PROFIBUS现场总线的优点及发展历程

1.PROFIBUS现场总线的发展

PROFIBUS是Process Fieldbus的简称，它是1987年由原联邦德国科技部集中了13家公司及5家研究所的力量按照ISO/OSI参考模型制定现场总线的德国国家标准。经过两年多的努力，完成了制定工作，于1991年4月在DIN19245中发表，正式成为德国现场总线的国家标准。后来，又通过投票成为欧洲标准EN50170。

PROFIBUS的历史应追溯到1987年，在德国开始的由政府支持的联合投资项目。在此投资的框架中，参加此项目的21个公司和研究院所通力合作拟定了一个战略性的现场总线项目。其目标是实现和建立一个比特串行现场总线，它的基本要求是现场设备接口的标准化。为此目的，ZVEI（德国电气和电子制造商协会）的相关成员公司同意支持用于工厂自动化和过程自动化的共性技术研究。

PROFIBUS已成为国际化的开放现场总线标准，得到了众多生产厂家的支持，并和基金会现场总线一起成为现场总线的两大体系，在欧洲，PROFIBUS拥有40％以上的市场份额，近年来，在北美和日本的发展情况也不错。由于得到PLC生产厂商的支持，加上基金会现场总线的标准迟迟得不到完善，PROFIBUS将会有更大的发展空间。

PROFIBUS是现场总线国际标准IEC 61158中的Type-3，它是世界上应用最成功、市场占有率最高的现场总线技术。PROFIBUS包括用于制造业自动化的DP和流程工业的PA，它是唯一一种能在所有自动化应用领域使用的现场总线技术。作为国际现场总线标准之一的PROFIBUS，在工业自动化、传动、化工等领域占据主导地位。除具有现场总线的普遍特点外，PROFIBUS还有其独特的优点：

1）总线传输速度高，最高可达12Mbit/s。

2）采用主从轮询方式，具有确定的传输响应时间，可应用于对时间要求苛刻的复杂控制系统中。

3）PROFIBUS满足了从现场层到工厂管理层对网络的要求，应用面广、产品多样。尤其在传动行业，几乎所有著名厂商的产品都支持PROFIBUS。

与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN 50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。PROFIBUS的开放性和不依赖于厂商通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中，PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40％。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛优质的新产品和技术服务。多种行规保证了不同厂家产品之间的通用性。在十多年的开发和应用实践过程中，PROFIBUS以其技术的成熟性、完整性和应用的可靠性等多方面优秀的表现，使其在现场总线技术领域中成为国际市场的领导者。

对于制造业自动化和过程自动化的所有应用领域来说，PROFIBUS是一个标准化的、开放的数字通信系统。PROFIBUS协议是以国际标准EN 50170和IEC 61158为基础的，这一技术适合于替代离散和模拟的信号。PROFIBUS的存在已超过20年，期间它不断地自我发展以跻身于世界市场的领先地位。由于具有一系列不同类型的协议、接口和行规，PROFIBUS以其模块化设计为基础被确定为普遍的应用，同时它也超出了制造业自动化和过程自动化的要求。

PROFIBUS凭借其在我国广泛的应用、测试技术本地化、国内企业广泛参与其技术的应用和推广等，2006年10月，它被批准为中华人民共和国国家标准GB/T 20540—2006，它是目前我国唯一的现场总线国家标准。

现场总线是20世纪90年代兴起的一种先进的工业控制技术，是目前自动化技术中的一个热点，备受国内外自动化设备制造商和用户的关注。现场总线是当今3C技术，即计算机（Computer）、通信（Communication）与控制（Control）技术发展汇聚成的结合点。它是一种数字通信协议，是用于仪表和控制器的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统，是控制技术、仪表技术和计算机网络技术相结合的产物。由于现场总线代表着自动化技术未来的发展方向，国外许多大公司相继推出了各自的现场总线标准。在众多的现场总线产品中，作为欧洲标准并已占据较大市场份额的PROFIBUS是很具有代表性的一种。

PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。符合IEC 61158国际标准——JB/T 10308.3—2001（中国标准2001年），PROFIBUS协议包括3个主要部分：

1）PROFIBUS-DP。主站和从站之间采用轮询的通信方式，PROFIBUS-DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域、制造业自动化系统中单元级和现场级通信。

2）PROFIBUS-PA。电源和通信数据通过总线并行传输，PROFIBUS-PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC 1158—2标准，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通信。

3）PROFIBUS-FMS：定义了主站和主站之间的通信模型，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、PLC、低压开关等，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

PROFIBUS支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式，PROFI_- BUS的传输速率为9.6k～12Mbit/s，最大传输距离在9.6kbit/s时为1200m，在12Mbit/s时小于200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。

PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率为25％。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500种，分别来自国际上250多个生产厂商。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备超过200万台，适用于过程自动化的PROFIBUS-PA仪表设备在多个国家的多个用户厂商投入现场运行。

1985年组建了PROFIBUS国际支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（PROFIBUS）专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的实验室。

2.PROFIBUS技术特点

PROFIBUS实际上是一种应用类的系统框架，其基本技术特点如下。

1）分为通用性自动化（FMS）、工厂自动化（DP）和过程控制自动化（PA）三个系列。

2）设备之间的通信采用主从方式；结构采用OSI参考模型中的物理、数据链路和应用三层结构。

3）标准采用EN 50170；其接口标准为：PA采用IEC 1158-2，FMS和DP采用RS-485。

4）信号线可用设备电源线。

5）每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。

6）传输速率可在9.6k～12Mbit/s间选择。

7）传输介质可以用金属双绞线或光纤。

8）提供通用的功能模块管理规范。

9）在一定范围内可实现互操作。

10）没有统一的设备描述语言和DDL支持。

11）提供系统通信管理软件（包括波形识别、速率识别和协议识别等功能）。

12）提供244B报文格式，提供通信接口故障安全模式（当I/O故障时输出全为零）。

PROFIBUS是面向工厂自动化、过程自动化的一种国际性的现场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，适用于快捷、时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。

PROFIBUS是基于分布式控制思想发展而来的，最初的设计构想是基于扩展MAP/MMS标准的思想，建立一个基于客户/服务器（Client/Server）结构的、面向对象的、适应工厂上下各层的工业通信系统。PROFIBUS是国际性的、开放的现场总线标准，PROFIBUS标准（EN 50170）是完整的、开放的、与制造商无关的、已经生效的，其保护了世界范围的用户和制造商的投资。采用PROFIBUS现场总线可节省硬件和安装费用，更容易组态（对所有设备只需一套工具），更容易保养和维修，更容易且更快捷的系统启动，更大的制造灵活性，改进功能可减少故障时间，采用准确、可靠的数据诊断和可靠的数字传输技术。

3.PROFIBUS现场总线系统的优点

（1）开放性

PROFIBUS是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过250家公司，可以生产超过2000种支持PROFIBUS的系统和设备。PROFIBUS的开放性保证了不同制造厂商产品的互联，例如西门子公司的DCS或PLC可以通过PROFIBUS连接第三方的远程I/O、智能设备和仪表，这些连接只需要产品制造商提供相应的GSD文件或EDD文件，然后进行简单组态即可实现。目前国际知名的自动化系统制造商及仪表制造商，如西门子、ABB、EMERSON等都可以提供丰富的支持PROFIBUS的产品。在电力行业知名的DCS制造商如：西门子、ABB、EMERSON、FOXBORO等也都支持PROFIBUS现场总线，知名的PLC品牌，如西门子、MODICON、AB的产品也都支持PROFIBUS总线。

（2）可靠性

PROFIBUS现场总线安装运行节点数超过1000万个，大大高于其他现场总线系统。PROFIBUS是IEC 61158的重要组成部分，并于2001年成为中国的行业标准JB/T 10308.3—2001（与GB等效）。PROFIBUS的可靠性表现在以下几个方面：

1）PROFIBUS总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。

2）采用PROFIBUS总线直接连接现场智能设备，可以大幅减少接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。

3）PROFIBUS可直接连接智能设备，减少了A-D转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障。

4）PROFIBUS上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和PROFIBUS接头减少接线风险；同时PROFIBUS接头可以保证总线上任何一个节点设备故障不影响系统通信。

5）支持冗余总线系统，提高系统可靠性。

（3）灵活扩展

采用PROFIBUS总线结构的控制系统扩展非常方便灵活，主要表现在以下几个方面：

1）拓扑结构灵活，可以支持总线型、星形、树形、冗余环形等多种拓扑结构。(www.xing528.com)

2）支持光纤和双绞线作为通信介质，采用多模光纤时，两个光电模块间的距离可达3km，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达26km；采用双绞线不加中继的最远通信距离可达1km，采用中继时最远可达9km。

3）一条PROFIBUS-DP总线最多可以连接123个DP从站，所有满足PROFIBUS-DP通信规约的设备都可以连接到系统中。目前全球有超过1200家公司，生产超过2000种支持PROFIBUS的产品，因此具有很强的开放性和可扩展性。

4）网络拓扑灵活，单一总线系统和冗余总线系统间可无缝连接，PA总线可以通过网络上任一点扩展，并能与其他网络和总线（PROFINET和AS-i）方便集成。

5）PROFIBUS同时可以支持PROFIsafe协议，一条总线上既可以传输标准数字信号，也可以同时传输故障安全信号。

6）提供可用于危险领域的接口模块，可以支持在危险区域的应用。

（4）实时性

采用PROFIBUS总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS总线系统的数据传输速率所决定的。PROFIBUS-DP总线的传输速率可达12Mbit/s，是目前通信速率最高的现场总线。PROFIBUS-DP总线的响应时间可以按下面的公式进行计算：

式中，317是一个常数，表示一个DP从站建立通信连接所需的数据位；N_Slaves表示整个PROFIBUS-DP总线上的从站数量；N_Bytes表示整个PROFIBUS-DP总线上传输的数据总数，单位为B（字节）。

如果总线系统中还有PA总线，则PA总线的响应时间为

整个PROFIBUS-DP系统的响应时间为

从上面的公式可以看出，一个典型的通过PA总线连接的智能仪表的响应时间为10ms，一个典型的通过PA总线连接的执行机构的响应时间为15ms，一个PROFIBUS-DP从站的响应时间小于0.3ms。因此可以确定PROFIBUS总线系统是一个实时的系统，大大优于其他总线系统。

4.PROFIBUS协议结构

网络协议是指用于网络之间相互沟通、传输信息所要共同遵守的基础。网络协议有专用网络协议和非专用（标准）网络协议之别。现场总线通信协议基本遵照ISO/OSI参考模型，主要实现第1（物理层）、2（数据链路层）、7（应用层）层功能。OSI模型是建立在七层协议基础上，作为一个起始点以发展计算机通信标准的。每层都有一定等级功能，具有规定的高层或低层的接口，为其提供一定功能通信标准，但并不一定所有的层都需要。当与很好定义的程序模块连接时，该模块定义了数据意义及格式，OSI模块将提供一个多卖主相互操作的高水平工具。一个典型的开放系统结构可以应用在工业和商业的控制系统上，所有的开放系统元件使用标准协议作为本系统语言，无需翻译，可以相互通信。

PROFIBUS开始只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS，1994年又推出了PROFIBUS-PA，它引用了IEC标准的物理层（IEC 1158-2，1993年通过），从而可以在有爆炸危险的区域（EX）内连接本征安全型，通过总线馈电的现场仪表，这使PROFIBUS更加完善。PRO-FIBUS已于1996年3月15日被批准为欧洲标准EN 50170的第2卷。

PROFIBUS同FF一样省略了3～6层，增加了用户层。PROFIBUS-DP使用第1层、第2层和用户接口。PROFIBUS-FMS分别对1层、2层和7层加以定义，PROFIBUS-PA的数据传输沿用PROFIBUS-DP的协议，只是在上层增加了描述现场设备行为的PA行规。它的总线访问方式为：主站之间通信采用令牌传输，主站和从站之间采用主从方式。PROFIBUS可以采用总线型、树形、星形等网络拓扑，总线上最多可挂接127个站点。PROFIBUS行规的制定为遵循PROFIBUS协议的设备之间的互操作奠定了基础。通过对设备指定符合PROFIBUS行规的过程参数、工作参数、厂家特定参数，设备之间就可以实现互操作。

PROFIBUS协议结构如图1-1所示，物理层采用EIA-RS-232、EIA-RS-422/RS-485等协议。由于在某些情况下，现场传感器、变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源，因此对总线上数字信号的强度（驱动能力）、传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。

图1-1 PROFIBUS协议结构

图1-2 PROFIBUS-DP系统组成

考虑到数据链路层现场设备故障较多，更换频繁，所以数据链路层媒体访问控制多采用受控访问（包括轮询和令牌）协议，通常，各PC、PLC作为主站，传感器、变送器等作为从站。另外，必须支持点对点、点对多点和广播通信方式。

应用层解决的是应用什么样的高级语言（或过程控制语言）作为面向用户的编程（或组态）语言，其中包括设备名称、网络变量与配置（捆绑）关系，参数与功能调用及相关说明等，一般应具有符合IEC 1131-3标准的图形用户界面（GUI）。

（1）PROFIBUS-DP。DP定义了第1、2层和用户接口，第3～7层未加描述。用户接口规定了用户和系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。典型的PROFIBUS-DP系统组成如图1-2所示。图1-2是一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。3个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主—从通信关系表与所有从站通信，也可依照主—主通信关系表与所有主站通信。

（2）PROFIBUS-FMS。FMS定义了第1、2、7层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification，FMS）和低层接口（Lower Layer Interface，LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第2层访问接口，典型的PROFIBUS-FMS系统组成如图1-3所示。

（3）PROFIBUS-PA。PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。典型的PROFIBUS-PA系统组成如图1-4所示。

PROFIBUS具有模块化的设计，并提供通信技术、许多应用和系统行规，以及设备管理工具等。这样，PROFIBUS在相当程度上覆盖了工厂自动化和过程自动化领域不同的和特殊应用的要求。从安装PRO-FIBUS系统的数量看，证明了对此现场总线技术的高度认可。从技术的观点看，PROFIBUS系统结构的低层（通信）是基于ISO/OSI模型的。这里只给出了通信步骤的纯抽象描述，并未提供详细内容的实现。在第7层上面的应用行规Ⅰ和Ⅱ中，安排了制造商与用户之间基于特定设备应用所约定的规范。跨过若干层的模块系统如下：

1）用于设备描述和集成的功能和工具（总称：集成技术）。

图1-3 典型的PROFIBUS-FMS系统组成

图1-4 PROFIBUS-PA系统组成

2）标准范围（接口，主站行规；总称：系统行规），它主要服务于统一的标准化系统的实现。

从用户的观点看PROFIBUS以不同典型应用的主要侧重点来表现自己，虽然未专门对它们进行定义，但频繁应用的结果证明它们是实用的。每一种主要侧重点是由“传输技术”、“通信协议”和“应用行规”中模块元素的典型结合（但没有特别的定义）产生的结果。

5.PROFIBUS应用领域

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一种高速的（数据传输速率9.6k～12Mbit/s）、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；PROFIBUS-PA采用IEC 1158-2标准，传输速率为31.25kbit/s，并提供本征安全特性，适用于安全性要求较高及由总线供电的场合；PROFIBUS-FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。

PROFIBUS自1997年进入我国后，市场发展非常迅速。据CPO对北京周边300多家企业的调查结果显示，PROFIBUS的市场占有率为40％～50％，而在全国市场至少有30％～40％的占有率。有理由相信，随着自动化技术的进一步提高，PROFIBUS技术会在国内有更进一步的推广应用。PROFIBUS主要应用领域有：

1）制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。

2）过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。

3）电力：发电、输配电。

4）楼宇：空调、风机、照明。

5）铁路交通：信号系统。

PROFIBUS由西门子公司提出并极力倡导，已先后成为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。PROFIBUS由PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS三个系列组成。PROFIBUS-PA（Process Automation）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF的H1总线，可以提供总线供电和本征安全，并得到了专用集成电路（ASIC）和软件的支持。PROFIBUS-DP与PROFIBUS-PA兼容，基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接PROFIBUS-PA和加工自动化。PROFIBUS-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA采用RS-485通信标准，传输速率为9.6k～12Mbit/s，传输距离为100～1200m（与传输速率有关）。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。PROFIBUS是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。PROFIBUS的应用范围如图1-5所示。

图1-5 PROFIBUS应用范围