ProfiBus通讯原理详解解析
ProfibusDP数据传递通信原理
简单Profibus/DP实验系统的组建引言：为了让更多刚接触到Profibus系统的朋友能对Profibus的网络架构及系统运行机制有一个整体的认识，笔者根据自身的运用经历编写这篇文章，以期望能带领各位读者快速进入到Profibus的世界。
本文所采用的系统是Siemens S7 300的CPU，加上ET200M并带AI和DI 模块，另加一Siemens MMX420变频器带Profibus接口板组成。
系统的目的是实五、PLC编程当网络组态工作正确完成之后，接下来继续进行PLC端梯形图的编程，S7 Manager提供了强大的PLC编程系统。
我们的任务是编写一个简单的梯形图程序，以能过ET200M上的DI和AI模块来对MMX Drives进行操作及参数访问。
DI模块用来对变频器进行启动，停止，正向，反向等控制操作，AI模块用来设定变频器的频率。
回到S7 Manager的主窗口，因为在Configure的过程中，我们已经加入了S7-300的CPU系统，故在右边的列表里已经多了一个CPU 315-2 DP。
现远程控制变频器启动，停止，及频率给定的操作，并实现变频器参数的访问。
按右图所示的路径点开列表，在最后的Blocks里面，有一个OB1，这是PLC主程序的入口模块，一般的程序都在此模块中进行设计，PLC程序也从此模块开始调用执行。
OB1模块打开，如图所示。
这时便可以在此窗口进行PLC程序的设计。
有关S7-300PLC 的指令列表请参阅详细的手册，在此不再详述。
梯形图是一种最直观的PLC程序设计语言，使用即方便也便于维护。
我们先产生一个永远为True的变量M0.0。
梯形图程序必须存在一个Input和一个Output，故我们在很多地方会使用M0.0来作为永远为True的Input。
现在我们要实现变频器的启动操作，根据ET200M模块上挂接的DI模块，确定其输入端子上的接线方法，然后接上数字输入信号。
SM321 DI模块使用24VDC 信号输入。
实现Profibus主从站之间的通讯
2个CPU315-2实现Profibus主从站之间的通讯通过图解，说明2个CPU之间通过Profibus实现主从站之间的MS通讯。
这个例子是结合某现场的实际情况来的，实际情况是在2套300系统之间进行数据通讯，并且2套系统之间距离较远，MPI不行，于是就利用了315的DP做主从通讯。
1.首先，在STEP 7中新建一个项目，分别插入2个S7-300站。
这里我们插入的一个CPU315-2DP，作为主站；另一个CUP315-2DP作为从站，并且使用315-2DP的第二个端口DP端口来实现和315-2DP的通讯。
然后分别对每个站进行硬件组态：首先对从站CPU315-2DP进行组态：将315的DP端口组态为PROFIBUS类型，设定地址。
在操作模式页面中，将其设置为DP从站（S）模式，并且选择“测试、调试和路由（T）”，进行监控，以便于我们在通讯链路CPU在这个端口上对PG/PC是将此端口设置为可以通过．上进行程序监控。
下面的地址用默认值即可。
再对主站CPU315-2DP进行组态：将315的DP端口组态为PROFIBUS网，设定地址。
在操作模式页面中，将其设置为DP主站（M）模式。
组态好其它硬件，确认CPU的DP口处于主站模式，从窗口右侧的硬件列表中的已组态的站点中选择CPU 31X，拖放到主站的PROFIBUS 总线上，”按钮，）C这时会弹出链接窗口，选择以组态的从站，点击“连接（．然后选择“组态”页面，创建数据交换映射区，逐条进行编辑（Edit…），确认主从站之间的对应关系。
主站的输入对应从站的输出，主站的输出对应从站的输入。
这里我们创建了2个映射区，图中的红色框选区域在创建时是灰色的，包括上面的图中的Partner 部分创建时也是空的，在主站组态完毕并编译后，才会出现图中所示的状态。
由于我们这里只是演示程序，所以创建的交换区域较小。
至此，硬件的组态完成，将各个站的组态信息下载到各自的CPU中。
通过NetPro可以看到整个网络的结构图。
3、Profibus通信
3、Profibus通信工业组态与现场总线控制技术Profibus通信一、PRIFOIBUS现场总线概述1.1工厂自动化网络结构（1）现场设备层主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等,完成现场设备控制及设备间联锁控制。
（2）车间监控层车间监控层乂称为单元层，用来完成车间主生产设备Z间的连接，包括生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等。
还有生产统计、生产调度等功能。
传输速度不是最重要的，但是应能传送大容量的信息。
一、PRIFOIBUS现场总线概述1.1工厂自动化网络结构（3）工厂管理层车间操作员工作站通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。
车间管理网作为工厂主网的一个子网，连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。
工厂自动化网络结构如图1-1所示。
一、PRIFOIBUS现场总线概述1.1 工厂自动化网络结构图1-1工厂自动化网络结构一、PRIFOIBUS 现场总线概述1.2PROFIBUS的组成部分PROFIBUS已被纳入现场总线的国际标准1EC61158和欧洲标准EN50170,并于2001年被定为我国的国家标准JB/T1030.6 —2001。
PROFIBUS在1999年12月通过的IEC61156中称为Type3,PROFIBUS的基本部分称为PROFIBUS-V0.在2002年新版的IEC61156中增加了PROFIBUS-V1,PROFIBUS-V2和RS-485IS等内容。
新增的PROFInet规范作为IEC61158的Type10.一、PRIFOIBUS现场总线概述1.2PROFIBUS的组成部分ISO/OSI通信标准由七层组成，并分两类。
一类是面向用户的第五层到第七层，一类是面向网络的第一到到第四层。
第一到第四层描述了数据从一个地方传输到另一个地方，第五层到第七层给用户提供适当的方式访问网络系统。
PROFIBUS协议使用了ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层.一、PRIFOIBUS现场总线概述1.2PROFIBUS的组成部分从用户的角度看，PROFIBUS提供三种通信协议类型：PROF1BUS-FMS,PROF1BUS-DP和PROFIBUS-PA。
PROFIBUS-DP从站原理图1
(该报文为从站3对主站1的应答帧，其中包含6个字节的诊断数据：02 05 00 FF 00 08，具体含义可参阅协议，其中第四字节为FF表明从站3尚未被任何主站所参数化。)
……
68 11 11 68 83 81 5D 3D 3E 88 02 FD 0B 00 08 00 00 00 00 00 00 76 16
10 01 03 00 04 16
(该报文为从站3对主站1的应答帧，告诉主站1“我活着呢”。)
…..
68 05 05 68 83 81 6D3C3E EB 16
(该报文为主站1发给从站3的请求帧，读取查询从站3的诊断报文，以获取从站3的进一步信息。)
68 0B 0B 68 81 83 08 3E3C02 05 00 FF 00 08 94 16
但是，值函数的思想能巧妙地过渡到异步系统。如果将值函数或一定的近似函数传递给执行器，那么每个执行器可以独立地运行。例如，想方设法减小值函数。若执行器不可用，则什么都不做。通常多执行器必须协同工作。简单的试验表明同时运行两个有自己的传感器和执行器的反馈系统，将导致性能下降，甚至不稳定。但是如果有一个可以分别最小化的值函数或控制Lyapunov函数，则就一切正常了；（依照值函数）控制动作得到了自动协调。
控制Lyapunov函数（或Bellman值函数）的基本思想是：如果知道值函数，最好的方法是在当前时刻，选择使值函数最小的控制动作，而不考虑将来的情况（换句话说，忽略系统的动态）。这样做就能确切地实现问题的最优控制。也就是说，值函数就是代价函数，使其最小化实际上实现了考虑系统动态的原始问题的最优控制。在50、60年代，值函数仅仅是解决最优控制问题的阶段性数学进展。
第5章 PROFIBUS通信原理资料
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现场总线原理及应用
4.1 PROFIBUS的通信模型
4.1.1 PROFIBUS协议组成 4.1.2 PROFIBUS 的通信模型概述 4.1.3 PROFIBUS 的通信方式概述
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现场总线原理及应用
4.1.2 PROFIBUS 通信协议模型
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现场总线原理及应用
4.3.2 PROFIBUS数据链路层服务
1.发送数据需应答（SDA）
2.发送数据无需应答（SDN）
3.发送并请求数据需回答（SRD）
4.循环地发送并请求数据需回答（CSRD）
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现场总线原理及应用
4.3.2 PROFIBUS数据链路层提供的数据传输服务
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现场总线原理及应用
4.2.1 FMS/DP 的物理层
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现场总线原理及应用
4.2.1 FMS/DP 的物理层 三、拓扑结构
PROFIBUS网络的拓扑结构可以采用总线型、环形以及 冗余等结构。使用双绞线作为传输介质时，一般采用总线 型结构。
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现场总线原理及应用
4.3.1 PROFIBUS数据链路层概述
数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层要为终端 设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒体是长期的， 连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行 不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信 联络和拆除通信联络的过程。这种建立起来的数据收发关 系就叫做数据链路.。
profibus总线原理
profibus总线原理
Profibus是一种常用的工业领域数字通信总线技术，其采用主/
从结构的通信方式。
下面将介绍Profibus总线的原理。
Profibus总线采用了串行的通信方式，数据通过总线以二进制
的形式传输。
在Profibus总线中，主站负责控制通信过程，从
站负责接收并响应主站的指令。
在通信开始时，主站会发出一个帧同步序列，用于同步所有从站的时钟。
接着，主站发送一个许可帧，从站收到许可帧后开始准备发送数据。
主站会根据需要发送一帧或多帧的数据，每一帧都包含有关目标从站和传输数据的信息。
从站在收到数据后，会进行CRC校验，以确保数据传输的准
确性。
如果校验通过，从站会发送一个确认帧通知主站数据已经接收成功。
如果校验不通过，主站会请求从站重传数据。
当所有数据传输完成后，主站会发送一个结束帧，用于通知从站数据传输的结束。
从站收到结束帧后，会进行确认，并准备接收下一次的通信。
Profibus总线基于CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）
的冲突检测机制，即在数据传输过程中，节点会对总线上的信号进行监听，如果有多个节点同时发送数据，就会发生冲突。
当发生冲突时，节点会停止发送，并等待一个随机时间后再重新发送。
这样可以避免多个节点同时发送数据导致的干扰问题。
总的来说，Profibus总线通过主/从结构、帧同步序列、CRC 校验和CSMA/CD机制实现了可靠的工业领域通信。
它被广泛应用于自动化系统、工厂自动化、过程控制等领域，提高了工业生产的效率和安全性。
PPI MPI Profibus 通信协议详解
1、MPI是Multi-Point Interface,适用于PLC 200/300/400、操作面板TP/OP及上位机MPI/PROFIBUS通信卡，MPI网络的通信速率为网络才支持12Mbit/s的通信速率。
MPI网络最多可以连接32个接节点，最大通信距离为50m，但是可以通过中继器来扩展长度。
PPI协议是专门为S7-200开发的通信协议。
S7-200 CPU的通信口（Port0、Port1）支持PPI通信协议，S7-200的一些通信模块也支持PPI协议。
Micro/WIN与CPU进行编程通信也通过PPI协议。
PPI是一种主从协议，主站、从站在一个令牌网。
在一个PPI网络中，与一个从站通信的主站的个数并没有限制，但是一个网络中主站的个数不能超过32个。
主站既可以读写从站的数据，也可以读写主站的数据。
也就是说，S7-200作为PPI主站时，仍然可以作为从站响应其他主站的数据请求。
MPI是主站之间的通信；PPI可以是多台主站与从站之间通信。
2、MPI协议：西门子内部协议，不公开；PROFIBUS-DP协议：标准协议，公开。
3、MODBUS 是MODICON公司最先倡导的一种软的通讯规约，经过大多数公司的实际应用，逐渐被认可，成为一种标准的通讯规约，只要按照这种规约进行数据通讯或传输，不同的系统就可以通讯。
目前，在RS232/RS485通讯过程中，更是广泛采用这种规约。
常用的MODBUS 通讯规约有两种，一种是MODBUS ASCII，一种是MODBUS RTU。
一般来说，通讯数据量少而且主要是文本的通讯则采用MODBUS ASCII规约，通讯数据数据量大而且是二进制数值时，多采用MODBUS RTU规约。
在实际的应用过程中，为了解决某一个特殊问题，人们喜欢自己修改MODBUS规约来满足自己的需要（事实上，人们经常使用自己定义的规约来通讯，这样能解决问题，但不太规范）。
更为普通的用法是，少量修改规约，但将规约格式附在软件说明书一起，或直接放在帮助中，这样就方便了用户的通讯。
PROFIBUS现场总线技术(技术讲解)
3.1 PROFIBUS的协议类型
• PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型 的第1层（物理层）和第2层（数据链路层）， 其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增 加了用户层。
• PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1层和第 2层相同， PROFIBUS-FMS有第7层， PROFIBUS－DP无第7层。PROFIBUS－PA有第1 层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。
பைடு நூலகம்
PROFIBUS概述
• PROFIBUS (Process Fieldbus的缩写)是 一种国际化的、开放的、不依赖于设备 生产商的现场总线标准。它广泛应用于 制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、 交通、电力等其他自动化领域。
• PROFIBUS由以下三个兼容部分组成:
• 1.PROFIBUS-DP：用于传感器和执行器级的 高速数据传输，它以DIN19245第一部分为基础， 根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充， DP传输速率可达：12 Mbit/s。
称H2) • 总线段的两端各有一个终端器 • 传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω
DGND(5)
RS-485总线段的结构
RS485段
B RS485总线段的结构
A
VP(6) 390Ω 220Ω
....
最多32个站
390Ω DGND(5)
• （1）传输程序 • 半双工、异步、无间隙同步 • NRZ（不归零）编码 • “1”——RXD/TXD-P（Receive/Transmit-
PROFIBUS通信模型
3.2 PROFIBUS的通信模型
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三种有效的传输技术
站1 ..... 站n
终端
终端
PROFIBUS 使用两端有终端的总线拓扑 在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作，即使 在本质安全区也如此。 • RS 485:
提供三种不同的物理层选择:
用于 DP 和 FMS 用于 PA
• IEC 1158-2: • 光纤:
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
其它技术特点
信号线可用设备电源线。 每条总线区段可连接32个设备，不同区段用中继器连接。 传输速率可在9.6kB/S～12MB/S间选择。 传输介质可以用金属双绞线或光纤。 提供通用的功能模块管理规范。 在一定范围内可实现相互操作。 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)。 提供244字节报文格式，提供通信接口的故障安全模式(当IO故障 时输出全为零)。
表 9 针D 型连接器的针脚分配
信号 Shield M24 RxD/TxD-P * CNTR-P DGND * VP * P24 RxD/TxD-N * CNTR-N 规定 屏蔽/保护地 24 V 输出电压的地 接收数据/传输数据阳极 (+) 中继器控制信号 (方向控制) 数据传输势位（对地 5V） 终端电阻-P的供给电压, (P5V) 输出电压 ＋ 24V 接收数据／传输数据阴极（-） 中继器控制信号 （方向控制）
拓朴
(PROFIBUS 支持总线型，树型和星型拓扑)
这里提供的拓扑是总线型拓扑 在总线的开头和结尾必须有终端 一段可以由最多 32 个站*组成
终端 终端 中继器
终端
站1
2
终端
中继器
3
30
31
62
61
33
32
* 注: 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中
在一个PROFIBUS 系统中最大可连接126个站，总线系统 分为若干段，每个分段最多可连接32个站（主站和从 站），每段的头尾都需要一个永远有源的总线连接器， 标准的总线连接器用一个开关来控制终端电阻。两个总 线终端必须一直有电源 如果总线上超过32个站点，各个总线分段之间用中继器 （线路放大器）连接，中继器也计数为其中的一个站点 作为被动的总线站，中继器的作用是保证能明确识别与 之连接站点之间所交换的数据 如果PROFIBUS总线要覆盖更长的距离，中间可建立连接 段，连接段内不挂接任何站点 一般情况下，建议使用的中继器不超过四个
PROFIBUS
现场总线技术
ProfiBus(Process field Bus)通讯简介
作为众多现场总线家族的成员之一，ProfiBus是在欧洲工业界得 到最广泛应用的一个现场总线标准，它既符合德国标准DIN19345及 欧洲标准EN50170，同时也于2000年成为国际标准IEC61158的组成部 份，是目前国际上通用的现场总线标准之一。 ProfiBus是属于单元级、现场级的SIMITAC网络，适用于传输中、 小量的数据。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合 ProfiBus协议的产品，这些产品可以连接在同一个ProfiBus网络上。 Profibus是在1987年由Simens等13家企业和5家科研机构在德国联 邦研技部的资助下，联合研究开发的开放式现场总线标准。 ProfiBus是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光 纤、无线传输。
通信透明 从 传 感 器／执 行 器 到 区 域 控 制 器
工厂级 Ethernet/TCP/IP
总线 循环时间
< 1000 ms
区域 控制器
TCP/IP/Ethernet
PC/VME
CNC
车间级
总线 循环时间
< 100 ms
VME/PC
PROFIBUS-FMS
PLC
DCS
现场级
总线 循环时间
< 10 ms
此编码原理称非归零码NRZ （即 Non Return to Zero）
1. 字节
空闲 LSB 位顺序:
开始 1 2 3 4 5 6 7
2. 字节
MSB
8
奇偶 终止 开始 校验
LSB
用于PA的IEC1158-2传输技术
根据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足石油和化 工工业要求，它可保证其本质安全，并通过总线对现场设备供电 。IEC1158-2是一种位同步协议，其技术特性如下： 本质安全 (可选) 和通过总线对站供电 (可选) ，能满足化工和 石油化工业的要求
PA的协议结构
PA主要应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀 门、执行机构用一根总线连接起来 PA数据传输采用扩展的DP协议，只是在上层增加了描 述现场设备行为的PA行规 简单的说，PA就相当于DP通信协议加上最适合现场仪 表的传输协议IEC1158-2 根据IEC1158-2标准，PA可通过总线给现场设备供电， 并可确保数据传输的本质安全性 当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络
用于 DP 和 FMS
（1）RS485传输技术
RS485传输用于PROFIBUS-DP和PROFIBUS –FMS, 通常称之为H2 总线电缆在EN50170标准中规定为A型屏蔽双绞 铜芯电缆，其最大允许的长度与传输速率是直 接相关的 RS485传输技术的基本特征，A型导线的特性， 参数以及传输速率与总线长度的关系分别如下 表所示
-总线供电 -本质安全
1. Profibus 基本特征
一. 协议结构 Profibus现场总线是目前应用最广泛的现场总线技术之一。 DP和PA的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能上 优越于其它现场总线
Profibus 既适合于自动化系统与现场I/o单元的通 讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、 传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监 控。并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电 缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调 试以及系统投运后的维护时间和费用 Profibus协议以OSI为参考模型，其协议结构如下 图所示
安装 RS 485 (2)
第一个站 总线终端 VP 390 最后一个站
总线终端
VP 数据线 B 数据线 A 390 B 220 A 390 DGND
B
220 A 390 DGND
A 站2
B
A 站3
B
总线的连接示意图
为了在高电磁辐射环境下获得良好的抗干扰性能，可以使用带屏蔽 的数据传输电缆，屏蔽电缆两端的屏蔽编织箔必须与地线连接，并 通过尽可能大面积的屏蔽接线来覆盖。此外，在铺设过程中建议把 数据线和高压线隔离
*终羰电阻供电电源 +5V
数据线
RxD/TxD-P (3)
* 数据线B
数据线
RxD/TxD-N (8)
* 数据线A
屏蔽 保护地 保护地
390
DGND (5)
数据传输结束，即 +5V地
电缆接线
A型电缆的总线终端器
* 注: 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中
全部设备均与总线连接 每个分段上最多可接32个站 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作 运行不发生误差。 两个总线终端电阻必须一直有电源 当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接 各总线段。串联的中继器一般不超过四个 电缆的最大长度取决于传输速度.一旦设备投入 运行，全部设备均需选用同一传输速度。
DP的协议结构
DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，三至七 层未加描述 这种结构是为了确保数据传输的快速有效地进行 DP中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同， 二者采用了相同的传输技术（光纤或RS485传输）和 统一的总线控制协议（报文格式），直接数据链路映 像DDLM为用户接口与数据链路层之间的信息交换提供 了方便。 用户接口规定了用户及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DP行规
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ProfiBus主要有三部分组成，包括：ProfiBus-DP、 ProfiBus-PA、 ProfiBus-FMS ，简称DP、PA和FMS ProfiBus-DP（H2）是一种经优化的高速低成本通信， 专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计 ProfiBus-PA(H1)是专为过程自动化设计，提供本安传 输技术，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要 用于现场设备层的总线 ProfiBus-FMS主要用于车间级监控网络，解决车间级通 用性通信任务，是一个令牌结构的实时多主网络 一般将DP和FMS混合使用 Profibus 的三个兼容产品，使得Profibus 既适合于 自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带 接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现 场信号进行采集和监控。
数据链路层 (2)
物理层 (1) EN 50 170
FMS的协议结构
FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，三到 六层未加描述 物理层提供了光纤和RS485二种传输技术 数据链路层完成总线的存取控制并保证数据的可靠性 应用层定义了低层接口LLI和现场总线信息规范FMS LLI的作用是协调不同的通信关系并提供不信赖设备的第二 层访问接口，FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应 用 在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用 要求要适应，这些适应性定义称之为行规，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 FMS在用户接口中规定了相应的用户及系统以及不同设备可 调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规