工业现场总线的秘密揭秘PROFIBUS组成与协议结构

在工业自动化领域，PROFIBUS作为一种国际化、开放式的现场总线标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化以及楼宇、交通和电力等其他领域。它由三个兼容部分组成：PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。

其中，PROFIBUS-DP是一种高速低成本的通信协议，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它采用轮询方式进行主站和从站之间的数据交换，对于单元级和现场级通信尤为适用。

而PROFIBUS-PA则专为过程自动化设计，它能够使传感器和执行机构联接在一根总线上，并且具有本征安全规范。电源和通信数据通过总线并行传输，以满足面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯的需求。

最后，PROFIBUS-FMS是一个令牌结构、实时多主网络，它定义了主站与主站之间的通讯模型。在车间级监控网络中，这个协议结构是至关重要的，因为它支持系统级和车间级过程数据交换。

PROFIBUS协议结构基于ISO7498国际标准，以及开放式系统互联网络（Open System Interconnection - OSI）的参考模型。这意味着尽管OSI模型提供了一个详尽的七层架构，但实际上，在工业控制环境下，只需简化地使用第一到第二层以及用户界面来实现所需功能。

对于每个部分来说，其具体功能也各有侧重点：

PROFIBUS-DP主要定义了第1、2层以及用户接口，而对高层次如第三到七层则没有明确规定。

PROFIBUS-FMS则涵盖了第1、2及7层，其中应用层包含了场景总线信息规范（Fieldbus Message Specification - FMS）以及低层接口（Lower Layer Interface - LLI）。

而对于PROFibus-PA，它采用的是扩展版Profibus-DP协议，同时还描述了一系列关于现场设备行为规则。此外，由于其特定的安全性要求，这些设备可以通过总线同时获得电源供应。

此外，Profibus还有几个关键特性值得注意：

它不仅能实现集中控制，也能实施分散控制或混合模式。

Profibus拥有稳固可靠的地标认证EN50170，并经过广泛实际操作验证。

这套技术可以覆盖加工制造、新型数字自动化等多个行业领域，使其成为一个非常灵活且强大的解决方案。

当涉及到介质访问控制方面，则使用分布式令牌环传递机制，即时间触发网络协议。在这种情况下，每个节点都有预设周期计时器TRR来确定令牌运行周期，而持牌计时器TTH用于计算主节点保持令牌时间。当一个节点获得令牌后，如果未能在指定时间内完成所有任务，就会导致持牌超时，从而影响实时性的保证。