profibus现场总线的通信原理

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PROFIBUS现场总线的通信原理1．引言PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）现场总线解决方案[1]，它不依赖于产品制造商，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信，因此它广泛应用于制造加工、楼宇和过程自动化等自动控制领域。它包括3个兼容版本，Profibus-DP(H2)、Profibus-PA(H1)、Profibus-FMS。DP是经过优化的高速、廉价的通信接口，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，可取代24V或0~20mA并行信号线。也可用于分布式控制系统的高速数据传输。FMS用于车间级通用性中等传输速度的循环和非循环通信，适用于传感器、执行器、PLC等一般自动控制系统。PA是专为过程自动化设计的标准本质安全传输技术，满足IEC1158-2中规定的通信规程，适用于安全性要求高以及由总线供电的场合。PROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，总线系统分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，从站仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息[2]。2．PROFIBUS的协议结构PROFIBUS的协议结构是根据ISO7498国际标准化开发式互联网络（OSI）作为参考模型，具体结构如图1所示。图1PROFIBUS协议结构图 PROFIBUS-DP使用了第1、2层和用户接口，这样确保了数据传输快速和有效地进行，直接数据链路映像（DDLM）使用户接口易于进入第2层。PROFIBUS-FMS对第1、2、7层均加以定义。应用层包括现场总线信息规范（FMS）和底层接口（LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供可广泛选用的通信服务；LLI协调不同通信关系并保证FMS不依赖设备访问第二层，第二层（FDL）提供总线访问控制并保证数据的可靠性。PROFIBUS-PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议，另外还使用了PA行规。这种传输技术可确保其本征的安全性并可通过总线为现场设备供电[1,2]。1．PROFIBUS总线存取协议三种PROFIBUS（DP、FMS和PA）均使用一致的总线存取协议，该协议是通过OSI参考模型的第2层来实现的，它包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。其总线存取协议如图2所示。图2PROFIBUS总线存取协议在PROFIBUS中，第二层称为现场总线数据链路层（FDL），介质存取控制（MAC）具体控制数据传输的程序。MAC必须确保在任何一个时刻只能有一个站点发送数据，PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。在图2中，首先由PROFIBUS总线上的主站（不一定全部）组成逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按一定方向依次流动。凡获得令牌的站就获得了总线的控制权，并获得批准的令牌持有时间，在这段时间内，该站就成为整个网络的主站，执行主站工作，可依照主-从关系表与所有从站通信，也可依照主-主关系表与所有主站通信，这就是所谓令牌控制主站浮动。根据这一定义，总线有三种控制方式：N：M方式（总线共有M个站，其中N个主站，N