Profibus现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的.doc

Profibus现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的，由德国组织开发的工业现场总线协议标准PROFIBUS现场总线标准(DINl9254)。是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线(传输率可达12M波特)，因此在很多领域内有广泛地应用c根据VentureDevelopmenCorp（VDC)的报告，PROFIBUS所占的市场份额最大，也是发展最快的现场总线： Profibus的网络协议是以1SO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化，因此可以说它的标准适应性强c此外它的三种模块(FMS、DP和PA)又可以适应不同的应用对象和通信速率方面白勺要求，开放性也好。 Profibus现场总线基于令睥协议加主从总线的介质存取方式，主站以主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。站点数可达127个。PROFIBUS现场总线技术冯地斌吴波（重庆川仪总厂有限公司重庆北碚，400700）摘要：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。本文主要就PROFIBUS的国内外发展动态、技术特性及应用前景进行了讨论。 关键词：现场总线动态应用前景0前言 PROFIBUS是由13家工业企业和5家科研机构在德国联邦研技部的资助下，于1987年开始联合开发的生产过程现场总线（Process FieldBus）标准规范。自1987年起，PROFIBUS被批准为德国标准DIN19245。其后，一些自愿在其产品中使用该标准规范的企业于1989年12月联合成立了PROFIBUS用户组织（简称PNO）。PNO不断推进现场总线的标准化工作，以适应工业自动化应用市场的需求。到1996年6月30日，PROFIBUS被批准为欧洲现场总线标准的组成部分之一，即EN50170V2，从此EN50170V2取代了DIN19245。经过多年实际应用的考验，PROFIBUS标准技术和产品在世界范围内得到了广泛的推广和应用，并于1995年建立PROFIBUS国际组织（简称PI）。在PI下，到目前为止已在20个国家和地区成立了地区性的PROFIBUS用户组织，会员已超过650家，发展成为现场总线领域内全球最大的联合组织。中国的PROFIBUS用户组织（简称CPO）于1997年7月在北京成立，挂在中国机电一体化技术应用协会。1PROFIBUS适用范围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、电力等其它领域自动化。PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUSDP（Decentralized Periphery）、PROFIBUSPA（Process Automation）、PROFIBUSFMS（FieldbusMessage specification），适用于工厂内车间级和现场级的设备间数字化的数据交换和通信，以实现工厂现场底层到车间级分散式数字控制和现场通信网络化，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（图1）。到目前为止，符合PROFIBUS标准的产品已超过1，500多种，它们分别来自250多家不同生产厂商。在世界范围内，已安装运行的PROFIBUS设备超过2，000，000个。由于符合PROFIBUS标准的设备具有互操作性和互换性，最终用户不仅可以按各自的设计要求不再依赖个别生产厂商而从广泛的产品系列中选择最佳和最经济的产品构成自己的现场总线应用系统，而且还可以节省硬件、工程和安装等成本约40。2PROFIBUS协议结构PROFIBUS协议以国际标准ISO7498开放系统互联网络OSI（Open SystemIntercomection）参考模型为基础，采用了该模型七层中的第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和第七层（应用层），增加了用户接口层。PROFIBUSDPPAFMS均使用了第一层、第二层和用户接口层，FMS还使用了第七层，而DPPA未使用第七层（图2）。 21第一层：定义物理的传输技术现场总线系统的应用在较大程度上取决于选择哪种传输技术，既要考虑简便和经济的因素，在流程自动化的应用场合，数据和电源还必须在同一根电缆上传送，以达到本质安全的要求等。因此，单一的传输技术不可能满足所有要求。为此，PROFIBUS提供可选的三种传输技术：RS485：用于DPFMS，波特率从96kbits到12Mbits。传输距离与波特率有关，每段最多可接32个站（主站从站）。通过中继器（repeater）可以增加段数，距离也相应可延长至10km，总线上的站数最多可达127个。光纤电缆（FO）：用于DPFMS，可选，用于电磁兼容性（EMC）要求高和长距离要求的场合。IEC11582：用于PA，波特率3125kbits，具有本质安全特性，由总线对设备供电。电缆均采用屏蔽不屏蔽双绞线。由于DP和FMS使用同样的传输技术，因此这二个系统可在同一根电缆上同时操作。通过DPPA段藕合器或DPPA段连接器，PA系统能很方便地集成到DP网络中。22第二层：定义总线存取协议PROFIBUSDPPAFMS均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型的第二层来实现的，它还包括数据的可靠性、传输协议和报文处理等。在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层FDL（Fieldbus Data Link）。（1）为了满足工业自动化应用领域对通信方式的各种需求（如集中式、分散式和集中与分散混合式），PROFIBUS总线存取协议提供两种方式：从站之间的令牌（Token）传递存取方式和主站与从站之间的轮询（Polling）存取方式（图3）。 由于这种总线存取方式，可以实现三种系统配置：主主系统，主从系统和混合系统，从而能满足工业自动化各应用领域的需求。（2）数据传输程序的控制由介质存取控制MAC（MediumAccess COMEO1）来实现，在总线系统建立初期，MAC的任务是检查总线上的站点地址并建立逻辑令牌环。令牌环是所有主站的组织链，按主站地址升序构成，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新接入的主站必须加入令牌环。MAC确保在任一时刻只有一个主站具有令牌（总线存取权），令牌在所有主站间循环一周的时间和各主站持有令牌的时间，根据应用系统的要求，经计算后在系统组态时设定。MAC还有监测、检查传输介质及收发器故障、站地址错和令牌错误等功能。（3）数据传输的完整性和可靠性，依靠所有报文的海明距离HD4（Hamming Distance），符合国际标准IEC87051制定的要求。（4）PROFIBUS第二层按非连接的模式操作，提供三种通信方式： 点对点通信；广播通信，即主站向所有其他站（包括主和从）发送信息，不要求回答；有选择的广播通信，即主站向一组站（主和从）发送信息，不要求回答。（5）在PROFIBUSDPPAFMS中，分别使用了第二层服务的不同子集。这些服务通过第二层的服务存取点SAP（Service access point）由上一层调用。在FMS中，这些服务存取点是用来建立逻辑通信系统表，而在DPPA中，对每个服务存取点都赋予一个不同的、定义明确的功能。23第七层和用户接口层（1）PROFIBUSDP未使用第七层，这种结构确保了数据传输的快速和有效。在DP的用户接口层中，直接数据链路映象DDLM（Direct Data Link Mapper）为用户接口进入第二层提供了简捷的途径。除此之外，用户接口中还规定了用户、系统及不同设备可调用的应用功能。DP行规（Profile）详细说明了各种不同DP设备的设备行为等。（2）PROFIBUSPA也未使用第七层，在PA的用户接口层，它以DP基本功能为基础，采用扩展的DP功能。除此之外，还用PA行规描述了现场设备的各种参数和设备行为的各种要求。（3）PROFIBUSFMS使用了第七层（应用层），应用层由现场信息规范FMS（Fieldbus Message specification）和低层接口LLI（Lower LayerInterface）组成。FMS包括应用协议层并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调各种通信关系，并为FMS提供不依赖设备的访问第二层。在用户接口规定FMS设备行规。3PROFIBUSDPPAFMS的主要特性除上述已经说明的PROFIBUS特性外，再分别对DPPAFMS的主要特性作概要叙述。31PROFIBUSDPPROFIBUSDP主要用于现场级的高速数据传输，解决自动控制系统（如PLC、PC等）通过高度分散的现场设备（IO、驱动器等）之间的通信任务。使用PROFIBUSDP可取代现场的24V或020mA的并行信号传输技术。自动控制系统与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性的，而对智能化现场设备还需要有非周期性的数据交换（如组态、诊断、报警处理等）。周期性的通信由DP基本功能完成，非周期性的通信由DP功能完成。PROFIBUS提供了冗余技术，系统冗余和介质冗余。PROFIBUSDP行规PROFIBUSDP协议规定了用户数据怎样在总线各站之间进行传递。DP行规具体说明用户数据的含义，并具体规定了PROFIBUSDP如何在应用领域使用。利用行规，设备操作和最终用户可以互换不同生产厂商生产的设备，甚至还允许互换不同厂商生产的部件，这降低了用户的工程和维护成本。32PROFIBUSPAPROFIBUSPA主要用于流程工业自动化领域。它将自动化系统或过程控制系统与设备（如压力、温度和液位变送器等）通过总线连接起来，并解决它们之间的通信任务。PA采用IEC11582传输技术，现场设备由总线供电，具有本质安全特性。可用于有爆炸危险的区域。使用PROFIBUSPA可取代现行的420mA的模拟技术。（1）PA行规保证了不同生产厂商生产的现场设备具有互换性和互操作性，是PROFIBUSPA的一个组成部分。PA行规的主要任务是选用各类现场设备必须的通信功能，并提供这些设备功能和行为的一切必要的规格、参数等。（2）RS485FO（光纤）和IEC11582传输技术之间可以通过DPPA藕合器（coupler）或PA链接器（Link）相连接，从而使PROFIBUS网络很容易地延伸到有爆炸危险的应用区域。藕合器链接器的主要任务是：将异步数据格式转换为同步数据格式，并将传输速率转换为3125kbits向现场设备供电，限制馈电流（适用于防爆）。藕合器与链接器的区别藕合器与“一根导线”的作用相同，不是系统组态的对象，从总线的角度看，它是不可识别的；链接器应用于对循环时间要求很高和现场设备（仪表）数量很大的场合。每个链接者可连三个藕合器。链接器对上位主站而言它是从站，对它下面连接的现场设备而言它又是主站（图4）。 PROFIBUSPA与ASI（传感器执行器接口）、HART和传统仪表可以混合使用。这为最终用户改造传统的应用系统提供了很大的方便和灵活性，也为设备仪表的生产厂提供了广泛的选择余地。33PROFIBUSFMSPROFIBUSFMS主要用于车间（或单元）级的通信，它的通信是面向对象的。由于这一级处在工厂自动化系统的中间层，起承上启下的作用，因此在这一级高性能的功能要求远比系统的快速反应更为重要。FMS除解决智能现场设备（如PLC、PC、MMI等）之间的通信任务外，还提供了大量的、强有力的管理和服务功能，以适应各种应用需要。它也用于大范围和复杂的通信系统。（1）PROFIBUSFMS应用层包括两部分：现场总线信息、规范（FMS）和低层接口（LLI）。（2）通信模型PROFIBUSFMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中，在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟现场设备VFD（Virtual Field Device）。VFD中部分变量能通过两个通信关系来读写。（3）通信对象和对象字典（OD）FMS面向对象通信，它确认5种静态通信对象：简单变量、数组、记录域和事件，还确认2种动态通信对象：程序调用和变量表。每个FMS设备的所有通信对象都填入对象字典（OD）。对简单设备OD可以定义，对复杂设备OD可以本地或远程通过组态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字典，动态通信对象进入动态通信字典。每个对象均有一个唯一的索引，为避免非授权存取，每个通信对象可选用存取保护。（4）PROFIBUSFMS服务FMS服务项目是ISO9506制造信息规范MMS（Manufacturing Message Specification）服务项目的子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化，而且还加上了通过对象功能的管理和网络管理。PROFIBUSFMS提供了大量的管理和服务，满足了不同设备对通信提出的广泛需求，服务项目的选用取决于特定的应用，具体的应用领域在FMS行规中规定，FMS服务分以下几组：上、下关系管理；区域管理；OD管理；变量存取服务；事件管理；VFD支持服务；程序调用管理（5）低层接口（LLI）第七层到第二层服务的映射由LLI来解决，其主要任务包括数据流控制和联接监视。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。LLI提供了各种类型的通信关系。FMS设备的全部通信关系都列入信息关系表CRL（Communication Relationship List）。每个通信关系通过通信索引（CREF）来查找，CRL中包含了CREF和第二层及LLI地址的关系。（6）网络管理FMS还提供网络管理功能由FMA7（Fieldbus Management Layer7）现场总线管理层7完成。其主要功能有：上、下关系管理、配置管理、故障管理等。（7）PROFIBUSFMS行规FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用。在不同的应用中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求相适应。设备的功能必须结合应用来定义，这些适应性定义称之行规。行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。4PROFIBUS实现的可能性一方面，目前PROFIBUS协议芯片已形成系列产品，使用这些协议芯片使PROFIBUS协议的具体实现简单、方便、省时间省费用，还可达到快速提供产品的目的。另一方面，从原理上，PROFIBUS协议在任何微处理器上都可以实现，在微处理器的内部或外部需要安装异步串行接口（HART）。但当协议的传输速率超过500kbits或需要连接IEC11582传输技术时，还是应该使用协议专用芯片。采取何种方法来实现PROFIBUS协议主要取决于现场设备的复杂程度、它所需要的性能和功能，各种方法所需要的各类硬件和软件均可从市场上多家厂商买到。这些产品已列入PROFIBUS产品指南。为保证PROFIBUS产品的质量和设备的可互操作性和可互换性，PROFIBUS用户组织已据EN45000标准编制了一套产品测试认证程序。在德国和美国已建立了相应的测试实验室，经过测