PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，專門用于設(shè)備級控制系統(tǒng)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(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上，并有本質(zhì)安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)的實(shí)時多主網(wǎng)絡(luò)。
PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)，以O(shè)SI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(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。PROFIBUS-FMS定義了第1、2、7層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FMS）和低層接口（LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)；LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第2層訪問接口。PROFIBUS-PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1157-2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。
PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)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(shù)，通常稱之為H2。RS-485傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-DP與PROFIBUS-FMS。
RS-485傳輸技術(shù)基本特征是：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€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(zhì)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(shè)備安裝要點(diǎn)：全部設(shè)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(yùn)行不發(fā)生誤差；兩個總線終端電阻必須一直有電源；當(dāng)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(lián)的中繼器一般不超過4個；傳輸速率可選用9.6kbps~12Mbps，一旦設(shè)備投入運(yùn)行，全部設(shè)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(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)使用9針D型插頭。當(dāng)連接各站時，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境下運(yùn)行應(yīng)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(yīng)在兩端與保護(hù)接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復(fù)蓋，以保持良好的傳導(dǎo)性。
PROFIBUS-DP、FMS、PA均采用一樣的總線存取控制技術(shù)，它是通過OSI參考模型第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的，它包括保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報文處理。在PROFIBUS中，第2層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL，F(xiàn)ieldbus Data Link）。介質(zhì)存取控制（M A C,Medium Access Control）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計要滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求：
（1）在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)（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(diǎn)要有足夠的時間來完成通信任務(wù)。
（2）在復(fù)雜的程序控制器和簡單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)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(nèi)得到總線存取權(quán)（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(jìn)行。主站得到總線存取令牌時可依照主-從通信關(guān)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(guān)系表與所有主站通信。所以可能有3種系統(tǒng)配置：純主-從系統(tǒng)、純主-主系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。
在總線系統(tǒng)初建時，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)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(wù)是保證數(shù)據(jù)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(diǎn)對點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，包括廣播和選擇廣播功能。
PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)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(tǒng)，總線上最多站點(diǎn)（主-從設(shè)備）數(shù)為126。采用點(diǎn)對點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）通信。循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。控制指令允許輸入和輸出同步。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(shù)據(jù)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(qiáng)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(jìn)行配置，每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。
所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從站帶看門狗定時器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護(hù)。DP主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。
每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)包括3種類型設(shè)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(yù)定的周期內(nèi)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(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的；DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備，是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的I/O設(shè)備、驅(qū)動器、閥門等。
經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP診斷能對故障進(jìn)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(shè)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(diǎn)的某具體I/O模塊故障；通道診斷操作，即一個單獨(dú)輸人/輸出位的故障。
（2）PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)
在同一總線上最多可連接126個站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。 PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng)中，在總線系統(tǒng)運(yùn)行階段，只有一個活動主站。如圖1所示為PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng)，PLC作為主站。
圖1 PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng)
PROFIBUS-DP多主站系統(tǒng)中總線上連有多個主站?？偩€上的主站與各自從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。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(shù)據(jù)。
圖2 PROFIBUS－DP多主站系統(tǒng)
（3）PROFIBUS-DP系統(tǒng)行為
PROFIBUS-DP系統(tǒng)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(shè)備所控制，主要有運(yùn)行、清除和停止3種狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)下，DPM1處于輸入和輸出數(shù)據(jù)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?fàn)顟B(tài)下，DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。
DPM1設(shè)備在一個預(yù)先設(shè)定的時間間隔內(nèi)，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(guān)的DP從站。如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯誤，DPM1將所有相關(guān)的DP從站的輸出數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)，而DP從站將不再發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。在此之后，DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。
（4）DPM1和DP從站間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
DPM1和相關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動進(jìn)行。在對總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時，用戶對DP從站與DPM1的關(guān)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(shù)據(jù)傳送分為參數(shù)設(shè)定、組態(tài)和數(shù)據(jù)交換3個階段。在參數(shù)設(shè)定階段，每個從站將自己的實(shí)際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接受到的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。只有當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時，DP從站才進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式、長度以及輸入/輸出數(shù)量必須與實(shí)際組態(tài)一致。
（5）DPM1和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
除主-從功能外，PROFIBUS-DP允許主-主之間的數(shù)據(jù)通信，這些功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。
（6）同步和鎖定模式
除DPM1設(shè)備自動執(zhí)行的用戶數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸外，DP主站設(shè)備也可向單獨(dú)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(jìn)入同步模式。在這種模式中，所編址的從站輸出數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)下。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數(shù)據(jù)，但它的輸出狀態(tài)保持不變；當(dāng)接收到下一同步命令時，所存儲的輸出數(shù)據(jù)才發(fā)送到外圍設(shè)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(jìn)入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)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(hù)機(jī)制
對DP主站DPM1使用數(shù)據(jù)控制定時器對從站的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)視。每個從站都采用獨(dú)立的控制定時器，在規(guī)定的監(jiān)視間隔時間中，如數(shù)據(jù)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(yīng)功能“使能”， DPM1將脫離操作狀態(tài)，并將所有關(guān)聯(lián)從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，并進(jìn)入清除狀態(tài)。
根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備是否具備PROFIBUS接口，控制系統(tǒng)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(xiàn)場設(shè)備不具備 PROFIBUS接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)初期容易推廣。如果現(xiàn)場設(shè)備能分組，組內(nèi)設(shè)備相對集中，這種模式會更好地發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
（2）單一總線型 現(xiàn)場設(shè)備都具備PROFIBUS接口，這是一種理想情況?？墒褂矛F(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進(jìn)技術(shù)所帶來的的利益。新建項(xiàng)目若能具有這種條件，就目前來看，這種方案設(shè)備成本會較高。
（3）混合型 現(xiàn)場設(shè)備部分具備PROFIBUS接口，這將是一種相當(dāng)普遍的情況。這時應(yīng)采用PROFIBUS現(xiàn)場設(shè)備加分散式I/O混合使用的辦法。無論是舊設(shè)備改造還是新建項(xiàng)目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現(xiàn)場設(shè)備的場合可能不多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場總線接口，是一種靈活的集成方案。
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要及經(jīng)費(fèi)情況，通常有以下6種結(jié)構(gòu)類型：
（1）結(jié)構(gòu)類型1 以PLC或控制器做1類主站，不設(shè)監(jiān)控站，但調(diào)試階段配置一臺編程設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)類型，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數(shù)據(jù)讀寫、從站遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。
（2）結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站不在PROFIBUS網(wǎng)上，不是2類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)和完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從PLC控制器中讀取。
（3）結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站在PROFIBUS網(wǎng)上作為2類主站，可完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能。
（4）結(jié)構(gòu)類型4 使用PC機(jī)加PROFIBUS網(wǎng)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(jī)應(yīng)選用具有高可靠性、能長時間連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)級PC機(jī)。對于這種結(jié)構(gòu)類型，PC機(jī)故障將導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。另外，通信廠商通常只提供一個模板的驅(qū)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(yīng)用開發(fā)工作量可能會較大。
（5）結(jié)構(gòu)類型5 堅固式PC機(jī)（OMOPACT COMPUTER）＋PROFIBUS網(wǎng)卡十SOFTPLC的結(jié)構(gòu)形式。由于采用堅固式PC機(jī)（COMOPACT COMPUTER），系統(tǒng)可靠性將大大增強(qiáng)，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(yīng)用程序的開發(fā)、編輯、調(diào)試，執(zhí)行應(yīng)用程序，從站遠(yuǎn)程參數(shù)化設(shè)置，主/從站故障報警及記錄，監(jiān)控程序的開發(fā)、調(diào)試，設(shè)備在線圖形監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計、報表等。
近來出現(xiàn)一種稱為SOFTPLC的軟件產(chǎn)品，是將通用型PC機(jī)改造成一臺由軟件（軟邏輯）實(shí)現(xiàn)的PLC。這種軟件將PLC的編程（IECll31）及應(yīng)用程序運(yùn)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(jī)上，形成一個PLC與監(jiān)控站一體的控制器工作站。
（6）結(jié)構(gòu)類型6 使用兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種方案充分考慮了未來擴(kuò)展需要，比如要增加幾條生產(chǎn)線即擴(kuò)展出幾條DP網(wǎng)絡(luò)，車間監(jiān)控要增加幾個監(jiān)控站等，都可以方便進(jìn)行擴(kuò)展。采用了兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，充分考慮了擴(kuò)展余地。
