（控制理论与控制工程专业论文）现场总线profibuspa从站技术研究及远程io开发.pdf

摘要 现场总线p r o f i b u s p a 从站技术研究及远程i o 开发 摘要 高智能的现场总线控制系统，给工业自动化技术带来了翻天覆地的变 化。现场总线p r o f i b u s p a 作为p r o f i b u s 的一员，在过程控制领域有 着无可比拟的优越性。提高国内p r o f i b u s p a 产品研发水平，促进 p i 的f i b u s p a 技术在工业自动化现场的应用是本课题的最终目的。 通过分析p r o f i b u s p a 远程i o 的广阔应用前景，及研究 p r o f i b u s p a 通信协议。在本文中阐述了研发p r o f i b u s p a 从站远程 i o 的关键技术，包括p a 必须具备的d p - v 1 技术，及p a 远程i o 设备 行规；根据p a 远程i o 的特点，设计该从站的硬件电路，选择 a t 91s 蝴7 s e 3 2a r m 7 芯片+ p r o f i b u s 协议芯片d p c 31 + f i r m w a r e 的 方式进行研发，实现了8 路数字量输入输出，8 路模拟量输入的从站设计， 详细介绍了软件f i r m w a r e 的设计方法及实现流程；对p a 设备行规技术进 行探讨，提出针对远程i o 的行规中块模型的选择方法，并做出相关的范 例，实现了d p - v 1 非循环参数访问与远程i o 行规之间的结合。 课题的主要创新点有：( 1 ) 在远程i o 的硬件电路设计上，采用双电 源供电的方式，解决了该类产品大耗电问题；( 2 ) 在软件上，对中断的响 应采用查询式的方法，实现了程序的高度模块化；( 3 ) 对p a 远程i o 行 规的研究与实现工作，在国内善属先进水平。 关键词：现场总线，p r o f i b u s p a ，d p c 3 1 ，远程i o a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp r o f i b u s p ar e m o t ei o a n dt h er e s e a r c ho fs t a t e m a c h i n e a b s t r a c t h i g h i n t e l l i g e n tf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m sh a v eb r i n gah u g ec h a n g et o i n d u s t r ya u t o m a t i o nt e c h n o l o g y f i e l d b u sp r o f i b u s - p aa s am e m b e ro f p r o f i b u sh a si n c o m p a r a b l es u p e r i o r i t yi nt h ef i e l do fp r o c e s sc o n t r 0 1 e n h a n c ed o m e s t i cp r o f i b u s - p a p r o d u c t sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tl e v e l ， a n dp r o m o t ep r o f i b u s p at e c h n o l o g yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o na p p l i c a t i o n sa r et h i ss u b j e c t su l t i m a t eg o a l t h r o u g ha n a l y z et h ew i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fp r o f i b u s p a r e m o t ei o ，a n dr e s e a r c hr e s e a r c hp r o f i b u s p ac o m m u n c a t i o np r o t o c 0 1 r e s e a c hp r o f i b u s p as l a v er e m o t ei o sk e yt e c h n o l o g yi se x p a t i a t e di n t h i s p a p e r ，i n c l u d e d p - v 1 t e c h n o l o g y t h a tp am u s t p o s s e s s e d ，a n d p r o f i b u s - p ar e m o t ei od e v i c ep r o f i l e d e s i g nt h i ss l a v eh a r d w a r ec i r c u i t a c c o r d i n gt op a r e m o t ei o sc h a r a c t e r i s t i c s s e l e c ta t 91s a m 7 s e 3 2a r m 7 c h i p + p r o f i b u sa s i c + f i r m w a r e a s d e v e l o p m e n tm e t h o d ，w h i c h i n t e g r a t i n g8 - p o i n td i g i t a li n p u t o u t p u ta n d8 - b i ta n a l o gi n p u t o nt h eb a s i co f h a r d w a r ep l a t f o r m ，i n t e m a lp r o g r a mw h i c hi s i m p l e m e n t e da c c o r d i n gt o v o v1s t a t em a c h i n ei sa d d e di n t ot h er e m o t ei o a f t e rd i s c u s st h ep a i i i 北京化工大学硕士学位论文 d e v i c ep r o f i l et e c h n o l o g y , as e l e c t i o nm e t h o do fp r o f i l eb l o c km o d e lt h a t a g a i n s tt h er e m o t ei oh a v eb e e np u tf o r w a r d ，a n dm a k ear e l e v a n te x a m p l e t or e a l i z et h ec o m b i n a t i o nb e w e e nt h ed p v1 a c y c l i cp a r a m e t e r sa c c e s sa n d t h er e m o t ei op r o f i l e t h e r ew e r et h r e ep o i n t so fi n n o v a t i o n ：( 1 ) u s et h ed o u b l e - p o w e rm e t h o d i no u rh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，s o l v et h ep r o b l e mo fr e m o t eb ow i l lc o n s u m e al o to fc u r r e n t ；( 2 ) i ns o f t w a r ed e s i g n ，b yu s i n gt h ep o l lm e t h o dc a nm a k e t h ep r o g r a mh i 曲m o d u l a r i t y ；( 3 ) t h ew o r ka b o u tp r o f i l e sr e s e a r c ha n d d e s i g n i ss t i l laa d v a n c e dt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：f i e l db u s ，p r o f i b u s - p a ，d p c 31 ，r e m o t ei o i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 讷js 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：查塑塑 导师签名：绚盟l 日期：竺竺! ：翌： 吼牛丛二 第一章绪论 1 1 现场总线概述 第一章绪论 现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术紧密结合的产物，它解决 了数字信号兼容性问题，所以它一经出现便展现了强大的生命力和发展潜能。国际电 工委员会在i e c 6 1 1 5 8 中给现场总线下了定义：安装在制造或过程区域的现场装置与 控制室内的自动控制装置之间的数字式的、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。 在该定义中，首先说出了它的主要使用场合，即制造业自动化、批量流程控制、过程 控制等领域，当然楼宇自动化等领域也是它得心应手的应用场合；其次说出了系统中 的主要角色是现场的自动装置和控制室内的自动控制装置，这里的现场设备或装置肯 定是智能化的；第三点说明它是一种数据总线技术，即一种通信协议。 有了现场总线技术以后，现在把基于现场总线的全数字式的控制系统称为现场总 线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 是工业自动控制中的一种计算机局 域网络，它以具有高度智能化的现场仪表和设备为基础，在现场实现彻底的分散，并 以这些现场分散的测量点、控制设备点作为网络节点，将这些点以总线的形式连接起 来，形成一个现场总线网络。一般来说f c s 由控制部分( 主站) 、测量部分( 从站) 、 软件( 组态、管理等) 以及网络的连接及集成设备组成。现场总线的结构特点主要有： 基础性、灵活性、分散性；技术特点有：开放性、交互性、自治性【旧。 1 2 现场总线p r o f i b u s 技术概貌 作为一个开放、全分布式控制的通信网络，p r o f i b u s 支持主从方式、纯主方式、 多主多从三种通信方式，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。总线作为 智能设备的联系纽带，可以把挂接在总线上的各个站作为网络节点连接成一个网络系 统，并进一步构成自动化系统。在这些网络节点中，主站对总线具有控制权，主站间 通过传递令牌来传递对总线的控制权，令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的 时间内得到总线存取权。主站与从站之间采用主从方式，只能被动接收报文的从站接 收由当前处于总线控制状态的主站发送的信息。按照p r o f i b u s 总线通信标准，总线 上可挂接站点最大数值为1 2 7 个【3 】。 1 2 1p r o f i b u s 的分类 根据e n 5 0 1 7 0 标准，p r o f i b u s 有几种改进型，分别用于不同的领域【4 1 。 t g 化1 学颇 学位睦立 ( 1 1p r o f i b u s d p 是一种高速低成本通信网络，j j 于鼓各级控制系统与分散式i o 的通信。使用p r o f i b u s d pi , i 取代2 4 v d c 或4 一一2 0 m a 信号传输，并具有响应时问 娅和抗干扰性高的特点。p r o f i b u s d p 是在欧洲乃罕争球应用最为广泛的现场总线 系统。p r o f i b u s d p 是一个丰站，从站f m a s t e “s i a v e ) 总线系统，t 站功能由控制系统 巾的主控制器束完成。丰站在完成自动化功能的司时，通过循环的和非循环的报文对 现场仪表进行全面的访问。其实时性远高于其它局域网，因而特别适用于工业现场。 在d p 通信内部，又可分为循环通信v 0 、非循环通信v 1 阻及运动控制相关v 2 通信 扩展三个部分。相较于主要应用范围在运动精密控制的v 2 通信，当前市场pv 0 v l 相关产品的市场要广泛的多。 ( 2 ) p r o f m u s 一队专为过程自动化设计，通过段耦台器或链接器接入d p 网络。 p r o f i b u s 队是p r o f i b u s d p 在保持其通信协议的基础上，增加了优化的传输技 术。也就是说，p r o f i b u s - p a 是p r o f m u s - d p 的一种演变，它使p r o f i b u s 也可 用于本安领域，同时保证d p 总线系统的通用性。 图1 - 1 典型的p r o f i b u s 网络结构 f i 1 - 1 t h e t y # e “g m 】c o f p r o f i b u ss y s t e m 如图1 - 1 为典型的p r o f i b u s 网络，其中段耦合器( c o u p l 劬的作用是将数据格式 从异步0 1 位，字符) 转为( 8 位，字符) ，为此将传输速率从4 5 a 5k b i v s 转换为3 1 2 5 k b i v s 。段耦合器在设计、组态时可认为是透明的。同时段耦台器又可作为现场仪表 的电源，通过势垒f 用于防爆) 限制馈电电压。 近年来，在市场需求的驱动下，现场总线p r o f i b u s 技术的应用得到了迅速的推 广。p r o f i b u s 总线在全球有1 3 0 多万个应用实例，安装节点超过了1 3 0 0 万个，这 充分表明了p r o f i b u s 技术的成熟性、实用性和可靠性。p r o f i b u s p a 是过程自动 化中的尖端技术，同传统4 - 2 0 m a 技术相比，p r o f i b u s 一队在车问进行的计划编制、 安装、调试和操作阶段中，具有巨大的优势。p r o f i b u s p a 是专为过程控制应用而 设计，过程控制的主要特点是以模拟量控制为主，各种控制参数、报警参数较多，系 第一章绪论 统对安全性要求较高。另外，p r o f i b u s p a 中使用总线供电方式，引入了现场总线 本质安全概念( f i s c o ) ，使其可以方便地应用于存在爆炸危险场合。p a 总线规定了 其现场总线设备供电电压为9 v ( m i n ) ，现场设备电流消耗为1 0 m a ( m i n ) ，通过对 基本电流( 1 0 m a ) 在9 m a 范围内进行适当调制得信号进行数据传输，其协议结构 完全对外开放的，自从p a 出现后，它的设备安装总数每年正在以成倍的速度增长。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。由 于已经和当今市场需求逐渐脱离，这种通信协议基本上已经处于无人问津的状态。 p r o f i b u s 的协议结构以i s o o s i 为参考模型如图1 2 所示，所以它的协议结构 符合开放性和标准化的要求。 寸 用户层( 8 ) l 工丁 r - i 一 f m s 行规 d 珩规p a 行规 现场总线信息规范d p d p 扩j 受d p v l , d p v 2 ( f m s ) 十i n n 、， ju rv u j ljl 系 ljlj l统 管 1 r 1r1 r理 11r1 r m b p 棒口 i 毽4 8 5 ，光纤m b p ( i e c 6 1l s g - 2 ) 图1 - 2p r o f i b u s 的协议结构 f i g 1 - 2t h ep r o t o c o ls t r u c t u r eo fp r o f i b u s 从图中可以看出，p r o f i b u s 规定了完整的o s i 通信栈由顶至底的功能，但o s i 的3 - 6 层并没有出现在p r o f i b u s 的通信栈中，这些中间层里的必需功能经过简化后， 浓缩进了p r o f i b u s 的数据链路层和应用层中。所以p r o f i b u s 只使用了i s o o s i 的第一层、第二层和第七层，另外再加上一个用户层( p r o f i l e ，即行规) 这样做大大 简化了协议结构，提高了数据传输效率，符合工业自动化实时性高、数据量小等特点 要求。 f m s 、d p 和p a 的数据链路层是完全相同的，即它们的数据通信基本协议相同， 所以它们可以存在于同一网络中；d p 和f m s 的物理层均使用r s 4 8 5 ，所以它们可以 使用同一根电缆进行各自的通信；虽然p a 的物理层使用m b p ( m a n c h e s t e rc o d eb u s p o w e r e d ) 技术，但由于p a 也使用d p v 0 的基本报文协议，所以d p 和p a 也可以互 相通信；因为f m s 的第七层规范只适合于f m s 装置，所以f m s 不能和d p 、p a 交 换数据【5 - 2 0 。 1 2 2p r o f i b u s 设备描述工具 3 北京化工大学硕上学位论文 现代化的现场总线设备和传统电气设备的最大区别就是其智能化的程度高。为了 完成高性能和高可靠性的通信要求，这些设备必须向控制器提供所必须的各种参数， 从另一方面讲，这些参数也为现代化的设备管理提供了必要的基础和依据。现在主要 用的描述工具有g s d ( g e n e r i c s t a t i o nd e s c r i p t i o n ) 、e d d ( e l e c t r o n i ed e v i c ed e s c r i p t i o n ) 、 f d t d t m ( f i e l dd e v i c e st o o l d e v i c e st y p em a n a g e r ) 。其特点与应用场合如1 3 所示。 ，* * “ h h “。” ；d i s c r e t em a n u f a c t u r i n g ；( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) ； 0 ； o r i v e 搴 翱蝴n 翻8 彦蝤夥 一7 一“气 e 醐跳姻，p t r r a m e l e d z a b e m 戤s t a a 印 懿诒r e f u t e 哟巍戳然缴纳掰鼢姆 角篱耐c 艄国龆，日m 褥磊淼1 易s b ；羔：7 ，”，4 酗嘈哪时审酷 。；， m 确戥嚣嘲镩鳓l 图1 - 3 设备管理工具的特点和应用场合 f i g l - 3 c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o na r e ao f d e v i c em a n a g e n tt o o l 1 2 2 1g s d 文件 p r o f i b u s 中的一类主站和所有从站进行系统组态时，必须知道它们的设备特征 和性能，如制造商的名字、该设备支持的波特率、i o 模块情况以及其它必须和可选 的特征数据，而这些数据都写在一个a s ci i 格式的文件中，这个文件就是g s d 文件。 g s d 文件可适用于紧凑性设备，这种设备的配置完全由制造商完成并在交付使用时告 知用户。它也可以适用于模块化的设备，这类设备的配置在交付使用时并未被完全的 固化，而是需要用户使用配置工具根据实际的应用进行组态。 g s d 文件由r e v i s i o n1 发展至今已到r e v i s i o n5 ，版本越高，支持的参数类型也 就越多，此设备也就越显智能化。对于p r o f i b u s p a 而言，其g s d 文件版本至少在 r e v i s i o n3 以上【2 。 1 2 2 2e d d 文件 e d d 文件与g s d 文件相似，是一种电子设备数据单，但e d d 文件使用一种功能 更强大更通用的语言来进行描述，即电子设备描述语言( e d d l ) 。一个e d d 文件描 述了与现场设备应用相关的参数和功能，例如：配置参数，值的范围，测量单位，默 4 第一章绪论 认值等。e d d 文件包含了工程、试车、运行、资产管理等丰富多彩的内容，更重要的 是它融合了现有的设备行规机制，在p r o f i b u s p a 设备行规中的各参数，与e d d l 描述语言中的语法格式是相对应的，乃至其参数名称都存在对应关系。 1 2 2 3f d i d i m 。 g s d 和e d d 在复杂的使用场合和高要求的情况下就显示了它们的局限性。比如 以下场合： ( 1 ) 厂级的操作员要使用具有诊断能力的智能现场设备的复杂、非标准化的特性参 数； ( 2 ) 在“资产最优化”场合，要求支持预防性维护和维护程序的功能。 ( 3 ) 设备的操作需要用软件方式来“封装”( 安全技术、校准等) 。 这些复杂的任务领域，需要一种更强大的设备管理“工具 ，它允许设备制造商 以标准化形式向用户提供它们的现场设备的扩展和非常特殊的特性，并且允许自动化 系统制造商通过标准化的接口( 工具软件) 将这些现场设备的特性集成到控制系统中。 所以f d t d t m 和g s d 、e d d 不同，它们是基于软件的一种设备集成方法【2 2 1 。 1 3 课题来源及主要任务 本课题来自中国现场总线p r o f i b u s 技术资格中心( c p c c ) 与北京鼎实创新科技 有限公司。该公司多年来从事于现场总线产品的研究与生产工作，d p 产品的开发已 经有了相当可观的经验及成果。而p r o f i b u s p a 作为p r o f i b u s 的一员已经有了广 泛的应用，并且在现场中经常存在这样的情况：在已有的p a 网段需要新添进传统的 控制仪表，再引进其它的总线网络是不现实或是不经济的，此时p r o f i b u s p a 的远 程i o 产品就成为首选。开发p r o f i b u s - p a 远程i o 产品能够解决工业中许多的现 实问题，具有较大的市场潜力。 就国内现今p r o f i b u s 的研发情况而言，d p 产品已经相对比较成熟，并且已经 有不少国内企业可以自行生产。而对于p r o f i b u s - p a 产品，国内研发技术尚不成熟， 相对d p ，p a 有更多的规范要求：首先，对于p a 产品必须带有v 1 的非循环功能； 其次，任何的p a 产品都不仅要遵循协议而且必须依照相应的行规要求。特别是对于 p a 远程i o 产品，属于一种特殊的p a 产品，它的行规即需要遵循通用的p a 设备行 规要求还要遵循专门的r i o 行规( r e m o t ei op r o f i l e ) 要求。从而给此课程带来了较 大的开发难度。 课题的主要任务是研发p r o f i b u s p a 远程i o 智能从站。包括： 一、从站的硬件电路设计，p c b 板制作；充分了解v 0 通信状态机制，并实现其功能； 二、充分了解v 1 状态机制，并研究p r o f i b u s p a 远程i o 相应行规，两者相结合 5 北京化工大学硕士学位论文 完成v 1 功能； 三、设计通信测试方案，分析最终测试结果。 1 3 1 硬件物理层实现 按照课题选用的实现方案的要求，在从站接口开发过程中选用了a r m 7 系列单片 机与d p c 3 1 智能芯片，并采用西门子公司最近推出的s i m l 2 调制解调芯片，以实现 其物理层。 p r o f i b u s p a 传输采用的电缆是屏蔽双绞铜线，当信号在电缆上传输时，任何 附加的电阻、电容，以及线路终端等都会引起信号反射，反射会在线路上引起许多信 号的叠加，产生严重的信号干扰，特别是在高速率传输时，这种情况更甚。为了减少 或消除反射，通常在总线电路的终端加上终端电阻，如图1 - 4 所示为p a 的终端电阻。 与d p 的终端电阻不同，p a 的终端电阻不需要外部供电。p a 的终端电阻接在p a 网段 电缆的端头处，大部分耦合器或连接盒中都集成有该电阻网络。如图l - 4 所示为 p r o f i b u s p a 网络段的一个典型例子，从该例中，可以看出p a 网段中树形结构、分 支线路和终端电阻的具体使用。 p a 从站llp a 从站llp a 从站iip a 从站 配线盒 i 兰穗鬲页翮内厅瓦丽 一p a 扯j 弹a 巫 可选择的，一，i 终端电阻 i 安装位置 l从站iip a 从站 图1 - 4p r o f i b u s - p a 终端电阻典型连接 f i 9 1 - 4t h et y p i c a lt e r m i n a lr e s i s t a n c ec o n n c t i o no f p r o f i b u s - p a p r o f i b u s p a 所执行的i e c 6 1 1 5 8 2 标准的传输技术是一种位同步协议，它的传 输技术原理是：每段只有一个电源和供电装置，每站现场设备所消耗的为常量稳态基 本电流，现场设备的作用如同无源的电流吸收装置。在p r o f i b u s p a 系统中，总线 电压范围为9 - - 一3 2 v ，电流范围为4 - - - 4 0 m a ，调制信号的传输速率固定为3 1 2 5 k b i t s 。 p a 总线通信信号采用i e c 6 1 1 5 8 - 2 标准的曼彻斯特双向l 码，它通过对基本电流 ( 1 0 m a ) 在9 m a 范围内进行适当的调制而获得的，是一种双极性双相码，其编码 方式如图1 5 所示 2 3 之9 】。 6 t一1 一 揿 r 一 辜篓独曼 胃一 、t 一 蠹i 第一章绪论 n r z n 时钟r z 轸洲 图l - 5 曼彻斯特双相l 码 f i g l - 5m a n c h e s t e rc o d e 考虑在双相码的编码中，对于数据0 或1 可用函数表示： 、卜a 1 2 ：0 f 7 ，2r + 4 ，2 0 t t i2 坂炉气删2 t 1 2 t 7 k l 铲仁a 。2 7 u ，2 l lj l i 于l - 、 l 【o ( t ) = 一k t ( t ) 曼彻斯特编码作为常用的基带信号编码，它具有独特的时钟信息，使网络上每一 个系统保持同步。曼彻斯特双向l 码所具有的误码率低、抗干扰能力强、帧同步信息 精确等特征被很好地应用在p r o f i b u s p a 总线中，提高了总线的可靠性。 1 3 2 实现p r o f i b u s 的d p - v 0 d p - v 1 通信功能 为了保证所开发从站接口与总线上其它站的兼容性与互操作性，需要以内部软件 的形式在从站接口数据链路层及应用层实现完整的d p - v o n l 状态机制。 d p - v o 是p a 基本功能，包括循环数据交换及站诊断，模块诊断和特定的通道诊 断。首先需要实现d p - v o 通信协议的基本功能，与一类主站循环的数据通信，这包括 一些固定的服务存取点( s a d 。在p r o f i b u s 数据链路层与应用层之间的接口处，s a p 被用来交互作用，从而决定了d p 的不同功能。 s a p 5 5 3 7 h ：设置从站地址 s a p 5 6 38 h ：读输入数据 s a p 5 7 3 9 h ：读输出数据 s a p 5 8 3 a h ：全局控制 s a p 5 9 3 b h ：获取配置数据 s a p 6 0 3 c h ：从站参数化 s a p 6 1 3 d h ：从站诊断 7 m 求m t 学i 学n 玲z s a p 6 2 3 e h ：校验配褂数据 d p v 1 是基于d p v o 的，它对循环数榭处l i ! 的报文和d p v o 圳，而仃此 i 史 也只是在d p v o 报文的韭础【。进行r 些扩展。依据过程f 1 动化需求而增加功能，特 刖是用 参数赋值、操作、杆能现场设备的可视化和报警处邢f 类似于循环用户数据通 信) 等非循环的数据通信。 d p v i 设备由所谓的可非榍邛存取数据的槽组成，这牡槽不必是物理对象它们 可能代表虚拟的或物理的数据块，槽包含索引f i n d e x ) 可寻址的信息，索引数据山r e a d 或w r i t e 服务存取，并用单个撒文发送。d p c 3 1 内集成了较完善的d p v i 状态响应机 制，能够给升发带来极大的方便。 1 4 课题实现的意义 总线远程1 1 0 是基于现场总线控制系统f c s 中的主要设备。据统计，日前典型的 f c s 系统中町直接接入现场总线的仪表、设备不超过2 2 ：其余超过7 8 的现场仪表、 醴备是由总线远程u o 或h a r t 协议接入现场总线的，如图1 6 所示。总线远程i o 的 主要功能分为输入、输山两部分。输入是采集现场模拟信号( 如4 - - 2 0 m a ) 和数字量 信弓( 如2 4 v d c ) 将其转换成数据报文并按照通信协议传送到现场总线中。输出 足将现场总线通信数据转换成模拟量输出和数字量信号输出p q ， 图1 - 6 工厂过程自动化中现场总线连接和i o 连接设备的比捌 f l g l - 6 t h e p r o p o r i l o n o f f i e d b mc o c f i o na n d i o t i od e v i c e i n “sa u t o m a t i o n p r o f i b u s - p a 作为p r o f i b u s 的一员，在过程控制领域有着广泛的应用与前景。 p r o f i b u s - p a 远程i o 的研发，是我国对国际先进技术研究与消化，从而推动国内 科技进步的表现。其意义在于： ( 1 ) 加深对d p v o 技术的了解，对只需要实现p r o f i b u s 简单功能的产品，能够 提供快速而有效的解决方案。 ( 2 ) 使用最新的西门子s i m i - 2 调制解调芯片。针对远程i o 耗电较大的特点，完 成电源供电设计研究，为相关的大耗电量p a 产品提供解决方案。 第一章绪论 ( 3 ) 进行p a 设备行规的研究，并设计远程i o 设备的参数结构。在国内，对p a 设 备行规研究还较少，各制造商的设备参数自成一家，影响同类设备的互换性。 此类研究，对国内p a 设备研发具有指导意义。 现场总线p r o f i b u s p a 在过程控制领域有着卓越的性能，但由于国内现在对p a 产品的研发水平不高，同时各企业对p a 优越性的认识不够，少有大规模p a 总线的 投厂使用，本课题的研发工作，对国内p r o f i b u s p a 的研发及应用必将起到推动作 用。 1 5 小结 本章概括介绍了p r o f i b u s 现场总线的基本知识。阐述了课题的来源、研究意义、 主要任务、及实现方案。 9 第二章d p v o n l 状态机制 2 1v 0 状态机制 第二章d p v 0 v 1 状态机制 v 0 状态机制，如图2 1 所示，是p r o f i b u s d p 主站与从站间循环通信的依 据，d p 从站在任何情况下的行为都应与之保证一致性，具体规范可参阅e n 5 0 1 7 0 。 由于在开发过程中使用了智能a s i c 芯片，制造商已在芯片中集成了大部分的v 0 状态机制，开发人员相应的工作量已经大大减轻，但仍需要对v 0 机制有一定的了 解才不会出现的无谓的失误。 看门狗定 器溢出 从站诊断报文 设置参数报文艺 从站诊断报文 获取组态报文 图2 - 1d p - v 0 从站状态机制 f i g 2 - 1s t a t em a c h i n eo f d p - v 0s l a v e 在图2 1 中简略表明了d p 主从之间的v 0 状态转换，以及从一个状态转向另 一状态时发生的事件。为了更好的解释在从站接口内部软件中应完成的任务，以 下将对v 0 状态机制中各个状态进行较为详细的介绍【3 1 1 。 2 1 1 上电( p o w e r - o n ) 状态 p o w e r - o n 状态为从站的上电状态，从站在此状态下完成内部程序的初始化 部分。在此状态下，从站接口内部已经完成了对智能协议芯片的配置，包括产品 基本信息的存储、数据缓冲区的划分以及缓冲区首地址指针的确定。在以上工作 完成之后，智能芯片d p c 31 将从站当前状态标记于等待参数化状态。 北京化工大学硕士学位论文 仅在此从站上电状态，支持站地址改变的从站可以接收主站发送的站地址改 变报文( s e ts l a v ea d d r e s s ) ，并在存储器内部为其分配用于储存新地址的空间。 从站可以支持站地址改变报文功能，也可以不支持，同样符合v 0 协议。 2 1 2 等待参数化m ，a l t - p 础) 状态 在从站完成初始化上电之后，将进入等待参数化状态。在此状态下，从站将 由服务存取点s a p3 d 接收来自主站的参数化报文，并暂时拒绝其它不相关报文。 除去s d 2 类型报文的报文头与报文尾，从站需要判断从报文中获得的标准7 字节 参数化数据，从中获得要求的相关信息，如，i d 号、s y n c f r e e z e 功能、配置 主站地址等等。有些从站在标准7 字节参数化数据之外同时附加了用户定义的参 数数据，这些数据同样也需要相应的处理，但无法由智能芯片自动完成。 如果从站发现主站发送的参数化报文有误，v 0 状态机制将停止在此状态并在 诊断数据中对相应标志位进行设置，向用户指示错误的原因。 2 1 3 等待组态( w a i t - c f g ) 状态 等待配置状态只有从站在接收到正确的参数化报文之后才能够进入。在此状 态接收的配置报文中，主站告知从站输入输出字节的长度。配置报文由服务存取 点s a p3 e 接收，对配置数据中的信息进行分析后，从站放弃不合理的配置报文。 对于符合要求的配置信息，从站按照配置要求对内部各个缓冲区进行分配，为数 据交换做好准备。 如果一个模块化从站希望有调整组态配置的功能，可以在接收到新的配置报 文后，按照配置数据各个字节重新计算新的用户数据长度，并更新各个数据缓冲 区的首地址指针。在此需要注意的是，开发过程中由于所用芯片的内部r a m 空间 大小不同以及程序数据结构的差异，从站支持的最大输入输出长度是不同的。对 于从站接口允许的不同最大输入输出长度，应为其配置不同的组态数据。同时对 于模块化的从站设备，它应该支持各模块允许数据长度类型，各模块所支持的数 据类型在设备的g s d 文件中应有规定，并在上位机组态的时候，决定各模块最终 所选用的数据类型。不同的选择会形成不同的组态报文。从站均应能够对支持的 组态报文类型进行识别。 此外，可应用服务存取点s a p3 b 获取本从站的组态配置。但是此功能并不仅 限于从站配置主站，同时也可以在从站任何状态下发送。 2 1 4d a t a e x c h 状态 1 2 第二章d p v 0 v 1 状态机制 在经过了无误的参数化与配置之后，从站进入数据交换状态。在此状态下， 从站可以通过周期性的循环通信与主站交换用户数据。 此时，从站可能接的报文有：数据交换报文( 由默认服务存取点发送接收) 、 输入输出数据读取报文( 服务存取点s a p 3 8 3 9 ) 、诊断报文( 服务存取点s a p 3 c ) 、以及配置读取报文。其中诊断报文可以向主站告知从站当前状态，在6 个字 节的标准诊断信息之外，用户还可以加上与过程应用有关的信息( 即所说的用户 诊断，如短路) 。 通常在进入数据交换状态后，从站不会无故退出此状态，而是一直保持与主 站的通信。会引起从站退出数据交换的状况通常有两种情况：w d 看门狗定时器到 时；在数据交换过程中接收错误或不合理报文。 2 1 5 从站诊断( d i a g n o s i s ) 诊断报文有高的优先级，从站状态机制的状态、参数似组态的正确与否，以 及用户所设定的诊断内容都包含在诊断报文中，从站在任何状态下都可以响应主 站诊断报文的请求。在从站初始化时，从站也可能会发送回一个错误信息或状态 信息。 2 1 6 相关报文 p r o f l b u s 总线上所能传输的最大报文长度为2 5 5 个字节。报文由标识符、 源及目的地址、数据长度、数据、命令字和循环校验码等构成，有效数据最长2 4 4 字节，具体值在组态时由选定的配置数据确定，p r o f i b u s d p 用户数据传输原理 如图2 2 所示。 二l医巫垂圊 响应帧 图2 - 2p r o f i b u s - d p 用户数据传输原理图 1 3 北京化工大学硕士学位论文 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo ft h ed pu s e rd a t at r a n s f e r p r o f i b u s 链路层提供的服务有： s d a ( 发送数据并要求回答) s d n ( 发送数据，不要求回答) s r d ( 发送数据并要求回送数据) c s r d ( 循环发送数据并要求回送数据) 以上四种不同的服务可由报文头部的s d 字节区分。作为引起状态转换的条 件，v 0 通信所涉及的主要报文有：诊断报文，参数化报文和配置报文。以上报文 都为s d 2 可变数据长度的报文，用于s r d 服务，其具体报文格式如表2 1 所示。 表2 - 1 报文结构 t a b l e 2 - 1t h ef o r m a to ft e l e g r a m s dl el e rs dd as af cd s a ps s a pd uf c se d 6 8 hxx6 8 hxxx 3 x h3 e hxx1 6 h 服务存取点s a p 用在p r o f i b u s 数据链路层与应用层之间的交互作用，主站 发送的服务存取点叫做源服务存取点( s s a p ) ，从站做出响应时的服务存取点叫做 目的服务存取点( d s a p ) 。在d p 通信中，服务存取点被用于选择不同的功能，其 中的诊断、参数化和配置报文分别由主站s a p 服务访问存取点3 e 向从站s a p 存 取点3 c 、3 d 、3 e 发出。这三种报文结构一致，只在d u 部分有不同，分别为从 站状态诊断信息，参数化数据以及相应的配置组态报文。 2 2v l 状态机制一v o 的扩展 随着工业要求的提高，p r o f i b u s 技术一直在不断地发展与完善。在d p v 0 循环通信协议的基础上，依据各种应用领域的特殊需求，对d p 通信进行了扩展。 d p - v 0 提供d p 基本功能，包括循环的数据交换，以及站诊断、模块诊断和特 定通道的诊断。 d p v 1 作为扩展的d p 功能，允许主站与从站之间传输非循环的读和写功能以 及报警，而且可以实现与循环的用户通信无关的操作。v l 是依据过程自动化 的需求而增加的功能，可用于参数赋值、操作、设备报警处理等非循环的数据 通信。这使得用第二个主站非周期性的与在线从站通信并进行数据交换成为可 能。 d p v 2 主要包括根据驱动技术的需求而增加的其它功能。由于增加的功能， 如同步从站模式( s y n c h r o n o u ss l a v em o d e ) 和从站对从站通信( d a t ae x e h a n g e b r o a d c a s t ) 等，d p - v 2 也可以作为驱动总线，用于控制驱动轴快速运动的时序。 1 4 第一二章d p v o n i 状态机制 d p v 1 与d p v 2 都是针对各种特殊应用情况作出的补充，d p v 1 很好的应对 了过程控制领域，而d p v 2 则主要应用于运动控制，它们与d p v 0 基本功能兼容。 由于扩展的功能仅仅对现有的循环基本通信做出补充，因此如果不想使用或不必 使用这些扩展功能时，现有的v 0 通信不会被影响，设备依然可以正常运行。 在本课题的p r o f i b u s p a 远程i o 设计中，d p v 1 功能是该类设备的必选功 能，因此对v l 通信协议的研究也是开发过程中重要一部分。在从站接口的开发选 用了单片机微处理器+ 协议芯片d p c 3 1 的方案，在第四章将对此协议智能芯片进 行了详细的介绍，d p c 3 1 中