Profibus
| PROFIBUS | |
|---|---|
| 管理机构 | PROFIBUS & PROFINET International (PI) |
| 通讯协定资料 | |
| 网路种类 | 设备网路、程序控制 |
| 物理介质 | 双绞线、光纤 |
| 网路拓扑 | 汇流排（Bus） |
| 设备定址方式 | 指拨开关或使用硬体/软体 |
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是程序总线网路（PROcess FIeld BUS）的简称[2]。PROFIBUS和用在工业乙太网路的PROFINET是二种不同的通讯协定。
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，可满足现场设备介面的基本需求。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]，是一个复杂的通讯协定，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讯。PROFIBUS DP主要是用在PROFIBUS主站和其远端从站之间的确定性通讯，但仍允许主站及主站之间的通讯。
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（分散式周边，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感测器及致动器，也可以利用标准或选用的诊断机能得知各模组的状态。
- 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，是本质安全的通讯协定[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（缆线）符合IEC 61158-2，允许由通讯缆线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。因为使用网路供电，一个PROFIBUS PA网路所能连接的设备数量也就受到限制。PROFIBUS PA的通讯速率为31.25 kbit/s。PROFIBUS PA使用的通讯协定和PROFIBUS DP相同，只要有转换装置就可以和PROFIBUS DP网路连接，由速率较快的PROFIBUS DP作为网路主干，将信号慱递给控制器。在一些需要同时处理自动化及程序控制的应用中就可以同时使用PROFIBUS DP及PROFIBUS PA。
2009年底时PROFIBUS网路上的设备已经有三千万个，其中五百万个设备是用在程序控制。
技术
PROFIBUS通讯协定（OSI模型）
| OSI模型 | PROFIBUS | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 7 | 应用层 | DPV0 | DPV1 | DPV2 | 网路管理 |
| 6 | 表示层 | -- | |||
| 5 | 会谈层 | ||||
| 4 | 传播层 | ||||
| 3 | 网路层 | ||||
| 2 | 资料链结层 | 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。
资料链结层
资料链结层FDL（总线资料链结层）混合了一般主站（master）－从站（slave）之间的通讯及令牌传递的讯息。在PROFIBUS网路中，控制器或控制系统为主站，感测器及致动器为从站。
传送的讯息不止一种，依其起始字元（start delimiter, SD）可以识别是哪一种讯息： [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:起始字元
LE:协定资料单位（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：目的设备位址
SA：来源设备位址
DSAP：目的设备的服务点（SAP）
SSAP：来源设备的服务点
| SAP（十进位） | 服务 |
|---|---|
| 预设值0 | 循环资料交换（Write_Read_Data） |
| 54 | 主站至主站服务点（M-M Communication） |
| 55 | 更改从站位址（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 | 读取组态（Configuration）资料（Get_Cfg） |
| 60 | 读取诊断资料（Slave_Diagnosis） |
| 61 | 写入参数设定资料（Set_Prm） |
| 62 | 检查组态资料（Chk_Cfg） |
除了SAP55之外的其他服务点都是必备的，若设备中没有非挥发性记忆体，可以不支援更改从站位址的SAP55服务。
PDU: 协议数据单元（Protocol Data Unit）
FCS:框架检查码，是直接将讯息中的位元组相加而得，包括PDU、DA、SA、FC、DSAP及SSAP，不考虑溢位。
ED:结束字元，为0x16
传送位元组时使用非同步的传送模式，奇偶校验位为偶校验位，启始位元及停止位元均为1个。当传送资料时在位元组的停止位元跟下一位元组的启始位元之间不能有停顿。主站在检测网路上至少33位元没有资料（为逻辑状态1）时，会送出一笔新的讯息。
位元传输层
位元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，位元速率范围可以从9.6 kbit/s到12 Mbit/s。两台中继器之间的网路线长也有限制，随位元速率的不同，上限从100公尺到1200公尺。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、汇流排（bus）或是环型的网路拓扑，两台中继器之间的网路线长也可以到15公里，也可以使用环型网路拓扑以冗馀的方式使用网路，即使网路中有一点损坏，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，网路上不但有讯号，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。其汇流排拓扑最长可以到1900公尺，而且允许有60公尺的网路枝连接到设备，其位元固定为31.25kbit/s，此传输方式特别为用在程序控制的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，所事先定义的组态，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。应用行规让使用者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。使用者的选择空间变大，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、智慧型泵、机器人及数控工具机等应用行规。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的组成部份（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整合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）.