DP上集成HART, PROFIBUS在主设备和从设备中都实现了第7层以上的规范概要。这确保了HART客户端-主站-服务器模型在PROFIBUS上的映射。下图，显示了这样一个集成，其中HART -客户端应用程序集成在PROFIBUS主站，而HART主站在PROFIBUS从站上。

8.4 通讯概况

PROFIBUS DP的通信概况如下图所示。

它展示了物理层，物理层使用不同的物理介质，如光纤、红外或其他无线通信系统。第二层，即数据链路层，在这里称为FDL。第3层到第7层在PROFIBUS中是空的DP配置。现场总线中需要的其他功能由两个上层实现，即直接数据链路映射器(DDLM)和用户接口。

8.5 物理层

大多数情况下，PROFIBUS DP的物理层由R-S485标准指定。其他一些配置包括使用光纤、红外或其他无线传输介质。对于RS-485，使用的物理介质是可以是屏蔽的双绞线，如果需要的话。最多可连接126个站点。

基于RS-485的PROFIBUS DP物理层具有以下特点:

• 拓扑为线性总线，两端终止。
• 传输是通过双绞线，可选屏蔽。 当传输速率大于500波特时，优先使用A型电缆;当短距离通信，波特率小于500波特时，使用B型电缆。
• 可以使用不同的物理媒体，如;光纤、红外、无线传输等。
• PROFIBUS DP, FMS和PA可以一起在公共总线线路上使用。

8.5.1 传输速度vs段长度

传输速度在9.6 kbps ~ 12mbps之间，段的最大长度与传输速度有关，如下表所示。

8.6 数据链路层

PROFIBUS DP中的数据链路层称为FDL。它执行以下任务:

• 总线访问控制或介质访问控制
• 数据安全
• 电报结构
• 数据传输服务的可用性
• SRD(发送和请求数据并返回)和
• SDN(无确认的串行数据)

主和从之间的数据通信通过逻辑令牌传递方法进行。每个站点都知道从哪个站点接收到令牌的地址，也知道要将令牌移交给哪个站点的地址。

SRD为确认数据传输方式，源站向所选目的站发送的数据最多为246字节。后者的响应最多为246个响应字节。使用SRD，主站要么发出命令，要么向相关的从站发送数据，然后接收一个在指定的时间内回复(来自从站的确认或数据)。对于SDN业务，没有来自目的地站的确认。SDN主要用于广播或组播消息。