（机械工程专业论文）现场总线技术及基于profibusdp的从站智能节点的设计.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 p r o f i b u s d p 以德国工业标准d i n l 9 2 4 5 的第一部分为基础，根据其所 需达到的目标对通信功能加以扩充，d p 的传输速率可达1 2 m b i t s ，用于传感 器和执行器的高速数据传输，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环 数据传输方式工作。 p r o f i b u s d p 协议使用了i s o o s i 模型中第1 层、第2 层和用户接口 层。这种精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映像程序( d d l m ) 提供对第2 层的访问。这种为高速传输用户数据而优化的p r o f i b u s 协议特 别适用于可编程控制器与现场级分散i o 设备之阃的通信。 本文设计了d p 8 d o 从站智能测试节点，其硬件结构以s i e m e n s 公司的 s p c 3 通信控制器为核心，通过光电耦合器与工业现场相连。信号处理部分主 要包括a d 、d a 电路，低通滤波电路，信号放大电路，电流电压转换电路， 实现过程输入通道和过程输出通道的功能。串行i r p r o m 和w d t 电路用于存放 设定参数及监视控制器的正常工作，d i i ，设定开关用于通信波特率和通信地 址的设定。通信控制器通过r s 一4 8 5 驱动器实现网络功能。另外，还有d c d c 电源模块，将输入的2 d v 电源转换成+ 5 v 和其他所需电源。其软件主要包括 主程序、数字输出程序，s p c 3 初始化程序，s p c 3 数据输入输出等程序、节点 的g s i ) 文件及与上位机的通信程序。最后完成了该节点在p c 机上的测试。 d p 一8 d o 从站智能测试节点性能稳定，工作可靠，该成果在作为从站的 现场设备的设计中具有很高的实用价值。 关键词：p r o f i b u s d p 协议；从站；数字量输出；智能节点 a b s t r a c t p r o f i b u sd pi sb a s e do nt h er ir s lp a r to f g e r m a ni n d u s t r i a l s t a n d a r dd i n l 9 2 4 5 e n l a r g et h ec o r r e s p o n d e n c ef u n c t i e na c e ( ) r d in gt o t h et a r g e tf o ra t t a i nn e e d e d ，d pb a u dr a t ec a nr e a c ht o1 2m b it s s ， l l s c df o rth eh i g h s p e e dd a t as p r e a d n gt h ef e e l i n gm a c h in ea n dc a r t i e s o u t ，m a c h in ec ia s sd e l iv e t ，c o n s t i t u t i n gt h es i n g em a s t e rs t a t i u n s y s t e mg e n e r a l1y ，t 。h em a s t e r s l a t i o na n dt h es l a v es t a t i o na d o p t c i r c u j a t i o nd a t ad el i v e r sw a yw o r k t h ep r o f l b u sd pa g r e e m e n tu s e dt h ef i r s t1 a y e r ，1 ，h et w ol a y e ra n d t h ec u s t e r n e rc o n n e c t1 a y e ro ft h ei s o o stm o d e l t h iskin de l s t r u c t u l e f o rs i m p li f yn s u r e sah i g h s p e e dd a t at od e ii v e f f h ed i r e c td a t a n e t w o r kr e f l e c t st ob el i k ep r o c e d u r e ( d i ) i 。m ) p r o v id eaj n t e r v i e wt ot h e 2 1 l v e r s 1 h jsk i n do f t h ep r o f i b u sa g r e e m e n t f o r t h eh i g hs p e e dd el iv e t isa p p ii c “b ht ot h ec o r r e s p o n d e n c eo f p r o g r a m m a b l cc o n t r o l l e ra n dt h e s p o td is p e r s i o ni 0e q u i p m e n t ss p e c i a l l y t h st e x td e s i g n e da ni n t e l l j g e n c en o d e3 ss l a v esl a t j o i l ( d i 。8 d o ) ， t h es p c 3c o m m u n jc a t i o nc o n t r o l l e rp r o d u c t e db yt h es i e m e n sc o m p a n y is t h ec o r eo rjt sh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h r o u g ht h e g h ta n de e c t r i e i t y c o u p l in gi tc o n n e c t sw i t ht h ein d u s t r i a ls p o t t h es i g n a lp r o c e s s 1 9 p a r tm a i n ly i n c l u d e sa d ，t h ed ae l e c t r i cc i r c u i t ，t h e1 0 wt r a n s i t o ff ilt r a t ew a v ee l e c t r i cc i r c u i t ，t h es i g n a le n l a r g e se l e c t r i c c i r c u l l l 】ee le clr j 【：c u r f e n l ，e le c t r icv o 1 ，a g ec o i v e r t se l e c t r ic c ir c u it c a t r y i n go u tt h ef u n c t i o no ft h ep r o c e s so u t p u t sp a s s a g ea n d t h ep r o c e s si n p u t sp a s s a g e s t r i n ge ； p r o me l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ew d i 、 e l e c t r i cc if c u i ti su s e df o rd e p o s i t i n gt h ee n a c t m e n tp a r a m e t o ta n d t 】es t j r v e 11 l r i c ec o n lr e 1e r ，t h ed i pe n a c t m e n ts w it c hisu s e df o r1 ，h e e n a c t m e n to ft h ec o n l t n u n i c a t i o nw a v er a t ea n dc o l l m l u l l i c a t j o na d d r e s s t h ec o m i f l u n i c a t i o nc o n t r o ll e rc a r r yo a tt h en e t w o r kf u n c t i o nt h r o u g h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a c t u a l ，o r sr s 一4 8 5 t h e r ei sa l s ot h ed c d cp o w e rs u p p l ym o l dp i e c e ， c o n v e r tt h e2 4 vp o w e rj n p u l e dt o + 5 va n do t h e rp o w e r s u p p l i e s n e e d e d 1t ss o f l w a r em a j n l yi n c l u d e st h em a i np r o c e d u r e n u m e r a lo u t p u t p r o c e d u r e ，s p c 3b e g i n n i n gp r o c e d u r e ，s p c 3d a t ai n p u ta n dol l l ：p u ls p r o c e d u f e ，n o d eg s dd o c u m e n ta n dt h ec o m m l u n i c a t i o np r o c e d u r et i p s id e m a c h in e c o m p l e t e dt h et e s to ft h en o d eo nt h ep cf i n a l l y t h ef u n c t jo no ft h e n t e l jg e n c en o d ea ss l a v ed p 一8 d o ss t a bj c jtw o r k sd e p e n d a h e ，t h er e s u l th a sv e r yh i g ha n dp r a c t i c a lv a u eo n t h ed e s jg n0 f t h es p o te q u i p m e n t sa st h es 1 a v es t a t i o n s k e y w o r d s ：p r o i ：i b u sd p a g r e e m e nl ；s i a v es t a t i o n ；d i g i t ) l j t p u l ，： i n t e 】i g e n c en o d e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ：差丞 e t期：, 2 1 。年弓月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 在机电体化1 二程领域中，先进的机械设备、机械系统都离不开先进的 控制，离开了控制系统，设备或者系统的运行就只能靠人来控制，精度将无 法得到保证，或者根本无法实现。使用先进的控制，由控制器、仪表、传感 器、执行器等元器件组成的控制系统代替人的劳动，不仅节省了大量的人力， 而且精度、效率都得到了很大的提高。因此，控制系统在机电。体化工程领 域中起着至关重要的作用。 现存的控制系统有传统的控制系统，如离散控制系统( d i s p e r s ec o n t r o l s y s t e m ，d c s ) ，还有2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的现场总线控制系统 ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。现场总线控制系统采用的是现场总线技术， 与传统的控制系统相比，具有很大的优越性。 现场总线技术是一种基于现场设备之问进行通讯的新型总线系统，它综 合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多 种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号 控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、 多节点的通信与控制系统。现场总线则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，其基础是智能仪表。分散在各 个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为体，并与控制室中的控制器 和监视器一一起构成f c s 。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的现场 总线产品集成在同一套f c s 中，具有互换性和互操作性。f c s 把传统d c s 的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数 据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据( 包括采集的数据和 诊断数据) 通过现场总线传送到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 来监视各个现场仪表的运行状态，保存智能仪表上传的数据，同时完成少量 现场仪表无法完成的高级控制功能。另外，f c s 还可以通过网关和企业的上 级管理网络相连，以便管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场 总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、 现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。现场总线的 高性价比将吸引众多工业控制系统采用，现场总线技术的应用发展，对国产 现有现场设备及仪表提出新的要求；由于现场总线技术的开放性，为国产现 场设备及仪表提供新的市场机会。 1 2 现场总线的本质、特点及优点 1 2 1 现场总线的本质 1 ) 现场通信网络 用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。 2 ) 现场设备互连 现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一 对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可 根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。 3 ) 互操作性 现场没各或现场仪表种类繁多，没有一家镥4 造商可以提供一个工j 一所需 的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品不可避免。用户不希望 为选用不同的产品而在硬件或软件上花很大气力，而希望选用各制造商性能 价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用”；用户希望对不同 品牌的现场设备统组态，构成所需要的控制回路。这些就是现场总线设备 互操作性的含义。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才 能自由地集成f c s 。 1 ) 分散功能块 i 吧s 废弃了d c s 的输x 输出单元和控制站，把d c s 控制站和功能块分散 ， 堕i 堡三堡叁堂堡主兰焦迨墨 地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量 信号变换、补偿和累加输入模块，而且有p i d 控制和运算模块。调节阀的基 本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿块，也可以有pt d 控制和运 算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场 仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统， 实现彻底的分散控制。 5 ) 通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征 安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。众所周知，化t 、炼油等企 业的生产现场有可燃物质，所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准。现 场总线设备也不例外。 6 ) 开放式互连网络 现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互连，也町与不同层刚 络互连，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络互连十分简便， 用户不必在硬件或软件上花太多气力。通过网络对现场设备和功能块统一组 态，把不同，一商的网络及设备融为一体，构成统一的f c s 。 1 2 2 现场总线的特点和优点 1 ) 现场总线的结构特点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统的控制系统采用模拟量 控制，一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送 器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机 之间为一对的物理连接。 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处 于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有 通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而 控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实 现了彻底的分散控制。传统控制系统( d c s ) 与现场总线控制系统( f c s ) 哈尔滨r ：程大学硕士学位论文 结构对比如图1l 所示。 l， v 一 传统的模拟仪表 d e v l c e n e t 现场总线 a 传统控制系统( d c s )b 现场总线控制系统( r c s ) 图lld c $ 与f c s 结构比较 由于采用数字信号代替模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号， 如运行参数值、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源， 现场设备以外不再需要模拟数字、数字模拟转换器件。这样就为简化系统结 构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。表l l 为f c s 和d c s 的详细对比。 表1 1f c s 与d c s 详细对比 i ：c si ) c s 一对多：一对传输线接多台仪表，一对一：一对传输线接一台 结构 双向传输多个信号仪表，单向传输一个信号 可靠性好：数字信号传输抗干扰能可靠性差：模拟信号传输不 可靠性 力强，精度商仅精度低，而且容易受干扰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 操作员在控制室既可以了解现场操作员在控制室既不了解 设备或现场仪表的工作状况，也能模拟仪表的工作状况，也不 失控状态 对设备进行参数调整，还可以预测能对其进行参数调整，更不 或寻找故障，使设备始终处于操作能预测故障，导致操作员对 员的远程监视与可控状态之中仪表处于“失控”状态 用户可以自由选择不同制造商提尽管模拟仪表统一了信号 供的性能价格比最优的现场设备标准( 4 2 0 ) m ad c ，可是 和仪表，并将不同品牌的仪表互大部分技术参数仍由制造 互换性 连。即使某台仪表故障，换上其他厂自定，致使不同品牌的仪 品牌的同类仪表照样工作，实现表无法互换 “即接即用” 智能仪表除了具有模拟仪表的检 模拟仪表只具有检测、变 测、变换、补偿等功能外，还具有换、补偿等功能 仪表 数字通信能力，并且具有控制和运 算的能力 控制功能分散在各个智能仪表中所有的控制功能集中在控 控制 制站中 2 ) 现场总线的技术特点 ( 1 ) 系统的开放性 开放系统是指通信协议公升，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现 信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工j 。底层网络的开放系 统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调埘标准的共识与遵 从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。一 个具有总线功能的现场总线网络系统必须足开放的，开放系统把系统集成的 权力交给了用户，用户町按自己的需要和对象，把来自不l 司供应商的产品组 成大小随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统问的信息传送与沟通， 喧鳖堡! ：堡盔堂堕堂垡坠塞 可实行点对点，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 ) 现场设备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，并可随时诊断设备的运 行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 山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 一种新的全分布式控制系统的体系结构，从根本上改变了现有i ) e s 集中与分 散的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场设备，是专为在现场环 境工作而设计的，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，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安 全防爆要求等。 3 ) 现场总线的优点 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 统从设计、安装、投运到正常运行及检修维护，都体现出优越性。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、 控制、报警和汁算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、 计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元 及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资， 由于控制设备的减少，还可节省控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂 接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接 头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工 作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节约维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信 将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行和诊断维 护信息，以便即时分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由 于系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，从而避免因选择 了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容 的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 ( j ) 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总路线设备的智能化、数字化、与模拟信号相比，它从根本上 提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化， 设备与连线减少，现场仪表内部功能加强；减少了信号的往返传输，提高了 系统的工作叮行性。 此外，由于设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构 等优点。 1 3 多种总线共存 现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议，国际标准化组织( i s o ) 的开放系统互联( o s l ) 协议，同样适用于现场总线。o s i 参考模型( 如图 l 2 所示) ，把开放系统的通信功能划分为7 个层。由于不同领域的自动化需 求各有其特点，因此形成了多种总线共存的局面，在某个领域中产生的总线 技术一般对这一特定的领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。 目前国际e 存在着几十种现场总线标准，比较流行的主要有f f 、c a n 、 d e v i c o n el 、1 o n w o r k s 、p r o f b u s 、t t a r t 、1 n t e r b u s 、c cljn k 、c o n t l l 0 1n e i 、 w o rjd f i l 、i ) _ n e t 、s w i t 。t n e t 等现场总线。 堕堡篓! 塞盔鲎堡主堂焦迨塞 1 4 本文的主要工作 图i 一20 s i 参考模型 p r o f i b u s - - d p 是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的 现场总线之一，型用于分散外设间的高速度传输，适合于加工自动化领域的 应用。 本文的主要工作就是以p r o f i b u s d p 为基础，设计一种作为从站的八 路数字量输出的智能测试节点，给出其硬件结构、软件设计及产品测试过程。 器一 一 一 一 删 黼 嘴 哈尔滨上程大学硕士学位论文 第2 章p r o f i b u s d p 现场总线 2 1p r o f i b u s d p 概述 p r o f l b u s d p 以德国工业标准d i n t 9 2 4 5 的第一部分为基础。根据其所 需达到的目标对通信功能加以扩充，d p 的传输速率可达1 2 m b i t s ，用于传感 器和执行器的高速数据传输，一般构成单主站系统，主站、从站问采用循环 数据传输方式。l 作。 它的设计旨在用于设备一级的高速数据传输。在这一级，中央控制器( 如 p l c p c ) 通过高速串行线同分散的现场设备( 如i o 、驱动、阀门等) 进行 通信，同这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。 2 2p r o fib u s d p 的协议结构 图2 一l 为p r o f i b u s 的协议结构，从中可以看出p r o f i b u s 协议采j = j 了 i s o o s | 模型中的第l 层、第2 层以及必要时还采用第7 层。第1 层和第2 层的导线和传输协议依据美国标准e i a r s 一4 8 5 、国际标准i e c 8 7 0 5 1 和欧洲 标准e n 6 0 8 7 0 5 1 、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 标准 的第l 到第3 部分和i e c 9 5 5 标准。管理功能( f m a 7 ) 采用| s od i s 7 4 9 8 4 ( 管理框架) 的概念。 p r o f i b u s d p 使用了第l 层、第2 层和用户接口层。第3 层到第7 层 未使用，这种精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映像程序( d d l m ) 提供对第2 层的访1 、口j 。这种为高速传输用户数据而优化的p r o f i b u s 协议特 别适用于可编程控制器与现场级分散i o 设备之间的通信。 9 哈尔滨l ，程大学硕士学位论文 d p 设备行规眦设备行拢 基本功能 f m s 设备行规 基本功能 扩展功能扩展功能 用户层 d p 用户接口1 ) p 用户接口 直接数据链路映应用层接口( a i 1 )直接数掘链路映 像程序( d d l m )像程序( d 此m ) l 应用层 l 第7 层 ( 应用层) 现场总结线报文 规范( f m s ) 第： _ 6 层未使用 r 未使用未使甩 r 第2 层 数据链路层 数据链路层 现场总线数据链现场总线数据链i e c 接口 ( 数据链路层) 路( f d l )路( f d ，) 第l 层 物理层 物理层 i e c l l 5 82 ( 物理层)( r , s 一4 8 5 1 。w l )( r s 一4 8 5 i 州l ) 图2 - 1p r o f l b u s 协议结构 2 3p r o fib u s - d p 的通信模型 2 3 1 物理层( r s 一4 8 5 ) 物理层( r s 4 8 5 ) 采用屏蔽双绞电缆，实现对称的数据传输，符合e i a r s 一4 8 5 ( 也称为u 2 ) 。个总线段内的导线是屏蔽双绞线，段的两端各有一 个终端器。 传输程序 用于p r o f i b u sr s 4 8 5 的传输程序是以半双工、异步、无问隙同步为 基础的。数据的发送用n r z ( 不归零) 编码，即1 个字符帧为】1 位( b i t ) ， 如图2 2 所示。当发送位( b i t ) 时，由二进制0 到1 转换期间的信号 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 lo s ，! e ：! “，：b 4 e s ! b 6 u ，；b 8i 一 ；t l i ：赋i i ：孵蕞r 饿， 图2 - 2p r o f i b u su a r t 数据帧 当传输位期间，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 a p ) 线上的正电位，丽在r x 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。进制“1 ”信号，如图2 - 3 所示。 厂 n 。厂 进制f j i j 1011 0 l a 诤线 厂厂 厂 图2 - 3 用n r z 传输时的信号形状 2 根p r o f i b u s 数据线也常称为a 线和b 线。a 线对应于r x d t x d n 信号，b 线对应1 二r x d t x d p 信号 2 3 2 现场总线数据链路层 该层规定总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理。 p r o f i b u s 的报文格式如图2 - 4 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 韵蹶奄信息字段k 擅的格武 锵数据艉钉嘲定信息事段量乏度鼬格式 短廊替 团 令牌撒| 芟 巨圈 图2 4p r o f i b u s 的报文格式 在图2 - 4 中，各符号意义如下： l ：信息字段长度。 s c ( 单字符) ：单字符，仪用于应答。 s d l s d 4 ( 起始界定符) ：起始字节，用于区别不同的报文格式。 l e l e r ：长度字节，指出可变长报文中信息字段的长度。 d a ( 目的地址) ：目的地址字节，指出将接收此信息的站。 s a ( 源地址) ：源地址字节，指出将发送此信息的站。 f c ( 帧控制) ：摔制字节，包含用于此信息的服务和此信息的优先权的 详细说明。 d u ：数据单元，包含报文的有用信息，必要时还包含扩展地址的详细说 明。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f c s ( 帧校验顺序) ：校验字节，包含报文校验和不进位地加所有报文字 节的和。 e d ：( 终止界定符) ：终止字节，指出此报文终止。 2 3 3 应用层 应用层提供用户需要的各种通信服务。在不同的应用中，具体需要的功 能范围必须与具体应用相适应，这些适应性被称为行规。 n c r c 行规( 3 0 5 2 ) ：该行规介绍了怎样通过p r o f i b u s i ) p 对操作机床 和装配机器人进行控制。 编码器行规( 3 0 6 2 ) 本行规介绍了回转式、转角式和线性编码器与 p r o f i b u s d p 的连接，这些编码器带有单转或多转分辨率。 变速传动行规( 3 0 7 1 ) 传动技术设备的主要生产商共同制定了 p r 0 1 ：i i ) r i v e 行规。行规具体规定了传动设备怎样参数化，以及设定值和实际 值怎样进行传递，这样不同厂商生产的传动设备就可互换，此行规也包括了 速度和定位必需的规格参数。 操作员控制和过程监视行规：( i d i ) ：h m i 行规具体说明了通过 p r o f i b u sd p 把这些设备与更高一级自动化部件的连接，此行规使用了扩展 的p r o f b u s i ) f ) 的功能来进行通信。 2 4p r o fib u s d p 的总线设备类型和数据通信 p r o f i b u s d p 协议是为自动化制造工厂中分散的i o 设备和现场设备 所需要的高速数据通信而设计的。典型的d p 配置是单主站结构，如图2 5 所示。d p 主站与d p 从站之间的通信基于主从原理。只有当主站请求时总 线上的d p 从站才可以活动。d p 从站被d p 主站按轮询表依次访问。d p 丰 站与d p 从站间的用户数据连续地交换，而并不考虑用户数据的内容。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 令艘 i - - 一1 ：d p 差贴( i 类) d p 从竭 i 被动蚺) 图2 5 d p 单主站结构 在d p 主站上处理轮询表的情况如图2 - 6 所示。 r 输出数姑 请求 - l 输入敷制 聃撼a 贼辫；a 输八数獬 晌麻 i “m * 从蚺h 辘 5 数据 轮 输入数据 诮 夜 输出数捌 从站x 输入数制 、 r 输 f i 觳粥 请球 - i 输入数攥 从辨ry飙站v 螭j 砖 i 。 输八数缎 l ”“8 ” 1 ) p 始 图2 - 6 在d p 主站一l _ 二处理轮询表的示意图 4 哈尔滨工程人学硕十学位论文 2 4 1d p 设备类型 d p 设备类型 1 ) d p 主站( 1 类) l 类d p 主站循环地与d p 从站交换用户数据。它使用如下的协议功能执 行通信任务。 ( 1 ) s e tp 订n 和c 垃 在启动、重启动和数据传输阶段，d p 主站使用这些功能发送参数集给 d p 从站。 ( 2 ) d a t ae x c h a n g e 此功能循环地与指定给它d p 从站进行输入输出数据交换。 ( 3 ) s l a v e d i a g 在启动期间或循环的用户数据交换期间，用此功能读取d p 从站的诊断 信息。 ( 4 ) g l o b a l c o n t r o l d p 主站使用此控制命令将它的运行状态告知给各d p 。此外，还可以将 控制命令发送给个别从站或规定的d p 从站组，以实现输出数据和输入数据 的同步( s y n c 和f r e e z e 命令) 。 2 ) d p 从站 d p 从站只与装载此从站的参数并组态它的d p 主站交换用户数据。d p 从站可以向主站报告本地诊断中断和过程中断。 3 ) d p 主站( 2 类) 2 类主站除了已经描述的1 类主站的功能外，2 类d p 主站通常还支持下 列特殊功能： ( 1 ) r d i n p 和r do u t p 在与1 类d p 主站进行数据通信的同时，用这些功能呵读取d p 从站的输 入和输出数据。 ( 2 ) g e tc & 哈尔滨工程大学硕十学位论文 用此功能读取d p 从站的当前组态数据 ( 3 ) s e ts l a v ea d d 此功能允许d p 主站( 2 类) 分配一个新的总线地址给一个d p 从站。当 然，此从站是支持这种地址定义方法的。 此外2 类主站还提供一些功能用于与1 类d p 主站的通信。 4 ) d p 组合设备 将1 类d p 主站、2 类d i ，主站组合在一个硬件模块中形成一个d p 组合设 备。 2 4 2d p 设备之间的数据通信 1 ) d p 通信关系和d p 数据交换 所有l 类d p 主站的请求报文以第2 层中的“高优先权”报文服务级别 处理。与此相反，由d p 从站发出的响应报文使用第2 层中的“低优先权” 报文服务级别。d p 从站可将当前出现的诊断中断或状态事件通知给d p 主站， 仪在此刻，可通过将d a t ae x c h a n g e 的响应报文服务级别从“低优先级”改 变为“高优先级”柬实现。数据的传输是非连接的1 对1 或l 对多连接( 仅 控制命令和交叉通信) 。表21 列出了d r 主站的通信能力，按请求方和响应 方分别列出。 表2l 各类d p 设备间的通信关系 功能，服务叶一从站d i ，主站( 1 类)d p 土站( 2 类)使用的使用的 依据e n s ( ) 1 7 0 r e q u r e s pr e ( 1 i l r e s p r e q u t e s p s a p 号第2 层服务 d a t aj = x c i i z r l g emm( ) 默认s a p s 川) n d 一1 n p m05 8s i t d r do u tp mo5 7 s r i ) s l i l v p1 ) ia gmmo6 f 1s r d s e lp i l l lmm( )6 l s r d ( j h kf 、妇m06 2s r i ( ：o t 【1 9m o5 qs l m 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 r ，1 0 h ai ( 1 0 1 1 1i , 0 im m0 5 8s r d s p ts 1a v oa d f l0 05 5s r d mmc o i i i i i i l i i i ic d lir ) r i ( )( )0( )5 4s r d s d n d p v is e l - v 1 c e so005 l s os r i ) 注：r e q u 请求方r e s p 响庸方，m 强制性，0 刈选功能。 2 ) 初始化阶段，重启动和用户数据通信 d p 从站初始化阶段的主要顺序如图2 7 所示。 i ) p 扛站 圃圜 _ 竺苎! 堕堑塑塞 ， 些堂篓墼塑竺! ! 生塑! 。 - 塑堡 ， 鲎妻些妻堕燮! ! 坠= ! 墅 ， 。塑喳 ， 1 飞 生塑堡堑堡墨堡堡! 垒堡! 堡! ，。 _ 些塑堡塑堕些 图2 7d p 从站初始化阶段的主要顺序 ( 1 ) 参数数据( s e tp 彻) 参数集包括预定给d p 从站的重要的本地和全局参数、特征和功能。为 了规定和组念从站参数，通常使用装有组态工具的d p 主站来进行。使用直 接组态方法，则需填写由组态软件的图形用户接口提供的对话框。使用间接 组态方法，则要用组态工具存取当前的参数和有关d p 站的g s d 数据( g e r a t e s t a m md a t e n ，设备数据库) 。参数报文的结构包括e n 5 0 1 7 0 标准规定的部分， 必要时还包括从站和制造商特指的部分。参数报文的长度不能超过2 4 4 个字 节。以下列出了最重要的参数报文的内容。 s t a t i o ns t a t u s 。包括与从站有关的功能和设定。 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 w a t c h d o g 。定时监视器，“看门狗”，检查d p 主站的故障。 i d e n tn u m b e r 。d p 从站的标识号。 g r o u pi d e n t 。可将d p 从站分组组合，以便使用s y n c 和f r e e z e 控制命令。 最多可允许组成8 组。 u s e rp r r nd a t a 。d p 从站参数数据。 ( 2 ) 组态数据( c h k c f g ) ( 3 ) 诊断数据( s l a v ed i a g ) ( 4 ) 用户数据( d a t ae x c h a n g e 2 ，5p r o fib u s d p 的总线存取协议 i ) r o f b u s ( d p 、l ：m s 、p a ) 均使用一致的总线存取协议。该协议是通过 0 s i 参考模型第2 层( 数据链路层) 来实现的，它包括了保证数据呵靠性技 术及传输协议和报文处理。在p r o f i b u s 中，第2 层称之为现场总线数据链路 层( i ：ie ，id b u sd a t al j n k ，f d i ) 。介质存取控制( m e d il l m a c ( ：t s sc o n t r o l ，m a c ) 具体控制数据传输的程序，m a c 必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送 数据。p r o ir l b u s 协议的设计要满足介质控制的2 个基本要求。 1 ) 在复杂的自动化系统( 主站) 问的通信，必须保证在确切限定的时间 间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。 2 ) 在复杂的程序控制器和简单的t 0 设备( 从站) 间通信，应尽可能快 速又简单地完成数据的实时传输。因此，p r o f i b u s 总线存取协议，主站之间 采用令牌传输方式，主站与从站之间采用主从方式。 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 ( 令牌) 。在p r o f i b u s 中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存 取令牌时呵与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，可能 有以下3 种系统配置： 纯主从系统 纯主一主系统 混合系统 哈尔滨l 程大学硕士学位论文 2 5 ，1 p r o f b u s d p 的基本功能 p r o fl b u s d i 用于现场层的高速数据传输。主站周期地读取从站的输入 信息并周期性地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主站( p i c p 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 sd p 还提供智能化设 备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理，数据通信是由主机和 从机进行监控的。 p r o i j i b u sd i j 的基奉功能如下： 1 ) 传输技术 ( 】) r s4 8 5 双绞线或光缆； ( 2 ) 波特率从9 6 k b i t s 1 2 抽i t s 。 2 ) 总线存取 ( 1 ) 各主站间为令牌传输，主站与从站间为主从传输； ( 2 ) 支持单主或多主系统； ( 3 ) 主一从设备，总线上最多站点数为1 2 6 。 3 ) 功能 ( 1jd p 主站和d p 从站| 日j 的循环用户数据； ( 2 ) 各d p 从站的动态激活和撤消； ( ： ) d i 从站组态的检查； ( 4 ) 强大的诊断功能，三级诊断信息； ( 5 ) 输入或输出的同步； ( 6 ) 通过总线给1 ) p 从站赋予地址； ( 7 ) 通过总线对d p 主站( d p m l ) 进行配置；每个d p 从站最大为2 4 6 字节的输入和输出数据。 4 ) 设备类型 ( 1 ) 第一类【) p 主站( d p m l ) ：中央可编程控制器，如p l c 、p ( ：等： ( 2 ) 第二：类d p 主站( d p m 2 ) ：可编程、可组态、可渗断的设备 ( 3 ) i ) p 从站：带r _ 二进制或模拟输入输出的驱动器、阀门等。 1 q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 ) 诊断功能 经过扩展的p r o f b u sd p 诊断功能是