PROFIBUS总线技术及应用

PROFIBUS总线技术及应用摘要现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种集控制技术、仪表技术和计算机网络技术为一体的先进的工业控制技术。这其中PROFIBUS现场总线是目前较为流行的五种现场总线中较为有仪表性的一种。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EN50170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的开放性和不依赖于厂商的通信设想,已在10多万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份额超过40%。文中介绍了PROFIBUS现场总线的由来、构成、特性及其应用，对PROFIBUS-DP现场总线技术的协议结构进行了阐述。关键词：现场总线；PROFIBUS-DP；协议结构1引言随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,现场总线技术己经成为工业生产过程的必然趋势。现场总线有节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高系统的准确性与可靠性等优点。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是目前最成功的现场总线之一,得到了广泛的应用。它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线,各种自动化设备均可通过同样的接口交换信息。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/OSI参考模型开始研究制订现场总线的德国国家标准ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>于浩洋</Author><Year>2002</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">31</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>于浩洋</author></authors></contributors><auth-address>黑龙江工程学院电子工程系黑龙江哈尔滨150050</auth-address><titles><title>PROFIBUS现场总线概述</title><secondary-title>自动化与仪表</secondary-title></titles><periodical><full-title>自动化与仪表</full-title></periodical><pages>18-21</pages><number>02</number><keywords><keyword>PROFIBUS</keyword><keyword>现场总线</keyword><keyword>控制</keyword><keyword>应用层</keyword><keyword>以太网</keyword></keywords><dates><year>2002</year></dates><isbn>1001-9944</isbn><call-num>12-1148/TP</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"于浩洋,2002#31"1]。2PROFIBUS现场总线的技术概况2.1PROFIBUS现场总线基本原理PROFIBUS由3部分组成：PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification,现场总线报文规范）、PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery，分散型外围设备）、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation，过程自动化）ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈月婷</Author><Year>2007</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[2,3]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">32</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陈月婷</author><author>何芳</author></authors></contributors><auth-address>济南大学控制科学与工程学院,济南大学控制科学与工程学院山东济南250022,山东济南250022</auth-address><titles><title>PROFIBUS现场总线技术及发展分析</title><secondary-title>济南大学学报(自然科学版)</secondary-title></titles><periodical><full-title>济南大学学报(自然科学版)</full-title></periodical><pages>226-230</pages><number>03</number><keywords><keyword>现场总线</keyword><keyword>PROFIBUS-DP</keyword><keyword>传输技术</keyword></keywords><dates><year>2007</year></dates><isbn>1671-3559</isbn><call-num>37-1378/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>黄俊</Author><Year>2003</Year><RecNum>33</RecNum><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">33</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>黄俊</author></authors></contributors><auth-address>重庆钢铁设计研究总院重庆400013</auth-address><titles><title>PROFIBUS现场总线技术及其应用</title><secondary-title>制造业自动化</secondary-title></titles><periodical><full-title>制造业自动化</full-title></periodical><pages>41-44</pages><number>02</number><keywords><keyword>PROFIBUS现场总线</keyword><keyword>应用</keyword></keywords><dates><year>2003</year></dates><isbn>1009-0134</isbn><call-num>11-4389/TP</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"陈月婷,2007#32"2,HYPERLINK\o"黄俊,2003#33"3]。PROFIBUS-FMS：PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信服务。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，用以完成中等传输速度进行的循环与非循环的通信服务，但通信的实时性要求低于现场层。其应用层提供了供用户使用的通信服务，它包括现场总线信息规范FMS及低层接口LLI两部分。PROFIBUS-FMS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设备VFD（VirtualfieldDevice）。在实际现场设备与VFD之间设立一个通信关系表，通信关系表是VFD通信变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>胥军</Author><Year>2008</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">34</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>胥军</author><author>李刚炎</author></authors></contributors><auth-address>武汉理工大学机电工程学院;</auth-address><titles><title>PROFIBUS现场总线FMS协议研究</title><secondary-title>自动化技术与应用</secondary-title></titles><periodical><full-title>自动化技术与应用</full-title></periodical><pages>89-91+88</pages><number>09</number><keywords><keyword>现场总线</keyword><keyword>PROFIBUS-FMS协议</keyword><keyword>SPC4</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><isbn>1003-7241</isbn><call-num>23-1474/TP</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"胥军,2008#34"4]。PROFIBUS-DP：PROFIBUS-DP用于现场层的用于现场层的高速数据传送。在这一级，中央处理器通过高速串行线同分散的现场设备（I/O，驱动器、阀门等）进行通讯。一般情况下，DP构成单主站系统，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。总线循环时间必须比主站程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信，以进行组态、诊断和报警处理ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>高华</Author><Year>2005</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[5,6]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">35</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>高华</author></authors><tertiary-authors><author>姚竹亭,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>PROFIBUS-DP技术研究及其通信接口的开发</title></titles><keywords><keyword>现场总线</keyword><keyword>PROFIBUS-DP</keyword><keyword>协议</keyword><keyword>通信接口</keyword><keyword>开发方案</keyword></keywords><dates><year>2005</year></dates><publisher>中北大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>周益明</Author><Year>2005</Year><RecNum>36</RecNum><record><rec-number>36</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">36</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>周益明</author></authors><tertiary-authors><author>赵敏,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>PROFIBUS-DP现场总线通信研究及智能从站设计</title></titles><keywords><keyword>现场总线</keyword><keyword>PROFIBUS-DP</keyword><keyword>SPC3</keyword><keyword>智能从站</keyword><keyword>通信协议</keyword><keyword>通信接口</keyword></keywords><dates><year>2005</year></dates><publisher>南京航空航天大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"高华,2005#35"5,HYPERLINK\o"周益明,2005#36"6]。PROFIBUS-PA：PROFIBUS-PA适用于PROFIBUS过程自动化。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，并可用来代替4-20mA的模拟技术。PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是PROFIBUS-PA的一个组成部分。它的任务是为各种类型现场设备选用真正需要的通信功能，并提供这些设备功能和设备行为的必要规格。目前，PA行规已对所有通用的变送器和一些设备类型作了具体规定ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>惠敦炎</Author><Year>2001</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[7,8]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">38</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>惠敦炎</author></authors></contributors><auth-address>西门子(中国)有限公司!北京100102</auth-address><titles><title>PROFIBUS-PA网络概述</title><secondary-title>测控技术</secondary-title></titles><periodical><full-title>测控技术</full-title></periodical><pages>8-14</pages><number>03</number><keywords><keyword>PROFIBUS</keyword><keyword>现场总线</keyword><keyword>网络</keyword></keywords><dates><year>2001</year></dates><isbn>1000-8829</isbn><call-num>11-2546/TB</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>叶彬强</Author><Year>2005</Year><RecNum>37</RecNum><record><rec-number>37</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">37</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>叶彬强</author></authors></contributors><auth-address>重庆工学院电子信息与自动化学院重庆400050</auth-address><titles><title>Profibus-PA现场总线技术研究和应用</title><secondary-title>石油化工自动化</secondary-title></titles><periodical><full-title>石油化工自动化</full-title></periodical><pages>67-70</pages><number>05</number><keywords><keyword>Profibus-PA现场总线</keyword><keyword>通信协议</keyword><keyword>接口技术</keyword></keywords><dates><year>2005</year></dates><isbn>1007-7324</isbn><call-num>62-1132/TE</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"惠敦炎,2001#38"7,HYPERLINK\o"叶彬强,2005#37"8]。2.2数据传输技术特性PROFIBUS提供了3种数据传输类型：用于DP和FMS的RS-485传输、用于PA的IEC1158-2传输、用光纤传输ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>刘众</Author><Year>2012</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[9,10]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">40</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>刘众</author></authors><tertiary-authors><author>王道顺,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于PROFIBUS总线的阀门控制系统设计</title></titles><keywords><keyword>现场总线</keyword><keyword>PROFIBUS</keyword><keyword>阀门控制</keyword></keywords><dates><year>2012</year></dates><publisher>大连交通大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>汪文功</Author><Year>2012</Year><RecNum>39</RecNum><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="pwfvezswarf9f2eadpy5xapie0zpr9ap5p2e">39</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>汪文功</author></authors></contributors><auth-address>国网电力科学研究院国电南瑞科技股份有限公司;</auth-address><titles><title>PROFIBUS-DP现场总线数据链路层分析</title><secondary-title>工业仪表与自动化装置</secondary-title></titles><periodical><full-title>工业仪表与自动化装置</full-title></periodical><pages>40-42+54</pages><number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