1、 PROFIBUS 規范標準部分 第二部分：物理層規范和服務定義 PROFIBUS Specification-Normative Parts Part 2: Physical layer Specification and Service Definition第二部分 物理層規范和服務定義目錄 頁碼1范圍.范圍. .32引用標準和附加引用材料. 33概論. .43.1術語. 43.1.1定義.43.1.2縮略語 . 63.2基本特性.123.3特征. .133.4范圍. . 144數據傳輸（物理介質，物理層）. 154.1類型1. . 164.1.1電氣特性. .164.1.2連接器技術、機

2、械和電氣規范. 18.1總線連接器. . 18.2接點規定. . 18.3總線電纜. 19.4接地，屏蔽.20.5總線終端器. 204.1.3傳輸方法. . 204.1.3.1位編碼. 204.1.3.2收發器控制. .234.2.物理層（PHY）和介質存取及傳輸協議（FDL）間的接口. 21交互作用的概述. 21服務和交互作用的詳細規范. 22電氣要求和編碼. 224.3物理層和介質冗余（可選）. 23附錄2-A(信息) . . 24實例. 242-A.1中繼器. . 242-A.2PROFIBUS控制器的結構. .252-A.3若干個總線與一個控制站連接的系統. 262-A.4冗余控制站.

3、 . .272-A.5總線分析/診斷單元( 總線監視器) . . .282-A.6報文速率、系統響應時間和令牌輪轉時間的特性. . 291 范圍 本規范定義串行現場總線的功能、電氣和機械的特性。串行現場總線是為自動化系統現場的應用而設計的。 這些應用的一個重要要求是使用簡單的傳輸介質（2或4線電纜），多種總線拓撲，如線性或樹型總線拓撲。更進一步的要求是支持實現低功耗、低成本和實時特性（即，確保響應時間）。在許多情況下，也必須考慮電磁干擾，有時還需考慮有易爆氣體的危險區域。 本規范既支持沒有總線控制能力的簡單的輸入/輸出現場設備，還支持有總線控制能力的較高級的（智能的）設備，如可編程邏輯控制器（

4、PLC）等。 為了滿足上述這些要求，采用有效地發送短報文和在商品化的集成電路中實現協議，如帶內部UART（通用的異步收發器）的單片微處理器。 本規范的目的是花最小的成本使多家制造商生產的現場設備互連，并將它們集成為一個分散的控制系統，且確保實現通信。通常，這稱之謂“開放系統互連（OSI）”。進一步的目標是透明的、容易地訪問更高一級的控制系統。 由本規范提供的開放協議確保靈活性并允許實現具有多種系統配置和功能結構的不同的應用。 本規范的這一部分根據ISO/OSI分層模型（參考ISO 7498）定義物理介質和物理層。數據鏈路層、數據鏈路層與應用層之間的接口及管理層將在第三部分、第四部分中說明。 物

5、理層（類型1）是根據EIA標準RS-485制定的，它不包含本質安全（IS）的要求。類型2（根據GB/T16657.2）包含本質安全的要求。 本規范的第五、六、七部分描述應用層和相關的管理。2 引用標準和附加引用材料DIN 19 241-2: 1985 測量，控制，調節；位串行過程總線接口系統；傳輸協議各單元與 通信結構DIN 66 259-3: 1983 平衡雙流互換電路的電氣特性DIN 57800/VDE 0800: 1984 遠程通信技術；設備的建立與運營DIN VDE 0160: 1988 帶電子儀器的強電設備裝置來源于DIN標準：Beuth Verlag GmbHBurggrafens

6、tr. 6D-10772 BerlinGermanyCCITT V.11：1976 平衡的雙向電流交互電路的電氣特性，此電路通常用于數據通信現場的帶集成電路的裝置。CCITT V.24：1964 對數據終端裝置和數據終止電路裝置間互換電路的定義表。IEC 807-3：1990 頻率低于3MHz的矩形接連器，第三部分。IEC 870-5-1：1990 遠程控制設備和系統，第五部分：傳輸協議；第一節：傳輸幀格式。IEC 870-5-2：1992 遠程控制設備和系統，第五部分：傳輸協議；第二節：鏈路傳輸過程。GB/T9469：1998分布式過程控制系統的過程數據通路，類型C（PROWAY C）。GB

7、/T15969.2：1992可編程控制器，第二部分：設備要求和測試。GB/T16657.2：1993在工業控制系統中用的現場總線標準，第二部分：物理層規范和服務定義。ISO 1177：1985信息處理面向傳輸的開始/停止和同步字符的字符結構ISO 2022：1986信息處理ISO 7位和8位編碼字符集編碼擴充技術。ISO 7498：1984信息處理系統，開放系統互連基本參考模型ISO 8802-2：1998信息處理系統，局域網第二部分：邏輯鏈控制ISO/IEC JTC1/局域網標準：邏輯鏈路控制類型3操作，應答無聯接服務。SC 6 N 4960：1988EIA RS-422-A：1978平衡電

8、壓數字接口電路的電氣特性EIA RS-485：1983在平衡數字多點系統中使用的發送器和接收器的電氣特性標準。3 概論3.1 術語 由于技術術語的多義性和對現有國際性總線標準關聯的需求，因此，對有限范圍內的技術術語給予明確的定義是必要的。3.1.1 定義定義 含義應答幀 從遠程（響應的）FDL實體向本地（發起的）FDL實體傳送 一個 “事務處理”的狀態 主動幀一個數據幀或請求幀，在所有“事務處理”中它是第一個被傳輸的幀非循環服務一個FDL服務，它包括單個數據傳輸或數據交換，例如，單個“事務處理”地址擴展一個LSAP地址或總線ID，它在幀的DATA_UNIT的開始處 被傳輸。位時間FDL符號周期

9、，即傳輸一個位所需的時間確認 確認原語，例如，通知本地FDL用戶一次事務處理的成功或失敗 及狀態，當有請求數據時，還傳送請求數據給本地FDL用戶。 控制器類型 一個站的通用實現類型（速度）和作用（role）當前主站現在持有令牌的主站（令牌持有者），它是所有傳輸的發起者。循環服務 按本地FDL用戶指定的輪詢表對多個遠程FDL用戶重復一個非循 環FDL服務數據幀一個主動幀，它把發送數據從本地FDL用戶送到遠程FDL用戶數據請求幀一個主動幀，它把發送數據和請求數據的請求從本地FDL用戶送 到遠程FDL用戶實體協議的硬件/軟件的具體體現FDL狀態FDL實體的“令牌環”狀態，該實體在回答幀的FC字段中傳

10、送。 現場總線管理 協議/實體，它初始化、監視、報告和管理FDL和PHY實體的 運行幀在總線上傳輸的數據包（“packet”） 幀首幀最前端的部分，它標識幀的SA, DA和FCGAP 維護一個FDL實體為了測定在它的GAP中所有FDL實體 的 FDL狀態所采取的動作（請求FDL狀態）。指示指示原語，例如，通知數據幀或請求幀要到達的遠程FDL用戶，若有發送數據時，將發送數據傳送給遠程FDL用戶。活動表 所有在活動的主站和從站的表（一個站活動與否取決于它的FDL 狀態）本地FDL用戶在當前主站中的FDL用戶，當前主站啟動當前數據傳輸事務處理 輪詢循環對當前輪詢表中所有請求都執行一次輪詢表由當前循環

11、請求所尋址的遠程FDL用戶的順序表請求數據由遠程FDL用戶提供給本地FDL用戶的數據遠程FDL用戶一個“事務處理”所尋址的（響應的）FDL用戶回答幀一個回答或應答幀，它完成一個需確認的事務處理。請求請求原語，例如，為了發送發送數據和/或請求請求數據或裝入更新，從本地FDL用戶向本地FDL實體傳送一個請求。請求幀一個主動幀，它把為了獲得請求數據的請求從本地FDL用戶送到遠程FDL用戶。響應幀一個回答幀，它把請求數據從遠程FDL用戶送到本地FDL用戶。發送數據由本地FDL用戶提供給遠程FDL用戶的數據令牌持有者主站中FDL實體的一種屬性，它把控制總線存取的唯一權力給予此主站。（當前主站）。事務處理

12、在發起的（本地）FDL或FMA 1/2用戶與響應的（遠程） FDL用戶或FDL/FMA1/2實體間進行的一個完整的確認或非確認 的交互作用（數據傳輸）。需確認的由如下成份組成的事務處理：單個主動幀和響應它的回 答幀以及因發起主站收到非期望的回答幀而引起的重試。無需確認的由單個數據幀組成的事務處理 令牌傳遞此事務處理由令牌幀、成功傳遞的確認和對不存在站的空閑地址 （此地址在GAPL中，但對請求FDL狀態幀不響應）所必須的重 試組成。 縮略語A 主動站 ACK 應答幀 APP 應用層 7, OSI模型中的第7層 AWG 美國線規 Bus ID 總線標識 , 一種地址擴展（區域/段地址），它標識一個

13、特別的PROFIBUS段 作為PROFIBUS段（FDL）之間的支持路線CCITT 國際電話/電報咨詢委員會 CNC 計算機數值控制 CNTR 控制信號 Con 確認原語 CSRD 循環地發送和請求數據需回答，是一種FDL服務DA 幀的目的地址 DAE 幀的目的地址擴展 ，它傳送DSAP和/或目的Bus IDDGND 數據地 (PHY,RS-485) DIN 德國工業標準 DMA 直接存儲器存取 DP RAM 雙口RAM（隨機存取存儲器） DS 未連接的站，該站的本地FDL/PHY控制器不在邏輯令牌環中或從總線上斷開 （服務原語的參數L/M_status值之一） DSAP 目的服務存取點 ，標

14、識遠程FDL用戶的LSAP ED 幀的結束定界符 EIA 電子工業協會 EMC 電磁兼容性EMI 電磁干擾EXT 幀的地址擴展字段FC 幀的幀控制（幀類型）字FCB 幀（FC字段）的幀計數位 ，用于去除丟失或重復的幀FCS 幀的幀檢驗序列（檢驗和），用于檢查錯誤的幀FCV 幀計數位有效 ，指示FCB是否要被評估FDL 現場總線數據鏈路層，OSI模型中的第2層FMA 1/2 現場總線第1層和第2層管理FOW 光纖波導G GAP更新因子，在GAP維護（修改）循環之間令牌輪轉次數GAP 在邏輯令牌環中從本站（TS）到下一站（NS）間的站地址范圍，地址超過 HSA 的站除外 GAPL GAP表 ，它包

15、含本站的GAP中的所有站的狀態Hd 海明距離 ，幀完整性的一種度量，能接收偽幀的最小的位出錯數HSA 安裝在此PROFIBUS總線段中的最高站地址IEC 國際電工委員會IEEE 美國電氣與電子工程師學會ind 指示原語ISO 國際標準化組織L 信息字段長度，幀的此部分由FCS 檢查 LAS 主動站（主站）表 LE 在幀的固定部分之前規定幀長度的字段 LEr 為了增加幀完整性重復幀長度的字段 LR 本地資源不可用或不充分（服務原語的參數L/M-Staus值之一）LS 本地服務在服務存取點或在本地LSAP未被激活服務原語的參數L/M_status值 之一）LSAP 鏈路服務存取點，標識特定站中的一

16、個FDL用戶 LSB 一個字段或八位位組中的最低有效位L_pdu 鏈路協議數據單元 L_pci 鏈路協議控制信息L_sdu 鏈路服務數據單位LSS 總線選擇開關（PHY），選擇兩條冗余介質中的一條 M 主站，這種站在令牌環中占有位置，是一個全功能的站，它的FDL用戶能起 動數據傳送事務處理 MC 報文循環mp 每一輪詢表的重試數 MSAP 管理服務存取點，本站的FMA 1/2實體使用它來與其他FMA 1/2實體通信 MSB 一個字段或八位位組的最高有效位mt 每令牌輪轉的重試數 n 站數na 主動站（主站）數NA 無應答/響應 NIL 本地的現存值，但在本標準中不確定 NO 不行，（服務原語的

17、參數L/M _Status值之一） np 從站（被動站）數）NR 無響應，FDL/FMA數據應答否定，而發送數據通過（服務原語的參數 L/M_Status值之一）。 NRZ 不歸零（PHY），一種編碼技術，僅當后繼數據位有不同的值時才發生轉變。 NS 下一個站（FDL），本主站將傳遞令牌給它 OK 行，依規則完成了服務（服務原語的參數L/M_Status值之一）OSI 開放系統互連PBC PROFIBUS控制器 PC 可編程序控制器PHY 物理層, OSI模型中的第1層 PI 并行接口PON 站進入通電狀態PS 前一站（FDL），令牌是由它傳遞給本主站的 R 接收器(PHY) Rd 對總線終端

18、器的DGND的下拉電阻RAM 隨機存取存儲器RDH 響應FDL數據高且無資源發送數據，服務原語的參數L/M_Status值之一） RDL 響應FDL/FMA 1/2數據低且對發送數據無資源服務原語的參數L/M_Status值之 一） RET 重試REP 中繼器,一種裝置，用它來擴展PROFIBUS系統支持的距離和站數。 Req 請求原語Res 保留 Ru 對總線終端器VP的上拉電阻RP 備用電源RR 發送數據無資源且不響應FDL數據（否定的應答），（服務原語的參數L/M_Status 值之一） RS 在遠程服務存取點上無服務或無激活的Rem_add（否定的應答），（服務原 語的參數L/M-St

19、atus值之一） RSAP 回答服務存取點，一種LSAP，在此服務存取點可得到請求數據。 Rsys 系統速率, 全部報文循環速率，需確認的FDL事務處理以此速率執行 Rt 總線終端器的線路終端電阻RxD 接收數據信號（PHY，RS-485）S 從站，此站永遠不能持有令牌，是一個簡單功能站，它的FDL用戶僅能響應主 站中發起的FDL用戶的請求。 SA 幀的源地址 SAE 幀的源地址擴展，它傳送SSAP和/或源Bus ID SAP 服務存取點，在不同協議層中的實體之間相互作用的點 SC 單字符應答幀SD 幀的起始定界符SDA 發送數據需應答（FDL服務）SDN 發送數據無需應答（FDL服務） SI

20、 串行接口SRD 發送和請求數據需回答（FDL服務） SSAP 源服務存取點，一種LSAP，它標識發起一個事務處理的本地FDL用戶。 Stn 站，在此PROFIBUS系統中有FDL地址的設備。SYN 幀的同步位（空閑時間），它確保指定幀的完整性，并為接收器的同步提供條 件。 tBIT 位時間，FDL符號周期，在此PROFIBUS系統上傳輸一個位的時間；數據傳輸 速率（bit/s） 的倒數。 T 發送器TA/R 傳輸一個應答/響應幀的時間 TC 令牌循環，發送一個令牌幀的循環 TGUD GAP更新時間 ，在連續的GAP維護循環之間本主站等待的時間TID 空閑時間, 一個主站在傳輸或接收了一個幀的

21、最后一位之后到它傳輸下一個幀的 第一位之前必須等待的時間；這建立了內部幀同步的空閑時間。TMC 報文循環時間，在傳輸一個主動幀的第1位到接收相應的回答幀的最后一位之 間的時間。 TQUI 靜止時間，發送器失敗時間（線狀態不穩定時間）和/或中繼器轉換時間；發送 的站在一個幀 的 結束之后起動它的接收幀之前必須等待的時間 TRDY 準備時間，在此時間后發送的主站將回答幀 TRR 實際輪轉時間，本主站連續接收令牌之間的時間 TS 本站TSDI 發起站的站延時，本主站在送發繼后幀之前必須等待的時間 TSDR 響應站的站延時，響應者在產生一個回答幀之前實際等待時間 TSET 建立時間， 一個事件（例如，

22、中斷SYN計時器期滿）到必要的響應（例如 起 動 接收器）之 間的時間 TSL 時隙時間, 一個主站為等待一個事務處理響應所必須的最大時間 TSM 安全余量時間TSR 系統反應時間，在單主站PROFIBUS系統中，完成一個輪詢循環中所有事務處 理（包括重試）的 最大目標時間 TS/R 發送/請求幀時間，即發送一個發送/請求幀的時間 TSYN 同步時間，在接收一個幀之前的空閑時間，經過此段時間后站起動它的接收器； 為保證幀的 完整性和有效性所需要的最小內部幀空閑時間。 TSYNI 同步間隔時間，檢查總線故障之前，一個接收的站在兩個連續的TSYN之間等待所 需的內部幀空閑 時間的最大時間。 TTC

23、 令牌循環時間，在無錯誤的情況下，將令牌傳送給下一個主站所需的時間。 TTD 傳輸延遲時間，一個站的發送器和任何另一個站的接收器之間所經歷的最大延遲 時間 TTF 令牌幀時間，發送令牌幀所需時間 TTH 令牌持有時間，在令牌輪轉期間，留給本現行主站可以起動事務處理的時間。 TTL 晶體管一晶體管邏輯TTO 超時時間，在空閑這段時間后，本主站將申請（丟失的）令牌或任何站根據本站 的FDL地址 將超時時間失效報告給它的FMA用戶。 TTR 目標輪轉時間，予期的令牌輪轉時間，包括允許的高和低優先權的事務處理，錯 誤和GAP維護。 TTY 電傳打字機TxD 發送數據信號(PHY,RS-485)UART

24、 通用異步收/發器UC UART字符UE 否定的應答，遠程用戶接口錯誤（服務原語的參數L/M_Status值之一） P 微處理器 VDE 德國電氣工程師協會VP 電壓正端1 Chip MC 單片微計算機3.2 基本特性 PROFIBUS規范定義串行現場總線的技術和功能特性。串行現場總線的宗旨是解決數字現場設備或中、低功能系統的互連問題。這些設備或系統，諸如傳感器、執行機構、變送器、可編程控制器(PLC)、數控裝置（NC）、編程設備和本地人機接口等。 現場控制系統通常以一個中央控制和管理裝置為基礎，它與若干個分散在現場的設備和小系統相連接。在這種情況下，主要數據是集中地定向并循環的從現場設備傳輸

25、到中央數據處理單元或上一級控制系統。 系統包括主站和從站。當主站獲得存取權（稱為令牌）時，它能控制這個總線，即它無須遠程請求就可以傳輸報文，而從站僅能應答所接收的報文或在一個遠程請求后傳輸數據。 令牌按照由主站形成的邏輯令牌環而循環。如果系統僅包括一個主站，如一個中央控制和管理站，則不需要令牌傳遞。這是一個純單主/多從系統。最小配置包括一個主站和一個從站或兩個主站。物理層定義傳輸介質以適應不同的應用。它包括長度、拓撲、總線接口、站點數和從9.6 kbits/s到1500 kbits/s可變的數據傳輸速率等。在用戶接口中，有共同的存取方式、傳輸協議和共同的服務。3.3 特征 各種應用現場，如過程

26、控制、工廠自動化、電力分配、樓宇自動化和主要的流程工業等等，需要總線有如下的特點：l 網絡拓撲帶/不帶終端器的線性總線，包括短截線（drop cables）和分支（樹）l 介質、距離和取決于信號特性， 例如 對屏蔽雙絞電纜，1.2 km（無中 站點數 繼器），32個站l 數據傳輸速率取決于網絡拓撲和總線長度，例如，從9.6 k bits/s到1500 kbits/s。l 冗余 后備介質是可選的l 傳輸特性半雙工、異步、滑差（slip）保護同步（無位填充）l 編址0127(127對廣播和群播是全局地址)，對區域地址，段地址和服務存取地址（服務存取點，LSAP）的地址擴展，每個6位。l 站類型主站

27、（主動站，有總線存取控制權），從站（被動站，無總線存取控制權）。如果應用過程對時間要求不精確，最好最多32個主站，總站數最多127個。l 總線存取混合的、分散的/集中的。主站之間用令牌傳遞方式，主站與從站之間用主從方式。l 數據傳輸服務非循環的：有無應答要求的發送數據 有回答要求的發送/請求數據 循環的： 有回答要求的發送/請求數據l 幀長度每幀1或3到255個字節，對無地址擴展的每個數據單元0246個八位位組（第2層數據）。l 數據完整性為避免數據丟失和增多，采用海明距離（HD）= 4，同步滑差檢查、特殊順序的報文。3.4 范圍 本規范的此部分論及“第0層”和第一層（對應于ISO/OSI層次

28、模型中物理介質和物理層PHY），它描述介質和信號特征；以后的第三部分、第四部分定義第2層（現場總線數據鏈路層，FDL），它包含傳輸協議和介質存取控制，以及被第7層（應用層，APP）直接使用的接口服務（FDL/用戶接口服務），最后是第1層和第2層的管理（FMA 1/2），包括用戶服務（見圖1）。 為了實現高效能傳輸和降低硬、軟件成本，未使用第3層到第6層（網絡層、傳輸層、會話層，表達層）。這些層的有關功能在第2層或第7層中實現。 應用層功能（APP）和有關管理（FMA7）在本規范的第五部分、第六部分、第七部分中說明。 為了適應各種應用的需要，規定了不同的物理層。所有現在和將來的變型都使用相同的共

29、同介質存取控制協議和傳輸協議（格式、順序），以及它們與應用層有共同的接口和相關的服務。 物理層類型1使用美國標準EIA RS-485。另一種類型在以后說明。 八位位組（字符）格式是遠程控制設備和系統用的UART格式FT1.2（帶起停同步的異步傳輸），它在IEC 870-5-1中被說明。 傳輸協議的定義符合IEC TC 57 制定的標準IEC 870-5-2。 介質存取控制協議、數據傳輸服務和管理服務以標準DIN 19 241-2，GB/T9469 (PROWAY C), ISO 8802-2和ISO/IEC JTC/SC 6N 4960 (LLC類型和LLC類型3)為指導。整個協議考慮了過程數

30、據傳輸的高數據完整性要求。附錄A解釋中繼器的可能的結構、現場總線設備以及一個主站服務若干條現場總線的拓撲。增加了一些關于冗余中央控制裝置和總線分析/診斷裝置的指南，最后，作為例子，計算了數據傳輸速率和系統響應時間。 PROFIBUS用戶第六層 表達層(空)第五層 會話層(空)第四層 傳輸層(空)第三層 網絡層(空)第七層 應用層 (APP) FMA7 第六部分、第七部分第二層 接口服務 介質存取控制 傳輸協議 （FDL） 第一層 物理層（PHY） 管 理FMA 1/2“第0層” 傳輸介質第0層” 傳輸介質 條目4 條目5 第三部分 第四部分 條目4.2 條目4.1 第二部分 條目4.1 “空”

31、 FDL用戶 FMA 1/2用戶 其中，FMA7：現場總線管理層7 FMA1/2：現場總線管理層1/2 FDL：現場總線數據鏈路 PHY：物理層圖1. ISO層模型4 數據傳輸（物理介質，物理層） 為了覆蓋有關拓撲、總線長度、站點數、數據傳輸速率和環境影響的保護等要求，支持多種物理層類型。類型1:NRZ位編碼與EIA RS-485信號結合，目的是降低總線耦合器成本，耦合器可以使站與總線之間電氣隔離或非電氣隔離；需要總線終端器，特別在較高數據傳輸速率（達到1500 k bits/s）時更需要。類型2: 覆蓋大范圍的靈活的拓撲（樹型拓撲），總線耦合器低功耗并減少在總線上運行的有缺陷的站的影響，通過

32、信號導體傳輸電流，易爆氣體保護（本質安全）及提高電磁兼容性，此物理層符合GB/T16657.2標準。 這后一類型是以4.2中描述的層1和層2接口為基礎的，它包括服務原語定義和相關參數及有關編碼與信號的推薦。4.1 類型1 類型1規范描述平衡的總線傳輸，符合美國標準EIA RS-485(EIA: 電氣工業協會；RS-485: 平衡的數字多點系統中使用的收/發器的電特性標準)。在雙絞線兩端的終端器使得類型1的物理層支持高速數據傳輸。傳輸速率93.75 kbits/s時，最大電纜長度為1.2km 。對1500 kbits/s的速度，最大長度減到70/200m(對B/A型電纜)（見“總線電纜”條目）

33、電氣特性l 拓撲：線性總線，在兩端有終端器，短截線0.3米，無分支根據EIA RS-485 的建議，如果所有短截線電容總和（cstages）不超過下列值時，允許更長的短截線：Cstges0.2 nF 1500 kbits/sCstges0.6 nF 500 kbits/sCstges1.5 nF 187.5 kbits/sCstges3.0 nF 93.75 kbits/sCstges15 nF 9.6 kbits/s 和19.2 kbits/s 總長度中包括短截線長度之和l 介質：屏蔽雙絞線，見“總線電纜”條目l 總線長度：1200米，取決于數據傳輸速率和電纜類型l 站數：32（主站，從站或中繼器） 數據傳輸速率：9.6/19.2/93.75/187.5/500/1500 kbits/s，可支持更高的數據 傳輸速率l