Standard PROFIBUS został opracowany na zlecenie Ministerstwa Badań i Technologii Niemiec na potrzeby automatyki przemysłowej. Prace nad standardem prowadzone przez 13 firm i 5 instytutów zostały uwieńczone w połowie 1991 r. opublikowaniem dwuczęściowej normy oznaczonej symbolem DIN 19245. Powołano organizację pod nazwą PROFIBUS Nuzerorganisation (PNO), zrzeszającą firmy rozwijające standard. Obecnie organizacja liczy ponad 150 członków i mieści się w Wesseling.
Architektura protokołu PROFIBUS została oparta na 7-segmentowym tunelu OSI.
Warstwy 1 i 2 (część I normy) określają medium transmisyjne, właściwości elektryczne interfejsu, protokół dostępu do medium oraz usługi warstwy łączenia danych – FDL {ang. Field Data Link). Kolejne warstwy od 3 do 6 nie są jawnie określone w normie. Ich funkcje zostały zawarte w podwarstwie sprzęgającej je z niższymi warstwami interfejsu – LLI (ang. Lower Layer Interface), będącej częścią warstwy 7. Warstwa aplikacji umożliwia także wykonywanie usług realizowanych przez funkcje komunikacyjne – FMS (ang. Fieldbus Message Specification). Ponadto standard PROFIBUS dostarcza użytkownikowi funkcji zarządzania siecią – FMA {ang. Fieldbus Management Application).
Główne cechy standardu PROFIBUS:
Podstawowe parametry warstwy 1 i 2
transmisja zgodna ze standardem RS-485 (jeden segment – 32 stacje), skrętka, opcjonalnie światłowód,
maksymalna długość linii 1200 m, ze wzmacniaczami 4800 m,
szybkość transmisji zależna od długości linii w zakresie od 9,6 do 500 kbit/s,
maksymalna liczba stacji 127,
transmisja asynchroniczna, półdupleks, – hybrydowy dostęp do magistrali,
trzy acykliczne i jedna cykliczna usługi transmisji danych,
format ramek zgodny z normą ICE-870-5-1,
dane zintegrowane z odległością Haminga (HD = 4).
Podstawowe parametry warstwy 7
obiektowo zorientowany model “client-server”,
struktura modułowa (LLI, FMS),
efektywne przesyłanie komunikatów dostępnych za pomocą krótkiego adresu,
nawiązywanie i rozłączanie połączeń (ang. contex management),
cykliczne i acykliczne serwisy odczytu i zapisu,
ładowanie do pamięci (ang. domain management),
uruchamianie i zatrzymywanie programów (ang. program invocation management),
żądanie statusu i jego identyfikacja (ang. virtual field device-support),
administracja słownika obiektów (ang. object dictionary management),
komunikacja zorientowana połączeniowo lub bezpołączeniowo,
przesyłanie komunikatów z lub bez potwierdzenia.
Medium transmisyjne stanowi para przewodów w konfiguracji magistralowej.
W standardzie PROFIBUS stosuje się dwie metody kontroli dostępu do magistrali:
metodę dostępu zdecentralizowanego, zgodną z zasadą “token-passing”, stosowaną do komunikacji między złożonymi stacjami typu “master”;
metodę dostępu scentralizowanego, zgodną z zasadą “master-slave”, dla komunikacji stacji typu master z prostymi stacjami typu “slave”.
Kontrola dostępu do magistrali przypisana jest stacji aktywnej (tzw. “master” – kontroler magistrali). Obok stacji typu “master” standard określa stacje typu “slave” (stacje pasywne, np. czujnik, element wykonawczy), nie mogące inicjować cyklu dostępu do magistrali. Element “master” otrzymawszy na ściśle określony czas “token” może sterować dostępem do magistrali, komunikując się z elementami pasywnymi, po czym przekazuje sterowanie następnej stacji typu master.
W ten sposób stacje typu “master” dołączone do magistrali tworzą logiczny pierścień. Taki sposób dostępu do medium transmisyjnego określany jest jako hybrydowa metoda dostępu do medium.
Profile standardu PROFIBUS
Standard PROFIBUS dostarcza wielu zróżnicowanych funkcji komunikacyjnych. W pewnych zastosowaniach niezbędne jest zaimplementowanie podzbioru oferowanych funkcji określanych profilem. Profile definiowane są przez wspomnianą wcześniej grupę skupiającą użytkowników standardu PROFIBUS (PIVO) i zawierają więcej sformułowań niż tylko określenie parametrów komunikacyjnych. Określają takie definicje właściwe dla grupy aplikacji w odniesieniu do funkcji komunikacyjnych, jak również znaczniki statusu i błędu. Zawierają także specyficzne definicje dla danej klasy zastosowań. Obecnie dostępne są profile dla następujących grup: automatyzacja budynków, sterowanie napędami, programowalne sterownika logiczne, maszyny włókiennicze, sterownika numeryczne i roboty, czujniki i elementy wykonawcze. Omówiony będzie ostatni z nich.
Czujnik jest klasycznym elementem typu “slave”. Działanie czujnikowego interfejsu komunikacyjnego w standardzie PROFIBUS wymaga tylko realizacji najważniejszych funkcji. Dzięki temu staje się możliwe efektywniejsze wykorzystanie zasobów aplikacyjnych czujnika. Bardzo proste aplikacje czujników nie wymagają nawet wszystkich wymienionych funkcji, dlatego profil dzielony jest na cztery klasy stosownie do ich funkcjonalności:
klasa 1 – przesyłanie wielkości mierzonych jako danych stałoprzecinkowych,
klasa 2 – ustawianie parametrów i definiowanie zakresów,
klasa 3 – transmitowanie informacji o stanie czujnika,
klasa 4 – przesyłanie wielkości mierzonych jako danych zmiennoprzecinkowych.
Profil określa także 8 standaryzowanych związków komunikacyjnych, a dane reprezentujące mierzone wartości umieszczane są w zdefiniowanym słowniku obiektów. Profil określa również zalecane prędkości transmisyjne 19,2 kbit/s i 500 kbit/s. Stosowanie profili znacznie uprościło projektowanie struktury sieci.
