PROFIBUS概述与应用

PROFIBUS概述与应用
一、PROFIBUS的概述
1 PROFIBUS现场总线技术的产生
早在 20 世纪80年代中期，国外就提出了现场总线，但研究工作进展缓慢，且没有国际标准可以遵循。

直到1984 年，美国仪表协会（ISA ）下属的标准与实施组工作中的 ISA/SP50开始制订现场总线的标准。

1985 年国际电工委员会决定由 Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究工作。

1986 年德国开始制订过程现场总线（Process Fieldbus ）标准，简称为 PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制订和产品开发的序幕。

PROFIBUS 现场总线技术是德国国家科学技术部审视了数字技术发展的必然趋势以及德国工业经济对自控技术的需要，特别在规范化和开放性方面的要求，把它列为德国的国家科技研究项目，从1987 年开始集中了SIEMENS 等13 家公司和5家研究所的力量，按照ISO （国际标准化组织）OSI （开放系统互连参考模型）参考模型开始研究制订现场总线的德国国家标准。

经过两年多的努力，终于完成了制订工作，并于1989年4 月在DIN19245 中发表，成为德国国家现场总线标准。

同年12月一些自愿地在其产品中采用PROFIBUS标准的企业组成用户组织（PNO ），从而使这项标准得到进一步完善，相应的产品也不断地被开发、推广和应用。

1995 年PROFIBUS国际组织（PI）成立，1996年6月PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP 被批准为欧洲现场总线标准 EN50170 V.2,1998年PROFIBUS-PA被批准纳入EN50170 V.2,1999年成为国际标准IEC61158的组成部分。

PROFIBUS 现场总线技术是德国国家科学技术部审视了数字技术发展的必然趋势以及德国工业经济对自控技术的需要，特别在规范化和开放性方面的要求，把它列为德国的国家科技研究项目，从 1987 年开始集中了SIEMENS 等13 家公司和5家研究所的力量，按照 ISO （国际标准化组织）OSI （开放系统互连参考模型）参考模型开始研究制订现场总线的德国国家标准。

经过两年多的努力，终于完成了制订工作，并于1989年4 月在DIN19245 中发表，成为德国国家现场总线标准。

同年12月一些自愿地在其产品中采用 PROFIBUS标准的企业组成用户组织（PNO ），从而使这项标准得到进一步完善，相应的产品也不断地被开发、推广和应用。

1995 年PROFIBUS国际组织（PI）成立，1996年6月PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP 被批准为欧洲现场总线标准 EN50170 V.2,1998年PROFIBUS-PA被批准纳入EN50170 V.2,1999年成为国际标准IEC61158的组成部分。

PROFIBUS 是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标准，主要由三个兼容的协议类型组成，分别是 PROFIBUS-FMS 、PROFIBUS-DP 和 PROFIBUS-PA ，其中符号 DP （ Decentralized
Periphery ）是分散化外围设备的缩写； FMS （ Field Message
Specification ）为现场总线报文规范的缩写； PA （ Process Automation ）则代表过程自动化。

通信网络的成整个通信网络系统共分为 4 级，最低一级是执行器 / 传感器级，采用 AS-i 位总线标准，现场一级采用
PROFIBUS-DP 或 PROFIBUS-PA 现场总线，车间单元一级采PROFIBUS-FMS 现场总线，工厂管理一级使用工业以太网。

作为众多现场总线家族的成员之一，PROFIBUS是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准，也是目前国际上通用的现场总线标准之一。

PROFIBUS是属于单元级、现场级的SIMITAC网络，适用于传输中、小量的数据。

其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合PROFIBUS协议的产品，这些产品可以连接在同一个PROFIBUS网络上。

PROFIBUS是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输
2．PROFIBUS 的分类及区别
PROFIBUS 现场总线标准划分为 PROFIBUS-FMS ， PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 三种不同协议类型
⑴ PROFIBUS-FMS
解决车间级通用性通信任务，为用户提供强有力的通信服务功能选择，实现中等传输速度的周期性和非周期性数据传输。

建立在该协议基础上的网络通信系统，每次数据传输量可达上千个字节，响应时间为毫秒级
⑵ PROFIBUS-DP
专为现场级控制系统与分散 I/O 的高速通信而设计的，数据传输速率范围在 9.6kbps~。

2Mbps 之间，每次可传输的数据量多达 244 个字节，采用周期性通信方式，响应时间为毫秒级，可用于大多数工业领域。

⑶ PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA 协议是需要本质安全或总线供电的设备之间进行数据通信的解决方案，数据传输速率是固定的，其大小为 3。

.25kbps ，每次可传输数据的最大长度为 235 个字节，采用周期性和非周期性通信方式，响应时间为毫秒级.
3 PROFIBUS 现场总线体系结构
•PROFIBUS是具有有限数量站点的单元级和现场级子网 , 最多站点数限制在 127 以内. PROFIBUS 网络结构中共分 4 层 : 最低一层为执行器 / 变送器级的 PROFIBUS-PA, 采用 ASI 位总线(IEC TC17B)标准 ,是专为过程自动化设计的 , 它能够将变送器和执行器连到一根公共总线上 , 使用两根线可以完成供电和数据通讯 : 现场一级采用 PROFIBUS-DP现场总线, 适用于装置一级的自动控制系统与分散 I/O 间的高速数据传输 : 车间单元一级采用 PROFIBUS-FMS 总线 ,适用于小型单元网络中 PLC 通讯以及具有 FMS接口现场设备间通讯 . 工厂一级使用工业以太网络 .
PROFIBUS现场总线网络结构
4OSI 与 PROFIBUS 体系结构的对应关系
PROFIBUS-FMS 、 DP 和 PA 都是以 ISO/OSI 参考模型为基础制定的，三种现场总线协议的整个 PROFIBUS 现场总线体系结构中只包含了 ISO/OSI 参考模型的第。

、 2 和 7 层，即物理层、数据链路层和应用层，另外添加了一个用户层对 PROFIBUS-FMS 、 DP 而言，第 1 、 2 层，即物理层和数据链路层，是相同的，物理层采用符合 RS-485 标准的导线、光纤、连接器和中继器，数据链路层的报文格式也一样。

PROFIBUS-PA 物理层符合 IEC61158.2 物理层规范，而数据链路层与 PROFIBUS-FMS 、 DP 一样，只是增加了与
IEC61158.2 标准的接口。

OSI 参考模型的第 3~6 层， PROFIBUS 中是不用的。

为提高效率， PROFIBUS-DP 、 PA 也不使用第 7 层，只有 PROFIBUS-FMS 在第 7 层设计了现场总线报文规范（ FMS ）和低层接口（ LLI ， Lower Layer Interface ），其目的是为用户提供多种通信服务。

三种协议都有用户层，PROFIBUS-FMS 用户层定义了 FMS 设备行规，该行规定义了与设备制造商无关的设备行为特性； PROFIBUS-DP 在用户层中定义了设备可使用的应用功能，以及各种类型的系统和设备的特性； PROFIBUS-PA 的用户层使用 PROFIBUS-DP 用户层定义的应用功能，以及描述现场设备行为的 PA 行规。

OSI
与
PROFIBUS 体系结构的对应关系
二 PROFIBUS组成的工业网络及其应用
PROFIBUS 是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。

它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等领域自动化。

PROFIBUS不仅有适合于以逻辑顺序控制为主的制造业领域的PROFIBUS-DP技术，也有适合于控制过程复杂、安全性要求严格的石油、化工等以模拟量为主的过程控制领域的PA技术。

在实际应用中PROFIBUS-DP的使用量占到PROFIBUS用量的90%，所以DP在PROFIBUS占有最重要的位置。

PROFIBUS 的主要应用领域是：汽车制造、石油化工、食品工业、矿山、冶炼、包装、运输、造船、装备工业、纺织、交通、制药、水处理等行业。

1 PROFIBUS 在控制领域的技术优势
（1）总线存取协议——实时性
PROFIBUS 主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间采用主从方式。

牌传递程序保证每个主站在确定的时间片内得到总线访问权限，主站得到令牌以后，根据主从关系表向从站发送和索取数据信息。

这种介质存取方式确保控制系统需要的实时性。

例如，主频 200 MHz 的 CPU， 300 个 I/O 点的扫描周期小于 50ms。

（2）系统配置灵活
可根据应用对象的控制要求，灵活选择纯主—从系统、纯主—主系统或多主多从的混合系统。

3 种系列的 PROFIBUS 容易集成在一起， DP 和 FMS 使用了同样的传输技术和总线存取协议，因而这 2 套系统可在一根双绞线上同时操作； PA和 DP 之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。

（3） PROFIBUS-PA 本质安全特性
PROFIBUS-PA 支持总线供电。

在一条双绞线上即可实现数据通信和向现场设备供电。

总线的操作电源来自单一供电装置，不再需要绝缘装置和隔离装置，即使在潜在的爆炸区维修、断开、接通现场设备也不会影响总线上的其它节点。

(4） PROFIBUS 协议硬件实现方便
理论上， PROFIBUS 协议可在任何带有通用异步收发器 UART 的微处理器上实现。

但当传输速率高于 500Kbit/s 时，最好采用专门的 PROFIBUS 协议芯片实现，提供 PROFIBUS 协议芯片的厂家有 IAM、 Motorola、 SIEMENS、Delta、 SMAR 等。

2 PROFIBUS 的各种典型应用
P ROFIBUS-FMS
通用性自动化PROFIBUS-FMS通用—大范围应用—多主通。

PROFIBUS—FMS解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。

PROFIBUS-DP
工厂自动化PROFIBUS-DP快速—即插即用—高效低成本。

PROFIBUS-DP专为自动控制系统和设备级分散的I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0一20 mA并行信号线。

PROFIBUS-DP用于分布式控
制系统的高速数据传输。

PROFIBUS-PA
过程自动化，PROFIBUS-PA面向应用—总线供电—本质安全。

PROFIBUS-PA
专为过程自动化设计，是标准的本质安全的传输技术，实现了IEC。

58-2
中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。

3 PROFIBUS 现场总线的发展趋势
现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。

而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。

从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。

与其它现场总线系统相比， PROFIBUS 的最大优点在于具有稳定的国际标准 EN50。

70 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。

目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。

PROFIBUS 开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在。

0 多万成功应用中得以实现。

市场调查确认，在欧洲市场中 PROFIBUS 占开放性工业现场总线系统的市场份额超过 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。

工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3 协议，如果进一步采用 TCP/IP 协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在 IT 业得到了巨大的成功。

在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。

由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。

可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。

由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一
个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。