昌暉儀表在本文對PROFIBUS的組成、PROFIBUS協議結構、傳輸技術、總線連接器、PROFIBUS介質存取協議和PROFIBUS設備分類做專業介紹，方便儀表技術人員全面熟悉PROFIBUS結構與硬件。
PROFIBUS是目前國際上通用的現場總線標準之一，PR0FIBUS總線是1987年由西門子公司等13家企業和5家研究機構聯合開發，1999年PROFIBUS成為國際標準IEC 61158的組成部分，2001年批準成為中國的行業標準JB/T 10308.3-2001。
PROFIBUS支持主從模式和多主多從模式。對于多主站的模式，在主站之間按令牌傳遞決定對總線的控制權，取得控制權的主站可以向從站發送、獲取信息，實現點對點的通信。
一、PROFIBUS的組成
PROFIBUS協議包括三個主要部分：PROFIBUS-DP(分布式外部設備)、PR0FIBUS-PA(過程自動化)和PR0FIBUS-FMS(現場總線報文規范)。
1、PROFIBUS-DP(分布式外部設備)
PROFIBUS-DP是一種高速低成本數據傳輸，用于自動化系統中單元級控制設備與分布式I/O(例如ET 200)的通信。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間為主從輪詢方式，以及這兩種方式的混合。一個網絡中有若干個被動節點(從站)，而它的邏輯令牌只含有一個主動令牌(主站)，這樣的網絡為純主一從系統。圖1所示為典型的主從PROFIBUS-DP總線,圖中有一個站為主站，其他站都是主站的從站。
圖1 典型的主從PROFTBUS-DP總線
2、PROFIBUS-PA(過程自動化)
PROFIBUS-PA用于過程自動化的現場傳感器和執行器的低速數據傳輸，使用擴展的PROFIBUS-DP協議。傳輸技術采用IEC 1158-2標準，可以用于防爆區域的傳感器和執行器與中央控制系統的通信。使用屏蔽雙絞線電纜，由總線提供電源。典型PROFIBUS-PA系統配置如圖2所示。
圖2 典型PROFIBUS-PA系統配置
3、PR0FIBUS-FMS(現場總線報文規范)
PR0FIBUS-FMS可用于車間級監控網絡，FMS提供大量的通信服務，用以完成中等級傳輸速度進行的循環和非循環的通信服務。對于FMS而言，它考慮的主要是系統功能而不是系統響應時間。如圖3所示，一個典型PROFIBUS-FMS系統由各種智能自動化單元組成，如PC、PLC、HMI等。
圖3 典型PROFIBUS-FMS系統
二、PROFIBUS協議結構
PROFIBUS協議結構以ISO/OSI參考模型為基礎，其協議結構如圖4所示，第1層為物理層，定義了物理的傳輸特性；第2層為數據鏈路層；第3-6層PROFIBUS未使用；第7層為應用層、定義了應用的功能。
圖4 典型的PROFIBUS-FMS系統
PROFIBUS-DP是高效、快速的通信協議，它使用了第1層與第2層及用戶接口，第3-7層未使用。這種簡化的結構確保了DP快速、高效的數據傳輸。
三、傳輸技術
PROFIBUS總線使用兩端有終端的總線拓撲結構、如圖5所示。
圖5 兩端有終端的總線拓撲結構
PROFIBUS使用三種傳輸技術：PROFIBUS DP和PROFIBUS FMS采用相同的傳輸技術，可使用RS485屏蔽雙絞線電纜傳輸或光纖傳輸；PROFIBUS PA采用IEC 1158-2傳輸技術；DP和FMS使用相同的傳輸技術和統一的總線存取協議，可以在同一根電纜上同時運行；DP/FMS符合EIA RS-485標準(也稱為H2)，采用屏蔽或非屏蔽雙絞線電纜，9.6kbit/s-12Mbit/s。一個總線段最多32個站、帶中繼器最多127個站。DP/FMS傳輸距離與傳輸速率有關，3-12Mbit/s時為100m，9.6-93.75kbit/s時為1200m。
另外，為了適應強度很高的電磁干擾環境或使用高速遠距離傳輸，PROFIBUS可使用光纖傳輸技術。
四、PROFIBUS總線連接器
PROFIBUS總線連接器是用于連接PROFIBUS站與電纜實現信號傳輸·帶有內置終端電阻，如圖6所示。
圖6 PROFIBUS總線連接器
五、PROFIBUS介質存取協議
1、PROFIBUS介質存取協議
PROFIBUS通信規程采用了統一的介質存取協議，此協議由OSI參考模型的第2層來實現。PROFIBUS介質存取協議如下:
①在主站間通信時，必須保證在正確的時間間隔內，每個主站都有足夠的時間來完成它的通信任務。
②PLC與從站間通信時，必須快速、簡捷地完成循環，實時地進行數據傳輸。為此，PROFIBUS提供了兩種基本的介質存取控制、即令牌傳遞方式和主從輪循方式。
令牌傳遞方式可以保證每個主站在事先規定的時間間隔內都能獲得總線的控制權。令牌是一種特殊的報文、它在主站之間傳遞著總線控權，每個主站均能按次序獲得一次令牌，傳遞的次序是按地址的升序進行的。主從輪循方式允許主站在獲得總線控制權時可以與從站進行通信，每個主站均可以向從站發送或獲得信息。
2、PROFIBUS系統配置
使用上述的介質存取方式，PROFIBUS可以實現以下三種系統配置：純主-從系統(單主站)、純主-主系統(多主站)和兩種配置的組合系統(多主-多從)。
①純主-從系統(單主站)
單主系統可實現最短的總線循環時間。以PROFIBUS DP系統為例、一個單主系統自一個DP-1類主站和1到最多125個DP-從站組成，典型系統如圖7所示。
圖7 單主站系統
②純主-主系統(多主站)
若干個主站可以用讀功能訪問一個從此。以PROFIBUS-DP系統為例，多主系統由多個主設備(1類或2類)和1到最多124個DP-從設備組成。典型系統如圖7所示。
圖7 多主站系統
③兩種配置的組合系統(多主-多從)
圖7所示為一個由3個主站和7個從站構成的PROFIBUS系統結構的示意圖。由圖7可看出，3個主站構成了一個令牌傳遞的邏輯環，在這個環中，令牌按照系統確定的地址升序從一個主站傳遞給下一個主站。當一個主站得到了令牌后，它就能在一定的時間間隔內執行該主站的任務，可以按主從關系與所有從站通信，也可按主主關系與所有主站通信。
六、PROFIBUS-DP設備分類
PROFIBUS-DP在整個PROFIBUS應用中，應用最多、最廣泛，可以連接不同廠商符合PROFIBUS-DP協議的設備。PROFIBUS-DP定義了三種設備類型：
1、DP-1類主設備
DP-1類主設備(DPM1)可構成DP-1類主站。這類設備是一種在給定的信息循環中與分布式站點(DP從站)交換信息，并對總線通信進行控制和管理的控制器。典型設備如PLC、CNC或PC等。
2、DP-2類主設備
DP-2類主設備(DPM1)可構成DP-2類主站。它是DP網絡中的編程、診斷和管理設備。DPM2除了具有1類主站的功能外，可以讀取DP從站的輸入/輸出數據和當前的組態數據，可以給DP從站分配新的總線地址。如PC、OP、TP等。
3、DP-從設備
DP-從設備可構成DP從站。這類設備是DP系統中直接連接I/O信號的外圍設備。典型DP-從設備有分布式I/O、ET200、變頻器、驅動器、閥、操作面板等。根據它們的用途和配置，可將SIMATIC S7的DP從站設備分為以下幾種：
①分布式I/O(非智能型I/O))由主站統一編址，如ET 200。
②PLC智能DP從站：PLC(智能型I/O)做從站。存儲器中有一片特定區域作為與主站通信的共享數據區。
③具有PROFIBUS-DP接口的其他現場設備。
在DP網絡中、一個從站如果只能被一個主站所控制，那么這個主站是這個從站的1類主站；如果網絡上還有編程器和操作面板控制從站、這個編程器和操作面板是這個從站的2類主站。另外一種情況、在多主網絡中，一個從站只有一個1類主站，1類主站可以對從站
執行發送和接收數據操作，其他主站只能可選擇地接收從站發給1類主站的數據，這樣的主站也是這個從站的2類主站、它不直接控制該從站。各種站的基本功能如圖8所示。
圖8 PROFIBUS-DP基本功能
目前在國內工控領域PROFIBUS總線技術應用較多，如果您對這方面知識有興趣，小編建議您再閱讀《昌暉儀表談Profibus總線的特點和應用》，對PROFIBUS做更深了解。
