现场总线系统揭秘PROFIBUS的构成与协议结构

在现代工业自动化领域，PROFIBUS（Programmable Foundation for Information Bus）作为一种国际标准的现场总线系统，因其开放性、兼容性和广泛应用而备受推崇。它由三个关键部分构成：PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、以及 PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。

首先，PROFIBUS-DP是一种高速通信协议，它专为设备级控制系统设计，用以连接分散式I/O设备。通过DP，可以替换传统的24VDC或4-20mA信号传输方式，实现主站与从站之间的轮询通信模式，这使得其在单元级和现场级通信中占据重要地位。

接着，PROFIBUS-PA则是面向过程自动化设计的一种解决方案，它允许将传感器和执行机构连接到同一根总线上，同时具备内置安全规范。在这个网络中，不仅可以进行电源和数据的并行传输，而且适用于过程自动化系统中的单元级和现场级通讯。

最后，PROFIBUS-FMS是一个车间级监控网络，其结构采用令牌环模型，并支持实时多主网络。它定义了主站与主站之间的通讯模型，对于系统级及车间级之间的过程数据交换至关重要。

在谈及 PROFIBUS 协议结构时，我们需要回顾ISO 7498国际标准，以及基于此标准所建立的开放式系统互联模型(OSI)。OSI模型为现场总线技术提供了基础框架，而工业控制底层网络虽然信息量不大，但对实时性和快速性的要求极高，因此通常会对该模型进行一定程度上的简化。

对于每个部分来说：

在PROFIBUS-DP中，只有用户接口被明确描述，而其他层次如物理层、数据链路层等则未详细说明。

PROFIBUS-FMS定义了第1、2、7层，其中应用层包含了基于现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification - FMS）的强大的通信服务，并且提供了一套独立于具体设备制造商的手段来访问这些服务。

而对于PROFIBUS-PA，它使用扩展的DP协议进行数据传输，并且还描述了特定于PA行规行为的情况。此外，由IEC1158-2标准保证其本征安全性，使得这种方法既可靠又经济有效。

除了以上提到的各个部分之外，还值得一提的是Profibus这一系列产品的一个核心优势：它们都遵循国际标准EN50170，这意味着无论是在加工制造还是数字自动化方面，它们都能轻松地融入到现有的生态体系之中。这使得Profibus能够同时支持集中控制、分散控制以及混合控制三种不同的工作模式，从而满足不同行业需求。

当我们深入探讨Profibus如何处理介质访问问题时，我们发现它采用的分布式令牌机制是一种时间触发型网络协议。在这个机制下，每个节点都有一定的发送时间，当一个节点获得令牌后，就可以在预设时间内与其他节点进行通信。当一个节点持有令牌超过预定的时间片，即称作超时，那么该节点只能发送具有最高优先权的事务；如果没有超时，则可以连续发送事务直至完成所有事务或者达到最大限度。如果已发送完高优先事务但仍有剩余时间，则继续用相同方式发送低优先事务。这一检测策略确保即便出现延迟，也不会影响周期性的实时沟通能力。