基于PROFIBUSDP的现场总线通信系统设计.pdf

哈尔滨理工大学 硕士学位论文 基于PROFIBUS-DP的现场总线通信系统设计 姓名：毕琳娜 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：宋清昆 20090301 哈尔滨理T 人学T 学硕I j 学位论文 基于P R O F I B U S D P 的现场总线通信系统设计 摘要 P r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标 准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等领 域。其中P r o f i b u s D P 是一种高速低成本通信标准，多用于设备级控制系统 与分散式I O 的通信，目前在国内D P 总线技术的应用与开发已经比较广泛， 但基于D P 总线的智能设备发展比较缓慢，而且多局限于一些智能从站仪表 的开发，在主站设计开发方面尚无成功的先例。国内厂家开发设计的D P 智 能设备一般是挂接在西门子等国外厂商的D P 主站下方能工作运行。这些都 使得国内在D P 技术方面的研究与应用始终落后一步，难以将D P 总线技术的 优势最大程度地发挥出来。 本文在研究P r o f i b u s D P 现场总线基本理论和主站工作状态机制的基础 上，对P r o f i b u s D P 通信系统的上位机进行了软件设计，利用现有从站及主 站，搭建了基本的P r o f i b u s D P 通信系统，并且能够进行J 下常的通信。 在开发过程中，主要完成了两部分的工作：一是完成和从站进行基本的 循环通信功能，主要包括对从站的诊断、参数化、配置和再诊断这四个状态 的转换；二是具备主站和总线上其它主站的通信功能，即令牌的交换，包括 令牌的生成、主站如何加入己经存在的总线、何时允许新的主站加入总线， 通过什么方式去掉掉电主站及如何克服干扰恢复令牌间通信。 最后，通过运用S T E P 7 、W I N C C 和S I M A T I CN E T 等组态软件对已有 D P 从站进行软件组态，通过简单的主站和从站的P r o f i b u s D P 现场总线控 制系统，对开发的通信系统进行了实验验证。 关键词现场总线；P R O F I B U S D P ；主站；循环通信 哈尔滨理丁人学T 学硕l ：学位论文 D e s i g no f C o m m u n i c a t i o nS y s t e mB a s e do n P R O F I B U S D P A b s t r a c t P r o f i b u si sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rf i e l d b u sw h i c hi s o p e na n d i n d e p e n d e do ne q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ，t h i sp r o t o c o lc a nb ew i d e l yu s e di n m a n u f a c t u ra u t o m a t i o n ，f l o w i n d u s t r y a u t o m a t i o n ， c o n s t r u c t i o n ， t r a n s p o r t a t i o na n dp o w e rt r a n s m i s s i o nf i e l d P r o f i b u s D Pi sa nc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lw i t hh i 曲s p e e da n dl o wc o s t ，m a i n l yu s e di ne q u i p m e n tl e v e lc o n t r o l s y s t e ma n dd e c e n t r a l i z e dI Oc o m m u n c a t t i o n P r e s e n t l yt h ea p p l i c a t i o na n d e x p l o i t a t i o no fD Pf i e l d b u st e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d ，b u tt h ee x p l o i t a t i o no f i n t e l l e c t i v ee q u i p m e n tb a s e do nD Pi Ss l o w ，a n dm o s to fw h i c hi sl i m i t e di n i n t e l l e c t i v ei n s t r u m e n to fs l a v es t a t i o n t h em a s t e rs t a t i o no fP r o f i b u s D Ph a s n o tb e e ns u c c e s s f u l l yd e s i g n e dd o m e s t i c l y T h es l a v es t a t i o nh a v et oc o n n e c t w i t h f o r e i g n m a s t e rs t a t i o n1 i k eS i e m e n s T h i ss i t u a t i o ni n f l u e n c et h e d e v e l o p m e n to f D Pt e c h n o l o g y ，a n dt h a tm a k et h e a d v a n t a g eo ft h eD P t e c h n o l o g yc a n tb ef u l l yu s e d B a s e do nt h es t u d yo fP r o f i b u s - D Pt h e o r ya n dt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h e s l a v e r ，t h i st h e s i sn o to n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do fS O f i w a r e o ft h e m a s t e rs t a t i o n ，b u ta l s ob u i l d st h et e s t i n gp l a t f o r i l lw i t ht h es i m u l a t i o no fs l a v e s t a t i o na n dm a s t e rs t a t i o n ，w h i c hc a nb ei ng o o dc o m m u n i c a t i o n T h es o f t w a r ed e s i g nc o n s i s t so ft w op a r t s 0 n ei st h ec y c l ec o m m u n i c a t i o n f u n c t i o no ft h em a s t e rs t a t i o nj o i n i n gi nd a t ae x c h a n g i n gw i t hs l a v es t a t i o n ， i n c l u d i n gd e t e c t i o n ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，c o n f i g u r a t i o na n dr e d e t e c t i o no fm a s t e r s t a t i o n T h eo t h e ro n ei Sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fm a s t e rs t a t i o nw i t ho t h e r m a s t e rs t a t i o ni nf i e l d b u s W h i c hi st h et o k e ne x c h a n g i n g ，i n c l u d i n gg e n e r a t i o n o ft o k e nl o o p ，h o wt oj o i nt h em a s t e rs t a t i o nt ot h eb u s ，h o wt od e l e t ef a i l u r e m a s t e rs t a t i o n ，w h e nt oa d dn e wm a s t e rs t a t i o nt ob u sa n dh o wt oo v e r c o m et h e i n t e r f e r e n c et or e s t o r et h et o k e ne x c h a n g i n g 哈尔滨理丁人学T 学硕I j 学位论文 T h i st h e s i sc o n f i g u r a t e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em a s t e ra n ds l a v e r b yu s i n g t h e c o n g f i g u r a t i o ns o f t w a r eo fS T E P 7 ，W l N C Ca n dS I M A T I C N E T T h ee x p e r i m e n to nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s c a r r i e do u tb yt h e f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mo fm a s t e rs t a t i o na n ds l a v es t a t i o n K e y w o r d sF i e l d b u s ，P r o f i b u s D P ，M a s t e rS t a t i o n ，C y c l eC o m m u n i c a t i o n 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于P R O F I B U S D P 的现场总线 通信系统设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 储签终协蛔尸嗍：如7 年3 月胡 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于P R O F I B U S D P 的现场总线通信系统设计系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密囵 储签哆似卅 以。f 导师虢宋蒲覆l V ” 、 日 日 侗 日 。 引 月 月 年 年 盘1、吁矿节 、主 力 期 期 哈尔滨理T 人学T 学硕l ：学化论文 第1 章绪论 信息集成是工厂自动化的需要，来自工厂底层设备( 如传感器、变送器及 执行器等) 的信息量是很大的，它们通常分布在非常广的范围内。采用传统的 一对一接线方法，用电压或电流的模拟信号进行测量、控制等，难以实现设备 之间及系统与外界之间的信息交换。随着数字通信技术和半导体技术的发展， 需要开发一种适用于工业现场控制过程应用的网络结构和网络协议，现场总线 便是在这样的背景下产生的。 1 1 现场总线技术产生的背景 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，随着微处理器与计 算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发 展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流 的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以 及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，要实现整个 企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运 行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化 设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息 交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动 化、制造自动化、楼宇自动化、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网 络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联 系，为彻底打破自动化系统的“信息孤岛”创造了条件。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，它 作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为 网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、 报警、显示、监控、优化、及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能 传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术【1 1 。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方 向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。 现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统( D C S ) 、可编程 控制器( P L C ) 在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设备的制 哈尔滨理l T 人学T 学硕 ：学位论文 造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。传统的模拟仪表将逐步让位于智 能化数字仪表、并具具备数字通信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能 于一体的变送控制器；出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送 器；出现了带控制模块和具有故障信息的执行器，并由此大大改变了现有的设 备维护管理方法1 2 。 1 2 现场总线的发展现状 现场总线控制技术是二十世纪末工业过程自动控制发展的新阶段，是计算 机网络技术、自动化仪表制造技术和过程控制发展的结果。 目前国际上有4 0 多种各具特色的现场总线，没有任何一种现场总线能覆 盖所有应用面，其中有下面几种总线技术应用比较广泛，都具有各自特点，也 显示了较强的生命力【3 4 1 。 1 基金会现场总线F F ( F o u n d a t i o nF i e l d b u s ) ：基金会现场总线以I S O O S I ( 国 际标准化组织开放系统互联) 开放系统互连模型为基础，取其l 、2 、7 层( 物理 层、数据链路层和应用层) 并增加了用户层，作为通信模型。基金会现场总线 分低速H 1 和高速H 2 两种通信速率。 2 L o nW o r k s ( L o c a lO p e r a t i n gN e t w o r k 局部操作网络) 现场总线技术：L o n W o r k s 采用I S O O S I 模型的全部7 层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通 过网络变量把网络通讯设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 1 5 M b p s 不 等，直接通信距离可达2 7 0 0 m 。L o nW o r k s 技术所采用的L o nT a l k 协议被封装在 称之为N e u r o n 0 经元芯片中而得以实现。 3 过程现场总线P R O F I B U S ( P r o c e s sF i e l d b u s ) ：P r o f i b u s 现场总线采用 I S O O S I 模型的物理层、数据链路层和应用层( 1 、2 、7 层) ，传输速率 9 6 K b p s 1 2 M b p s ，最大传输距离1 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m ，最多可挂接 1 2 7 个站点。P r o f i b u s 总线由三个兼容部分组成，即P r o f i b u s F M S 、P r o f i b u s D P 、P r o f i b u s P A 适用于工厂内车间级和现场级的设备间数字化的数据交换和通 信，以实现工厂现场底层到车间级分散式数字控制和现场通信网络化，从而为 实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 4 C A N ( C o n t r o lA r e aN e t w o r k ) 现场总线：C A N 取O S I 的物理层、数据链路 层、应用层的通信模型。通信速率最高可达1 M b p s 4 0 m ，最远可达 1 0 k m 5 k b p s ，可挂接设备数为1 1 0 个。C A N 的信号传输采用短帧结构( 每帧的 有效字节数为8 个) ，受干扰的概率低，当节点严重错误时，具有自动关闭的 2 功能，以切断该节点与总线的联系，具有较强的抗干扰能力。 5 H A R T ( H i g h w a yA d d r e s s a b l eR e m o t eT r a n s d u c e r ) ：高速可寻址远程传感器 数据通路( H A R T ) 协议参照I S O O S I 模型的l 、2 、7 层( 物理、数据链路和应用 层) 。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的过渡性产品。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。 国内F C S 生产厂家( 如：浙大中控、上海新华、北京和利时等) 经过十几年 的努力，使国产F C S 领域的产品得到了发展。由国家支持的工业控制技术国 家重点实验室已于1 9 9 5 年l O 月J 下式对外开放，在现场总线控制系统基础及关 键技术研究方面解决了现场总线信号的超远距离传输技术、低功耗技术、软件 调制解调技术、网络模糊测试评估技术、无冲击带电插拔技术、自适应脉冲输 入技术、网络化系统集成技术、D C S 任意冗余技术，打破了国外产品垄断国内 市场的局面。可以说用户需求拉动了F C S 发展，相关技术的成熟发展提高了 F C S 质量可靠性，而当代网络技术、数据库技术、现场总线技术的发展为开放 系统提供了可能，具备系统性、全面性、实时性和准确性，使企业的效益和效 率要求进一步提高。主要产品有E P A 、和利时公司的F M 8 0 1 、上海新华的 X D P S 4 0 0 D P U 等【5 】，但与国际大公司相比差距还很大，表现在只能处理单一 总线信号，不利于不同总线子系统的集成，而且在可靠性、性价比等方面都有 不少差距，为了缩小与发达国家的技术差距必须加强独立研究和设计现场总线 产品的力度，并能与现有的D C S 和P L C 控制系统进行无缝继承。 1 3P R O F I B U S 现场总线 P r o f i b u s 是P r o c e s sF i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标 准，即E N S 0 1 7 0 欧洲标准。它实际上是指数据链路层上使用统一的通信协议 基于T o k e np a s s i n g 的主从轮询协议，而在其下的物理层和其上的应用层使用 不同的应用规约。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为他们生产的设备提 供P r o f i b u s 接口。P r o f i b u s 已经广泛应用于加工制造过程和楼字自动化，是成 熟技术【引。 它由P r o f i b u s D P ，P r o f i b u s F M S ，P r o f i b u s P A 组成。 P r o f i b u s 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，该系统分 为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权后，不用外 界请求就可以主动发送信息。在P r o f i b u s 协议中，主站也称为主动站【7 1 。从站 哈尔滨理T 人学 学硕l 学位论文 为外围设备，典型的从站包括：输入输出装置、阀门、驱动器等，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，从站也称为被动站。 圈】1P R O F I B U S 系统的基本构成 F i g u r e I I T h e b a s i c $ i T U C l l l r e o f P R O F I B U Ss y s t e m 在典型的远程I O 配置中，单主站配置主要用于满足反应时间的要求。在 低速应用中多主站的配置也是町以的。P r o f i b u s D P 通信采用轮询原理。这意 味着D P 从站需要一个主站请求束交换信息。报文传送按循环方式组织，一个 报文循环包括一个主动站的请求帧，接着足被寻址站的应甜响应帧”l 。 典型的P R o F 旧u s D P 系统 7 脚例俐 ! 拿麓嚣：譬军箬；二p l “4 “ 嘲一j 黼一 1 内芦惠霜F 一； 兰尹：匡翕虱由 幽1 2 典型的P r o f i b u s D P 系统 F i g u r e l - 2 T h e c l a s s i c a lP r o f i b u s - D Ps y s t e m 哈尔滨理T 人学丁学硕l j 学位论文 1 4P R O F I B U S 产生的意义及发展趋势 1 4 1P R O F I B U S 产生的意义 P r o f i b u s 是唯一全集成过程和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、电力等其他自动化领域。采用 P r o f i b u s 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，P r o f i b u s 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【9 】。 1 4 2P R O F I B U S 的特点 现场总线可采用多种途径传输数字信号，如用普通电缆、双绞线、同轴电 缆、光缆等，因而可因地制宜、就地取材，构成控制网络。一般在由两根普通 导线制成的双绞线上，可挂接几十台自控设备，与传统设备间一对一的接线方 式相比，可节省大量线缆、槽架、连接件，同时由于所有的连线都变得简单明 了，系统设计、安装、维护的工作量也随之大大减少。另外，现场总线还支持 总线供电，即两根导线在为多台自控设备传送数字信号的同时，还为这些设备 传送工作电源。可以看出，采用现场总线具有节省硬件投资、安装费用和维护 开销的好处I l 们。 现场总线作为通信网络，不同于F 1 常用于声音、图像、文字传输的网络， 它所传输的是通断电源、开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过 程之中的设备、人身的安全，要求信号在有粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣 的环境下仍能够准确、及时地发送和接收，同时还具有节点分散、报文简短等 特征。以现场总线为基础构造的现场总线控制系统，在系统结构上发生了较大 变化，其显著特征是通过网络信号的传送进行联络，可由单个网络节点或多个 网络节点共同完成所要求的自动控制功能。 P r o f i b u s 作为业界最成功、应用最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，具体表现如下几点： 1 最大传输信息长度为2 5 5 B ，最大数据长度为2 4 4 B ，典型长度为 1 2 0 B 。 2 网络拓扑为线性、树形、或总线型，两端带有有源的总线终端电阻。 哈尔滨理丁人学T 学硕f ：学位论文 3 传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9 6 K b p s 到1 2 M b p s 不等。 4 站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，每段为3 2 个站点( 无转发 器) ，最多1 2 7 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，传输距离最长可达9 6 k m ，用光缆时最大传输长度为 9 0 k m 。 7 7 传输技术为D P 和F M S 的R S 4 8 5 传输、P A 的I E C l 15 8 2 传输和光缆传 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。 1 4 3P R O F I B U S 的发展前景 P r o f i b u s 严格的定义和完善的功能使其成为开放式系统的典范，并有众多 世界范围内有影响力的大公司的支持，使得它成为I S A S P 5 0 的一个重要组成部 分。其灵活的协议芯片的实现，较其他几种现场总线而言是一个很大的优势， 并使它价格低廉、易于推广。这些特点使它在短短几年内，在化工、冶金、机 械加工以及其他自动控制领域得到了迅速普及和应用。 目前的普遍观点是，将来肯定会出现多种现场总线并存的情况。这是由各 种现场总线技术的特点、适用场合及大公司、集团的既得利益决定的。单一的 现场总线技术不可能一统天下，至少在相当长的一段时间内是如此。各种现场 总线技术相互融合、合理搭配是现场总线下一步的一种发展趋势。相信在未来 几年内，P r o f i b u s 必将在中国得到迅速发展，最终在中国的工业自动化乃至楼 宇自动化领域中占有一席之地【1 1 1 。 现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，其发展 趋势将对自动化领域的发展产生重大影响，具体表现在以下几个方面： 1 协调共存性：既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大 家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，又由于行 业、地域、经济利益等多种原因，目前在不同领域形成多个颇具影响力的总线 标准，造成在众多领域总线标准各异。现在，各个主要的现场总线制造商，除 力推自己的总线产品外，也都力图开发总线兼容接口技术，将自己的总线产品 与其他总线连接。因此，目前在国际标准中出现了多种现场总线标准协调共存 6 哈尔滨理T 人学T 学硕l ：学位论文 的局面，人们J 下期待着统一的国际标准的形成【1 2 1 。 2 网络结构简单化：早期的计算机网络模型由7 层组成，现在罗克韦尔自 动化公司提出了3 层结构的自动化系统，F i s h e r - R o s e r m o u n t 公司提出2 层结构 的自动化系统，还有公司甚至提出l 层结构，即由以太网“e 网到底”。目前比 较达成共识的是3 层设备、两层网络的“3 + 2 ”结构，3 层设备中位于底层的 是现场设备，如P L C 、q - 业控制计算机、专用控制器等“3 7 ；位于上层的是操作 设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。2 层网络是现场设 备与控制设备之问的控制网络，以及控制设备与操作设备之间的管理网络。 3 总线的开放性：现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络， 对用户来说是透明的。在传统的集散控制系统中，不同厂家的设备是不能相互 访问的。而现场总线系统采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接 入同一网络，在同一控制系统中进行相互操作，而互换性意味着不同生产厂家 的性能类似的设备可实现相互替换，因此简化了系统集成【l 4 】。 4 工业以太网将成为新的热点：就成本、建造、使用、维护等方面而言以 太网或多或少都优于目前市场上的其他几种网络。但从目前的趋势来看，已有 的现场总线仍将继续存在。此外，并非每种现场总线都可以被工业以太网所替 代，如A S I ，C A N ，这两种现场总线在应用于2 位I O 传感器执行器系统中 时，无疑是最佳的。 综上所述，已有的现场总线有它自己的市场定位，在未来相当长的时间里 也必将占有很大的市场份额，或者与工业以太网相结合发挥其更强大的网络通 信功能。当然，所说现场总线不可能全部为工业以太网所替代，但后者发展的 巨大潜力绝不容忽视，其应用领域也必将不断地得到扩展【1 5 1 。 1 5 本课题来源、研究目的、意义及主要研究内容 1 5 1 本课题来源 在D C S 系统中，P r o f i b u s 应用于现场数据采集模块及控制模块与主控单元 的连接、数据采集上。物理层采用E I A R S 4 8 5 总线，数据链路层采用P r o f i b u s D P 协议。由于P r o f i b u s 协议比较复杂，集成了P r o f i b u s D P 协议的专用通讯控 制芯片成本较高，使得国产D C S 系统与国外同类产品相比整体价格优势变 小，这是因为P r o f i b u s 是由S I E M E N S 开发的，这使得拥有核心技术的 S I E M E N S 在D C S 方面的产品拥有得天独厚的优势。另外，就目前现状，对于 7 哈尔滨理丁人学T 学硕f ：学位论文 主站的开发有两种方式： 1 采用A S P C 2 协议芯片：西门子公司对主站开发，提供了A S P C 2 协议芯 片。但是，A S P C 2 有别于从站协议芯片S P C 3 。因为，S P C 3 中集成了数据链 路层、从站部分通信状态机制和从站的控制时序。同时，从西门子可购买从站 开发包，从开发包中可筛选出从站通信程序，给开发带来了很大的方便。 A S P C 2 除了加上4 8 5 芯片实现物理层之外，并不含有数据链路层、主站控制 时序、主站的通信状态机制。同时，西门子并没有推出主站开发包，封锁了主 站的技术。那么，采用A S P C 2 开发的话无疑存在很大的难度。 2 采用高速单片机芯片：除了A S P C 2 的方案之外，可以采用高速的单片 机芯片，比如A t m e g a 或者A R M 。采用单片机芯片自然避开了西门子的技术支 持，却增加了另外的难度。 首先，单片机芯片不含有主站的工作机制，需要开发人员将主站整个工作 机制写入芯片。满足物理层，数据链路层、应用层和控制时序。采用这种方 案，将要求开发人员仔细研读P r o f i b u s 通信协议，非常熟悉主站的工作机制和 控制时序。同时，需要写相当大量的程序。 由于上述原因，考虑到目前P r o f i b u s 的发展现状、前景及成本方面，本课 题自拟，开发采用上位机模拟主站的通讯系统，并没有采用专用的通讯控制 器，因而所有的P r o f i b u s 协议均由软件实现，也即需要解释链路层的D P 协 议，这样虽然增加了开发难度，但却节约了成本。 1 5 2 本课题研究目的和意义 随着计算机、信息技术的飞速发展，逐渐形成了计算机集成制造系统，它 采用系统集成、信息集成的观点来组织工业生产。把市场、生产计划、制造过 程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动 化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策 等。由于它把整个生产过程看作是信息的采集、传送、及加工处理的过程，因 而信息技术成为工业生产制造过程的重要因素。但处于企业生产过程底层的测 控自动化系统，要与外界交换信息。要实现整个生产过程的信息集成，要实施 综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价 低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂 底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线可以从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化 哈尔滨理T 人学T 学硕I ：学位论文 及C I M S 系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4 2 0 m A 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控 制，还可完成远程参数化工作。而且不同厂家产品只要使用同一总线标准，就 具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许 其他厂商将自己专长的控制技术集成到通用系统中。同时现场总线的自动化监 控系统采用总线连接方式替代一对一的I O 连线，对于大规模I O 系统来说减 少了由接线点造成的不可靠因素，对大范围、大规模I O 口的分布式系统来 说，省去了大量的电缆、I O 模块及电缆敷设费用，降低了系统及工程成本。 同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设 备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 1 5 3 本文主要研究内容 本论文主要研究工作分两部分进行： 1 主站需要具备和从站循环通信的功能，循环通信功能是和从站进行数据 交换的基本功能。再和从站进入数据交换状态之前，主站需要让从站经过诊 断、参数化、配置和再诊断四个状态转换；另外，主站需要向所属从站实现全 局控制的功能。这四个状态和全局控制之间的转换也就构成了主站的循环通信 机制。 2 主站还要具备和总线上其它主站通信的功能，也就是令牌的交换。令牌 环的生成、主站如何加入己经存在的总线，何时允许新的主站加入总线，采用 什么方式去掉掉电主站及如何克服干扰，恢复令牌间通信，这些就构成了主站 的令牌机制。 9 哈尔滨理T 大学T 学硕1 j 学位论文 第2 章P R O F I B U S 通信协议及通信模型构建 2 1P R O F I B U S 协议结构和类型 现场总线P r o f i b u s 满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求，一方 面它覆盖了传感器执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所 有网络通信功能。特别是在“分散I O ”领域，由于有大量的、种类齐全可连 接的现场设备可供选用，因此P r o f i b u s 已成为事实上的国际公认的标准。它的 特点可是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。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权后，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。他们没有总线控制权，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P r o f i b u s 分为P r o f i b u s D P 、P r o f i b u s F M S 和P r o f i b u s P A 三个兼容版本【1 6 1 。 P r o f i b u s D P 是一种经过优化的高速通信连接，是专为自动控制系统和设 备级分散I O 之间通信设计的，可用于分布式控制系统的高速数据传输，其传 输速率最高可达1 2 M b p s ，一般构成单主站系统，主站与从站间采用循环传输 方式工作。P r o f i b u s D P 使用O S I 参考模型的第一层、第二层和用户接口层， 第三层到第七层未加以描述，这种结构确保了数据传输的快速和有效，直接数 据链路映像提供易于进入第二层的用户接口。用户接口规定了用户及不同设备 可以调用的应用功能，并详细说明了各种P r o f i b u s D P 设备的设备行为，还提 供了传输用的R S 4 8 5 传输技术或光鲥1 7 。 P r o f i b u s F M S 主要用来解决车问级通用性通信任务，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。P r o f i b u s F M S 定义了O S I 参考模型的第一层、第二层和篼七层，应用层包 括现场总线信息规范( F M S ，F i e l d b u sM e s s a g eS p e c i f i c a t i o n ) 矛H 底层接口( L L I ， L o w e rL a y e rI n t e r f a c e ) 。F M S 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；L L I 协调了不同的通信关系，并向F M S 提供不依赖于设 备访问第二层的功能。第二层现场那个总线数据链路( F D L ) n - I 完成总线访问控 1 0 哈尔滨理T 大学T 学硕I j 学位论文 制和数据的可靠传输，它还为P r o f i b u s F M S 提供了R S 4 8 5 传输技术或光缆传 输两种方式。 P r o f i b u s P A 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及总线供电的站点。P r o f i b u s P A 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 2 0 m A 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4 0 以上，并大大提高了系统功能和安全可靠性，一般与 P r o f i b u s F M S 和P r o f i b u s D P 混合使用。P r o f i b u s P A 数据传输采用扩展的 P r o f i b u s 。D P 协议，还使用了描述现场设备行为的行规。根据I E C l l 5 8 2 标准， 这种传输技术可确保其本质安全性并使现场设备通过总线供电。使用段耦合 器，P r o f i b u s P A 设备能很方便地集成到P r o f i b u s D P 网络【l 引。 P r o f i b u s D P 和P r o f i b u s F M S 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。 表2 。lP R o F I B U S 协议规范层次结构 T a b l e2 - 1T h es 仃u c t I l r eo f P R O F I B U Sp r o t o c o ls t a n d a r d P r o f i b u s D PP r o f i b u s F M SP r o f i b u s P A D P 设备的P N O 行规 P A 设备的 F M S 设备的P N O 行规 基本功能P N O 行规 基本功能 扩展功能 扩展功能 D P 用户接口 应用层接口 D P 用户接口 直接数据链路变换程 直接数据链接变换 序( D D L M ) ( A L I ) 程序 J L 应川层现场总线说明第7 层 J L ( 应用层)( F M S ) 第3 层 不提供 至低6 层1 r 1r 第2 层数据链路层现场总线数据链路层现场总线 I E C 接口 ( 链路层) 数据链( F D L ) 数据迮( F D L ) 第1 层物理层物理层 I E C l l 5 8 - 2 f 物理层) ( R S - 4 8 5 L W L )( R S - 4 8 5 L W L ) 哈尔滨理T 大学- T 学硕l j 学位论文 2 2P R O F I B U S D P 协议规范 2 2 1 概述 P r o f i b u s D P 不仅描述通信功能，而且还描述固定的应用。按照I S O 通信 模型，这种功能位于用户接口中。这种D P 应用取决于设备类型( 一类D P 主 站、二类D P 主站与D P 从站) 。出于效率的理由，D P 协议没有应用层( 第7 层) P r o f i b u s D P 仅使用在P r o f i b u s 中定义的F D L 与F M A I 2 的数据传输服 务。为提供一个更舒适的第2 层存取，用户需要一个有预先定义D P 通信功能 的直接数据链路映象程序( D i r e c tD a t a L i n kM a p p e r ，D D L M ) t 1 9 J 。 2 2 2 协议结构 P r o f i b u s D P 的协议以I S O O S I 参考模型为基础，并对其进行了简化，如 表2 2 所示。P r o f i b u s D P 使用了第1 层，第2 层和用户层，第3 层到第7 层未 使用( 这些层必要的功能在第2 层或用户层中实现) ，这种精简的结构确保高速 数据传输及较小的系统开销。 表2 2P r o f i b u s ，D P 的协议结构 T a b l e2 - 2T h es t r u c t u r eo f P r o f i b u s - D Pp r o t o c o l D P 设备行规 用户层 D P 基本功能和扩展功能 D P 用户接口( 直接数据链路映射程序D D L M ) 第3 7 层空 第2 层 现场总线数据链路层( F D L ) ( 数据链路层) F M A l 2 第1 层( 物理层) 物理层( P H Y ) 2 3P R O F I B U S D P 数据通信协议 2 3 1P R O F I B U S D P 设备类型 P r o f i b u s 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，该系统分 1 2 哈尔滨理T 大学f T 学硕I ：学位论文 为主站和从站。 主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权( 令牌) 后时，不用外界 请求就可以主动发送信息。在P r o f i b U S 协议中，主站也称为主动站。 从站为外围设备，典型的从站包括：输入输出装置、阀门、驱动器和测 量变速器，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，从站也称为被动站。 在典型的远程I O 配置中，单主站配置主要用于满足反应时问的要求。在 低速应用中多主站的配置也是可以的。P r o f i b u s D P 通信采用轮询原理( 主从方 法) 。也就是说，只有当主站请求时总线上的D P 从站才可能活动。D P 从站被 D P 主站按轮询表依次访问。这意味着D P 从站需要一个主站请求来交换信 息。报文传送按循环方式组织。一个报文循环包括一个主动站的请求帧，接着 是被寻址站的应答珥