現場總線技術及Profibus的概念以及相關的基礎知識

圖2-6：Profibus-DP用戶數據傳輸

2.3.1.4DPM1和DP從站間的循環數據傳輸
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時，用戶對DP從站與DPM1的關系作出規定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP從站間的數據傳送分三個階段：參數設定、組態、數據交換。在參數設定階段，每個從站將自己的實際組態數據與從DPM1接受到的組態數據進行比較。只有當實際數據與所需的組態數據相匹配時，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一致。
2.3.1.5DPM1和系統組態設備間的循環數據傳輸
除主—從功能外，Profibus-DP允許主—主之間的數據通信，這些功能使組態和診斷設備通過總線對系統進行組態。
2.3.1.6同步和鎖定模式
除DPM1設備自動執行的用戶數據循環傳輸外，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送控制命令。這些命令通過有選擇的廣播命令發送的。使用這一功能將打開DP從站的同步及鎖定模式，用于DP從站的事件控制同步。
主站發送同步命令后，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下，直到主站發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。
2.3.1.7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視。每個從站都采用獨立的控制定時器。在規定的監視間隔時間中，如數據傳輸發生差錯，定時器就會超時。一旦發生超時，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，并將所有關聯從站的輸出置于故障安全狀態，并進入清除狀態。
對DP從站使用看門狗控制器檢測主站和傳輸線路故障。如果在一定的時間間隔內發現沒有主機的數據通信，從站自動將輸出進入故障安全狀態。
2.3.2擴展DP功能
DP擴展功能是對DP基本功能的補充，與DP基本功能兼容。
2.3.2.1DPM1與DP從站間的擴展數據通信
(1)DPM1與DP從站間非循環的數據傳輸。
(2)帶DDLM讀和DDLM寫的非循環讀/寫功能，可讀寫從站任何希望數據。
(3)報警響應，DP基本功能允許DP從站用診斷信息向主站自發地傳輸事件，而新增的DDLM-ALAM-ACK功能被用來直接響應從DP從站上接收的報警數據。
(3)DPM2與從站間的非循環的數據傳輸。
2.3.3電子設備數據文件（GSD）
為了將不同廠家生產的Profibus產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件（電子設備數據庫文件）方式提供這些產品的功能參數（如I/O點數、診斷信息、波特率、時間監視等）。標準的GSD數據將通信擴大到操作員控制級。使用根據GSD文件所作的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。如圖2-7所示。

圖2-7：基于GSD文件開放式組態

GSD文件可分為三個部分：
(1)總規范：包括了生產廠商和設備名稱、硬件和軟件版本、波特率、監視時間間隔、總線插頭指定信號。
(2)與DP有關的規范：包括適用于主站的各項參數，如允許從站個數、上裝/下裝能力。
(3)與DP從站有關的規范：包括了與從站有關的一切規范，如輸入/輸出通道數、類型、診斷數據等。
2.3.4Profibus—DP行規
Profibus—DP協議明確規定了用戶數據怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數據的含義是在PROFIBUS行規中具體說明的。另外，行規還具體規定了PROFIBUS—DP如何用于應用領域。使用行規可使不同廠商所生產的不同設備互換使用，而工廠操作人員毋須關心兩者之間的差異，因為與應用有關的參數含義在行規中均作了精確的規定說明。下面是PROFIBUS-DP行規，括弧中數字是文件編號：
·NC/RC行規（3.052）
·編碼器行規（3.062）
·變速傳動行規（3.071）
·操作員控制和過程監視行規（HMI）
2.4Profibus-PA
Profibus—PA適用于PROFIBUS的過程自動化。PA將自動化系統和過程控制系統與壓力、溫度和液位變送器等現場設備連接起來，PA可用來替代4—20mA的模擬技術。PROFIBUS—PA具有如下特性：
(1)適合過程自動化應用的行規使不同廠家生產的現場設備具有互換性。
(2)增加和去除總線站點，即使在本征安全地區也不會影響到其它站。
(3)在過程自動化的Profibus—PA段與制造業自動化的PROFIBUS—DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實現兩段間的透明通信。
(4)使用與IEC1158—2技術相同的雙絞線完成遠程供電和數據傳送。
(5)在潛在的爆炸危險區可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。
2.4.1Profibus—PA傳輸協議
Profibus—PA采用PROFIBUS—DP的基本功能來傳送測量值和狀態。并用擴展的PROFIBUS—DP功能來制訂現場設備的參數和進行設備操作。PROFIBUS—PA第一層采用IEC1158—2技術，第二層和第一層之間的接口在DIN19245系列標準的第四部分作出了規定。
2.4.2Profibus—PA設備行規
Profibus—PA行規保證了不同廠商所生產的現場設備的互換性和互操作性，它是PROFIBUS—PA的一個組成部分。PA行規的任務是選用各種類型現場設備真正需要通信的功能，并提供這些設備功能和設備行為的一切必要規格。
目前，PA行規已對所有通用的測量變送器和其它選擇的一些設備類型作了具體規定，這些設備如：
·測壓力、液位、溫度和流量的變送器
·數字量輸入和輸出
·模擬量輸入和輸出
·閥門
·定位器
2.5Profibus-FMS
Profibus—FMS的設計旨在解決車間監控級通信。在這一層，可編程序控制器（如PLC、PC機等）之間需要比現場層更大量的數據傳送，但通信的實時性要求低于現場層。
2.5.1Profibus-FMS應用層
應用層提供了供用戶使用的通信服務。這些服務包括訪問變量、程序傳遞、事件控制等。Profibus—FMS應用層包括下列兩部分：
·現場總線信息規范（FieldbusMessageSpecification-FMS）：描述了通信對象和應用服務。
·低層接口(LowerLayerInterface-LLI)：FMS服務到第二層的接口。
2.5.2Profibus-FMS通信模型
Profibus—FMS利用通信關系將分散的應用過程統一到一個共用的過程中。在應用過程中，可用來通信的那部分現場設備稱虛擬設備VFD（VirtualfieldDevice）。在實際現場設備與VFD之間設立一個通信關系表。通信關系表是VFD通信變量的集合，如零件數、故障率、停機時間等。VFD通過通信關系表完成對實際現場設備的通信。
2.5.3通信對象與通信字典（OD）
(1)FMS面向對象通信，它確認5種靜態通信對象：簡單變量、數組、記錄、域和事件，還確認2種動態通信對象：程序調用和變量表。
(2)每個FMS設備的所有通信對象都填入對象字典（OD）。對簡單設備，OD可以予定義，對復雜設備，OD可以本地或遠程通過組態加到設備中去。靜態通信對象進入靜態對象字典，動態通信對象進入動態通信字典。每個對象均有一個唯一的索引，為避免非授權存取，每個通信對象可選用存取保護。
2.5.4Profibus-FMS服務
FMS服務項目是ISO9506制造信息規范MMS（ManufacturingMessageSpecification）服務項目的子集。這些服務項目在現場總線應用中已被優化，而且還加上了通信對象的管理和網絡管理。
Profibus—FMS提供大量的管理和服務，滿足了不同設備對通信提出的廣泛需求，服務項目的選用取決于特定的應用，具體的應用領域在FMS行規中規定。
2.5.5低層接口（LLI）
第七層到第二層服務的映射由LLI來解決，其主要任務包括數據流控制和聯接監視。用戶通過稱之為通信關系的邏輯通道與其他應用過程進行通信。FMS設備的全部通信關系都列入通信關系表CRL(CommunicationRelationshipList)。每個通信關系通過通信索引（CREF）來查找，CRL中包含了CREF和第二層及LLI地址間的關系。
2.5.6網絡管理
FMS還提供網絡管理功能，有由現場總線管理層第七層來實現。其主要功能有：上、下關系管理、配置管理、故障管理等。
2.5.7Profibus-FMS行規
FMS提供了范圍廣泛的功能來保證它的普遍應用。在不同的應用領域中，具體需要的功能范圍必須與具體應用要求相適應。設備的功能必須結合應用來定義。這些適應性定義稱之為行規。行規提供了設備的可互換性，保證不同廠商生產的設備具有相同的通信功能。FMS對行規做了如下規定（括號中的數字是文件編號）：
·控制間的通信（3.002）
·摟宇自動化（3.011）
·低壓開關設備（3.032）
2.6Profibus特點綜述
與其它現場總線系統相比，Profibus的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造、過程控制和樓宇自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10多萬成功應用中得以實現。市場調查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業現場總線系統的市場份額超過40%。PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優勢并能提供廣泛的優質新產品和技術服務。