第一章：現場總線技術及PROFIBUS 　　1.1 現場總線技術的由來 　　1.1.1 CIMS體系結構及工業數據結構的層次劃分 　　根據工廠管理、生產過程及功能要求，CIMS體系結構可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現場級。在一個現代化工廠環境中，在大規模的工業生產過程控制中，工業數據結構同樣分為這三個層次，與簡化的網絡層次相對應。如圖1-1所示。 圖1-1：簡化的CIMS網絡體系結構 　1.1.2 現場級與車間級自動化監控及信息集成是工廠自動化及CIMS不可缺少的重要部分。 　　現場級與車間級自動化監控及信息集成系統主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網、在線設備狀態監測及現場設備運行、生產數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產及運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統數據庫提供數據。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執行之。因此，現場級與車間級監控及信息集成系統是實現工廠自動化及CIMS系統的基礎。 　　1.1.3 傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統 　　傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統（包括：基于PC、PLC、DCS產品的分布式控制系統），其主要特點之一是，現場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。如圖1-2所示： 圖1-2：傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統 　　1.1.4 系統主要缺點 （1）信息集成能力不強： 控制器與現場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監控現場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障紀錄等數據很難得到。底層數據不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統對底層數據的要求。 （2）系統不開放、可集成性差、專業性不強：除現場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，面向行業的監控系統很少。 （3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統的不可靠性。 （4）可維護性不高：由于現場級設備信息不全，現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。 　　1.1.5 現場設備的串行通信接口是現場總線技術的原形 　　由于大規模集成電路的發展，許多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備智能化，即內置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉換、數字濾波甚至回路調節等功能。因此，對于這些智能現場設備增加一個串行數據接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規定協議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現場設備的監控。如果設想全部或大部分現場設備都具有串行通信接口并具有統一的通信協議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現場設備連接，完成對所有現場設備的監控，這就是現場總線技術的初始想法。 　　1.2.4 現場總線技術的產生 　　基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統一的通信協議通信接口的現場設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現場總線的數字化通信，由數字化通信網絡構成現場級與車間級自動化監控及信息集成系統。 　　1.2 現場總線技術概念 　　1.2.1 現場總線技術 　　目前，公認的現場總線技術概念描述如下：現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。其中，“生產過程”包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。 或者，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。 　　1.2.2 現場總線技術產生的意義 （1）現場總線（Fieldbus）技術是實現現場級控制設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術；是一次工業現場級設備通信的數字化革命。現場總線技術可使用一條通信電纜將現場設備（智能化、帶有通信接口）連接，用數字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現場設備控制、監測、遠程參數化等功能。 （2）傳統的現場級自動化監控系統采用一對一連線的、4-20mA/24VDC信號，信息量有限，難以實現設備之間及系統與外界之間的信息交換，使自控系統成為工廠中的“信息孤島”，嚴重制約了企業信息集成及企業綜合自動化的實現。 （3）基于現場總線的自動化監控系統采用計算機數字化通信技術，使自控系統與設備加入工廠信息網絡， 構成企業信息網絡底層，使企業信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現場。在CIMS系統中，現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備的延伸，是支撐現場級與車間級信息集成的技術基礎。 　　1.2.3 基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統 　　基于現場總線技術的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統如圖1-3所示： 圖3：基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統 　　1.2.4 基于現場總線的自動化監控及信息集成系統主要優點 （1）增強了現場級信息集成能力 現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。 （2）開放式、互操作性、互換性、可集成性 不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，市場上將有許多面向行業特點的監控系統。 （3）系統可靠性高、可維護性好 基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。 （4）降低了系統及工程成本 對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。 　　1.3 現場總線標準 　　現場總線技術得以實現的一個關鍵問題，是要在自動化行業中形成一個制造商們共同遵守的現場總線通信協議技術標準，制造商們能按照標準生產品，系統集成商門能按照標準將不同產品組成系統。這就提出了現場總線標準的問題。國際上著名自動化產品及現場設備生產廠家，意識到現場總線技術是未來發展方向，紛紛結成企業聯盟，推出自己的總線標準及產品，在市場上培養用戶、擴大影響，并積極支持國際標準組織制定現場總線國際標準。能否使自己總線技術標準在未來國際標準中占有較大比例成份，關系到該公司相關產品前途、用戶的信任及企業的名譽。而歷史經驗證明：國際標準都是采用一個或幾個市場上最成功的技術為基礎。因此，各大國際公司在制定現場總線國際標準中的竟爭，體現了各公司在技術領先地位上的競爭，而其最終還是要歸結到市場實力的競爭。 據說目前國際上現有各種總線及總線標準不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場份額的總線有如下幾種： 　　1.3.1 PROFIBUS現場總線 　　1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占歐洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標準的產品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產廠家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現場運行。1985年組建了PROFIBUS國際支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地相繼組建了20個地區性的用戶組織，企業會員近650家。1997年7月組建了中國現場總線（PROFIBUS）專業委員會，并籌建現場總線PROFIBUS產品演示及認證的實驗室。 PROFIBUS主要應用領域有： 。制造業自動化：汽車制造（機器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。 。過程控制自動化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。 。電力：發電、輸配電。 。樓宇：空調、風機、照明。 。鐵路交通：信號系統 　　1.3.2 FF現場總線 　　1994年由ISP 基金會和World FIP（北美）兩大集團合并成立FF基金會，其宗旨在于開發出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協議已于1996年發表。已完成開發的高速總線（H2）擬于1998年內表。1997年5月建立了中國現場總線（FF）專業委員會，并籌建FF現場總線產品認證中心。目前，FF現場總線的應用領域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統、廢水處理、油田等行業。 　　1.3.3 LONWORKS總線 　　LONWORKS現場總線全稱為LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網絡技術，希望推出能夠適合各種現場總線應用場合的測控網絡。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括工業控制、樓宇自動化、數據采集、SCADA系統等。國內主要應用于樓宇自動化方面。 　　1.3.4 CANBUS現場總線 　　CANBUS現場總線已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統、分散型I/O。另外在電梯、醫療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。 　　1.3.5 WorldFIP現場總線 　　90～91年FIP現場總線成為法國國家安全標準。96年成為歐洲標準（EN 50170 V.3）。下一步目標是靠近IEC標準，現在技術上已做好充分準備。WorldFIP國際組織在北京設有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負責中國的技術支持。WorldFIP現場總線采用單一總線結構來適應不同應用領域的需求，不同應用領域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25Kbit/s,制造業為1M bit/s,驅動控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優先級來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信。可進行1對1、1對多點（組）、1對全體等多重通信方式。在應用系統中，可采用雙總線結構，其中一條總線為備用線，增加了系統運行的安全性。 WorldFIP現場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。 　　1.3.6 P-NET現場總線 　　P-NET現場總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現場總線的第一批產品。1986年通信協議中加入了多重網絡結構和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產品。1987年P-NET標準成為開放式的完整標準，成為丹麥的國家標準。1996年成為歐洲總線標準的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現有企業會員近百家，總部設在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設有地區性組織分部。P-NET現場總線在歐洲及北美地區得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環保工程和制造業等應用領域。 　　1.4 如何面對眾多的現場總線標準 　　面對國際上各種流派的現場總線及標準，為深入研究國外先進的現場總線技術，推動我國現場總線技術和產品的研究開發，形成符合我國國情的和現實的標準體系，保護我國生產企業和用戶的投資效益，我國儀表標準化行業的主管單位-儀器儀表綜合技術經濟研究所遵循標準化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中國科技會堂舉辦了“現場總線的標準化與中國自動化技術發展”研討會。會議邀請了PROFIBUS、FF、WorldFIP、P-NET國際組織專家代表，介紹了國際流行現場總線技術及標準化情況。研討會上中外專家就現場總線國際標準化的發展展開了熱列討論，并提出以下見解與意見： （1） 期望IEC能盡早按預期目標完成統一標準的制定。 （2） 按目前進度估計，近年內IEC很難完成預期目標。 （3） 目前IEC提出的建議方案只限于過程自動化，難于滿足其它應用領域要求，不可能成為唯一標準，很可能形成多種標準體系共存。 （4） 在統一標準框架下做多種通信協議接口，可能是統一標準的一種適宜的解決方案。 對我國發展現場總線技術政策，專家和代表們認為，結合我國國情，一方面應積極跟蹤IEC國際標準化的發展，開展我國的技術研究和產品開發。另一方面在統一的IEC標準未形成之前，積極開展對其它先進的現場總線技術研究，特別是對已有成熟應用經驗、應用領域覆蓋面大的現場總線技術的跟蹤研究。 　　1.5 對面臨選擇的用戶談個人看法并提出建議 　　從用戶角度出發，如何面對眾多現場總線標準作出選擇，筆者在此發表個人看法，并提出一點建議以供用戶參考。 （1）標準？ 從標準發展的歷史看，誰的技術將成為國際標準，或在國際標準中占有較大成份，主要取決于它在實際應用中取得多大的成果，取決于該項技術及產品在國際市場上的占有份額。也就是說，誰能占有市場誰將得天下。另一方面，國際標準化組織根據科學技術飛速發展現狀及廠商用戶對標準制定的要求，對標準的制定及批準手續作出相應的改變，即簡化了標準的制定程序和手續，并承認存在所謂事實上的標準，即那些在市場中已占有較大份額、具有很大的用戶成功應用經驗的技術標準，如我們熟知的TCP/IP通信協議標準。 （2）選擇總線？ 在目前國際上現場總線群雄并起局面下，用戶應從實際應用工程特點出發去選擇。因為沒有一種可包羅萬象、適合所有應用領域的現場總線技術。應著重考察這種總線在本行業中的應用業績。如制造業自動化、電力自動化及過程控制自動化三個領域，在數據實時響應要求方面就大不一樣。 （3）選擇產品？ 用戶應盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產品應用基礎好的公司產品，因為這些公司的現場總線技術被國際標準采納的可能性大。即使沒有被國際標準采納，大公司為考慮信譽，會提出原有技術與國際標準的接口，而不會置公司信譽于不顧，丟掉老客戶不管。 （4）積極跟蹤、勇于進取！如果因為國際IEC還沒有統一現場總線標準，就不敢使用這項先進技術是大可不必的。這將會使企業喪失一次盡早提高企業自動化水平的機會，或喪失一次提高本企業產品水平的機會，從而導致企業在未來同行競爭中處于劣勢。國際IEC要統一現場總線標準不是一朝一夕的事，坐等時機流逝為下策，只有積極跟蹤、勇敢進取方為企業發展上策。 第二章：現場總線PROFIBUS技術要點 　　本章從PROFIBUS協議標準角度，概要說明了PROFIBUS技術要點。使讀者可快速了解PROFIBUS技術概貌。 2.1 PROFIBUS概貌 （1） PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。 （2） PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。 （3） PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。 （4） PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。 （5） PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。 （7） PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。 　　2.2 PRFIBUS基本特性 　　2.2.1 PROFIBUS協議結構 　　PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際準，以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection—SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖2-1所示： 圖2-1：PROFIBUS協議結構 （1） PROFIBUS-DP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。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。 （2） PROFIBUS-FMS：定義了第一、二、七層，應用層包括現場總線信息規范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低層接口（Lower Layer Interface—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二層訪問接口。 （3） PROFIBUS-PA：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IEC1158-2標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，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。 　　2.2.2 PROFIBUS傳輸技術 　　PROFIBUS提供了三種數據傳輸類型： · 用于DP和FMS的RS485傳輸。 · 用于PA的IEC1158-2傳輸。 · 光纖 　　2.2.2.1用于DP/FMS的RS485傳輸技術 　　由于DP與FMS系統使用了同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，因而，這兩套系統可在同一根電纜上同時操作。 RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。 RS-485傳輸技術基本特征： · 網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。 · 傳輸速率：9.6K bit/s～12M bit/s · 介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件（EMC）。 · 站點數：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。 · 插頭連接：最好使用9針D型插頭。 　　2.2.2.2 RS-485傳輸設備安裝要點 （1） 全部設備均與總線連接。 （2） 每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。 （3） 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永遠有電源。見圖2-2所示。 （4） 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3個。見圖2-3所 （5） 電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下表2-1： 表2-1 （6） A型電纜參數： 阻抗：135-165W 電容：〈 30pf/m 回路電阻：110W 線規：0.64mm 導線面積：>0.34mmW （7） RS-485的傳輸技術的PROFIBUS網絡最好使用9針D型插頭，插頭針腳定義和接線見圖2-2所示。 （8） 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（如汽車制造業）下運行應使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。 （9） 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。另外建議數據線必須與高壓線隔離。 （10） 超過500Kbit/s的數據傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現有的插頭可使數據輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數據通信。 　　2.2.2.3 用于PA的IEC1158-2傳輸技術 （1） 數據IEC1158-2的傳輸技術用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現場設備供電。 （2） IEC1158-2是一種位同步協議，通常稱為H1。 （3） IEC1158-2技術用于PROFIBUS-PA，其傳輸以下列原理為依據： · 每段只有一個電源作為供電裝置。 · 當站收發信息時，不向總線供電。 · 每站現場設備所消耗的為常量穩態基本電流。 · 現場設備其作用如同無源的電流吸收裝置。 · 主總線兩端起無源終端線作用。 · 允許使用線性、樹型和星型網絡。 · 為提高可靠性，設計時可采用冗余的總線段。 · 為了調制的目的，假設每個總線站至少需用10mA基本電流才能使設備啟動。通信信號的發生是通過發送設備的調制，從±9 mA到基本電流之間。 （4） IEC1158-2傳輸技術特性: · 數據傳輸：數字式、位同步、曼徹斯特編碼。 · 傳輸速率：31.25K bit/s，電壓式。 · 數據可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符避免誤差。 · 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。 · 遠程電源供電：可選附件，通過數據線。 · 防爆型：能進行本征及非本征安全操作。 · 拓撲：線型或樹型，或兩者相結合。 · 站數：每段最多32個，總數最多為126個。 · 中繼器：最多可擴展至4臺。 　　2.2.2.4 IEC1158傳輸設備安裝要點 （1） 分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術總線段與RS-485傳輸技術總線段連接。藕合器使RS-485信號與IEC1158-2信號相適配。它們為現場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。 （2） PROFIBUS-PA的網絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合，見圖2-3 圖2-3 （3） 現場配電箱仍繼續用來連接現場設備并放置總線終端電阻器。采用樹型結構時連在現場總線分段的全部現場設備都并聯地接在現場配電箱上。 （4） 建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導體的其它電纜。 · 電纜設計： 雙絞線屏蔽電纜 · 導線面積（額定值）： 0.8mm2（AWG18） · 回路電阻（直流）： 44W/Km · 阻抗（31.25千赫時）： 100W±20% · 39千赫時衰減： 3dB/Km · 電容不平衡度： 2nF/Km （5） 主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內有串聯的RC元件，R=100W，C=1mF。當總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。 （6） 連接到一個段上的站數目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數量將進一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。 （7） 線路最長長度的確定，根據經驗先計算一下電流的需要，從表2-2中選用一種供電電源單元，再根據表2-3中線的長度選定哪種電纜。 表2-2標準供電裝置（操作值） （8） 外接電源：如果外接電源設備，根據EN50020標準帶有適當的隔離裝置，將總線供電設備與外接電源設備連在本征安全總線上是允許的。 　　2.2.2.5 光纖傳輸技術 （1） 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。 （2） 可使用兩種光纖導體，一是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導體，供距離大于1公里情況下使用。 （3） 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。 　　2.2.3 PROFIBUS總線存取協議 （1） 三種PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協議。該協議是通過OSI參考模型第二層（數據鏈路層）來實現的。它包括了保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。 （2） 在PROFIBUS中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層（Fieldbus Data Link—FDL）。介質存取控制（Medium Access Control—MAC）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。 （3） PROFIBUS協議的設計要滿足介質存取控制的兩個基本要求： · 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。 · 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總線存取協議，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。 （4） 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）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。 （5） 主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統配置： · 純主—從系統 · 純主—主系統 · 混合系統 （6） 圖2-4是一個由3個主站、7個從站構成的PROFIBUS系統。3個主站之間構成令牌邏輯環。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執行主站工作。在這段時間內，它可依照主—從通訊關系表與所有從站通信，也可依照主—主通訊關系表與所有主站通信。 圖2-4：3個主站、7個從站構成的PROFIBUS系統 （7） 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。 （8） 第二層的另一重要工作任務是保證數據的可靠性。PROFIBUS第二層的數據結構格式可保證數據的高度完整性。 （9） PROFIBUS第二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，其中包括廣播及有選擇廣播功能。 　　2.3 PROFIBUS-DP 　　PROFIBUS-DP用于現場層的高速數據傳送。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。總線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還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。 　　2.3.1 PROFIBUS-DP的基本功能 （1） 傳輸技術：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。 （2） 總線存取：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。 （3） 通信：點對點（用戶數據傳送）或廣播（控制指令）。循環主—從用戶數據傳送和非循環主—主數據傳送。 （4） 運行模式：運行、清除、停止。 （5） 同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。 （6） 功能：DP主站和DP從站間的循環用戶數據傳送。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。輸入或輸出的同步。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。 （7） 可靠性和保護機制：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。 （8） 設備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進行編程、組態、診斷的設備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅動器、閥門等。 　　2.3.1.1 PROFIBUS-DP基本特征 （1） 速率：在一個有著32個站點的分布系統中，PROFIBUS-DP對所有站點傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時只需1毫秒。 （2） 診斷功能：經過擴展的PROFIBUS-DP診斷能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。診斷信息分三級： · 本站診斷操作：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：一個站點的某具體I/O模塊故障。 · 通道診斷操作：一個單獨輸入/輸出位的故障。 　　2.3.1.2 PROFIBUS-DP系統配置和設備類型 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。每個PROFIBUS-DP系統可包括以下三種不同類型設備： （1） 一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。 （2） 二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、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。 （3） DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（I/O設備、驅動器、HMI、閥門等）。 （4） 單主站系統：在總線系統的運行階段，只有一個活動主站。如圖2-5所示： 圖2-5：單主站系統 （2） 多主站系統：總線上連有多個主站。這些主站與各自從站構成相互獨立的子系統。每個子系統包括一個DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數據。如圖2-6所示： 2.3.1.3 系統行為 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。主要有以下三種狀態： · 停止：在這種狀態下，DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。 · 清除：在這種狀態下，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。 · 運行：在這種狀態下，DPM1處于數據傳輸階段，循環數據通信時，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息。 （1） 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。如圖2-6所示。 （2） 如果在DPM1的數據傳輸階段中發生錯誤，DPM1將所有有關的DP從站的輸出數據立即轉入清除狀態，而DP從站將不在發送用戶數據。在次之后，DPM1轉入清除狀態。 　　2.3.1.4 DPM1和DP從站間的循環數據傳輸 　　DPM1和相關DP從站之間的用戶數據傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動進行。在對總線系統進行組態時，用戶對DP從站與DPM1的關系作出規定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環周期，哪些被排斥在外。 DPM1和DP從站間的數據傳送分三個階段：參數設定、組態、數據交換。在參數設定階段，每個從站將自己的實際組態數據與從DPM1接受到的組態數據進行比較。只有當實際數據與所需的組態數據相匹配時，DP從站才進入用戶數據傳輸階段。因此，設備類型、數據格式、長度以及輸入輸出數量必須與實際組態一致。 　　2.3.1.5 DPM1和系統組態設備間的循環數據傳輸 除主—從功能外，PROFIBUS-DP允許主—主之間的數據通信，這些功能使組態和診斷設備通過總線對系統進行組態。 　　2.3.1.6 同步和鎖定模式 　　除DPM1設備自動執行的用戶數據循環傳輸外，DP主站設備也可向單獨的DP從站、一組從站或全體從站同時發送控制命令。這些命令通過有選擇的廣播命令發送的。使用這一功能將打開DP從站的同步及鎖定模式，用于DP從站的事件控制同步。 主站發送同步命令后，所選的從站進入同步模式。在這種模式中，所編址的從站輸出數據鎖定在當前狀態下。在這之后的用戶數據傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數據，但它的輸出狀態保持不變；當接收到下一同步命令時，所存儲的輸出數據才發送到外圍設備上。用戶可通過非同步命令退出同步模式。 鎖定控制命令使得編址的從站進入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數據鎖定在當前狀態下，直到主站發送下一個鎖定命令時才可以更新。用戶可以通過非鎖定命令退出鎖定模式。 　　2.3.1.7 保護機制 　　對DP主站DPM1使用數據控制定時器對從站的數據傳輸進行監視。每個從站都采用獨立的控制定時器。在規定的監視間隔時間中，如數據傳輸發生差錯，定時器就會超時。一旦發生超時，用戶就會得到這個信息。如果錯誤自動反應功能“使能”，DPM1將脫離操作狀態，并將所有關聯從站的輸出置于故障安全狀態，并進入清除狀態。 對DP從站使用看門狗控制器檢測主站和傳輸線路故障。如果在一定的時間間隔內發現沒有主機的數據通信，從站自動將輸出進入故障安全狀態。 　　2.3.2 擴展DP功能 DP擴展功能是對DP基本功能的補充，與DP基本功能兼容。 　　2.3.2.1 DPM1與DP從站間的擴展數據通信 （1） DPM1與DP從站間非循環的數據傳輸。 （2） 帶DDLM讀和DDLM寫的非循環讀/寫功能，可讀寫從站任何希望數據。 （3） 報警響應，DP基本功能允許DP從站用診斷信息向主站自發地傳輸事件，而新增的DDLM-ALAM-ACK功能被用來直接響應從DP從站上接收的報警數據。 （3） DPM2與從站間的非循環的數據傳輸。 2.3.3 電子設備數據文件（GSD） 為了將不同廠家生產的PROFIBUS產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件（電子設備數據庫文件）方式提供這些產品的功能參數（如I/O點數、診斷信息、波特率、時間監視等）。標準的GSD數據將通信擴大到操作員控制級。使用根據GSD文件所作的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。如圖2-7所示。 [align=left] 圖2-7：基于GSD文件開放式組態 GSD文件可分為三個部分： （1） 總規范：包括了生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監視時間間隔、總線插頭指定信號。 （2） 與DP有關的規范：包括適用于主站的各項參數，如允許從站個數、上裝/下裝能力。 （3） 與DP從站有關的規范：包括了與從站有關的一切規范，如輸入/輸出通道數、類型、診斷數據等。 2.3.4 PROFIBUS—DP行規 PROFIBUS—DP協議明確規定了用戶數據怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數據的含義是在PROFIBUS行規中具體說明的。另外，行規還具體規定了PROFIBUS—DP如何用于應用領域。使用行規可使不同廠商所生產的不同設備互換使用，而工廠操作人員毋須關心兩者之間的差異，因為與應用有關的參數含義在行規中均作了精確的規定說明。下面是PROFIBUS-DP行規，括弧中數字是文件編號： · NC/RC行規（3.052） · 編碼器行規（3.062） · 變速傳動行規（3.071） · 操作員控制和過程監視行規（HMI） 　　2.4 PROFIBUS-PA 　　PROFIBUS—PA適用于PROFIBUS的過程自動化。PA將自動化系統和過程控制系統與壓力、溫度和液位變送器等現場設備連接起來，PA可用來替代4—20mA的模擬技術。PROFIBUS—PA具有如下特性： （1） 適合過程自動化應用的行規使不同廠家生產的現場設備具有互換性。 （2） 增加和去除總線站點，即使在本征安全地區也不會影響到其它站。 （3） 在過程自動化的PROFIBUS—PA段與制造業自動化的PROFIBUS—DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實現兩段間的透明通信。 （4） 使用與IEC1158—2技術相同的雙絞線完成遠程供電和數據傳送。 （5） 在潛在的爆炸危險區可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。 　　2.4.1 PROFIBUS—PA傳輸協議 　　PROFIBUS—PA采用PROFIBUS—DP的基本功能來傳送測量值和狀態。并用擴展的PROFIBUS—DP功能來制訂現場設備的參數和進行設備操作。PROFIBUS—PA第一層采用IEC1158—2技術，第二層和第一層之間的接口在DIN19245系列標準的第四部分作出了規定。 　　2.4.2 PROFIBUS—PA設備行規 　　PROFIBUS—PA行規保證了不同廠商所生產的現場設備的互換性和互操作性，它是PROFIBUS—PA的一個組成部分。PA行規的任務是選用各種類型現場設備真正需要通信的功能，并提供這些設備功能和設備行為的一切必要規格。 目前，PA行規已對所有通用的測量變送器和其它選擇的一些設備類型作了具體規定，這些設備如： · 測壓力、液位、溫度和流量的變送器 · 數字量輸入和輸出 · 模擬量輸入和輸出 · 閥門 · 定位器 　　2.5 PROFIBUS-FMS 　　PROFIBUS—FMS的設計旨在解決車間監控級通信。在這一層，可編程序控制器（如PLC、PC機等）之間需要比現場層更大量的數據傳送，但通信的實時性要求低于現場層。 　　2.5.1 PROFIBUS-FMS應用層 應用層提供了供用戶使用的通信服務。這些服務包括訪問變量、程序傳遞、事件控制等。PROFIBUS—FMS應用層包括下列兩部分： · 現場總線信息規范（Fieldbus Message Specification-FMS）：描述了通信對象和應用服務。 · 低層接口（Lower Layer Interface-LLI）：FMS服務到第二層的接口。 2.5.2 PROFIBUS-FMS通信模型 PROFIBUS—FMS利用通信關系將分散的應用過程統一到一個共用的過程中。在應用過程中，可用來通信的那部分現場設備稱虛擬設備VFD（Virtual field Device）。在實際現場設備與VFD之間設立一個通信關系表。通信關系表是VFD 通信變量的集合，如零件數、故障率、停機時間等。VFD通過通信關系表完成對實際現場設備的通信。 　　2.5.3 通信對象與通信字典（OD） （1） FMS面向對象通信，它確認5種靜態通信對象：簡單變量、數組、記錄、域和事件，還確認2種動態通信對象：程序調用和變量表。 （2） 每個FMS設備的所有通信對象都填入對象字典（OD）。對簡單設備，OD可以予定義，對復雜設備，OD可以本地或遠程通過組態加到設備中去。靜態通信對象進入靜態對象字典，動態通信對象進入動態通信字典。每個對象均有一個唯一的索引，為避免非授權存取，每個通信對象可選用存取保護。 　　2.5.4 PROFIBUS-FMS服務 　　FMS服務項目是ISO 9506制造信息規范MMS（Manufacturing Message Specification）服務項目的子集。這些服務項目在現場總線應用中已被優化，而且還加上了通信對象的管理和網絡管理。 PROFIBUS—FMS提供大量的管理和服務，滿足了不同設備對通信提出的廣泛需求，服務項目的選用取決于特定的應用，具體的應用領域在FMS行規中規定。 　　2.5.5 低層接口（LLI） 　　第七層到第二層服務的映射由LLI來解決，其主要任務包括數據流控制和聯接監視。用戶通過稱之為通信關系的邏輯通道與其他應用過程進行通信。FMS設備的全部通信關系都列入通信關系表CRL（Communication Relationship List）。每個通信關系通過通信索引（CREF）來查找，CRL中包含了CREF和第二層及LLI地址間的關系。 　　2.5.6 網絡管理 　　FMS還提供網絡管理功能，有由現場總線管理層第七層來實現。其主要功能有：上、下關系管理、配置管理、故障管理等。 　　2.5.7 PROFIBUS-FMS行規 　　FMS提供了范圍廣泛的功能來保證它的普遍應用。在不同的應用領域中，具體需要的功能范圍必須與具體應用要求相適應。設備的功能必須結合應用來定義。這些適應性定義稱之為行規。行規提供了設備的可互換性，保證不同廠商生產的設備具有相同的通信功能。FMS對行規做了如下規定（括號中的數字是文件編號）： · 控制間的通信（3.002） · 摟宇自動化（3.011） · 低壓開關設備（3.032） 　　2.6 PROFIBUS特點綜述 　　與其它現場總線系統相比，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。目前已應用的領域包括加工制造、過程控制和樓宇自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10多萬成功應用中得以實現。市場調查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業現場總線系統的市場份額超過40%。 PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優勢并能提供廣泛的優質新產品和技術服務。[/align]