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浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 摘要 可靠性是自动控制系统最为本质的特征之一。随着自动化控制系统变得越 来越复杂，同时越来越多的应用场合对控制系统的可靠性提出了更高的要求，较 商的墨笙盟| 主鲢渐成为控制系统最为重要的设计目标之一。因此，研究系统不 可靠的根源，提出相应的解决措施对每一个控制系统来说都是必要的，并且异常 重要。本课题通过分析比较，选择了一种已经有广泛的应用基础并且发展前景较 好的现场总线技术p r o f i b u s d p 作为研究对象，重点研究了p r o f i b u s - d p 现 ，o _ - _ _ 一一 场总线控制系统的可靠性问题，分析了p r o f i b u s d p 控制系统不可靠的根源， 在此基础上提出了多项提高p r o f i b u s d p 系统可靠性的措施。 ， 在论文的第二章和第三章，我们首先介绍了p r o f i b u s 的体系结构，对它 l 的协议结构以及d p 、p a 和f m s 三个兼容的组成部分进行了简要说明。在此基 础上，进一步分析了p r o f i b u s - d p 控制系统的系统结构、系统行为和系统配置 形式，并对它的传输技术、介质访问控制方式、数据传输服务以及站点地址编址 机制进行了介绍，分析了它们的特点。 在对p r o f i b u s - d p 控制系统的结构及其关键技术有了一个比较清楚的认 识之后，我们可以开始着手对p r o f i b u s - d p 控制系统的可靠性问题进行研究。 论文的第四章首先分析了引起系统可靠性下降的根源一一故障，对 p r o f i b u s d p 系统可能出现的主要故障进行了分类说明，详细讨论了各类故障 的现象、产生原因以及故障的恢复或掩蔽措施。然后，通过分析从故障发生到引 起系统失效的因果链，针对故障引起系统失效的不同发展阶段，提出了采取逐级 防卫故障的策略来提高系统可靠性的方法。具体来说，课题主要从故障预防和故 障容错两个方面研究了提高p r o f l b u s d p 控制系统的可靠性的有效措施，其中 又尤其以故障容错为研究重点。通过分析，提出了应用协议机制、冗余技术和失 效安全技术相结合的方式来共同容错的策略。 在研究提高系统可靠性措施的过程中，鉴于冗余技术对系统可靠性的特殊 重要性，我们专门对它进行了研究，这一部分也是本课题研究的关键内容。在第 六章，我们首先简单给出了一些冗余方面的理论基础知识，在此基础上，提出了 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 构架p r o f i b u s d p 冗余系统的三个方面：主站冗余、从站冗余和线路冗余。然 后，对实现冗余系统的三个方面进行了定义，对它们的体系结构、工作机理以及 所能提供的故障保护功能进行了详细地分析。 在深入研究了p r o f i b u s d p 系统冗余的三个方面以及实现系统冗余的关 键网络部件后，我们已经具有了实现p r o f i b u s d p 冗余系统的基础。论文的第 七章应用前面研究和分析的成果，具体提出了三种不同的p r o f i b u s d p 冗余系 统构架形式，并给出了它们的体系结构，对它们的工作机理和能够实现的故障保 护功能进行了分析。 至此，通过分析和研究我们基本上提出了一套完整的提高p r o f i b u s d p 控制系统可靠性的措旌。通过应用本课题研究的成果，在p r o f i b u s - d p 控制系 统中采用所提出的可靠性措施，可以大大提高p r o f i b u s d p 系统的可靠性，因 此课题的研究成果具有一定的现实应用意义。同时，对p r o f i b u s 现场总线技 、 术的发展和进一步完善也具有一定的促进作用。l 鼻一 j l 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 a b s t r a c t r e l i a b i l i t y 1 so n eo ft h em o s te s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i e so fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m s w i t h t h e i n c r e a s i n gc o m p l e x i t y o fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m s a n dt h e e v e r - h i g h e rr e l i a b i l i t yr e q u i r e db ym o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n s ，as o u n dr e l i a b i l i t yh a s b e c o m eo n eo f t h em a i n d e s i g ng o a l so f c o n t r o ls y s t e m s i ti st h e r e f o r en e c e s s a r ya n d p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt om a k eas t u d yo nt h eu n r e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e m sa n d a d v a n c et h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，p r o f i b u s d p , ap r o m i s i n gf i e l d b u sc o n t r o l s y s t e mt h a th a sb e e nw i d e l yu s e d ，i sc h o s e na st h e r e s e a r c hs u b j e c t b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h e u n r e l i a b i l i t yo f p r o f i b u s - d p v a r i o u s m e t h o d st oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo f i th a v e b e e n g i v e n i nc h a p t e r s2a n d3 ，a ni n t r o d u c t i o no ft h ea r c h i t e c t u r eo f p r o f i b u si n c l u d i n g i t sp r o t o c o ls t r u c t u r ea n dt h et h r e ec o m p a t i b l ec o m p o s i n ge l e m e n t sd p , p aa n d f m s ， i sg i v e n b a s e do nt h i s ，w ed e l v ef u r t h e ri n t ot h es y s t e m a r c h i t e c t u r e ，s y s t e mb e h a v i o r a n ds y s t e mc o n f i g u r a t i o no fp r o f i b u s d p i t st r a n s f e rt e c h n i q u e s ，m e d i aa c c e s s c o n t r o l m e t h o d s ，d a t a t r a n s f e rs e r v i c e sa n da d d r e s s a s s i g n i n g m e c h a n i s ma r e i n t r o d u c e d w h i l et h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oa n a l y z e d a r e r d e v e l o p i n gar o u n du n d e r s t a n d i n go f t h es t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e so f p r o f i b u s - d p ，w eb e g i nt oa n a l y z ei t sr e l i a b i l i t y i nc h a p t e r4 ，w ef i r s ta n a l y z et h e f a u l t ，t h e r o o tt h a tc a u s e st h e u n r e l i a b i l i t y o ft h e s y s t e m t h e m a i nf a u l t so f p r o f i b u s - d pa r ec a t e g o r i z e da n ds t u d i e d t h e p h e n o m e n a a n dc a u s e so f t h ef a u l t s ， t o g e t h e rw i t ht h em e a s u r e m e n t sf o rr e c o v e r ya n dm a s k i n g ，a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h ec h a i nf r o mt h ef a u l to c c u r r e n c et os y s t e mf a i l u r e ，a s t r a t e g yt h a ta d v a n c e st h es y s t e mr e l i a b i l i t yi nr e s p o n s et ot h ed i f f e r e n tp h a s e so f t h e p r o c e s sd u r i n gw h i c h t h ef a u l t sc a u s et h es y s t e mf a i l u r ei sg i v e n t h et h e s i ss t u d i e s t h ee f f e c t i v em e a s u r e m e n t st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f p r o f i b u s ：d p t h r o u g hf a u l t p r e v e n t i o na n d ，e s p e c i a l l y ，f a u l tt o l e r a n t t h r o u 【g ha n a l y s i s ，as t r a t e g yt oi m p r o v et h e t o l e r a n c et h a ti n v o l v e sp r o t o c o lm e c h a n i s m ，r e d u n d a n c ya n df a i l s a f e t e c h n o l o g yi s a d v a n c e d i 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 d u r i n g t h e s t u d y o nt h em e a s u r e m e n t st o i m p r o v e t h e s y s t e mr e l i a b i l i t y ， a b u n d a n c ei se x a m i n e de s p e c i a l l yc a r e f u l l y ，c o n s i d e r i n gi t sp a r t i c u l a ri m p o r t a n c et o s y s t e mr e l i a b i l i t y i ta l s oc o n s i s t st h ek e ys u b j e c to f t h ep r e s e n tt h e s i s ，i nc h a p t e r6 ， w em s tp r o v i d eat h e o r yb a c k g r o u n do fa b u n d a n c e w el a t e rm o v eo nt ot h et h r e e a s p e c t so ft h ea b u n d a n ts y s t e mo fp r o f i b u s - d p ，i e m a s t e rr e d u n d a n c y , s l a v e r e d u n d a n c y a n dl i n e r e d u n d a n c y t h i s i n v o l v e st h e d e f i n i t i o n s ，a r c h i t e c t u r e s ， f u n c t i o n i n gm e c h a n i s m so f t h et h r e ea s p e c t s t h er e s p e c t i v ef u n c t i o n so fe a c ha r e a n a l y z e di nd e t a i l a f t e rt h ec l o s es t u d yo ft h et h r e ea s p e c t sa n dt h ek e yn e t w o r kc o m p o n e n t sf o r i m p l e m e n t a t i o n ，w e a r eo nt h e w a yt o t h er e a l i z a t i o n i n c h a p t e r7 ，u s i n g t h e c o n c l u s i o n sd r a w nb e f o r e ，w ei n 打o d u c et h r e ed i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e so ft h ea b u n d a n t s y s t e m o fp r o f i b u s - d p t o g e t h e rw i t ht h e i r w o r k i n g m e c h a n i s m sa n dt h e i r r e s p e c t i v ef u n c t i o n s t h u s ，w eh a v ed e v e l o p e das e to fm e a s u r e m e n t st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f p r o f 玎j u s d p u s i n gt h er e s u l t so ft h es t u d y t h er e l i a b i l i t yo fp r o f i b u s d p c a n b eg r e a t l yi m p r o v e d ，w h i c hm e a n st h a tt h er e s u l t sh a v es o m er e a la p p l i c a t i o n s a l s o ， t h e s t u d y w i l la l s o h e l pt h ei m p r o v e m e n t o f p r o f i u s - d p 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 致谢 在本论文完成之际，我首先要衷心感谢我的课题指导老师冯冬芹副教授和 黄文君高工。两位老师不仅具有渊博的学术知识，而且科研作风严谨，他们不仅 是我学习上的导师，同时也是我生活中的指路人。在此，我要感谢他们两年多来 对我方方面面尽心尽力的支持和关怀。从他们身上，我学到的不仅仅是一点点专 业知识，更为重要的是学会了如何做科学研究，如何做一个成功的人。同时，我 还要感谢研究所的褚健和金建祥两位教授，感谢他们在百忙之中跟我们谈心，教 我们做学问和做人的道理。 在两年多的学习和科研过程中，庄建国和汤健彬两位同事给予了我极大的 帮助和支持。他们既是我直接的领导，同时也是我生活中的朋友，从他们身上我 学到了很多，在此我要对他们表示真挚的谢意。 两年多来，与实验室的同学张晓刚、徐强、李剑、冯晋中、蔡有元、毛晓 燕、王哲华以及室友陈继凯、徐贻斌和桑强等一直相互帮助相互提高，一起度过 了许多快乐的时光，在此表示感谢。 我还要特别感谢我的家人，是他们一直在背后默默无闻的支持我，他们给 _ 予我的太多太多。 最后，再次感谢所有支持和关心我的人，是你们的帮助使我能够顺利地完 成我的学业，并以一颗健康的充满信心的心态去进入这个社会。 作者 2 0 0 3 年3 月于求是园 v 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 第1 章绪论 随着计算机技术、通讯技术以及控制本领域技术的不断发展，工业控制系 统的体系结构也在不断演变，相对于传统的集中控制系统，一些新型的工业控制 系统相续出现，主要包括：集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 、现 场总线控制系统( f i e l b b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 以及工业以态网控制系统等。 从总体上来看，控制系统不断沿着控制功能的分散化、通讯线路的总线化及现场 设备的智能化等几方向发展。信号的数字化传输、系统的开放性及安装与维护的 方便性等成为新型控制的主要特点。 1 1 d c s 控制系统的特点及其局限性 d c s 控制系统的出现可以说是现代工业控制领域的一次飞跃，它首次提出 了“信息集中，控制分散”的控制系统构架思想。在很大程度上改善了集中控制 系统的主要缺陷：控制集中，因此危险也相对集中；很难实现复杂的控制算法； 系统布线安装与维护都非常复杂等等。d c s 控制系统在一定程度上做到了“控 制分散，危险分散”，它们中一部分改变了过去的4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号传输方式， 采用数字信号传输，抗干扰能力增强，同时d c s 控制系统的主控制站可以实现 非常复杂的控制算法，整个系统的安装维护相对简单。并且，大多d c s 控制系 统都引入了冗余技术，进一步提高了系统的可靠性。因此，d c s 控制系统发展 非常迅速，占有很大一部分市场份额，到目前为止，还显示出很强的生命力。 但是，d c s 控制系统有它的局限性。它的主控制站部分仍然是一个控制集 中，危险集中的地方，并没有真正体现“信息集中，控制分散”的思想。它在控 制站与现场设备之间采用点到点的连接方式，使得现场的布线跟维护都非常复 杂。特别是几乎所有的d c s 控制系统在现场级采用的都是专用的网络和接口， 系统的开放性和可扩展性很差，用户的选择余地非常小。由于这些缺点的存在， 因此吸取d c s 控制系统的优点，改善它的不足之处，研究开发新型控制系统就 显得很有必要。现场总线控制系统正是在这种背景下应运而生的。 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 1 2f c s 控制系统 1 2 1f c s 控制系统的基本要求 现场总线是应用于工业现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间 实行双向、串行、多节点通讯的一种局域通讯网，它虽然借鉴了计算机局域网的 很多成熟技术，但由于其应用领域的特殊性( 比如实时性等) ，因此它本身具有 一些不同于其它局区域网的特殊要求，i s o 标准化组织对应用于工业现场的有实 时性要求的局域网协议所要实现的基本功能做了规定，概括起来主要包括以下几 点： ( 1 ) 、能够提供在确定的时限内传送小的信息包的通讯服务，如果传输失败， 这种情况应该被指示： ( 2 ) 、能够以不同的周期处理多个周期性通讯任务，在一些现场总线解决方 案中，这项功能是通过循环通讯来实现的。但是其本质上的要求是：一 旦数据已经被采样，能够在其周期结束之前把数据正常的传输出去； ( 3 ) 、能够提供处理有时限要求的、突发的、零星的数据包的通讯服务； ( 4 ) 、允许多个输入的准同时采样； ( 5 ) 、提供时间一致性指示： ( 6 ) 、对于零星的、突发的通讯，应该提供一定的方法以便确定事件发生的 顺序，往往根据事件发生顺序的不同，系统将作出不同的反应。如果事 件潜在地发生在不同的网络节点上，应用提供一种方法以确定他们发生 的顺序； ( 7 ) 、提供点到点和一点到多点的传输服务； ( 8 ) 、防止干扰和不稳定因素的影响，提供出错处理： ( 9 ) 、廉价的解决方案； ( 1 0 ) 、同时，编制计划、安装、维护方便。 浙江大学硕士毕业论文p r o f l 8 u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 这些基本要求比较全面的考虑了工业控制系统的实际情况，国际上的几种 主流现场总线技术一般实现的是它的个f 集。 1 2 2f c s 控制系统的特点及其先进性 与传统的控制系统相比，现场总线控制系统具有以下几个主要特点： 数字信号传输 数字信号传输打破了传统控制系统一对一单向传输的结构，实现了高速、 双向、多节点传输，而且支持多传输介质和拓扑结构。数字信号提高了测量和控 制精度，也加强了信号的抗干扰能力，一对传输线上能挂接多个现场设备，大大 减少了设备投资和安装费用。 开放性系统 现场总线为开放性互连网，从总线标准、产品检验到信息分布都是公开的， 面向所有的产品制造商和用户。这种开放性增强了设备间的互操作性，遵守同一 协议的不同厂商的产品可以进行统一的组态，交换信息。不同协议的产品之间也 可以通过特定的网关通讯，给用户提供了很大的选择余地。 现场设备的智能化 由于在现场设备中内置了微处理器，现场设备能够完成检测、变换、补偿 和运算等简单的控制功能，把控制任务下放到现场，实现了真正意义上的控制分 散，缩短了控制周期，提高了实时性。现场设备同时具有通讯功能，节点与节点 之间，节点和上位机之间能相互连成网络，互换信息，协调控制。 提供复杂多样的通信服务 现场总线控制系统一般都参照i s o o s i 参考模型来设计其协议体系，从而 可以提供多样化的通信服务，比如广播、周期性点对点轮询以及网络管理等。 1 2 3 几种主流的现场总线技术 由于历史的原因以及自动化行业的多样性，形成了目前国际上多种现场总 线并存的局面，基本上每一种现场总线都有自己的技术特点以及特定的应用领 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 域。支持某种现场总技术的集团都有自己的利益考虑，同时自动化领域的行业众 多，确实很难用一种总线技术满足搀个自动化行业的需要，因此i e c 标准化组 织想形成一种统一的现场总线标准的试图最终没能实现，最后选择了一种折中的 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i e c 6 1 1 5 8 。i e c 6 1 1 5 8 包括8 种类型的现场总线：f fh 1 、c o n 仃o l n e t 、 p r o f m u s 、p - n e t 、f fh s e 、s w i f l n e t 、w o r l d f i p 以及i n t e r b u s 。 这几种现场总线的体系结构及所采用的技术细节各不相同，其主要的应用 领域也不同。其中p n e t 和s w i f l n e t 是用于有限领域的专用现场总线；c o n t r o l n e t 、 p r o f i b u s 、w o d d f i p 及i n t e r b u s 现场总线是由以p l c 为基础的控制系统发展而 来的现场总线，从本质上讲它们以远程f o 技术为基础，通常不具备通过总线向 现场装置供电的功能( p r o f i e l u s p a 例外) ；f fh i 和f fh s e 总线是由传统的 d c s 控制系统发展而来的现场总线，其中f fh s e 充分考虑了向现场仪表的两线 制供电及本质安全要求，它们的协议都比较复杂。 根据v d c 在1 9 9 8 年的调查资料显示，各类总线的世界市场占有额如表1 1 所示。 表1 1 各类总线的市场占有额 序号产品名称1 9 9 8 年的市场份额预测2 0 0 3 年的市场份额 p r o f i b u s d p lp r o f m u s f m s2 1 5 2 4 5 p r o f i b u s p a ，a s - i a br e m o t e o 2d e v i c e n e t2 0 4 2 1 1 c o n 订o l n e t 3e t h e m e t8 4 2 2 o 4f o u n d a t i o nf i e l d b u s2 4 8 3 5其它4 7 3 2 4 1 4 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 经过最近几年的发展，p r o f i b u s 的市场占有额鼋现持续增大的趋势，特 别是它的d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 部分，发展非常迅速，相对而言f m s ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 部分发展较为缓慢。f f 现场总线由于其技术的 复杂性，实现难度大，开发工具的不完善性，使得它的发展速度并不象人们当初 预期的那样快，呈现出一种理性发展的趋势。其它的象d e v i c e n e t c o n t r o l n e t 及 l o n w o r k s 等的市场占有额也在不断增大。总的来说，现场总线控制系统或者具 有现场总线接口的d c s 控制系统已经占据了目前控制系统的主要市场份额。 1 2 4p r o f i b u s 的优势 p r o f i b u s 现场总线技术与其它的现场总线技术相比，具有它自身独特的 优势，具体来说表现以下几个方面： ( 1 ) 、p r o f i b u s 现场总线技术是欧洲标准，同时也是国际标准； ( 2 ) 、p r o f i b u s 现场总线特别是它的d p 部分已经具有非常广泛的应用基 础，支持厂商多，用户量大； ( 3 ) 、p r o f i b u s 具有d p 、p a 及f m s 三个兼容的部分，可以满足多个领域 的自动化需求，并提供从工厂级到现场级的全方位解决方案； ( 4 ) 、p r o f i b u s 的协议体系相对简单，同时经过多年的发展，现在已经具 有成熟的开发及验证工具可以利用，系统的开发实现比较容易，易于推 广； ( 5 ) 、成立了专门的国际组织来维护其发展； ( 6 ) 、具有西门子这样的国际性大公司的支持。 正是因为p r o f m u s 具有上面的优势，因此它具有很好的发展应用前景。 1 3 研究p r o f l b u s 及其可靠性技术的意义 上面介绍了d c s 控制系统及f c s 控制系统的一些基本特点，我们可以看出 现场总线控制系统较d c s 控制系统更具先进性，代表了未来控制系统发展的方 向。 p r o f i b u s 是一种标准的现场总线技术，与其它类型的现场总线技术相比 具有它自身独特的优势，它是当d d 应用最广，发展前景最好的现场总线技术之。 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 当前研究p r o f i b u s 现场总线技术在两个方面具有重大的意义：一方面可以满 足现实应用的需要；另方面还可以促进p r o f i b u s 现场总线技术的进一步。 p r o f i b u s 经过多年的发展，已经比较成熟，但它并不完善。同时，更为 复杂和多样的现实应用又对p r o f i b u s 现场总线控制系统的可靠性提出了更高 的要求。对许多应用场合来说，对一个控制系统的基本要求首先是要它是可靠的， 在此基础上才会去追求获得更高的系统性能。因此，对于p r o f i b u s 现场总线 控制系统来说，研究其系统不可靠的根源，进而提出一套完整的提高 p r o f i b u s d p 控制系统可靠性的措施，是关系其未来发展的一个关键问题。 本课题正是致力于这一目的，在对现有的p r o f i b u s 技术进行深入研究的 基础上，着重研究了p r o f i b u s d p 现场总线控制系统的可靠性问题，提出了多 种提高p r o f i b u s - d p 控制系统可靠性的措施，其中特别重点研究了p r o f l b u s 当前还比较欠缺的冗余技术问题，在研究过程也涉及到一些系统的部件的实现问 题。 浙江大学硕士毕业论文，p r o f b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 第2 章p r o f i b u s 体系结构 p r o f i b u s 是一种与制造无关的、丌放的广泛应用于制造业自动化、流程 工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化的现场总线标准，目前它是欧 洲标准，也是国际标准。本章将简单介绍p r o f i b u s 的体系结构。 2 4p r o f i b u s 协议体系 p r o f i b u s 是根据i s o 国际标准以开放式系统互连网络( o s i ) 作为参考模 型来设计其协议体系的。为了确保数据传递的快速性，在p r o f i b u s 的协议体 系中省去了o s i 参考模块所规定的3 6 层，同时在第7 层应用层之上额外增加 了一个用户层。p r o f i b u s 的协议体系结构如图2 1 所示。 l 翌) ( 静 )( p 玉二 i 南i i p 抒翔户餍 f f 髂蔹鲁杼攮 i 弹暂曩琦嚣 d p 羹奉磅- ： 1 日屡 聃黼c f 髂) l l 素使搿 i l 羼 i i 镶稚 磊筠总盎藏鬻 i 县 嘲 搠， i i b c 接u l 屋 ( a s 4 a s 光拜)( 1 h l l 鞘0 图2 - 1p r o f i b u s 协议体系结构 其中协议体系中的物理层( 即第1 层) 定义了p r o f i b u s 系统的物理传输 特性；数据链层( 第2 层) 定义了系统的总线存取协议，以及数据帧的格式等； 应用层( 第7 层) 则定义了一些与上层应用相关的接口功能。此外，在p r o f l b u s 的用户层定义一些与特殊应用场合相关的应用规范。 浙江大学硕士毕业论丈p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 2 2d p 、p a 与f m s 由上面的体系结构可以看出，p r o f i b u s 是由三个兼容的部分组成，即 p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - p a 以及p r o h b u s 年m s ，它们相互结合为实现工 ，+ 现场级到车间级的分步式数字控制和现场通讯网络化提供全面的解决方案，如 图2 2 所示。 图2 2p r o f m u s d p 、p a 及f m s 提供的全面解决方案 p r o f i b u s - d p 协议相对简单，只包括物理层、数据链路层以及一个扩展的 用户层，其总线速度快，最高可以达到1 2 m b i t s 。它主要用于现场级的高速数据 传输，解决自动控制系统( 如p c 、p l c 等) 通过高速串行总线与分散的现场设 备( 如i o 、驱动器、阀门等) 之间的通讯任务，使用p r o f i b u s 。d p 可以取代 传统的0 2 0 m a 或2 4 ) c 信号传输方式。p r o f m u s d p 是p r o f i b u s 三个组 成部分中应用最广，发展最快的部分，目前它的协议功能还在不断完善中。 p r o f m u s - p a 是p r o f i b u s 面向应用的模块化构成方法的一个显著例子。 从协议规范的构成来看，p r o f i b u s p a = p 瑚0 f i b u s d p ( 基本功能+ 扩展功能) + i e c l l 5 8 2 传输技术+ p a 行规。它主要用于流程工业自动化领域，实现自动化 系统或过程控制系统与现场设备( 如压力、温度和液位变送器等) 之问的互连， 并解决他们之间的通讯任务。p r o f i b u s - p a 采用i e c l1 5 8 2 传输技术，具有总 线供电和本质安全特征，可用于有爆炸危险的区域。 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 p r o f i b u s f m s 主要用于车间级的通讯，它的通讯是面向对象的，由于这 一级处在工厂自动化系统的中间层，起承上启下的作用，因此在这一级高性能的 功能要求远比系统快速反应更为重要。f m s 除解决智能现场设备( 如p c 、p l c 、 m m l 等) 之间的通讯任务外，相对于d p ，f m s 协议在数据链路层与用户层之 间还还增加了一个现场报文规范层，用于提供了大量的、强有力的管理和服务功 能，以适应各种应用需要。 2 3p r o f i b u s - d p 的体系结构 p r o f i b u s d p 是p r o f i b u s 三个兼容部分中应用最为广泛的部分，它的 协议层次相对简单，数据传输速度快。p r o f i b u s d p 采用了模块化的设计方式 来构成面向特殊应用的p r o f i b u s d p 控制系统。图2 3 给出了模块化的 p r o f i b u s d p 体系结构示图。 图2 - 3 模块化的p r o f i b u s d p 体系结构1 3 1 p r o f i b u s d p 的物理层可以采用两种传输技术：r s 4 8 5 与光纤。两种传输 介质都支持从9 6 k b i t s 到1 2 m b i t s 的波特率，传输距离与所选用的波特率和传 输介质有关。每一段总线上最多可以连接3 2 个站点( 主站、从站及中继器) ，通 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 过中继器可以增加段数，距离也可相应延长，总线上的站点数最多可达1 2 6 个。 通过应用光纤连接模块，可以实现电缆与光纤的混合组网。 p r o f i b u s d p 的数据链路层包括两个子层：介质访问控制子层( m a c ) 与现场总线路链控制子层( f l c ) 。d p 采用集中与分散相结合的介质访问控制方 式，控制总线上的站点以确定性的方式访问总线。f l c 子层则主要负责管理服务 原语和服务访问点( s a p ) 。 p r o f i b u s d p 的用户层主要包括面向应用的各种应用规范，比如时间戳规 范( t i m es t a m p s ) 、从站冗余规范( s l a v er e d u n d a n c y ) 及p a 设备规范等，这些 行规详细说明了用户数据的含义，并具体规定了p r o f i b u s d p 如何在应用领域 使用。 根据应用需求的不同，p r o f i b u s 发展了三个不同版本的d p 通信标准： d p v 0 、d p v 1 和d p v 2 。三个版本之间的区别主要存在于用户层的不同实现， 具体对用户来说，就是可以获得不同的通讯功能。 d p v 0 是最基本的d p 功能版本，它实现了d p 所要求的一些基本提供功能： 主站与从站之间的循环数据交换功能； 三级诊断功能； 诊断、处理及站点加入与删除四种类型的中断。 d p v 1 在d p - v 0 的基础上做了必要的功能扩展，以适应过程自动化的要求。 它提供的功能包括： d p - v 0 包括的基本功能； 非循环的数据通讯； 额外的三个中断：状态中断、更新中断及一个留给制造商用的中断。 d p v 2 则在d p v i 的基础上做了进一步的功能扩展，提供的功能包括： d p v 1 所包括的功能； 从站与从站的直接通讯； o 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 所有站点毫秒级的时钟同步。 通过选择适当的传输技术以及所需要的d p 版本，在加上面对特定应用场合 的应用规范就可以构成满足特定要求的p r o f i b u s d p 现场总线控制系统。 p r o f i b u s d p 是一个标准的系统，同时它通过模块化的体系结构设计方式又满 足了多自动化领域的应用需求。 在本课题下面的研究过程中，我们将主要针对p r o f i b u s d p 现场总线控 制系统来进行，同时选择d p v 1 版本。 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s - d p 控制系统及其可靠性技术研究 第3 章p r o f i b u s d p 控制系统 在上一章中，主要介绍了p r o f i b u s 现场总线技术的总体体系结构。接下 来，我们将要研究的是p r o f i b u s d p 现场总线控制系统，研究它的系统结构以 及它所采用的一些关键技术。 3 1p r o f 旧u s - d p 的系统结构及系统行为 3 1 1p r o f i b u s d p 的站点类型 针对工业现场的实际情况，为了降低系统成本和简化实现，p r o f i b u s d p 将其系统中的站点分为三种类型：一类d p 主站( d p m i ) 、二类d p 主站( d p m 2 ) 及d p 从站。 一类d p 主站是中央控制器，网络上的主动站，能主动发起通讯请求，协调 控制对网络介质的访问，一个主站能够按照预先定义好的算法控制多个从站，与 它们进行周期性及非周期性通讯，主站可实现一些复杂的控制算法。典型的主设 备包括可编程控制器p l c 和个人计算机( p c ) 等。 二类d p 主站包括编程器、组态设备或操作面板。它们在d p 系统组态时或 对系统运行监视时使用。二类d p 主站主动参与介质访问控制，可以与一类d p 主站或者d p 从站进行非周期性通讯。 d p 从站是网络上的被动站点，不能主动发起通讯请求，只能作为被动的响 应者，它不参与网络介质的访问控制，从站自己可实现一些简单的控制算法。典 型的从站包括：输入输出设备、驱动器、h m i 及阀门等。 当然，这三类站点只是从逻辑功能上来进行划分的，实际上一个物理设备 可以同时实现这三神功能，这时它既是主站也是从站。 3 1 2p r o f i b u s d p 的系统配置 从站点地址分配的角度来看，p r o f i b u s d p 系统用一个字节来表示站点地 浙江大学硕士毕业论文p r o f i b u s d p 控制系统及其可靠性技术研究 址，其中的最高位用于地址扩展，因此实际上只有低7 位用来表示实际地址，也 就是0 1 2 7 。其中地址1 2 7 是个全局地址，用于广播或多播；地址1 2 6 是个 站点上线缺省地址，不能被分配给主站。因此，个处于同一碰撞域的 p r o f i b u s d p 网络实际只能包括1 2 6 个活动站点。地址0 1 2 5 可以分配给主站 或从站，但一个地址只能分配给一个站点。 另外，根据系统中是否有多个活动主站可以将p r o f i b u s d p 配置成单主 和多主两类系统。单主系统指d p 网络系统中包括一个主站和多个从站。所有的 d p 系统都必须至少包括一个d p 主站，因此单主系统是最简单的系统配置方式。 单主系统中的所有从站都属于系统中的唯一主站，由该主站控制对从站的周期性 轮询和其它的非周期性通讯活动。单主系统可以获得最短的总线循环时间。 与单主系统不同，p r o f i b u s d p 多主系统可以包含多个主站和多个从站。 系统中的每个从站都从属于不同的主站，一般来说，一个主与从属于它的从站构 成一个相对独立的子系统。系统中的所有主站都可以读取一个从站的输入输出镜 像值，但只有它所从属的主站才能对它进行写入操作。图3 1 给出了一个 p r o f i b u s d p 控制系统的典型配置形式，在该系统中有两个一类主站，一个二 类主站。 疆场搜鲁i 0 设备 图3 - 1p r o f i b u s d p 系统的典型配置形式 3 1 3p r o f i b u s d p 的系统行为 p r o f i b u s d p 规范包括了对系统行为的详细描述，以保证设备的可互换 性。系统的特性主