PROFIBUS通信协议：理解与应用

1.概述

PROFIBUS是Process Field Bus（过程现场总线）的简称，是1987年由SIEMENS、ABB等13家公司和5家研究机构按照ISO/OSI参考模型联合开发并制定的一种现场总线标准，符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170，也是国际标准IEC61158的组成部分Type3。2001年成为中国机械行业推荐标准JB/T10308-2001，2006年成为中国第一个工业通信领域现场总线技术国家标准GB/T20540-2006。

PROFIBUS产品在欧洲市场占有份额居首位，占有率超过40%；在世界市场份额超过20%，居于所有现场总线之首。根据PNO（PROFIBUS Nutzer Organisation，PROFIBUS用户组织）最新发布的数字，截止2008年，PROFIBUS全球安装节点总数已超过了2800万，预测2012年将突破5000万大关。目前世界上许多自动化设备制造商都为他们生产的设备提供了PROFIBUS接口，PROFIBUS现场总线已广泛应用于加工制造、过程控制、楼宇自动化以及交通电力等应用领域。

PROFIBUS是一种应用广泛的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准，适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务。系统由主站和从站组成，主站能够控制总线、决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息；从站没有控制总线的权力，但可以对接收到的信息给予确认或者当主站发出请求时向主站回应信息。

2.PROFIBUS总线的分类

PROFIBUS现场总线根据应用的特点和用户不同的需要，可分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA三个互相兼容版本的通信协议，其中PROFIBUS-DP的应用最广。

1）PROFIBUS-DP（Distributed Periphery，分布I/O系统）是一种经过优化的高速、廉价的通信连接，主要用于自动化系统中单元级和现场级通信。可取代价格昂贵的4～20mA或DC24V并行信号线，实现自控系统和分散外围I/O设备及智能现场仪表之间的高速数据通信，传输速率达12Mbit/s，一般构成单主站系统，适合于加工自动化领域的应用。

2）PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，现场总线信息规范）可以用于车间级监控网络，主要解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务，多用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、PLC等自动化控制，一般构成实时多主站网络系统，是一种令牌结构、实时的多主网络。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是响应时间，主要用于大范围的、复杂的通信系统。

3）PROFIBUS-PA（Process Automation，过程自动化）是应用于工业现场控制的过程自动化，遵从IEC1158-2标准，提供标准的本质安全的传输技术，一般用于安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。

采用PROFIBUS标准系统，不同制造商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可实现通信，PROFIBUS可用于高速并对时间苛求的数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合，如图9-17所示。其中现场级由现场智能设备、现场智能仪表、DP/PA耦合器等设备构成，涉及PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA两种通信协议。

图9-17 PROFIBUS应用范围示意图

3.PROFIBUS的协议结构

PROFIBUS是根据ISO7498国际标准，以OSI参考模型为基础的。第1层为物理层，用来定义物理传输特性；第2层为数据链路层，用来解决两个相邻节点之间的通信问题；第3～6层PROFIBUS未使用；第7层为应用层，用来定义应用功能。协议结构示意图如9-18所示。

图9-18 PROFIBUS协议结构示意图

（1）PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP定义了第1、2层和用户接口层。直接数据链路映像程序（DDLM）提供对第2层的访问，第3～7层未加描述，这种简化的协议结构保证了数据传输的快速性和有效性。该模型提供了RS-485传输技术和光纤传输技术；详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为；定义了用户、系统以及不同设备可以调用的应用功能。特别适合可编程控制器与现场分散的I/O设备之间的快速通信。

（2）PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS定义了第1、2层和第7层，第3～6层没有定义。第7层由现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification，FMS）和低层接口（Lower Layer Interface，LLI）组成。PROFIBUS-FMS包含应用协议，并向用户提供强有力的通信服务；LLI协调不同的通信关系并向FMS提供不依赖于设备的对第2层访问的接口。

FMS处理单元级的数据通信，功能强大，应用广泛，但近年来随着以工业以太网和TCP/IP协议为基础的PROFINET的应用和普及，其功能逐渐被取代。

由于PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP使用相同的传输技术和总线存取协议，因此它们可以在同一根电缆上同时运行。

（3）PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议进行数据传输，另外它还使用了描述现场设备行为的PA规范。根据IEC1158-2标准，这种传输技术可确保其本质安全，并使现场设备通过总线供电。使用DP/PA耦合器和DP/PA LINK连接器，PROFIBUS-PA设备能很方便地集成到PROFIBUS-DP网络上。

PROFIBUS-PA是为满足过程自动化工程中高速、可靠的通信要求而特别设计的。用PROFIBUS-PA可以把传感器和执行器连接到现场总线上，即使在防爆区域的传感器和执行器也是如此。

4.总线存取协议(www.xing528.com)

PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA均使用一致的总线存取协议，通过OSI参考模型的第2层数据链路层来实现。介质存取控制（Medium Access Control，MAC）必须确保在任何时刻只能由一个站点发送数据。PROFIBUS协议的设计要满足介质控制的两个基本要求：其一，同一级的PLC或主站之间的通信必须使每一个主站在确定的时间范围内能获得足够的机会来处理它自己的通信任务；其二，主站和从站之间应尽可能快速而又简单地完成数据的实时传输。为此，PROFIBUS使用混合的总线存取控制机制来实现上述目标，包括用于主站之间通信的令牌传送方式和用于主站与从站之间通信的主从方式。

当一个主站获得了令牌，它就可以拥有主从站通信的总线控制权，而且此地址在整个总线上必须是唯一的。在一个总线内，最大可使用的站地址范围是在0～126之间，也就是说，一个总线系统最多可以有127个节点。

这种总线存取控制方式可以有以下3种系统配置。

1）纯主-主系统（令牌传送方式）。

2）纯主-从系统（主从方式）。

3）两种方式的组合。

PROFIBUS的总线存取控制符合欧洲EN50170 V.2中规定的令牌总线程序和主-从程序，与所使用的传输介质无关。

（1）令牌总线通信过程

连接到PROFIBUS网络的主站按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环，如图9-19所示。在逻辑令牌环中控制令牌按照事先给定的顺序从一个站传递到下一个站，令牌提供控制总线的权力，并用特殊的令牌帧在主站点间进行传递。具有最高站地址（Highest Address Station，HAS）的主站点例外，它只把令牌传递给具有最低总线地址的主站点，以此使逻辑令牌环闭合。令牌环调度要保证每个主站有足够的时间来完成它的通信任务。令牌经过所有主站点轮转一次所需时间叫做实际令牌循环时间TRR，每一次令牌交换都会计算产生一个新的TRR；用目标令牌时间TTR来规定现场总线系统中令牌轮转一次所允许的最大时间，这个时间是可以调整的；一个主站在获得令牌后，就是通过计算TTR-TRR来确定自己持有令牌的时间TTH。

图9-19 PROFIBUS系统的多主结构示意图

在总线初始化和启动阶段，MAC通过辨认主站点来建立令牌环。为了管理控制令牌，MAC程序首先自动地判定总线上所有主站点的地址，并将这些节点及它们的节点地址都记录在活动主站表（List of Active Master Stations，LAS）中。对于令牌管理而言，有两个地址概念特别重要：一个是前一站（Previous Station，PS）节点的地址，即下一站是从此站接收到令牌的；另一个是下一站（Next Station，NS）节点的地址，即令牌传递给此站。

在运行期间，为了从令牌环中去掉有故障的主站点或增加新的主站点到令牌环中而不影响总线上的数据通信，也需要用到LAS。若一个主站从LAS中自己的PS站收到令牌，则保留令牌并使用总线；若主站收到的令牌帧不是PS站发出的，将认为是一个错误而不接收令牌；如果此令牌帧被再次收到，该主站将认为令牌环已修改，接收令牌并修改自己的LAS。

（2）主/从通信过程

一个网络中有若干个从站，而它的逻辑令牌环只含一个主站，这样的网络就称为纯主-从系统，如图9-20示，此系统不存在令牌的传递。主/从通信允许主站控制它自己所控制的从站，使得从站作出相应的响应；主站要与每一个从站建立一条数据链路；主站可以发送信息给从站或者获取从站信息。

图9-20 PROFIBUS主从通信过程

主/从（Master/Slave，MS）通信方式是PROFIBUS-DP主站与智能从站之间的数据交换方式，可以由PLC的操作系统周期性地自动完成，不需要用户程序进行控制。但用户必须对主站和智能从站之间的通信连接和数据交换区进行配置。

在分布式PLC系统中，PLC可以被设为主站，通过PROFIBUS-DP总线连接分布式I/O从站，如ET200B紧凑型DP从站、ET200M模块式DP从站等，这些从站实质上只是带有PROFIBUS-DP通信处理器的I/O模块，称为标准从站或普通从站。标准从站的I/O被直接并入DP主站的I/O地址区，使用时可以像主站本身的I/O模块一样直接访问标准从站的输入/输出。

但是，对于有些控制系统，可能带有多台PLC或其他带有CPU、存储器等部件的独立控制设备，以实现不同子任务的独立和有效处理。同时，整个控制系统为了实现分散控制、集中管理，将这些设备都挂接在PROFIBUS-DP网络上。这些独立的控制设备在DP网络中被称为“智能从站”。

智能从站本身具有独立的I/O地址区，这些地址可能会与主站的I/O地址相同，因此，DP主站不能直接访问智能从站的输入/输出，而是需要建立输入/输出地址的传输空间，并由智能从站的CPU负责处理地址转换工作。在通信配置时需要注意，被指定用于主站和从站之间交换数据的输入/输出区，不能占据主站安装有I/O模块的物理地址区。

（3）两种方式的组合

一个DP系统可能是多主结构，这意味着一条总线上连接几个主站节点，主站间采用逻辑令牌环、主从站间采用主/从通信的方式传输。

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；主站得到总线控制权时，可与从站进行主/从通信，对从站进行分时轮询传输信息。

在图9-19中，总线系统由3个主站和5个从站构成。3个主站之间构成令牌逻辑环：主站1→主站2→主站3→主站1，当其中一个主站得到令牌报文后，该主站就在一定时间内执行主站工作；在这段时间内，它可依照主-从关系通信表与所有从站通信，也可依照主-主关系通信表与所有主站通信。