（控制理论与控制工程专业论文）基于profibusdp总线的block+io关键技术研究.pdf

t s u p e r v i s o r p r o f c h e nz a i p i n g e n g i n e e r j i ac h a o j a n u a r y ，2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天洼理工大望或 其他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。 学位论文作者签名：么铆) 签字日期：矽刁年2 - 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：冯向 签字日期：声o 年2 ，月日 譬曛塾各甚哲 签字日期：o 年上月 日 摘要 现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它为解决工业现场的 智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制 设备和高级控制系统之间的信息传递问题提供了一种高效、可靠、经济适用的解 决方案。p r o f i b u s 是目前数据传输率较快的一种现场总线，其最高传输速率可达 12 m b p s 。p r o f i b u s 现场总线由p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s d p 三 个兼容部分组成。其中，p r o f i b u s d p 主要用于中央控制单元与分散的f o 之间的通 信。由于具有高速传输、价格低廉，实现简单等特点，p r o f i b u s d p 受到了许多标准 团体和计算机厂商的高度重视。 本文在详细研究了p r o f i b u s d p 的协议结构、传输技术、数据存储机制、通 信机理等理论基础后，从独立开发产品的角度出发，采用p 8 9 v 5 1 r d 2 单片机以及 p r o f i b u s d p 通信协议芯片s p c 3 实现了p r o f i b u s d p 智能从站的设计。 本文设计的b l o c kf o 模块具有p r o f i b u s d p 总线通信功能；支持8 点数字量 输入或8 点数字量输出；用户接口具有短路保护与诊断功能，可以通过指示电路向用户 显示诊断信息；l e d 灯指示总线，电源，通道状态。 研究内容主要包括： ( 1 ) 研究p r o f i b u s d p 通信原理及协议内容，主要研究数据链路层协议； ( 2 ) 研究熟悉p r o f i b u s d p 协议芯片s p c 3 的结构，了解其协议实现方式以及过程； ( 3 ) 设计具有短路保护与诊断功能的用户f o 接口； ( 4 ) 完成智能通信接口与从站c p u 间的交互协议的制定以及软件设计包括 p r o f i b u s d p 的协议实现，以及g s d 文件编写； ( 5 ) 搭建以p l c 为主站的单主从p r o f i b u s d p 网络来测试p r o f i b u s - d p 通信，并 完成试验。 本文最后对课题的工作所取得的成果进行了总结，并对课题今后的研究工作提出了 展望与设想。 关键词：p r o f i b u s d p 总线智能从站b l o c kf o 模块电源诊断短路保护 a b s t r a c t f i e l d b u sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n t y e a r s ，i tp r o v i d e a l l e f f i c i e n t ，r e l i a b l e a n d e c o n o m i c a ls o l u t i o no fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o na m o n gi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，c o n t r o l l e r s ， i m p l e m e n t i n ga g e n c i e sa n do t h e rd e v i c e s p r o f i b u sf i e l d b u sh a sh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d u pt o12 m b p s p r o f i b u si n c l u d e sp r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p aa n dp r o f i b u s - d p 3 - c o m p a t i b l ec o m p o n e n t s p r o f i b u s d pi sm a i n l yu s e df o rd i g i t a ls i g n a lt r a n s m i s s i o nb e t w e e nc e n t r a lc o n t r o l u n i t sa n dd e c e n t r a l i z e di od e v i c e s w i t hc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n ，l o w p r i c ea n ds i m p l ei n s t a l l ，p r o f i b u s - d pi sh i g h l yv a l u e db y a l a r g en u m b e r o fc o r p o r a t i o n s a f t e rs t u d y i n gp r o f i b u s d pp r o t o c o l ，t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s mo fd a t a a c c e s s i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t sad e v e l o p m e n to fp r o f i b u s d pi n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o nu s i n g p 8 9 v 51a n da s i cs p c 3w h i c hh a sp r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b l o c ki om o d u l eh a st h ec a p a b i l i t yo fc o m m u n i c a t ew i t hp r o f i b u s - d pd e v i c e s i t h a s8d i g i t a l s i g n a l si n p u t o r8d i g i t a l s i g n a l so u t p u t ；t h ee q u i p m e n ti n t e r f a c e s h a v e s h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o na n di tc a np r o v i d ed i a g n o s t i ci n f o r m a t i o n ；t h el e dc a ni n d i c a t e sb u s a n dp o w e rs t a t u s t h es t u d yo ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： ( 1 ) s t u d yp r o f i b u s d pp r o t o c o l ，e s p e c i a l l yp r o t o c o lo f d a t al i n kl a y e r ； ( 2 ) s t u d yt h es t r u c t u r eo f a s i cs p c 3 ，t ou n d e r s t a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s so fs p c 3 ； ( 3 ) d e s i g nt h ei n t e r f a c ew i t hs h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o na n dd i a g n o s i s ； ( 4 ) c o m p l e t ep r o g r a m m i n go fs o f t w a r et o a c h i e v ep r o f i b u s - d pc o m m u n i c a t i o n g s d d o c u m e n ta l s os h o u l db ed o n e ； ( 5 ) b u i l dap r o f i b u s - d ps y s t e m ，u s ep l ca sp r o f i b u s - d p m a s t e rs t a t i o n ，t e s tb l o c k i o sc o m m u n i c a t i o na n dc o m p l e t et h eo t h e rt e s t s f i n a l l y , t h ew o r k so ft h i sp a p e rw e r es u m m a r i z e d ，a n dt h er e s e a r c hw o r ki nt h ef u t u r e w a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：p r o f i b u s d pf 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 ，b l o c ki om o d u l e ，p o w e r d i a g n o s e ，s h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o n 第一章绪论。 第二章 第三章 目录 1 1 现场总线技术简介1 1 1 1 现场总线技术的由来l 1 1 2 现场总线技术的特点2 1 1 3 现场总线的发展趋势2 1 2p r o f i b u s 简介3 1 3 国内外研究的现状3 1 3 1p r o f i b u s 现场总线在国外发展历程及现状3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 研究的目的与意义一5 1 4 1 课题研究背景5 1 4 2 课题研究内容与意义5 1 5 本章小结6 p r o f i b u s 现场总线技术要点7 2 1p r o f i b u s 概j 苤7 2 2p r o f i b u s 的类型7 2 3p r o f i b u s 的基本特征8 2 3 1p r o f i b u s 的协议结构8 2 3 2p r o f i b u s 现场总线传输技术1 0 2 3 3p r o f i b u s 总线数据链路层1 l 2 3 4p r o f i b u s 网络中的总线控制访问1 2 2 4p r o f i b u s d p 技术l3 2 4 1p r o f i b u s d p 基本特征1 3 2 4 2p r o f i b u s d p 设备类型和系统组态1 3 2 4 3d p 协议结构一1 4 2 4 4 帧字符与帧格式1 4 2 4 5p r o f i b u s d p 数据通信过程15 2 4 6 电子设备数据库文件( g s d ) 。1 7 2 5 本章小结1 7 p r o f i b u s d p 智能从站硬件设计1 8 3 1r o f i b u s d p 智能从站开发方案与器件选取1 8 3 1 1p r o f i b u s d p 智能化从站总体设计方案1 8 3 1 2 系统核心器件选型18 3 2p r o f i b u s d p 智能从站功能及要求2 l 3 3p r o f i b u s d p 智能从站硬件系统的总体结构2 2 3 3 1r o f i b u s d p 通信接口电路的硬件设计2 3 3 3 2 智能从站通用i o 接口电路设计2 4 3 3 3 设备接口的短路保护与诊断功能设计2 6 3 3 4 其他关键电路设计。2 7 3 4 硬件电路测试2 8 3 5 本章小结2 8 第四章p r o f i b u s d p 智能从站软件设计2 9 4 1p r o f i b u s d p 智能从站软件结构体系2 9 4 2 系统软件主要程序3 0 4 2 1 从站的初始化3 0 4 2 2 用户数据处理程序3 2 4 2 3 中断程序设计3 2 4 3 编制g s d 文件3 4 4 4 本章小结3 5 第五章组态通信及测试3 6 5 1 概述。3 6 5 2p r o f i b u s d p 智能从站测试平台的组态3 6 5 3 测试结果分析3 9 5 4 本章小结4 l 第六章课题总结与展望4 2 6 1 全文总结4 2 6 2 展望4 2 参考文献4 4 发表论文和科研情况说明4 6 致谢4 7 第一章绪论 1 1 现场总线技术简介 第一章绪论 现场总线作为一种先进的工业控制技术，实现了工业控制领域的网络化与信息管理 的集成化。现场总线将各个分散的、独立的现场测量以及控制设备变成网络上的节点， 网络节点通过现场总线连接成为可以互相通信的网络控制系统，共同完成工业自动控制 任务【1 1 。近几年来，它在制造工业、流程工业、交通工程、建筑工程和民用与环境工程 等方面的自动化控制系统中得到了广泛的应用，并向更多的应用领域发展拉j 。 现场总线是处于控制系统中最底层的通信网络，它可以连接各种现场自动化测控设 备，实现控制系统的双向数字通信。现场总线在控制系统中得到了广泛应用，使得控制 系统出现了现场测量及控制设备的数字化、多变量、双向数字通信和多个网络节点等特 点，各个网络节点之间通过物理介质交换数据信息。 1 1 1 现场总线技术的由来 2 0 世纪8 0 年代，计算机网络以及信息通信技术得到了飞速发展，但是处于生产过 程控制网络最底层的测量以及控制系统并没有随着计算机与通信技术的发展而得到改 善，现场设备之间仍然采用传统的一对一连线，使用模拟信号对现场设备测量与控制， 或者采用封闭的集散系统，阻碍了整个企业控制信息的数字化与集成化p j 。要全面实现 控制系统的高度数字化与信息的集成化，就必须采用一种新型的控制系统代替传统的一 对一连线，这种系统能在工业现场恶劣环境下稳定运行，工作性能可靠并且网络搭建成 本低廉，用新型控制系统构成的工厂底层测量与控制网络，能够实现多个现场自动化设 备之间的通信数字化，完成底层控制系统之间以及工业控制现场与企业管理层的信息交 换【4 】o 在这些工业控制需求的驱动之下，现场总线的概念由此而诞生，经过不断地发展， 工业控制领域中常见的现场总线有如下几种：基金会现场总线f f 、c a n 、l o nw b r k s 、 p r o f i b u s 、h a r t 、d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、p - n e t 等等【卯。 1 9 8 4 年，国际电工委员会( i e c ) 针对市场上多样化的现场总线，准备制定统一的现 场总线国际标准。然而，由于各公司以及企业之间利益的冲突，工业自动化领域之间存 在着较大的差异，再加上地域发展等因素，围绕现场总线技术的标准，各个公司与企业 之i 、日j 在进行了一场激烈的竞争后相互妥协，于1 9 9 9 年底制定了i e c 6 1 1 5 8 国际标准， i e c 6 1 1 5 8 国际标准并不是单一的标准，这个标准包括了f f 、p r o f i b u s 、c a n 等八种 现场总线【6 】。所以，在今后相当长一段时间之内，市场上将会有多种现场总线同时并存， 控制网络的系统集成与信息集成会面临复杂的局面。如今，现场总线技术的发展动向受 到系统终端用户和现场设备制造商的广泛关注，都在为自动化控制寻求寻求性能更优秀 第一章绪论 并且成本更低廉的解决方案。 1 1 2 现场总线技术的特点 1 、系统的开放性。 开放系统是指现场总线系统的通信协议完全公开，各公司和企业可以免费获得通信 协议标准，并按照其通信协议生产自己的设备，生产的设备之间可以相互连接并实现数 据的交换。用户可按照自己的需求和考虑，将来自不同供应商的产品组成任意大小的系 统，通过现场总线构建自动化领域的开放互连系统【6 1 。 2 、互操作性和互用性。 互操作性意味着不仅相互连接的现场总线设备之间可以进行信息的交换，不同的系 统之间也可以相互通信，网络上的节点之间的数字通信可以是点对点或一点对多点的方 式；而互用性可以实现不同生产厂家的功能类似的设备之间进行相互替换。 3 、现场设备的智能化和功能化。 在现场总线系统中，系统的信号测量、补偿计算、数据处理与系统控制任务可以分 配给各个现场智能设备完成，并且可以通过诊断报文随时对总线系统终端设备的运行状 态进行监测。 4 、系统结构的局布分散性。 现场总线展现了一种新的分布式控制系统的体系结构，相对于d c s 系统的集中与 分散相结合的集散控制体系而言，现场总线系统不仅简化了系统的结构，系统的可靠性 也得到了大幅度提升。 5 、对现场环境的适应性。 现场总线可以适应各种现场环境，数据传输的物理介质可以采用双绞线、同轴电缆、 光缆、射频、红外线、电力线等，具有优秀的抗干扰性能，并且可以满足安全、防爆等 要求。 6 、高性能低成本。 现场总线技术实现了现场底层设备的智能化，从而使得现场设备之间能够采用一点 对多点的通信方式，这不仅降低了系统的硬件、软件成本和辅助成本，也使得系统的性 能得到大幅度的提高【7 l 。 1 1 3 现场总线的发展趋势 今后，随着网络与计算机技术的不断发展现场，总线的发展集中体现在以下四个方 面： l 、现场总线的标准化。随着大量的现场总线的示范工程和示范工厂的建立，现场 总线技术在中国迅速发展，中国应积极按照i e c 的标准开展工作。 2 、现场总线逐渐转向工业以太网【8 1 。市场和技术发展需要统一标准的现场总线，将 以太网( e t h e m e t ) 和t c p i p 技术应用于现场总线将是一个新的亮点。 3 、由于没有单一的标准，在今后一段时问内多种现场总线既相互竞争又相互共存， 同时多种现场总线也可共存于同一个控制系统中。 2 第一章绪论 4 、管控一体化。从现场控制层到管理层，全面的无缝信息集成( 即管理控制一体化) 能给企业带来整体效益【9 1 。 1 2p r o f i b u s 简介 1 9 8 7 年，德国西门子等1 3 家公司和5 家科研机构联合开发- j p r o f i b u s 现场总线， 1 9 9 1 年，p r o f i b u s 成为德国的国家工业现场总线协议标准d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年成为欧洲 标准e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 8 年，p r o f i b u s p a 被批准加入e n5 0 1 7 0v 2 ，1 9 9 9 年成为国际标准 i e c 6 11 5 8 的八种总线之一( t y p e l i i ) 。 如今，p r o f i b u s 已经成为一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总 线标准【1 0 】。p r o f i b u s 技术在欧洲、美洲和亚洲的一些发达国家已发展成熟，并被广泛 应用于制造业自动化、流程工业自动化、楼宇自动化、交通控制、电力等自动化领域。 p r o f i b u s 主要用于工厂自动化车间级监控系统和现场设备层数据的通信与控制， 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。p r o f i b u s 标准主 要包括三个部分组成：p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 。分别应用 于不同的控制场合。 p r o f i b u s d p 是一种经过优化的、高速的、低成本的通信连接，能满足设备级分 布式控制系统的实时性、稳定性和可靠性的要求，专为自动控制系统和设备级的分散i o 之间数据通信而设计；p r o f i b u s p a 是专为过程自动化设计，数据传输采用i e c l 1 5 8 2 标准，设备供电采用总线供电方式，支持本质安全要求；p r o f i b u s - f m s 主要用于车间 级( 工厂、楼宇自动化中的单元级) 控制网络，完成中等数据传输速度的循环和非循环通 信任务。 1 3 国内外研究的现状 1 3 1p r o f i b u s 现场总线在国外发展历程及现状 p r o f i b u s 于1 9 8 7 由1 3 家企业和5 所研究机构联合开发，经过2 0 多年的不断发 展与实际应用；p r o f i b u s 不仅被批准为国际标准i e c 6 1 1 5 8 所规定的八种现场总线之 一，也被批准成为中国的机械行业标准j b t 1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 。目前，p r o f i b u s 是欧洲乃 至全球应用最广泛的现场总线系统，它具有通信速率高且系统成本低廉的特性，全球大 多数厂商的p l c 产品和自动化设备产品都提供p r o f i b u s 通信接1 2 1 ，这其中包括各种 传感器、变送器、气动阀、电磁阀和继电器等】。截至2 0 0 5 年，全球已有上百家企业( 如 著名的s i e m e n s 、a e g 、a b b 、w o o d h e a d 公司等) 加入p r o f i b u s 组织，开发出 的产品多达2 5 0 0 多种，已经有超过一千万个p r o f i b u s 总线网络节点成功应用于工业 自动化领域。 经过2 0 多年的发展与完善，p r o f i b u s 已经成为一种国际化的、开放的、不依赖 于设备生产商的现场总线标准现场总线标准。p r o f i b u s 是唯一能够为制造工业、楼宇 第一章绪论 自动化和过程自动化提供统一解决方案的现场总线。p r o f i b u s 总线标准包括3 个方面 内容：p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s p a 。p r o f i b u s 技术在欧洲、 美洲和亚洲等国家和地区已广泛应用于各自动化控制领域，并且形成了全面的、系列化 的产品，据调查，p r o f i b u s 在德国占有4 3 的市场，在欧洲占有4 1 8 t 1 2 1 。 1 3 2 国内研究现状 1 9 9 6 年1 2 月，北京机械工业自动化研究所和西门子公司首次将p r o f i b u s 技术和 产品引进了中国，中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会( c p o ) ，于次年7 月成立，1 9 9 8 年建立了p r o f i b u s 系统集成和演示实验室，2 0 0 0 年被p r o f i b u s 国际组织( p i ) 批 准为中国p r o f i b u s 技术支持中心( c p c c ) ，并于2 0 0 1 年建立了中国p r o f i b u s 产品 测试实验室【1 3 1 。目前，c p o 拥有超过1 4 0 个会员，且数量在不断增加，其中大约有3 0 多家公司和企业从事p r o f i b u s 通信接口或总线设备的研究，据调查，p r o f i b u s 在 我国现场总线市场的占有率超过3 0 以上，在各种现场总线中居第一位。 p r o f i b u s 在我国的应用覆盖了汽车制造、纺织、造纸、交通信号系统、食品、化 工以及电力等多种行业。虽然p r o f i b u s 在中国的自动化领域早已得到广泛的应用，但 对它的协议的研究，国内起步还是相对较晚，在相当长的一段时间内，对于p r o f i b u s 的研究仅局限在其成套产品的应用以及总线接口之外的上层设备开发，如总线系统p l c 的编程等【1 9 】。近年来，包括上海交通大学、华中科技大学、西安电子科技大学和浙江大 学等高校，以及北京鼎实科技有限公司和北京亿维特控制技术有限公司等一些经过西门 子公司授权的现场总线技术合作伙伴，他们开始了对p r o f i b u s 总线协议及其底层通信 接口的深入研究。 p r o f i b u s 智能从站的大致可以划分为三类： 第一类是可编程逻辑控制器( p l c ) ：常见的设备有西门子的s 72 0 0 3 0 0 4 0 0 系列、 三菱q 系列等传统型p l c 以及基于p c 方式利用w i n p l c 、s o f t p l c 等软件包实现的“软 p l c 。它们不仅可以作为p r o f i b u s 的从站，也可以组态成为p r o f i b u s 的主站。p l c 本身具有一定的存储空间，c p u 通过执行用户程序指令驱动用户i o 接口。p l c 具有 p r o f i b u s 总线通信接口，在存储器中预留有一段与主站通信时的共享数据区域。从站 p l c 根据主站的程序指令驱动其l j o 接口【1 4 】。此类设备的硬件与软件技术核心都被西门子 等大型国外公司所垄断，国内对于此类设备的研究以应用为主，很少有高性能的具有自 主知识产权的此类产品。 第二类为分布式i o ：又称远程i o ，常见的设备有西门子e t 2 0 0 系列i o 模块，通常 由通信接口模块、数字量和模拟量输入输出模块等组成。e t 2 0 0 通过通信接口模块接收 来自主站的指令，按照主站传送的用户指令驱动自身的i o ，同时，p r o f i b u s 还允许 e t 2 0 0 将设备的故障诊断等信息反馈给主站。分布式i o 对通信的要求较高，国内市场上 的此类产品大多为国外品牌。 第三类是带有p r o f i b u s 总线通信接口的传感器，变频器、电磁阀、编码器等现场 设备。此类设备可由主站对其进行参数的配置，完成与主站交换现场数据的任务。此设 备又可分为两种，一种是现场设备本身就设计了p r o f i b u s 总线通信接口，通信功能固 4 第一章绪论 化在了产品内部，此类设备在国内市场上依旧是国外品牌居多，产品性能优秀，且使用 方便，但是价格昂贵【1 5 】；第二种是现场设备是普通设备，没有总线通信功能，需要对设 备进行改造，为设备外接p r o f i b u s 通信接口后一同构成从站。 1 4 研究的目的与意义 1 4 1 课题研究背景 基于p r o f i b u s d p 开放式协议的b l o c ki o 模块，可以实现总线、电源、i o 现 场设备全部以接插件方式连接，具有连接快速方便的优点。由于p r o f i b u s 起源于欧洲， 经过不断地发展与完善，p r o f i b u s 在很多发达国家与地区得到了广泛的应用。而基于 p r o f i b u s d p 的b l o c ki o 产品技术核心也为国外公司所掌握，其产品技术成熟，占 领了绝大多数市场，在国内此产品常见的品牌有德国的t u r c k 、美国的w o o d h e a d 和菲尼克斯。 现阶段，我国对于p r o f i b u s d p 的研究仍然主要以p r o f i b u s d p 成套设备的应用 为主，但是，在主站设备和从站设备的研究上也取得了一定的进展，开发出了一些 p r o f i b u s d p 从站i o 单元。而对于总线型b l o c ki o 的研究则比较少，国内几乎没有 自主产权的生产厂家。 国外品牌的总线b l o c ki o 产品性能优越，但是大多价格昂贵，而且有些产品不具 备有完备的保护与诊断功能，只是单一的数字量输入与输出。国内自主研发的产品虽然 价格低廉，但总体性能和产品功能与国外产品相比较为薄弱。 1 4 2 课题研究内容与意义 现场总线是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，它在制造业、流程控制工 业、交通、电力、楼宇等方面的自动化系统中得到了广泛的应用。p r o f i b u s 现场总线 作为国际标准的现场总线中的一种，具有可靠性高实时性强和灵活性好的特点，被公认 为最具有发展前景的现场总线之一。 本文针对p r o f i b u s d p 现场总线以及b l o c ki o 产品在我国的应用和研究现状， 以降低产品成本，使b l o c ki o 关键技术自主产权化为目的，在研究了p r o f i b u s d p 通信协议的基础上，详细介绍了p r o f i b u s d p 智能从站b l o c ki o 模块的实现方法。 本课题的研究内容主要有： l 、研究熟悉p r o f i b u s d p 通信原理及协议内容，主要研究数据链路层协议，了解 其协议实现方式以及过程，熟悉p r o f i b u s d p 协议通信芯片s p c 3 的结构；在上述基础 上深入研究采用单片机+ s p c 3 来实现p r o f i b u s d p 通信功能； 2 、研究b l o c ki o 接口电路的短路保护与诊断功能的实现，以及完成其他各部分 功能设计； 3 、完成智能通信接口软件的设计以及从站c p u 间的交互协议的制定，从而实现完 整的p r o f i b u s d p 通信协议，并编写g s d 文件； 5 第一章绪论 4 、搭建以p l c 为主站的单主从p r o f i b u s d p 网络来测试b l o c ki o 的通信功能， 并对用户接口短路保护与诊断等其他功能进行测试。 近年来，由于p r o f i b u s 技术发展趋于成熟，在全球拥有着广泛的应用实例以及巨 大的市场占有率，在国内也已经被批准成为机械工业标准，因此开发p r o f i b u s d p 从 站产品在技术可行性和市场意义上都具有一定的优势。 基于p r o f i b u s d p 开放式协议的b l o c ki o 产品，可以实现总线、电源、i o 全部 以接插件方式连接，将现场非智能设备方便的接入现场总线控制系统，输出可接继电器、 电磁阀等执行器，输入可接传感器或机械触点，实现非智能现场设备的数字化通信以及 智能化控制，其连接快速方便的特点使其得到广泛的应用。 但是目前我国对于p r o r b u s d p 技术的应用和研究主要以系统集成和工程应用为 主，许多支持p r o f i b u s d p 协议的b l o c ki o 产品都是国外大公司直接提供的，这些 公司垄断了b l o c ki o 产品的核心技术，而国内又鲜有生产此类产品的厂家，从而导致 了p r o f i b u s d p 总线系统的成本增加，阻碍了p r o f i b u s d p 技术在我国的应用及发展。 因此本课题对p r o f i b u s d p 的b l o c ki o 的关键技术进行研究，降低产品成本， 研制开发具有自主知识产权的支持p r o f i b u s d p 开放式协议的b l o c ki o 产品，以实 现非智能现场设备的数字化通信，推广现场总线在我国自动化控制领域的应用，促进我 国自动化仪表产业的智能化发展进程。 1 5 本章小结 本章首先总体介绍了现场总线的概念以及其产生背景、特点和发展趋势，然后叙述 - j p r o f i b u s 现场总线标准的发展和国内外对于p r o f i b u s 现场总线的研究，最后阐述 了本课题的研究背景以及研究的内容与意义。 6 第二章p r o f i b u s 现场总线技术要点 第二章p r o f i b u s 现场总线技术要点 2 1p r o f i b u s 概述 p r o f i b u s 是一种面向工业自动化、流程自动化的现场总线标准，具有国际化、开 放以及应用广泛等特点，适用于通信速度快、实时性要求严格并且可靠性要求高的通信 任务。p r o f i b u s 是由分布式控制思想发展而来的，最初的设计构想是基于扩展 m p a m m s 标准的思想，目的是建立一个基于客户朋艮务器结构的、面向对象的、适应工 厂上下各层的工业通信系统。 p r o f i b u s 在i e c 国际标准中占有两项标准，在国际的现场总线市场上也占据了超 过2 0 的份额。据统计，截止至1 1 2 0 0 3 年底，p r o f i b u s 在全球范围内有5 0 多万个应用实 例，将近1 0 0 0 万个应用节点应用在自动化领域中。2 0 0 5 年全年增长了2 8 0 万个，2 0 0 7 年 总的节点数超过2 0 0 0 万个【1 6 】。全球包括s i e m e n s 、a b b 等在内的1 2 0 0 多个制造商在生 产和开发p r o f i b u s 平台、通信芯片以及应用软件。在德国，有9 0 的工厂自动化检测 和控制设备上都配有p r o f i b u s 标准通信接口。凭借着p r o f i b u s 标准中涵盖了各种需 求的各个子集规约的优势，如d p 、p a 、p r o f i n e t 等，其技术已经发展到了全面成熟的 阶段，p r o b i b u se n a b l e 产品覆盖了制造业自动化、楼宇自动化、交通管理自动化、过 程自动化及电子工业和电力输送等行业。 在中国，1 9 9 6 年1 2 月，机械工业部北京机械工业自动化研究所和s i e m e n s 公司在北 京联合举办了p r o f i b u s 技术介绍会，首次将p r o f i b u s 技术和产品引进中国工业界。 1 9 9 9 年7 月成立了中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会。目f i i j c p o 有1 4 0 多个会员单位， 其中有3 0 多家公司正在从事p r o f i b u s 总线产品的研发。有关p r o f i b u s 的研究已从单 纯的应用发展到系统级产品的开发、实时性能分析与提高等更深层次的研究。 p r o f i b u s 自1 9 9 7 年进入中国后，凭借其自身的优点，市场发展极为迅速。据c p o 的调查结果显示，p r o f i b u s 在北京周边企业的市场占有率为4 0 0 旷5 0 ，而在国内市场 占有率至少在3 0 4 0 以上【l 引。 2 2p r o f i b u s 的类型 p r o f i b u s 现场总线标准实际上是指一组协议与应用规约的集合，其核心是基于 t o k e np a s s i n g 的主从轮询协议，主要使用在数据链路层上，而p r o f i b u s 不同的子集 部分则使用不同的物理层规约和应用层规约。严格地说，p r o f i b u s 并没有定义o s i 模型的应用层，而是用定义多个应用p r o f i l e s 来表示。不同的物理层与不同的规约子集 的组合就构成了p r o f i b u s 中一系列应用规范定义子集，这些应用规范子集之间的区别 主要体现在应用对象以及应用场合不同【1 9 】。p r o f i b u s 总线标准包括p r o f i b u s - f m s 、 7 第二章p r o f i b u s 现场总线技术要点 p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、p r o f l d r i v e r 、p r o f l s a f e 以及p r o f i n e t 这几个重要 的子集部分。 p r o f i b u s f m s 是p r o f i b u s 最早定义的用户界面规约。主要用于车间级监控网 络，是一种具有令牌环结构，实时的，多主站的通信网络 2 0 1 。f m s 主要定义了主站之间 的通信协议，目的是在信息交换应用层次上定义多主站系统间的统一的通信报文规范， 满足针对车间或一条流水线层面上的实时控制任务，重点在于提供大范围下的车间控制 层的、中等速度的、循环和非循环通讯服务。 p r o f i b u s d p 专门为自动控制系统和设备级分散i o 之间的通信设计的，是一种 优化的、高速的、低成本的通信连接，可用于对数据传输速率要求较高的分布式控制系 统【2 2 1 。主要的应用于工厂现场层，完成p l c 、自动控制设备、变频器、传感器、电磁阀 等现场设备之间快速可靠的循环通信任务。 p r o f i b u s p a 是专为过程自动化而设计的，系统设备供电与信号传输采用同条一 电缆，具有本质安全的特点，用于对安全性要求较高或现场设备由总线供电的场合。由 于采用总线供电的数据传输方式，p r o f i b u s p a 可大幅度节约系统搭建以及维护成本， 并增加了系统的安全性与可靠性，常与f m s 、d p 系统混合使用。 传统意义上的p r o f i b u s 系统包括以上3 种p r o f i b u s 规范子集，随着近年来 p i ( p r o f i b u s 国际组织) 的发展壮大以及计算机网络技术的发展，p r o f i b u s 标准又添 加了如下几种用户界面规约： p r o f i d r i v e r ：主要用于运动控制方面，用于对诸如各种变频器和精密动态伺服控制 器的数据传输通信； p r o f i s a f e ：针对控制可靠性要求特别高的场合，如核电站、关键的快速制造设备 的控制，p r o f i s a f e 提供了严格的通信保证机制【2 3 】。但是，目前国内市场上还没有出现 相关的产品； p r o f i n e t ：随着以太网技术由企业网络的管理层向现场设备层渗透，以大规模的信 息集成为目的，p i 组织又发展了这种集成了以太网通信机制和p r o f i b u s 界面规范的 子集，称作p r o f i n e t 。其通信的基础建立在交换式以太网和t c p i p 协议的基础上【2 4 1 。 2 3p r o f