（检测技术与自动化装置专业论文）profibusdp智能从站关键技术研究及开发.pdf

摘要 在现有的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 现场总线因具有通信实时性强、高传输 率、低成本、拓扑结构灵活多样、冗余性强、适于各种工控领域等优点而得到广泛应用。 p r o f i b u s 包括p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a ，p r o f i b u s f m s 三个系列，其中用 于设备级控制系统与分散式通信的p r o f i b u s d p 是市场占有率领先的总线技 术。 目前我国对于p r o f i 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， 许多具有p r o f i b u s d p 接口的底层设备和智能仪表都是国外大公司直接提供的，这些 公司在仪表和设备的价格上具有垄断地位，这就使得整个p r o f 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 技术在我国的应用和发展。因此，研究开发具有自 主知识产权的p r o f i b u s d p 通信接口和功能相对齐全而又同时符合我国工业控制现 状的p r o f i b u s d p 智能从站就显得尤为重要。 本文正是针对现场总线在我国的应用和发展现状，在研究p r o f i b u s d p 现场总 线基本理论( 主要包括系统组成、协议结构、数据存取机制、从站通信原理) 的基础上， 从硬件和软件两个方面详细叙述了如何采用8 0 c 5 2 单片机与p r o f i b u s 通信接口芯片 s p c 3 来实现p r o f i b u s - d p 智能从站，该智能从站有如下主要功能：能作为 p r o f i b u s d p 通信接口将普通仪表接入p r o f i b u s 网络。在智能从站中集成p i d 控 制算法模块，可通过接收上位机发出的组态信息，由单片机实现各算法模块间的组态， 以实现通用的现场一级控制的目的。不仅具有数字量输入输出功能，还具有模拟量输 入输出功能本文的主要特色和创新之处是在智能从站中集成了p i d 控制算法模块，完 善了智能从站的功能，为智能从站的进一步发展提供了思路。 最后根据实际应用的条件和环境，搭建了一个p r o f i b u s d p 主从站测试平台，对 该模块进行了系统测试，测试结果达到了预期目标。 关键词：现场总线p r o f i b u s - d p 智能从站通信接口p i d 控制算法数字量， 模拟量输入输出 a b s t r a c t p r o f i b u sh a sb e e nw i d e l yu s e da m o n ga ue x i s t i n gf i e l d b u ss t a n d a r d sb e c a u s eo fi t s b e t t e rr e a l - t i m ei nc o m m u n i c a t i o n , h i g ht r a n s m i t t i n gr a t e ，l o wc o s t , f l e x i b l yt o p o l o g i c a l s t r u c t u r e , h i g hr e d u n d a n c ya n da p p l i c a b i l i t yi na l lk i n d so fi n d u s t r yc o n t r o lf i e l d s p r o f i b u s i n c l u d e sp r o f i b u s - d p , p r o f i b u s p aa n dp r o f m u s - f m s a n dp r o f i 戳，s - d p , w h i c h i su s e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo fd e v i c e - l e v e la n dd i s t r i b u t e di oc o m m u n i c a t i o n ，i st h em a r k e t l e a d e ri nf i e l d b u st e c h n o l o g y a tp r c s 如t ，t h em a i na p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho np r o f i b u s d pi no u rc o u n t r yi sm a i n l y i nt h es y s t e mi n t e g r a t i o na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s al o to fl o w - l a y e re q u i p m e n t sa n d i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sw i t hp r o f i b u s d pi n t e r f a c ea r ep r o v i d e db yf o r e i g nc o m p a n i e s , w h i c hm o n o p o l i z et h ei n s t r u m e n ta n de q u i p m e n t t h e r e f o r et h ep r i c eo ft h ew h o l e p r o 邢u s - d pf i e l d b u ss y s t e mi si n a a s e d , a n dh a m p e r si t sa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ti n o u rc o u n t r y c o n s e q u e n t l y , i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pp r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e sw i t ht h ep r o p e r t yr i g h to fo u ro w na n di n t e l l i g e n ts l a v e r sf i u i n gt oo u rc o u n t r y s f a c t a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o na n dc u r r e n ts t a t u so ff l e l d b u si n o u rc o u n t r y , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fap r o f i b u s d ps l a v e rf r o m h a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s i n g 8 0 c 5 2m c ua n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec h i p ( s p c 3 ) b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo f p r o f i b u s - d pf i e l d b u s ( i n c l u d i n gs y s t e mc o m p o s i n g , p r o t o c o ls t r u c t u r e , d a t aa c c e s s m c c 蛔i i s l na n ds l a v e rc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ) t h es l a v e r sf u n c t i o ni n c l u d e sa sf o l l o w s ： ( dc o n n e c t i n gc o m m o ni n s t r u m e n t st ot h ep r o f i b u sn e t w o r ku s i n gp r o f 】田u s - d p c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s i n c l u d i n gap i dc o n t r o la r i t h m e t i cm o d u l ei nt h ei n t e l l i g e n t s l a v e r , r e c e i v i n gt h ec o n f i g u r a t i o ni n f u r m a t i n n 觚t h eu p p e rm a c h i n e 。t h ec o n f i g u r a t i o no f e a c ha r i t h m e t i cm o d u l ei sr e a l i z e db ym c ut om a k e 蚰他t h eg e n e r a lc o n t r o li nt h ef i e l d s t h e r ei sa n a l o g i c a l 加si nt h ep r o f i b u s - d pi n t e l l i g e n ts l a v e rb e s i d e sd i g i t a l 的t h cm a i n c h a r a c t e ra n di n n o v a t i o np o i n ti nt h ep a p e ri st h a tp i dc o n t r o la r i t h m e t i cm o d u l e sa r e i n t e g r a t e d mt h ep r o f l b u s - d pi n t e l l i g e n ts l a v e rt oi m p r o v ei t sf u n c t i o na n dp r o v i d e san 钾 m e t h o dt oi t sf u r t h e rd e v e l o p m e n t f i n a l l y , i td e s i g n sap l a t f o r mi n d u d i n gam a s t e ra n das l a v e ra c c o r d i n gt ot h ea c t u a l c o n d i t i o n ，t ot e s tt h ew h o l es y s t e ma n da c h i e v et h ee x p e c t e dr e s u l t s k e yw o r d s ：f i e l d b u s , p r o f i b u s - d pi n t e l l i g e n ts l a v e r ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，p i d c o n t r o la r i t h m e t i c ，n u m e r a la n da n a l o g u ef o 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，也不包含为获得丞洼堡工太堂 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- 、，2 牟 签字日期： 7 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丞洼堡王太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权丞洼堡王太堂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) 学位论文储躲、件导师躲教埒 签字日期：口、7 年月歹日签字日期：d 7 年月多日 j 第一章绪论 1 1 研究背景和课题来源 第一章绪论 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业信息交换沟通的领域正在迅速 覆盖从现场设备、控制到管理的各个层次，引起了工业控制系统体系结构与设备的重大 变革。作为工业控制系统领域技术向现场仪表智能化、控制功能分散化、控制系统开放 化方向发展的必然结果，8 0 年代末、9 0 年代初，新一代全分布式控制系统现场总 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 ) 应运而生，现场总线( f i e l d b u s ) j e 是这种新 型控制系统的核心技术。 什么是现场总线? 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o nt e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 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纠1 1 1 2 1 ，也被称为 开放式、数字化、多点通信的底层实时控制网络。 现场总线不单单是一种通信技术，其意义不仅仅是用数字仪表代替了模拟仪表，更 重要的是引起了整个控制系统体系结构的根本性变革。它给自动化领域带来的变化，正 如计算机网络给单台计算机带来的变化。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代， 那么现场总线则使自控系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层， 使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场 从结构上，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、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 从技术上，现场总线控制系统具有开放性、互操作性与互用性；现场设备实现了智 能化和功能自治；系统结构高度分散，构成了新的全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，使控制系统从设计、 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：节省硬件数量与投资；节省安装费用；节省维护开销；用户具有高 度的系统集成自主权；提高了系统的准确性与可靠性【3 1 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，易于重构等优点。 作为新一代的过程控制系统，现场总线控制系统无疑具有十分广阔的发展前景。它 的出现，必将对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起到极大的促进作用。 鉴于此，天津理工大学现场总线实验室承接了天津市科技发展计划项目：现场总线智能 化仪表及主控系统成套产品的研发和产业化。现场总线型智能化仪表及主控系统成套产 品代表作自动化仪表产业的发展方向，而在现有的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 总 线是一种主流的现场总线标准，用于设备级控制系统与分散式 o 通信的 天津理工大学硕士学位论文 p r o f i b u s d p 是市场占有率领先的总线技术。但是目前我国对于p r o f i 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，许多具有p r o f i b u s d p 接口的底层设 备和智能仪表都是国外大公司直接提供的，这些公司在仪表和设备的价格上具有垄断地 位，使得整个p r o f 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，本课题的研究与开发可以促进天津市自动化仪表产业的技术 水平、推动数字化、智能化、总线化、网络化仪表产品的产业化进程和现场总线技术在1 我国的应用。 1 2 国内外研究现状和前景 1 2 1 几种典型的现场总线发展现状【1 0 1 到目前为止，世界上约有4 0 多种现场总线并存，每一种现场总线都有自己的技术特 点以及特定的应用领域，因此m o 际准化组织想形成一种统一的现场总线标准的愿景始 终没能实现。最后，形成了一种折中的方案，把目前技术比较成熟，应用比较广泛的几 种现场总线同时列为国际标准，形成了c 6 1 1 5 8 在众多的现场总线产品中，影响较 大的有下列几种：a 蛾b u s 、i r o f i b u s 、f f 、l o nw o r k s 、h a r t 、c o n t r o l n c t f 1 ) c a n b u s 总线( c o n 仃o l a r e a n e t w o r k ) ，是2 0 世纪8 0 年代初由德国b o s c h 公司开发，用于汽车内 部测量与执行部件之间的数据通信，是一种对等式的现场总线网络，其总线规范已被i s o 认定为国际标准产品c a n 包括一系列规范：通信、设备、接口、应用行规等。它的应 用节点数量巨大，仅1 9 9 r 7 年就达到30 0 0 万。它不仅用于工业生产线、机器人等工业控制， 而且还用于医疗器械、铁路、航海，航空、建筑自动化等领域。由于其性能优异，价格 低廉，很快被推广到工业测控现场，被h o n e y w e h 等自动化厂家广泛选用。特别是在离 散制造加工领域，c a nb u s 具有较强的竞争力。( 2 ) 基金会现场总线( f o u n d a t i o nh e l d b u s 简称f f ) ，是在过程自动化领域锝到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以 美国f i s h e r - r o u s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制订 的塔嘞议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w 鲫心口协议屈 于用户的压力，两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国 际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据 链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。( 3 ) l o nw o r k s 总线( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) ，是由美国e c e l o n 公司推出并由他们与摩托罗拉、东芝公 司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议， 采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速 率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持双绞线、 同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品， 被誉为通用控制网络它在楼字自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，具有独特 的优势。( 4 ) h a 砌憾线( h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u e r ) ，最早由r o s e m o u t 公司 开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立了地嗍信基金会。这种被称 第一章绪论 为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，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工业过程控制的过渡性产品，在当前的过 渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展( 5 ) c o n t r o l n e t 总线，是由r o c k w e l l a u t o m a t i o n 公司于1 9 9 5 年l o 月公布，1 9 9 r 7 年7 月成立了c o n t r o l n c ti n t e r n a t i o n a l 组织， r o c k w e l l 转让此项技术给该组织。组织成员有5 0 多个如a b b - r o b o t i e s 、h o n e y w e l l i n c 、 y o k o g a w a c o r p 等。c o n t r o l n e t 现场总线网络是一种用于对信息传送有时间苛刻要求的、 高速确定性网络，同时它允许传送无时间苛求的报文数据。传统的工厂级的控制体系结 构有五层即工层、车间层、单元层、工作站层和设备层。而r o c k w e l l 自动化系统简化为 三层结构：信息层( e t h e m e t 以太网) ，控制层( c o n t r o l n e t 控制网) ，设备层( d e v i c e n e t ) 。 c o n t r o l n c t 主要应用于过程控制，自动化制造等领域 4 5 1 1 6 。 1 2 2p r o f i b u s 现场总线发展现状 p r o f i b u s 是1 9 8 7 年由德国西门子等1 3 家公司和5 家科研机构联合开发，1 9 9 1 年 成为德国国家工业现场总线协议标准，代号为d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年经欧洲电工委员会 批准成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 8 年p r o f i b u s p a 批准纳入e n5 0 1 7 0v 2 ，1 9 9 9 年 1 2 月被批准成为国际标准m c 6 1 1 5 8 的组成部分( t y p c i l l ) 因此，p r o f i b u s 已经成 为一种国际化的、开放的现场总线标准。p i 的删s 技术在欧洲等发达国家和地区已 经趋于成熟，形成了系列产品，并在各个自动化控制领域得到广泛应用，调查数据显示， 它约占4 3 的德国市场，4 1 的欧洲市场1 4 l 。到目前为止，p r o f i b u s 国际用户组织 p n o ( p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 已拥有6 0 0 多个成员，在2 3 个工业国家和 地区成立了地区性组织，会员超过1 1 0 0 家，有2 2 个资格中心( p c c ) ，7 个产品测 试实验室中国于1 9 9 7 年7 月组建成立了中国现场总线( p r o 删s ) 专业委员会， 简称c p o ，同时开始筹建现场总线( p r o f i b u s ) 产品演示及认证实验室研，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 月批准为中国的行业标准，编号：j b ，r1 0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 目前，c p o 有1 2 0 多个会员( f u l l i n f o r m a t i v em e m b e r ) , 其中有2 0 多家企业正在从事p r o f i b u s 产品的研 发，调查数据显示，目前p r o f i b u s 在中国现场总线市场占有率中居第一位【1 】【7 1 1 2 3p r o f i b u s 现场总线技术现状 p r o f i b u s 协议使用了i s 0 o s i 的第一层、第二层、第七层，并自定义了用户接 口层。根据应用领域p r o f i b u s 分为p r o 邢u s f m s 、p r o f i b u s - d p 、p r o f m u s p a 三个兼容部分。p r o f i b u s f m s 用来解决车间级通用性通信任务。p r o f i b u s d p 是 一种经过优化的、高速廉价的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的之间 进行通信p r o f i b u sp a 是专为过程自动化而设计的，具有本征安全性。当使用电缆 耦合器时，p r o f i b u s - p a 装置能很方便的连接到p r ( ) f m u 孓d p 网络。p r o h b u s 主 要用于p l c 。当前，p r o f i b u s 技术发展方向为重点发展p r o f i b u s d p 、p a 技术而放 天津理工大学硕士学位论文 弃发展f m s 技术，新技术为p r o f i n e t 5 1 | 3 5 i l s s l l 6 2 1 。p r o f i b u s d p 技术的研究内容分 p r o f i b u s d p v l ( 主要内容为非循环数据交换，报警模型，以及更复杂类型数据的传 输) 和p r o f i b u s d p - v 2 ( 主要内容为用于运动控制的时钟同步数据传输，从站对从站 通信和位置反馈接口，以及驱动器的设定值和实际值的标准化配置等) ；p r o f i b u s p a 技术主要研究在现有标准的基础上实现非周期数据存取以及远程用户参数化功能；与以 太网技术结合的p r o f l n e t 是p r o f i b u s 技术发展的新趋势，将p r o f i b u s 总线和其他现 场总线集成至u p r o f i n e t 。p r o f i n e t 规范将现有的p r o f i b u s 协议与m i c r o s o f t 的自动化对 象模型c o m d c o m 标准、t c p i p 通信协议以及工控软件互操作规范o p c t 术等有机地 结合成一体。p r o f i n e t 试图实现一种对所有自动化装置全透明的、面向对象的全新的结 构体系【5 】【9 l 。 目前，关于p r o f i b u s - d p 智能从站的设备类型主要有以下三类：第一类为p l c 即 智能型f o ：诸如传统s i e m e n ss 72 0 0 3 0 0 4 0 0 型p l c 和基于p c 方式的 w i n a c w i n c c 型s o f i p l c 等它们均可作为p r o f i b u s 上的一个从站，凭借自 身的程序存储器，p l c 的c i u 执行程序并按程序指令驱动f o ，在存储器中有一段特 定区域作为与主站通信的共享数据区1 1 6 】。主站可通过通信按程序指令控制从站p l c 的 i o 。这类设备由于技术含量较高，且关键技术被s i e m e n s 等国外公司垄断，国内未 见有自主研发的同类产品第二类为分散式i o ( 有智能型和非智能型f o ) ；诸如 s i m a t i ce t 2 0 0 系列分布式f o ，通常由电源、通信适配器、存储和程序执行部分组 成。通信适配器接收主站指令，按主站指令驱动l o ，并将i o 及故障诊断等信息返回 主站。这类设备同样要求通信实时性和可靠性要高，关键技术仍被s i e m e n s 等国外公 司垄断，国内基本也未见有自主研发的同类产品。第三类由带p r o f i b u s d p 总线接 口的传感器、交送器、执行机构等现场设备构成的从站。它们可由主站在线完成系统配 置、参数修改、数据交换等功能。这类设备分两种，一种是传感器、变送器、执行机构 等本身就设计了嵌入式p r o f i b u s d p 接口，该接口电路完全固化在设备内部；第二 种是传感器、变送器、执行机构均为普通设备，外接从站接口后一同构成从站。前一类 设备在我国成套引进设备中较为常见，优点是整体性设计较好，性能指标优越，用户使 用较为方便；缺点是设备价格较高，通用性差后一类设备目前在我国中小企业技术改 造中较为常见【1 6 l 【1 7 1 。 当前，我国对于p r o f i b u s - d p 的研究和应用主要以s i e m e n s 公司的成套设备 为主，在从站设备和仪表的应用和研究上取得了一定的进展，如北京的鼎实公司、浙江 的正泰集团以及清华大学等，也开发出了一些p r o f i b u s d p 从站单元但是，其中多 为一些功能单一的开关量输入输出设备及现场总线智能变送器和执行器，而对于集成控 制算法的现场总线智能控制单元和具有通信功能的d p 从站的研究与应用则比较少。因 此研制开发具有自主知识产权的p r o f i b u s d p 通讯接口和功能相对齐全又同时符合 我国工业控制现状的p r o f i b u s d p 智能从站，以推动天津仪表产业乃至我国仪表业的 智能化进程和现场总线控制在我国的应用就显得尤为重要龇7 】f 1 9 1 1 3 主要研究内容 第一章绪论 本文正是针对现场总线在我国的应用和发展现状，在研究p r o f i b u s d p 现场总 线基本理论的基础上，从硬件和软件两个方面详细叙述了如何采用8 0 c 5 2 单片机与 p r o f i b u s 通信接口芯片s p c 3 来实现p r o f i b u s d p 智能从站，该智能从站有如下功 能：能作为p r o f i b u s d p 通信接口将普通仪表接入p r o f i b u s 网络在智能从 站中集成p i d 控制算法模块，可以实现现场一级的控制。即p r o f i b u s d p 智能从站能 将传感器所采得的一系列信号接入并经过一定的前向通道变换成符合控制计算和通信 的数字信号量。然后，按编制好的程序和上位机组态好的参数及算法进行运算，并按通 信协议传给上位计算机来用于显示和监控，再将上位计算机发出的信号与智能从站运算 后的控制信号经过逆向变换输出给现场执行设备，从而实现一个完整的回路控制方案。 不仅具有数字量输入输出功能，还具有模拟量输入输出功能，可以将数字量或模拟量 仪表接入p r o f i b u s 网络。 本论文各部分的主要研究工作如下： 第一章是绪论部分主要介绍了论文的研究背景、课题来源，几种流行现场总线 的发展动态及p r o f i b u s 现场总线技术的最新进展，最后给出了本文的主要研究内容。 第二章是p r o f i b u s 现场总线技术部分。主要分析了p r o f i b u s 现场总线的基本 特性：协议结构、传输技术、总线存取协议等。 第三章是p r o f i b u s d p 通信协议及通信过程部分。主要分析了p r o f i b u s d p 报 文传输分析，从站状态机制等，最后详细阐述了p r o f i b u s d p 系统通信过程 第四章是p r o f i b u s - d p 智能从站硬件设计部分。首先比较p r o f i b u s d p 智能从 站硬件实现的几个设计方案，得出了本文采用单片机+ p r o f i b u s 通信专用协议芯片 s p c 3 的解决方案来实现p r o f i b u s - d p 智能从站的开发，然后确定开发步骤及智能从 站的具体功能及要求，最后详细阐述了系统硬件的总体设计及各主要接口的硬件设计 第五章是p r o f i b u s d p 智能从站软件设计部分。首先从智能从站软件设计的要 求入手，给出了智能从站软件设计的结构体系，然后从p r o f i b u s d p 通信接口和i o 接口两部分详细阐述了智能从站软件的具体设计，最后给出了智能从站的g s d 文件， 为后面的组网通信作好了准备 第六章是组网通信及测试部分利用s i e m e n s 公司的主站接口模块c p 5 6 1 3 、开 发软件包p a c k a g f a 及以上开发的智能从站接口模块搭建了一个调试与测试平台，详 细阐述了对所开发的从站进行通信测试的步骤，得出了相应的实验结果，并对结果进行 了分析 第七章是课题总结与展望部分。主要对整个课题的工作进行了回顾和总结，并对课 题未来研究方向进行了展望 1 4 本章小结 本章首先探讨了现场总线的概念、产生的背景以及基于现场总线控制系统的特点和 优点，然后论述了当前几种流行的现场总线总线的发展动态及p r o f i b u s 现场总线标 准的最新进展，最后阐述了本课题的研究内容。 天津理= 大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l db u s 的缩写，由以s i e m e n s 公司为主的十三家工业 企业和五家研究机构联合推出，是联邦德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议 标准，代号d 玳1 9 2 4 5 。1 9 9 6 年经欧洲电工委员会批准成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 9 年 1 2 月被批准成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分 r u n m o d e ； f f ( n m i = p i d c a s ) n s = p i d ls t m c t - s e t p ； p i d 0 _ s t r u c t - a v = n s ； e k = s p q k l f o rd e v i a t i o na l a r m | i f ( ( p i d 0 _ s t r u c t r u n m o d e = = p i d m a n ) h ( p i d 0 _ s t r u c t - r u n m o d e = = m a n t r a c 均1 1 0 i d 0 _ s t r u c t - r u n m o d e = = a u t o t r a c k ) ) e k = s l y y k 4 l if o rd e v i a t i o na l a r m | 砥p i d 0 _ p 5 ) & 0 x 0 1 ) p i d 0 _ s t r u c t 一 s e t l = y l g pf o rt oa u t o m a t i c | ) u k o u t = n s ； u k = u k o u t - o c ； 5 4g s d 文件的编制 为验证所设计从站的p r o f i b u s 功能及系统性能，实验需要建立自定义从站的 g s d 文件，目的是为了使用开放的组态工具组态以达到将不同生产厂商生产的设备集成 第五章p r o f i b u s d p 智能从站软件设计 在同一总线系统中，这样既简单又是对用户友好的。 下面给出本研究课题中开发的p r o f i b u s d p 从站的部分g s d 文件。 # p r o f i b 惜_ d p v e n d o r _ n a m e = 。 t j j b y b ” ；设备制造商 m o d e ln a m e d ps l a v e l 0 ” ：产品名称 r e v i s i o n = ”v e r s i o n1 0 0 0 ” ：产品版本 i d e n l n u m b e r = 0 x 0 0 0 3：产品识别号 p r o t o c o l i d e n t = 0；协议类型( 0 表示d p ) s t a t i o n _ t y p e = 0；站类型( o 表示从站) f m s _ s u p p = 0 ：不支持f m s h a r d w a r er e l e a s e = ”v e r s i o n1 0 0 0 ”：硬件版本 s o f t w a r e _ r e l e a s e = ”v e r s i o n1 0 0 0 ”：软件版本 9 6 _ s n p p = 1 ；支持9 酞波特率 1 9 2 _ s u p p = 1 ：支持1 9 2 l 【波特率 9 3 7 5 _ s u p p = 1；支持9 3 7 5 k 波特率 1 8 7 5 _ s u p p = 1：支持1 8 7 5 k 波特率 5 0 0 _ s u p p = 1；支持5 0 0 k 波特率 1 5 m _ s u p p = 1；支持1 5 m 波特率 3 m _ s u p p = 1；支持3 m 波特率 6 m _ s u p p = 1；支持6 m 波特率 ；1 2 m 鲫p p = 1 m a x t s d r _ 9 6 = 6 0 ：9 6 k b p s 波特率时最大从站延迟时间 m a x t s d r _ 1 9 2 = 6 0 ；1 9 2 k b p s 波特率时最大从站延迟时间 m a x t s d r _ 9 3 7 5 = 6 0；9 3 7 5 k b p s 波特率时最大从站延迟时间 m a x t s d r _ 1 8 7 5 = 6 0 ；1 8 7 5 k b p s 波特率时最大从站延迟时间 m a x t s d r5 0 0 = 1 0 0 ；5 0 0 v a , p s 波特率时最大从站延迟时问 m a x t s d r _ 1 5 m = 1 5 0；l s f o p s 波特率时最大从站延迟时间 m a x t s d r _ 3 m = 2 5 0；3 m b p s 波特率时最大从站延迟时间 m a x t s d r _ 6 m = 4 5 0；6 m b p s 波特率时最大从站延迟时间 ；m a x t s d r _ 1 2 m = 8 0 0 r e d u n d a n c y = 0 r e p e a t e r _ c t r l _ s i g = 0 ；c o n n e c t o r 上c n t r - p 的信号类型：0 未接：1r s 4 8 5 ；21 几 2 4 v j i n s = 0；c o n n e c t o r 上m 2 4 v 和p 2 4 v 信号的功能：0 未接；1 输入；2 输出 f r e e z e _ m o d e _ s u p p = 0 ：不支持同步输入模式 s y n c _ m o d e _ s u p p = 0 ：不支持同步输出模式 a u t o _ b a u d _ s u p p = 1 ；支持自动波特率检测 s e t s l a v e _ a d d _ s u p p = 0；不支持通过总线改变从站地址 u s e r p r m d a t a l e n = 2 0；用户参数最大长度 天津理工大学硕士学位论文 u s e rp r md a t a = 0 x o o ，o x o o ，o x o o ，o x 0 0 m i ns l a v ei n t e r v a l l = 5 m o d u l a rs t a t i o n = 1 m a xm o d u l e = 2 m a xi n p u tl c n = 1 6 m a xo u t p u tl c n = 1 6 m a xd a t al e l l = 3 2 m a xd i a g “d a t a l e n = u n i td i a g =m5_area v a l u e ( 0 ) = ”n oe r r o r ” v a l u 1 ) = ”l o wv o l t a g e ” v a l u e ( 2 ) = ”a de r r o r ” v a l u e ( 3 ) = ”d i s p l a y 廿m ， v a l u e ( 4 ) = ”c o n t r o lc o n f l i c t 。 v a t u e ( 5 ) = 。c o n u n a n d 洲。 u n i td i a ga r e ae n d ：初始化为0 ；在两个从站之间的最小循环时间间隔 ：模块化从站 ：模块的最大数量 ；最大输入数据长度 ：最大输出数据长度 ：最大数据长度 ：诊断缓冲区长度 m o d u l e = ”m o d u l e1 ：2 b y t ei n ，2 b y t eo u t ”0 x 1 1 ，0 x 2 1：模块定义 e n d m o d u l e m o d u l e = ”m o d u l e2 ：4 b y t ei n , 4 b y t eo u t ”0 x 1 3 , 0 x 2 3 e n d m o d u l e 该g s d 文件中，标识号0 d ) 为假设。在一台设备成功地进行所有试验后厂商必须 向p r o f u s 用户组织提出申请，要求发给认证书。每台认证过的设备均发给一个认 证号作为参考认证证书有效期为3 年，并定期进行检查。 5 5 本章小结 本章主要分析了p r o f i b u s - d f 智能从站的软件设计首先从智能从站软件设计 的要求入手，给出了本智能从站软件设计的结构体系，然后从p r o f i b u s d p 通信接口 和i o 接口两部分详细阐述了智能从站软件的具体设计，最后给出了本智能从站的g s d 文件，为后面的组网通信提供了准备。 第六章组网通信及测试 6 1 概述 第六章组网通信及测试 为了验证所设计的p r o f i b u s d p 现场总线智能从站的功能及