PROFIBUS现场总线技术综述

1  前言
   20世纪80年代中期，现场总线在要实现整个企业的信息集成、要实施综合自动化这一实际需求的驱动下应运而生，它作为现场设备之间互联的控制网络，沟通了生产过程控制设备之间及其更高控制管理网络之间的联系，为彻底打破由于设备之间采用传统的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制等难以实现设备之间以及系统与外界的信息交换的现状创造了条件。随着科学技术的发展，PROFIBUS总线技术应运而生，并构成企业网络的基础[1-2]。

                        图1 PROFIBUS系统组成部分结构图

2  PROFIBUS概述
   PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，并且是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS有PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS等3个兼容部分组成，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案[3-5]。 3  PROFIBUS的组成
  PROFIBUS系统主要由三部分组成，如图1所示。 3.1 PROFIBUS-DP
  PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送，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已进行组态、诊断和报警处理。 PROFIBUS-DP的基本特性： （1）PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。 （2）DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行的。 （3）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。 （4）为了将不同厂家生产的PRO FIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件（电子设备数据库文件）方式描述这些产品的功能参数[6]。 3.2 PROFIBUS-PA
   PROFIBUS—PA适用于PROFIBUS的过程自动化。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、湿度和液位变送器等现场设备连接起来. PROFIBUS—PA的基本特性： （1）适合过程自动化应用的行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性。 （2）增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站。 （3）在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS-DP总线段之间通过耦合器连接，并使之实现两段间的透明通信。 （4）使用与IEC1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。 （5）在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本质安全”或“非本质安全”[7]。 3.3 PROFIBUS-FMS
   PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间监控级通信。在这一层，可编程序控制器（如PLC、PC机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。 PROFIBUS-FMS的基本特性：   （1）PROFIBUS-FMS应用层提供了供用户使用的通信服务。这些服务包括访问变量、程序传递、事件控制等。   （2）PROFIBUS-FMS通信模型：利用通信关系将分散的过程统一到一个共用的过程中。   （3）FMS服务项目是ISO9506制造信息规范服务项目的子集。   （4）低层接口(LLI)：第七层到第二层映射由LLI来解决，其主要任务包括数据流控制和连接监视。用户通过称之为通信关系的逻辑通道与其他应用过程进行通信[8]。

                                图2 PROFIBUS协议结构

4  PROFIBUS的协议结构
   PROFIBUS协议是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互连作为参考模型的，该模型共有7层。具体结构图如图2所示[9-10]。 4.1 PROFIBUS-DP
   PROFIBUS-DP定义了第1、2层和用户接口，第3到第7层未加描述。用户接口规定了用户系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的行为。DP主要用于完成包括诸如可编程控制器、自动控制设备、传感器、执行器间的快速可靠的通信任务。其网络传输速度最快可达12Mb/s。可建成单主站和多主站系统，由于DP的应用占据了PROFIBUS应用的极大比例，并代表了PROFIBUS的技术精华和特点，因而有时也会把PROFIBUS-DP泛指PROFIBUS[11]。 4.2 PROFIBUS-PA
   PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。PROFIBUS-PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA规范。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。 4.3 PROFIBUS-FMS
   PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。它定义了第1、2、7层，应用层包括现场总线信息规范和低层接口。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第2层访问接口。

5  PROFIBUS的传输技术
   PROFIBUS提供了3种数据传输技术：用于DP/FMS的RS-485传输技术，用于PA的IEC1158-2传输技术，光纤传输技术。 5.1用于DP/FMS的RS-485传输技术（H2）
   由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，采用了电缆是屏蔽双绞铜线。RS-485传输技术的基本特性如表1所示。
5.2用于PA的IEC1158-2传输技术（H1）
   IEC1158-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2传输特性如表2所示。 5.3光纤传输技术
   PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输距离。光纤的特性随所用的材料类型而变化，距离小于50m时可用价格低廉的塑料纤维导体，距离小于1km时可使用玻璃纤维导体。

                                 表2 IEC1158-2传输技术特性

6  PROFIBUS的发展现状及发展趋势
6.1 PROFIBUS的发展现状
   （1）多种总线共存，其中PROFIBUS总线的应用贯穿各大领域：据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种现场总线的需求为：过程自动化15%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），医药领域18%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），加工制造15%（PROFIBUS-DP、DeviceNet），交通运输15%（PROFIBUS-DP、DeviceNet），航空、国防34%（PROFIBUS-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet），农业未统计（P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet），楼宇未统计（LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet）。由此可见，随着时间的推移，占有市场80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确，如 FF、PROFIBUS-PA适用于冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制，PROFIBUS-DP、 DeviceNet适用于加工制造业，LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet适用于楼宇、交通运输、农业。但这种划分又不是尽对的，相互之间又互有渗透。   （2）Profibus总线应用领域不断拓展：在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其它领域发展。如Profibus在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程产业。   （3）Profibus总线强大的背景：Profibus总线具有独特国际用户组织，现在已成为德国标准，并以Siemens公司为主要支持。另外，Profibus在竞争中与其它多种总线协调共存。 6.2 PROFIBUS的发展前景
   与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。并大量采用成熟、开放和通用的技术以适用各个领域，目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信设想，已在10多万个成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40%，PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务，并会向着网络结构简单化发展。

                           表1 RS-485传输技术的基本特性

7  结束语
   PROFIBUS作为一种国际性的现场总线标准，在可编程控制器、传感器、执行器、低压电器开关等设备之间传递数据信息，承担控制网络的各项任务，发挥着重大作用。本文通过从不同的角度对PROFIBUS进行简洁明了的阐述，可帮助读者快速的了解PROFIBUS现场总线技术。

作者简介
   阮焱林(1988- ) 男 工学学士，研究方向为电气自动化领域。

参考文献
[1]邹益仁，马增良，蒲维．现场总线控制系统的设计和开发[M]．北京：国防工业出版社，2003． [2]阳宪惠．现场总线技术及其应用(第2版)[M]．北京：清华大学出版社，2008（10）． [3]柴猛．PROFIBUS现场总线技术概述[J]．油气田地面工程，2008(06)． [4]张民．浅谈现场总线的特点及概述[J]．甘肃冶金，2008(03)． [5]于浩洋．PROFIBUS现场总线概述[J]．自动化与仪表，2002(02)． [6]李煌校，于现军．Profibus-DP现场总线技术的应用[J]．中国氯碱，2008(03)． [7]叶彬强．Profibus-PA现场总线技术研究和应用[J]．石油化工自动化，2005(05)． [8]高荣．基于PROFIBUS的FMS研究[J]．机床与液压，2003(03)． [9]谢昊飞，李勇．网络控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2009（4）． [10]周新亚，李刚．PROFIBUS现场总线协议技术特点研究[J]．现代商贸工业，2009(12) ． [11]胥军，李刚炎．PROFIBUS-DP现场总线协议优化研究[J]．自动化博览，2008(03) ．