淺談Profibus工業總線及其應用

栗小寬

摘 要：隨著數字計算機的介入，產生了“集中控制”的中央控制計算機系統，隨著微處理器的快速發展和廣泛的應用，設備之間彼此通信、控制，對精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現場總線的產生。Profibus現場總線可分為三個互相兼容版本的通信協議：Profibus-DP主要用于自控系統中單元級和現場級通信；Profibus-FMS用于車間級監控網絡，解決車間級通用性通信任務：Profibus-PA是應用于工業現場控制的過程自動化，該文就Profibus總線做一簡單闡述。

關鍵字：現場總線 通信協議 GSD文件 RS-485

中圖分類號：TD65 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0003-02

Profibus是Process Field Bus（過程現場總線）的簡稱，是上世紀80年代后期由西門子、ABB等著名公司和研究機構按照ISO/OSI參考模型開發并制定的一種現場總線標準，是國際標準IEC61158的組成部分。2001年成為中國機械行業推薦標準，2006年成為中國第一個工業通訊領域現場總線技術國家標準。

1 PROFIBUS現場總線基礎

1.1 Profibus總線的分類

Profibus現場總線可分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個互相兼容版本的通信協議。

（1）Profibus-DP：主要用于自控系統中單元級和現場級通信。取代4mA～20mA或24VDC并行信號線，實現自控系統和分散外圍I/O設備及智能現場儀表之間的數據通信，一般構成單主站系統，適合于加工自動化領域的應用。

（2）Profibus-FMS用于車間級監控網絡，解決車間級通用性通信任務，多用于紡織工業、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執行器、PLC等自動化控制，一般構成實時多主站網絡系統，是一種令牌結構、實時的多主網絡。

（3）Profibus-PA （Process Automation，過程自動化）是應用于工業現場控制的過程自動化，用于安全性要求較高的場合及由總線供電的站點。

1.2 Profibus的通信協議

1.2.1 Profibus的協議結構

Profibus是以OSI參考模型為基礎的。第1層為物理層，定義物理傳輸特性；第2層為數據鏈路層，解決兩個相鄰節點之間的通信問題；第3～6層Profibus未使用；第7層為應用層，定義應用功能，另外加了用戶層，把很多基本功能和擴展功能放在用戶層處理。

1.2.2 總線存取協議

Profibus協議有一些基本要求，如同一級的PLC或者網絡主站之間的通信必須使每一個主站在一定的時間內獲得足夠的機會來處理它自己的通信任務；主站和從站之間應盡可能快速地完成數據的實時傳輸。為此，Profibus使用令牌傳送方式和用于主站與從站之間通信的主從方式。當一個主站獲得了令牌，它就可以擁有主從站通信的總線控制權，而且此地址在整個總線上必須是唯一的。

2 Profibus的傳輸技術

2.1 DP/FMS的RS-485傳輸技術

2.1.1 RS-485傳輸技術的特點

RS-485傳輸過程是建立在半雙工、異步、無間隙同步化的基礎上，數據的發送采用NRZ編碼，這種傳輸技術通常稱之為H2。網絡連接如圖1所示，所有設備都連接在總線上，每個總線段的兩頭均有一個終端電阻。兩個總線終端電阻必須要有電源。傳輸介質采用雙絞屏蔽電纜。每個總線段最多可以連接32個站，站數超過32個則需要使用中繼器來連接各個總線段。使用中繼器時最多可用到127個站，串聯的中繼器一般不超過3個。插頭連接采用9針、D型插頭，插座被安裝在設備上。傳輸速率在9.6～12 Mbps之間選擇。總線的最大傳輸距離取決于傳輸速率，范圍為：100～1000 m。

2.1.2 RS485的數據傳輸格式

2.2 DP/FMS的光纖傳輸技術

在電磁干擾很大的環境，可使用光纖傳輸技術。光纖電纜對電磁干擾不敏感并能保證總線上站與站的電氣隔離?，F在的低損耗玻璃光纖相對于早期發展的傳輸介質，幾乎不受帶寬限制且傳輸距離遠、衰減小。光學傳輸系統由三個基本部分構成：光發送機、光纜和接收光信號的光接收機。

2.3 PA的IEC1158-2傳輸技術

IEC1158-2傳輸技術的特點：

IEC1158-2傳輸技術是一種位同步協議，通常稱為H1，采用曼徹斯特編碼，每段只有一個電源作為供電裝置，當站收發信息時，不向總線供電。數據傳輸采用數字式、位同步、曼徹斯特編碼；傳輸速率為31.25 Kbps，數據可靠性采用起始和終止限定符避免誤差；傳輸介質采用屏蔽雙絞線電纜，也可以采用非屏蔽式雙絞線電纜；遠程電源供電為可選附件，可通過數據總線供電；站點數每段最多有32個站；使用中繼器最多可到127個站；拓撲結構采用總線型、樹型或混合型網絡拓撲結構。

3 Profibus控制系統的配置

3.1 現場設備的分類

根據現場設備是否具有Profibus接口分為現場設備不具備Profibus接口；部分現場設備具有Profibus接口；現場設備都有Profibus接口。

根據現場設備在控制系統中所起的作用不同，可分為1類主站（DPM1）設備、2類主站（DPM2）和從站。1類主站是中央控制器，完成總線通信控制、管理及周期性數據訪問。1類主站是系統必須的。2類主站（DPM2）完成非周期性數據訪問，它可以與1類主站進行通信，也可以與從站進行輸入/輸出數據的通信。Profibus從站是對數據和控制信號進行輸入/輸出的設備。從站在主站的控制下，進行現場輸入信號的采集與控制信號的輸出。

3.2 Profibus控制系統的配置形式

Profibus控制系統的配置有以下幾種結構類型：（1）PLC或其他控制器做1類主站，不設監控站；（2）以PLC或其他控制器做1類主站，監控器通過串口與PLC連接；（3）以PLC或其他控制器做1類主站，監控站連接在Profibus總線上；（4）使用PC+Profibus網卡做1類主站；（5）工業控制PC機+Profibus網卡+SoftPLC。

4 GSD文件

為了將不同公司生產的Profibus產品集成在一起，廠商必須為其產品提供電子設備數據庫文件，即GSD文件。GSD對Profibus設備的特性諸如波特率、信息長度等進行了詳細說明；GSD數據將通信擴大到操作員控制級；基于GSD的組態工具可將不同公司生產的設備進行集成，操作簡單并界面漂亮。GSD是可讀的ASCII文本文件，可以用任何一種ASCII編輯器編輯。GSD文件由若干行組成，每行包括關鍵字及參數。借助于關鍵字，組態工具從GSD讀取組態的設備標識、可調整的參數等。

5 結語

現場總線在工業中得到了廣泛的應用，特別是信息技術和網絡技術的發展給工業總線注入了新的生命力，相信不久的將來現場總線會得到更好的發展和普遍應用。

參考文獻

[1] 郭瓊.現場總線技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2] 張揚.S7-200PLC原理與應用系統設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 龔仲華.S7-200/30/400PLC應用技術—— 提高篇[M].北京：人民郵電出版社，2008.