（机械制造及其自动化专业论文）基于profibusdp现场总线智能从站的开发与研究.pdf

内容提要 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之 间实行双向、串行、多节点数字通信的技术，它是当今自动化领域的发展热点之 一。在现有的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 总线是一种比较流行的现场总线 标准，目前p r o f i b u s 技术已广泛应用于加工制造、过程控制和楼字自动化等领 域，是目前世界上应用的最成熟的现场总线技术之一。国内现在p r o f i b u sd p 的应用主要还局限于现成的成套设备，自主开发p r o f i b u sd p 从站通信接口的应 用还比较少。开发p r o f i 叫s d p 从站接口，使国产设备能连接到p r o f i b u sd p 总线中，具有推动我国仪表业的智能化进程和现场总线发展的重要意义。本文基 于对拆箱机器人产品现场总线的改进，以拆箱机器人中d p 从站开发和实践为研 究方向，重点研究了p r o f i b u sd p 协议、i e c 6 1 1 5 8 国际标准、e n 5 0 1 7 0 欧i f f f 标准、 a s i cs p c 3 芯片的协议规范和使用，并提出了通过s p c 3 和8 9 s 5 2 搭接硬件电路 实现p r o f i b u sd p 从站的方案，编写了程序、加入自主开发的g s d 文件，并通 过搭建基于s 73 0 0p l c 的实验测试系统进行调试，通过在线监控，验证了本系 统的可行性。最后，本文对整个课题的工作进行了回顾和总结，并对课题未来进 一步研究方向提出了展望。 关键词：s p c 3 ，现场总线，p r o f i b u s d p ，智能从站 a b s t r a c t f i e l d b u si sak i n do ft e c h n o l o g yt h a ti su s e di nm a n u f a c t u r el o c a l e ， t h i st e c h n o l o g yc a r r i e so u tb i d i r e c t i o n a l 、s e r i a l 、m u t i n o d ed i g i t c o n u n i c a t i o nb e t w e e nl o c a l e q u i p m e n t s ，b e t w e e nl o c a le q u i p m e n ta n d c o n t r o le q u i p m e n t f i e l d b u si so n eo ft h ea u t o m a t i o nd e v e l o p m e n th o t a m o n ga l le x i s t i n gf i e l d b u ss t a n d a r d s p r o f i b u si sm o r ep o p u l a r a t p r e s e n t p r o f i b u sw i d e l ya p p l i e si nm a n u f a c t u r e 、p r o c e s sc o n t r o la n df l o o r a u t o m a t i o n 。i ti so n eo ft h em o s tm a t u r ef i e l d b u st e c h n o l o g yi nt h ew o r l d t h ea p p li c a t i o n sa n dr e s e a r c h e so np r o f i b u sd pi no u rc o u n t r ya r em a i n l y t h ew h o l es e to fe q u i p m e n t s ，w h i l et h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e v e l o p e d a n dr e s e a r c h e di n d e p e n d e n t l yi sv e r yf e w s oi ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n t t od e v e l o pp r o f i b u s d ps l a v e ri n t e r f a c ea n dl i n ko u ro w ne q u i p m e n tt o p r o f i b u sd pf i e l d b u s b a s eo nt h ef i e l d b u sa m e l i o r a t i o no fd i s a s s e m b l er o b o t ，t h i sp a p e r m a k e sd ps l a v e rd e s i g na n dp r a c t i c ei nd i s a s s e m b l er o b o ta st h er e s e a r c h d i r e c t i o n ，e m p h a s i z e st os t u d yt h ep r o t o c o lo f p r o f i b u s d p 、i e c 6 1 1 5 8 i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 、e n 5 0 1 7 0e u r o p es t a n d a r d 、t h ep r o t o c o la n du s a g e o fa s i cs p c 3 b yu s i n go fs p c 3a n d8 9 s 5 2 t h i sp a p e rp r e s e n t sp r o f i b u s d ps l a v e rp r o j e c t ，c o m p i l e sp r o g r a m , a d d sg s df i l e t h e nb a s eo nt h e e x p e r i m e n ts y s t e mo fs 73 0 0a n dw a t c h i n go n i i n e t h i sp a p e rv a l i d a t e st h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew h o l ew o r k o ft h et a s k ，a n db r i n g sf o r w a r dt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n c h e n h a o ( m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yw u o i p i n g k e yw o r d s - * s p c 3 ，f i e l d b u s ，p r o f i b u s p - d p ， i n t e l l i g e n ts l a v e r 插图清单 图2 1p r o f i b u s 组成结构图”7 图2 2i s o 参考模型及p r o f i b u s 协议模型“8 图2 3r s 4 8 5 总线段结构一一l o 图2 4 非归零码信号一一l o 图2 5r s 4 8 5 的9 针口分配图1 2 图2 6 总线存取协议方式1 4 图2 7 单主站和多主站配置图一2 l 图2 8 主从站之间的任务关系2 5 图2 9d p 从站初始化阶段的主要顺序2 6 图2 1 0d p 主站与d p 从站循环的交换用户数据2 9 图2 1 1d p 从站报告当前的诊断中断一如 图2 1 2p m f i b md p 循环的结构一如 图2 1 3 固定的p r o f i b u sd p 循环的结构一3 l 图2 1 4p r o f i b u s 从站状态机制“3 2 图3 1d p 主站与d p 从站循环的交换用户数据一3 8 图t l 从站硬件设计总框图一5 4 图4 28 9 s 5 2 控制图5 5 图4 38 9 s 5 2 和s p c 3 接线图5 7 图4 4r s 4 8 5 驱动接口电j 咯一5 8 图4 5 复位电路6 0 图4 6 电源电路一6 2 图4 7i s p 下载电路一6 3 图5 1 主程序流程图。一6 5 图5 2 初始化程序流程图6 7 图5 3 中断程序流程图7 0 图5 4g s d 文件加载后的组态图7 4 图6 1 测试平台搭建图7 7 图6 2 铡试平台硬件组态图7 8 图6 3 测试平台监控图一7 8 图6 4 拆箱机组态图7 9 插表清单 表2 1p r o f i b u s 三版本对比表7 表2 2p r o f i b u $ d p 电缆线参数1 l 表2 3 数据链路层4 种服务对比表1 7 表2 4 各类d p 设备问的通信关系2 4 表3 1p r o f i b u s 协议芯片对比表3 6 表3 2 复位状态下信号总线接口信号表3 9 表3 3s p c 3 管脚分配表。4 l 表3 4s p c 3 存储区分配表4 2 表3 5s p c 3 内部锁存器分配表( 读) 。4 3 表3 6s p c 3 管脚内部参数锁存器分配表( 写) 。4 4 表3 7 s p c 3 组织参数分配表一4 5 表3 8s p c 3 方式寄存器0 分配表( 地址0 6 h 、0 7 h ) 4 7 表3 9s p c 3 方式寄存器l s ( 地址0 8 l i ) 和方式寄存器1 r ( 地址凹l i ) 分配表4 9 表3 1 0s p c 3 状态寄存器分配表( 只读，地址0 4 h 。0 5 h ) 4 9 表3 1 ls p c 3 中断请求寄存器分配表( 可写、可读，地址h 、0 1 h ) 。s l 表3 1 2s p c 3i r 、耵垤r 、i a r 寄存器分配表s 2 表4 1m a x 4 8 5 芯片和6 n 1 3 7 芯片引脚表s 9 表4 2i m p 7 0 6 p 芯片引脚表加 表4 3 l m 2 5 7 6 芯片引脚表6 2 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得扭越型堂班宜院或其 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谢意。 学位论文作者签名：1 饥潍 签字日期：伊彩年r , 9f f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越型堂婴塞瞳有关保留、使用学位论文的规 定，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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权扭越登堂婴究院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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 。文。 j 每 学位论文作者签名：7 投；苫 签字日期：杪衫年j ，月j 1 日 导师签名： 积泐 签字日期渺本歹月，日 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第一章 第一章引言 1 、课题研究的意义和背景 计算机、控制和通信技术( 3 c 技术) 的迅猛发展，导致了自动控制领域的 深刻变革，使自动控制系统发生日新月异的变化现场总线系统是这次深刻变革 的主力，它打破了传统控制系统的结构形式，采用智能现场设备，使得控制系统 功能能够直接在现场完成，实现彻底的分散控制由于采用数字信号替代模拟信 号，可实现一对电线上传输多个信号( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故 障信息) 。同时又为多个设备提供电源。这就为简化系统结掏、节约硬件设备、 减少连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 目前国际上现场总线种类繁多，现场总线标准委员会于2 0 0 1 年8 月制定出 由1 0 种类型现场总线组成的第三版现场总线标准，这些现场总线技术在中国都 有用户，但是绝大多数用户都只是在简单使用他们的功能，没有对现场总线进行 深层次的研究，现场总线核心技术，仍掌握外国公司手中，国内比较欠缺。因此 我们只有学习和研究国外先进技术的基础理论，使它为我所用，才能使我们在国 际竞争激烈的工业控制领域占有一席之地。 在众多的现场总线中，p r o f i b u s 现场总线是其中最具影响力的现场总线之 一，它有总线传输速度高，可应用于对时间要求苛刻的复杂控制系统，包含多种 行规以保证不同厂家产品之间的通用性等特点。其中他在国内应用量最多，但是 这些使用中大多是引进成套设备或是对关键设备进行二次开发和应用，真正进行 底层开发工作的寥寥可数。其中对p r o f i b u s d p 从站方面的研究工作，在国内还 非常少，而且价格非常高，然而国内生产的很多智能仪表及设备，包括传感器、 执行器、阀门、马达，继电器、开关电源在现场使用中都要接入p r o f i b u s - d p 中，为了推广和积累这方面的基础知识，降低开发的成本，进行p r o f i b u s d p 从站的开发和研究具有非常重要的意义 拆箱机器人是机械科学研究院1 9 9 9 年承接的国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 。机器人化立体仓库使用工程”项目，研制出了处于生产线的最前端，起 - 2 机械科学研究院硕士学位研究生论文第一牵 到立体仓库与生产线接口作用的拆箱机器人。它是由机械、电气和气动等部分组 成的综合设备。从研制至今我院拆箱机已经发展到第三代- - c x j 0 0 3 ，它的研制成 功解决了人工拆箱工作效率低下，劳动强度大，拆箱作业环境差等缺点，促进了 物流自动化的发展。拆箱机器人内部使用的是p r o f i b u s - d p 现场总线，但是接入 其中的都是现成的d p 从站设备( 如变频器等) ，很多远程的i o 传感器还是使用 以前的一对一接线方式，接线的劳动量比较大，为了简化接线、降低成本、减少 接线和维修的劳动量，提出了本课题，对拆箱机器人产品现场总线的进行了改进。 2 、论文主要内容 论文本着拆箱机器人中d p 从站开发和实践的研究方向，重点研究积累了 p r o f i b u sd p 协议、i e c 6 11 5 8 国际标准、e n 5 0 1 7 0 欧洲标准、a s i cs p c 3 芯片的 协议规范等方面的知识，在此基础上提出了通过s p c 3 和8 9 s 5 2 搭接硬件电路实 现p r o f i b u sd p 从站的方案，并通过搭建基于s 73 0 0p l c 的实验测试系统进行 调试，验证本系统的可行性。第一章是引言部分，本章分析了的课题研究的意义 和背景，然后给出了本课题的论文研究的主要内容。第二章首先分析了现场总线 的基本概念，然后研究了p r o f i b u s 现场总线组成，协议结构和通信模型，探讨 了p r o f i b u s 总线物理层、数据链路层、应用层的实现方式，分析了p r o f i 乳s d p 总线的通信顺序；接着综述了p r o f i b u s - d p 现场总线功能、设备类型、数据交 换等；最后介绍p r o f i b u s d p 从站的状态机的实现方式和g s d 文件。第三章首 先介绍了本论文开发方案的确定，然后详细研究探讨了西门子芯片s p c 3 的引脚、 存储器分配和参数分配等。第四章是p r o f i b u s d p 智能硬件设计部分，首先确定 了课题所采用的设计方案，选用8 9 s 5 2 和s p c 3 芯片，详细分析了智能从站系统 硬件总体结构以及各部分接口的具体设计。第五章细致地阐述了软件方面总体设 计、功能模块设计以及中断模块设计的思路：最后讲解了g s d 文件的具体内容， 并给出了本文涉及到的g s d 文件。第六章是组建测试平台来测试结果，在建立 实验测试平台的基础上，详细阐述了对所开发的从站进行通信测试的步骤，演示 了测试结果，并对结果进行了分析。第七章对整个课题的工作进行了回顾和总结， 并对课题未来进一步研究方向进行了展望 机械科学研究院硕士学位研究生论文第二章 第二章p r o f i b u s 总线和p r o f i b u s - d p 通信协议的研究 1 、现场总线的概念 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分算、全数字 化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m i s s i o n ) 的定义为：现场总线是一种 应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、 多节点数字通信的技术，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线是当今自动化领域的发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域 网。它作为工业数据通信的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更 高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型 全分布式的控制系统。它的意义不仅仅在于用数字仪表代替模拟仪表，更重要的 是这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的综合技术，导致整个 自动化控制系统的结构产生了根本性的变革。现场总线技术在制造业、流程工业、 交通和楼宇等领域的自动化系统中具有广阔的应用前景。 现场总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。现场总线通信协 议的基本要求是响应速度和操作可预测性的最优化。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，他为引入智能现场仪 表提供了一个开放平台，导致了现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 的出现。现场总线控制系统成为继基地式气动仪表控制系统、电动单元 组合式模拟仪表控制系统、数字计算机集中式控制系统和集散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 后的新一代控制系统。 1 1 、现场总线的特点 结构上，现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式，采用智能现场 设备，使得控制系统功能能够直接在现场完成，实现彻底的分散控制由于采用 数字信号替代模拟信号，可实现一对电线上传输多个信号( 包括多个运行参数值， 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源。这就为简化系统结构、 节约硬件设备、减少连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 技术上，系统具有开放性，互可操作性与互用性；现场设备实现了智能化和 功能自治；系统结构高度分散，现场总线已构成了新的分散性控制系统的体系结 构。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设才，安装到正常生产运行及检修维护，都具有优越性。现场总线系统的优点主 要体现在以下几个方面：l 、节省硬件数量与投资；2 、节省安装费用；3 、节省 维护开销；4 、用户具有高度的系统集成自主权；5 、提高了系统的准确性与可靠 性。此外，由于现场总线设备标准化、功能模块化，还具有设计简单，易于重构 等特点。 1 2 、现场总线的种类 根据使用场合和用途不同，现场总线又分为h 1 低速现场总线和h 2 高速现场 总线。i e c s c 6 5 c 最初定义h 1 总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线 向现场装置供电的低速串行总线，h 2 总线为无需解决两线制供电，用于装置间 传送信息的高速串行总线。h 1 和 1 2 总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统 信息通信网络。 经过长达1 5 年的争论，i e c 6 1 1 5 8 用于工业控制系统的现场总线国际标准于 2 0 0 0 年初终于获得通过，现场总线之争逐渐随之退潮，i e c s c 6 5 c w g 6 现场总线 标准委员会到此也完成了历史使命。为了进一步完善i e c 6 1 1 5 8 标准，i e c s c 6 5 c 成立了m t 9 现场总线修订小组，继续这方面的工作。m t 9 工作组在原来8 种类型 现场总线的基础上不断完善扩充，于2 0 0 1 年8 月制定出由l o 种类型现场总线组 成的第三版现场总线标准，它们是：t y p e lt s 6 1 1 s 8 现场总线、t y p e 2c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p 现场总线、t y p e 3p r o f i b u s 现场总线、t y p e 4p - n e t 现场总线、 t y p e 5f fh s e 现场总线、t y p e 6s w i f t n e t 现场总线、t y p e 7w o r l d f i p 现场总 线、t y p e 8i n t e p m u s 现场总线、t y p e 9f fh 1 现场总线以及t y p e l op r o f i n e t 现场总线，该标准于2 0 0 3 年4 月成为正式国际标准。 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 2 、p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s 现场总线全称为p r o c e s sf i e l d b u s ，是1 9 8 6 年以德国西门子公 司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的现场总线技术。现在已成为德国国 家现场总线标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准的e n 5 0 1 7 0 现场总线标准，并被列入 i e c 6 1 1 5 8 国际标准。目前p r o f i b u s 技术已广泛应用于加工制造、过程控制和 楼宇自动化等领域，是目前世界上应用的最成熟的现场总线技术之一。 p r o f i b u s 定义了串行现场总线系统技术特征，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与控制的现场总线技术。可以实现从现场级到车间 单元级使分散的数字可编程控制器形成网络。p r o f i b u s 总线允许多个各自带外 设的自动控制系统、工程系统或可视化系统等在一条总线上运行。系统分为主站 和从站，主站决定总线的数据通信，当主站得到控制权( 令牌) 时，没有外界请 求也可主动发送信息。从站为例如输入输出装置、阀门、各种变送器和测量仪表 等外围设备。从站没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请 求时给出回应信息。 p r o f i b u s 根据应用特点和领域可分为p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f j i s ， p r o f i b u s p a 三个兼容版本。他们将通信网络主要分为3 级：工厂一级使用工业 以太网络最后再接入因特网，车间单元一级采用p r o f i b u s 一刚s 总线，现场一级 使用p r o f i b u s d p 总线和p r o f i b u s p a 总线，其三级连接框图如图2 i 所示 p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f c a t i o n 现场总线报文规范) ：主要 用于车间级通用型通信网络，是一个令牌结构，实时多主网络。它提供大量的通 信服务，可完成中等传输速度的循环和非循环通信任务。用于纺织工业、楼宇自 动化、电气传动、传感器、执行器、可编程控制器、低压开关设备等一般自动化 控制。 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 p r o f 图2 1p r o f l b m 组成结构图 p r o f i b u s - p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n 过程自动化) ：专为过程自动化设计， 标准的本质安全的传输技术，实现了i e c l l 5 8 - 2 中规定的通信规程，适用于对 安全性要求高的场合及由总线供电的站点。 p r o f i b c s 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) ：可提供优化的 高速而廉价的通信连接，专门为自动控制系统和设备级分散i o 之间通信设计。 使用p r o f i b u s - d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或o 2 0 m a 并行信号，用于分布 式控制系统的高速数据传输。它有快速、即插即用、高效低成本的优点。 表2 i 为三个兼容版本的比较表。 表2 1p r o f i b u s 三版本对比表 类型 p r o f i b u s d pp r o f i b u s - l sp r o f i 叫s _ p a 应用范围工厂自动化通用自动化过程自动化 主要特性快速 通用面向应用 优点即插即用高效低成本大范围应用多主通信总线供电本质安全 近几年，p n o ( p r o f i b u sn u t z e ro r g a n i s a t i o n ) 为了提高p r o f i b u s 总线的 性能，推出了新版本的p r o f i b u s - d p v i 和p r o f i b u s - d p v 2 ，扩展了d p 的功能。 详见后文3 2 节中关于p r o f i b u s - d p 扩展功能的介绍 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 2 3 、p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 的协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互连( o s i ， o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 作为参考模型的o s i 模型由七层组成，并分成 两类。一类是面向用户的第五层到第七层，另一类是面向网络的第一层到第四层。 第一层到第四层描述数据从一个地方传输到另一个地方，第五层到第七层给用户 提供适当的方式去访问网络系统，如图2 2 左图所示。 p r o f i b u s 协议采用i s o o s i 模型的第一层、第二层和第七层，第一层定义 了物理传输特性，第二层定义了总线的存取协议，第七层定义了应用功能，协议 结构如图所示。其第一层、第二层的导线和传输协议依据美国标准e i a r s 4 8 5 、 国际标准i e c 2 7 0 5 1 和欧洲标准e n 6 0 8 7 0 - 5 - i ；总线存取程序，数据传输和管 理服务基于d i n l 9 2 4 1 1 5 标准的第1 到第3 部分和i e c 9 5 5 6 标准；管理功能 ( f 姒7 ) 采用i s o d i s 7 4 9 8 - 4 ( 管理框架) 的概念。 l 第七层 应用爱 萄匀 第六层 表达层 胃户 i 第五层 会话层 t f 第四层 传簟层 面向 第三层 同络层 同络 第二层 最据链舀层 i 第层 物到墓 ( f m $ ) 二僻)( 坠) il l f m $i 。哳曩i p a 行鼍 量鲁 行曩 d p 扩 一 疆诵诼荔蓄麓疆磁麓 曩蔫暮投售量量蓖f m 3 ) 来童蘑 赢麟曩簋蛰簟l弱潞蹋强弱黻缓荔谶i 笏 盼a- - - ：l e c l l l 湛一- 2 一翟 u 硎轴1 7 0翻d 喇e 1 9 撕瓢鼢口f r o b m o s 准n 图2 2i s o 参考模型及p r o f l b m 协议模型 p r o f i b u s 的三种通信协议类型的框架，如图2 2 右图所示。 ( 1 ) p r o f i b u s - d p 定义了第l ，2 层和用户接口，第3 到7 层未加描述。这种 精简的结构保证了数据的高速传送，特别适合控制器与现场分散i 0 设备之间的 通信直接数据链路映像程序( d d l m ) 提供对第二层的访问用户接口规定了用 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 户及系统以及不同设备可调用的应用功能，以及各种不同p r o f i b u s d p 系统和 设备的行为特性 ( 2 ) p r o f i b u s f m s 定义了第l 、2 、7 层，应用层( 第7 层) 包括现场总线信 息规范( 酬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 ) 和低层接口( l l i ，l o w e r l a y e r i n t e r f a c e ) 。f j l 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 建立各种类型的通信关系。并给f m s 提供不依赖设备的对第2 层的访问接口f 煅处理单元级( p l c 和p c ) 的数据通信，功能强大的f m s 服 务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信任务提供了很大的灵活性。 ( 3 ) p r o f i b u s p a 采用扩展的p r o f i b u s d p 协议进行数据传输。另外，p a 还 描述了现场设备行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术可确保其 本质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用段祸合器可将p r o f i b u s p a 设备很容易地集成到p r o f i b u s - d p 网络之中。p r o f i b u s p a 是为过程自动化工程 中的高速、可靠的通信要求而特别设计的。用p r o f i b u s p a 可以把传感器和执行 其连接到通常的现场总线上，即使在防暴区域的传感器和执行器也如此。 2 4 、p r o f i b u s 的通信模型。m 3 1 2 4 1 、物理层 物理层是一种介质，它具有几种类型的传输技术，这些技术包括长度、拓扑 结构、总线接口、站点数和可变的数据传输速率，可以适应不同的应用。现场总 线系统的应用在很大程度上取决于所选用的传输技术，既要考虑一些总的要求 ( 传输可靠，传输距离和高速) 又要考虑一些简便而又费用不大的机电因数。当 涉及过程自动化时，数据和电源的传送必须在同根电缆上。由于单一的传输技 术不可能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供以下三种类型： - 用于d p 和f m s 的r s 一4 8 5 传输， 光纤传输， - 用于p a 的i e c i l 5 8 2 传输技术 1 ) 用于d p 和f 峪的r s - 4 8 5 传输技术 p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s - f m s 采用r s - - 4 8 5 传输技术，这种技术符合 e i a r s 4 8 5 标准，又称为 1 2 传输技术。它是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术， 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 一个总线段内的导线是双绞线，段的两端各有一个终端电阻，如图2 3 所示。 咿。一二。7 、7 u 一1 。 0 i1 2 2 0 ( 1 l t j h n 了0 _ 一 1 鼍纰忍矗 l 1 l 】 狮5 ) l 图2 jr s 4 8 5 总线段结构 r s 4 8 5 操作容易，总线结构允许增加或减少站点，分步投入不会影响到其它 站点，其传输的基本特性如下： - 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端； - 传输速率：9 6 k b i t s 1 2 m b i t s ，短接线波特率1 5 m b p s ： - 介质：屏蔽双绞线，也可以取消屏蔽，取决于环境条件( e c ) ； - 站点数：每段3 2 个站( 不带中继器) ，可最多连接1 2 7 个站( 带中继器) ； - 插头连接：最好使用9 针d 型插头连接器。 传输程序 用于p r o f u b u sr s 4 8 5 的传输程序是以半双工、异步，无间隙同步为基础， 数据传输信号的编码方式为n r z ( n o nr e t u r nt oz e r o 不归零) 编码，即一个字 符帧为1 1 位( b i t ) ，如图2 5 所示，当发送位( b i t ) 时，由二进制“0 ”到。l ” 转换期间的信号形状不改变。非归零制编码比较简单、成本低、不需要编码和译 码，而且信道利用率较高。一个字符在d p 总线上传输时为1 1 位( 即1 个起始 位，8 个数据位，1 奇偶校验位和1 个停止位) ，没有数据发送时，空载电位为“1 ”， 起始位使之变为“0 ”非归零码信号如图2 4 所示 = 进盘瞎号起始位0 100110 1校验证停止位 图2 4 非归零码信号 1 0 - 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 在传输期间，二进制“1 ”对应于r x d t x d - p ( r e c e i v e t r a n s m i t d a t e - p ) 线 上的正电位，而在p j ( d t x d - n 线上则相反。各报文间的空闲( i d l e ) 状态对应于 二进制“l ”信号，如图2 5 所示。2 根p r o f b u s 数据线也称为 线和b 线。a 线对应于r x d t x d - n 信号，而8 线则对应于r x d t x d _ p 信号 总线电缆 p r o f i b u s 采用的通信介质是屏蔽双绞线，它可以提高电磁兼容( e m c ) 能力， 在电磁干扰不严重的情况下，可以采用无屏蔽双绞线。总线在e n 5 0 1 7 0 标准中 规定为a 型和b 型导线，表中给出了两种导线的参数。对于规定的导线参数，其 总线段长度是不一样的。传输速率可在9 6 k b i t s 和1 2 m b i t s 之间选用。系统 运行时，总线上的所有设备都应选用相同的传输速率，传输速率的高低取决于电 缆的长度，如表2 2 所示。 表2 2p r e f i b md p 电缆线参教 参数导线a导线b 电缆电容( 1 lf m ) 0 3 4 o 2 2 传输率( k b i t s e c ) 9 61 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 0 01 2 0 0 0 导线a ( m ) 1 2 0 01 2 0 01 2 0 01 0 0 04 0 02 0 01 0 0 导线b ( m ) 1 2 0 01 2 0 0i 2 0 06 0 02 0 0 总线终端器川 按照n e 5 0 1 7 0 标准，p r o f i b u s - - d p 采用r s 4 8 5 规范，为9 针d 型插头连接 器，其管脚分配图如图2 5 所示。为了连接外部控制设备和维护设备，用户需要 提供电流容量不少于l o o m a 的2 4 v 电源。 当从站站点连接到d p 总线上时，每个站点应保证提供5 v 和g n d 信号到针脚 5 和6 ，这样总线就可用终端电阻终止。根据e i a r s - 4 8 5 标准，在数据线a 和b 两端均需加总线终端器，p r o f i b u s 的总线终端器包含一个下拉电阻( 与数据传 输地d g n d 相连接) 和上拉电阻( 与正供电电压1 ，p 相连接) 当总线上没有站发 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 送数据时( 即两个报文间总线令牌空闲状态时) ，这两个电阻确保总线上有一个 确定的空闲电位在d p 总线上可以连接1 2 6 个站点，总线可分若干段，每段可 以连接3 2 个站，如果总线距离超过数据传输要求可加中继器来延长距离，但中 继器要计为一个站 当总线系统运行的传输速率大于i 5 枷o i t s 时，由于所连接站的电容性负载 而引起导线反射，因此必须使用附加有轴向电感的总线连接插头。 针卿咕镪、j禽乏 i听舷w 敞，侏护地 c 4m v 输m , o j b 堆l 辆助l u 源 3r d 尹 接受，霞送数群f4 - b 线 4a 慨- p 肛i ；l i 抨$ 4 仁p 5d g n d敏獬似输地f f 地 6v p终墒l 咿i 供, o g 糖f5 v ) 7p 并 啦x v 供电电f kf 辅叻i 也以 2r x d ，1 j d n仫壁，牡逸数搬l 一a 线 9c h r i _ r n ，阳托毒4 二j n 图2 5 r s 4 8 s 的9 针口分配图 2 ) 用于d p 和f 临的光纤传输技术 光纤对电磁干扰不敏感并能确保总线站之间的电气隔离，适用于p r o f i b u s 系统处于电磁干扰很强的环境下应用，它通过光纤导体中的光的传输来传送数 据。光纤电缆允许p r o f i b u s 系统站之间的距离最大到1 5 k m 。目前，由于光纤的 连接技术己大大简化，因此这种传输技术已经普遍地用于现场总线的数据通信， 特别是用于塑料光纤的简单单工连接器的使用成为这一发展的重要组成部分。 用玻璃或塑料制成的光纤电缆可用作传输介质。根据所用导线的类型，目前 玻璃光纤能处理的连接距离达到1 5 k m ，而塑料光纤只能达到8 0 m 。 为了把总线站连接到光纤导体，许多厂商提供了专用总线插头可将r s - - 4 8 5 信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成r s - - 4 8 5 信号。采用光纤传输 技术的p r o f i b u s 总线段可设计为星型或环型结构。通过使用耦合器，r s - - 4 8 5 传输链接可以方便地和光纤传输链接相连接，该方式特别适合在长距离的高速数 据传输中近年来主要有以下几种光纤连接技术： 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 ( d o l m 技术( o p t i c a ll i n km o d u l e 光链路模块) 类似于r s 4 8 5 的中继器。o l m 有两个功能隔离的电气通道，并根据不同的模 型占有一个或两个光通道。o l m 通过一根r s 4 8 5 导线与各个总线站或总线段相连 接。 o l p 技术( o p t i c a ll i n kp l u 耐链路插头) o l p 可将很简单的被动站( 从站) 用一个单光纤电缆环连接。o l p 直接插入 总线站的9 针d 型连接器。o l p 由总线站供电而不需要他们自各电源。但总线的 r s 4 8 5 接口的+ 5 v 电源必须保证能提供至少8 0 m a 的电流。主动站( 主站) 与o l p 环连接需要一个光链路模块( o l m ) 。 集成的光纤电缆连接 使用集成在设备中的光纤接口将p r o f i b u s 节点与光纤电缆直接连接。 3 ) 用于p a 的i f 配1 1 5 8 - 2 传输技术 用于p a 的i e c l l 5 8 - 2 传输能满足化工和石化工业的要求，它可保持其本质 安全性并使现场设备通过总线供电，数据传输使用菲直流传输的位同步、曼彻斯 特编码( 也称为h l 编码) 。用曼彻斯特编码传输数据时，信号从0 变到1 时发送 二进制“0 ”，信号从l 变到0 时发送二进制“i ”总线段的两端用一个无源的 r c 线终端器来终止。最大的总线段长度很大程度上取决于供电装置、导线类型 和所连接的站的电流消耗。 i e c l l 5 8 2 传输技术基本特性如下： - 数据传输：同步曼彻斯特编码。 - 传输速率：3 1 2 5k b p s 。 - 电缆：双绞线，屏蔽或非屏蔽。 - 站数：每段最多3 2 个，总数最多为1 2 7 个。 - 本质安全：可选，能进行本质和非本质安全操作 - 远程电源供电：可选，通过总线对站供电。 - 拓扑：总线型或树型，或两者相结合 - 数据可靠性：前同步码，采用起始和终止限定符避免误差 - 站发送信息时不向总线供电 - 设计时可采用冗余的总线段，用以提高可靠性。 机械科学研究院硕士学位研究生论文一第二章 2 4 2 、现场总线数据链路层 1 ) 现场总线数据链路层概述 根据o s i 参考模型，数据链路层规定了总线存取协议，3 种p r o f i b u s ( d p 、 f m s ，p r ) 均使用致的总线存取协议。p r o f i b u s