1引言
隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)總線在20世紀(jì)80年代中期逐漸發(fā)展起來。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS是過程現(xiàn)場(chǎng)總線（ProcessFieldBus）的縮寫。德國(guó)科學(xué)技術(shù)部總結(jié)了20世紀(jì)80年代德國(guó)工業(yè)界自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，為了適應(yīng)分散控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，對(duì)各公司自己定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加以規(guī)范化、公開化，使得不同廠家生產(chǎn)的自動(dòng)控制設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)通信級(jí)互相兼容、遵守同一協(xié)議，以利于提高工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平，于1987年列為德國(guó)國(guó)家項(xiàng)目，由13家大公司（如SIEMENS、ABB、AEG等）及5家研究所經(jīng)過2a多的時(shí)間完成。1991年，PROFIBUS成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245,1996年6月成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10170,1999年加入IEC61158協(xié)議。PROFIBUS已成為應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線之一，廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。
2PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線
2.1PROFIBUS系列
PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA3個(gè)兼容版本。
a.PROFIBUS-DP以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信網(wǎng)絡(luò)，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信。在設(shè)備級(jí)，中央控制器（如PLC、PC）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如I/O、傳感器、閥門、執(zhí)行器等）進(jìn)行通信。DP一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主從站之間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作，最高通信速率可達(dá)12Mbit/s。
b.PROFIBUS-FMS完成車間級(jí)通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)周期性和非周期性通信。目前，PROFIBUS-FMS的作用正在為高速工業(yè)以太網(wǎng)HSE(HighSpeedEthernet)代替。
c.PROFIBUS-PA專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì),用于本質(zhì)安全和現(xiàn)場(chǎng)供電的場(chǎng)合。
2.2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)和傳輸技術(shù)
PROFIBUS協(xié)議根據(jù)ISO74898國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開放系統(tǒng)互連ISO/OSI為參考模型。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)議定義了第1層（物理層）、第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）和第7層（應(yīng)用層）。沒有使用第3層至第6層，這樣可以減少通信開支，增加效率。
2.2.1PROFIBUS的物理層
現(xiàn)場(chǎng)總線的物理層規(guī)定了總線介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹鬏斁嚯x、傳輸速率、站點(diǎn)數(shù)以及總線接口。它提供有關(guān)同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。PROFIBUS提供3種傳輸技術(shù)。
a.DP和FMS的RS485傳輸基本特點(diǎn)見表1。
b.PA的IEC1158-2傳輸基本特點(diǎn)見表2。
c.在電磁干擾很大的環(huán)境下，可以使用光纖導(dǎo)體提高傳輸距離和傳輸速度。許多廠商提供專用的總線插頭可將RS485信號(hào)和光纖信號(hào)互相轉(zhuǎn)換。
2.2.2PROFIBUS的數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要實(shí)現(xiàn)介質(zhì)存取控制MAC和數(shù)據(jù)通信服務(wù)功能。MAC保證令牌的按序傳遞，在任意時(shí)刻總線上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免信息的碰撞延時(shí)。數(shù)據(jù)通信服務(wù)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和廣播通信功能，所有電文海明距離等于4，保證數(shù)據(jù)的完整性。
2.2.3PROFIBUS的應(yīng)用層
在DP和PA中沒有應(yīng)用層，只有復(fù)雜場(chǎng)合使用的FMS中有應(yīng)用層。應(yīng)用層由低層接口LLI和現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范FMS2部分組成，F(xiàn)MS描述通信對(duì)象，提供應(yīng)用服務(wù)；LLI主要實(shí)現(xiàn)將FMS的服務(wù)映射到數(shù)據(jù)鏈路層，通信連接的建立、監(jiān)視和釋放以及數(shù)據(jù)流控制。
3PROFIBUS在控制領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
3.1總線存取協(xié)議——實(shí)時(shí)性
PROFIBUS主站之間采用令牌傳遞方式，主站和從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在確定的時(shí)間片內(nèi)得到總線訪問權(quán)限，主站得到令牌以后，根據(jù)主從關(guān)系表向從站發(fā)送和索取數(shù)據(jù)信息。這種介質(zhì)存取方式確保控制系統(tǒng)需要的實(shí)時(shí)性。例如，主頻200MHz的CPU，300個(gè)I/O點(diǎn)的掃描周期小于50ms。
3.2系統(tǒng)配置靈活
可根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的控制要求，靈活選擇純主—從系統(tǒng)、純主—主系統(tǒng)或多主多從的混合系統(tǒng)。3種系列的PROFIBUS容易集成在一起，DP和FMS使用了同樣的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，因而這2套系統(tǒng)可在一根雙絞線上同時(shí)操作；PA和DP之間使用分段耦合器能方便地集成在一起。
3.3PROFIBUS-PA本質(zhì)安全特性
PROFIBUS-PA支持總線供電。在一條雙絞線上即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。總線的操作電源來自單一供電裝