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2　Profibus協議結構
　　Profibus協議以國際標準ISO7498開放系統互聯網絡OSI（Open SystemIntercomection）參考模型為基礎，采用了該模型七層中的第一層（物理層）、第二層（數據鏈路層）和第七層（應用層），增加了用戶接口層。PROFIBUS－DP／－PA／－FMS均使用了第一層、第二層和用戶接口層，FMS還使用了第七層，而DP／PA未使用第七層（圖2）。

2．1　第一層：定義物理的傳輸技術
　　現場總線系統的應用在較大程度上取決于選擇哪種傳輸技術，既要考慮簡便和經濟的因素，在流程自動化的應用場合，數據和電源還必須在同一根電纜上傳送，以達到本質安全的要求等。因此，單一的傳輸技術不可能滿足所有要求。為此，Profibus提供可選的三種傳輸技術：
　　RS－485：用于DP／FMS，波特率從9．6kbit／s到12Mbit／s。傳輸距離與波特率有關，每段最多可接32個站（主站／從站）。通過中繼器（repeater）可以增加段數，距離也相應可延長至10km，總線上的站數最多可達127個。
　　光纖電纜（FO）：用于DP／FMS，可選，用于電磁兼容性（EMC）要求高和長距離要求的場合。
　　IEC1158－2：用于PA，波特率31．25kbit／s，具有本質安全特性，由總線對設備供電。
　　電纜均采用屏蔽／不屏蔽雙絞線。由于DP和FMS使用同樣的傳輸技術，因此這二個系統可在同一根電纜上同時操作。通過DP／PA段藕合器或DP／PA段連接器，PA系統能很方便地集成到DP網絡中。
2．2　第二層：定義總線存取協議
　　Profibus－DP／－PA／－FMS均使用一致的總線存取協議。該協議是通過OSI參考模型的第二層來實現的，它還包括數據的可靠性、傳輸協議和報文處理等。在PROFIBUS中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層FDL（Fieldbus Data bbbb）。
　?。?SPAN lang=EN-US>1）為了滿足工業自動化應用領域對通信方式的各種需求（如集中式、分散式和集中與分散混合式），Profibus總線存取協議提供兩種方式：從站之間的令牌（Token）傳遞存取方式和主站與從站之間的輪詢（Polling）存取方式（圖3）。

　　由于這種總線存取方式，可以實現三種系統配置：主－主系統，主－從系統和混合系統，從而能滿足工業自動化各應用領域的需求。
　?。?SPAN lang=EN-US>2）數據傳輸程序的控制由介質存取控制MAC（MediumAccess COMEO1）來實現，在總線系統建立初期，MAC的任務是檢查總線上的站點地址并建立邏輯令牌環。令牌環是所有主站的組織鏈，按主站地址升序構成，在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環中排除，新接入的主站必須加入令牌環。MAC確保在任一時刻只有一個主站具有令牌（總線存取權），令牌在所有主站間循環一周的時間和各主站持有令牌的時間，根據應用系統的要求，經計算后在系統組態時設定。MAC還有監測、檢查傳輸介質及收發器故障、站地址錯和令牌錯誤等功能。
　　（3）數據傳輸的完整性和可靠性，依靠所有報文的海明距離HD＝4（Hamming Distance），符合國際標準IEC870－5－1制定的要求。
　　（4）Profibus第二層按非連接的模式操作，提供三種通信方式：
    ·點對點通信；
　　·廣播通信，即主站向所有其他站（包括主和從）發送信息，不要求回答；
　　·有選擇的廣播通信，即主站向一組站（主和從）發送信息，不要求回答。
　　（5）在Profibus－DP／－PA／－FMS中，分別使用了第二層服務的不同子集。這些服務通過第二層的服務存取點SAP（Service access point）由上一層調用。在FMS中，這些服務存取點是用來建立邏輯通信系統表，而在DP／PA中，對每個服務存取點都賦予一個不同的、定義明確的功能。
2．3　第七層和用戶接口層
　?。?SPAN lang=EN-US>1）Profibus－DP未使用第七層，這種結構確保了數據傳輸的快速和有效。在DP的用戶接口層中，直接數據鏈路映象DDLM（Direct Data bbbb Map－per）為用戶接口進入第二層提供了簡捷的途徑。除此之外，用戶接口中還規定了用戶、系統及不同設備可調用的應用功能。DP行規（Profile）詳細說明了各種不同DP設備的設備行為等。
　　（2）Profibus－PA也未使用第七層，在PA的用戶接口層，它以DP基本功能為基礎，采用擴展的DP功能。除此之外，還用PA行規描述了現場設備的各種參數和設備行為的各種要求。
　?。?SPAN lang=EN-US>3）Profibus－FMS使用了第七層（應用層），應用層由現場信息規范FMS（Fieldbus Message speci－fication）和低層接口LLI（Lower LayerInterface）組成。
　　FMS包括應用協議層并向用戶提供可廣泛選用的強有力的通信服務。
　　LLI協調各種通信關系，并為FMS提供不依賴設備的訪問第二層。在用戶接口規定FMS設備
行規。
3　Profibus－DP／－PA／－FMS的主要特性
　　除上述已經說明的Profibus特性外，再分別對DP－PA－FMS的主要特性作概要敘述。
3．1　Profibus－DP
　　　　Profibus－DP主要用于現場級的高速數據傳輸，解決自動控制系統（如PLC、PC等）通過高度分散的現場設備（I／O、驅動器等）之間的通信任務。使用PROFIBUS－DP可取代現場的24V或0～20mA的并行信號傳輸技術。
　　自動控制系統與分散的現場設備間的數據交換多數是周期性的，而對智能化現場設備還需要有非周期性的數據交換（如組態、診斷、報警處理等）。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提供了冗余技術，系統冗余和介質冗余。
　　·Profibus－DP行規
　　Profibus－DP協議規定了用戶數據怎樣在總線各站之間進行傳遞。DP行規具體說明用戶數據的含義，并具體規定了PROFIBUS－DP如何在應用領域使用。利用行規，設備操作和最終用戶可以互換不同生產廠商生產的設備，甚至還允許互換不同廠商生產的部件，這降低了用戶的工程和維護成本。
3．2　Profibus－PA
　　Profibus－PA主要用于流程工業自動化領域。它將自動化系統或過程控制系統與設備（如壓力、溫度和液位變送器等）通過總線連接起來，并解決它們之間的通信任務。PA采用IEC1158－2傳輸技術，現場設備由總線供電，具有本質安全特性?？捎糜谟斜ㄎｋU的區域。使用PROFIBUS－PA可取代現行的4～20mA的模擬技術。
　　（1）PA行規保證了不同生產廠商生產的現場設備具有互換性和互操作性，是Profibus－PA的一個組成部分。PA行規的主要任務是選用各類現場設備必須的通信功能，并提供這些設備功能和行為的一切必要的規格、參數等。
　?。?SPAN lang=EN-US>2）RS485／FO（光纖）和IEC1158－2傳輸技術之間可以通過DP／PA藕合器（coupler）或PA鏈接器（bbbb）相連接，從而使Profibus網絡很容易地延伸到有爆炸危險的應用區域。
　　·藕合器／鏈接器的主要任務是：
　　將異步數據格式轉換為同步數據格式，并將傳輸速率轉換為31．25kbit／s向現場設備供電，限制饋電流（適用于防爆）。
　　·藕合器與鏈接器的區別
　　藕合器與“一根導線”的作用相同，不是系統組態的對象，從總線的角度看，它是不可識別的；鏈接器應用于對循環時間要求很高和現場設備（儀表）數量很大的場合。每個鏈接者可連三個藕合器。鏈接器對上位主站而言它是從站，對它下面連接的現場設備而言它又是主站（圖4）。

　　Profibus－PA與AS－I（傳感器／執行器接口）、HART和傳統儀表可以混合使用。這為最終用戶改造傳統的應用系統提供了很大的方便和靈活性，也為設備儀表的生產廠提供了廣泛的選擇余地。
3．3　Profibus－FMS
　　Profibus－FMS主要用于車間（或單元）級的通信，它的通信是面向對象的。由于這一級處在工廠自動化系統的中間層，起承上啟下的作用，因此在這一級高性能的功能要求遠比系統的快速反應更為重要。FMS除解決智能現場設備（如PLC、PC、MMI等）之間的通信任務外，還提供了大量的、強有力的管理和服務功能，以適應各種應用需要。它也用于大范圍和復雜的通信系統。
　?。?SPAN lang=EN-US>1）Profibus－FMS應用層包括兩部分：現場總線信息、規范（FMS）和低層接口（LLI）。
　?。?SPAN lang=EN-US>2）通信模型
　　Profibus－FMS利用通信關系將分散的應用過程統一到一個共用的過程中，在應用過程中，可用來通信的那部分現場設備稱虛擬現場設備VFD（Virtual Field Device）。VFD中部分變量能通過兩個通信關系來讀寫。
　?。?SPAN lang=EN-US>3）通信對象和對象字典（OD）
　　·FMS面向對象通信，它確認5種靜態通信對象：簡單變量、數組、記錄域和事件，還確認2種動態通信對象：程序調用和變量表。
　　·每個FMS設備的所有通信對象都填入對象字典（OD）。對簡單設備OD可以定義，對復雜設備OD可以本地或遠程通過組態加到設備中去。靜態通信對象進入靜態對象字典，動態通信對象進入動態通信字典。每個對象均有一個唯一的索引，為避免非授權存取，每個通信對象可選用存取保護。
　?。?SPAN lang=EN-US>4）Profibus－FMS服務
　　FMS服務項目是ISO9506制造信息規范MMS（Manufacturing Message Specification）服務項目的子集。這些服務項目在現場總線應用中已被優化，而且還加上了通過對象功能的管理和網絡管理。Profibus－FMS提供了大量的管理和服務，滿足了不同設備對通信提出的廣泛需求，服務項目的選用取決于特定的應用，具體的應用領域在FMS行規中規定，FMS服務分以下幾組：
　　·上、下關系管理；區域管理；OD管理；變量存取服務；事件管理；VFD支持服務；程序調用管理
　　（5）低層接口（LLI）
　　第七層到第二層服務的映射由LLI來解決，其主要任務包括數據流控制和聯接監視。用戶通過稱之為通信關系的邏輯通道與其他應用過程進行通信。LLI提供了各種類型的通信關系。FMS設備的全部通信關系都列入信息關系表CRL（Communica－tion Relationship List）。每個通信關系通過通信索引（CREF）來查找，CRL中包含了CREF和第二層及LLI地址的關系。
　?。?SPAN lang=EN-US>6）網絡管理FMS還提供網絡管理功能由FMA7（Fieldbus Management Layer7）現場總線管理層7完成。其主要功能有：上、下關系管理、配置管理、故障管理等。
　?。?SPAN lang=EN-US>7）Profibus－FMS行規FMS提供了范圍廣泛的功能來保證它的普遍應用。在不同的應用中，具體需要的功能范圍必須與具體應用要求相適應。設備的功能必須結合應用來定義，這些適應性定義稱之行規。行規提供了設備的可互換性，保證不同廠商生產的設備具有相同的通信功能。
4　Profibus實現的可能性
　　一方面，目前Profibus協議芯片已形成系列產品，使用這些協議芯片使PROFIBUS協議的具體實現簡單、方便、省時間省費用，還可達到快速提供產品的目的。另一方面，從原理上，PROFIBUS協議在任何微處理器上都可以實現，在微處理器的內部或外部需要安裝異步串行接口（HART）。但當協議的傳輸速率超過500kbit／s或需要連接IEC1158－2傳輸技術時，還是應該使用協議專用芯片。采取何種方法來實現PROFIBUS協議主要取決于現場設備的復雜程度、它所需要的性能和功能，各種方法所需要的各類硬件和軟件均可從市場上多家廠商買到。這些產品已列入PROFIBUS產品指南。
　　為保證Profibus產品的質量和設備的可互操作性和可互換性，PROFIBUS用戶組織已據EN45000標準編制了一套產品測試認證程序。在德國和美國已建立了相應的測試實驗室，經過測試合格的產品，由PROFIBUS用戶組織發給認證證書，同時給一個識別號。目前正在中國CPO建立PROFIBUS產品演示和測試實驗室，該實驗室設在北京機械工業自動化研究所內。這為中國的用戶和PROFIBUS產品的生產企業將提供極大的方便。
5　Profibus的應用及前景
　　Profibus產品以每年20～30％的驚人速度發展，截止1998年6月，全世界PROFIBUS設備安裝總數已達200萬臺，100多家企業生產的PROFIBUS產品已達1600種以上，應用多達20萬個，總投資達45億美元。
　　Profibus－PA現場儀表自1997年以來已售出2萬多臺，且在世界各地運行。據權威人士預測：今后12個月內，PROFIBUS－PA儀表銷售量可達5萬臺；今后5年內，市場銷售額可達6．5億美元。
　　目前，ProfibusInternational（PI）國際組織的成員有800個，分布在21個國家。前不久，一些在過程自動化領域占有重要地位的企業，如FOXBORO和橫河（YOKOGAWA）也加入了PROFIBUS－PA的行列。PROFIBUS實際上已經超越了歐洲標準的范疇，成為國際上領先的標準化現場總線。
　　在中國，相應的組織機構是CPO－ChinaProfibusOrganization，成立于1997年7月3日。目
前，國內至少有50家企業運用Profibus－DP成功地實現了從食品、機械、樓宇、煙草、鋼鐵、電站直至環保工程的自動化，并取得了明顯的經濟效益。
　　在新世紀，現場總線已經在自動化領域中引發了一場變革，將同融合PLC、DCS和現場總線于一體的全集成自動化系統、信息網絡技術一道，形成自動化技術發展的主流。

參考文獻

1　現場總線概述．重慶川儀總廠技術資料，1997
2　現場總線（Profibus）技術應用．中國機電一體化技術應用協會，1999
3 Profibus International：PROFIBUS Technical Trainning“PROFIBUS－Der internationale,offene Fieldbusstandard”，edi－tion 1．0．Mai，1998