现场总线技术及Profibus的概念以及相关的基础知识

图2-6：Profibus-DP用户数据传输

2.3.1.4DPM1和DP从站间的循环数据传输
DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系作出规定，确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP从站间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，DP从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长度以及输入输出数量必须与实际组态一致。
2.3.1.5DPM1和系统组态设备间的循环数据传输
除主—从功能外，Profibus-DP允许主—主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。
2.3.1.6同步和锁定模式
除DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外，DP主站设备也可向单独的DP从站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开DP从站的同步及锁定模式，用于DP从站的事件控制同步。
主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。
锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。
2.3.1.7保护机制
对DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能“使能”，DPM1将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。
对DP从站使用看门狗控制器检测主站和传输线路故障。如果在一定的时间间隔内发现没有主机的数据通信，从站自动将输出进入故障安全状态。
2.3.2扩展DP功能
DP扩展功能是对DP基本功能的补充，与DP基本功能兼容。
2.3.2.1DPM1与DP从站间的扩展数据通信
(1)DPM1与DP从站间非循环的数据传输。
(2)带DDLM读和DDLM写的非循环读/写功能，可读写从站任何希望数据。
(3)报警响应，DP基本功能允许DP从站用诊断信息向主站自发地传输事件，而新增的DDLM-ALAM-ACK功能被用来直接响应从DP从站上接收的报警数据。
(3)DPM2与从站间的非循环的数据传输。
2.3.3电子设备数据文件（GSD）
为了将不同厂家生产的Profibus产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件（电子设备数据库文件）方式提供这些产品的功能参数（如I/O点数、诊断信息、波特率、时间监视等）。标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据GSD文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。如图2-7所示。

图2-7：基于GSD文件开放式组态

GSD文件可分为三个部分：
(1)总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时间间隔、总线插头指定信号。
(2)与DP有关的规范：包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数、上装/下装能力。
(3)与DP从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如输入/输出通道数、类型、诊断数据等。
2.3.4Profibus—DP行规
Profibus—DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了PROFIBUS—DP如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异，因为与应用有关的参数含义在行规中均作了精确的规定说明。下面是PROFIBUS-DP行规，括弧中数字是文件编号：
·NC/RC行规（3.052）
·编码器行规（3.062）
·变速传动行规（3.071）
·操作员控制和过程监视行规（HMI）
2.4Profibus-PA
Profibus—PA适用于PROFIBUS的过程自动化。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，PA可用来替代4—20mA的模拟技术。PROFIBUS—PA具有如下特性：
(1)适合过程自动化应用的行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性。
(2)增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不会影响到其它站。
(3)在过程自动化的Profibus—PA段与制造业自动化的PROFIBUS—DP总线段之间通过藕合器连接，并使可实现两段间的透明通信。
(4)使用与IEC1158—2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。
(5)在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。
2.4.1Profibus—PA传输协议
Profibus—PA采用PROFIBUS—DP的基本功能来传送测量值和状态。并用扩展的PROFIBUS—DP功能来制订现场设备的参数和进行设备操作。PROFIBUS—PA第一层采用IEC1158—2技术，第二层和第一层之间的接口在DIN19245系列标准的第四部分作出了规定。
2.4.2Profibus—PA设备行规
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。PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。
目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其它选择的一些设备类型作了具体规定，这些设备如：
·测压力、液位、温度和流量的变送器
·数字量输入和输出
·模拟量输入和输出
·阀门
·定位器
2.5Profibus-FMS
Profibus—FMS的设计旨在解决车间监控级通信。在这一层，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，但通信的实时性要求低于现场层。
2.5.1Profibus-FMS应用层
应用层提供了供用户使用的通信服务。这些服务包括访问变量、程序传递、事件控制等。Profibus—FMS应用层包括下列两部分：
·现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）：描述了通信对象和应用服务。
·低层接口(LowerLayerInterface-LLI)：FMS服务到第二层的接口。
2.5.2Profibus-FMS通信模型
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。
2.5.3通信对象与通信字典（OD）
(1)FMS面向对象通信，它确认5种静态通信对象：简单变量、数组、记录、域和事件，还确认2种动态通信对象：程序调用和变量表。
(2)每个FMS设备的所有通信对象都填入对象字典（OD）。对简单设备，OD可以予定义，对复杂设备，OD可以本地或远程通过组态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字典，动态通信对象进入动态通信字典。每个对象均有一个唯一的索引，为避免非授权存取，每个通信对象可选用存取保护。
2.5.4Profibus-FMS服务
FMS服务项目是ISO9506制造信息规范MMS（ManufacturingMessageSpecification）服务项目的子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化，而且还加上了通信对象的管理和网络管理。
Profibus—FMS提供大量的管理和服务，满足了不同设备对通信提出的广泛需求，服务项目的选用取决于特定的应用，具体的应用领域在FMS行规中规定。
2.5.5低层接口（LLI）
第七层到第二层服务的映射由LLI来解决，其主要任务包括数据流控制和联接监视。用户通过称之为通信关系的逻辑通道与其他应用过程进行通信。FMS设备的全部通信关系都列入通信关系表CRL(CommunicationRelationshipList)。每个通信关系通过通信索引（CREF）来查找，CRL中包含了CREF和第二层及LLI地址间的关系。
2.5.6网络管理
FMS还提供网络管理功能，有由现场总线管理层第七层来实现。其主要功能有：上、下关系管理、配置管理、故障管理等。
2.5.7Profibus-FMS行规
FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用。在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求相适应。设备的功能必须结合应用来定义。这些适应性定义称之为行规。行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。FMS对行规做了如下规定（括号中的数字是文件编号）：
·控制间的通信（3.002）
·搂宇自动化（3.011）
·低压开关设备（3.032）
2.6Profibus特点综述
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开放性和不依赖于厂商的通信的设想，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%。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。