Profibus
| PROFIBUS | |
|---|---|
| 管理机构 | PROFIBUS & PROFINET International (PI) |
| 通信协议资料 | |
| 网络种类 | 设备网络、过程控制 |
| 物理介质 | 双绞线、光纤 |
| 网络拓扑 | 总线（Bus） |
| 设备寻址方式 | 指拨开关或使用硬件/软件 |
PROFIBUS是一个用在自动化技术的现场总线标准，在1987年由德国西门子公司等十四家公司及五个研究机构所推动[1]，PROFIBUS是程序总线网络（PROcess FIeld BUS）的简称[2]。PROFIBUS和用在工业以太网的PROFINET是二种不同的通信协议。
起源
PROFIBUS的历史可追溯到1987年联邦德国开始的一个合作计划，此计划有十四家公司及五个研究机构参与，目标是要推动一种串列现场总线，可满足现场设备接口的基本需求。为了这个目的，参与的成员同意支持有关工厂生产及程序自动化的共通技术研究[1]。
PROFIBUS中最早提出的是PROFIBUS FMS（FMS代表Field bus Message Specification）[3]，是一个复杂的通信协议，为要求严苛的通信任务所设计，适用在车间级通用性通信任务[4]。后来在1993年提出了架构较简单，速度也提升许多的PROFIBUS DP（DP代表Decentralized Peripherals）。PROFIBUS FMS是用在PROFIBUS主站之间的非确定性通信。PROFIBUS DP主要是用在PROFIBUS主站和其远程从站之间的确定性通信，但仍允许主站及主站之间的通信。
目前的PROFIBUS可分为二种，分别是大多数人使用的PROFIBUS DP和用在过程控制的PROFIBUS PA：
- PROFIBUS DP（分布式周边，Decentralized Peripherals）用在工厂自动化的应用中，可以由中央控制器控制许多的传感器及致动器，也可以利用标准或选用的诊断机能得知各模块的状态。
- PROFIBUS PA（过程自动化，Process Automation）应用在过程自动化系统中，由过程控制系统监控量测设备控制，是本质安全的通信协议[2]，可适用于防爆区域（工业防爆危险区分类中的Ex-zone 0及Ex-zone 1）。其物理层（线缆）符合IEC 61158-2，允许由通信线缆提供电源给现场设备，即使在有故障时也可限制电流量，避免制造可能导致爆炸的情形。因为使用网络供电，一个PROFIBUS PA网络所能连接的设备数量也就受到限制。PROFIBUS PA的通信速率为31.25 kbit/s。PROFIBUS PA使用的通信协议和PROFIBUS DP相同，只要有转换设备就可以和PROFIBUS DP网络连接，由速率较快的PROFIBUS DP作为网络主干，将信号慱递给控制器。在一些需要同时处理自动化及过程控制的应用中就可以同时使用PROFIBUS DP及PROFIBUS PA。
2009年底时PROFIBUS网络上的设备已经有三千万个，其中五百万个设备是用在过程控制。
技术
PROFIBUS通信协议（OSI模型）
| OSI模型 | PROFIBUS | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 7 | 应用层 | DPV0 | DPV1 | DPV2 | 网络管理 |
| 6 | 表示层 | -- | |||
| 5 | 会话层 | ||||
| 4 | 传播层 | ||||
| 3 | 网络层 | ||||
| 2 | 数据链路层 | FDL | |||
| 1 | 物理层 | EIA-485 | 光纤 | MBP* | |
备注：*MBP为曼彻斯特总线电力传输（Manchester Bus Powered）的缩写。
应用层
为了有效利用PROFIBUS DP的机能，PROFIBUS DP定义了几种不同的服务等级：
- DP-V0：循环式的资料交换，诊断机能。
- DP-V1：循环式及非循环式的资料交换，警告处理。
- DP-V2：时钟同步数据模式，从机和从机之间的资料广播。
数据链路层
数据链路层FDL（总线数据链路层）混合了一般主站（master）－从站（slave）之间的通信及令牌传递的消息。在PROFIBUS网络中，控制器或控制系统为主站，传感器及致动器为从站。
发送的消息不止一种，依其起始字符（start delimiter, SD）可以识别是哪一种消息： [2]
无资料：SD1 = 0x10
| SD1 | DA | SA | FC | FCS | ED |
变动长度资料：SD2 = 0x68
| SD2 | LE | LEr | SD2 | DA | SA | FC | DSAP | SSAP | PDU | FCS | ED |
固定长度资料：SD3 = 0xA2
| SD3 | DA | SA | FC | PDU | FCS | ED |
令牌（Token）：SD4 = 0xDC
| SD4 | DA | SA | ED |
简单的收到告知（acknowledgement）：SC = 0xE5
| SC |
SD:起始字符
LE:协议资料单位（protocol data unit, PDU）及DA、SA、FC、DSAP及SSAP所有资料的长度
LEr:重复LE的内容（因PROFIBUS的汉明距离HD=4，不在FCS检查码范围内的资料需重复一次，因此需重复LE内容）
FC:功能码
DA：目的设备地址
SA：来源设备地址
DSAP：目的设备的服务点（SAP）
SSAP：来源设备的服务点
| SAP（十进制） | 服务 |
|---|---|
| 默认值0 | 循环资料交换（Write_Read_Data） |
| 54 | 主站至主站服务点（M-M Communication） |
| 55 | 更改从站地址（Set_Slave_Add） |
| 56 | 读取输入（Rd_Inp） |
| 57 | 读取输出（Rd_Outp） |
| 58 | 给DP从站的控制命令（Global_Control） |
| 59 | 读取配置（Configuration）资料（Get_Cfg） |
| 60 | 读取诊断资料（Slave_Diagnosis） |
| 61 | 写入参数设置资料（Set_Prm） |
| 62 | 检查配置资料（Chk_Cfg） |
除了SAP55之外的其他服务点都是必备的，若设备中没有非易失性存储器，可以不支持更改从站地址的SAP55服务。
PDU: 协议数据单元（Protocol Data Unit）
FCS:框架检查码，是直接将消息中的字节相加而得，包括PDU、DA、SA、FC、DSAP及SSAP，不考虑溢出。
ED:结束字符，为0x16
发送字节时使用异步的发送模式，奇偶校验位为偶校验位，启始比特及停止比特均为1个。当发送资料时在字节的停止比特跟下一字节的启始比特之间不能有停顿。主站在检测网络上至少33比特没有资料（为逻辑状态1）时，会提交一笔新的消息。
比特传输层
比特传输层有三种不同的传输方式：
- 若依据EIA-485规范（旧称“RS-485”或“RS485”）的电气传输方式[5]，会使用阻抗150欧姆的双绞线，比特率范围可以从9.6 kbit/s到12 Mbit/s。两台中继器之间的网络线长也有限制，随比特率的不同，上限从100米到1200米。这种传输方式主要配合PROFIBUS DP使用。
- 若使用光纤做为介质传输，可以使用星型、总线（bus）或是环型的网络拓扑，两台中继器之间的网络线长也可以到15公里，也可以使用环型网络拓扑以冗余的方式使用网络，即使网络中有一点损坏，仍然可以正常的运作。
- 若使用“曼彻斯特总线电力传输”（Manchester Bus Powered，MBP）的传输方式，网络上不但有信号，也可提供设备电源。因为这种传输方式可以减少设备消耗的功率，因此可以在防爆需求的场合下使用。其总线拓扑最长可以到1900米，而且允许有60米的网络枝连接到设备，其比特固定为31.25kbit/s，此传输方式特别为用在过程控制的PROFIBUS PA所设计。
许多厂商的产品可以在移动设备或是无线资料传输的场合使用PROFIBUS，不过这些产品还没有对应的技术标准。
应用行规
应用行规（profile）是PROFIBUS为了特殊的应用或设备，所事先定义的配置，其中包括特殊的功能及特征。[6]应用行规是由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS international,PI）的各工作小组所订定，由PROFIBUS国际组织所发布。应用行规让用户可以确定不同厂商提供的类似设备可以有一致的机能，对产品的开放性、互操作性及互换性都很重要。用户的选择空间变大，也驱使设备厂商提升产品性能及减低成本。
目前已有许多PROFIBUS的应用行规，例如针对编码器、量测设备、智能泵、机器人及数控机床等应用行规。也有针对特殊应用的应用行规，如针对HART、无线PROFIBUS及在程序自动化设备中使用PROFIBUS PA的应用行规。其他的应用行规包括运动控制的PROFIdrive及功能安全（Functional Safety）的PROFIsafe。
标准
PROFIBUS在1991/1993年成为德国工业标准DIN 19245，在1996年成为欧洲标准EN 50170 V.2，在1996年成为现场总线国际标准IEC 61158/IEC 61784的组成部分（TYPE 3）。在2006年PROFIBUS也成为中华人民共和国的机械工业GB/T20540-2006。 [2]
组织
PROFIBUS用户组织（PROFIBUS Nutzerorganisation e.V，简称PNO）在1989年成立。这个组织主要是由欧洲的PROFIBUS制造商及用户所组成。在1992年成立了第一个地区性用户组织（PROFIBUS Schweiz in Switzerland），后来也各地区的地区性用户组织（RPAs）也相继成立。
在1995年所有的地区性用户组织集成成一个国际性的伞状组织PROFIBUS & PROFINET国际协会（PROFIBUS & PROFINET International, PI）。至2010年为止，PROFIBUS在全世界有25个地区性用户组织（包括PNO），超过1400个成员[7]，包括许多重要的自动化设备服务的厂商及许多终端客户。
参考资料
- ^ 1.0 1.1 PROFIBUS 20年回顾：从科研项目到世界市场的主导者. 控制工程网. 2009-08-03 [2010-12-14]. （原始内容存档于2015-09-14）.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 李正军. 《現場總線及其應用技術》. 机械工业出版社. 2005: p301–326. ISBN 7-111-15510-6.
- ^ PROFIBUS标准. 中国工控网. [2010-12-14]. （原始内容存档于2012-04-14）.
- ^ 陈景文. PROFIBUS总线通信协议在造纸中的应用. 自动化在线. 2007-03-24 [2010-12-14]. （原始内容存档于2011-11-01）.
- ^ PROFIBUS工業網路介紹. EE Times电子工程专辑. UBM Asia 香港商亚洲博闻有限公司台湾分公司. 2007-12-29 [2016-03-14]. （原始内容存档于2009-07-17）.
- ^ Manfred Popp. 《The New Rapid Way to PROFIBUS-DP》. PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. 2003: p139.
- ^ A COMMUNITY OF 1400. PROFIBUS & PROFINET international. [2010-12-13]. （原始内容存档于2010-12-13）.