西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8全年质保

profibus总线协议是基于osi模型的，文介绍profibus总线特点、profibus总线的三个版本及profibus总线的应用，对大家深入了解技术很有帮助。

profibus总线是德国国家标准din19245和欧洲标准en50170的现场总线标准。由profibus-dp、profibus-fms、profibus-pa组成，profibus-dp型用于分散外设简单高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。profibus-fms为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。profibus-pa用于过程自动化的总线类型：它遵循iec1158-2标准。

profibus是唯一全集成h1(过程)和h2(工厂自动化)的现场总线解决方案，是一种国际化的、不依赖于设备制造商的开放式现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化、楼宇自动化以及交通、等其他自动化领域。采用profibus标准系统，不同制造商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可通信，profibus可用于高速并对时间有苛刻要求的数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。

1、profibus总线特点

profibus作为业界成功、应用广泛的现场总线技术，除具有一般现场总线的一切优点外，还有许多自身的特点，具体表现如下：

①大传输信息长度为255字节，大数据长度为244字节，典型长度为120字节。

②网络拓扑为线型、树型或总线型，两端带有有源的总线终端电阻。

③传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6kbps到12mbps不等。

④站点数量取决于信号特性，如使用屏蔽双绞线，每段可以接入32个站点(无转发器)，多可以接入127个站点(带转发器)。

⑤传输介质为屏蔽/非屏蔽式光缆。

⑥当用双绞线时，传输距离长可达9.6km，用光缆时大传输长度为90km。

⑦profibus-dp和profibus-fms的传输技术为rs-485方式、profibus-pa遵守iec1158-2传输标准和光缆传输。

⑧采用单一的总线访问协议，包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。

⑨数据传输服务包括循环和非循环两类。

profibus总线的突出特点是可使分散式数字化控制器从现场层到车间级实现网络化，该系统分为主站和从站两种类型。主站决定总线的，当主站得到总线控制权(令牌)后，即使没有外界请求也可以主动传送信息。从站为外围设备，典型的从站包括输入/输出设备、控制器、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向主站发送信息。根据应用的特点，profibus分为profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa三个兼容版本。

2、profibus的三个版本

①profibus-dp

profibus-dp使用osi参考模型的第1层、第2层和用户接口层，第3层到第7层未加以描述，这种结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映(ddlm，directdatabbbbmapper)提供易于进人第2层的用户接口。用户接口规定了用户和系统之间，以及不同设备可以相互调用的应用功能，并详细说明了各种profibus-dp设备的设备行为，还提供了传输用的rs-485传输技术或光缆。

②profibu-fms

profibus-fms主要用来解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务，主要用于纺织工业、楼宇自动化、运动控制、低压开关设备等自动控制系统，一般构成实时多主网络控制系统。profibus-fms定义了osi参考模型的第1层、第2层和第7层，应用层包括现场总线信息规范(fms，fieldbus message specification)和低层接口(lli，lower layer interface)。fms包括了应用协议，并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务；lli协调了不同的通信关系，并向fms提供不依赖于设备访问第2层的功能。第2层现场总线数据链路(fdl)可完成总线访问控制和数据的可靠传输，它还为profibus-fms提供了rs-485传输技术或光缆传输两种方式。

③profibus-pa

profibus-pa是专为过程自动化而设计的，提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的场合和使用总线供电的站点。profibus-pa将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，代替了4-20ma模拟信号传输技术，在现场设备的规划、敷设电缆、调试、运行和维护等方面可节约成本40%以上，并大大提高了系统功能和安全可靠性，一般与profibus-fms和profibus-dp混合使用。

profibus-pa数据传输采用扩展的profibus-dp协议，还使用了描述现场设备行为的行规。根据iec1158-2标准，这种传输技术可确保其本质安全性并实现现场设备通过总线供电的功能、在使用分段式耦合器的情况下，profibus-pa设备能很方便地集成到profibus-dp网络。

profibus-pa和profibus-fms系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因此这两套系统可在同一根电缆上同时操作。

3、profibus的应用

profibus作为工业界具代表作的现场总线技术，应用领域丰常广泛。它既适用于工业自动化中离散加工过程，也适用于流程自动化中连续和批处理过程，而且随着技术的不断进步，其应用领域呈现出进一步扩大之势。目前具体的应用领域主要在以下几个方面：

①制造业自动化-如qiche制造(机器人、装配线、冲压线)、造纸、纺织等。

②过程控制自动化-如石化、制药、水泥生产、食品生产、啤酒生产等。

③电力-发电、输配电等。

④楼宇-空调控制、风机控制、照明控制等。

⑤铁路系统-信号系统等。

另外，profibus现场总线在冶金、交通、水利、水处理等自动化领域中也得到了广泛应用

hart(highway addressable remote transducer，可寻址远程高速通道)的开放通信协议，是美国rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。hart装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，hart技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

1、hart协议的传输原理

hart协议采用基于be11202标准的fsk频移键控信号，在低频的4-20ma模拟信号上叠加幅度为0.5ma的音频数字信号进行双向，数据传输率为1.2mbps。由于fsk信号的平均值为o，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在hart协议通信中主要的变量和控制信息由4-20ma模拟信号传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过hart协议访问。

图1 hart协议的传输原理

2、hart协议的三类命令

hart通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。hart规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

3、hart协议的优点

①hart采用统一的设备描述语言ddl

现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由hart基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用ddl技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。hart能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设标的双主设备系统。

②hart协议可以双向传送数字信息

采用模拟量信号只能单向传送情息，要么是从设备到主机(输入)，要么是从主机到设备(输出)。而采用hart协议可以双向传送数字信息。这突破了以往传统仪表只能从主机接收控制情的方式-比如阀门控制，也可以向主机传递阀门中的信息状态。同样，以往只能把过程变量发送给监控计算机，现在也可以接收诸如组态设置之类的信息。

③传输信息量大

传统的模拟量和离散量设备只能以单过程变量方式通信-因而很难找到一种简便的方式判定发送的信息是否有效。采用hart不但可以获取过程变址，还可以获得其他类型的信息。毎个hart设备中包括35-40个标准信息项，比如设备状态、诊断报警、过程变量、单位、回路电流、百分比范围、生产商、设备标签，其他的信息还包括：主机以数字方式查询hart设备，并告知设备的设置是否正确，运行是否正常。该功能可免除大多数的日常检验工作，并有助于在故障导致重大问题之前发现过程故障。

④支持多变量处理

数字通信模式下，一对电缆可以处理多个变量。例如，一个变送器可以处理多个传感器的输入。在一个报文中能处理4个过程变量。在任一现场仪表中，hart协议支持256个过程变量。

⑤基金会管理

采用hart时，用户不会受制于某个特定的供应商或地方“标准”。这是由于hart技术并不属于某一家公司，也不受一个国家或标准实体单位的控制。实际上，该技术由不受约束的非盈利性单位hart通信基金会管理。

⑥应用广泛

就过程工业而言，hart是目前世界上广泛采用的协议。可以从不同供应商那里获取近几百种采用hart技术的产品。产品种类的齐全意味着hart产品几乎能够满足所有过程应用场合的需要，并且还可以从多个经销商产品中选择适合的一款。

⑦完全可互操作性

完全可互操作性意味着无论是哪个供应商的hart兼容产品和主系统都可以协同工作。与hart设备实现兼容，一些主系统采用统一表示的指令，更进一步的系统则采用设备描述以理解所有hart信息。

can是controller area network的缩写（以下简称can），是iso化的串行通信协议，can总线是基于osi模型的。本文简介can总线的结构、优点和应用，帮助大家对can总线技术有个初步的了解。

在当前的qiche产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个lan，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国商博世公司开发出面向qiche的can通信协议。此后，can通过is011898及is011519进行了标准化，can现在在欧洲已是qiche网络的标准协议。

1、can总线的结构

can总线的物理层是将ecu(electronic control unit-电子控制单元，又称“行车”、“车载电脑”等)连接至总线的驱动电路。ecu的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码/jiema、位定时和同步的实施标准。

理论上,can总线上的节点数几乎不受限制，可达到2000个，实际上受电气特性的限制，多只能接100多个节点。

can的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(loagie bbbb control，llc)完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(medium access control，mac)子层完成数据打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。

2、can总线的优点

①can为多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。

②在报文标识符上，can上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时需要，优先级高的数据多可在134μs内得到传输。

③can采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息发生冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况(以太网则可能)。

④can节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。

⑤can的直接通信距离远可达10km(速率5kbps以下)通信速率高可达1mbps(此时通信距离长为40m)。

⑥can上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个。标准帧报文标识符有11位、扩展帧的报文标识符(29位)的个数几乎不受限制。

⑦报文采用短帧结构、传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。

⑧can的每帧信息都有crc校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。

⑨can通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

⑩can节点在错误严重的情况下可自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

3、can总线的应用

现在can的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面，是当今自动化领域技术发展的热点之一、被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的提供了强有力的技术支持。

can总线连接线

以上是对现场总线技术之一的can的介绍，这部分内容不是很详尽，毕竟我们不是开发者，了解它的使用和特点就已经足够了。下一章昌晖仪表将介绍控制系统的核心部分，计算机技术。写这部分内容的目的是帮助我们掌握计算机技术的基础知识，当然了，这里所说的基础知识不是点点鼠标，换个桌面之类的操作、我们需要了解计算机和控制系统之间的关系，计算机是如何实现的，是如何控制设备运行的。

很多初次接触profinet通讯网络项目组态编程的用户，往往会有这样的困惑：为什么一定要给profinet设备，起一个设备名称呢？而且看起来这个名称还很重要，因为如果事先没有向profinet设备分配并下载名称，那么就算是向其上位机profinet控制器下载了全部项目的硬件组态信息并运行，还是无法与该设备进行正常的profinet通讯，为什么会这样呢？为什么感觉和其它协议的产品用起来有点不一样呢？

想要回答以上这些疑问，我们就必须对profinet协议自身的通讯启动机制有比较清晰与深入的认识，当然事先要掌握一些以太网协议的知识，例如dns、dcp、arp等等。但是如果要做到让普通用户也能马上听懂这种启动的工作机制，怎么办？为此，我想了一个通俗易懂的解释方案，如下所示。

角色扮演：新生入学报到上课

新生，扮演者：profinet设备（例如一些刚出厂的io模块产品）

班主任，扮演者：profinet控制器（例如、机器人控制器产品）

招生办，扮演者：profinet编程者（例如项目工程师、规划等等）

角色扮演开始了，各位看官，回想一下我们小时候上学报到的景象吧。

场景一：设备名称分配与网络规划

招生办汇总出本届新生的信息登记表，主要关键词就是每个新生的姓名（所以每个profinet设备都必须先保存有一个名称）。当然，招生办手头还有班主任信息表，主要关键词也是教师的姓名（所以profinet控制器也必须有设备名称）。然后招生办开始规划分班：每个班级内的学生，名字不得重复，由一名班主任管理。为了便于管理，招生办还为每个新生分配了一个学号（相当于设备ip地址），不过新生刚报到，由于环境陌生一开始还不知道这些事情。为了便于管理学校员工，班主任当然也要有学号工号，这里就不必赘述了。

场景二：网络安装与网络组态下载

招生办将分班信息通知每一名新生，安排新生找到各自的班级教室并入座（这就相当于profinet设备的网络安装）。与此同时，招生办将每个班级的花名册交给班主任，花名册里包含了该班级学生的姓名学号等信息（这就相当于将profinet网络组态信息下载进上位机控制器）。班主任熟读了这本花名册，等到所有新人都落座后，就准备开始与自己班级的学生互动啦（准备开始建立profinet网络通讯）。

场景三：profinet网络启动流程

现在我们就可以开始正常的开班上课了。班主任在开始正式讲课之前，先要点名以确认新同学都到齐没有（这就相当于识别设备名称）。在座的新生听到班主任喊自己的名字后，会举手回应，说到（这就相当于回应识别成功）。班主任看了看这名新生，表示欢迎并告知该学生的学号是xxx（这就相当于设置设备ip地址）。新生表示他已经记住了（这就相当于确认设置设备ip成功）。然后班主任表示感觉不错，进一步和新同学聊了几句了解相互间的状态，并且要求这名新生去拿新课本准备上课（这就相当于建立连接并确认ok）。新生领完新课本并表示状态良好准备上课（这就相当于写入数据并确认ok）。此时班主任说先别急，我来再说说校规班规吧，新生听完后表示完全遵守（这就相当于参数化并确认ok）。后班主任非常满意说，下面我们就开始正式上课吧，学生们说老师好（这就相当于开始通讯应用并确认准备好）。至此，上课就正式开始了（这就相当于profinet网络开始正常工作）。

end

由此可见，老外当初开发profinet通讯协议的时候，也是来源于生活高于生活的。解开层层枯燥的各种术语和复杂的表面现象，核心的理念，其实真的很朴素、很纯真。