PROFIBUS总线

1、第三章 PROFIBUS 现场总线3.1 PROFIBUS的协议类型3.2 PROFIBUS的通信模型3.3 PROFIBUS的总线设备类型和数据通信3.4 PROFIBUS的总线存取协议3.5 PROFIBUS的应用(系统集成) 3.6 PROFIBUS-DP系统开发3.7 PROFIBUS协议的发展PROFIBUS概述PROFIBUS (Process Fieldbus的缩写)是一种国际化的国际化的、开放的开放的、不依赖于设备不依赖于设备生产商生产商的现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化制造业自动化、流程工业自动化流程工业自动化和楼宇、楼宇、交通、电力交通、电力等其他自动化领域。PROF

2、IBUS技术的发展经历了如下过程:1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1989年成为德国工业标准DIN19245；1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2；1999年PROFIBUS成为国际标准国际标准IEC61158IEC61158的组成部分 (TYPEIII)；20012001年成为中国的机械行业标准年成为中国的机械行业标准JB/T10308-JB/T10308-3-20013-2001。PROFIBUSPROFIBUS由以下三个兼容部分组成由以下三个兼容部分组

3、成: :1.PROFIBUS-DP：用于传感器传感器和执行器执行器级的高速数据传输高速数据传输，它以DIN19245第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DPDP传输速率传输速率可达：12 Mbit/s。一般构成单主站系统单主站系统，主站、从站间采用循环主站、从站间采用循环数据传输方式数据传输方式工作。2. PA具有本质安全特性具有本质安全特性，实现了IEC1158-2规定的通信规程。 PROFIBUS-PA是是PROFIBUS的过程自动化解决方案的过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程自动化系统和过程控制系统控制系统与现场设备现场设备，如压力、温度和液位变送器等连接起

4、来，代替了代替了4-20mA模拟信号传输技模拟信号传输技术术。因此，PA尤其适用于石油、化工、冶金石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。3.PROFIBUS-FMS：解决车间一级通用性通信车间一级通用性通信任务任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等以中等传输速率进行的循环和非循环的通信传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系系统的功能而不是系统响应时间统的功能而不是系统响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换 (如改变设定参数等)。可用于

5、大范围和复杂的通信系统大范围和复杂的通信系统。PROFIBUS 协议的特点1) 不支持长信息段不支持长信息段 235 B2)不支持短信息组块功能不支持短信息组块功能3)本规范不提供由网络层支持运行的功能不提供由网络层支持运行的功能4)除规定的最小组态外，根据应用需求可以可以建立任意的服务子集建立任意的服务子集。5)其他功能是可选的，如口令保护方法等。6)网络拓扑是总线形网络拓扑是总线形，两端带终端器或不带终端器。7)介质、距离、站点数取决于信号特性。8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6 kbit/s l2 Mbit/s不等。9)可选第二种介质可选第二种介质 (冗余)。10)在传输时，

6、使用半双工，异步，滑差 (Slipe)保护同步 。11)报文数据的完整性，用海明距离 (HD)=412)地址定义范围为：0126(对广播相群播而言，126是全局地址)。13)使用两类站:主站主站 (主动站，具有总线存取具有总线存取控制权控制权)和从站从站 (被动站，没有总线存取控制没有总线存取控制权权)。14)总线存取总线存取基于混合、分散、集中混合、分散、集中3种方式。15)数据传输服务有两类: 非循环的非循环的：有/无应答要求的发送数据;有应答要求的发送和请求数据。循环的循环的 ( (轮询轮询) )：有应答要求的发送和请求数据。3.1 PROFIBUS的协议类型 PROFIBUS通信模型参

7、照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层物理层）和第2层（数据链路层数据链路层），其中FMSFMS还采用了第还采用了第7 7层层（应用层应用层）,另外增加了用户层用户层。PROFIBUSPROFIBUSDPDP和和PROFIBUSPROFIBUSFMSFMS的第的第1 1层和第层和第2 2层相同层相同， PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUSDP无第7层。PROFIBUSPA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。PROFIBUS通信模型通信模型 3.2 PROFIBUS的通信模型3.2.1 物理层3.2.2 现场总线数据链路层3.2.3 应用层3.2.1 物理层1.

8、DP/FMS(1.DP/FMS(RS-485RS-485) )的物理层的物理层2.DP/FMS(2.DP/FMS(光纤电缆光纤电缆) )的物理层的物理层3.3.PAPA的物理层的物理层3.2.1 3.2.1 物理层物理层1.DP/FMS(RS-485)1.DP/FMS(RS-485)的物理层的物理层屏蔽双绞电缆屏蔽双绞电缆符合EIA RS-485EIA RS-485标准标准(也也称称H2H2)总线段的两端各有一个终端器终端器传输速率从9.6kbit/s9.6kbit/s到到12Mbit/s12Mbit/s可选RS-485总线段的结构 RS485总线段的结构.BA 最多32个站 VP(6)390

9、220390DGND(5) VP(6)390220390DGND(5)RS485段（1 1）传输程序）传输程序半双工半双工、异步异步、无间隙同步无间隙同步NRZNRZ（不归零）编码（不归零）编码“1”RXD/TXD-PRXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）线上的正电位，而在RXD/TXD-NRXD/TXD-N线上则正相反。各报文的空闲各报文的空闲（idle）状态对应于二进制二进制“1 1”信号信号A A线线对应于RXD/TXD-NRXD/TXD-N信号，而B B线线对应于RXD/TXD-PRXD/TXD-P信号信号。（2 2）总线连接）总线连接国际性的PROFIB

10、US标准EN50170推荐使用9 9针针D D型连接器型连接器用于总线站与总线的相互连接（9针头）。D型连接器的插座与总线站插座与总线站相相连接，而D型连接器的插头与总线电缆插头与总线电缆相连接。(3)(3)总线终端器总线终端器根据EIA RS-485标准，在数据线A和B两端均加接总线终端器。空闲状态：确定的空闲电位。可以由跳接器或开关来启动。传输速率大于传输速率大于1.5Mbit/s1.5Mbit/s时，由于所连接站的电容性负载电容性负载而引起导线反射导线反射，因此必须使用附加有轴向电感的总线轴向电感的总线连接插头。（4 4）传输技术）传输技术网络拓扑网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终有

11、源的总线终端电阻端电阻；传输速率传输速率： 9.6 kbit/s9.6 kbit/s12 Mbit/s12 Mbit/s；介质介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）；站点数站点数：每段每段3232站站（无中继），126126站站（有中继）；插头连接插头连接：9 9针针D D型插头型插头（5）拓扑结构）拓扑结构2.DP/FMS(2.DP/FMS(光纤电缆光纤电缆) )的物理层的物理层PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体光纤导体中光的传输中光的传输来传送数据。站之间的距离最大到：站之间的距离最大到：15 km15 km。用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质。

12、玻璃光纤能处理的连接距离达到：15km15km，而塑料光纤只能达到：80m80m。连接技术连接技术(1)OLM(1)OLM技术技术 (Optical Link Module)(2)OLP(2)OLP技术技术 (Optical Link Plug)（3）集成的光纤电缆连接集成的光纤电缆连接使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节点与光纤电缆直接连接。（4）OBTOBT（Optical Fiber Bus Terminal，光纤总线终端光纤总线终端） 一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或一个RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电路。3.PA3.PA的物理层的物理层（1）数据传

13、输非直流传输的位同步非直流传输的位同步、曼彻斯特编码曼彻斯特编码 (也称H1H1编码编码)。数据的发送采用对总线系统的基本电流总线系统的基本电流IBIB调节调节9mA9mA的方法的方法实现 。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的数据传输的数据传输（2）总线连接）总线连接 （PA 总线段的结构）总线段的结构）（3）拓扑结构）拓扑结构树型结构树型结构是典型的现场安装技术，现场分配现场分配器器负责连接现场设备与主干总线连接现场设备与主干总线，所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器现场分配器进行并并行切换。行切换。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA图3-11 树型结构PROFIB

14、US-DP终端电阻终端电阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）多路分配器现场设备现场设备现场设备现场设备控制室现场总线型结构：总线型结构：提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可通过现场设备连接成回路，其分支线也可连接一个或多个现场设备。终端电阻图3-12 总线型结构终端电阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/ PA耦合器（Exi）控制器供电设备（Exi）控制室现场现场设备现场设备现场设备现场设备现场设备树型与线型的组合结构：树型与线型的组合结构：基于IEC61158-2IEC61158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通

15、过DP/PADP/PA耦合器或链接器耦合器或链接器相连，耦合器使RS485信号和IEC61158-2信号相适配。供电设备（Exi）图3-13 树型与线型的组合结构II PROFIBUS-PA/ IEC61158-2PROFIBUS-DP终端电阻终端电阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器现场设备现场设备控制室现场I I I多路分配器现场设备现场设备现场设备外接电源非本质安全区本质安全区（4 4） IECl158-2IECl158-2传输技术特性传输技术特性：数据传输:数字式数字式、位同步位同步、曼彻斯特曼彻斯特编码编码;传输速率:31.25kbit/s31.25kbit/s，电压式电压式;数据可

16、靠性:前同步信号，采用起始和前同步信号，采用起始和终止界定符避免误差终止界定符避免误差;电缆:双绞线，屏蔽式或非屏蔽式双绞线，屏蔽式或非屏蔽式;远程电源供电远程电源供电:可选附件，通过数据线;防爆型防爆型:能进行本征及非本征安全操作;拓扑拓扑:总线形或树形，或两者相组合;站数站数:每段最多32个，总数最多为126个;中继器中继器:最多可扩展至4台。3.2.2 现场总线数据链路层根据OSI参考模型，数据链路层：数据链路层：规定总总线存取控制线存取控制、数据安全性数据安全性以及传输协议传输协议和报文的处理报文的处理。在PROFIBUS中，数据链路层 (第2层)称为FDL层 (现场总线数据链路层现场

17、总线数据链路层)。PROFIBUSPROFIBUS的报文格式的报文格式PROFIBUS的报文格式：1.1.有固定信息字有固定信息字段长度的格式段长度的格式2.2.带数据的有固带数据的有固定信息字段长度定信息字段长度的格式的格式3.3.有可变信息字有可变信息字段长度的格式段长度的格式4.4.短应答短应答5.5.令牌报文令牌报文L:L:信息字段长度。信息字段长度。SC(SC(单字符单字符):):单字符，仅用于应答。单字符，仅用于应答。SD1SD1SD4(SD4(起始界定符起始界定符):):起始字节起始字节，用于，用于区别区别不同的报文格式。不同的报文格式。LE/LEr:LE/LEr:长度字节，指出

18、可变长报文中信息字长度字节，指出可变长报文中信息字段的长度。段的长度。DA(DA(目的地址目的地址):):目的地址字节，指出将接收此目的地址字节，指出将接收此信息的站。信息的站。FC(帧控制):控制字节，包含用于此信息的服务和此信息的优先权的详细说明。DU:数据单元，包含报文的有用信息，必要时还包含扩展地址的详细说明。FCS(帧校验顺序):校验字节，包含报文校验和 (不进位地加所有报文字节的和)。ED(终止界定符):终止字节，指出此报文终止。第2层报文格式提供高级的传输安全性，海明距离HD=4。检查以下类型错误： 字符格式出错 (奇偶校验，溢出，帧出错) 协议出错 起始和终止界定符出错 帧校验

19、字节出错点对点的数据传输广播和群播通信的多点传输第2层提供的数据服务如下:1)发送数据需应答 (SDA)2)发送数据无需应答 (SDN）3）发送和请求数据需回答 (SRD)4）循环地发送和请求数据需回答 (CSRD)。上一层通过第2层的SAP(服务存取点)调用这些服务：SSAP(源服务存取点)和DSAP(目的服务存取点)。3.2.3 应用层PROFIBUS的应用层由FMSFMS接口接口(现场总线报文规范)和LLILLI接口接口( (低层接口低层接口) )组成。在不同的应用中，具体需要的功能范围必须具体需要的功能范围必须与具体应用相适应，这些适应性定义称为与具体应用相适应，这些适应性定义称为行行

20、规规。行规提供了设备的可互换性行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。生产的设备具有相同的通信功能。l. PROFIBUS-FMSl. PROFIBUS-FMS行规行规（1）控制器间的通信控制器间的通信 (3.002):可编程控制器 (PLC)之间通信的FMS服务。（2）楼宇自动化行规楼宇自动化行规 (3.001):对楼宇自动化系统使用FMS进行监视、闭环和开环控制、操作控制、报警处理及系统档案管理作了描述。（3）低压开关设备低压开关设备 (3.032):通过FMS在通信过程中低压开关设备的应用行为。2.PROFIBUS-DP行规行规PROFIBUS-DP只

21、使用了第1层和第2层。而用户接口定义了PROFIBUS-DP设备可使用的应用功能以及各种类型的系统和设备的行为特性。（1）NC/RCNC/RC行规行规 (3.052):机床和装配机器人（2）编码器行规编码器行规 (3.062):回转式、转角式和线性编码器与PROFlBUS-DP的连接。（3）变速传动行规变速传动行规 (3.071):传动技术设备生产厂商共同制定了PROFIDRIVE行规。（4）操作员控制和过程监视行规操作员控制和过程监视行规 (HMI):通过PROFIBUS-DP与更高一级自动化部件的连接。3.PROFIBUS-PA3.PROFIBUS-PA行规行规PROFIBUS-PA行规保

22、证了不同厂商所生产的现场设备的互换互换性和互操作性性和互操作性，PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要的通信功能，对所有通用的测量变送器和其他被选类型的设备作了具体规定:（1）压力、液位、温度和流量用测量变送器压力、液位、温度和流量用测量变送器（2）数字量输入和输出数字量输入和输出（3）模拟量输入和输出模拟量输入和输出（4）阀门阀门（5）定位器定位器3.3 PROFIBUS-DP的总线设备类型和数据通信3.3.1 概述3.3.2 DP设备类型3.3.3 DP设备之间的通信3.3.4 PROFIBUS-DP循环3.3.5 采用交叉通信的数据交换3.3.6 设备数据库文件3.3.1 概述PR

23、OFIBUS-DPPROFIBUS-DP协议：协议：是为自动化制造工厂中分散的分散的I/0I/0设备设备和现场设备现场设备所需要的高速数据通信高速数据通信而设计的。典型的DP配置是单主站结构单主站结构DPDP主站与主站与DPDP从站间从站间的通信基于主主- -从从原理，一个报文循环由DP主站发出的请求帧请求帧 (轮询报文)和由DP从站返回的有关应答或响应帧应答或响应帧组成。单 主 站 结 构在DP主站上处理轮询表的情况多主站结构3.3.2 DP设备类型1.DP主站（1类） 循环地与循环地与DPDP从站交换用户数据从站交换用户数据：PLCPLC、PCPC都可以做1类主站使用的控制器。通信任务：

24、(l)Set_Prm和Chk_Cfg 在启动、重启动和数据传输启动、重启动和数据传输阶段，DP主站使用这些功能发送参数集参数集给DP从站。 (2)Data一Exchange 循环地与指定循环地与指定DPDP从站进行输入从站进行输入/ /输出数据交换输出数据交换。(3)Slave_Diag 在启动期间或循环的用户数据交换期间，读取读取DPDP从站的诊断信息。从站的诊断信息。(4)Global_Control DPDP主站将它的运行状态告知给各主站将它的运行状态告知给各DPDP从站从站；将控制命令发送给个别从站或规定的DP从站组，以实现实现输出数据和输入数据的同步输出数据和输入数据的同步 (Syn

25、c和Freeze命令)。 2.DP从站 PLCPLC、分散式分散式I/OI/O、驱动器、传感器、执行驱动器、传感器、执行机构等现场设备机构等现场设备。 DP从站只与装载此从站的参数并组态它的DP主站交换用户数据。DP从站可以向此主站报告本地诊断中断和过程中断。 3.DP主站 (2类) 2 2类类DPDP主站是操作元工作站主站是操作元工作站、编程装置编程装置，诊断和管理设备诊断和管理设备，完成各站点的数据读写完成各站点的数据读写、系系统配置统配置、故障诊断故障诊断等。特殊功能:(l)RD_Inp和RD_Outp 在与与l l类类DPDP主站进行数据通信主站进行数据通信的同时，读取读取DPDP从站

26、的输入和输出数据从站的输入和输出数据。(2)Get_Cfg 读取读取DPDP从站的当前组态数据从站的当前组态数据。(3)Set_Slave_Add DP主站 (2类)分配一个新的总线地址新的总线地址给一个DP从站。4.DP组合设备 可以将l类DP主站、2类DP主站和DP从站组合在一个硬件模块中形成一个DP组合设备。 这样的设备是很常见的，一些典型的设备组合如下: （1 1）l l类类DPDP主站主站与2 2类类DPDP主站主站的组合 （2 2）DPDP从站从站与l l类类DPDP主站主站的组合3.3.3 DP设备之间的通信l.DPl.DP通信关系和通信关系和DPDP数据交换数据交换通信作业的发

27、起者：请求方； 通信伙伴：响应方。l类DP主站的请求报文以第2层中的“高优先权”报文服务级别处理。由DP从站发出的响应报文使用第2层中的“低优先权”报文服务级别。DP从站可将当前出现的诊断中断或状态事件通知给DP主站，通过将Data_Exchange的响应报文服务级别从 “低优先权” 改变为 “高优先权” 来实现。2.2.初始化阶段，重启动和用户数据通信初始化阶段，重启动和用户数据通信DP主站检查DP从站是否在总线上DP主站通过请求从站的诊断数据来检查DP从站的准备情况DP主站定义DP从站的参数并组态此从站DP主站循环地与DP从站交换用户数据DP从站初始化(1)参数数据 (Set_Prm):参

28、数集包括预定给DP从站的重要的本地和全局参数、特征和功能。Station Status: 与从站有关的功能和设定 Watchdog: (定时监视器，“看门狗”)检查DP主站的故障Ident_Number: DP从站的标识号,由PNO在认证时规定的DP从站的标识号放在此设备的主要文件中。Group_Ident: 将DP从站分组组合，以便使用Sync和Freeze控制命令。User_Prm_Data: DP从站参数数据 (User_Prm_Data)为DP从站规定了有关应用数据。（2）组态数据(Chk_Cfg)在组态数据报文中，DP主站发送标识符格式给DP从站，这些标识符格式告知DP从站要被交换的

29、输入/输出区域的范围和结构。这些区域 (也称 模块)是按DP主站和DP从站约定的字节或字结构 (标识符格式)形式定义的。标识符格式允许指定输入或输出区域，或各模块的输入和输出区域。（3）诊断数据 (Slave_Diag)在启动阶段，DP主站使用请求诊断数据来检查DP从站是否存在和是否准备就绪接收参数信息。由DP从站提交的诊断数据包括符合EN50170标准的诊断部分。还包括此DP从站专用的诊断信息。DP从站发送诊断信息告知DP主站它的运行状态以及发生出错事件时出错的原因。（4）用户数据 (Data_Exchange)DP从站检查从DP主站接收到的参数和组态信息，如果没有错误而且允许由DP主站请求

30、的设定，则DP从站发送诊断数据报告它已为循环地交换用户数据准备就绪：DP主站与DP从站交换所组态的用户数据。DP从站只对由定义它的参数并组态它的l类DP主站发来的Data_Exchange请求帧报文作出反应。其他的用户数据报文均被此DP从站拒绝。3.3.4 PROFIBUS-DP 循环1.PROFIBUS-DP1.PROFIBUS-DP循环的结构循环的结构一个DP循环包括固定部分 和 可变部分。固定部分由循环报文构成，它包括总线存取控制(令牌管理和站状态)和与DP从站的I/0数据通信 (Data_Exchange)。DP循环的可变部分由被控事件的非循环报文构成。单主总线系统中DP循环的结构报文

31、的非循环部分包括下列内容: （1）DP从站初始化阶段的数据通信; （2）DP从站诊断功能; （3）2类DP主站通信; （4）DP主站和主站通信; （5）非正常情况下 (Retry)，第2层控制的报 文重复； （6）与DPVl对应的非循环数据通信; （7）PG在线功能; （8）HMI功能。2.2.固定的固定的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP循环的结构循环的结构对于自动化领域的某些应用来说，固定的DP循环时间和固定的I/0数据交换是有好处的。与正常的DP循环相比较，在DP主站的一个固定的DP循环期内，保留一定的时间用于非循环通信。允许一定数量的非循环报文事件。如果此保留的时间末用完，则

32、通过多次给自己发报文的办法直到达到所选定的固定总线循环时间为止，这样就产生了一个暂停时间。固定的PROFIBUS-DP循环的结构3.3.5 采用交叉通信的数据交换交叉通信，也称之为 “直接通信”，是在SIMATlCS7应用中使用PROFIBUS-DP的另一种数据通信方法。在交叉通信期间，DP从站不用1对1的报文 (从-主)响应DP主站，而用特殊的1对多的报文 (从-主)。用交叉通信，通信关系 主-从和 从-从是可能的，但它们并不被所有类型的SIMATICS7 DP主站和从站设备的模块所支持。3.3.6 设备数据库文件PROFIBUS设备具有不同的性能特征，特性的不同在于现有功能 (即I/0信号

33、的数量和诊断信息)的不同或可能的总线参数，如波特率和时间的监控不同。为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件或GSD文件。(1)总体说明(2)DP主设备相关规格(3)从设备的相关规格3.4 PROFIBUS的总线存取控制机制3.4.1 概述3.4.2 PROFIBUS-DP技术简介3.4.3 PROFIBUS-PA技术简介3.4.4 PROFIBUS-FMS技术简介3.4.1 概述3种PROFIBUS(PROFIBUS(DPDP、FMSFMS、PAPA) )均使用一致的总线存一致的总线存取协议取协议。数据链路层数据链路层(Fieldbu

34、s Data Link，FDL) ：保证保证数据可靠性技术数据可靠性技术、传输协议传输协议和报文处理报文处理。介质存取控制介质存取控制 (Medium access controI，MAC)具体控制数据传输的程序，MACMAC必须确保在任何一个必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。时刻只有一个站点发送数据。PROFIBUSPROFIBUS总线存取控制：总线存取控制：要满足介质控制的2个基本要求： 1)在复杂的自动化系统 (主站)间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务有足够的时间来完成通信任务。 2)在复杂的程序控制器（PL

35、C/PCPLC/PC）和简单的I/OI/O设备 (从站)间通信，应尽可能快速又简单快速又简单地完成数据的实时传输。PROFIBUSPROFIBUS总线存取协议：总线存取协议：主站之间主站之间采用令牌总线令牌总线机制，主站与从站之间主站与从站之间采用主从主从机制。令牌传递程序：令牌传递程序：保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权 (令牌)。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存取令牌时可与从站通信：主站得到总线存取令牌时可与从站通信：每个主站均可向从站发送或读取信息。3种系统配置：纯主纯主- -主系统（主系统（令牌传递令牌传递） 纯主

36、纯主- -从系统（从系统（主主- -从传递从传递） 混合系统混合系统 PROFIBUS总线存取控制机制总线存取控制机制 主主- -从传递从传递3.4.2 PROFIBUS-DP技术简介PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP：现场层的高速数据传输。现场层的高速数据传输。主站主站周期周期地读取从站的输入信息并周期性地地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主站 (PLC)程序循环时间短，除周期性用户数据传输外，PROFlBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。l.PROFIBUS-DPl.PROFIBU

37、S-DP的基本功能的基本功能(1)(1)传输技术传输技术1)RS-4851)RS-485双绞线或光缆双绞线或光缆2)2)波特率：波特率：9.6 kbit/s - l2 Mbit/s9.6 kbit/s - l2 Mbit/s(2)(2)总线存取总线存取1)各主站间为令牌传输令牌传输，主站与从站间为主为主- -从从传输;2)支持单主单主或多主多主系统;3)主-从设备，总线上最多站点数为总线上最多站点数为126126(3)(3)功能功能1)DP1)DP主站主站和和DPDP从站从站间的间的循环用户数据传输循环用户数据传输; ;2)2)各各DPDP从站的从站的动态激活和撤消动态激活和撤消; ;3)DP

38、3)DP从站组态的检查从站组态的检查; ;4)4)强大的诊断功能，三级诊断信息强大的诊断功能，三级诊断信息; ;5)5)输入或输出的同步输入或输出的同步; ;6)6)通过总线通过总线给给DPDP从站赋予地址从站赋予地址; ;7)7)通过总线通过总线对对DPDP主站主站 (DPM1)(DPM1)进行配置进行配置; ;8)8)每个每个DPDP从站最大为从站最大为246246字节的输入和输出数字节的输入和输出数据据。(4)(4)设备类型设备类型1)第二类第二类DPDP主站主站 (DPM2):(DPM2):可编程可编程、可组态可组态、可诊断可诊断的设备;2)第一类第一类DPDP主站主站 (DPMl):

39、(DPMl):中央可编程控制器中央可编程控制器，如如PLCPLC、PCPC等等;3)DP3)DP从站从站: :带二进制或模拟输入输出的驱动器、阀门等。(5)诊断功能分为3类:本站诊断：本站诊断：诊断信息表示本站设备的一般操本站设备的一般操作状态作状态，如温度过高，电压过低。模块诊断：模块诊断：诊断信息表示一个站点的某具体一个站点的某具体I/OI/O模块出现故障模块出现故障 (如8位的输出模块)。通道诊断：通道诊断：诊断信息表示一个单独的输入输一个单独的输入输出位的故障出位的故障 (如输出通道7短路)。(6)(6)系统配置系统配置PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP允许构成单主站单主站或

40、多主站多主站系统，这就为系统配置组态提供了高度的灵活性。系统配置的描述包括:站点数站点数目目、站点地址站点地址和和输入输出数据的格式输入输出数据的格式，诊断信息的格式诊断信息的格式以及所使用的以及所使用的总体参数总体参数。(7)(7)运行模式运行模式1)运行运行：输入和输出数据的循环传输输入和输出数据的循环传输。DPM1DPM1由由DPDP从站读取输入信息并向从站读取输入信息并向DPDP从站写入输出从站写入输出信息。信息。2)清除清除：DPM1DPM1读取读取DPDP从站的输入信息从站的输入信息，并使输出信息保持为故障故障- -安全状态安全状态。3)停止停止：只能进行主只能进行主- -主数据传

41、输主数据传输，DPM1和DP从站之间没有数据传输。(8)(8)通信通信1)点对点点对点 (用户数据传输)或广播广播 (控制指令)。2)循环主循环主- -从用户数据传输从用户数据传输和非循环主非循环主- -主数主数据传输。据传输。DPM1和DP从站之间的数据传输分为3个阶段: 参数设定参数设定、组态配置组态配置、数据交换数据交换。(9)(9)同步同步1)控制指令允许输入和输出的同步。2)同步模式同步模式: :输出同步输出同步。3)锁定模式锁定模式: :输入同步输入同步。(10)(10)可靠性和保护机制可靠性和保护机制1)所有信息的传输在海明距离 HD=4 进行。2)DP从站带看门狗定时器。3)D

42、P从站的输入输出存取保护。4)DP主站上带可变定时器的用户数据传输监视。2.PROFIBUS-DP2.PROFIBUS-DP扩展功能扩展功能DP扩展功能允许非循环的读写功能非循环的读写功能并中断并中断并行于循环数据传输的应答行于循环数据传输的应答。对从站参数和测量值的非循环存取可用于某可用于某些诊断或操作员控制站些诊断或操作员控制站 (二类主机，DPM2)。DPDP扩展功能可选，与扩展功能可选，与DPDP基本功能兼容。基本功能兼容。DP扩展实现通常采用软件更新软件更新的办法。 3.4.3 PROFIBUS-PA技术简介PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA：是PROFIBUS的过程自动化

43、解决方过程自动化解决方案案。PA将自动化系统与现场设备，例如压力、温度和液位变送器的过程控制系统连接起来，PAPA可可以取代以取代4-20mA4-20mA的模拟技术的模拟技术。PA在现场设备的规划、电缆敷设、调试、投人运行和维护方面可节省成本40%以上，并可提供多功能多功能和安全性安全性。1.1.常规的常规的4-2OmA4-2OmA系统与基于系统与基于PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的系的系统在布线方面的区别统在布线方面的区别2.2.过程工业应用领域的特殊要求过程工业应用领域的特殊要求: :1)1)过程自动化独特的应用行规以及来自不同厂商的过程自动化独特的应用行规以及来自不同厂商的

44、现场设备的互换性现场设备的互换性; ;2)2)增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站点会影响到其他站点; ;3)3)过程自动化中的过程自动化中的PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA总线段总线段和制造自动和制造自动化中的化中的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP总线段总线段之间通过之间通过段耦合器段耦合器实现实现通信透明化通信透明化; ;4)4)同样的两条线，基于同样的两条线，基于IEC61158-2IEC61158-2技术技术可进行可进行远程远程供电供电和和数据传输数据传输; ;5)5)在潜在的爆炸区使用防爆型在潜在的

45、爆炸区使用防爆型 本质安全本质安全 或或 非非本质安全本质安全 。3.3. PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA总线的数据传输总线的数据传输 PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA使用使用PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的基本功能的基本功能传输测量值和状态传输测量值和状态，使用，使用PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP扩展功能扩展功能对现场设备设置参数及操作对现场设备设置参数及操作。 传输采用传输采用基于基于IEC6l158-2IEC6l158-2的两线技术的两线技术。PROFIBUSPROFIBUS总线存取协议总线存取协议 ( (第第2 2层层) )和和I

46、EC6l158-9IEC6l158-9技术技术 ( (第第1 1层层) )之间的接口之间的接口在在DIN19245DIN19245系列标准系列标准的第的第4 4部分中作了规定。部分中作了规定。 在在IEC6l158-2IEC6l158-2段传输时，报文被加上段传输时，报文被加上起始起始和和结束结束界定符。界定符。PROFlBUS-PAPROFlBUS-PA总线的数据传输总线的数据传输3.4.4 PROFIBUS-FMS技术简介PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS：解决解决车间一级车间一级的通信，在这的通信，在这一级可编程控制器一级可编程控制器 (PLC(PLC和和PC)PC)主要是

47、主要是互相通互相通信信，高级功能比快速系统反应时间高级功能比快速系统反应时间更重要更重要。l.PROFIBUS-FMSl.PROFIBUS-FMS的应用层的应用层现场总线信息规范现场总线信息规范(FMS)(FMS)：描述：描述通信对象通信对象和和服务服务低层接口低层接口(LLI)(LLI)：用于将用于将FMSFMS适配到第适配到第2 2层层2.2.通信对象和对象字典通信对象和对象字典 (OD)(OD) 对象字典：包括对象字典：包括描述描述、结构结构和和数据类型数据类型以及通信对以及通信对象的象的内部设备地址内部设备地址和它们在总线上的和它们在总线上的标志标志 ( (索引或索引或名称名称) )之

48、间的关系。之间的关系。1)1)头头: : 包含对象字典结构的有关信息包含对象字典结构的有关信息; ;2)2)静态数据类型表静态数据类型表: : 所支持的静态数据类型列表所支持的静态数据类型列表; ;3)3)变量列表的动态列表变量列表的动态列表: : 所有已知变量表列表所有已知变量表列表; ;4)4)动态程序列表动态程序列表: : 所有已知程序列表。所有已知程序列表。FMSFMS能识别能识别5 5种通信对象种通信对象: :1)1)简单变量简单变量; ;2)2)数组数组 ( (一系列相同类型的简单变量一系列相同类型的简单变量););3)3)记录记录 ( (一系列不同类型的简单变量一系列不同类型的简

49、单变量););4)4)域域; ;5)5)事件事件。FMSFMS可识别可识别2 2种类型的动态通信对象种类型的动态通信对象: :1)1)程序调用程序调用; ;2)2)变量列表变量列表 ( (一系列简单变量，数组或记录一系列简单变量，数组或记录) )。3.PROFIBUS-FMS3.PROFIBUS-FMS服务服务 FMS服务是ISO9506制造信息规范 (Manufacturing Message Specification, MMS)服务的子集，已在现场总线应用中被优化，而且增加了通信对象管理通信对象管理和网络管理网络管理功能。通过总线的FMS服务的执行用服务序列描述，包括被称作服务原语的几个

50、互操作。服务原语服务原语描述请求者和应答者之间的互操作描述请求者和应答者之间的互操作。4.PROFIBUS-FMS4.PROFIBUS-FMS和和PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的混合操作的混合操作 FMSFMS和和DPDP设备设备可以在同一条总线上的混合操在同一条总线上的混合操作作是PROFlBUS的一个主要优点。两种协议可两种协议可以同时在一个设备上执行以同时在一个设备上执行，这些设备称作混合设备。能够进行混合操作是因为两种协议均使用统统一的传输技术一的传输技术和总线存取协议总线存取协议，不同的应用功能由第2层的不同的服务存取点不同的服务存取点区分。3.5 PROFIBUS的应

51、用(系统集成) 3.5.1 PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置3.5.2 PROFIBUS控制系统的组成3.5.1 PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置3.5.1 PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置3.5.2 PROFIBUS控制系统的组成1一类主站 一类主站指PLC、PC或可做一类主站的控制器。一类主站完成总线通信与管理。2二类主站 二类主站指操作员工作站（如PC机加图形监控软件）、编程器、操作员接口等。完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。3从站 （1 1）分散式）分散式I/OI/O 分散式I/O通常由电源、通信适配器及接线端子组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执

52、行的功能。通信适配器用于接收主站指令通信适配器用于接收主站指令，按照主站指令驱动驱动I/OI/O，并将将I/OI/O及故障诊断信息返回给主站。及故障诊断信息返回给主站。 由主站统一编址，分散式由主站统一编址，分散式I/OI/O与主站集成与主站集成I/OI/O在在主站编程时无区别。主站编程时无区别。（2 2）PLCPLC PLC 可做PROFIBUS上的一个从站，主站可通过通信间接控制从站PLC的I/O。（3 3）驱动器、传感器、执行机构等现场设备）驱动器、传感器、执行机构等现场设备 带有PROFIBUS接口的现场设备可作为PROFIBUS从站，可由主站在线完成系统配置、由主站在线完成系统配置、

53、参数修改、数据交换参数修改、数据交换等功能。可进行通信的参数及参数格式由PROFIBUS决定。3.6 PROFIBUS-DP3.6 PROFIBUS-DP系统开发系统开发3.6.1 ASICs介绍3.6.2 PROFIBUS-DP开发包4(PACKAGE4)3.6.3 PROFIBUS-DP智能从站节点设计3.6.1 ASICs3.6.1 ASICs介绍介绍西门子为PLC之间简单高速的数字通信提供用户ASICs。ASICAutomation Special Integrated Circuit参照PROFIBUS DlN19245第1部分和第3部分设计的这些ASICs，支持并可以完全处理支持并

54、可以完全处理PLCPLC站站之间的数据通信之间的数据通信。ASICsASICs与微处理器结合与微处理器结合提供智能从站的解决方案提供智能从站的解决方案：SPC(Siemens PROFIBUS controller)SPC(Siemens PROFIBUS controller)：基于基于OSIOSI参考参考模型的第模型的第1 1层层，需要附加一个微处理器用于实现第附加一个微处理器用于实现第2 2层层和第和第7 7层的功能层的功能。 SPC2SPC2：集成了第2层的执行总线协议的部分，附加微处理器执行第2层的其余功能 (即接口服务和管理)。 ASPC2ASPC2：集成了第2层的大部分功能，但仍

55、需要微处理器。可以支持12Mbaud总线。主要用于复杂的主要用于复杂的主站主站设计设计。SPC3SPC3：集成了全部PROFTBTTS一DP协议，有效地减轻了处理器的压力，因此可用于12Mbaud总线。SPC4SPC4创支持DP，FMS和PA协议类型，且可以工作于12Mbaud总线。LSPM2LSPM2(Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer)：在自动化工程领域也有一些简单的设备，如:开关、热元件，不需要微处理器记录它们的状态。主主 要要 内内 容容1.从站通信控制器SPC3 2.相关接口3.主站通信控制芯片ASPC24.网络接口卡1.1.从站通信控制器从站通信控制

56、器SPC3SPC3SPC3只集成了传输技术的部分功能，而没有集成模拟功能 (RS-485驱动器)、FDL(现场总线数据链路Fieldbus Data Link)传输协议。它支持接口功能、FMA功能和整个DP从站协议,用户接口让用户很容易访问第2层。第2层的其余功能 (软件功能和管理)需要通过软件来实现。2.相关接口（1）ASIC接口方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器看门狗定时器等寄存器规定了ASIC硬件的功能和保温处理过程。（2）PROFIBUS-DP接口（3）通信处理器总线接口（4）UART(通用异步接收器发送器)（5）PROFIBUS接口3.主站通信控制芯片ASPC2Siemens公司生产

57、的主站通信控制器，该通信控制器可以完全处理PROFIBUS EN50170的第一层和第二层，同时ASPC2还为PROFIBUS-DP和使用段藕合器的PROFIBUS-PA提供一个主站。ASPC2通信控制器用作一个DP主站时需要庞大的软件(约64KB)，PROFIBUSASIC可用于从站应用，链接低级设备 (如:控制器、执行器、测量变送器和分散1/0设备)。4.4.网络接口卡网络接口卡（1）CP5611 网络接卡用于工控机连接到PROFIBUS和SlMATIC S7的MPI。支持PROFIBUS的主站和从站、PG/OP、S7通信。OPC Server软件包已包含在通信软件供货，但是需要SOFrN

58、ET支持。（2）CP5611与从站通信的过程 当CP5611作为网络上的主站时，CP5611通过轮询方式与从站进行通信。通常按地址增序轮询所有的从站，当与最后一个从站通信完以后，接着再进行下一个周期的通信。这样就保证所有的数据 (包括输出数据，输入数据)都是最新的。主要报文有:令牌报文，固定长度没有数据单元的报文，固定长度带数据单元的报文，变数据长度的报文。 （3）CP5613网络接卡CP5613是Siemens公司推出的基于PCI总线的PROFIBUS-DP网络接口卡，其报价已包括软件使用费，目前，一般使用该网络接口卡。用于工控机连接到PROFIBUS，一个PROFlBUS接口，仅支持DP主

59、站、PG/OP、S7通信。OPCSerVer软件包已包含在通信软件供货。3.6.2 PROFIBUS-DP开发包4开发包4(PACKAGE4)是专门对Siemem的从站ASIC芯片SPC3开发而提供的，它包括SPC3与单片微控制器的接口电路图以及主站和从站的所有源代码，有了开发包4将会加快用户PROFIBUS-DP产品的开发，Siemens公司所提供的接口模块的优点在于开发人员不需要再开发附加的外围电路，不同的接口模块可用于各种需求及应用场合。开发包4(PACKAGE4)的组成开发包4 很容易将一个产品快速连接到PROFIBUS-DP上。 1.硬件 2.软件 3.文档主站和从站都可以使用PAC

60、KAGE4并行开发，最大数据传输速率为12Mbit。1.1.硬件硬件(1)(1)IM180IM180主站接口模块主站接口模块IMl80可将第三方设备作为主站连接到PROFIBUS-DP上。该模块可完全独立完成总线控制。IMl80可将接替PLC、PC、驱动器、人机接口的通信处理任务，最大数据传输速率l2Mbit/s。专用集成电路ASPC2芯片可独立处理总线协议，与主系统的通信通过双口RAM完成。数据交换由应用程序完成。(2)(2)IM183-1IM183-1从站接口模块从站接口模块IM183-1可将第三方设备作为从站简便的连接到PROFIBUS-DP上。最大数据传输速率l2Mbit/s。IM18