PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，專門用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或4~20mA信號傳輸。PORFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構連在一根總線上，并有本質安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網絡，是一個令牌結構的實時多主網絡。
PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準，以OSI作為參考模型的。PROFIBUS-DP定義了第1、2層和用戶接口。第3到7層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。PROFIBUS-FMS定義了第1、2、7層，應用層包括現場總線信息規(guī)范（FMS）和低層接口（LLI）。FMS包括了應用協議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務；LLI協調不同的通信關系并提供不依賴設備的第2層訪問接口。PROFIBUS-PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS-DP協議。另外，PA還描述了現場設備行為的PA行規(guī)。根據IEC1157-2標準，PA的傳輸技術可確保其本質安全性，而且可通過總線給現場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網絡。
PROFIBUS提供了三種數據傳輸型式：RS-485傳輸、IEC1157-2傳輸和光纖傳輸。
RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術，通常稱之為H2。RS-485傳輸技術用于PROFIBUS-DP與PROFIBUS-FMS。
RS-485傳輸技術基本特征是：網絡拓撲為線性總線，兩端有有源的總線終端電阻；傳輸速率為9.6kbps~12Mbps；介質為屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件；不帶中繼時每分段可連接32個站，帶中繼時可多到127個站。
RS-485傳輸設備安裝要點：全部設備均與總線連接；每個分段上最多可接32個站（主站或從站）；每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差；兩個總線終端電阻必須一直有電源；當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段，串聯的中繼器一般不超過4個；傳輸速率可選用9.6kbps~12Mbps，一旦設備投入運行，全部設備均需選用同一傳輸速率。電纜最大長度取決于傳輸速率。
采用RS-485傳輸技術的PROFIBUS網絡使用9針D型插頭。當連接各站時，應確保數據線不要擰絞，系統在高電磁發(fā)射環(huán)境下運行應使用帶屏蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復蓋，以保持良好的傳導性。
PROFIBUS-DP、FMS、PA均采用一樣的總線存取控制技術，它是通過OSI參考模型第2層（數據鏈路層）來實現的，它包括保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。在PROFIBUS中，第2層稱之為現場總線數據鏈路層（FDL，Fieldbus Data Link）。介質存取控制（M A C,Medium Access Control）具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數據。PROFIBUS協議的設計要滿足介質存取控制的兩個基本要求：
（1）在復雜的自動化系統（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。
（2）在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。
因此PROFIBUS主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內得到總線存取權（令牌），令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是事先規(guī)定的。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到總線存取令牌時可依照主-從通信關系表與所有從站通信，向從站發(fā)送或讀取信息，也可依照主-主通信關系表與所有主站通信。所以可能有3種系統配置：純主-從系統、純主-主系統和混合系統。
在總線系統初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。
第2層的另一重要工作任務是保證數據的高度完整性。PROFIBUS在第2層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信，包括廣播和選擇廣播功能。
PROFIBUS-DP用于現場設備級的高速數據傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。
（1）PROFIBUS-DP基本特征
采用RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜傳輸，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps。各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送。支持單主或多主系統，總線上最多站點（主-從設備）數為126。采用點對點（用戶數據傳送）或廣播（控制指令）通信。循環(huán)主-從用戶數據傳送和非循環(huán)主-主數據傳送?？刂浦噶钤试S輸入和輸出同步。同步模式為輸出同步；鎖定模式為輸入同步。
DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶有數據傳送。各DP從站的動態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能，三級診斷信息。輸人或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進行配置，每DP從站的輸入和輸出數據最大為246字節(jié)。
所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。DP從站帶看門狗定時器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監(jiān)視。
每個PROFIBUS-DP系統包括3種類型設備：第一類DP主站（DPM1）、第二類DP主站（DPM2）和DP從站。DPM1是是中央控制器，它在預定的周期內與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC、PC等；DPM2是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在DP系統組態(tài)操作時使用，完成系統操作和監(jiān)視目的；DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備，是帶二進制值或模擬量輸入輸出的I/O設備、驅動器、閥門等。
經過擴展的PROFIBUS-DP診斷能對故障進行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分3級：本站診斷操作，即本站設備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低；模塊診斷操作，即一個站點的某具體I/O模塊故障；通道診斷操作，即一個單獨輸人/輸出位的故障。
（2）PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統
在同一總線上最多可連接126個站點。系統配置的描述包括：站數、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數據格式、診斷信息格式及所使用的總線參數。 PROFIBUS-DP單主站系統中，在總線系統運行階段，只有一個活動主站。如圖1所示為PROFIBUS-DP單主站系統，PLC作為主站。
圖1 PROFIBUS-DP單主站系統
PROFIBUS-DP多主站系統中總線上連有多個主站?？偩€上的主站與各自從站構成相互獨立的子系統。如圖2所示，任何一個主站均可讀取DP從站的輸入／輸出映像，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數據。
圖2 PROFIBUS－DP多主站系統
（3）PROFIBUS-DP系統行為
PROFIBUS-DP系統行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設備所控制，主要有運行、清除和停止3種狀態(tài)。在運行狀態(tài)下，DPM1處于輸入和輸出數據的循環(huán)傳輸，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫入輸出信息；在清除狀態(tài)下，DPM1讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài)；在停止狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。
DPM1設備在一個預先設定的時間間隔內，以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地發(fā)送到每一個有關的DP從站。如果在DPM1的數據傳輸階段中發(fā)生錯誤，DPM1將所有相關的DP從站的輸出數據立即轉入清除狀態(tài)，而DP從站將不再發(fā)送用戶數據。在此之后，DPM1轉入清除狀態(tài)。
（4）DPM1和DP從站間的循環(huán)數據傳輸
DPM1和相關DP從站之間的用戶數據傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動進行。在對總線系統進行組態(tài)時，用戶對DP從站與DPM1的關系作出規(guī)定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。
DMPI和DP從站之間的數據傳送分為參數設定、組態(tài)和數據交換3個階段。在參數設定階段，每個從站將自己的實際組態(tài)數據與從DPM1接受到的組態(tài)數據進行比較。只有當實際數據與所需的組態(tài)數據相匹配時，DP從站才進入用戶數據傳輸階段。因此，設備類型、數據格式、長度以及輸入/輸出數量必須與實際組態(tài)一致。
（5）DPM1和系統組態(tài)設備間的循環(huán)數據傳輸
除主-從功能外，PROFIBUS-DP允許主-主之間的數據通信，這些功能使組態(tài)和診斷設備通過總線對系統進行組態(tài)。
（6）同步和鎖定模式
除DPM1設備自動執(zhí)行的用戶數據循環(huán)傳輸外，DP主站設備也可向單獨的DP從站、一組從站或全體從站同時發(fā)送控制命令。這些命令通過有選擇的廣播命令發(fā)送的。使用這一功能將打開DP從站的同級鎖定模式，用于DP從站的事件控制同步。
主站發(fā)送同步命令后，所選的從站進入同步模式。在這種模式中，所編址的從站輸出數據鎖定在當前狀態(tài)下。在這之后的用戶數據傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數據，但它的輸出狀態(tài)保持不變；當接收到下一同步命令時，所存儲的輸出數據才發(fā)送到外圍設備上。用戶可通過非同步命令退出同步模式。
鎖定控制命令使得編址的從站進入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數據鎖定在當前狀態(tài)下，直到主站發(fā)送下一個鎖定命令時才可以更新。用戶可以通過非鎖定命令退出鎖定模式。
（7）保護機制
對DP主站DPM1使用數據控制定時器對從站的數據傳輸進行監(jiān)視。每個從站都采用獨立的控制定時器，在規(guī)定的監(jiān)視間隔時間中，如數據傳輸發(fā)生差錯，定時器就會超時，一旦發(fā)生超時，用戶就會得到這個信息。如果錯誤自動反應功能“使能”， DPM1將脫離操作狀態(tài)，并將所有關聯從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，并進入清除狀態(tài)。
根據現場設備是否具備PROFIBUS接口，控制系統的配置有總線接口型、單一總線型、混合型3種形式。
（1）總線接口型 現場設備不具備 PROFIBUS接口，采用分散式I/O作為總線接口與現場設備連接。這種形式在應用現場總線技術初期容易推廣。如果現場設備能分組，組內設備相對集中，這種模式會更好地發(fā)揮現場總線技術的優(yōu)點。
（2）單一總線型 現場設備都具備PROFIBUS接口，這是一種理想情況?？墒褂矛F場總線技術，實現完全的分布式結構，可充分獲得這一先進技術所帶來的的利益。新建項目若能具有這種條件，就目前來看，這種方案設備成本會較高。
（3）混合型 現場設備部分具備PROFIBUS接口，這將是一種相當普遍的情況。這時應采用PROFIBUS現場設備加分散式I/O混合使用的辦法。無論是舊設備改造還是新建項目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現場設備的場合可能不多，分散式I/O可作為通用的現場總線接口，是一種靈活的集成方案。
根據實際應用需要及經費情況，通常有以下6種結構類型：
（1）結構類型1 以PLC或控制器做1類主站，不設監(jiān)控站，但調試階段配置一臺編程設備。這種結構類型，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數據讀寫、從站遠程參數化工作。
（2）結構類型2 以PLC或控制器做1類主站，監(jiān)控站通過串口與PLC一對一的連接。這種結構類型，監(jiān)控站不在PROFIBUS網上，不是2類主站，不能直接讀取從站數據和完成遠程參數化工作。監(jiān)控站所需的從站數據只能從PLC控制器中讀取。
（3）結構類型3 以PLC或其它控制器做1類主站，監(jiān)控站（2類主站）連接PROFIBUS總線上。這種結構類型，監(jiān)控站在PROFIBUS網上作為2類主站，可完成遠程編程、參數化及在線監(jiān)控功能。
（4）結構類型4 使用PC機加PROFIBUS網卡做1類主站，監(jiān)控站與1類主站一體化。這是一個低成本方案，但PC機應選用具有高可靠性、能長時間連續(xù)運行的工業(yè)級PC機。對于這種結構類型，PC機故障將導致整個系統癱瘓。另外，通信廠商通常只提供一個模板的驅動程序，總線控制、從站控制程序、監(jiān)控程序可能要由用戶開發(fā)，因此應用開發(fā)工作量可能會較大。
（5）結構類型5 堅固式PC機（OMOPACT COMPUTER）＋PROFIBUS網卡十SOFTPLC的結構形式。由于采用堅固式PC機（COMOPACT COMPUTER），系統可靠性將大大增強，足以使用戶信服。但這是一臺監(jiān)控站與1類主站一體化控制器工作站，要求它的軟件完成如下功能：主站應用程序的開發(fā)、編輯、調試，執(zhí)行應用程序，從站遠程參數化設置，主/從站故障報警及記錄，監(jiān)控程序的開發(fā)、調試，設備在線圖形監(jiān)控、數據存儲及統計、報表等。
近來出現一種稱為SOFTPLC的軟件產品，是將通用型PC機改造成一臺由軟件（軟邏輯）實現的PLC。這種軟件將PLC的編程（IECll31）及應用程序運行功能和操作員監(jiān)控站的圖形監(jiān)控開發(fā)、在線監(jiān)控功能集成到一臺堅固式PC機上，形成一個PLC與監(jiān)控站一體的控制器工作站。
（6）結構類型6 使用兩級網絡結構，這種方案充分考慮了未來擴展需要，比如要增加幾條生產線即擴展出幾條DP網絡，車間監(jiān)控要增加幾個監(jiān)控站等，都可以方便進行擴展。采用了兩級網絡結構形式，充分考慮了擴展余地。
