摘要：闡述了PROFIBUS-DP現場總線的主要特點、協(xié)議結構、存取協(xié)議及GSD文件，并著重介紹了在煙草設備上的應用。 關鍵詞：PROFIBUS-DP; 令牌;GSD;FCS;DCS 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(yōu)化的高速、廉價的通訊連接，專為自動控制系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)和非循環(huán)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(guī)定的通信規(guī)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(yè)，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(tǒng)、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(yè)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。 [align=center] 圖一 PROFIBUS-DP總線拓撲圖[/align] 　　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： [align=center] 表一 RS485傳輸速度與A型電纜的距離[/align] 　　2. 系統(tǒng)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(tǒng)： 　　單主站系統(tǒng)只有一個活動主站，可獲得最短的總體循環(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(jiān)視。 　　5. PROFIBUS-DP總線產品互換性強、使用簡單：由于PROFIBUS行規(guī)對系統(tǒng)行為進行詳細的規(guī)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(tài)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(tǒng)，采用PROFIBUS-DP總線產品的系統(tǒng)安裝成本可降低40%，功能強大的工具減少了組態(tài)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(tǒng)的體系結構簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性，系統(tǒng)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(xié)議結構 　　PROFIBUS-DP協(xié)議的結構定向根據ISO7498國際標準以開放系統(tǒng)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(guī)定了用戶及系統(tǒng)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(xié)議 　　1. 三種PROFIBUS（DP.FMS.PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)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(xié)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(fā)送數據。 　　3.PROFIBUS協(xié)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(tǒng)（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(xié)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(guī)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(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置： 　　①.純主-從系統(tǒng) 　　②.純主-主系統(tǒng) 　　③.混合系統(tǒng) 　　如圖三所示，以一個由3個主站.7個從站構成的PROFIBUS系統(tǒng)為例。3個主站之間構成令牌邏輯環(huán)。當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執(zhí)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。 [align=center] 圖三 PROFIBUS-DP混合系統(tǒng)[/align] 　　5. 在總線系統(tǒng)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(huán)。 　　在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。 　　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(fā)送一般通過現場總線數據鏈路（FDL）采用帶應答的數據發(fā)送和請求（SRD）服務方式完成，其報文格式如下： 　　SRD請求：

　　SRD響應：

　　SYN—同步位：每個握手報文前必須保持33位長的空閑狀態(tài)（二進制“1”信號）。 　　SD2—啟動符：規(guī)定報文類型。 　　SD1：不帶數據域的信息域長度固定格式 　　SD2：信息域長度可變格式 　　SD3：帶數據域的信息域長度固定格式 　　SD4：令牌報文 　　SD5：短確認 　　LE­—報文長度 　　LEr—重復報文長度 　　DA—目的地址 　　SA—源地址 　　FC—功能碼（幀控制）：定義報文類型。 　　UD（UNIT DATD）—數據域 　　FCS—校驗字節(jié)（幀校驗序列）。 　　ED—終止字節(jié) 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(tǒng)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(huán)境下編輯生成的。詳情可參見參考文件[2]。使用根據GSD文件所做的組態(tài)工具可以將不同廠商的設備集成在同一總線系統(tǒng)中。這些是PROFIBUS-DP智能芯片工作的環(huán)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(tǒng)。 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(xié)議，包含方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區(qū)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(tǒng)的參數調節(jié)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(tǒng)，操作工根據機器狀態(tài)在觸摸屏上很容易地精確設置，調節(jié)生產過程中的各項參數。 [align=center] 圖四 YJ17/YJ27卷接機組電控系統(tǒng)原理框圖[/align] 　　YJ17/YJ27卷接機組電控系統(tǒng)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(tài)、靜態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)射機，考慮到上下游機的速度匹配，卷煙/濾棒儲存輸送系統(tǒng)還應具有一定中間緩沖能力，以保證整條生產線連續(xù)可靠的運行。 　　隨著FCS（FIELD CONTROL SYSTEM）不斷發(fā)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(yōu)點，我們在對濾棒成型機、卷煙/濾棒儲存輸送系統(tǒng)等產品的電控系統(tǒng)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(tǒng)、I/O模塊等器件構成PROFIBUS總線網絡，其一般配置如圖五所示。 [align=center] 圖五 濾棒成型機、卷煙/濾棒儲存輸送系統(tǒng)PROFIBUS-DP總線網絡簡圖[/align] 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(yè)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(yè)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(yōu)點。首先，在DCS系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(guī)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(yōu)良的現場總線控制網絡。 參考文獻： 　　[1] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用，清華大學出版社，1999.9. 　　[2] Device Description Data Files GSD SIEMENS 1999. 　　[3] SPSC3 User Description SIEMENS 1996. 　　[4] 惠敦炎. PROFIBUS-DP之擴展功能，自動化博覽2002年第1期.