Profibus现场总线通信方式详解

Profibus是一种广泛应用的数字通信系统，特别适用于工业自动化和过程自动化领域。Profibus适用于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务，Profibus-DP主要侧重于工业自动化，它使用的是RS-485传输技术；Profibus-PA主要侧重于过程自动化，典型的使用MBP-IS传输技术，扩展的Profibus-DP。

1.协议结构

为了满足工业控制不同的要求，西门子采用多种工业通信网络，每种网络可能包含不同的通信协议和通信服务。Profibus以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准，获得众多厂商的支持。

Profibus是目前国际上通用的现场总线标准之一，Profibus总线1987年由西门子公司等13家企业和5家研究机构联合开发，1999年Profibus成为国际标准IEC 61158的组成部分，2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3—2001。

Profibus使用ISO/OSI参考模型的物理层第一层作为其物理层，可以使用多种通信媒体（电、光、红外、导轨以及混合方式），传输速率为9.6 Kb/s～12 Mb/s。每个DP从站的输入数据和输出数据最大为244 B。使用屏蔽双绞线电缆时最长通信距离为9.6 km，使用光缆时最长通信距离为90 km，最多可以接127个从站。

Profibus可以使用灵活的拓扑结构，支持线形、树形、环形结构以及冗余的通信模型。支持基于总线的驱动技术和符合IEC 61508的总线安全通信技术。

Profibus协议结构如图4-21所示，Profibus协议包括以下三个主要部分。

图4-21　Profibus协议结构

1）Profibus-DP

Profibus-DP是一种高速低成本数据传输，用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O（如ET 200）的通信。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间的通信为主从轮询方式，以及这两种方式的混合。一个网络中有若干被动节点（从站），而它的逻辑令牌只含有一个主动令牌（主站），这样的网络为纯主-从系统。

DP是分布式外部设备（decentralized periphery）的缩写。Profibus-DP（简称DP）主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信，特别适用于PLC与现场级分布式I/O设备之间的通信。DP是Profibus中应用最广的通信方式。

Profibus-DP用于连接下列设备：PLC、PC和HMI设备，以及分布式现场设备，如Simatic ET 200和变频器等设备。Profibus-DP的响应速度快，所以很适合在制造业使用。

作为PLC硬件组态的一部分，分布式I/O用STEP 7来组态。通过供货方提供的GSD文件，可以用STEP 7将其他制造商生产的从站设备组态到网络中。

常规站说明（general station description，GSD）文件是可读的ASCII码文本文件，包括通用的、和设备有关的、通信的技术规范。为了将不同厂家生产的Profibus产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件的方式提供这些产品的功能参数，例如I/O点数、诊断信息、传输速率、时间监视等。GSD文件分为总规范、主站规范及与DP从站有关的规范。

如果在STEP 7的硬件组态工具HW Config右边的硬件目录窗口中没有组态时需要的DP从站，应安装制造商提供的GSD文件。GSD文件可以在制造商的网站下载，例如在西门子中文网站的下载中心搜索和下载。

有的S7-300/400 CPU配备有集成的DP接口，S7-200/300/400也可以通过通信处理器（CP）连接到Profibus-DP。

2）Profibus-PA

Profibus-PA用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，使用扩展的Profibus-DP协议。

Profibus-PA由于采用了IEC 1158-2标准，确保了本质安全和通过屏蔽双绞线电缆进行数据传输和供电，可以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。

Profibus-PA采用Profibus-DP的基本功能来传送测量值和状态，并用扩展的Profibus-DP功能来指定现场设备的参数和进行设备操作。Profibus-PA行规保证了不同厂商生产的现场设备的互换性和互操作性。PA行规已对所有通用的测量变送器和其他一些设备类型做了具体规定。(www.xing528.com)

使用DP/PA连接器可以将Profibus-PA设备很方便地集成到Profibus-DP网络中。与Profibus-DP设备一样，Profibus-PA设备也是用制造商的GSD文件来描述。

3）Profibus-FMS

Profibus-FMS可用于车间级监控网络，FMS提供大量的通信服务，用以完成中等级别传输速度进行的循环和非循环的通信服务。

Profibus使用三种传输技术：Profibus DP和Profibus FMS采用相同的传输技术，可使用RS-485屏蔽双绞线电缆传输，或光纤传输；Profibus PA采用IEC 1158-2传输技术。

2.系统配置

Profibus通信规程采用了统一的介质存取协议，此协议由OSI参考模型的第2层来实现。使用上述的介质存取方式，Profibus可以实现以下三种系统配置。

1）纯主-从系统（单主站）

单主系统可实现最短的总线循环时间。以Profibus-DP系统为例，一个单主系统由一个DP-1类主站和1～125个DP-从站组成。

2）纯主-主系统（多主站）

若干主站可以用读功能访问一个从站。以Profibus-DP系统为例，多主系统由多个主设备（1类或2类）和1～124个DP-从设备组成。

3）两种配置的组合系统（多主-多从）

多主-多从系统中，可以按照主-从关系与所有从站通信，也可以按照主-主关系与所有主站通信。Profibus-DP系统中，一条总线最多可以连接126个设备（主站或从站）。

3.设备类型

在整个Profibus应用中，Profibus-DP应用最多、最广泛，可以连接不同厂商提供的符合Profibus-DP协议的设备。Profibus-DP定义以下三种设备类型。

1）DP-1类主设备（DPM1）

DP-1类主设备（DPM1）可构成DP-1类主站。这类设备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，并对总线通信进行控制和管理的中央控制器。典型的设备有：可编程控制器、微机数值控制或计算机等。

2）DP-2类主设备（DPM2）

DP-2类主设备（DPM2）可构成DP-2类主站。这类设备在DP系统初始化时用来生成系统配置，是DP系统中组态或监视工程的工具。除了具有1类主站的功能外，可以读取DP从站的输入/输出数据和当前的组态数据，可以给DP从站分配新的总线地址。属于这一类的装置包括编程器、组态装置和诊断装置、上位机等。

3）DP-从设备

DP-从设备可构成DP从站。这类设备是DP系统中直接连接I/O信号的外围设备。典型DP-从设备有分布式I/O、ET200、变频器、驱动器、阀、操作面板等。