浅谈PLC的现场总线技术

6) HART

HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持。HART通信模型也是由三层组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用了FSK（Frequency Shift Keying）技术，在4~20mA模拟信号上叠加一个频率信号，数据传输速率为1200bit/s，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。

5 PROFIBUS简介

各类现场总线协议具有各自的特点及应用领域，为进一步说明现场总线技术的特点，以下对PLC系统中应用较广泛的PROFIBUS作一简要介绍。

5.1 PROFIBUS的组成

PROFIBUS主要由三个相互兼容的部分：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP组成。

1) PROFIBUS-DP（Distrbuted Periphery）：一种高速（数据传输速率9.6kbit/s~12Mbit/s）、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，可满足快速响应的时间要求；位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUS-DP同分散的现场设备进行通信。

2) PROFIBUS-PA（Process Automation）：它是专为过程自动化所设计的协议，可用于安全性要求较高的场合。

3) PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：可以用于车间级监控网络，FMS提供大量的通信服务，用以完成中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间。FMS服务向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，通常用于大范围，复杂的通信系统。

5.2 PROFIBUS协议结构

PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础，第一层为物理层，定义了物理的传输特性；第二层为数据链路层；第三层至第六层PROFIBUS未使用；第七层为应用层，定义了应用的功能。

PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信标准中的第一及第二层（即物理层和数据链路层）和用户接口层。第三层到第七层未使用，这种的精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映像程序（DDLM）提供对第二层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各类型的系统和设备的行动特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于PLC与现场级分散的I/O设备之间的通信。

PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参数模型的第一层相同，采用EIA-RS485协议，如图1所示。

图1 RS485总线段结构图

图1中两根数据线通常被称为A线和B线，分别对应RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信号。根据数据线传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。

PROFIBUS采用了统一的介质存取协议，由OSI参考模型的第二层来实现，并提供了两种基本介质存取控制方式：令牌总线和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）

HDLC中的非平衡正常响应模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路：主站发出命令（Command），从展给出响应(Respond)，主站与从站间传输帧的格式如图2所示。从站可以连续发出多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。

图2 主站与从站之间传输帧的格式

对图2的各项说明如下。

1) F为帧标志字段（8位）

2) A为从站地址字段。

3) C为控制字段，表示帧类型、编号、命令和控制信息。该字段将HDLC帧分为3种类型：信息帧（I）、监控帧（S）、和无编号帧（U）。其中信息帧用于应用数据（Useful Date）的传输并捎带应答；监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）；无编号帧（不含信息字段）用于传输各种无编号命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等

4) 信息字段由PKW和PZD两部分构成。PKW（Parameter ID）用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4Byte长；而PZD（Process Date）用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2~10Byte长。

5) FCS是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（CRC）校验。该HDLC帧最长可达24Byte。

PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的应用层，而是自行设置了一个用户层，即用户接口。该层定义了DP的功能、规范与拓展要求等。

综上所述，PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖与设备生产商的现场总线标准，在制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。特别是，PROFIBUS在满足实时性方面有更大的特点，PROFIBUS-DP的实时性远高于其他局域网，因而特别适用于工业现场。

PROFIBUS在我国的应用也较为广泛。2001年11月，PROFIBUS现场总线成为中华人民共和国机械行业标准JB/T10308.3-2001。