Profibus现场总线技术

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题目 Profibus现场总线技术综述

专业电子科学与技术

入学年月 2013.9

PROFIBUS现场总线技术综述

摘要:PROFIBUS是一种国际性现场总线标准，本文从PROFIBUS总线的形成、技术参数和特点、应用以及发展前景等几个方面进行阐述。并阐述了PROFIBUS在系统集成方面的应用，具体说明了PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置以及PROFIBUS控制系统的组成，分析了其应用领域。

关键字：PROFIBUS ；现场总线；控制系统

Review of PROFIBUS field bus technology

Abstract: Profibus as an international fieldbus standard, this article state the formation of PROFIBUS field bus, technical parameters and characteristics, application and development prospect. It expounds the application of PROFIBUS in the aspect of system integration, the concrete expression of PROFIBUS in factory automation system of location and composition of PROFIBUS control system, and analyzes its application field.

Key words: Profibus;Fieldbus;Control system

0引言

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。自上世纪80年代以来, 有几种类型的现场总线技术己经发展成熟, 它们是CAN、LONWORKS、PROFIBUS、WORLDFIP、HART、FF现场基金会总线等。PROFIBUS(Process Fieldbus的缩写)是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准，它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。

1 形成

PROFIBUS技术的发展经历了如下过程:

（1）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。

（2）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。（3）1986 年德国开始制订过程现场总线（process field-bus）标准，简称PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制订和产品开发的序幕.

（4）1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发；

（5）1989年成为德国工业标准DIN19245；

（6）1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP);

（7）1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2；

（8）1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分 (TYPEIII)；

（9）2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001；

（10）2006年成为中国的国家标准GB/T20540-2006。

2 PROFIBUS 现场总线系统的技术参数与特点

2.1PROFIBUS通信模型和协议类型

图1Profibus总线通信模型

图1 PROFIBUS的通信模型

PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP，PROFIBUS－PA，PROFIBUS-FMS。

PROFIBUS－DP: 用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率最高可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。它是一种高速低成本通信，使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。

PORFIBUS－PA：具有本质安全特性，它实现了IEC61158-2规定的通信规程。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了4-20mA模拟信号传输技术。因此，PA尤其适用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统，用于过程自动化的总线类型，遵从IEC1158-2标准。

PROFIBUS－FMS：解决车间一级通用性通信任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换 (如改变设定参数等)。可用于大范围和复杂的通信系统。 PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-SIO）作为参考模型的。该模型共有七层。

（1）PROFIBUS－DP：定义了物理层、数据链路层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及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设备的设备行为。

（2）PROFIBUS－FMS：定义了物理层，数据链路层，应用层。应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低层接口(Lower Layer Interface －LLI)。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二层访问接口。

（3）PROFIBUS－PA：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行规。根据IEC1158－2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，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。

图1中，Profibus 是一种多主站系统，可以实现多个控制、配置或可视化系统在一条总线上相互操作。拥有访问权 ( 令牌 ) 的主站无需外部请求就可以发送数据。而从站是一种被动设备，不享有总线访问权。从站只能对接收到的消息进行确认，或者在主站请求时进行发送。波特率支持 9.6k 至 12M 。总线上最多可连接 126 个设备。Profibus 也支持广播和多点通讯。

在协议层，Profubus DP( 分布式外围设备 ) 以及它的不同版本DPV0至DPV2，为不同设备之间进行最佳的通讯提供了广泛的选择。从历史上讲，FMS 是第一个Profibus通讯协议，DP是被设计用于现场级快速数据交换。分布式设备之间的数据交换以循环为主。这就是DP的基本功能(版本DPV0)。随着不同领域应用的特殊需要，基本的DP功能已得到逐