1、第三章 PROFIBUS 現場總線3.1 PROFIBUS的協議類型3.2 PROFIBUS的通信模型3.3 PROFIBUS的總線設備類型和數據通信3.4 PROFIBUS的總線存取協議3.5 PROFIBUS的應用(系統集成) 3.6 PROFIBUS-DP系統開發3.7 PROFIBUS協議的發展PROFIBUS概述PROFlBUS (Process Fieldbus的縮寫)是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產商的現場總線標準。它廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他自動化領域。PROFIBUS技術的發展經歷了如下過程:1987年由德國SIEMENS公司等13

2、家企業和5家研究機構聯合開發；1989年成為德國工業標準DIN19245；1996年成為歐洲標準EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);1998年PROFIBUS-PA被納入EN50170V.2；1999年PROFIBUS成為國際標準IEC61158的組成部分 (TYPEIII)；2001年成為中國的機械行業標準JB/T10308-3-2001。PROFIBUSPROFIBUS由以下三個兼容部分組成由以下三個兼容部分組成: :1.PROFIBUS-DP:用于傳感器和執行器級的高速數據傳輸，它以DIN19245的第一部分為基礎，根據其所需要達到的目標對通信功能加以擴充，DP的傳輸

3、速率可達12Mbit/s，一般構成單主站系統，主站、從站間采用循環數據傳輸方式工作。2. PA具有本質安全特性，它實現了IEC1158-2規定的通信規程。 PROFIBUS-PA是PROFIBUS的過程自動化解決方案，PA將自動化系統和過程控制系統與現場設備，如壓力、溫度和液位變送器等連接起來，代替了4-20mA模擬信號傳輸技術。因此，PA尤其適用于石油、化工、冶金等行業的過程自動化控制系統。3.PROFIBUS-FMS:解決車間一級通用性通信任務，FMS提供大量的通信服務，用以完成以中等傳輸速率進行的循環和非循環的通信任務。由于它是完成控制器和智能現場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換，

4、因此它考慮的主要是系統的功能而不是系統響應時間，應用過程通常要求的是隨機的信息交換 (如改變設定參數等)。可用于大范圍和復雜的通信系統。PROFIBUS 協議的特點1) 不支持長信息段235B2)不支持短信息組塊功能3)本規范不提供由網絡層支持運行的功能4)除規定的最小組態外，根據應用需求可以建立任意的服務子集。5)其他功能是可選的，如口令保護方法等。6)網絡拓撲是總線形，兩端帶終端器或不帶終端器。7)介質、距離、站點數取決于信號特性。8)傳輸速率取決于網絡拓撲和總線長度，從9.6kbit/s到l2Mbit/s不等。9)可選第二種介質 (冗余)。10)在傳輸時，使用半雙工，異步，滑差 (Sli

5、pe)保護同步 。11)報文數據的完整性，用海明距離 (HD)=412)地址定義范圍為:0127(對廣播相群播而言，127是全局地址)。13)使用兩類站:主站 (主動站，具有總線存取控制權)和從站 (被動站，沒有總線存取控制權)。14)總線存取基于混合、分散、集中3種方式。15)數據傳輸服務有兩類: 非循環的:有/無應答要求的發送數據;有應答要求的發送和請求數據。循環的 (輪詢):有應答要求的發送和請求數據。3.1 PROFIBUS的協議類型 PROFIBUS通信模型參照了ISO/OSI參考模型的第1層（物理層）和第2層（數據鏈路層），其中FMS還采用了第7層（應用層）,另外增加了用戶層。PR

6、OFIBUSDP和PROFIBUSFMS的第1層和第2層相同， PROFIBUS-FMS有第7層，PROFIBUSDP無第7層。PROFIBUSPA有第1層和第2層，但與DP/FMS有區別，無第7層。PROFIBUS通信模型通信模型 3.2 PROFIBUS的通信模型3.2.1 物理層3.2.2 現場總線數據鏈路層3.2.3 應用層3.2.1 物理層1.DP/FMS(RS-485)1.DP/FMS(RS-485)的物理層的物理層2.DP/FMS(2.DP/FMS(光纖電纜光纖電纜) )的物理層的物理層3.PA3.PA的物理層的物理層3.2.1 3.2.1 物理層物理層1.DP/FMS(RS-4

7、85)1.DP/FMS(RS-485)的物理層的物理層屏蔽雙絞電纜符合EIA RS-485標準(也稱H2)總線段的兩端各有一個終端器傳輸速率從9.6kbit/s到12Mbit/s可選RS-485總線段的結構 RS485總線段的結構.BA 最多32個站 VP(6)390220390DGND(5) VP(6)390220390DGND(5)RS485段（1 1）傳輸程序）傳輸程序半雙工、異步、無間隙同步NRZ（不歸零）編碼“1”RXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）線上的正電位，而在RXD/TXD-N線上則正相反。各報文的空閑（idle）狀態對應于二進制“1”信號A線

8、對應于RXD/TXD-N信號，而B線對應于RXD/TXD-P信號。（2 2）總線連接）總線連接國際性的PROFIBUS標準EN50170推薦使用9針D型連接器用于總線站與總線的相互連接（9針頭）。D型連接器的插座與總線站相連接，而D型連接器的插頭與總線電纜相連接。(3)(3)總線終端器總線終端器根據EIA RS-485標準，在數據線A和B兩端均加接總線終端器。空閑狀態：確定的空閑電位。可以由跳接器或開關來啟動。傳輸速率大于1.5Mbit/s時，由于所連接站的電容性負載而引起導線反射，因此必須使用附加有軸向電感的總線連接插頭。（4 4）傳輸技術）傳輸技術網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電

9、阻；傳輸速率： 9.6kbit/s12Mbit/s；介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件（EMC）；站點數：每段32站（無中繼），127站（有中繼）；插頭連接：9針D型插頭（5）拓撲結構）拓撲結構2.DP/FMS(2.DP/FMS(光纖電纜光纖電纜) )的物理層的物理層PROFIBUS第1層的另一種類型是通過光纖導體中光的傳輸來傳送數據。站之間的距離最大到15km。用玻璃或塑料纖維制成的光纖電纜可用作傳輸介質。玻璃光纖能處理的連接距離達到15km，而塑料光纖只能達到80m。連接技術連接技術(1)OLM技術 (Optical Link Module)(2)OLP技術 (Optical

10、 Link Plug)（3）集成的光纖電纜連接使用集成在設備中的光纖接口將PROFIBUS節點與光纖電纜直接連接。（4）OBT（Optical Fiber Bus Terminal，光纖總線終端） 一個不帶集成纖維光纜接頭的PROFIBUS站或一個RS-485段可以通過OBT連接到一個光纖電路。3.PA3.PA的物理層的物理層（1）數據傳輸非直流傳輸的位同步、曼徹斯特編碼 (也稱H1編碼)。數據的發送采用對總線系統的基本電流IB調節9mA的方法實現 。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的數據傳輸的數據傳輸（2）總線連接）總線連接 （PA 總線段的結構）總線段的結構）（3）拓撲結構）拓

11、撲結構樹型結構是典型的現場安裝技術，現場分配器負責連接現場設備與主干總線，所有連接在現場總線上的設備通過現場分配器進行并行切換。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA圖3-11 樹型結構PROFIBUS-DP終端電阻終端電阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器供電設備（Exi）多路分配器現場設備現場設備現場設備現場設備控制室現場總線型結構：提供了與供電電路安裝類似的沿現場總線電纜的連接點，現場總線電纜可通過現場設備連接成回路，其分支線也可連接一個或多個現場設備。終端電阻圖3-12 總線型結構終端電阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/ PA耦合器（Exi）控制器供電設備（Ex

12、i）控制室現場現場設備現場設備現場設備現場設備現場設備樹型與線型的組合結構：基于IEC61158-2傳輸技術總線段與基于RS485傳輸技術總線段可以通過DP/PA耦合器或鏈接器相連，耦合器使RS485信號和IEC61158-2信號相適配。供電設備（Exi）圖3-13 樹型與線型的組合結構II PROFIBUS-PA/ IEC61158-2PROFIBUS-DP終端電阻終端電阻DP/ PA耦合器（Exi）控制器現場設備現場設備控制室現場I I I多路分配器現場設備現場設備現場設備外接電源非本質安全區本質安全區（4 4） IECl158-2IECl158-2傳輸技術特性傳輸技術特性：數據傳輸:數字

13、式、位同步、曼徹斯特編碼;傳輸速率:31.25kbit/s，電壓式;數據可靠性:前同步信號，采用起始和終止界定符避免誤差;電纜:雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式;遠程電源供電:可選附件，通過數據線;防爆型:能進行本征及非本征安全操作;拓撲:總線形或樹形，或兩者相組合;站數:每段最多32個，總數最多為126個;中繼器:最多可擴展至4臺。3.2.2 現場總線數據鏈路層根據OSI參考模型，數據鏈路層規定總線存取控制、數據安全性以及傳輸協議和報文的處理。在PROFIBUS中，數據鏈路層 (第2層)稱為FDL層 (現場總線數據鏈路層)。PROFIBUS的報文格式PROFIBUS的報文格式：1.有固定信息字段長度

14、的格式2.帶數據的有固定信息字段長度的格式3.有可變信息字段長度的格式4.短應答5.令牌報文L:信息字段長度。SC(單字符):單字符，僅用于應答。SD1SD4(起始界定符):起始字節，用于區別不同的報文格式。LE/LEr:長度字節，指出可變長報文中信息字段的長度。DA(目的地址):目的地址字節，指出將接收此信息的站。FC(幀控制):控制字節，包含用于此信息的服務和此信息的優先權的詳細說明。DU:數據單元，包含報文的有用信息，必要時還包含擴展地址的詳細說明。FCS(幀校驗順序):校驗字節，包含報文校驗和 (不進位地加所有報文字節的和)。ED(終止界定符):終止字節，指出此報文終止。第2層報文格式

15、提供高級的傳輸安全性，海明距離HD=4。檢查以下類型錯誤： 字符格式出錯 (奇偶校驗，溢出，幀出錯) 協議出錯 起始和終止界定符出錯 幀校驗字節出錯點對點的數據傳輸廣播和群播通信的多點傳輸第2層提供的數據服務如下:1)發送數據需應答 (SDA)2)發送數據無需應答 (SDN）3）發送和請求數據需回答 (SRD)4）循環地發送和請求數據需回答 (CSRD)。上一層通過第2層的SAP(服務存取點)調用這些服務：SSAP(源服務存取點)和DSAP(目的服務存取點)。3.2.3 應用層PROFIBUS的應用層由FMS接口(現場總線報文規范)和LLI接口(低層接口)組成。在不同的應用中，具體需要的功能范

16、圍必須與具體應用相適應，這些適應性定義稱為行規。行規提供了設備的可互換性，保證不同廠商生產的設備具有相同的通信功能。l. PROFIBUS-FMSl. PROFIBUS-FMS行規行規（1）控制器間的通信 (3.002):可編程控制器 (PLC)之間通信的FMS服務。（2）樓宇自動化行規 (3.001):對樓宇自動化系統使用FMS進行監視、閉環和開環控制、操作控制、報警處理及系統檔案管理作了描述。（3）低壓開關設備 (3.032):通過FMS在通信過程中低壓開關設備的應用行為。2.PROFIBUS-DP行規行規PROFIBUS-DP只使用了第1層和第2層。而用戶接口定義了PROFIBUS-DP

17、設備可使用的應用功能以及各種類型的系統和設備的行為特性。（1）NC/RC行規 (3.052):機床和裝配機器人（2）編碼器行規 (3.062):回轉式、轉角式和線性編碼器與PROFlBUS-DP的連接。（3）變速傳動行規 (3.071):傳動技術設備生產廠商共同制定了PROFIDRIVE行規。（4）操作員控制和過程監視行規 (HMI):通過PROFIBUS-DP與更高一級自動化部件的連接。3.PROFIBUS-PA3.PROFIBUS-PA行規行規PROFIBUS-PA行規保證了不同廠商所生產的現場設備的互換性和互操作性，PA行規的任務是選用各種類型現場設備真正需要的通信功能，對所有通用的測量

18、變送器和其他被選類型的設備作了具體規定:（1）壓力、液位、溫度和流量用測量變送器（2）數字量輸人和輸出（3）模擬量輸人和輸出（4）閥門（5）定位器3.3 PROFIBUS-DP的總線設備類型和數據通信3.3.1 概述3.3.2 DP設備類型3.3.3 DP設備之間的通信3.3.4 PROFIBUS-DP循環3.3.5 采用交叉通信的數據交換3.3.6 設備數據庫文件3.3.1 概述PROFIBUS-DP協議是為自動化制造工廠中分散的I/0設備和現場設備所需要的高速數據通信而設計的。典型的DP配置是單主站結構DP主站與DP從站間的通信基于主-從原理，一個報文循環由DP主站發出的請求幀 (輪詢報文

19、)和由DP從站返回的有關應答或響應幀組成。單 主 站 結 構在DP主站上處理輪詢表的情況多主站結構3.3.2 DP設備類型1. DP主站（1類）循環地與DP從站交換用戶數據：PLC、PC或可以做1類主站使用的控制器。通信任務：(l)Set_Prm和Chk_Cfg在啟動、重啟動和數據傳輸階段，DP主站發送參數集給DP從站。(2)Data一Exchange循環地與指定DP從站進行輸人/輸出數據交換。(3)Slave_Diag在啟動期間或循環的用戶數據交換期間，讀取DP從站的診斷信息。(4)Global_ControlDP主站將它的運行狀態告知給各DP從站；將控制命令發送給個別從站或規定的DP從站組

20、，以實現輸出數據和輸人數據的同步 (Sync和Freeze命令)。2.DP從站：PLC、分散式I/O、驅動器、傳感器、執行機構等現場設備。DP從站只與裝載此從站的參數并組態它的DP主站交換用戶數據。DP從站可以向此主站報告本地診斷中斷和過程中斷。3.DP主站 (2類)2類DP主站是操作元工作站、編程裝置，診斷和管理設備，完成各站點的數據讀寫、系統配置、故障診斷等。特殊功能:(l)RD_Inp和RD_Outp在與l類DP主站進行數據通信的同時，讀取DP從站的輸人和輸出數據。(2)Get_Cfg讀取DP從站的當前組態數據。(3)Set_Slave_AddDP主站 (2類)分配一個新的總線地址給一個

21、DP從站。4.DP組合設備可以將l類DP主站、2類DP主站和DP從站組合在一個硬件模塊中形成一個DP組合設備。這樣的設備是很常見的，一些典型的設備組合如下:（1）l類DP主站與2類DP主站的組合（2）DP從站與l類DP主站的組合3.3.3 DP設備之間的通信l.DPl.DP通信關系和通信關系和DPDP數據交換數據交換通信作業的發起者：請求方，通信伙伴：響應方。l類DP主站的請求報文以第2層中的“高優先權”報文服務級別處理。由DP從站發出的響應報文使用第2層中的“低優先權”報文服務級別。DP從站可將當前出現的診斷中斷或狀態事件通知給DP主站，通過將Data_Exchange的響應報文服務級別從

22、低優先權改變為高優先權來實現。各類DP設備間的通信關系2.初始化階段，重啟動和用戶數據通信初始化階段，重啟動和用戶數據通信DP主站檢查DP從站是否在總線上DP主站通過請求從站的診斷數據來檢查DP從站的準備情況DP主站定義DP從站的參數并組態此從站DP主站循環地與DP從站交換用戶數據DP從站初始化(1)參數數據 (Set_Prm):參數集包括預定給DP從站的重要的本地和全局參數、特征和功能。Station Status:與從站有關的功能和設定 Watchdog: (定時監視器，“看門狗”)檢查DP主站的故障Ident_Number:DP從站的標識號,由PNO在認證時規定的DP從站的標識號放在此設

23、備的主要文件中。Group一Ident:將DP從站分組組合，以便使用Sync和Freeze控制命令。User_Prm_Data:DP從站參數數據 (User_Prm_Data)為DP從站規定了有關應用數據。（2）組態數據(Chk_Cfg)在組態數據報文中，DP主站發送標識符格式給DP從站，這些標識符格式告知DP從站要被交換的輸人/輸出區域的范圍和結構。這些區域 (也稱 模塊)是按DP主站和DP從站約定的字節或字結構 (標識符格式)形式定義的。標識符格式允許指定輸人或輸出區域，或各模塊的輸人和輸出區域。（3）診斷數據 (Slave_Diag)在啟動階段，DP主站使用請求診斷數據來檢查DP從站是否

24、存在和是否準備就緒接收參數信息。由DP從站提交的診斷數據包括符合EN50170標準的診斷部分。還包括此DP從站專用的診斷信息。DP從站發送診斷信息告知DP主站它的運行狀態以及發生出錯事件時出錯的原因。（4）用戶數據 (Data_Exchange)DP從站檢查從DP主站接收到的參數和組態信息，如果沒有錯誤而且允許由DP主站請求的設定，則DP從站發送診斷數據報告它已為循環地交換用戶數據準備就緒：DP主站與DP從站交換所組態的用戶數據。DP從站只對由定義它的參數并組態它的l類DP主站發來的Data_Exchange請求幀報文作出反應。其他的用戶數據報文均被此DP從站拒絕。3.3.4 PROFIBUS

25、-DP循環l.PROFIBUS-DP循環的結構一個DP循環包括固定部分和可變部分。固定部分由循環報文構成，它包括總線存取控制(令牌管理和站狀態)和與DP從站的1/0數據通信 (Data_Exchange)。DP循環的可變部分由被控事件的非循環報文構成。單主總線系統中DP循環的結構報文的非循環部分包括下列內容:（1）DP從站初始化階段的數據通信;（2）DP從站診斷功能;（3）2類DP主站通信;（4）DP主站和主站通信;（5）非正常情況下 (Retry)，第2層控制的報式；（6）與DPVl對應的非循環數據通信;（7）PG在線功能;（8）HMl功能。2.2.固定的固定的PROFIBUSDPPROFI

26、BUSDP循環的結構循環的結構對于自動化領域的某些應用來說，固定的DP循環時間和固定的1/0數據交換是有好處的。與正常的DP循環相比較，在DP主站的一個固定的DP循環期內，保留一定的時間用于非循環通信。允許一定數量的非循環報文事件。如果此保留的時間末用完，則通過多次給自己發報文的辦法直到達到所選定的固定總線循環時間為止，這樣就產生了一個暫停時間。固定的PROFIBUS-DP循環的結構3.3.5 采用交叉通信的數據交換交叉通信，也稱之為 “直接通信”，是在SIMATlCS7應用中使用PROFIBUS-DP的另一種數據通信方法。在交叉通信期間，DP從站不用1對1的報文 (從-主)響應DP主站，而用

27、特殊的1對多的報文 (從主)。用交叉通信，通信關系 主-從和 從-從是可能的，但它們并不被所有類型的SIMATICS7 DP主站和從站設備的模塊所支持。3.3.6 設備數據庫文件PROFIBUS設備具有不同的性能特征，特性的不同在于現有功能 (即I/0信號的數量和診斷信息)的不同或可能的總線參數，如波特率和時間的監控不同。為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，這些特性均在電子數據單中具體說明，有時稱為設備數據庫文件或GSD文件。(1)總體說明(2)DP主設備相關規格(3)從設備的相關規格課堂提問：課堂提問：1.數據鏈路層提供哪些數據服務？2.一類主站包括哪些設備？3.DP從站初始化包括哪些

28、內容？4.二類主站包括哪些設備？3.4 PROFIBUS的總線存取控制機制3.4.1 概述3.4.2 PROFIBUS-DP技術簡介3.4.3 PROFIBUS-PA技術簡介3.4.4 PROFIBUS-FMS技術簡介3.4.1 概述3種PROFlBUS(DP、FMS、PA)均使用一致的總線存取協議。數據鏈路層(Fieldbus Data Link，FDL) ：保證數據可靠性技術、傳輸協議和報文處理。介質存取控制 (Medium access controI，MAC)具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發送數據。PROFIBUS協議的設計滿足介質控制的2個基本要求：

29、1)在復雜的自動化系統 (主站)間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。2)在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備 (從站)間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。PROFIBUS總線存取協議，主站之間采用令牌總線機制，主站與從站之間采用主從機制。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規定的時間內得到總線存取權 (令牌)。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發送或讀取信息。3種系統配置：純主-從系統 純主-主系統 混合系統 PROFIBUS總線存取控制機制總線存取控制機制 3.4.

30、2 PROFIBUS-DP技術簡介PROFIBUS-DP用于現場層的高速數據傳輸。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期性地向從站發送輸出信息，總線循環時間必須要比主站 (PLC)程序循環時間短，除周期性用戶數據傳輸外，PROFlBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。l.PROFIBUS-DPl.PROFIBUS-DP的基本功能的基本功能(1)(1)傳輸技術傳輸技術1)RS-485雙絞線或光纜2)波特率從9.6kbit/s-l2Mbit/s(2)(2)總線存取總線存取1)各主站間為令牌傳輸，主站與從站間為主-從傳輸;2)支持單主或多主系統;3)主-從設備，總線上

31、最多站點數為126(3)(3)功能功能1)DP主站和DP從站間的循環用戶數據傳輸;2)各DP從站的動態激活和撤消;3)DP從站組態的檢查;4)強大的診斷功能，三級診斷信息;5)輸人或輸出的同步;6)通過總線給DP從站賦予地址;7)通過總線對DP主站 (DPM1)進行配置;8)每個DP從站最大為246字節的輸人和輸出數據。(4)(4)設備類型設備類型1)第二類DP主站 (DPM2):可編程、可組態、可診斷的設備;2)第一類DP主站 (DPMl):中央可編程控制器，如PLC、PC等;3)DP從站:帶二進制或模擬輸人輸出的驅動器、閥門等。(5)診斷功能分為3類:本站診斷操作:診斷信息表示本站設備的一

32、般操作狀態，如溫度過高，電壓過低。模塊診斷操作:診斷信息表示一個站點的某具體I/O模塊出現故障 (如8位的輸出模塊)。通道診斷操作:診斷信息表示一個單獨的輸人輸出位的故障 (如輸出通道7短路)。(6)(6)系統配置系統配置PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統，這就為系統配置組態提供了高度的靈活性。系統配置的描述包括:站點數目、站點地址和輸人輸出數據的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數。(7)(7)運行模式運行模式1)運行:輸人和輸出數據的循環傳輸。DPM1由DP從站讀取輸人信息并向DP從站寫人輸出信息。2)清除:DPM1讀取DP從站的輸人信息，并使輸出信息保持為故障-安全狀態

33、。3)停止:只能進行主-主數據傳輸，DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。(8)(8)通信通信1)點對點 (用戶數據傳輸)或廣播 (控制指令)。2)循環主-從用戶數據傳輸和非循環主-主數據傳輸。DPM1和DP從站之間的數據傳輸分為3個階段:參數設定、組態配置、數據交換。PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP主主- -主之間的數據通信主之間的數據通信(9)(9)同步同步1)控制指令允許輸人和輸出的同步。2)同步模式:輸出同步。3)鎖定模式:輸人同步。(10)(10)可靠性和保護機制可靠性和保護機制1)所有信息的傳輸在海明距離HD=4進行。2)DP從站帶看門狗定時器。3)DP從站的輸人輸出存取

34、保護。4)DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳輸監視。2.PROFIBUS-DP2.PROFIBUS-DP擴展功能擴展功能DP擴展功能允許非循環的讀寫功能并中斷并行于循環數據傳輸的應答。對從站參數和測量值的非循環存取可用于某些診斷或操作員控制站 (二類主機，DPM2)。DP擴展功能可選，與DP基本功能兼容。DP擴展實現通常采用軟件更新的辦法。 3.4.3 PROFIBUS-PA技術簡介PROFIBUS-PA是PROFIBUS的過程自動化解決方案。PA將自動化系統與現場設備，例如壓力、溫度和液位變送器的過程控制系統連接起來，PA可以取代4-20mA的模擬技術。PA在現場設備的規劃、電纜敷設、調試、

35、投人運行和維護方面可節省成本40以上，并可提供多功能和安全性。1.1.常規的常規的4-2OmA4-2OmA系統與基于系統與基于PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA的系的系統在布線方面的區別統在布線方面的區別2.2.過程工業一應用領域的特殊要求過程工業一應用領域的特殊要求:1)過程自動化獨特的應用行規以及來自不同廠商的現場設備的互換性;2)增加和去除總線站點，即使在本質安全地區也不會影響到其他站點;3)過程自動化中的PPOFIBUS-PA總線段和制造自動化中的PROFIBUS-DP總線段之間通過段耦合器實現通信透明化;4)同樣的兩條線，基于IEC61158-2技術可進行遠程供電和數據傳輸

36、;5)在潛在的爆炸區使用防爆型 本質安全或 非本質安全。3.3. PROFlBUS-PAPROFlBUS-PA總線的數據傳輸總線的數據傳輸 PROFIBUS-PA使用PROFIBUS-DP的基本功能傳輸測量值和狀態，使用PROFIBUS-DP擴展功能對現場設備設置參數及操作。 傳輸采用基于IEC6l158-2的兩線技術。PROFIBUS總線存取協議 (第2層)和IEC6l158-9技術 (第1層)之間的接口在DIN19245系列標準的第4部分中作了規定。 在IEC6l158-2段傳輸時，報文被加上起始和結束界定符。PROFlBUS-PAPROFlBUS-PA總線的數據傳輸總線的數據傳輸3.4.

37、4 PROFIBUS-FMS技術簡介PROFIBUS-FMS：解決車間一級的通信，在這一級可編程控制器 (PLC和PC)主要是互相通信，高級功能比快速系統反應時間更重要。l.PROFIBUS-FMSl.PROFIBUS-FMS的應用層的應用層現場總線信息規范(FMS)描述通信對象和服務低層接口(LLI)用于將FMS適配到第2層2.2.通信對象和對象字典通信對象和對象字典 (OD)(OD)對象字典包括描述、結構和數據類型以及通信對象的內部設備地址和它們在總線上的標志 (索引或名稱)之間的關系。1)頭:包含對象字典結構的有關信息;2)靜態數據類型表:所支持的靜態數據類型列表;3)變量列表的動態列表

38、:所有已知變量表列表;4)動態程序列表:所有已知程序列表。FMS能識別5種通信對象:1)簡單變量;2)數組 (一系列相同類型的簡單變量);3)記錄 (一系列不同類型的簡單變量);4)域;5)事件。FMS可識別2種類型的動態通信對象:1)程序調用;2)變量列表 (一系列簡單變量，數組或記錄)。3.PROFIBUS-FMS3.PROFIBUS-FMS服務服務 FMS服務是ISO9506制造信息規范 (Manufacturing Message Specification, MMS)服務的子集，已在現場總線應用中被優化，而且增加了通信對象管理和網絡管理功能。通過總線的FMS服務的執行用服務序列描述，

39、包括被稱作服務原語的幾個互操作。服務原語描述請求者和應答者之間的互操作。5.PROFIBUS-FMS5.PROFIBUS-FMS和和PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP的混合操作的混合操作 FMS和DP設備可以在同一條總線上的混合操作是PROFlBUS的一個主要優點。兩種協議可以同時在一個設備上執行，這些設備稱作混合設備。能夠進行混合操作是因為兩種協議均使用統一的傳輸技術和總線存取協議，不同的應用功能由第2層的不同的服務存取點區分。3.5 PROFIBUS的應用(系統集成) 3.5.1 PROFIBUS在工廠自動化系統中的位置3.5.2 PROFIBUS控制系統的組成3.5.1 PRO

40、FIBUS在工廠自動化系統中的位置3.5.2 PROFIBUS控制系統的組成1一類主站一類主站指PLC、PC或可做一類主站的控制器。一類主站完成總線通信與管理。2二類主站二類主站指操作員工作站（如PC機加圖形監控軟件）、編程器、操作員接口等。完成各站點的數據讀寫、系統配置、故障診斷等。3從站（1）分散式I/O分散式I/O通常由電源、通信適配器及接線端子組成。分散式I/O不具有程序存儲和程序執行的功能。通信適配器用于接收主站指令，按照主站指令驅動I/O，并將I/O及故障診斷信息返回給主站。（2）PLCPLC 可做PROFIBUS上的一個從站，主站可通過通信間接控制從站PLC的I/O。（3）驅動器

41、、傳感器、執行機構等現場設備帶有PROFIBUS接口的現場設備可作為PROFIBUS從站，可由主站在線完成系統配置、參數修改、數據交換等功能。可進行通信的參數及參數格式由PROFIBUS決定。3.6 PROFIBUS-DP系統開發3.6.1 ASICs介紹3.6.2 PROFIBUS-DP開發包4(kit4)3.6.3 PROFIBUS-DP智能從站節點設計3.6.1 ASICs介紹西門子為PLC之間簡單高速的數字通信提供用戶ASICs。ASICAutomation Special Integrated Circuit參照PROFIBUS DlN19245第1部分和第3部分設計的這些ASICs

42、，支持并可以完全處理PLC站之間的數據通信。ASICs與微處理器結合提供智能從站的解決方案：SPC(Siemens PROFIBUS controller)：基于OSI參考模型的第1層，需要附加一個微處理器用于實現第2層和第7層的功能。 SPC2：集成了第2層的執行總線協議的部分，附加微處理器執行第2層的其余功能 (即接口服務和管理)。 ASPC2：集成了第2層的大部分功能，但仍需要微處理器。可以支持12Mbaud總線。主要用于復雜的主站設計。SPC3：集成了全部PROFTBTTS一DP協議，有效地減輕了處理器的壓力，因此可用于12Mbaud總線。SPC4創支持DP，FMS和PA協議類型，且可

43、以工作于12Mbaud總線。LSPM2(Lean Siemens PROFIBUS Multiplexer)：在自動化工程領域也有一些簡單的設備，如:開關、熱元件，不需要微處理器記錄它們的狀態。主主 要要 內內 容容1.從站通信控制器SPC3 2.相關接口3.主站通信控制芯片ASPC24.網絡接口卡1.1.從站通信控制器從站通信控制器SPC3SPC3SPC3只集成了傳輸技術的部分功能，而沒有集成模擬功能 (RS-485驅動器)、FDL(現場總線數據鏈路Fieldbus Data Link)傳輸協議。它支持接口功能、FMA功能和整個DP從站協議,用戶接口讓用戶很容易訪問第2層。第2層的其余功能

44、(軟件功能和管理)需要通過軟件來實現。2.相關接口（1）ASIC接口方式寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器看門狗定時器等寄存器規定了ASIC硬件的功能和保溫處理過程。（2）PROFIBUS-DP接口（3）通信處理器總線接口（4）UART(通用異步接收器發送器)（5）PROFIBUS接口3.主站通信控制芯片ASPC2Siemens公司生產的主站通信控制器，該通信控制器可以完全處理PROFIBUS EN50170的第一層和第二層，同時ASPC2還為PROFIBUS-DP和使用段藕合器的PROFIBUS-PA提供一個主站。ASPC2通信控制器用作一個DP主站時需要龐大的軟件(約64KB)，PROFIBU

45、SASIC可用于從站應用，鏈接低級設備 (如:控制器、執行器、測量變送器和分散1/0設備)。4.4.網絡接口卡網絡接口卡（1）CP5611 網絡接卡用于工控機連接到PROFIBUS和SlMATIC S7的MPI。支持PROFIBUS的主站和從站、PG/OP、S7通信。OPC Server軟件包已包含在通信軟件供貨，但是需要SOFrNET支持。（2）CP5611與從站通信的過程 當CP5611作為網絡上的主站時，CP5611通過輪詢方式與從站進行通信。通常按地址增序輪詢所有的從站，當與最后一個從站通信完以后，接著再進行下一個周期的通信。這樣就保證所有的數據 (包括輸出數據，輸入數據)都是最新的。

46、主要報文有:令牌報文，固定長度沒有數據單元的報文，固定長度帶數據單元的報文，變數據長度的報文。 （3）CP5613網絡接卡CP5613是Siemens公司推出的基于PCI總線的PROFIBUS-DP網絡接口卡，其報價已包括軟件使用費，目前，一般使用該網絡接口卡。用于工控機連接到PROFIBUS，一個PROFlBUS接口，僅支持DP主站、PG/OP、S7通信。OPCSerVer軟件包已包含在通信軟件供貨。3.6.2 PROFIBUS-DP開發包4(kit4)開發包4(PACKAGE4)是專門對Siemem的從站ASIC芯片SPC3開發而提供的，它包括SPC3與單片微控制器的接口電路圖以及主站和從

47、站的所有源代碼，有了開發包4將會加快用戶PROFIBUS-DP產品的開發，Siemens公司所提供的接口模塊的優點在于開發人員不需要再開發附加的外圍電路，不同的接口模塊可用于各種需求及應用場合。開發包4(PACKAGE4)的組成開發包4 很容易將一個產品快速連接到PROFIBUS-DP上。 1.硬件 2.軟件 3.文檔主站和從站都可以便用PACKAGE4并行開發，最大數據傳輸速率為12Mbit。1.1.硬件硬件(1)(1)IM180IM180主站接口模塊主站接口模塊IMl80可將第三方設備作為主站連接到PROFIBUS-DP上。該模塊可完全獨立完成總線控制。IMl80可將接替PLC、PC、驅動

48、器、人機接口的通信處理任務，最大數據傳輸速率l2Mbit/s。專用集成電路ASPC2芯片可獨立處理總線協議，與主系統的通信通過雙口RAM完成。數據交換由應用程序完成。(2)1(2)1M183-1M183-1從站接口模塊從站接口模塊lM183-1可將第三方設備作為從站簡便的連接到PROFIBUS-DP上。最大數據傳輸速率l2Mbit/s。IM183-1用于智能從站。專用集成電路SPC3芯片可獨立處理總線協議，與主系統的通信通過數據和地址總線，由連接器連接。數據交換操作由應用程序完成。(3)1(3)1M184M184從站接口模塊從站接口模塊lM184可將第三方設備作為從站簡便的連接到PROFlBU

49、S-DP上。最大數據傳輸速率l2Mbit/s。IM184用于簡單從站，如傳感器和執行機構。專用集成電路LSPM2芯片可獨立處理總線協議，與主系統的通信通過連接器連接，因此，輸人輸出信號也必須由連接器的端子提供。2.2.軟件部件軟件部件用于組態總線系統和IM180接口模板的COMPROFIBUS。用于IM183-1和IM180接口模板的固件，它包括主站與從站的源代碼。演示軟件，它特別適宜于開發包的配置。3 3. .文檔文檔Siemens提供相當詳細的資料。Spc3.pdf:從站芯片SPC3的器件手冊;IM180_e.pdf:主站接口板IM180的用戶手冊。3.6.3 PROFIBUS-DP智能從

50、站節點設計從站的設計分兩種：利用現成的從站接口模塊如lM183、1M184開發，這時只要通過1M183/184上的接口開發。利用芯片進行深層次的開發。對于簡單的開發如遠程I/O測控，用LSPM系列就能滿足要求；開發一個比較復雜的智能系統選擇SPC3。1.1.PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP從站智能控制節點從站智能控制節點結構圖結構圖2.2.簡單的簡單的PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP從站結構圖從站結構圖4.FBPRO-8DOA4.FBPRO-8DOA路數字量輸出智能節點的硬件框圖路數字量輸出智能節點的硬件框圖 3.7 PROFIBUS協議的發展3.7.1 PROFIBU

51、S-DPV13.7.2 PROFIBUS-DPV23.7.3 PROFInet3.7.1 PROFIBUS-DPV1PROFIBUS-DPV1主要是增加了非循環服務,并擴大了與2類主站的通信。1.DPM11.DPM1與與DPDP從站之間的擴展數據傳輸從站之間的擴展數據傳輸1類DP主站（DPM1）與DP從站間的非循環數據通信功能是通過附加的服務存取點SAP51來執行的。當連接點成功地建立后，DPM1可通過MSCY-C1（循環連接）來執行循環數據傳輸，并通過MSAC-C1連接進行非循環數據傳輸。(2)DPM2(2)DPM2與從站之間的擴展數據傳輸與從站之間的擴展數據傳輸DP擴展允許一個或多個診斷設

52、備或操作控制設備(DPM2)對DP從站的任何數據塊進行非循環讀寫服務。這種通信是以連接為主進行的，該連接稱之為MSAC-C2。主站在間隔中可以自動插入監視報文（Idle-PDUs），MSAC-C2的連接就提供了由時間控制的自動監視。3.7.2 PROFIBUS-DPV2DPV2解決了從站之間的通信與時間同步等重大問題。PROFIBUS-DPV2可以實現循環通信、非循環通信以及從站之間的通信。DPV2可以根據不同的應用需要開發出專用的行規（Profile），如用于運動控制的PROFIDrive和用于連鎖保護的PROFISafe。3.7.3 PROFInetPROFInet技術是PROFIBUS國

53、際組織在1999年開始發展的新一代通信系統，是分布式自動化標準的現代概念。以互聯網和以太網標準為基礎，簡單且無需作任何改變地將PROFIBUS系統與現有的其它現場總線系統集成，對于滿足從公司管理層到現場層的一致性要求是一個非常重要的方面。它的重大貢獻在于保護了用戶的投資，因為現有系統的部件仍然可應用到PROFInet系統中并不作任何改變。主要內容1.PROFInet部件模型 2.PROFInet運行期 3.PROFInet的網絡結構 4.PROFInet與OPC的數據交換1.PROFInet1.PROFInet部件模型部件模型（1 1）工藝模塊）工藝模塊一個自動化成套裝置或機器的功能是通過對機

54、械、電子/電氣和控制邏輯/軟件規定的交互作用來體現的。根據這個基本原則，PROFInet定義了功能術語，如:機械、電氣/電子和控制邏輯/軟件，從而形成一種工藝模塊，通過軟件部件對這種工藝模塊即PROFInet部件進行建模。（ 2 2 ）PROFInetPROFInet部件部件PROFInet部件代表系統范圍工程設計中的一種工藝模塊。它將其自動化功能封裝在一個軟件部件內，而且從工藝的角度看，它包含一個與其它部件交互作用所需要的變量。這些接口在PROFInet的連接編輯器中可以進行圖形化互連。（3 3）使用）使用XMLXML的部件描述的部件描述PROFInet部件是用XML語言描述的。由此創建的X

55、ML文件包含關于PROFInet部件的功能和對象方面的信息。作為一個庫元素的部件描述硬件描述軟件功能描述部件項目的存儲地點在PROFInet中確定DCOM(分布式的COM)作為PROFInel設備之間的公共應用協議。存取工程設計系統，例如:連接的裝載，診斷數據的讀取，設備參數化和組態，以及連接的建立和部分用戶數據的交換等，PROFInet都是通過DCOM完成的。TCP/IP和DCOM形成了公共的語言，這種語言是所有這些設備所使用的，并能在任何情況下都可用于啟動設備之間的通信。優化的通信通道用于運行階段各種參與設備之間的實時通信。（4 4）實時通信）實時通信為了能滿足自動化中的實時要求，在PRO

56、FInel中規定了優化的實時通信通道軟件實時通道 (SRT通道)，它基于以太網的第2層。這種解決方案極大地減少了通信棧上占用的時間，從而提高了自動化數據的刷新率方面的性能。幾個協議層的去除減少了報文長度；在需要傳輸的數據準備就緒發送以及應用準備就緒處理之前，只需要較少的時間。PROFInet不僅最小化了可編程控制器中的通信棧，而且也對網絡中數據的傳輸進行了優化。當使用標準網絡部件，例如同時從若干設備上裝載數據期間，不可能排除相當大的網絡負載，為了能在這些情況下達到一種最佳的結果，在PROFlnet中按照IEEE802.1q將這些信息包區分為優先級。設備之間的數據流由網絡部件根據此優先級進行控制。PROFInet規范以開放性和一致性為主導，以微軟OLE/COM/DCOM為技術核心，最大限度地實現開放性和可擴展性，并向下兼容傳統工控系統，使分散的智能設備組成的自動化向著模塊化的方向跨進了一大步。（5 5）部件對象模型）部件對象模型 ( (COM)COM) PROFInet使用微軟的COM是面向對象方面的進一步開發，它允許基于預制部件的應用的開發。COM對象基本上由以下部分組成: 接口:帶有方法的完好定義的接口 實現:定義的接口及其語義的實現在COM中，定義單個過程內，一