一、前言

PROFIBUS是 Process Fieldbus 的縮寫，是一種國際性的開放式的現場總線標準，即EN50170歐洲標準。根據應用特點將PROFIBUS分為以下三個兼容版本：

1. PROFIBUS-DP：一般應用于工廠自動化，經過優化的高速、廉價的通訊連接，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間的通訊設計，可取代價格昂貴的24V或0—20MA并行信號線，用于分布式控制系統的高速數據傳輸。

2. PROFIBUS-FMS：一般應用于通用性自動化，解決車間級通用性通訊任務，提供大量的通訊服務，完成中等傳輸速度的循環和非循環通信任務。

3. PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，標準的本質安全的傳輸技術，實現了IEC1158-2中規定的通信規程，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。

目前世界上近300家自動化技術生產廠家為它們生產的近5000種產品提供PROFIBUS接口，在煙草行業，隨著技術改造的逐步深人，PROFIBUS產品應用日益增加，特別是帶PROFIBUS-DP接口的產品，廣泛應用在濾嘴成型、卷接、卷煙/濾棒儲存輸送等設備的自動控制系統、傳感器、人機界面（HMI）及驅動器件上，大大簡化和方便了設備安裝、檢修及維護，提高了設備的可靠性及有效作業率。

二、PROFIBUS-DP總線的主要特點

1. 傳輸簡單、安全、快捷：其傳輸技術如圖一所示采用一種兩端有終端的總線拓撲，可確保在運行期間接入和斷開一個或多個站而不影響其它站。

PROFIBUS-DP總線允許選擇RS485或光纖兩種不同的物理層，一般設備級現場總線采用RS485，傳輸介質采用屏蔽雙絞銅線電纜，其傳輸速度在9.6kb/s—12Mb/s間可選，通過中繼器可將輸送距離延長到10公里，在不帶中繼器的情況下，電纜的最大長度取決于傳輸速度，如表一所示：

2. 系統培置高度靈活：PROFIBUS-DP總線可根據需要構成單主站和多主站系統：

單主站系統只有一個活動主站，可獲得最短的總體循環時間。

多主配置中，總線上的主站與各自的從站構成相互獨立的子系統或作為網上附加配置和診斷設備，任何一個主站均可讀取DP從站的輸入輸出映像，但只有一個主站（系統配置時指定的DPM1）寫入輸出數據。

PROFIBUS-DP總線最多允許127個站點，其輸入和輸出報文最多包含246個字節的信息量。

3. 診斷功能強大：診斷信息分成本站診斷、模塊診斷和通道診斷三類，經過擴展的PROFIBUS-DP可對故障進行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站收集。

4. 同步功能嚴格、保護機制可靠：PROFIBUS-DP總線在控制指令中允許輸入輸出的同步，并由同步模式和鎖定模式確保數據傳輸的同步操作。

PROFIBUS-DP總線通過以下四項保護措施保證數據的可靠傳輸和接收：

①。所有信息傳輸以海明距離HD=4進行;

②.DP從站帶有看門狗定時器;

③.DP從站輸入輸出從站保護;

④.DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監視。

5. PROFIBUS-DP總線產品互換性強、使用簡單：由于PROFIBUS行規對系統行為進行詳細的規定，因而保證了同類產品嚴格互換，另外PROFIBUS-DP總線產品的不同性能特征均在數據庫文件（GSD）中具體說明，使用基于GSD文件的組態工具可將不同廠商的產品集成，從而達到使用簡單、連接方便的效果。

6. PROFIBUS-DP總線產品性價比高：相對于控制系統，采用PROFIBUS-DP總線產品的系統安裝成本可降低40%，功能強大的工具減少了組態和維護費用，用成本低廉的雙絞電纜便可替代PLC/PC與I/O之間成本昂貴的電纜線，全分散性控制系統的體系結構簡化了系統結構，提高了可靠性，系統的智能化、數字化提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。

三、PROFIBUS-DP總線的協議結構

PROFIBUS-DP協議的結構定向根據ISO7498國際標準以開放系統互連網絡OSI為參考模型，如圖二所示：

PROFIBUS-DP使用第1層，第2層和用戶接口，第3層到第7曾未加以描述，這種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效，直接數據鏈路映像（DDLM）提供易于進入第2層的用戶接口，用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為，還提供傳輸用的RS485傳輸技術或光纖。

四、PROFIBUS-DP的總線存取協議

1. 三種PROFIBUS（DP.FMS.PA）均使用一致的總線存取協議。該協議是通過OSI參考模型第二層（數據鏈路層）來實現的。它包括了保證數據可靠性技術及傳輸協議和報文處理。

2. 在PROFIBUS中，第二層稱之為現場總線數據鏈路層（Fieldbus Data Link - FDL）。介質存取控制（Medium Access Control - MAC）具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發送數據。

3.PROFIBUS協議的設計要滿足介質控制的兩個基本要求：

①。 在復雜的自動化系統（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。

②。 在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。

為了滿足以上設計要求，PROFIBUS總線存取協議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。

4.令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規定的時間內得到總線存取權（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統配置：

①。純主-從系統

②。純主-主系統

③。混合系統

如圖三所示，以一個由3個主站.7個從站構成的PROFIBUS系統為例。3個主站之間構成令牌邏輯環。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執行主站工作。在這段時間內，它可依照主-從通訊關系表與所有從站通信，也可依照主-主通訊關系表與所有主站通信。

5. 在總線系統初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環。

在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環中排除，新上電的主站必須加入邏輯環。

6. 第二層的另一重要工作任務是保證數據的可靠性。PROFIBUS第二層的數據結構格式可保證數據的高度完整性。

7. PROFIBUS在第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信，其中包括廣播及選擇廣播功能。

8. PROFIBUS-DP用戶數據的接受和發送一般通過現場總線數據鏈路（FDL）采用帶應答的數據發送和請求（SRD）服務方式完成，其報文格式如下：

五、GSD文件

每一個PROFIBUS-DP主站、從站可能是不同廠商的產品，在組建系統時需要有設備描述數據庫文件，這就是GSD文件。GSD文件是用特定格式描述現場設備技術參數的ASCⅡ文件，它是專門軟件環境下編輯生成的。使用根據GSD文件所做的組態工具可以將不同廠商的設備集成在同一總線系統中。這些是PROFIBUS-DP智能芯片工作的環境，一旦含有PROFIBUS-DP智能芯片的DP從站生成GSD文件后，相當于該從站持有一個通用的“身份證”，則這個從站可在任一DP主站下組建系統。

六、PROFIBUS-DP總線在煙草設備上的應用

1.PROFIBUS-DP芯片SPC3在YJ17/YJ27卷接機組（7000支/分鐘）上的應用

SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER）集成了完整的DP協議，包含方式寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區等。它有8根數據線及11根地址線，其中低8位地址線與數據線復用，可外接80C32、80C116、80C165、HC11、HC16、HC196等單片機。

YJ17/YJ27卷接機組是中煙機械集團公司于上世紀90年代中期從德國HUANI公司引進的技術，相當于PROTOS70。其生產原料是煙絲、濾棒、盤紙、水松紙、膠等，產品是卷制好的一支支香煙。在高速運行的過程中，煙絲與濾棒的進料、盤紙與水松紙的拼接等等一系列動作都影響煙支的質量。YJ17/YJ27卷接機組及PROTOS70其傳統的參數調節主要靠機械和電氣的各種開關、手柄、按紐、繼電器來控制，繁瑣而不精確。我們通過PROFIBUS-DP組建控制系統，操作工根據機器狀態在觸摸屏上很容易地精確設置，調節生產過程中的各項參數。

YJ17/YJ27卷接機組電控系統原理框圖見圖四。在每個DP從站上都帶有SPC3芯片及其相關的硬件電路。主站上可以設置各種參數，如：機器運行速度、進料情況、煙支數量、煙支稀釋度上下限、煙支重量上下限等等。從站參照這些設定值控制機器正常運轉;而機器動態、靜態的各種參數由每個從站搜集整理并在主站上可一覽無余。中間數據傳輸就是PROFIBUS-DP的功勞了。每個模塊（主、從站）的功能實施靠軟件設計人員來完成。

2.帶PROFIBUS-DP接口的成型產品在濾棒成型機、卷煙/濾棒儲存輸送系統等產品上的應用

濾棒成型機生產原料是絲束、盤紙、塑化劑、膠等，產品是卷制好的一支支濾棒，在高速運行的過程中，絲束進料、塑化、拉伸以及盤紙的拼接等等一系列動作都影響濾棒的質量。卷煙/濾棒儲存輸送系統是將卷制好的卷煙/濾棒從卷接機組/成型機輸送到包裝機/發射機，考慮到上下游機的速度匹配，卷煙/濾棒儲存輸送系統還應具有一定中間緩沖能力，以保證整條生產線連續可靠的運行。

隨著FCS（FIELD CONTROL SYSTEM）不斷發展，采用PROFIBUS-DP總線接口的成型產品愈來愈多，其應用也越來越廣。由于PROFIBUS-DP總線前面所述的種種優點，我們在對濾棒成型機、卷煙/濾棒儲存輸送系統等產品的電控系統進行設計時，一般采用帶PROFIBUS-DP接口的PLC、工控機、觸摸屏、驅動系統、I/O模塊等器件構成PROFIBUS總線網絡，其一般配置如圖五所示。

七、結論

從以上的討論可知，PROFIBUS-DP網只有三層結構，是一種低級的工業局域網，而使用了主-從方式的介質存取控制方式，使該網的實時性遠遠高于其它局域網，因而特別適合用于工業現場。該總線在上述實例中應用效果良好，從站與主站之間進行有效的、可靠的信號傳輸，但在實際應用中，也存在一定的缺陷，如若向網中增加或刪除站點時，不能真正實現“即插即用”，而要重新初始化整個網絡，并對各站重新排序，這一過程實現起來比較麻煩。但與以前煙草設備上應用的分散性控制技術（DCS）相比，PROFIBUS-DP網有著無可比擬的優點。首先，在DCS系統中，儀表是非智能化的設備，它只是簡單地測量外部信號并轉化成模擬信號進行傳輸，而FCS系統則將采集到的檢測和控制信息就地處理并就地使用，因而具有智能化的特點;其次，將獲得的故障信息分散在現場裝置中進行控制、報警和趨勢分析，從而實現了“危險分散”，增加了整個系統的可靠性;再者，采用開方式的結構和同一的國際標準，網絡可采用多種拓撲結構及不同廠家的軟硬件和通訊規程，即兼顧了產品的兼容性，最后，PROFIBUS-DP網絡傳輸速度高，抗干擾能力強，是一種性能優良的現場總線控制網絡。

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