第五章工業控制網絡技術

隨著以互聯網為代表的信息技術的廣泛應用，地域不再是影響企業競爭的重要因素，一個企業不再僅僅是一個地區的企業，一個國家的企業，而是一個全球的企業。這樣就產生如下的需求：一個企業中的設備可能和異地企業的設備組成制造系統，或者由異地企業來控制管理，所以研究設備的遠程監控是實現全球化制造的重要課題。

因此，工業現場控制網絡已經是現代制造業自動化系統中十分重要和關鍵的內容。本章我們重點講述現場總線技術。

5.1概述

現場總線（Fieldbus）是80年代末、90年代初國際上發展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。

這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術與產品的開發。現場總線設備的工作環境處于過程設備的底層。

5.1概述

作為工廠設備級基礎通訊網絡，要求具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點；具有一定的時間確定性和較高的實時性要求；還具有網絡負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現場總線系統從網絡結構到通訊技術，都具有不同上層高速數據通信網的特色。

5.1概述

一般把現場總線系統稱為第五代控制系統，也稱作FCS——現場總線控制系統。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。

5.1概述

現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。可以說，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。

5.1概述

現場總線技術在歷經了群雄并起，分散割據的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但至今尚未形成完整統一的國際標準。其中有較強實力和影響的有:FoudationFieldbus

（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、DeviceNet等。它們具有各自的特色，在不同應用領域形成了自己的優勢。

5.1概述

5.1.1現場總線的技術特點

1、系統的開放性。開放系統是指通信協議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換，現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性，強調對標準的共識與遵從。一個開放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的，開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。

2、互可操作性與互用性。這里的互可操作性，是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。

5.1.1現場總線的技術特點

3、現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。

5.1.1現場總線的技術特點

4、系統結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。

5.1.1現場總線的技術特點

5、對現場環境的適應性。工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。

5.1.1現場總線的技術特點

什么是本質安全？

本質安全：對現場總線來講，在特定的測試條件（包括正常操作特定故障狀況）中產生的火花和熱效應不足以引起爆炸，就稱這個線路是本質安全的。5.1.2現場總線的優點

由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統結構的簡化，使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優越性。

1、節省硬件數量與投資。由于現場總線系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術

等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。2、節省安裝費用。現場總線系統的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投5.1.2現場總線的優點

資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上。

3、節省維護開銷。由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

5.1.2現場總線的優點

4、用戶具有高度的系統集成主動權。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品被“框死”了設備的選擇范圍，不會為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展，使系統集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。

5.1.2現場總線的優點

5、提高了系統的準確性與可靠性。由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強:減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。

5.1.2現場總線的優點5.1.2典型現場總線簡介

1、基金會現場總線基金會現場總線，即FoudationFieldbus,簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于

1994年9月合并，成立了現場總線基金會，致力于開發出國際上統一的現場總線協議。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。5.1.2典型現場總線簡介

基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為3125Kbps,通信距離可達1900m(可加中繼器延長),可支持總線供電，支持本質安全防爆環境。H2的傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發射，協議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發送數據的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表1。5.1.2典型現場總線簡介

從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息，以保持發送雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來判斷數據的“1”、“0”狀態，也可根據數據的中心位置精確定位。為滿足用戶需要，Honeywell、Ronan等公司已開發出可完成物理層和部分數據鏈路層協議的專用芯片，許多儀表公司已開發出符合FF協議的產品，1總線已通過ａ測試和β測試，完成了由13個不同廠商提供設備而組成的FF現場總線工廠試驗系統。5.1.2典型現場總線簡介

2總線標準也已經形成。1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現場總線基金會組織實施，向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協議的產品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的FF展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現場總線演示系統，各展臺現場設備之間可實地進行現場互操作，展現了基金會現場總線的成就與技術實力。5.1.2典型現場總線簡介

2、LonWorks

LonWorks是又一具有強勁實力的現場總線技術，它是由美國Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，并開發相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網絡。5.1.2典型現場總線簡介

LonWorks技術所采用的LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現。集成芯片中有3個8位CPU;一個用于完成開放互連模型中第1～2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現介質訪問的控制與處理;第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件5.1.2典型現場總線簡介

計量時、網絡管理，并負責網絡通信控制、收發數據包等;第三個是應用處理器，執行操作系統服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實現CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區和應用緩沖區。如Motorola公司生產的神經元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。

5.1.2典型現場總線簡介

LonWoeks技術的不斷推廣促成了神經元芯片的低成本(每片價格約5～9美元)，而芯片的低成本又返過來促進了LonWorks技術的推廣應用，形成了良好循環，據Ecelon公司的有關資料，到1996年7月，已生產出500萬片神經元芯片。

LonWorks公司的技術策略是鼓勵各OEM開發商運用LonWorks技術和神經元芯片，開發自己的應用產品，據稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術:1000多家公司已經推出5.1.2典型現場總線簡介

了LonWorks產品，并進一步組織起LonWark互操作協會，開發推廣LonWorks技術與產品。它被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、運輸設備、工業過程控制等行業。為了支持LonWorks與其它協議和網絡之間的互連與互操作，該公司正在開發各種網關，以便將LonWorks與以太網、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統。另外，5.1.2典型現場總線簡介

在開發智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經元芯片也具有獨特的優勢。LonWorks技術已經被美國暖通工程師協會ASRE定為建筑自動化協議BACnet的一個標準。美國消費電子制造商協會已經通過決議，以LonWorks技術為基礎制定了EIA-709標準。

5.1.2典型現場總線簡介

這樣，LonWorks已經建立了一套從協議開發、芯片設計、芯片制造、控制模塊開發制造、OEM控制產品、最終控制產品、分銷、系統集成等一系列完整的開發、制造、推廣、應用體系結構，吸引了數萬家企業參與到這項工作中來，這對于一種技術的推廣、應用有很大的促進作用。

5.1.2典型現場總線簡介

3、Profibus

Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現場總線，同時它也是IEC62026現場總線標準之一。ISO/OSI模型也是它的參考模型。它由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。Profibus是世界上第一個在全球范圍內得到使用的工業現場總線，使用面很廣，稍后將對它作詳細介紹。5.1.2典型現場總線簡介

4、DeviceNet

DeviceNet在1994年3月由美國羅克韋爾自動化公司推出，1995年成為開放協議，首先在北美推廣。由于其突出的優點，逐漸在亞太地區及全世界范圍得到推廣應用。2000年2月，DeviceNet進入中國。2000年6月，DeviceNet成為IEC61158標準，2002年10月成為我國國家標準。稍后將對它作詳細介紹。5.1.2典型現場總線簡介

5、CAN

CAN是控制局域網絡ControlAreaNetwork的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。

5.1.2典型現場總線簡介

CAN協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的，不過，其模型結構只有3層，只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂上層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/kbps，可掛接設備最多可達110個。5.1.2典型現場總線簡介

CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網絡上任何節點均在任意時刻主動向其它節點發送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發送數據。5.1.2典型現場總線簡介

它采用總線仲裁技術，當出現幾個節點同時在網絡上傳輸信息時，優先級高的節點可繼續傳輸數據，而優先級低的節點則主動停止發送，從而避免了總線沖突。已有多家公司開發生產了符合CAN協議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。還有插在PC機上的CAN總線接口卡，具有接口簡單、編程方便、開發系統價格便宜等優點。5.1.2典型現場總線簡介

6、HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協議，其特點是現有模擬信號傳輸線上實現數字通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中工業過程控制的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發展。

5.1.2典型現場總線簡介HART通信模型由3層組成:物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標準;數據傳輸速率為1200bps,邏輯“0”的信號頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號傳輸頻率為1200Hz。

5.1.2典型現場總線簡介

數據鏈路層用于按HART通信協議規則建立HART信息格式。其信息構成包括開頭碼、顯示終端與現場設備地址、字節數、現場設備狀態與通信狀態、數據、奇偶校驗等。其數據字節結構為1個起始位，8個數據位，1個奇偶校驗位，1個終止位。應用層的作用在于使HART指令付諸實現，即把通信狀態轉換成相應的信息。它規定了一系列命令;按命令方式工作。它有3類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設備理解、執行的命5.1.2典型現場總線簡介

令;第二類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現場設備(盡管不是全部)中實現，這類命令包括最常用的現場設備的功能庫;第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現特殊功能，這類命既可以在基金會中開放使用，又可以為開發此命令的公司所獨有。在一個現場設備中通常可發現同時存在這3類命令。HART支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。按應答應5.1.2典型現場總線簡介

方式工作時的數據更新速率為2～3次/ｓ,按廣播方式工作時的數據更新速率為3～4次/ｓ,它還可支持兩個通信主設備。總線上可掛設備數多達15個，每個現場設備可有

256個變量，每個信息最大可包含4個變量。最大傳輸距離3000m，HART采用統一的設備描述語言DDL。現場設備開發商采用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用DDL技術，來理解這些設備的5.1.2典型現場總線簡介

特性參數而不必為這些設備開發專用接口。但由于這種模擬數字混信號制，導致難以開發出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。

5.1.2典型現場總線簡介

7、RS-485

盡管ＲＳ-485不能稱為現場總線，但是作為現場總線的鼻祖，還有許多設備繼續沿用這種通訊協議，而且，目前許多商業化的現場總線都是在此基礎上建立起來的。采用RS-485通訊具有設備簡單、低成本等優勢，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎的OPTO-22命令集等也在許多系統中得到了廣泛的應用。下面將詳細介紹RS-485串行通訊協議。

5.1.2典型現場總線簡介5.2RS-485通訊協議及其總線標準

5.2.1RS-485總線物理層結構

1．RS-232、RS-422與RS-485的由來

RS-232、RS-422與RS-485都是串行數據接口標準，最初都是由電子工業協會（EIA）制訂并發布的，RS-232在1962年發布，命名為EIA-232-E，作為工業標準，以保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422由RS-232發展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將

傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名5.2RS-485通訊協議及其總線標準

為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業領域，仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。因此在視頻界的應用，許多廠家都建立了一套高層通信協議，或公開或廠家獨家使用。如錄像機廠家中的Sony與松下對錄像機的RS-422控制協議是有差異的，視頻服務器上的控制協議則更多了，如Louth、Odetis協議是公開的，而ProLINK則是基于Profile上的。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

2．RS-232串行接口標準目前RS-232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。其連接器形式如圖5.1所示。收、發端的數據信號是相對于信號5.2RS-485通訊協議及其總線標準

圖5．1RS-232DB25連接器引腳地，如從DTE設備發出的數據在使用DB25連接器時是2腳相對7腳（信號地）的電平。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發送數據時，發送端驅動器

輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。由于發送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點（即只用一對收、發設備）通訊而設計的，其驅動器負載為3～5.2RS-485通訊協議及其總線標準

7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。其有關電氣參數參見表5．1。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

表5．1RS-232、RS-422與RS-485電氣參數

3．RS-422與RS-485串行接口標準（1）平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖5．2所示。

圖5．2平衡傳輸示意圖5.2RS-485通訊協議及其總線標準

通常情況下，發送驅動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態，負電平在-2～6V，是另一個邏輯狀態。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發送驅動器處于高阻狀態，稱作“第三態”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

接收器也作與發送端相對的規定，收、發端通過平衡雙絞線將AA與BB對應相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。參見圖5．3。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

圖5．3傳輸電壓范圍示意圖5.2RS-485通訊協議及其總線標準

（2）RS-422電氣規定

RS-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖5．5是其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發送驅動器比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，最多可接10個節點。即一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

圖5．5DB9連接器引腳

接收器輸入阻抗為4k，故發端最大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。

RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS-422需要一終端電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需要終端電阻，即一般在300米以下不需終端電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

（3）RS-485電氣規定由于RS-485是從RS-422基礎上發展而來的，所以RS-485許多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終端電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信；而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現點對多的通信，即只能有一個主（Master）設備，其余為從設備，但它比RS-422有改進，無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設備。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12kΩ，RS-422是4kΩ；RS-485滿足所有RS-422的規范，所以RS-485的驅動器可以在RS-422網絡中應用。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，5.2RS-485通訊協議及其總線標準

才可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS-485需要2個終端電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終端電阻，即一般在300米以下不需終端電阻。終端電阻接在傳輸總線的兩端。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

4．RS-422與RS-485的網絡安裝注意要點

RS-422可支持10個節點，RS-485支持32個節點，因此多節點構成網絡。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環形或星形網絡。在構建網絡時，應注意如下幾點：（1）采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節點串接起來，從總線到每個節點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

（2）應注意總線特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點就會發生信號的反射。下列幾種情況易產生這種不連續性：總線的不同區段采用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發器緊靠在一起安裝，再者是過長的分支線引出到總線。總之，應該提供一條單一、連續的信號通道作為總線。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

5．RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說明對RS-422與RS-485總線網絡一般要使用終結電阻進行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢？理論上，在每個接收數據信號的中點進行采樣時，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實際上難以掌握，美國MAXIM公司有篇文章提到一條經驗性的原則可以用來判5.2RS-485通訊協議及其總線標準

斷在什么樣的數據速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的轉換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWGPVC電纜），那么只要數據速率在250kb/s以內、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

一般終端匹配采用終接電阻方法，前文已有提及，RS-422在總線電纜的遠端并接電阻，RS-485則應在總線電纜的開始和末端都需并接終端電阻。終接電阻一般在RS-422網絡中取100Ω，在RS-485網絡中取120Ω。相當于電纜特性阻抗的電阻，因為大多數雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC5.2RS-485通訊協議及其總線標準

匹配，如圖4．9所示。利用一只電容C隔斷直流成分可以節省大部分功率。但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折衷。還有一種采用二極管的匹配方法，如圖4．10所示。這種方案雖未實現真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號，達到改善信號質量的目的。節能效果顯著。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

4.2.2RS-485總線通訊協議

在工業控制系統中，集散控制是目前最常用的測量控制方式。通常，一個集散控制系統由一個主控計算機（上位機）和一系列基于MCU的前端智能儀器（下位機）構成，它們之間再通過一定的物理媒介連接在一起，以完成必要的通信功能。對于一個特定的測控系統而言，所要測控的對象和所采取的測控算法是個有個性的東西；而上位機和下位機之間的通信可以看作是一系列命令流和數據流的流動，所采用的通信協議是用來保證

傳輸過程的可靠和高效，是具有共性的，能夠也應該有一個統一的設計標準。在集散控制系統中，普遍采用RS-485總線作為底層通信接口。它具有穩定可靠、編程簡單、組網快速、價格低廉的優點，但在協議設計實現方面并沒有一個統一的規范，導致不同的控制系統常常采用不同的通信協議。因此，對于一個具體的工程應用，需要設計一種有通用性的高效可靠的協議，從而簡化基于RS-485的分布式測試系統通信部分的設計，5.2RS-485通訊協議及其總線標準

既能夠保證通信的穩定可靠，又能夠把精力集中到測控系統算法的設計上。通信協議的設計通常采用分層的結構，如ISO的OSI參考模型。這里也采用分層的結構來描述自定義的基于RS-485總線的通信協議，如圖4．15所示。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

圖4．15基于RS-485自定義協議的分層模型

圖4．15中，物理層是利用物理媒介實現物理連接的功能描述和執行連接的規程，提供用于建立、保持和斷開物理連接的機械的、電氣的、功能的和過程的條件；數據鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實現無差錯傳輸的功能；應用層針對不同的應用，利用鏈路層提供的服務，完成不同通信節點之間的通信。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

下面結合某一層討論這種自定義協議的具體設計，重點介紹如何實現可靠高效的通信，如何處理通信中錯誤，如何編程實現。1．物理層協議設計

RS-485通信網絡是一種總線式的結構，如圖4．16所示。上位機（以PC為例）和下位機（以基于MCS-51的智能儀器為例）都掛在通信總線上，物理層的通信協議由RS-485標準和MCS-51的多機通信方式共同決定。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

圖4．16RS-485通信接口的拓撲結構EIARS-485標準5.2RS-485通訊協議及其總線標準

（1）MCS-51串口的多機通信方式MCS-51具有多機通信功能。當串口以方式2（或方式3）接收時，若SM2（多機控制位）為1，這時只接收第9位為1的串行數據（把第9位為1的串行字節稱為地址，把第9位為0的串行字節稱為數據）；當SM2=0時，不論第9位為何值都接收。這種功能使得基于MCS-51的智能儀器能夠方便地通過RS-485接口芯片組成網絡。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

（2）物理層的功能物理層要完成發送及接收字節流的任務，但對傳輸過程的可靠性不做出保證，而由高層協議來保證。物理層為鏈路層提供接口（以子程序的形式來描述），包括Send子程序（功能為發送一個字節）及Receive子程序（功能為接收一個字節）。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

發送程序比較簡單，接收程序的流程如圖4．17所示（以MCS-51為例）。采用循環查詢RI標志位的方式，可以在規定的時間內（即在規定的循環次數內）實現一個字節的接收。規定時間的長短由循環次數決定。如果在規定的時間內未收到，則視為通信失敗。

5.2RS-485通訊協議及其總線標準

圖4．17接收程序的流程5.2RS-485通訊協議及其總線標準

2．數據鏈路層協議設計數據鏈路層的基本通信單位是幀，幀結構如圖4．18所示。

圖4．18數據鏈路層幀結構*幀長度域為每一幀的第一個字節，用來說明幀體的長度。

*冗余幀長度域是可選的，它是幀長度域的重復，5.2RS-485通訊協議及其總線標準

可以用來檢查在傳輸過程中幀長度域是否存在傳輸錯誤。

*幀體域用來封裝來自上層（應用層）的數據報，長度是1～255B，鏈路層對這一部分不做處理，由應用層處理。鏈路層可以采用如下方法進行差錯處理。首先，幀長度域的引入可以方便程序的設計，同時也能夠起到一定的檢查錯誤的功能，可以發現傳輸過程中丟失字節的錯誤，并且丟棄緩沖區接收錯誤5.2RS-485通訊協議及其總線標準

的字節。其次，可以采用冗余字節的方法，對關鍵字節（幀長度）發送兩次，只有接收到的兩個幀長度字節一致時才認為接收到的是正確的。此外，對發送的每個字節可以采用CRC校驗等方法進行校驗。鏈路層向上層（應用層）提供的接口（以子程序的形式來描述）為SendFrame（功能是發送一幀）和ReceiveFrame（功能是接收一幀），程序流程如圖4．19所示，其中利用了下層（物理層）提供的接口。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

3．應用層協議設計應用層是協議的最高層，它的設計對于不同的應用可以有所不同，但是也存在很多通用性的原則。應用層數據報的格式如圖4．20所示。圖4．20應用層數據報的結構圖4．20應用層數據報的結構*類型域用來指定數據報的類型，一共可以表示256種類型，其中，0用來表示數據；其它256種用來表示命令。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

*冗余類型域是可選的，它的作用是檢查類型域在傳輸過程中是否存在錯誤。

*數據域是通信中傳輸的采集數據、系統參數等。數據報可以分成兩類：命令型數據報（類型域不為0）和數據型數據報（類型域為0）。具體的命令可以根據具體的應用來設計，由具體程序負責解釋。應用層也有一定的差錯檢查能力：首先，它引入了冗余類型字節；其次，數據域字節也可以采用CRC校驗等方法進行校驗。5.2RS-485通訊協議及其總線標準

4.3Profibus

工業現場網絡Profibus

是由西門子公司推出，符合德國國家標準和歐洲標準EN50170的現場總線，是ProcessFieldBus的簡稱。目前世界上許多自動化設備制造商如西門子公司都為它們生產的設備提供Profibus

接口，Profibus

產品的市場份額占歐洲首位，大約為40%，目前正在向歐洲以外的地區擴展。1997年7月，ProfibusInternational在中國建立了中國Profibus

用戶協會（CPO）。2000年6月，Profibus

成為有關低壓開關設備4.3.1Profibus

工業現場網絡概況

與控制設備、控制器與電氣設備接口的IEC62026現場總線標準之一。Profibus

已經廣泛應用于制造業和樓宇自動化。

1．Profibus

工業現場網絡組成結構

Profibus

是唯一的全集成H1（過程）和H2（工廠自動化）的現場總線解決方案，是一種不依賴于制造商所生產的開放式現場總線標準。采用Profibus

標準系統，不同制造商所生產的設備不須對其接口進行特別調整就可通信，Profibus

可用于高速并對時間苛求的數據傳輸，也可用于大范圍的復雜通信場合，如圖4．21所示。圖4．21Profibus

現場總線連接示意圖

Profibus

根據應用的特點分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個兼容版本。Profibus-DP（H2）是一種經過優化的高速通信連接，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間的通信設計的，可用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其傳輸速率可達12Mbit/s，一般構成單主站系統。Profibus-FMS主要解決車間級通用性通信任務，提供大量的通信服務，完成中等速度的循環和非循環通信任務，用于紡織工業、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執行器、低壓開關設備等一般的自動化控制，一般構成實時多主網絡系統。4.3.1Profibus

工業現場網絡概況

Profibus-PA（H1）

是專為過程自動化設計的，提供標準的本質安全的傳輸技術，一般用于對安全性要求較高的場合及由總線供電的站點。一般要與Profibus-FMS和Profibus-DP混合使用。

Profibus

使得分散式數字化控制器從現場層到車間級網絡化，該系統分為主站和從站。主站決定總線的數據通信，當主站得到總線控制權（令牌）時，沒有外界請求也可以主動送信息。從站為外圍設備，典型的從站包括輸入輸出設備、4.3.1Profibus

工業現場網絡概況控制器、驅動器和測量變送器。它們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向主站發送信息。2．Profibus

協議結構和通信模型

Profibus

協議的結構是根據開放系統互連參考模型ISO7498制定的，Profibus

的協議結構和Profibus

各協議層及子層的結構如圖4．22所示。4.3.1Profibus

工業現場網絡概況圖4．22Profibus

協議結構MBP傳輸Profibus-DP和Profibus-FMS采用了相同的媒體訪問控制協議（第2層）和傳輸技術（第1層）。Profibus-DP使用第1、2層和用戶接口。為了獲得快速和同效率的數據傳輸，第3~7層沒有定義。直接數據鏈路映像（DirectDataLinkMapper——DDLM）為用戶接口提供第2層的訪問服務。用戶接口定義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設備的行為，還提供了RS485傳輸技術和光纖傳輸技術。

4.3.1Profibus

工業現場網絡概況Profibus-FMS第1、2和7層均加以定義，第3~6層沒有定義。第7層由現場總線報文規范（FMS）和底層接口（LowerLayerInterface——LLI）組成。Profibus-FMS包括了應用協議，并向用戶提供了廣泛選用的強有力的通信服務，LLI協調了不同的通信關系，并向FMS提供不依賴設備第2層的訪問方式。第2層現場總線數據鏈路可完成總線訪問控制和數據的可靠性，它還為Profibus-FMS提供了RS485傳輸技術和光纖傳輸技術。

4.3.1Profibus

工業現場網絡概況Profibus-PA數據傳輸采用擴展的Profibus-DP協議，另外還使用了描述現場設備行為的PA規范，根據IEC1158-2標準，這種傳輸技術可確保其本質安全性，并使現場設備通過總線供電。使用分段式耦合器，Profibus-PA設備能很方便地集成到Profibus-DP網絡上。在Profibus的層次結構中，第1層物理層（PHY）規定了線路傳輸介質、物理連接的類型和電氣特性。Profibus通過采用差分電壓輸出的RS485實現連接。在線性拓撲結構下采用雙絞線電纜，樹型結構還可能用到中繼器。

4.3.1Profibus

工業現場網絡概況

第2層數據鏈路層的媒體訪問控制（MAC）子層描述了連接到傳輸介質的總線訪問方法。Profibus采用一種混合訪問方法。由于不能使所有設備在同一時刻傳輸，所以在Profibus主（Master）設備之間用令牌的方法。為使Profibus從（Slave）設備之間也能傳遞信息，從設備由主設備循環查詢。而第2層的現場總線鏈路控制（FLC）子層則規定了對低層接口（LLI）有效的第2層服務，并提供服務訪問點（SAP）的管理與LLI相關的緩沖4.3.1Profibus

工業現場網絡概況

器。第1層和第2層的現場總線管理（FMA1/2）完成MAC特定的總線參數的設定和PHY的設定。FLC和LLI之間的SAP可以通過FMA1/2激活或撤銷。此外，第1層和第2層可能出現的錯誤事件會被傳輸到更高層（FMA7）。

4.3.1Profibus

工業現場網絡概況

第7層LLI子層協調了不同通信關系，將現場總線報文規范（FMS）的服務映射到第2層（FLC）的服務。LLI集成了OSI七層參考模型的3~6層中的重要功能，如監控連線和數據傳輸。此外，LLI還檢查在建立連接期間用于描述一個邏輯鏈接通道的所有重要參數。可以在LLI中選擇不同的連接類型，主/從連接或主/從連接。數據交換既可是循環的，也可是非循環的。而現場總線報文規范（FMS）子層將用于通信管理的應用服務和用于用戶的用4.3.1Profibus

工業現場網絡概況

戶數據（變量、域、程序、事件通告）分組。借助于此，才可能訪問一個應用過程的通信對象。FMS主要用于協議數據單元（PDU）的編碼和譯碼。位于第7層之上的應用層接口，構成了應用過程接口。其目的是將過程對象轉換為通信對象。現場總線管理FMA7保證FMS和LLI子層的參數化以及總線參數向第2層（FMA1/2）的正確傳遞。某些實際的應用過程中，通過FMA7把各子層事件和錯誤顯示給用戶。4.3.1Profibus

工業現場網絡概況4.3.2Profibus的物理層

1．傳輸技術由于單一的現場總線傳輸技術不可能滿足所有的要求，因此Profibus提供了以下三種類型：

●

RS485傳輸：針對工廠制造環境的普遍要求，適用于DP和FMS。

●

MBP(IEC1158-2)傳輸:針對過程自動化要求，具有本質防爆性，適用于PA。

●光纖傳輸：可以增加抗干擾能力和傳輸距離。

在使用不同傳輸方式的網段之間要實現互要聯使用網關設備。一般的網關設備有兩種，一是耦合器)(Couper)，可以完成對用戶透明的幀轉發，二是具有一定智能過濾功能的鏈接器（Linker),本節主要敘述各種傳輸技術。（1）DP和FMS的RS485傳輸技術（H2）

RS485采用屏蔽的雙絞銅線電纜，共用一根導線時，適用于需要高速傳輸和設備簡單而又便宜的各個領域。在不使用中繼器時，每段最多有324.3.2Profibus的物理層

個站；使用中繼器時最多可到127個站。傳輸速率可選用9.6kbit/s~12Mbit/s，一旦設備投入運行，全部設備均須選用同一傳輸速率。電纜的最大長度取決于傳輸速率，見表4．2。表4．2RS485傳輸速率與A型電纜的距離

4.3.2Profibus的物理層（2）PA的IEC1158-2的MBP傳輸技術

MBP,曼徹斯特編碼（M）、總線供電（BP)。

IEC1158-2的MBP傳輸技術能滿足化工和石化工業的要求，可保證本質安全性和現場設備通過總線供電。這是一種位同步協議，可進行無電流的連續傳輸。在不使用中繼器時，每段最多有32個站；使用中繼器時，最多可到126個站。傳輸速率為31.25kbit/s。4.3.2Profibus的物理層課堂練習MBP的曼徹斯特碼調制：對數字信號序列00110101進行曼徹斯特編碼調制。

MBP技術的安裝要點：

◆每段只有一個電源作為供電裝置

◆當站收發信息時，不向總線供電

◆每站現場設備消耗的為常量穩態基本電流

◆現場設備的作用如同無源的電流吸收裝置

◆允許使用總線型、樹型和星形網絡

◆為了提高可靠性，可使用冗余的總線段4.3.2Profibus的物理層本質安全和本征安全◆在特定的總線來講，在特定的測試條件下產生的火花和熱效應不足以引起爆炸，就稱這個線路是本質安全的。◆如果整個系統中含有的設備都是具有本征安全性，那么這個系統就具有本征安全性。4.3.2Profibus的物理層（3）光纖傳輸技術在電纜干擾很大的場合，可使用光纖導體，以增大高速傳輸的最大距離，一種專用的總線插頭可將RS485信號轉換成光纖信號或者將光纖信號轉換成RS485信號，這使得在同一系統中，可同時使用RS485和光纖傳輸技術。4.3.2Profibus的物理層●光纖傳輸的總線傳輸介質傳輸介質是指使用的是玻璃纖維還是塑料纖維的光纜。傳輸距離取決于所使用的介質類型。玻璃纖維可達到15km,而塑料纖維只能達到80m.●總線連接技術

◆光鏈路模塊技術

◆光鏈路插頭技術

◆集成的光纖連接技術4.3.2Profibus的物理層2．Profibus

總線訪問協議

Profibus

的DP、FMS和PA采用單一的總線訪問協議。在Profibus中，總線訪問協議由第2層現場總線數據鏈路層（FDL）來實現。媒體訪問控制（MAC）控制了站點數據傳輸的順序。MAC必須確保在任何一個時刻只能有一個站點發送數據。

Profibus

協議的設計旨在滿足媒體訪問控制的基本要求。4.3.2Profibus的數據鏈路層

在復雜的自動化系統（主站）相互通信期間，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其通信任務。在復雜的控制設備和簡單的I/O設備（從站）之間周期、實時數據的通信，應盡可能地快速和簡單。

4.3.2Profibus的數據鏈路層因此，Profibus

總線訪問協議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，如圖4．23

所示。圖4．23總線訪問協議

令牌傳遞方式采用總線網絡拓撲結構，但網上各主站傳遞程序保證了每個主站在一個確切規定的時間段內得到總線訪問權（令牌）。令牌在所有主站中循環一周的最長時間是事先規定的。在Profibus

中，令牌傳遞僅在各主站間通信時使用。主從方式允許主站在得到總線訪問令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發送或索取信息。通過這種訪問方法，有可能實現下列系統配置：

純主——從系統；·純主——主系統（帶令牌傳遞）；混合系統。圖4．23所示為一個由3個主站和7個從站構成的Profibus

系統配置。3個主站構成令牌邏輯環，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—從關系表與所有從站通信，也可依照主—z主關系與所有主站通信。令牌邏輯環是所有主站的組織鏈。按照它們的地址構成令牌邏輯環。

在這個環中，令牌（總線訪問權）在規定時間內按照次序（地址的升序）在各主站中依次傳遞。在總線系統初建時，主站媒體訪問控制（MAC）的任務是制定總線上的站點分配，并建立令牌邏輯環。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環中被排除，新上電的主站必須加入令牌邏輯環。總線訪問控制保證令牌按地址升序依次在各主站間傳遞，各主站的令牌具體保持時間長短取決于該令牌

配置的循環時間。另外，Profibus媒體訪問控制還可監測傳輸介質及收發器是否有故障、檢查站點地址是否出錯（如地址重復）以及令牌錯誤（如多個令牌或令牌丟失）。第2層的另一重要任務是，保證數據的可靠性。Profibus第2層的結構格式保證高度的數據完整性，這是依靠所有報文的海明距離HD=4以及使用特殊的起始和結束定界符、無間距的字節同步傳輸和每個

字節的奇偶校驗來保證的。Profibus第2層按照非接連的模式操作，除提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信（廣播及有選擇廣播）功能。

數據鏈路層服務類型和報文格式4.3.3Profibus-DP通信原理

Profibus-DP（Distributerdperipheral）用于現場設備級的高速數據傳輸。中央控制器（如PLC/PC）通過高速串行總線同分散的現場設備（如I/O、驅動器、閥門等）進行通信。多數據交換采用周期方式。除了周期通信方式外，智能現場設備也具有非周期性通信方式，以進行組態、診斷和報警處理。

1．Profibus-DP的基本功能中央控制器（主站）周期地讀取從站的輸入信息，并周期地向從站1.Profibus-DP網絡系統構成在同一條總線上最多可以連接126個設備（主站加從站）。由系統組態來定義站點數、站地址、輸入輸出地址、輸入輸出數據格式、診斷報文格式和所使用的參數。每個DP系統由不同類型的設備構成，這些設備包括：（1）一級DP主站（DPM1）一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的主設備包括可編程序控制器（PLC）和個人計算機（PC）。DPM1有主動的總線存取權，它可以在固定的時間讀取現場設備的測量數據（輸入）和寫執行機構的設定值（輸出）。1.Profibus-DP網絡系統構成

（2）二級DP主站（DPM2）二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板。它們的主要作用是系統維護和診斷，組態所連接的設備、設置測量值和參數，以及請求設備狀態。DPM2也有主動的總線存取權。

1.Profibus-DP網絡系統構成1.Profibus-DP網絡系統構成（3）DP從站

DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（輸入/輸出設備、驅動器、HMI，閥門等），也有一些只提供輸入或輸出信息的設備。輸入和輸出信息量大小取決于設備類型，目前允許的輸入和輸出信息，最多不超過246字節。從通信的角度看，從站是被動設備，它們僅響應請求。

Profibus-DP允許構成單主站或多主站系統。在多主站系統中，總線上連接好幾個主站，這些主站與各自的從站構成相互獨立的子系統，各包括一個DPM1和它們指定的從站或作為網上的附加配置和診斷設備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入和輸出映像，但只有一個DP主站（在系統組態時指定的DPM1）允許對DP從站寫入數據。多主站系統的總線循環時間要比單主站系統長一些。

4.3.3Profibus-DP網絡2.Profibus-DP用戶數據交換原理Profibus-DP數據鏈路層可提供以下傳輸服務。（1）發送要求帶應答的報文。向某個從站發送報文，要求從站應答。（2）發送不要求應答的廣播報文2.Profibus-DP基本功能Profibus-DP基本功能有：①DP主站和DP從站間的循環數據傳送②各DP從站的動態激活和解除激活③檢查DP從站的組態④診斷功能⑤輸入輸出同步⑥通過總線給DP從站分配地址，保證每個從站最大為246字節的輸入輸出數據⑦通過總線對DP從站進行配置。

（1）DP主站和DP從站間的數據傳輸一類主站和從站之間的通信包括三個階段：參數化階段、組態階段和數據傳輸階段。參數化階段的主要任務：DP主站用現行的總線參數、監控時間和從站的特定參數對從站進行參數化。組態階段的任務：主站檢查已設計的組態與實際設備的組態是否相匹配，組態的參數主要包括：設備類型、數據格式和長度以及輸入輸出數量。2.Profibus-DP基本功能

（2）控制命令一類主站除了自動執行與相關從站的循環數據傳輸外，主站還可以向單個從站、一組從站或所有從站發送控制命令。這些控制命令主要包括同步信息。2.Profibus-DP基本功能

（3）診斷功能廣泛的診斷功能可以對故障進行快速定位。診斷報文分三級：

●與站有關的診斷。這些診斷報文涉及整個站的一般運行狀態，如溫度過高、電壓過低等

●與模塊有關的診斷。這些診斷報文指出某個站的某個輸入輸出模塊出現的故障，如8位輸入輸出模塊出現故障。

●與通道有關的診斷。這些診斷報文指出某個輸入輸出為（通道）的故障，如輸出斷線等。2.Profibus-DP基本功能（4）安全性功能在分散控制的現場提供有效的安全功能是十分必要的，DP的安全功能主要包括如下檢查：參數化錯誤；站脫落；傳輸介質脫落，電磁兼容性；硬件和軟件失效等。2.Profibus-DP基本功能

（5）Profibus-DP系統行為

Profibus-DP的系統行為主要取決于DPM1的操作狀態，這些狀態是由本地或總線的配置設備所控制的，主要有以下三種狀態：

●停止在這種狀態下，DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。●消除在這種狀態下，DPM1讀取DP從站的輸入信息，并使輸出信息保持故障安全狀態。●運行在這種狀態下，DPM1處于數據傳輸階段，循環數據通信時，DPM1從DP從站讀取輸入信息，并向DP從站寫入輸出信息。2.Profibus-DP基本功能DPM1設備在一個預先組態的時間間隔內以有選擇的廣播方式將其本地狀態周期性地發送到每一個有關的DP從站。如果在DPM1的數據傳輸過程中發生錯誤（例如一個DP從站有故障），系統將作出反應，它是由組態參數“自動清除”（Auto-clean）確定的。如果此參數為真，則DPM1將所有有關的DPM1轉入清除狀態。如果此參數為假，則DPM1在這個DP從站出錯地仍停留在運行狀態，然后由用戶決定對系統作出反應。

2.Profibus-DP基本功能

Profibus設備具有不同的性能特征，特征的不同在于現在功能（即I/0信號的數量和診斷信息）的不同或總線參數（如波特率和各種監控時間）的不同。這些參數對每種設備類型和制造商來說均有差別，為了達到Profibus簡單的即插即用，這些均在設備數據庫文件，即GSD文件中說明。GSD是以一種準確定義的格式描述的，制造商對每一種設備都有一個GSD文件。將來用配置軟件組網，3．設備數據庫（德文縮略語為GSD）文件

如COMProfibus軟件，只要把設備的GSD文件拷貝到相應的目錄下，就可以方便地把此設備放在網中。GSD文件包括以下三個部分：（1）總體說明，包括制造商和設備名稱、軟硬件版本號、支持的波特率、可能的監控時間間隔等。（2）DP主設備的相關規定，包括所有只適用于DP主設備的參數，例如可連接的從設備的最多臺數或加載和卸載能力等。（3）從設備的相關規定，包括與從設備有關的所有規定，如I/O通道的數據和類型、診斷測試的規格及I/O數據一致性信息等。

4.3.4Profibus-FMS網絡Profibus-FMS的設計旨在解決車間一級的通信。在這一級，可編程序控制器（PLC）與PC以FMS方式互相通信，強有力的FMS服務向人們提供廣泛的應用范圍和更大的靈活性。在這個應用領域，高性能的功能要求遠比系統的快速響應時間更顯得重要。

1．Profibus-FMS應用層Profibus-FMS應用層提供了用戶使用的通信服務。這些服務包括訪問變量、程序傳遞、事件控制等。Profibus-FMS應用層包括兩部分：現場總線報文規范（FMS），描述了通信對象和應用服務；低層接口（LLI），FMS服務到第二層的接口。

2．Profibus-FMS通信模型Profibus-FMS利用通信關系將分散的應用過程統一到一個共用的過程中。在應用過程中，可用來通信的那部分現場設備稱為虛擬現場設備（VFD），在實際現場設備與VFD之間建立一個通信關系表，VFD通過通信關系表完成對實際現場設備的通信。通信關系表是VFD通信變量（如零件數、故障率、停機時間等）的集合。

3．通信對象與通信字典FMS面向對象通信，它確認五種靜態通信對象，即簡單變量、數組、記錄、域和事件，還確認兩種動態通信對象：程序調用和變量表。每臺FMS設備的所有通信對象都填入對象字典（OD）中。對簡單設備，OD可以預定義，對復雜設備，OD可以本地或遠程通過組態加到設備中去。靜態通信對象進入靜態對象字典，動態通信對象進入動態對象字典。每個對象均有一個唯一的索引，為避免非授權的訪問，每個通信對象可選用訪問保護。

4．Profibus-FMS服務Profibus-FMS服務項目是ISO9506制造信息規范（ManufacturingMessageSpecification