Profibus总线OSI七层模型详细解析

Hello工控

发布于 2024-07-20 03:22:27

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我们在介绍总线协议的时候，为了清楚的展示协议详细内容，参考OSI网络模型进行解析。

注：OSI模型（Open System Interconnection Model）是一个由国际标准化组织（ISO）在20世纪80年代早期制定的用于计算机或通信系统间互联的标准体系。它将网络通信的工作分为七个层次，每一层都负责不同的功能，从物理连接到应用程序的处理。

OSI模型

PROFIBUS的总线技术模块设计参照了ISO/OSI七层模型。两个节点之间的通信过程分布在从第一层（物理层）到第七层（应用层）的七个层次上。PROFIBUS使用了第一层、第二层和第七层。

第一层（物理层）： 这一层定义了PROFIBUS网络中使用的通信介质的电气和机械特性。它包括不同物理层的规范，如EIA-485、光缆和MBP（曼彻斯特编码总线供电）。
第二层（数据链路层）： 数据链路层负责在物理介质上可靠地传输数据包。它负责错误检测和校正，以及流控制等。
第七层（应用层）： 应用层是设备之间实际应用特定数据交换的地方。它定义了应用层通信中使用的协议和数据结构。

规范中没有定义像网络、传输、会话和表示层这样的中间层。

物理层类别

PROFIBUS物理层 - EIA-485

EIA-485是PROFIBUS网络中最常用的物理层之一。它是一种差分信号标准，具有NRZ（无返回零）编码，允许在长距离上可靠地传输数据。EIA-485支持多点配置，多个设备可以连接到单个总线上。通信速度可以从9.6到12,000 Kbit/s，通过简单的双绞线、屏蔽双线电缆，长度范围从1200米到每段100米。它可以支持每段最多32个节点，网络中最多126个中继器。这使其适合需要与多个设备通信的应用，如工厂自动化系统。

关于RS485的介绍，我们已经详细介绍过：

RS232、RS422与RS485串行通信技术全解析（完结篇）

PROFIBUS物理层 - 光缆

光缆物理层利用光纤电缆在PROFIBUS网络中传输数据。与传统的基于铜的物理层相比，它们提供了几个优势，如对电磁干扰的免疫和更长的通信距离。数据速度可以在9.6到12,000 Kbit/s的范围内，通过多模和单模玻璃/PCF/塑料光纤传输，并采用NRZ（无返回零）编码。

在光缆网络中，设备通常以星形和环形拓扑连接，而线型也是可能的，网络中的最大节点数可达126个节点。这种PROFIBUS网络通常用于噪声和恶劣环境是问题的应用中，如发电厂和石化设施。

不同的光纤的特性如下表所示：

PROFIBUS物理层 - MBP

MBP，或曼彻斯特编码总线（Manchester Coded Bus Powered），是专为PROFIBUS PA网络设计的物理层。它采用总线供电方法，通信信号从总线电压本身衍生。这消除了现场设备需要外部电源的需求，简化了安装并降低了成本。顾名思义，它在简单的双绞线、屏蔽双线电缆上使用31.25 Kbit/s的位同步、曼彻斯特编码。同RS485总线一样，其中的设备数量可以达到32个节点，网络中最多126个节点。

可能的总线拓扑包括线型和树型。MBP物理层非常适合在危险行业中的流程自动化应用，其中电源可用性和安全性是关注点。

综合上述几种物理层，参考下表归纳的特征：

注：术语MBP 作为传输技术它具有下列属性：

“Manchester 编码(M)”
“总线供电(BP)”

此术语代替以前用于本质安全传输的公共术语“符合IEC 61158-2的物理层”、“1158-2” 等。这样改变的理由是，在确定的IEC 61158版本中，IEC 61158-2（物理层）描述了若干种不同的连接技术，也包含MBP技术，因此以前的描述是不明确的。MBP是使用固定传输速率31.25 Kbit/s和Manchester编码的同步传输技术。此传输技术通常用于过程自动化领域，因为它满足化学工业和石化工业的特殊要求，即使用双线技术的本质安全和总线供电。这就是说PROFIBUS也可以用于有爆炸危险的区域，是本质安全品质的。

结论

PROFIBUS是一种多功能且可靠的通信协议，在工业自动化领域发挥着至关重要的作用。包括多种类别，如PROFIBUS FMS、PROFIBUS DP和PROFIBUS PA，满足不同的应用需求。了解PROFIBUS协议、其物理层、映射到OSI层模型以及故障排除技术对于成功实施和维护PROFIBUS网络至关重要。在接下来的文章中，我们将继续来解析Profibus协议的方方面面，敬请大家持续关注我们！

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