Profibus总线详解

7.4.3.1　Profibus概述

现场总线技术发展十分迅速，Profibus是各种现场总线中非常有代表性的一种。Profibus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的发展经验，认为为了适应20世纪90年代分布式计算机自动控制系统的发展需要，有必要对现有的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，以利于工业整体标准水平的提高，于1987年列为德国国家项目，由13家大公司（如著名的Sie⁃mens、AEG、ABB公司等）及5家研究所经过两年多的时间完成。Profibus现在已是欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，它的应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN 50170欧洲标准。2001年Profibus成为中国的行业标准。

7.4.3.2　Profibus现场总线技术的主要构成

Profibus是一种不依赖厂家的开放式现场总线标准，采用Profibus的标准系统后，不同厂商所生产的设备不需对其进行特别调整就可以通信。Profibus为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。

1.系列

针对不同的应用场合，Profibus现场总线技术分为以下3个系列。

（1）Profibus-PA（Process Automation）。对于安全性要求较高的场合，制定了Profibus-PA协议，这由DIN19245的第4部分描述。PA具有本征安全特性，它实现了IEC 1158-2规定的通信规程。Profibus-PA是Profibus的过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了4～20 mA模拟信号传输技术，在现场设备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和维修成本等方面可节约40%之多，并大大提高了系统功能和安全可靠性，因此PA尤其适用于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制。

（2）Profibus-DP（Decentralized Periphery）。Profibus-DP用于传感器和执行器级的高速数据传输，以DIN19245的第1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，DP的传输速率可达12 Mbps，一般构成单主站系统（系统总线只有一台主站）或多主站系统（总线上有多台主站）。一条总线最多可以连接126个设备（主站或从站）。主站、从站间采用循环数据传送方式工作。主站掌握总线中数据流的控制权，只要拥有访问总线权（令牌），主站可以在没有外部请求的情况下发送信息；从站是简单的输入／输出。典型的从站为传感器、执行器及变频器。从站不会拥有总线访问的授权。从站只能确认收到的信息或者在主站请求下发送信息。它的设计旨在用于设备一级的高速数据传送。在这一级，中央控制器（如PLC／PC）通过高速串行线同分散的现场设备（如I／O、驱动器、阀门等）进行通信，与这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。

（3）Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）。Profibus-FMS的设计旨在解决车间一级通用性通信任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速度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之间的信息交换，因此它考虑的主要是系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）。强有力的FMS服务向人们提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，可用于大范围和复杂的通信系统。

2.协议结构

Profibus协议的结构定向是根据ISO 7498国际标准以开放式系统互联网络（OSI）作为参考模型的，其协议结构如图7-7所示。Profibus-DP使用第1层、第2层和用户接口。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行，直接数据链路映像（DDLM）为用户接口提供第二层功能映像，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为。Profibus-PA使用Profibus-DP的基本功能来传送测量值和状态，并用扩展的Profibus-PA功能来制定现场设备的参数和进行设备操作。另外它使用了描述现场设备行为的PA行规，根据IEC 1158-2标准，这种传输技术可确保其本征安全性，并使现场设备通过总线供电。Profibus-FMS对第1、2和7层均加以定义，其中应用层包括了现场总线信息规格（Fieldbus Message Specification，FMS）和低层接口（Lower Layer Interface，LLI）。FMS向用户提供了广泛的通信服务功能，LLI则向FMS提供了不依赖设备访问第2层（现场总线数据链路层）的能力，第2层主要完成总线访问控制和保持数据的可靠性，FMS服务是ISO 9506 MMS（Manufacturing Message Specification，加工制造信息规范）服务项目的子集，这些服务项目在现场总线应用中被优化，而且还加上了通信目标和网络管理功能。Profibus-DP和Profibus-FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这套系统可在同一根电缆上同时操作。

图7-7　Profibus的协议结构

3.电子设备数据库文件（GSD）

Profibus设备具有不同的性能特点，为达到Profibus简单的即插即用配置，Profibus设备的特性均在电子设备数据库文件（GSD）中具体说明。为了将不同厂家生产的Profibus产品集成在一起，生产厂家以GSD文件方式提供这些产品的功能参数（如I／O点数、诊断信息、波特率、时间监视等）。标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据GSD文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。图7-8为电子设备数据库文件（GSD）的应用。

图7-8　电子设备数据库文件（GSD）的应用

GSD文件可分为总规范、与DP主站有关的规范和与DP从站有关的规范3个部分。其中，总规范包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信号；与DP主站有关的规范包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数、上装／下装能力；与DP从站有关的规范包括了与从站有关的一切规范，如输入／输出通道数、类型、诊断数据等。

7.4.3.3　Profibus的主要特点

1.总线访问

在Profibus中，总线访问由两种联合的方法控制。在分布式系统中用“令牌传递”原则，在集中的系统中应用主站-从站原则。“令牌传递”就是得到令牌的主站可在一定的时间内执行本站的工作，这样保证了在任一时刻只能有一个站点有权发送，并且任一个主站在一个给定的时间片内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。这样的好处在于传输速度较快，而其他一些总线则采用的是冲突碰撞检测法，在这种情况下，某些信息组需要等待，然后再发送，从而使系统传输速度降低。主站-从站原则就是所有主站都有总线访问的控制，从站对于总线访问是中立的。从站不独立地承担传送活动。传送和接收活动仅仅在有请求时进行。

2.本征安全

本征安全性一直是工控网络在过程控制领域应用时首先需要考虑的问题，否则，即使网络功能设计得再完善，也无法在化工、石油等工业现场使用。Profibus-PA考虑本征安全特性，只需一条双绞线就可既传送信息又向现场设备供电，由于总线的操作电源来自单一供电装置，它就不再需要绝缘装置和隔离装置，设备在操作过程中进行的维修、接通和断开，即使在潜在的爆炸区也不会影响到其他站点。使用分段式耦合器，Profibus-PA可以很方便地被集成到Profibus-DP网络上。

3.系统配置灵活

根据不同的应用对象，可灵活选取不同规格的总线系统，如简单的设备一级的高速数据传送，可选用Profibus-DP单主站系统；稍微复杂一些的设备级高速数据传送，可选用Profibus-DP多主站系统；比较复杂一些的系统可将Profibus-DP与Profibus-FMS混合选用，两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作，而无须附加任何转换装置。

4.具有功能强大的FMS

FMS提供上下文环境管理、变量的存取、定义域管理、程序调用管理、事件管理、对VFD（Virtual Field Device）的支持以及对象字典管理等服务功能。FMS同时提供点对点或有选择广播通信、带可调监视时间间隔的自动连接、当地和远程网络管理等功能。

7.4.3.4　Profibus-PA的基本特性

1.传输技术

现场总线技术在很大程度上取决于采用的传输技术，除了一些总的要求（传输可靠、传输距离或高速传输）外，考虑一些简便而又费用不大的机电因素也特别重要，当涉及过程自动化的应用时，数据和电源必须通过同一根电缆传输，由于单一的传输技术不能满足所有的要求，因此Profibus提供了DP和FMS的RS-485传输、PA的IEC 1158-2传输、光纤（FO）传输这3种类型的传输技术。

对于PA的IEC 1158-2传输技术，根据IEC 1158-2传输技术能满足化工和石化工业的要求，它可以保证其本征安全性并使现场总线通过总线供电，该技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，常称之为H1。其传输原理是：

（1）每段只有一个电源和供电装置。

（2）每站发送信息时，不向总线供电。

（3）每站现场设备所消耗的是常量稳态基本电流。

（4）现场设备其作用为无源的电流吸收装置。

（5）允许使用总线、树形、星形网。

（6）为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段；为了调制的目的，每个总线至少需要10 mA的基本电流才能使设备启动。

IEC 1158-2的传输技术特性见表7-15。

表7-15　IEC 1158-2的传输技术特性

2.Profibus-PA传输协议

Profibus-PA使用DP的基本功能是传送测量值和状态，并用扩展的DP来制定现场设备的参数和进行设备操作。由于IEC 1158-2的双绞线技术是作为传递用的，Profibus的总线存取协议（第2层）和IEC 1158-2技术（第1层）之间的接口在DIN19245系列标准的第4部分已做了规定。报文还对IEC 1158-2段进行传送时提供了起始和结束界定符传送，图7-9为其原理图。

图7-9　总线上的Profibus-PA数据传输

3.Profibus-PA设备行规

行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互操作性和互换性，其任务是选用各种类型的现场设备真正需要的通信功能并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。设备行为的描述由规定标准化的变量来说明，变量取决于特定的发送器，每台设备将提供Profibus-PA行规所规定的各项参数，如表7-16所示。

表7-16　模拟量输入功能块（AL）参数

Profibus作为欧洲开放式现场总线标准已在世界范围内得到普及和应用，其开放性可使现场设备供应商和Profibus用户的投资得到可靠保障。用户可自由选择现场设备，而不必在购买硬件和开发软件上花费太多精力，只需把精力投入方便控制的现场功能组态上。

值得注意的是，Profibus并非完全的开放式国际现场总线标准，与其他的现场总线如ISA／sp50、World／FIP仍然存在许多不兼容的部分，无互操作性，几种现场总线的产品不能互换或互联，则更不能统一组态；当今信息技术的迅猛发展，使得走开放式的道路成为必然趋势，目前，国际现场总线基金会（FF）正在加紧统一几种现存的总线，制定世界统一的FF标准。但鉴于FF尚未形成完整的一套标准，对于我国来说，首先通过试用Profibus，消化吸收其关键技术，然后再过渡到FF标准应是发展我国现场总线的可取策略。

7.4.3.5　Profibus-DP的基本特性

1.Profibus-DP的基本功能

Profibus-DP用于现场层的高速数据传送。中央控制器（如可编程控制器）通过一种快速的串行接口与分布式输入和输出设备通信。主站（中央控制器）周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线周期必须要比主站（中央控制器）的程序周期短。除周期性用户数据传输外，Profibus-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

2.Profibus-DP的设备类型

Profibus-DP系统包括各种类型的设备（装置），根据不同任务的定义有如下三种设备类型。

（1）DP1类主站：这是一种在给定的信息循环中与分布式站点（DP从站）交换信息的中央控制器。典型的设备有可编程控制器（PLC）、微机数值控制（CNC）或机器人控制（RC）。

（2）DP2类主站：这一类装置包括编程器、组态装置和诊断装置。它被用来设定网络或参数／监视DP从站的设备。这类设备在DP系统初始化时用来生成系统配置。

（3）DP从站：是一种对过程读和写信息的输入／输出装置（传感器／执行器）。输入信息和输出信息的总量取决于不同的设备。典型的设备是输入设备、输出设备、驱动器、阀、操作面板等。

3.Profibus-DP系统配置

Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统，系统配置很方便。在同一条总线上最多可以连接126个设备（主站或从站）。系统配置的内容包含站数、站地址、输入／输出地址分配、输入／输出数据格式、诊断信息格式及总线参数。

（1）Profibus-DP单主站系统：系统总线上只有一台主站。单主站系统可以获得最短的总线周期。单主站系统结构如图7-10所示。

图7-10　Profibus-DP单主站系统结构

（2）Profibus-DP多主站系统：系统总线上有多台主站。例如，有组态装置或诊断装置或者有多个独立的子系统。总线任何一个主站都可读取DP从站的输入／输出映像，但只有一个主站允许对DP从站写入数据。多主站系统的总线周期比单主站系统长一些。多主站系统结构如图7-11所示。(www.xing528.com)

图7-11　Profibus-DP多主站系统结构

4.Profibus-DP系统状态

（1）运行。在这种状态下，DPM1处于数据传输阶段，循环通信时，DPM1从DP从站读取输入信息，并向DP从站写入输出信息。

（2）停止。在这种状态下，DPM1和DP从站间没有数据传输。

（3）清除。在这种状态下，DPM1从DP从站读取输入信息，并使输出信息保持故障安全状态。

7.4.3.6　Profibus-FMS的基本特性

Profibus的三个系列中，只有Profibus-FMS使用了应用层，主要是Profibus-FMS是应用在数据传输量较大的车间级进行通信。Profibus-FMS应用层包括两个部分：描述通信对象和应用服务的现场总线报文规范FMS，FMS服务适配到第二层数据链路层的低层接口。Profibus-FMS应用层提供了用户使用的通信服务，如用户变量、程序传递、事件控制等，满足了不同设备对通信的广泛需求。

1.Profibus-FMS的通信技术

1）Profibus-FMS的通信模型

Profibus-FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称为虚拟设备VFD（Virtual Field Device）。在实际现场设备与VFD之间设立一个通信关系表。通信关系表是VFD通信变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。

2）通信对象与通信字典

（1）FMS面向对象通信，FMS将通信对象分为两大类：一类是静态通信对象，包括5种，即简单变量、数组、记录、定义域和事件；另一类是动态通信对象，包括两种，即程序调用和变量表。

（2）每个FMS设备的所有通信对象都填入对象字典（Object Dictionary，OD）。对简单设备，OD可以预定义；对复杂设备，OD可以本地或远程通过组态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字典，动态通信对象进入动态通信字典。每个对象均有一个唯一的索引，为避免非授权存取，每个通信对象可选用存取保护。对象字典包括结构和数据类型、通信对象的内部设备地址及总线上的标志。通信对象与通信字典的关系如图7-12所示。

图7-12　通信对象与通信字典的关系

2.Profibus-FMS系统在实际应用中的典型结构

Profibus-FMS系统在实际应用中的典型结构如图7-13所示。

图7-13　Profibus-FMS系统在实际应用中的典型结构

7.4.3.7　Profibus控制系统项目设计

Profibus现场总线控制系统的常用系统架构如图7-14所示，在应用项目设计中的注意事项主要包括以下几个方面。

图7-14　Profibus现场总线网络结构

1.与其他控制系统的接口

Profibus现场总线控制系统项目设计首先需要考虑的是与其他控制系统的接口。作为工厂的核心控制单位，Profibus控制系统必须采用高效的通信手段与其他子控制系统（其他公司生产的PLC系统，如GE、MODICON、ABB）进行通信，比较常用的方式是采用OPC接口或设置远程子站。

2.Profibus控制系统配置

系统配置的主要功能是确定满足客户要求的最小控制系统，同时需要考虑系统的可扩展性，为整个工厂的扩展提供控制的备用方案，同时需要考虑系统的可扩展性，为整个工厂的扩展提供控制系统的备用方案。其中还包括确定网络的通信速率，根据工艺的优先级划分控制系统的优先级，考虑是否需要设置冗余解决方案等。

3.确定主／从站功能和数量

确定主／从站功能、数量、设备分组以及设备之间的接口，并对从站功能进行划分。

4.确定系统的传输协议和现场设备

根据主／从站功能和设备的应用场合，确定现场控制站的传输协议，选择合适的现场设备。以工艺过程的现场工作环境和条件确定系统是否具有防爆要求，是离散量控制还是流程控制，据此选择是采用Porfibus-DP还是Profibus-PA协议。

5.选择Profibus控制器

计算现场设备的控制点数和控制功能，选择合理的Profibus控制器。主要从下列几个方面考虑：控制器的时钟频率、控制器内存大小、电源供应、是否具有冗余功能、是否可以在线修改程序等。

6.综合评估

对Profibus控制系统的软件功能、组态复杂程度、数据库支持、网络支持等进行综合评估。既要保证系统的控制水平，又要充分考虑系统的经济性和操作灵活性。

Profibus-DP数据进入操作员站显示前是映射到主站的数据库内的，Profibus控制系统有两类数据：表示设备状态、过程参数、诊断和报警信息的在线数据；表示过去参数和状态的历史数据，这些数据实际上是对在线数据统计分类后的数据，这部分历史数据通常需要进入车间级管理数据库。

7.4.3.8　Profibus应用实例

某热电厂工程项目的主机设备是哈尔滨锅炉有限责任公司生产的两台220T／h高温、高压循环硫化床锅炉，上海汽轮机有限公司生产的两台50 MW双抽冷凝式机组，山东电机有限公司生产的发电机。配套的辅机包括：每台锅炉配置1台一次风机、1台二次风机、2台U阀风机、2台冷渣器硫化风机、2台引风机、4台给煤机；每台汽轮机配置2台高压加热器、3台低压加热器、3台凝结水泵；公用系统包括4台给水泵、3台高压除氧器。配套的热网系统包括2台减温减压装置、1台低压除氧器，3台中继水泵、2台疏水泵、3台热网加热器、3台热网循环水泵和2台热网疏水泵。

1.机组运行方式

根据锅炉和汽轮机的工艺特点采用机、炉集中控制方式。整个机组（两炉两机）在集中控制室内设置一套Profibus现场总线控制系统，完成对整个机组系统的统一控制、监视、报警和联锁保护，并对机组的效率、性能进行计算，保证机组安全、可靠、经济地运行。

2.现场总线控制系统的主要功能

完成数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、锅炉和汽轮机的辅机顺序控制系统（SCS）、锅炉燃烧器管理系统（BMS）、人机接口（HMI）的功能。

3.系统组成

项目的实际需求是决定项目配置的重要因素。考虑电厂内统一管理和设备分散布置在厂区的实际情况，本项目采用西门子SIMATIC PCS-7的3级网络结构，厂区级信息系统位于现场总线系统的顶层，控制设备运行的Profibus现场总线位于控制系统的中间层，分布在工厂各个角落的现场设备位于控制系统的底层。

考虑到该电厂的运行方式和在线修改参数的要求，本项目为每台主要设备配置了一个操作员站，公用PCS系统也配置了一个操作员站，设置了一台修改程序的工程师站，任一台工程师站和操作员站均可以修改所有锅炉、汽轮机和辅助系统的所有参数，工程师站可以兼作操作员站。工程师站和操作员站之间通过以太网连接。

操作员站和工程师站的硬件均采用西门子公司的架装式PCS-7 IPC。硬件基本配置为19英寸机架、PIV、1.5 GMHz主频、512MB SDRAM内存、30 GB硬盘（带有通信卡）。控制系统软件包括三部分，即操作系统软件、系统开发软件包、系统运行软件包。本项目采用Windows 2000操作系统，使用Win CC 5作为PCS的开发平台和人机接口。Win CC 5开发软件包可用于程序开发、系统诊断、控制系统组态、数据库和画面的修改。

在工程师站上，工程技术人员可以根据生产工艺的运行要求和设备的运行情况，对系统的软件进行在线组态、调整，满足锅炉和汽轮机的运行要求。同时也能方便地监视和管理热电厂锅炉和汽轮机及其他设备的运行情况，科学地安排生产和系统的经济运行。将各种运行数据和运行指示形成标准的统计曲线和报表，随时存盘并打印。对操作员站进行权限的限制与控制。工程师站也兼作操作员站，负责与化水、输煤等各个子系统和全厂MIS系统的连接。

操作员站用于启停和调节各运行设备，监视和控制各个设备的运行，以自动和手动两种方式确保设备的安全经济运行；通过过程控制站采集、输出各种信息，并对各种信息形成各种运行参数报表、运行曲线、追忆曲线、操作记录、故障诊断、报警信息管理、人际操作指示和操作记录等显示画面，供运行人员监视；以定时和随机两种方式形成运行报表、故障记录、操作记录、追忆曲线等，利用计算机打印和用硬盘存档。

SICLOCK同步时钟用来保证工程师站、操作员站及控制站的时间同步。同步时钟采用定时广播方式和点对点方式将系统的同步时钟信号发送给各用户终端，使之同步工作。

4.控制系统的网络

在SIMATIC PCS 7范围内的通信是以SIMATIC NET网络为基础的，提供的通信方案保证工厂所有层次和部件间的可靠数据传输。同时，所有的SIMATIC NET网络部件都是为工业级应用而专门开发的，即网络部件能满足极其严格的要求，尤其是在易受外部干扰的应用场合，如电磁干扰、腐蚀性液体和气体、有爆炸危险等。

SIMATIC NET网络总线允许所有系统部件之间统一和无故障的通信，这些部件包括：工程师站、操作员站、自动化系统、I／O和现场设备。SIMATIC NET网络按照层次分为两层：上层为最新的工业以太网，下层为Profibus现场总线，网络系统构成如图7-15所示。

（1）工业以太网。SIMATIC PCS 7采用快速工业以太网以满足电厂高速通信和高可靠性的要求。由于采用全双工的交换传输机制，其通信速率可达100 Mbps，并采用光纤交换模块OSM来实现高速通信，它有2个100 Mbps的光纤端口和6个10／100 Mbps的ITP接口，光纤端口用于连接100 Mbps的通信主干线，ITP接口则用于连接数据终端或网络部件。

由于采用了光纤交换模块OSM，故将该工业以太网组成一个环网，这样在光纤环上就附加提供了能灵活快速配置的冗余，有了冗余配置，可在300 ms内再次恢复全部数据通信传输能力。

（2）Profibus现场总线。在控制器和I／O模块之间，采用Profibus用作控制器与现场设备间快速和循环的数据交换，其速率可达12 Mbps，Profibus完全满足IEC 61158标准的要求，即它是完全开放的，Profibus现场总线采用令牌环原理进行通信，适合用于自动化系统与现场信号单元的通信，以及对现场信号进行采集和监控。

图7-15　电厂控制网络示意图

整个系统采用了20个过程控制机柜，其中，＃1～＃5柜为＃1炉PCS柜；＃6～＃10柜为＃2炉PCS柜；＃11～＃12柜为＃1机PCS柜；＃13～＃14柜为＃2机PCS柜；＃15～＃17柜为辅机PCS柜；＃18～＃20柜为服务器柜和PCS电源柜。

考虑到每台锅炉的测点较多并且控制比较复杂，故采用一对AS417H冗余控制器和一对AS414H冗余控制器。AS417H控制器的主存储器为4 000 KB字节，用来存储代码（Code Memory）和数据（Data Memory）；根据电厂系统的特点，应将AS417H控制器的I／O点数控制在1 500点以内，常用于模拟量调节控制回路；AS414H控制器的主存储器为768 KB字节，约为AS417H容量的四分之一，运行速度比AS417H略快，I／O点数控制在500点以内，常用于顺序控制或保护。汽轮机和辅机各用一对冗余控制器AS417H。整个系统使用6个AS417控制器、3个AS414控制器、79个分散式I／O从站ET200M，所处理的信号如表7-17所示。

表7-17　某电厂控制系统信号表

续表