深入探讨PROFIBUS-DP的特性与规范

1.PROFIBUS-DP特性

PROFIBUS-DP是一种高速且优化的通信方案，主要用于实现现场级控制系统与分布式I/O及其他现场设备之间的通信，总线周期一般小于10ms。主站（PLC或IPC等）通过标准的专用电缆与分散的现场设备（远程I/O、驱动器、阀门、智能传感器和下层网络等）进行通信，对整个DP网络进行管理和控制。PROFIBUS-DP用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以德国标准DIN 1924的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充。

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，直接数据链路映象（DDLM）为用户接口提供第2层功能映象，用户接口规定了用户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-DP适用于现场级分布式自动化外设之间的高速数据传输（DP的含义为分散的外围设备），传输技术使用RS-485（称为H2），这种结构能保证通信的实时性和系统实现的低成本，在用户接口中使用了定义用户和系统使用的应用功能及描述现场设备行为的行规。

在PROFIBUS-DP用于现场设备级的高速数据传送时，主站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。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性的用户数据传输外，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。PROFIBUS-DP的基本特征如下。

1）速率。在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点的数据传送速率为512kbit/s（输入/输出），在12Mbit/s时只需1ms。

2）诊断功能。扩展的PROFIBUS-DP诊断功能能对故障进行快速定位，诊断信息可在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：

①本站诊断工作：本站设备的一般工作状态，如温度过高、压力过低。

②模块诊断工作：一个站点的某具体I/O模块故障。

③通道诊断工作：一个单独I/O位的故障。

2.PROFIBUS-DP的特点与基本功能

（1）PROFIBUS-DP的特点

1）代替PLC/PC与I/O之间的电缆传输线。

2）快速，传输1KB的输入数据和1KB的输出数据所需时间少于2ms。

3）强有力的工具，减少组态和维护费用。

4）被所有主要的PLC制造商支持。

5）有广泛的产品：PLC、PC、I/O、驱动器、调节阀、编码器等。

6）允许周期性和非周期性地传输数据。

7）网络中可以是单主站或多主站结构，为了安全原因只能有一个主站对相应的从站进行控制（写入数据）。

8）每个站的输入和输出数据最多可达244B。

9）网络中所有从站具有同样的优先权。

10）可以进行循环和非循环通信。一般来说，1类主站和从站间的通信（I/O数据交换）是循环的；和2类主站有关的通信都是非循环的，1类主站和2类主站均可以读取从站的数据。

中央控制器（主站）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。总线循环时间必须要比中央控制器的程序循环时间短，在很多应用场合，程序循环时间约为10ms。

（2）PROFIBUS-DP的基本功能

1）传输技术。采用RS-485双绞线或光缆作为传输介质，传输速率为9.6k～12Mbit/s。双绞线的成本最低，使用方便，能满足大部分使用场合，所以是使用最多的传输介质；光缆用于高速、远距离和对抗干扰要求高的场合，其中玻璃光纤传输的距离最长，但较难装配；塑料光纤传输距离比前者短，但其成本低，装配简单。信号传输距离和使用的传输介质及波特率有关。

PROFIBUS-DP交换数据使用异步传输技术和NRZ（Non Returnto Zero）编码，NRZ编码的二进制信号“0”或“1”的信号电平在信号持续期间维持不变。PROFIBUS的特征码（Character）由11位（bit）组成，即一个起始位（起始位总为0）、8个数据位、一个校验位和一个停止位（停止位总为1）。DP系统运行的过程其实也就是各站之间相互通信、执行主控程序的过程，DP各站的功能实现是靠互相之间交换报文的方式进行的。

2）总线存取。各主站间为令牌传递，主站与从站间为主—从传送。支持单主或多主系统，总线上站点（主—从设备）数最多为126。

3）通信。点对点（用户数据传送）或广播（控制指令），循环主—从用户数据传送和非循环主—主数据传送。

4）运行模式。运行、清除、停止。

5）同步。控制指令允许输入和输出同步，同步模式为输出同步；锁定模式为输入同步。

6）功能。DP主站和DP从站间的循环用户数据传送；各DP从站的动态激活和可激活；DP从站组态的检查；强大的诊断功能，三级诊断信息；输入或输出的同步；通过总线给DP从站赋予地址；通过总线对DP主站（DPM1）进行配置。

7）可靠性和保护机制。所有信息的传输按海明距离HD＝4进行，DP从站带看门狗定时器（WatchdogTimer），对DP从站的I/O进行存取保护，DP主站上的可变定时器可对用户数据传送进行监视。

8）设备类型。第2类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备，第1类DP主站（DPM1）是中央PLC，如PLC、PC等，DP从站是带二进制值或模拟量I/O的驱动器、阀门等。

3.PROFIBUS-DP规范

1996年7月2日，PROFIBUS被欧洲CENELEC TC65CX批准为欧洲标准EN 50170V.2。因此，PROFIBUS-DP规范已经不做修改地被包含在EN 50170中，并以PROFIBUS用户组织制定的行规和导则作为补充。PROF1BUS-DP规范包括物理层、数据链路层和用户层，PRO-FIBUS-DP的协议结构以ISO 7498国际标准化开放式互联网络（OSI）作为参考模型，使用了第1、2层和用户层，隐去了第3～7层，这样确保了数据传输快速和有效地进行，直接数据链路映象（DDLM）适用于外设间的高速数据传输，使用户接口易于进入第2层。具体结构见表1-1。

表1-1 PROFIBUS-DP协议结构

（1）物理层

DP物理层规范主要描述介质和信号特征，涉及第0层和第1层（即ISO/OSI层次模型中的物理介质和物理层PHY）。

1）PHY协议规范。PHY协议规范定义串行现场总线的功能、电气和机械特性，其中串行现场总线是为自动化系统现场的应用而设计的。此规范的目的是花最小的成本使多家制造商生产的现场设备互联，并将它们集成为一个分散的控制系统，且确保实现通信。通常，将这称为“开放系统互联（OSI）”。DP物理层属于类型1，是根据EIA标准RS-485制定的，采用NRZ位编码与EIARS-485信号相结合的技术，它不包含本征安全的要求。类型1规范描述平衡的总线传输。DP物理层定义传输介质以适应不同的应用，它包括长度、拓扑、总线接口、站点数和9.6～1500kbit/s可变的数据传输速率等。DP还规定了不同的物理层，以适应各种应用的需要。

2）PHY服务定义。PHY服务定义包括PHY数据服务的简要描述，这些服务由PHY层提供给FDE层。它支持接收和传输位（FDL符号），这些位是UART字符的元素，每个FDL符号持续1个位时间tⅢT。PHY数据服务包括两个服务原语，其中，请求原语（PHY-DATA.request）由FDL控制器用于请求1个服务；指示原语（PHY-DATA.indication）用来向FDL控制器指示1个接收。

（2）数据链路层

这一层主要描述FDL的数据传输协议规范和管理（FMA）服务。

1）FDL数据传输协议规范。PROFIBUS-DP系统采用由混合介质存取方式实现控制介质存取，对应于令牌传递原理的分散方式是以对应于主从原理的集中方式为基础的。在令牌传递原理中，站地址的升序用令牌帧将令牌从一个主站传送到另一个主站（只有一个主站的DP系统例外），为了封闭逻辑令牌环，具有最高地址的站要传送令牌给具有最低地址的站。在主从原理中，只有获得令牌的主站有权主动向其他站申请工作，其他站只有响应权，从站只能被动地听从主站的安排和支配。另外，报文的交换以循环方式进行。用户数据可以在主动帧（发送）中和回答帧（回答）中传输。应答帧不包含任何用户数据。传输运行方式规定报文循环的时间顺序，分为令牌处理；非循环的请求或发送/请求工作；循环的发送/请求工作，轮询；站的登记四种类型。

2）FDL服务定义。FDL服务通过第2层向用户提供，FMA1/2服务通过与第1层和第2层有关的管理（FMA1/2）实现，无论对控制器的实现，还是对硬件、固件或软件接口的实现均未作规定。FDL服务与物理层类似，数据链路层的服务原语也分为请求原语（FDL-DA-TA.request）和指示原语（FDL-DATA.indica.tion）。数据链路层在交互作用过程中，使用服务原语来实现数据传输服务。为了请求一个服务，用户使用一个请求原语；在一个服务完成，或在有循环重复服务的情况下每一个发送/请求循环之后，将一个确认原语返回给用户。如果在远程站发生意外事件，则用一个指示原语告知远程用户。

（3）管理

第1层和第2层管理FMA1/2用户与PHY和FDL中的逻辑功能之间的错误处理，并且完成第2层MAC子层特定总线参数的设定和第1层PHY的设定，激活或撤消FLC子层和LLI子层之间的服务访问点的管理。FMA1/2功能分为本地功能和远程功能。本地功能有第1层复位、参数的读取和设定、链路服务存取点（LSAP）的激活、组态和解除激活、事件和错误报文、版本标识、确定LSAP组态；远程功能有版本识别、请求LSAP组态、确定活动表。FMA1/2的作用犹如本地FMA1/2用户和第1层、第2层之间的协调者。

从以上协议结构可以看出，每层内部和层与层之间都存在着相互作用的接口，每个数据就是通过各个接口在各层各部分之间的作用进行传输的。PHY用户与PHY的接口就是第0层传输介质与第1层物理层的接口，该接口描述不限制或不约束在现场总线实体中的实现。FDL用户与FDL的接口描述了提供给FDL用户的数据传输服务，这些服务是可选的，用它们的服务原语和相关参数实现。现场总线管理层FMA1/2用户与其接口描述了提供给FMA1/2用户的管理服务（FMA1/2＝现场总线第1层和第2层的管理）以及相关的服务原语和参数。PHY层和FDL层之间接口的物理特性没有特殊规定。经验表明，至少传输数据（TXD）、接收数据（RXD）和发送器启用（请求发送，RTS）这三个信号是必需的。PHY与FMA1/2的接口描述PHY层对FMA1/2提供PHY复位、设定值、读值、事件（可选）。FDL与FMA1/2的接口描述了在FDL对FMA1/2提供的服务中，只有FDL故障与FMA1/2对其用户的FMA1/2事件不同，其余类似。

（4）用户层

在OSI模型基础上增加的用户层规定了标准的功能模块、对象字典和设备描述，供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。DP规范的用户层包括功能和行规，主要是针对DP用户而专门设计的。随着DP技术的不断完善，用户所要求的DP应用领域也在不断扩展。原有的DP规范中所定义的DP基本功能已经不能满足各种应用领域的特殊需求，所以也带动了DP功能的扩展。原有的DP基本功能包括循环的数据交换、站诊断、模块诊断和特点通道的诊断；扩展的功能包括依据过程自动化的需求而增加的功能、非循环数据通信（用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等），还有根据驱动技术的需求而增加的同步从站通信和从站对从站通信等功能。

DP行规定义如下：DP行规等于DP子集（协议规范EN 50170中的DP规范）加DP应用专用的定义（设备要求、应用需求）。其内容包括对工作和装配机器的行规、对编码器的行规、各种速度驱动器的行规、操作员控制和过程监视行规。

4.PROFIBUS-DP系统配置和设备类型

PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括站数、站地址、I/O地址、I/O数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备。(www.xing528.com)

（1）1类DP主站（DPM1）

1类DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1控制器有PLC或PC。它是PROFIBUS-DP应用的中心部件，在一个规定的、重复的信息周期内，中央控制器或PC与分布式从站（DP从站）交换信息。非循环传输的数据与循环的测量值相比不是经常变动的，因此这种数据与快速循环的有用数据一起传输，但它以较低的优先级传输，主站中的中断确认保证由DP从站来的中断可靠传输。

（2）2类DP主站（DPM2）

2类主站是指操作员工作站（如PC加图形监控软件）、编程器、操作员接口等，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。这种类型的设备（如编程器、组态设备或操作设备）用于DP系统的启动、组态或用于正常运行过程（如诊断）中的系统操作，此类型的主站可以读取由设备来的输入、输出、诊断和组态数据。

（3）DP从站

DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，一个DP从站是一个I/O设备，它读取输入信息并向I/O提供输出信息，输入和输出信息数取决于设备类型，最大为244B。

PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，这为系统配置提供了高度的灵活性。在同一总线上最多可连接126个站点（主站或从站）。系统配置的描述包括站数、站地址和I/O地址的分配、I/O数据的格式、诊断信息的格式以及所使用的总线参数。在PROFIBUS-DP单主站系统中，在总线系统运行阶段只有一个活动主站，如图1-6所示

在PROFIBUS-DP多主站系统中，总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的I/O映象，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据，如图1-7所示。PROFIBUS-DP总线的存取过程遵循如下原则：

1）各主站之间采用令牌交换原则，按序交换令牌。

图1-6 PROFIBUS-DP单主站系统

2）从站只能接收主站的请求而产生响应，它不能向主站提出要求。

3）每个主站都有它自己所控制的从站，它不能控制其他主站的从站，但它可以读取其他从站的数据。

4）2类主站可以对任何从站进行读取操作，这种操作是非循环的。

图1-7 多主站系统

5.PROFIBUS用户协议

（1）DPM1和DP从站间的循环数据传输

DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输是DPM1按照确定的顺序自动进行的，在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系做出规定，确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。

DPM1和DP从站间的数据传送分为参数设定、组态和数据交换三个阶段。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接收到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，DP从站才能进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长度以及输入输出数量必须与实际组态一致。

（2）DPM1和系统组态设备间的循环数据传输

除主—从功能外，PROFIBUS-DP允许主—主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。

（3）同步和锁定模式

除DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外，DP主站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送。使用这一功能将打开DP从站的同步锁定模式，用于DP从站的事件控制。

1）同步。主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，指定的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发到外围设备上，用户可通过非同步命令退出同步模式。

2）锁定。锁定控制命令使编址的从站进入锁定模式，锁定模式将指定的从站输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才更新，用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。

（4）扩展DP功能

DP扩展功能是对DP基本功能的补充，与DP基本功能兼容。PROFIBUS-PA使用的DP扩展功能如下：

1）DPM1与DP从站间非循环的数据传输。

2）带DDLM读和DDLM写的非循环读/写功能，可读写从站任何希望数据。

3）报警响应，DP基本功能有允许DP从站用诊断信息向主站自发地传输事件，而新增的DDLNM-ALAM-ACK功能被用来直接响应从DP从站上接收的报警数据。

4）DPM2与从站间的非循环的数据传输。

6.系统行为

PROFIBUS-DP系统行为主要取决于DPM1的工作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态：

1）停止。在这种状态下，DPM1和DP从站之间没有数据传输。

2）清除。在这种状态下，DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。

3）运行。在这种状态下，DPM1处于数据传输阶段，在循环数据通信时，DPM1从DP从站读取输入信息并向从站写入输出信息。

DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DP从站，如图1-8所示。

图1-8 PROFIBUS-DP用户数据传输

如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误，DPM1将所有有关DP从站的输出数据立即转入清除状态，而DP从站将不再发送用户数据。在这之后，DPM1转入清除状态。

7.保护机制

DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视，每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如果数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能“使能”，则DPM1将脱离操作状态，将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。再对DP从站使用看门狗控制器检测主站和传输线路故障。如果在一定的时间间隔内发现没有主机的数据通信，则从站自动将输出进入故障安全状态。

8.PROFIBUS-DP行规

PROFIBUS-DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了PROFIBUS-DP如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员无须关心两者之间的差异，因为与应用有关的参数含义在行规中均做了精确的规定说明。下面是PROFIBUS-DP行规，括号中数字是文件编号：

1）NC/RC行规（3.052）。

2）编码器行规（3.062）。

3）变速传动行规（3.071）。

4）操作员控制和过程监视行规（HMI）。

PROFIBUS-DP主要用于现场级的高速数据传输，解决自动控制系统（如PLC、PC等）与高度分散的现场设备（I/O、驱动器等）之间的通信任务。使用PROFIBUS-DP可取代现场的24V或0～20mA的并行信号传输技术。

自动控制系统与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性的，而对智能化现场设备还需要有非周期性的数据交换（如组态、诊断、报警处理等）。周期性的通信由DP基本功能完成，非周期性的通信由DP扩展功能完成。