2　Profibus协议结构
　　Profibus协议以国际标准ISO7498开放系统互联网络OSI（Open SystemIntercomection）参考模型为基础，采用了该模型七层中的第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和第七层（应用层），增加了用户接口层。PROFIBUS－DP／－PA／－FMS均使用了第一层、第二层和用户接口层，FMS还使用了第七层，而DP／PA未使用第七层（图2）。

2．1　第一层：定义物理的传输技术
　　现场总线系统的应用在较大程度上取决于选择哪种传输技术，既要考虑简便和经济的因素，在流程自动化的应用场合，数据和电源还必须在同一根电缆上传送，以达到本质安全的要求等。因此，单一的传输技术不可能满足所有要求。为此，Profibus提供可选的三种传输技术：
　　RS－485：用于DP／FMS，波特率从9．6kbit／s到12Mbit／s。传输距离与波特率有关，每段最多可接32个站（主站／从站）。通过中继器（repeater）可以增加段数，距离也相应可延长至10km，总线上的站数最多可达127个。
　　光纤电缆（FO）：用于DP／FMS，可选，用于电磁兼容性（EMC）要求高和长距离要求的场合。
　　IEC1158－2：用于PA，波特率31．25kbit／s，具有本质安全特性，由总线对设备供电。
　　电缆均采用屏蔽／不屏蔽双绞线。由于DP和FMS使用同样的传输技术，因此这二个系统可在同一根电缆上同时操作。通过DP／PA段藕合器或DP／PA段连接器，PA系统能很方便地集成到DP网络中。
2．2　第二层：定义总线存取协议
　　Profibus－DP／－PA／－FMS均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型的第二层来实现的，它还包括数据的可靠性、传输协议和报文处理等。在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层FDL（Fieldbus Data Link）。
　　（1）为了满足工业自动化应用领域对通信方式的各种需求（如集中式、分散式和集中与分散混合式），Profibus总线存取协议提供两种方式：从站之间的令牌（Token）传递存取方式和主站与从站之间的轮询（Polling）存取方式（图3）。

　　由于这种总线存取方式，可以实现三种系统配置：主－主系统，主－从系统和混合系统，从而能满足工业自动化各应用领域的需求。
　　（2）数据传输程序的控制由介质存取控制MAC（MediumAccess COMEO1）来实现，在总线系统建立初期，MAC的任务是检查总线上的站点地址并建立逻辑令牌环。令牌环是所有主站的组织链，按主站地址升序构成，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新接入的主站必须加入令牌环。MAC确保在任一时刻只有一个主站具有令牌（总线存取权），令牌在所有主站间循环一周的时间和各主站持有令牌的时间，根据应用系统的要求，经计算后在系统组态时设定。MAC还有监测、检查传输介质及收发器故障、站地址错和令牌错误等功能。
　　（3）数据传输的完整性和可靠性，依靠所有报文的海明距离HD＝4（Hamming Distance），符合国际标准IEC870－5－1制定的要求。
　　（4）Profibus第二层按非连接的模式操作，提供三种通信方式：
    ·点对点通信；
　　·广播通信，即主站向所有其他站（包括主和从）发送信息，不要求回答；
　　·有选择的广播通信，即主站向一组站（主和从）发送信息，不要求回答。
　　（5）在Profibus－DP／－PA／－FMS中，分别使用了第二层服务的不同子集。这些服务通过第二层的服务存取点SAP（Service access point）由上一层调用。在FMS中，这些服务存取点是用来建立逻辑通信系统表，而在DP／PA中，对每个服务存取点都赋予一个不同的、定义明确的功能。
2．3　第七层和用户接口层
　　（1）Profibus－DP未使用第七层，这种结构确保了数据传输的快速和有效。在DP的用户接口层中，直接数据链路映象DDLM（Direct Data Link Map－per）为用户接口进入第二层提供了简捷的途径。除此之外，用户接口中还规定了用户、系统及不同设备可调用的应用功能。DP行规（Profile）详细说明了各种不同DP设备的设备行为等。
　　（2）Profibus－PA也未使用第七层，在PA的用户接口层，它以DP基本功能为基础，采用扩展的DP功能。除此之外，还用PA行规描述了现场设备的各种参数和设备行为的各种要求。
　　（3）Profibus－FMS使用了第七层（应用层），应用层由现场信息规范FMS（Fieldbus Message speci－fication）和低层接口LLI（Lower LayerInterface）组成。
　　FMS包括应用协议层并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服务。
　　LLI协调各种通信关系，并为FMS提供不依赖设备的访问第二层。在用户接口规定FMS设备
行规。
3　Profibus－DP／－PA／－FMS的主要特性
　　除上述已经说明的Profibus特性外，再分别对DP－PA－FMS的主要特性作概要叙述。
3．1　Profibus－DP
　　　　Profibus－DP主要用于现场级的高速数据传输，解决自动控制系统（如PLC、PC等）通过高度分散的现场设备（I／O、驱动器等）之间的通信任务。使用PROFIBUS－DP可取代现场的24V或0～20mA的并行信号传输技术。
　　自动控制系统与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性的，而对智能化现场设备还需要有非周期性的数据交换（如组态、诊断、报警处理等）。周期性的通信由DP基本功能完成，非周期性的通信由DP功能完成。
　　Profibus提供了冗余技术，系统冗余和介质冗余。
　　·Profibus－DP行规
　　Profibus－DP协议规定了用户数据怎样在总线各站之间进行传递。DP行规具体说明用户数据的含义，并具体规定了PROFIBUS－DP如何在应用领域使用。利用行规，设备操作和最终用户可以互换不同生产厂商生产的设备，甚至还允许互换不同厂商生产的部件，这降低了用户的工程和维护成本。
3．2　Profibus－PA
　　Profibus－PA主要用于流程工业自动化领域。它将自动化系统或过程控制系统与设备（如压力、温度和液位变送器等）通过总线连接起来，并解决它们之间的通信任务。PA采用IEC1158－2传输技术，现场设备由总线供电，具有本质安全特性。可用于有爆炸危险的区域。使用PROFIBUS－PA可取代现行的4～20mA的模拟技术。
　　（1）PA行规保证了不同生产厂商生产的现场设备具有互换性和互操作性，是Profibus－PA的一个组成部分。PA行规的主要任务是选用各类现场设备必须的通信功能，并提供这些设备功能和行为的一切必要的规格、参数等。
　　（2）RS485／FO（光纤）和IEC1158－2传输技术之间可以通过DP／PA藕合器（coupler）或PA链接器（Link）相连接，从而使Profibus网络很容易地延伸到有爆炸危险的应用区域。
　　·藕合器／链接器的主要任务是：
　　将异步数据格式转换为同步数据格式，并将传输速率转换为31．25kbit／s向现场设备供电，限制馈电流（适用于防爆）。
　　·藕合器与链接器的区别
　　藕合器与“一根导线”的作用相同，不是系统组态的对象，从总线的角度看，它是不可识别的；链接器应用于对循环时间要求很高和现场设备（仪表）数量很大的场合。每个链接者可连三个藕合器。链接器对上位主站而言它是从站，对它下面连接的现场设备而言它又是主站（图4）。

　　Profibus－PA与AS－I（传感器／执行器接口）、HART和传统仪表可以混合使用。这为最终用户改造传统的应用系统提供了很大的方便和灵活性，也为设备仪表的生产厂提供了广泛的选择余地。
3．3　Profibus－FMS
　　Profibus－FMS主要用于车间（或单元）级的通信，它的通信是面向对象的。由于这一级处在工厂自动化系统的中间层，起承上启下的作用，因此在这一级高性能的功能要求远比系统的快速反应更为重要。FMS除解决智能现场设备（如PLC、PC、MMI等）之间的通信任务外，还提供了大量的、强有力的管理和服务功能，以适应各种应用需要。它也用于大范围和复杂的通信系统。
　　（1）Profibus－FMS应用层包括两部分：现场总线信息、规范（FMS）和低层接口（LLI）。
　　（2）通信模型
　　Profibus－FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中，在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟现场设备VFD（Virtual Field Device）。VFD中部分变量能通过两个通信关系来读写。
　　（3）通信对象和对象字典（OD）
　　·FMS面向对象通信，它确认5种静态通信对象：简单变量、数组、记录域和事件，还确认2种动态通信对象：程序调用和变量表。
　　·每个FMS设备的所有通信对象都填入对象字典（OD）。对简单设备OD可以定义，对复杂设备OD可以本地或远程通过组态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字典，动态通信对象进入动态通信字典。每个对象均有一个唯一的索引，为避免非授权存取，每个通信对象可选用存取保护。
　　（4）Profibus－FMS服务
　　FMS服务项目是ISO9506制造信息规范MMS（Manufacturing Message Specification）服务项目的子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化，而且还加上了通过对象功能的管理和网络管理。Profibus－FMS提供了大量的管理和服务，满足了不同设备对通信提出的广泛需求，服务项目的选用取决于特定的应用，具体的应用领域在FMS行规中规定，FMS服务分以下几组：
　　·上、下关系管理；区域管理；OD管理；变量存取服务；事件管理；VFD支持服务；程序调用管理
　　（5）低层接口（LLI）
　　第七层到第二层服务的映射由LLI来解决，其主要任务包括数据流控制和联接监视。用户通过称之为通信关系的逻辑通道与其他应用过程进行通信。LLI提供了各种类型的通信关系。FMS设备的全部通信关系都列入信息关系表CRL（Communica－tion Relationship List）。每个通信关系通过通信索引（CREF）来查找，CRL中包含了CREF和第二层及LLI地址的关系。
　　（6）网络管理FMS还提供网络管理功能由FMA7（Fieldbus Management Layer7）现场总线管理层7完成。其主要功能有：上、下关系管理、配置管理、故障管理等。
　　（7）Profibus－FMS行规FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用。在不同的应用中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求相适应。设备的功能必须结合应用来定义，这些适应性定义称之行规。行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。
4　Profibus实现的可能性
　　一方面，目前Profibus协议芯片已形成系列产品，使用这些协议芯片使PROFIBUS协议的具体实现简单、方便、省时间省费用，还可达到快速提供产品的目的。另一方面，从原理上，PROFIBUS协议在任何微处理器上都可以实现，在微处理器的内部或外部需要安装异步串行接口（HART）。但当协议的传输速率超过500kbit／s或需要连接IEC1158－2传输技术时，还是应该使用协议专用芯片。采取何种方法来实现PROFIBUS协议主要取决于现场设备的复杂程度、它所需要的性能和功能，各种方法所需要的各类硬件和软件均可从市场上多家厂商买到。这些产品已列入PROFIBUS产品指南。
　　为保证Profibus产品的质量和设备的可互操作性和可互换性，PROFIBUS用户组织已据EN45000标准编制了一套产品测试认证程序。在德国和美国已建立了相应的测试实验室，经过测试合格的产品，由PROFIBUS用户组织发给认证证书，同时给一个识别号。目前正在中国CPO建立PROFIBUS产品演示和测试实验室，该实验室设在北京机械工业自动化研究所内。这为中国的用户和PROFIBUS产品的生产企业将提供极大的方便。
5　Profibus的应用及前景
　　Profibus产品以每年20～30％的惊人速度发展，截止1998年6月，全世界PROFIBUS设备安装总数已达200万台，100多家企业生产的PROFIBUS产品已达1600种以上，应用多达20万个，总投资达45亿美元。
　　Profibus－PA现场仪表自1997年以来已售出2万多台，且在世界各地运行。据权威人士预测：今后12个月内，PROFIBUS－PA仪表销售量可达5万台；今后5年内，市场销售额可达6．5亿美元。
　　目前，ProfibusInternational（PI）国际组织的成员有800个，分布在21个国家。前不久，一些在过程自动化领域占有重要地位的企业，如FOXBORO和横河（YOKOGAWA）也加入了PROFIBUS－PA的行列。PROFIBUS实际上已经超越了欧洲标准的范畴，成为国际上领先的标准化现场总线。
　　在中国，相应的组织机构是CPO－ChinaProfibusOrganization，成立于1997年7月3日。目
前，国内至少有50家企业运用Profibus－DP成功地实现了从食品、机械、楼宇、烟草、钢铁、电站直至环保工程的自动化，并取得了明显的经济效益。
　　在新世纪，现场总线已经在自动化领域中引发了一场变革，将同融合PLC、DCS和现场总线于一体的全集成自动化系统、信息网络技术一道，形成自动化技术发展的主流。

参考文献

1　现场总线概述．重庆川仪总厂技术资料，1997
2　现场总线（Profibus）技术应用．中国机电一体化技术应用协会，1999
3 Profibus International：PROFIBUS Technical Trainning“PROFIBUS－Der internationale,offene Fieldbusstandard”，edi－tion 1．0．Mai，1998