Profibus

**PROFIBUS** 是一個用在自動化技術的現場總線標準，在 1987 年由德國西門子公司等十四家公司及五個研究機構所推動，PROFIBUS 是程式總線網路（**PRO**cess **FI**eld **BUS**）的簡稱。PROFIBUS 和用在工業乙太網路的 PROFINET 是二種不同的通訊協定。

## 起源

PROFIBUS 的歷史可追溯到 1987 年聯邦德國開始的一個合作計劃，此計劃有十四家公司及五個研究機構參與，目標是要推動一種串列現場總線，可滿足現場裝置介面的基本需求。為了這個目的，參與的成員同意支援有關工廠生產及程式自動化的共通技術研究。

PROFIBUS 中最早提出的是 PROFIBUS FMS（FMS 代表 Field bus Message Specification），是一個複雜的通訊協定，為要求嚴苛的通訊任務所設計，適用在車間級通用性通訊任務。後來在 1993 年提出了架構較簡單，速度也提昇許多的 PROFIBUS DP（DP 代表 Decentralized Peripherals）。PROFIBUS FMS 是用在 PROFIBUS 主站之間的非確定性通訊。PROFIBUS DP 主要是用在 PROFIBUS 主站和其遠端從站之間的確定性通訊，但仍允許主站及主站之間的通訊。

目前的 PROFIBUS 可分為二種，分別是大多數人使用的 PROFIBUS DP 和用在程序控制的 PROFIBUS PA：

* **PROFIBUS DP**（分散式週邊，Decentralized Peripherals）用在工廠自動化的應用中，可以由中央控制器控制許多的感測器及致動器，也可以利用標準或選用的診斷機能得知各模組的狀態。
* **PROFIBUS PA**（過程自動化，Process Automation）應用在過程自動化系統中，由程序控制系統監控量測裝置控制，是本質安全的通訊協定，可適用於防爆區域（工業防爆危險區分類中的 Ex-zone 0 及 Ex-zone 1）。其物理層（纜線）符合 IEC 61158-2，允許由通訊纜線提供電源給現場裝置，即使在有故障時也可限制電流量，避免製造可能導致爆炸的情形。因為使用網路供電，一個 PROFIBUS PA 網路所能連接的裝置數量也就受到限制。PROFIBUS PA 的通訊速率為 31.25 kbit/s。PROFIBUS PA 使用的通訊協定和 PROFIBUS DP 相同，只要有轉換裝置就可以和 PROFIBUS DP 網路連接，由速率較快的 PROFIBUS DP 作為網路主幹，將訊號慱遞給控制器。在一些需要同時處理自動化及程序控制的應用中就可以同時使用 PROFIBUS DP 及 PROFIBUS PA。

2009 年底時 PROFIBUS 網路上的裝置已經有三千萬個，其中五百萬個裝置是用在程序控制。

## 技術

**PROFIBUS 通訊協定（OSI 模型）** 

 

備註：\*MBP 為曼徹斯特匯流排電力傳輸（Manchester Bus Powered）的縮寫。

### 應用層

為了有效利用 PROFIBUS DP 的機能，PROFIBUS DP 定義了幾種不同的服務等級：

* DP-V0：循環式的資料交換，診斷機能。
* DP-V1：循環式及非循環式的資料交換，警告處理。
* DP-V2：時鐘同步數據模式，從機和從機之間的資料廣播。

### 資料鏈結層

資料鏈結層 **FDL**（總線資料鏈結層）混合了一般主站（master）－從站（slave）之間的通訊及權杖傳遞的訊息。在 PROFIBUS 網路中，控制器或控制系統為主站，感測器及致動器為從站。

傳送的訊息不止一種，依其起始字元（start delimiter, SD）可以識別是哪一種訊息：

無資料：SD1 = 0x10

變動長度資料：SD2 = 0x68

固定長度資料：SD3 = 0xA2

權杖（Token）：SD4 = 0xDC

簡單的收到告知（acknowledgement）：SC = 0xE5

SD: 起始字元

LE: 協定資料單位（protocol data unit, PDU）及 DA、SA、FC、DSAP 及 SSAP 所有資料的長度

LEr: 重複 LE 的內容（因 PROFIBUS 的漢明距離 HD=4，不在 FCS 檢查碼範圍內的資料需重覆一次，因此需重複 LE 內容）

FC: 功能碼

DA：目的裝置位址

SA：來源裝置位址

DSAP：目的裝置的服務點（SAP）

SSAP：來源裝置的服務點

除了 SAP55 之外的其他服務點都是必備的，若裝置中沒有非揮發性記憶體，可以不支援更改從站位址的 SAP55 服務。

PDU: 協定數據單元（Protocol Data Unit）

FCS: 框架檢查碼，是直接將訊息中的位元組相加而得，包括 PDU、DA、SA、FC、DSAP 及 SSAP，不考慮溢位。

ED: 結束字元，為 0x16

傳送位元組時使用非同步的傳送模式，奇偶校驗位為偶校驗位，啟始位元及停止位元均為 1 個。當傳送資料時在位元組的停止位元跟下一位元組的啟始位元之間不能有停頓。主站在檢測網路上至少 33 位元沒有資料（為邏輯狀態 1）時，會送出一筆新的訊息。

### 位元傳輸層

位元傳輸層有三種不同的傳輸方式：

* 若依據 EIA-485 規範（舊稱「RS-485」或「RS485」）的電氣傳輸方式，會使用阻抗 150 歐姆的雙絞線，位元速率範圍可以從 9.6 kbit/s 到 12 Mbit/s。兩台中繼器之間的網路線長也有限制，隨位元速率的不同，上限從 100 公尺到 1200 公尺。這種傳輸方式主要配合 PROFIBUS DP 使用。
* 若使用光纖做為介質傳輸，可以使用星型、匯流排（bus）或是環型的網路拓撲，兩台中繼器之間的網路線長也可以到 15 公里，也可以使用環型網路拓撲以冗餘的方式使用網路，即使網路中有一點損壞，仍然可以正常的運作。
* 若使用「曼徹斯特匯流排電力傳輸」（Manchester Bus Powered，MBP）的傳輸方式，網路上不但有訊號，也可提供裝置電源。因為這種傳輸方式可以減少裝置消耗的功率，因此可以在防爆需求的場合下使用。其匯流排拓撲最長可以到 1900 公尺，而且允許有 60 公尺的網路枝連接到裝置，其位元固定為 31.25kbit/s，此傳輸方式特別為用在程序控制的 PROFIBUS PA 所設計。

許多廠商的產品可以在行動裝置或是無線資料傳輸的場合使用 PROFIBUS，不過這些產品還沒有對應的技術標準。

## 應用行規

應用行規（profile）是 PROFIBUS 為了特殊的應用或裝置，所事先定義的組態，其中包括特殊的功能及特徵。應用行規是由 PROFIBUS 國際組織（PROFIBUS international,PI）的各工作小組所訂定，由 PROFIBUS 國際組織所發佈。應用行規讓使用者可以確定不同廠商提供的類似裝置可以有一致的機能，對產品的開放性、互操作性及互換性都很重要。使用者的選擇空間變大，也驅使裝置廠商提升產品效能及減低成本。

目前已有許多 PROFIBUS 的應用行規，例如針對編碼器、量測裝置、智慧型泵、機器人及數控工具機等應用行規。也有針對特殊應用的應用行規，如針對 HART、無線 PROFIBUS 及在程式自動化裝置中使用 PROFIBUS PA 的應用行規。其他的應用行規包括運動控制的 PROFIdrive 及功能安全（Functional Safety）的 PROFIsafe。

## 標準

PROFIBUS 在 1991/1993 年成為德國工業標準 DIN 19245，在 1996 年成為歐洲標準 EN 50170 V.2，在 1996 年成為現場總線國際標準 IEC 61158/IEC 61784 的組成部份（TYPE 3）。在 2006 年 PROFIBUS 也成為中華人民共和國的機械工業 GB/T20540-2006。

## 組織

PROFIBUS 使用者群組織（PROFIBUS Nutzerorganisation e.V，簡稱 PNO）在 1989 年成立。這個組織主要是由歐洲的 PROFIBUS 製造商及使用者所組成。在 1992 年成立了第一個地區性使用者群組織（PROFIBUS Schweiz in Switzerland），後來也各地區的地區性使用者群組織（RPAs）也相繼成立。

在 1995 年所有的地區性使用者群組織整合成一個國際性的傘狀組織 PROFIBUS & PROFINET 國際協會（PROFIBUS & PROFINET International, PI）。至 2010 年為止，PROFIBUS 在全世界有 25 個地區性使用者群組織（包括 PNO），超過 1400 個成員，包括許多重要的自動化裝置服務的廠商及許多終端客戶。

## 參考資料

## 參照

* 現場總線
* 自動化通訊協定列表

## 外部連結

* PROFIBUS & PROFINET International（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 電子工程專輯 PROFIBUS 工業網路介紹