Abstract: Based on the introduction of the network protocol and communication model, focuses on the PROFIBUS protocol structure, PROFIBUS PROFIBUS-PA, PROFIBUS-DP and PROFIBUS-FMS three series of PROFIBUS characteristics, modular design and application.

Key Words: Protocol    Structure   Characteristics

【中图分类号】[TP393.04]  【文献标识码】B  文章编号1606-5123  （2018）  02-0000-00

1 引言—网络协议

网络协议是指用于网络之间相互沟通、传输信息所要共同遵守的基础。网络协议有专用网络协议和非专用(标准)网络协议之别。现场总线通信协议基本遵照ISO/OSI参考模型，主要实现第1(物理层)、2(数据链路层)、7(应用层)层功能。OSI模型是建立在七层协议基础上，作为一个起始点以发展计算机通信标准。每层都有一定等级功能，具有规定的高层或低层的接口；为提供一定功能通信标准，并不一定所有的层都需要。当与很好定义的程序模块连接时，该模块定义了数据意义及格式，OSI模块将提供一个多卖主相互操作的高水平工具。一个典型的开放系统结构可以应用在工业和商业的控制系统上，所有的开放系统元件，使用标准协议作为本系统语言，无需翻译，可以相互通信。

PROFIBUS开始只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS，1994年又推出了PROFIBUS-PA，它引用了IEC标准的物理层(IEC1158-2,1993年通过)，从而可以在有爆炸危险的区域(EX)内连接本质安全型通过总线馈电的现场仪表，这使PROFIBUS更加完善。PROFIBUS已于1996年3月15日批准为欧洲标准EN50170的第2卷。

PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三层构成；物理层、数据链路层和应用层。它同FF一样也省略了(3～6)层，增加了用户层。PROFIBUS-DP使用第1层、第2层和用户接口。PROFIBUS-FMS分别对1层、2层和7层均加以定义，PROFIBUS-PA的数据传输沿用PROFIBUS-DP的协议，只是在上层增加了描述现场设备行为的PA行规。它的总线访问方式为：主站之间通信采用令牌传输，主站和从站之间采用主从方式。PROFIBUS可以采用总线型、树型、星型等网络拓扑，总线上最多可挂接127个站点。PROFIBUS行规的制定为遵循PROFIBUS协议的设备之间的互操作奠定了基础。通过对设备指定符合PROFIBUS行规的过程参数、工作参数、厂家特定参数，设备之间就可以实现互操作。

2 PROFIBUS协议结构

PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以OSI(OpenSystemIntercomection)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。PROFIBUS协议结构如图1所示。

2.1 物理层

物理层采用EIA-RS232、EIA-RS422/RS485等协议，由于在某些情况下，现场传感器、变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源，因此对总线上数字信号的强度(驱动能力)、传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。

2.2 数据链

数据链路层考虑到现场设备故障较多，更换频繁，所以数据链路层媒体访问控制多采用受控访问(包括轮询和令牌)协议，通常，各PCU、PLC作为主站，传感器、变送器等作为从站。另外，须支持点对点、点对多点和广播通信方式。

2.3 应用层

应用层解决的是应用什么样的高级语言(或过程控制语言)作为面向用户的编程(或组态)语言的问题，其中包括设备名称、网络变量与配置(捆绑)关系，参数与功能调用及相关说明等，一般应具有符合IEC1131-3标准的图形用户界面(GUI)。

(1)PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。典型的PROFIBUS-DP系统组成如图2所示。

图2是一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。3个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主-从通信关系表与所有从站通信，也可依照主-主通信关系表与所有主站通信。

(2)PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范(FieldbusMessageSpecification-FMS)和低层接口(LowerLayerInterface-LLI)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。典型的PROFIBUS-FMS系统组成如图3所示

3 模块化设计

3.1 模块层次

PROFIBUS具有模块化设计，并提供通信技术、许多应用和系统行规，以及设备管理工具等。这样，PROFIBUS在相当程度上覆盖了工厂自动化和过程自动化领域不同的和特殊应用的要求。从安装PROFIBUS系统的数量看，证明了对此现场总线技术的高度认可。从技术的观点看PROFIBUS系统结构的低层(通信)是基于上述的ISO/OSI模型。这里只给出了通信步骤的纯抽象描述，并未提供详细的内容/实际的实现。在第7层上面的应用行规I和II中，安排了制造商与用户之间基于特定设备应用所约定的规范。

3.2 模块元素

跨过若干层的模块系统如下：

(1)用于设备描述和集成的功能和工具(总称：集成技术)。

(2)标准范围(接口，主站行规；总称：系统行规)，它主要服务于统一的标准化系统的实现。

从用户的观点看，PROFIBUS以不同典型应用的主要侧重点来表现它自己，虽然未专门对它们进行定义，但频繁应用的结果证明它们是实用的。每一种主要侧重点是由“传输技术”、“通信协议”和“应用行规”中模块元素的典型结合(但没有特别的定义)的结果。

4 PROFIBUS应用领域

4.1 DP FMS  PA

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-Pa三个兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一种高速(数据传输速率9.6kbit/s～12Mbit/s)的经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；PROFIBUS-PA采用IECII58-2标准，传输速率为31.25kbit/s，并提供本质安全特性，适用于安全性要求较高及由总线供电的场合；PROFIBUS-FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。

4.2 中国应用20年

PROFIBUS自1997年进入中国后，至今已经在工业制造业发展20余年，市场发展非常迅速。据对300多家企业的调查结果显示，PROFIBUS的市场占有率为40%～50%，而在全国市场至少有30%～40%以上的占有率。有理由相信，随着自动化技术的进一步提高，PROFIBUS技术会在国内有更进一步的推广应用，参见图5所示。

PROFIBUS主要应用领域有：

(1)制造业自动化：汽车制造(机器人、装配线、冲压线等)、造纸、纺织。

(2)过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。

(3)电力：发电、输配电。

(4)楼宇：空调、风机、照明。

(5)铁路交通：信号系统。

5 结束语

PROFIBUS由Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170，并且已经完整转化为中国国家标准。

PROFIBUS是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。PROFIBUS由PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS三个系列组成。PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF的H1总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路(ASIC)和软件的支持。PROFIBUS-DP与PROFIBUS-PA兼容，基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接PROFIBUS-PA和加工自动化。PROFIBUS-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA采用RS485通信标准，传输速率从9.6kbps～12Mbps，传输距离从l00m～1200m(与传输速率有关)。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。PROFIBUS是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。