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东南大学硕十学位论文 p r o fib u s - d p 智能从站研究与实现 摘要 现场总线是以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世 界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。近些年 来，p r o f b u s 现场总线技术得到了迅速发展，越来越多的厂商开发和应用p r w b u s 总线技术。而 p r o f i b u s d p ，正是适用于现场层的高速数据传送。 本文介绍了p r w i b u s 的组成和基本特性。包括p r o f i b u s 的协议结构、传输技术、访问协议等。 详细阐述了p r o f i t s d p 的功能、通信机理。对d p 主、从站的任务和实现做了说明，并详尽描述、 分析了p r o f i b u s d p 从站开发所需的协议芯片s p c 3 。 在此基础上介绍了基于p r o f l b u s - d p 的f c s 构成，提出了智能d p 从站的实现方案，对使用s p c 3 实现d p 从站做了剖析。并举例开发了一个依靠m s p 4 3 0 处理器和s p c 3 协议芯片构成的智能d p 恒温 从站，完成了从站的硬件选型和电路设计。以及从站软件算法分析和程序实现。 本课题从一个应用实例来阐述如何通过p r o f i b u s d p 现场总线将一个独立的系统接入一个控制 网络，进而连入i n t r a n e t 、i n t e r n e t 这一目的。希望能够为国内以后的实际开发提供一个借鉴。 关键词：现场总线，智能从站，分散型外围设备( d p ) ，恒温 东南大学硕上学位论文 e x p l o i t a t i o na n dr e a ii z a t i o no fi n t e iii g e n t s l a v es t a t i o nb a s e do np r o f l b u s - d p a b s t r a c t f i e l d b u si sac o m p r e h e n s i v et e c h n o o g yw it hit sc o n t e n t sb a s e do ni n t e l1 g e n r es e n s o r ， c o n t r o l l i n g ( p r o t o c 0 1 ) ，c o m p u t e r ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，e t c i th a s a t t r a c t e dt h e a t t e n t i o nf r o maw o r l dw i d er a n g e ，b e c o m et h em a j o rf o c u so ft h ea u t o m a t i o nd e v e l o p m e n t ，a n d w i1 1r e s a l ti nt h er e v o l u t i o no fa u t o m a t i o ns t r u c t u r ea n dp r o d u c ti or e c e n ty e a r s p r o f i b u s f i e l d b u st e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e nd e v e l o p e di nas p e e d yf a s h i o n ，a n dm o r ea n dm o r em a n u f a c t u r e r s d e v e l o pa n du s ep r o f l b u sb u st e c h n o l o g y p r o f i b u s d pi ss u i t a b l ef o rh i g h s p e e dd a t a e x c h a n g e t h ist h e s i si n t r o d u c e dt h ec o m p o s i t i o no fp r o f i b u sa n db a s j cc h a r a c t e r is t i c ( p r o t o c o l s t r u c t u r e ，t r a n s m js s i o a t e c h n o l o g y ，p r o t o c o jo fv i s i t i n gp r o f i b u s ，e t c ) j th a se x p l a i n e d t h ef u n c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo fp r o f i b u s d pi nd e t a i l ，a n a l y z e dt h o r o u g h yt h e r e a liz a l i o no fp r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o n ，e x p l a i n e dt h et a s ka n dr e a l i z i n go fd pm a s t e r a n ds j a v es t a r i o n ，a n da n a l y s e de x h a u s t i v l yp r o t o c o lc h i ps p c 3 t h is t h e s ish a sr e c o m m e n d e df c sw h i c hb a s e d o np r o f i b u s d p t o f o r m ，p r o p o s e d t e a l iz a t i o n s c h e m eo fi n t e e c t u a ld ps l a v es t a t i o n t e a li z e dd ps l a v es t a t i o nw h i c hh a sb e e na n a l y z e d i nu s i n gs p c 3 ，a n dd e v e l o p e dai n t e l1 e c t u a ld pc o n s t a n tt e m p e r a t u r es l a v es t a t i o no ff e ly i n g o i lm s p 4 3 0p r o c e s s o ra n ds p c 3c h i pt of o r m t h i sp a p e ra c c o m p l is h e dw i t ht h es l a v e sh a r d w a r e c o m p o n e n ts e l e c t j o na n dc i r c u i td e s i g n ，a n dt h ea l g o r i t h ma n a l y s e sa n dp r o g r a mr e a l i z a t i o n o ft h es l a v ejsa ls oa c c o m p i s h e d t h isp a p e re x p l a i n sh o wt oi n s e r t t h ei n d e p e n d e n ts y s t e mac o n t r o ln e t w o r k ，a n dt h e ne n t e r i n t r a n e t ，i n t e r n e t w i s ht h i sp a p e rc o u l db r i n gf o r w a r ds o m et h o u g h l sf o rd o m e s t i cf i e d b u s i n d u s t r i a li z a t i o n k e yw o r d ：f i e l d b u s ；i n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o n ；c o n s t a n tt e m p e r a t u r e ；d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ( d p ) l i 东南大学硕士学位论文 主要缩略词注释表 d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m )集散控制系统 f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m )现场总线控制系统 f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p c c i f i c a t i o n )现场总线报文规范 d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y )分散型外围设备 p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n )过程自动化 i i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 低层接口 p i i y ( p h y s i c s ) 物理层 f d l ( f i e l d b u sd a t a1 i n k )现场总线数据链路层 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 )介质存取控制 f l c ( f i e l d b u sd a t al i n kc o n t r 0 1 ) 现场总线链路控制 s a p s ( s e r v e ra c c e s sp o i n t s )服务访问点 o l p ( o p t i c a l1 i n ep r o t e c t o r )光线路保护模块 o l m ( o p t i c a ll i n em o d u l e ) 光学链路模块 d p m ( d pmaster)dp主站 d d l m ( d ir e c td a t al i n km a p p e r )直接数据链路映射机制 s m ( s t a t em a c h i n e )状态机 m s ( m i c r o - s e q u e n c e r ) 微序列器 s s a ( s e ts l a v ea d d r e s s )设置从站地址 i l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：星盔童。日期：圣生：z ：f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 窑和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：茎皇童。 导师签名：f 坐型 日强；矽r 4 够 第一章绪论 1 1 现场总线概述 第一章绪论 分布式是一个广泛的概念，从t 业现场，交通领域、计算机网络和操作系统，乃至人_ 智能、 企业、社会等领域的应用随处可见，如集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 、计算机 集成制造系统( c t m s ) 和多智能体系统( m a s ) 等。 分布式解决问题时，首先将对象，通常是大型系统，进行解构，分成几个相互关联的子系统， 将任务分配给子系统来完成，结合接口技术、数据通信技术、控制技术等，针对不同的控制对象， 组合成分级分层的检测、控制、决策的系统。在分布式控制系统中。关键技术是通信和协调。其中， 通信是分布式控制系统的神经中枢，它将物理上分散配置的子系统有机的联系在一起，实现相互协 调和系统资源的共享。 自2 0 世纪7 0 年代中期集散控制系统( d c s ) 问世以来已经广泛地应用于工业的各个领域，并在八、九 f 年代r 据了主导地位。d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 集散控制系统是在传统控制系统中引入计 算机技术，利用软件组成各个功能块替代过去传统的电动单元组合( d d z ) 仪表。由于不同厂家的d c s 系统 之间以及d c $ 与上层 n t r a n e t ，i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息共享。在这种情况下 用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。现场总线控制系统( f c s ) 正是顺应以上潮 流而诞生的。 根据国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协会( i s h ) 的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线 式的全数字通讯。它是依靠将具有检测、控制、通信能力的微处理芯片置入传统的仪表( 设备) ，使 其具有数字计算和数字通信能力，在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的控制设各单个点 作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统”“”。 如果说d c s 替代过去传统仪表是一次自动化领域的数字革命，那么f 岱替代d 岱将是次自动化领域的 信息革命。现场总线控制系统( f c s ) ，即网络集成式全分布控制系统，其特点是控制功能由过去的控制室 设备变为智自b 现场仪表来承担，控制功能分散化、全数字化，就有可能组成大型的开放式控制系统。进而 实现从最高决策到最低设备层的综合管理和控制。 f c s 形成的i n f r a n e t 控制网很容易与i n t r a n e t 企业内部网和i n t e r n e t 全球信息网互连，构成一个 完整的企业网络三级体系结构“。最底层的i n f r a n e t 控制网就如f c s ，各控制器节点下放分 散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等， 通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。 正因为现场总线较好的实现了电子、控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项 技术特点： ( 1 ) 系统的开放性。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。 开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成 大小随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性。互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可 实现点对点，一点对多点的数字通信：而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互 换而实现互用。 ( 3 ) 现场设各的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分 东南大学硕上学位论文 散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，开可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线 已构成种新的全分布式控制系统的体系结构。简化了系统结构，提商了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现 场环境而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干 扰能力，可采用两线制实现送电与通信，有些还可满足本质安全防爆要求等。 由于现场总线的以上特点，使其体现出了不少的优越性。提高了资金利用率( 如节省硬件数量 与投资、安装费用、维护费用等) ，其次用户具有高度的系统集成自主权，再则可以提高系统的准 确性和可靠性。 随黄工业自动化应用市场的要求，自动化和自动控制技术得到了迅速发展，与此同时，相应国 际标准也随之得到发展。到2 0 0 3 年，现场总线发展的种类已经约有4 0 余种，其中现场总线国际标 准i e c6 1 1 5 8 中已经包含了1 0 种类型的总线协议，目前总类已经超过5 0 种。 1 2 研究发展 1 2 1 现场总线在国外的发展历程及现状 现场总线( f i e l db u s ) 的概念起源于2 0 世纪7 0 年代，到8 0 年代中后期在国际上快速发展起来。 1 9 8 3 年，h o n e y w e l l 推出了最早的智能化仪表一s m a r 变送器，此后几十年，世界各大公可相继推出各有 特色的智能仪表，这些都为现场总线的出现奠定了基础。从1 9 s 4 年世界上各大公司协会和行业相继开始制 定现场总线标准起，到今天，由于近十几年现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多， 已经约有5 0 余种：如德国s i e m e n s 的p r o f i b u s ，e c h e l o n 公司的l o nw o r k s ，p h e n i xc o n t a c t 公司的 i n t e r b u s ，r o b e rb o s c h 公司的c a n ，r o s e m o u n t 公司的h a r t ，丹麦p r o c e s sd a t a 公司的卜n e t ，c a r l o g a r a z z i 公司的d u p l i n e ，p e t e r h a n s 公司的f m u x ，以及m o d b u s ，s d s ，基金会现场总线f f ，w o r l d f i p ， b i t b u s ，d e v ic e n e t ，c o n t r o l n e t ，f i p 等等”1 i s o 到了9 0 年代开始纷纷成立标准化组织，1 9 9 3 年成立的h a r t 通信基金会( h a r tc o m m u n i c a t i o n f o u n d a t i o n ) ；1 9 9 3 年成立l o n w o r k s 用户标准化组织l o n l i l a r k 国际；1 9 9 7 年7 月成立了c o n t r o l n e t i n t e r n a t i o n a l 组织；i s p 和们r l d f i 列b 美部分于1 9 9 4 年6 月合并成立了现场总线基金会等。 近年来主要的现场总线组织纷纷进军以太网领域，涉足较早的是w o r l df i p ，现在p r o f i b u s 也急 起直追，以相当快的速度发展，可以说是该组织建立以来最大的动作，也许足它摆脱技术相对落后 的根本措施。虽然由于以太网的基础技术t c p i p 协议的限制，进展都不理想，但是当前快速发展的 c i p 和以太网c i p 技术将有力地改变这个局面。c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 是为 t c p u d p i p 定义的基于主机客户机的控制和信息协议。以太网的c i p 则称为e t h e r n e t j p ，它有 c o n t r o ln e t 、d e v i c e n e t 、m o d g u s 、p r o f i b u s 等现场总线组织的支持。它为解决t c p i p 技术进入控 制领域提供了一个有前途的方案。 随着f f 和w o r l d f i p 向f i e l d b u sf o u n d a t i o nh s e 发展；d e v i c e n e t 向e t h e r n e t i p 发展；t r a n s p a r e n f a c t o r y 和i n t e r b u s 向i d a 发展：p r o f i b u s 向p r o f i n e t 发展，现场总线技术在进一步和以太网结合。 1 2 2 国内研究现状 国内的现场总线起步的比较晚，不过由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场 总线在中国展开了激烈的竞争，这也使得近年来看发展势头强劲，国内自己开发的现场总线产品也 开始投入市场各行业的现场总线应用工程迅速发展。国内现场总线的发展趋势是：多种现场总 2 第一章绪论 线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；国内自己开发的现场总线产品开始投入市场； 国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。 1 9 9 8 年8 爿，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国f i s h e rr o s e m o u n t 公司 引进，该系统采用p l a n t w e b l q m 基于现场结构的晟新技术，同时也是在中国第一次运用f f 技术。 c a n 在我国的应用较早，我国华控技术公司基于c a n 协议开发了8 d s 智能分布式系统；和利时公司 开发的h s 2 0 0 0 系统的内部网络也是应用c a n 。 2 0 0 1 年以浙大中控为主承担c i m s 主题重点课题“基于高速以太网技术的现场总线控制设备”， 开始制定新一代t 业控制通讯标准e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) ，2 0 0 3 年e p a 歹u 为实时以 太网标准1 e 6 1 7 8 4 2 中的第1 4 族( c p f l 4 ，c o m m o np r o f i l efa i i l i l y1 4 ) 。这为e p a 成为国际标准打开 了大门将使我国在自动化领域的国际竞争中占有更有利的地位，将大大改变国内工业自动化技术、 产品和应用体系。 另外浙江机电工程研究所( z i n e e ) 还将p n e t 应并! | 于风轮的控制器和中心控制、中国南部最长 的高速路隧道及其风力柴油机系统的控制与监控。 p r o f i b u s 技术受到国内各界的重视，并在我国制造业、流程工业、冶金、电力、交通、制药、 水利、水处理、食品、楼宇等自动化领域得到广泛的应用。 2 0 0 1 年中国将f f 、p r o f i b u s 、h a r t 等立项为行业标准，其中p r o f i b u s 标准中文本已于2 0 0 1 年1 1 月批准为中国的现场总线首个行业标准，标准编号j b t1 0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 。2 0 0 3 年，根据i e c6 1 1 5 8 的 完善和补充，修订j b t0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 。计划在2 0 0 4 年拟完成对其的行业标准制修订。 目前国内的现场总线发展趋势也是多种现场总线并存，展开激烈竞争局面。中国仪器仪表行业 协会已成立了中国现场总线委员会，简称c f c ，并参加了国际f f 组织；建设部还成立了基于l o n w o r k s 技术的中国智能建筑技术协作网：中国机电一体化技术应用协会也于1 9 9 7 年成立了下属的中国现场 总线p r o f i b u s 用户组织c p o ( c a i n e s ep r o f i b u su s eo r g a n i z a t i o n ) 等。 在近几年内国产现场总线技术产品主要机会在现场设备及仪袭领域。主要产品可能是：与电力 驱动有关的产品( m c c 、p c c 、交直流驱动等) ；传感器类( 压力、温度、流量仪表，水份、湿度测 量等) ；现场总线i 0 ；专用控制设备及分布式控制系统( 车辆、食品生产等) 。 1 2 3 几种常见现场总线 目前较流行的现场总线系统有：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 ) 、控制局域网络 c a n ( c o n t r o l l e l - a r e an e t w o r k ) 、局部操作网络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 ) 、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 ) 和可寻址远程传感器数据公路协议h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t et r a n s d u c e r ) 等标准。 l 、p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 现场总线自1 9 8 4 年开始研制现场总线产品，现已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线 标准，欧洲市场占有率大于4 0 ，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电 等领域。最多可挂接1 2 7 个站点。p r o f i b u s 总线标准包括3 个方面内容；d a s 、d p 、p a ，适用于不同的 鹿用领域。 2 、基金会现场总线 基金会现场总线f f ，在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术，目前主要应 用于石油化t 、连续工业过程控制中的仪表。 r f 总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为31 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加 中继器延& ) 。1 1 2 的传输速率为i m b p s 和2 5 m b p s i t ；种，其通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支 持双绞线、光缆和无线发射。 3 、l o n w o r k s 现场总线 i , o n w o r k s 是唯一一个支持0 s i 通信模型七层协议的现场总线，采用了面向对象的设计方法，通过 3 东南大学硕士学位论文 网络变量把网络通信设计简化为参数设置，直接通信距离可达至u 2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持多 种通信介质。 , o n w o r k s 支持各种网络拓扑结构并能运行在任何处理器上。l o n w o r k s 将l o n t a l k 协议固化在神经 元的芯片中，为l o n w o r k s 的二次开发提供了很好的便利条件。 4 、c a n 现场总线 c a n 总线，最早由德国b o s c h 公司推出，通信速率最商可达i m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达 l o k m 5 k b p s ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。信号传输采用短帧结构，因而传输时间短，受干扰的概率 低，具有较强的抗干扰能力。 c a n 的一个最大特点是弃用了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，采用这种方 法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制。c a n 采用多主的通信方式，使得总线上的设备之 间的传输变得灵活简单。 5 、h a r t h a r t 总线其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信属于模拟系统向数字系统转变过程 中过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力。 h a r t 的物理层采用f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 技术，在4 2 0 h a 模拟信号上迭加一个频率信号， 频率信号采用b e l l 2 0 2 国际标准，逻辑0 的信号频率为2 2 0 0 h z ，逻辑i 的信号传输频率为1 2 0 0 1 l z 。 其它还有还有p n e t 、d e v i c e n e t 、w o r l d f i p 等现场总线，在这不做进一步介绍了。常用现场总 的比较见表卜i 。 表卜l 几种有影响的现场总线比较 总线类型 p r o f b u sf fl o n w o r k sc a n h a r tpn e t 加工、楼宇、过程石油化工、连模拟系统向 食品、农业、啤 应用领域自动化、发电与输续工业过程控 楼宇、航空、能源交通车辆 数字系统的酒及饲养业等 等领域等 配电等领域制等 过渡性产品方面 3 1 2 5 k b p s l 1 传输速率9 6 k 一1 2 m b p sh 2 有i m b p s 和3 0 0 b p s 1 5 m b d s5 k - l i o p s1 2 0 0 b p s7 6 8 k b p s 2 5 m b d s 通信模型第一、二、七层及第一，二、七第一、二第一、二，第一、二、三、 ( 参照o s i )用户接口屠礁甩卢甚 全部七层 层七层七层及服务层 双绞线、光缆 双纹线、同轴电 通信介赝双绞线、光缆缆、光纤、射频、双绞线 电缆屏蔽双绞线 和无线发射等 红外线、电源线等 从本节介绍，大致可以看出现场总线今后的发展将呈以下趋势 1 、多种总线并存： 2 、每种现场总线将形成其特定的应用领域： 3 、以太网的引入成为新的热点。 1 3 本文研究内容及实现 1 3 1 课题选择 就对现场总线的开发，由于国内与国际上差距较大，希望通过对现有的总线技术的研究和应用 来推动有自主知识产权的产品或总线标准。 之所以选择p r o f i b u s 作为研究方向是因为与其他总线相比它具有以下的优势： 4 第一章绪论 m p r o f i b u s 现场总线技术应用范用广，目前已渗透扩散到电力拖动的电力电子技术方面( 如变频调速 器) 等领域。 因为p r o f i b u s 的网络协议p a i s o 颁布的o s i 标准参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化， 可以说它的标准适应性强。 m p r o f i b u s 得到了众多生产厂家的支持。目前有许多公司可以提供p r o f i b u s 协议芯片，如摩托罗拉、 曲门子等。扩大了t 业现场用户的选择余地，客观上保护了用户的利益，巩固t p r o f i b u s 在应用领 域的领先地位。 m p r o f i b u s 目前国内拥有自主知识产权的产品应用少，这也是一个发展的机遇。 我国目前在工业控制领域还处于相对落后的地位，除了尽快开发研制拥有自主知识产权的现场 总线标准( 如浙人中控的e p a ) 并形成相关设备的设计生产，还可以利用国外业以成熟的控制技术对 现有的控制手段和设备进行改造等。 基于上述p r o f i b u s 的优势，有理由相信为现有的设备开发p r o f i b u s 总线通信接口，使其可以 挂接到p r o f i b u s 现场总线网络，实现系统的监控具有一定的意义。通过这种方法，不但可以快速的 改造原有系统，而且可以节约丈量成本。 l _ 3 2 课题内容 本课题的主要工作包含以下几个方面： 1 ) 对p r o f i b u s d p 的架构作了一定剖析，并对其专有芯片s p c 3 实现d p 从站作进一步说明。 2 ) 举例说明t d p 现场总线从站的构建，给出了包括数据处理、数据采集和控制输出等内容的 p r o f i b u s d p 现场总线从站接口硬件设计。以及p r o f i b u s d p 现场总线从站通信接口、从站智能化软 件的设计和实现等。 选用s p c 3 协议芯片和微处理器来自己构建d p 从站，一方面是为了减少开发周期；另一方面是町 以通过s p c 3 实现d p 从站来进一步熟悉p r o f i b u s 。本文希望通过对d p 从站构建的研究，可以。 本论文的第1 章是绪论部分，主要介绍了现场总线技术的概况及其国内外的发展历程，以及本课 题的提出与研究现状。 第2 章说明了p r o f i b u s 现场总线，对其组成、特性作了研究。 第3 章说明了p r o f i b u s d p 的构建对d p 从站及从站协议芯片s p c 3 的作了剖析。 第4 、5 章举例了p r o f i b u s d p 的智能从站系统硬、软件设计及实现。 最后章对本论文课题作了总结。 1 4 本课题开展的意义 近2 0 年来现场总线由早期的群雄并起，分散割据的初始阶段，到一定范围的磋商合并，直至今 天尚朱形成完整统一的国际标准。而这种多标准共存局面在今后很长一段时间内还将继续保持。现 在流行的一些标准在其行业内都有其相对成熟性，且各具特色，形成了自己的优势，我们可以充分 加以利用。对国内而言，已经错过了推出自己标准的最好时机，现在更应不失时机地抓好我国现场 总线技术和产品的研究与开发，为以后建立统一的总线标准时，能占有一席之地。 本课题从一个应用实例来阐述如何通过p r o f i b u s d p 现场总线将一个独立的小系统接入一个控 制网络，进而连入i n t r s n e t 、j n t e r n e t 这一目的。 东南大学硕士学位论文 2 1p r o f i b u s 组成 第二章p r o f i b u s 总线 p r o f b u s 由3 部分组成：即p r o f l b u s f l s ( f i e l d b u sl e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，现场总线报文规 范) 、p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a li z e dp e r i p h e r y ，分散型外围设备) 和p r o f i b u s p a ( p r o c e s s a u t o m a l i o i l 。过程自动化) ”“”。 ( 1 ) p r o f i b u s f m s 的设计旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信服务。可编程序控制器 ( 如p l c ，p c 机等) 之间需要比现场更大量的数据传送，用以完成中等传输速度进行的循环与非循环 的通信服务，但通信的实时性要求低于现场层。其应用层提供了供用户使用的通信服务，它包括现 场总线信息规范及低层接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 两部分。其主要功能有上下关系管理、 配嚣管理及故障管理等。 ( 2 ) p r o f l b u s d p 是一种高速和便宜的通信连接，也是使用最广泛的总线系统之一，用于自动控 制系统和设备级分散i 0 之间现场层的高速数据传送。在这一级，中央处理器( 如p l c ，p c ) 通过高速 串行线同分散的现场设备( t o 、驱动器、阀门等) 进行通讯。总线循环时问必须比主站( p l c ) 程序循 环时间短。除周期性用户数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信，以 进行组态、诊断和报警处理。 图2 1p r o f i b u s 应用范围 6 第一二章p r o f i b u s 总线 它安装简单、拓扑结构多样、易丁实现冗余、通信实时可靠、功能比较完善，这蝗使得它适用 丁各种工业自动化领域。p r o f i b u s d p 与p r o f l b u s p a 共享一个通用的通讯协议。 ( 3 ) p r o f i b u sp a 专为过程自动化而设计的，它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。根 据i e c 6 11 5 8 2 国际标准，p r o f l b u s p a 可用积绞线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的 p r o f i b u sd p 协议和描述现场设备的队行规。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，并可用来替代4 2 0 m a 的模拟信号。 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信和控制的现场总线技术。一 个典型的自动化系统( p r o f i b u s ) 应该是二级网络结构，如图2 一l 所示。可实现现场设备层到车间级 监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行方案。 2 2p r o f i b u s 的基本特性 2 2 1p r o f i b u s 协议结构 a l l 应用层f m s f m a 7 表示层l l i ， 会话层 ， 7 传输层 ， 网络层 f l c | 数据链路层 m a c f m a l 2 物理层p h y i s o0 s i 参考模型p r o f i b u s 图2 2l s o o s l 参, 模型与p r o f i b u s 体系结构比较 p r o f i b u s 的协议的结构，如图2 2 所示。p r o f i b u s 是一种现场总线，用于将分散的现场过程控制 设备与集中控制系统在底层进行连接。处于底层的过程控制数字通信的首要要求是数据传输对问短、 通信协议简单、可靠，以满足控制系统与分散外围没备的快速响应要求。故p r o f j b u s 协议的结构以 i s 0 7 4 9 8 国际标准开放式系统互连网络( o s i ) 参考模型为基础。第一层( 物理层) 定义了物理的传输特 性，第二层( 数据链路层) 定义了总线的存取协议，第七层( 应用层) 定义了应用功能“”， 第l 屡一物理层( p h y ) ：规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。p r o f l b u s 通过差分电 压输出的r s 4 8 5 实现电流连接。在线性拓扑结构下采用双绞线电缆，树型结构还可能用到中继器。 第2 层现场总线数据链路层( f d l ) ：包括介质存取控制( m a c ) 子层、现场总线链路控制( f l c ) 子层和现场总线管理( f l l a l 2 ) 。m a c 描述了连接到传输介质的总线存取方法。p r o f i b u s 采用一种混合 访问方法，由于不能使所有设备在同一时刻传输，所以在p r o f l b u s 主设备( m a s t e r s ) 之间用令牌传递 7 东南大学硕上学位论文 的方法。为使p r o f i b u s 从设备( s l a v e ) 之间也能传递消息，从设备由主设备循环查询。f l c 子层规定 了对低层接r i ( l l l ) 有效的第二层服务，提供服务访问点( s a p ) 的管理和与l l 相关的缓冲器。现场总 线管理( f i i a l 2 ) 完成第二层( m a c ) 特定的总线参数的设定和第一层( p h y ) 的设定。f l c 和l l i 之间的s a p 可以通过f m a 2 激活或撤消。此外第一层和第二层可能出现的错误事件会被传递到更高层( f 姒7 ) 。 p r o f i b u s 第3 - 6 层没有具体应用，但这些层的重要功能都已集成在第7 层“低层接口”( l l i ) 中。 第7 层由低层接口( l l i ) 、现场总线信息规范( f m s ) 子层和现场总线管理( f m a 7 ) 织成。l l i 将现场 总线信息规范的服务映射到第二层( f l c ) 的服务。除了连接监控和数据传输监控外，l li 还检查在建 立连接期间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。可以在l l 中选择不同的连接类型( 主一主连 接或主一从连接) 。数据交换可以是循环的也可以是非循环的。f m s 子层将用于通信管理的应用服务和 用于用户的用户数据( 变量、域、程序、事件通告) 分组。借助于此才可能访问个席用过程的通 信对象。f m s 主要用于协议数据单元( p d o ) 的编码和译码。f m a 7 用于保证f m s 和l l l 子层的参数化以及 总线参数向第二层( f i a l 2 ) 的传递。在某些应用过程中，还可以通过f j l a 7 把各个子层的事件和错误 显示给用户。 应用层接口( a l i ) 位于第7 层之上，构成了到应用过程的接口。a l l 的目的是将过程对象转换为通 信对象。转换的原因是每个过程对象都是由它在所谓的对象字典( o d ) 中的特性( 数据类型、存取保护、 物理地址) 所描述的。 p r o f i b u s d p 使用第一层，第二层和用户接口，第三至第七层未加以描述，这种流体型结构确保 了数据传输的快速和有效性。 p r o f l b u s f 1 i l s 第、二和七层均加以定义，应用层包括现场总线信息规范( f k l s ) 和底层接口 ( l l i ) 。 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存取协议，故可以在同一 根电缆上同时操作。 p r o f i b u s p a 数据传输采用扩展的“p r o f i 叫s d p ”协议，另外还使用了描述现场设备的行规 根据i e c j 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。在使用分段式 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 网络上。 2 2 2p r o f i b u s 现场总线传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术。由于单一的传输技术不能满足所有 的要求，因此p r o f i b u s 提供了三种类型：d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输；p a 的i e c l l 5 8 2 传输；光纤( f o ) 。 其中r s 4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术，这种技术通常称为h 2