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基于p r o f b u s b p 现场总线的控制系统的研究与开发 t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h ec o n t r o l s y s t e m b a s e do nt h ep r o f i b u s - d p s u m m a r y f i e l d b u si sac o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g yw i t hi t sc o n t e n t sa r e b a s e do n i n t e l l i g e n c es e n s o r ，c o n t r o l l i n g ( p r o t o c 0 1 ) ，c o m p u t e r , d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，e t c i th a sa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o nf r o ma w o r l dw i d er a n g e ，h a sb e c o m et h em a j o rf o c u so ft h ea u t o m a t i o n d e v e l o p m e n t ，a n d w i l lr e s u l ti nt h er e v o l u t i o no f a u t o m a t i o n s t r u c t u r ea n d p r o d u c t i nr e c e n t y e a r s ，p r o f i b u sf i e l d b u st e c h n o l o g yh a sb e e n d e v e l o p e d i na s p e e d yf a s h i o n ，m o r ea n dm o r em a n u f a c t u r e r s h a v eu s e dp r o f i b u st e c h n o l o g ya st h eb a s ei n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r ki nt h e i rf a d o d e s a n dp r o f i b u s - d pi ss u 陶b t ef o ro n s i t e h i g hs p e e d d a t ae x c h a n g e ， a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ef i e l d b u st e c h n o l o g ya n d i t s c o n t r o l l i n gn e t w o r k ，t h i s a r t i c l e e x p l a i n st h ee l t a b l i s h m e n to f f i e l d b u st e c h n o l o g yi nd e t a i l ，a n de x a m si t se n g a g e m e n t b a s e do n a b o v ei n f o r m a t i o n t h i sa r t i c l ea l s oi n t r o d u o e sp r o f i b u s d p s f c s s t r u c t u r e ，a n di n i t i a t e sp r a c t i c a ls y s t e mf o rd pn e t w o r k t h ea r t i c l e p r o p o s e s i n t e l l i g e n c e i n t e r f a c e p r o t o t y p e f o r p r o f i b u s d pi n t e r f a c e d e s c r i b e s e n g a g e m e n tc h i ps p c 3f o r i n i t i a t i o ni nd e t a i l ，s e p a r a t e l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 r e a l i z a t i o nf o ri n t e r f a c e ，a n da l s op r o v i d e st h ee x p e r i m e n tr e s u l t s m a k i n gi tw o r k s f o rt h ei n t e r f a c eo fr e g u l a rd i g i t si o ，s i m u l a t i n gi o e q u i p m e n t ，a n d p r o f i b u sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i t h a sa l s o r e a l i z e do n l i n eo p e r a t i o na n dr e m o t ec o n t r o lf o ro n s i t ee q u i p m e n t f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ee x p l o r e st h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m i d d l ef r e q u e n c yi n v e r t e rb a s e do nd s pa n dt h es o f t w a r ew i n c c o fs i e m e n s i td e m o n s t r a t e st h ep r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d i f i e l d b u s ，s p c 3 ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，s t e p 7 ， w l n c c ，c o n t r o l s y s t e m ，s l a v e ，p r o f i b u s - - d p l ix i n d i r e c t e db yp r o f e s s o rd i n g j i k a 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 第一章绪论 1 1 现场总线简介 1 1 1 现场总线概念 国际电工委员会( i e c ) 将现场总线定义为：现场总线是连接工业 现场的仪表与设置在控制室内控制设备的数字化、串行、双向、多变 量和多节点的通信网络。现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r 0 1 s y s t e m ， f c s ) 的定义为：由各种现场仪表通过互连与控制室内人机界面所组成 的系统；一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动 控制系统。 1 1 2 典型现场总线简述 i e c 从1 9 8 4 年开始制定现场总线国际标准到2 0 0 0 年底最终形成 了i e c 6 1 1 5 8 国际标准，产生了8 种类型的现场总线翻： 类型1i e c 总线 类型2c o n t r o ln e t 现场总线 类型3p r o f i b u s 现场总线 类型4p n e t 现场总线 类型5f f h s e 现场总线 类型6s w i f t n e t 现场总线 类型7w o r l d f i p 现场总线 类型8i n 砸豫b u s 现场总线 基金会现场总线( f f - - f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 基金会现场总线的物理介质支持双绞线、光缆和无线发射。该协 议符合i e c 6 11 5 8 2 标准【3 】。 基金会现场总线省去了i s o o s i 七层模型中的3 6 层，但在应 用层上另加了用户层。用户层是现场总线应用的关键，能为整个系统 提供更加理想的应用环境，它与应用层起，完成应用接口的标准操 作。它规定了标准功能快( f b ) 、对象字典( o d ) 和设备描述( d d ) 来供用 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 户组成系统。在网络管理中，为了提供个集成网络各层通信协议的 机制，实现设备操作状态的监控与管理，该现场总线设置了网络管理 代理( n m a ) 矛d 网络管理信息库，提供组态管理、性能管理和差错管理 等功能p j 。 一p r o f i b u s p r o f i b u s 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 的现场总线标准。它采用了o s i 模型的物理层、数据链路层。外设间 的高速数据传输采用d p 型，隐去了第3 7 层，而增加了直接数据 连接拟合，作为用户接口：f m s 型则只隐去第3 6 层，仅采用了应 用层【3 】o p r o f i b u s d p ( 分散型外围设备) 是专门为自动控制系统与分散 i o 的设备级之间进行通信设计的。p r o f i b u s p a ( 过程自动化) 是专 门为过程自动化设计的。p r o f i b u s f m s ( 现场总线报文规范) 用于解 决车间级通用性通信任务【3 j 。 一控制器局域网( c a n ) c a n 总线最初由德国的b o s c h 公司为汽车检测、控制系统而 设计的。c a n 总线采用了o s i 模型中的物理层、数据链路层。它的 通信传输介质为双绞线，通信输率最高可达1 m b p s m o m t 3 1 。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数最长为8 个，因此传输时间短，受干扰的概率低。 c a n 支持多主站工作方式。总线上任何节点均可在任何时间主 动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接 收发送数据。它采用非破坏性总线仲裁技术，在总线负载很重的情 况下不会出现总线瘫痪情况1 4 1 。 设各网( d e v i c e n e t ) d e v i c e n e 是由r o c k w e l l a u t o m a t i o n 公司在1 9 9 4 推出的种 基于c a n 总线技术的、面向工业控制底层的现场总线。 d e v i c e n e t 是一种低成本的通讯总线。它将工业设备f 如：限位开 关，光电传感器，马达启动器，过程传感器) 直接连接到网络，从而 基于p r o f l b u s 。d p 现场总线的控制系统的硒褒! 曼至发 消除了昂贵的硬件成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同日寸提 供了相当重要的设备级诊断功能睁j 。 1 1 3f c s 与d c s 现场总线控制系统( f c s ) 既是一个开放通信网络，又是一种全分 布式控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上，作为 网络节点的智能设备连接成一个网络系统，并进一步构成自动化系 统，以实现基本控制、补偿运算、参数修改、报警、显示、监控、优 化和控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、 计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术【6 j 。 在传统的d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它 是种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集 中式数字控制系统有了很大的进步，并允许在此基础上实现设备级、 车间级的优化控制。但是在d c s 系统的形成过程中，由于受计算机 系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统， 不同的厂家设备不能互连在一起，难以实现互换和互操作，因此实现 更大范围的信息共享存在很多困难。 而f c s 突破了d c s 系统中通信由专门网络的封闭系统来实现所 造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案交成了基于公开化、标准 化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化 设备，通过现场总线连接成系统，实现各种功能；又可以将d c s 集 中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构。从而把 控制功能彻底下放到现场，即依据现场智能设备本身使可实现基本控 制功能【7 】。 现场总线出现盾、从理论上讲d c s 迟早耍被f c s 取代、但f c s 作为新一代的过程控制系统、与d c s 相比、茸前在某些方面还存在 一定的差距：例如、f c s 只定义了2 9 种功能块、与d c s 上百种功能 块相比显然要略逊筹；d c s 灵活方便和丰富的组态功能、复杂可 靠的控制功能，也不是f c s 能够立即赶上的。因为d c s 绝不是一个 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 数据采集和简单控制系统，而且d c s 的现场控制站也绝不是单一完 成简单的n d 功能( 在很多工程中，它要实现非常复杂、快速的联锁 调节控制一。 目前的f c s 在开关量与模拟量的混合处理方面还不如d c s 灵 活。尤其对于那些开关量与模拟量控制并存、相互关系十分密切的控 制系统来说，采用d c s 要比f c s 更方便。这些问题将随着现场总线 技术的进一步发展而逐渐得到解决博j 。 1 1 4 现场总线存在的问题及发展 在d c s 时代，由于生产厂尽可能地想控制市场份额，各自开发 专用的数据公路，致使d c s 和p l c 没有个统一的标准，给用户带 来很大的麻烦，在某种程度上降低了用户的投资效益。发展到f c s ， 本来各国争取在新一代系统取得统一，以促进技术进一步发展。但由 于各自要保护过去的投资利益，意见长期得不到统一，于是产生了现 在的长达3 2 0 0 页的新标准1 9 。 在我们上面提及的8 种类型的现场总线中，类型4 ( p n e t ) 和类 型( s w i f t n e t ) 现场总线是用于有限领域的专用现场总线，考虑到所适 用应用对象的指定要求，这两种类型总线的功能相对比较简单，类型 2 ( c o n t r o l n e t ) 、类型3 ( p r o f i b u s ) 、类型7 ( w o r l d f i p ) 和类型8 ( i n t e r b u s ) 现场总线是由p l c 为基础的控制系统发展而来的现场总线。如果迸 一步划分，类型2 只是监控级总线，类型8 仅是现场设备级总线，类 型3 和类型7 则是包括两个层次的总线，类型1 ( m e 总线) 和类型 5 ( f f 。h s e 总线) 是由传统d c s 发展而来的现场总线。类型l 是现场 设备级( h 1 ) 总线，类型5 是监控级( h 2 ) 现场总线【9 】。 而这8 种类型现场总线采用完全不同的通信协议。类型1 采用 l a s 方式和p u b l i s h e r s u b s c r i b e r 模式，类型2 使用c t d m a 方式和 p r o d u c e r c o n s u m e r 模式，类型3 是令牌环和主站从站方式，类型 4 采用虚拟令牌传递方式，类型5 为c s m a c d 方式，类型6 使用 t d m a 多路存取方式通信，类型7 使用总线裁决方式，类型8 则采 用整体帧协议。由此可见，要实现这些总线的相互兼容和互操作是十 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 分困难的1 9 1 。 而现在，e t h e r n e t 控制技术又出现在工控领域，并以非常迅猛的 速度发展。究其原因有以下几点1 2 j ： 1 阻碍e t h e r n e t 作为工控网的问题已解决。e t h e r n e t 采用由 i e e e 8 0 2 3 定义的数据传输协议c d m a c d ( 带有冲突检测的载波侦 听多路访问协议) 。随着e t h e r n e t 速度的提高，从最初的1 0 m b s 发 展到1 0 0 m b s ，目前已有超过l 0 0 0 m b s 的产品。足够的带宽可以 承受很大的负荷，且可用交换机使接人网络的节点各自独占一条线路 来彻底解决以上问题。此外，e t h e m e t 的网络传输线已从昂贵且难以 安装的同轴电缆变为廉价的非屏蔽双绞线，其抗干扰能力可与4 2 0 m a 模拟传输线路相当。如果需要更强的抗干扰能力，可以采用屏蔽 双绞线或光纤通信。 2 低成本是e t h e r n e t 的极大优越性。以太网与计算机、服务器 等接口十分方便。e t h e r n e t 网卡的价格为f f 现场总线网卡的l 1 0 。 另外，用户的拥有成本下降，几乎每一家企业都具备e t h e m e t 的维护 人员o ，l 3 e t 牲r n e t 易与i n t e r n e t 集成。 4 e t h e m e t 受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持 e t h e m e t 的应用开发，今后还会出现更好的e t h e m e t 开发技术。硬件 开发商为e t h e r n e t 系统设计提供了广泛的硬件产品选择，人们对 e t h e r n e t 的设计、应用有较为丰富的经验。 1 2 课题背景 i e c 6 1 1 5 8 国际标准共定义了8 种类型的现场总线，选取哪一 种现场总线作为研究和开发是一个很重要的问题。 之所以选择p r o f i b u s 作为研究课题是因为与其他总线相比它 具有以下的优势： 一p r o f i b u s 现场总线技术投运时间较长，应用范围广，目前 已渗透扩散到电力拖动的电力电子技术方面( 如变频调速器) 等领域 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 中。 因为p r o f i b u s 的网络协议以i s o 颁布的o s i 标准七层参考模 型为基础，对第三层到第六层进行了简化，可以说它的标准适应性 强。 _ p r o f i b u s 得到了众多生产厂家的支持。目前有许多公司可 以提供取p r o f i b u s 协议芯片，如摩托罗拉、西门子等。众多厂家 在其产品中( 如s 5 $ 7 系列、欧姆龙系列、三菱系列) 提供了与 p r o f i b u s 的接口，从而扩大了工业现场用户的选择余地，客观上保 护了用户的利益，巩固了p r o f i b u s 在应用领域的领先地位。 我国目前在工业控制领域还处于相对落后的地位，除了尽快开发 研制拥有自主知识产权的现场总线标准并形成相关设备的设计生产， 还可以利用国外业以成熟的控制技术对现有的控制手段和设备进行 改造。 基于上述p r o f i b u s 的优势，我们有理由相信为现有的设备开 发p r o f i b u s 总线通信接口，使其可以挂接到p r o f i b u s 现场总线 网络，实现系统的监控具有一定的意义。通过这种方法，不但可以快 速的改造原有系统，而且可以节约大量成本。 1 3 课题内容 课题选择了基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统作为研究对 象，提出并开发了带有p r o f i b u s d p 接口的的智能接口模块，使其 可以作为普通数字i o 、模拟i o 设备和p r o f i b u s 总线系统通信的 接口，实现对现场设备的网络化操作和远程控制。 为了把自行开发的基于d s p 的中频变频器连接到p r o f i b u s d p 控制系统中，实现主站控制。利用w i n c c 作为p c 机监控软件；v b 开发串口监控程序，实现对d s p 中频控制器的监视和控制；然后利 用d d e 技术实现w i n c c 和v b 间的数据交换，从而总体上实现了 基于d s p 的中频变频器和西门子上层监控软件w i n c c 进行数据的 串行通信和监控。另外，给出了以智能从站接口作中频变频器接口的 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 方案。 在本文的第一章里概要介绍了现场总线技术及现场总线控制系 统的概念和发展，说明了本课题的研究背景。 第二章对p r o f i b u s 总线做了详细介绍，重点对p r o f i b u s 协 议进行了剖析。 第三章是基于p r o f i b u s d p 的工控系统的组建，对组建系统所 要用到的编程工具s t e p 7 和过程监控软件w i n c c 进行了简要的介 绍，在此基础上给出了个自行设计开发的实例基于d p 的吸塑 成型控制系统。 第四章是p r o f i b u s d p 智能从站接口的开发。描述了用于开发 的工具一一d e v e l o d m e n tk i t 4 。详细介绍了开发所需的协议芯片 s p c 3 。分别介绍了接口软硬件的实现，并给出了实验结果。 第五章介绍了使基于d s p 的中频变频器和西门子上层监控软件 w i n c c 进行数据的串行通信和监控的实现。并给出了变频器的d p 总线标准的接口设计。 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 第二章p r o f i b u s 总线介绍 2 1p r o f i b u s 概述 1 9 8 7 年西门子公司等1 3 家企业和5 家研究机构联合开发，1 9 8 9 年批准为德国工业标准d i n l 9 2 4 5 ( p r o f i b u s f m s - d p ) ； 1 9 9 6 年批准为欧洲标准e n5 0 1 7 0 v 2 ( p r o f i b u s - f m s - d p - p a ) ；1 9 9 8 年p r o f i b u s p a 批准纳入e n 5 0 1 7 0 v 2 ；1 9 9 9 年p r o f i b u s 成为国 际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分。目前有2 5 0 多家企业生产各种符合 p r o f i b u s 标准的产品，产品种类超过1 9 0 0 个。在世界范围内， p r o f i b u s 已有2 0 多万个应用实例，有2 0 0 多万个p r o f i b u s 设备 已安装运行【1 0 j 。 p r o f i b u s 由3 部分组成：即p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ，现场总线报文规范) 、p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y ，分散型外围设备) 和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1 。 ( 1 1p r o f i b u s f m s 的设计旨在解决车间监控级通信任务，提 供大量的通信服务。可编程序控制器( 如p l c ，p c 机等) 之间需要比 现场更大量的数据传送，用以完成中等传输速度进行的循环与非循环 的通信服务，但通信的实时性要求低于现场层。其应用层提供了供用 户使用的通信服务，它包括现场总线信息规范及低层接e ( l l i ) 两部 分。f m s 还提供网络管理功能，有由现场总线管理层第七层来实现。 其主要功能有上下关系管理、配置管理及故障管理等。 ( 2 ) p r o f i b u s d p 用于现场层的高速数据传送。在这一级， 中央处理器( 如p l c ，p c ) 通过高速串行线同分散的现场设备( i o 、 驱动器、阀门等) 进行通讯，一般情况下，d p 构成单主站系统，主站 周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环 时间必须比主站( p l 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 s d p 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信，以进行 组态、诊断和报警处理。 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 f 3 1p r o f i b u s - - p a 适用于p r o f i b u s 过程自动化。p a 将自动 化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起 来，并可用来替代4 - 2 0 m a 的模拟技术。 一个典型的自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线 p r o f i b u s d p p a 的控制系统位于工厂自动化系统的底层，即现场级 和车间级。而系统本身是面向现场级和车间级的数字化的通信网络。 其结构如图2 1 所示 2 - l 管理级i 总线循环时 l 司 10 0 0 m s 车间级 总线循环时 间 1 0 0 m s 现场级i 鬻o 剐m s 。i 慌间 1ll l 侧ij 工厂管理系统 m m s t c p i pb a c k b o n e 单元控制器 主站 p l c p r o f l b u s 队 传动ii 现场il 变送器li 现场 装置ii 设备；l jl 设备 图2 1p r o f i b u s 是面向现场缀及与车间级的数字化通信掰络 2 2p r o f i b u s 协议剖析 2 2 1 协议结构和类型【1 p r o f i b u s 协议采用了i s o o s i 模型中的第一层，第二层，必要 时采用第七层。从用户角度看，p r o f i b u s 提供了三种通信协议d p 、 p a 、f m s 。 基下p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 第一层和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 1 8 、 国际标准i e c8 7 0 5 1 3 1 5 n 欧洲标准e n6 0 8 7 0 5 1 4 。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 5 标准的第一和第三部分和 i e c 9 5 5 1 6 标准。管理功能采用i s od i s 7 4 9 8 4 ( 管理框架) 的概念。 p r o f i b u s 的协议结构如图2 2 所示： 1 p r o f i b u s d p 使用了第一层、第二层和用户接口层。直接 数据链路映像( d d l m ) 提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变 得简单方便，传输使用r s - - 4 8 5 传输技术或光纤媒体。专门设计为 自动控制系统和设备级分散的i o 之间进行通信使用。在用户接口中 规定了p r o f i b u s d p 设备的应用功能，以及各种类型的系统的设备 的行为特性。d p 协议的任务只是定义用户数据如何传输，而并不涉 及其具体内容，而与用户数据具体相关的是d p 行规的内容，目前已 定义了n c r c 行规、编码器行规、变速驱动的行规、操作员控制和 过程监视行规，h m i ( 人机接口) 及p r o f i b u s - d p 的防止出错数据传 输的行规。 d p 设备行规p a 设备行规 基本功能 f m s 设备行规 基本功能 用户层 扩展功能扩展功能 ( 译者注) d p 用户接口 应用层接口 d p 用户接口 直接数据链路映象程序 ( a l i ) 直接数据链路映 ( d d l m )象程序( d d l m ) 第7 层 ( 应用层) k 应用层 现场总路线报文规范 ( f m s ) 第3 - 6 层 未使用 第2 层数据链路层数据链路层i e c 接口 ( 数据链路层)现场总路线数据链路现场总路线数据链路 ( f d l )( f d l ) 第1 层物理层 物理层( r s4 8 5 l w l ) i e c1 15 8 2 ( 物理层) ( r s4 8 5 l w l ) 圈2 2p r o f i b u s 协议结构 基于p r o f i b u s 。d p 现场总线的控制系统的研究与开发 2 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 协议和描述现场 设备的p a 行规进行数据传输，使用电缆耦合器。传输技术依据 i e c l l 5 8 2 7 标准，确保本质安全和通过总线对现场设备供电。是专 门为过程自动化中的高速可靠的通信要求而设计的。而使用段耦合器 可将p a 设备很容易得集成到d p 网络中。 3 p r o f i b u s 。f m s 使用了第一层、第二层和第七层。应用层( 第 七层) 包括f m s ( 现场总线报文规范) 和l l i ( 低层接口of m s 包括应用 协议和提供的通信服务。l l i 协调了不同的通信关系并向f m s 提供 不依赖设备访问数据链路层。协议用来解决车间级通用性通信任务。 f m s 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。 而f m s 和d p 使用相同的传输技术和总线存取协议，因此可以 在同一根电缆上同时运行。 2 2 2 物理层 p r o f i b u s 提供三种传输方式，即用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传 输；用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输，以及光纤( f 0 ) 传输。 先来看适用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输协议，它符合e i a r s 4 8 5 1 8 标准。采用屏蔽双绞电缆，段的两端各有一个终端器( 如图 2 3 所示) 。传输速率从9 6 k b i t s e c 到1 2 m b i t s e c 可选。 v p ( 6 )v p ( 6 ) ， j 一一一一r s 4 8 5 g - t 一一一r l ；3 9 0o| 【390o j 一， 。 ! i 、一 b 一 一i ； ! 协。jf1 1 h 。 【 i 1 一r _ 一1 n 一一! 一 f f l、t 7 i9 0 。_ ；一 ”肪 一- 一_ 3 9 吣 1。 】最多32 个站 【 dc - nd ( 5 ) 一一1 。、一dgn dr5 1 图2 3r s 4 8 5 总线段结构 基rp r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 传输程序以半双工、异步、无问隙同步为基础 】。数据的发送用 n r z 的编码，即一个字符帧为1 1 位( 如图2 4 所示) 。 l s b b 5b 6b 7b 8 p1 l 。信息位 l ( ”o ”或”1 ”信号) 起始 ( ”o ”信号) l s b ：最低有效位 m s b 最高有效 一。 1 l停止位 ( ”l ”信号 奇偶校验位 ( ”0 ”或”l ”信号) 位 图2 4p r o f i b u su a r t 符号帧 传输期间二进制“1 ”对应t l 3 ( d t x i ) p 线上的正电位，而在 r x d t x d n 上则相反。各报文间的空闲状态对应二进制“1 ”信号r 如 图2 5 所示) 。 b 导线 二进制信号 a 导线 卜 1 图2 5用n r z 传输时的信号形状 导线长度的选择取决于所选用的传输速率( 如表2 1 所示) ，在一 个段中最多可以运行3 2 个站。 表2 1 基于波特率的最大段长度 匮匦! 正二：匦 二二压 二二直正二二i 互= 在这里有一点需要强调说明即总线终端器，终端器在段两段必须 使用，在我们实验所用的各种设备上都带有终端器，如果不进行正确 的设置，在传输时会受影响】。 b 。j 2b 节。一 0 义含位 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究皇! ! 堡 p a 的物理层的传输协议符合i e c l l 5 8 2 标准的传输技术，与上 述的区别在于它确保本质安全并通过总线直接给现场设备供电。编码 方式也有所区别，它采用曼彻斯特编码线协议。由于本论文主要讨论 d p 的实现，所以在这不具体介绍了。 2 2 3 数据链路层 根据o s i 参考模型，这一层规定有总线存取控制、数据安全性以 及传输协议的报文的处理。那么在p r o f i b u s 中这层称为f d l 层 ( 现场总线数据链路层) 。介质存取控伟i j ( m a c ) 控制数据的传输，m a c 必须保证在任一时刻只能有一个站点发送数据。 第二层用户被提供以下四种数据传输服务2 j ： s d a 发送数据需要应答，此为f m s 调用 s r d 发送数据需要应答并回送数据 s d n 发送数据不需要应答 c s r d 循环得发送数据需要应答并回送数据，此为f m s 调用。 ma s t e r s t a t i o n f d l d a t a r e q ( l p d u ) li ( l s du )j ) j - 一j j ，f d l 。d a t a c o nl 一； ；一j ! ： j lj ：! 巳l 一1 9 a t a i n d jiiii ( l s d t l ) i | | 圈2 6s r o 服务 在协议里用了一系列的原语对数据传输进行了描述。各种服务具 有相同的后缀，即分为r e q u e s t 、i n d i c a t i o n 和c o n f i r m 。 由于本文重点讨论d p 总线接口的实现故下面仅列出有关d p 的 s r d 服务和s d n 服务的数据传输说明图，如图2 6 、图2 7 所示1 2 。 f 4 11 evasr n 3 11 m 岫 8 am 趴 2【| 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 图2 7s d n 服务 ls d u 链路服务数据单元 lp d u 链路协议数据单元 对于第一和第二层的管理，协议中用f m a l 2 来表述。f m a l 2 负责初始化，监测和错误处理。当地站的f m a l 2 提供的服务如下所 列： 第一和第二层的复位 读并设置参数 一激活，组态和取消激活 事件的错误消息 版本辩识 组态认定 远程站的服务如下所g g ： 版本辩识 请求组态 一组态认定 实际上f m a i 2 扮演了用户和第一第二层的中间人的角色。由用 户发出要求通过f m a l 2 发给第一和第二层，并返回确认信号【1 2 】。 上述的服务可以分为强制和可选两种。处理过程见图2 8 、2 9 所 7 r 。 叩 u u ： 一 u e 一，e 譬 憾 d l d群寸， m 趴 一 o 毗， m s 薹王! 垦竺! ! 里旦! ：里! 望堑璺垡塑量墅墨堕塑堑塞墨茎望二一 mas t e s t a t i or l1 fma1 2 fdl f dl x x x x x 一一r eq 上一 ) ) f dlx x x x x c o n) 一一p 一一 圈2 8 复位、设置及读数据的f d l 服务 ma s t e r s t a t i o n1 fma1 2 if dl f d l f a u l t i n d i 圈2 9 出错f d l 服务 有固定信息字段长度的格式 带数据的有固定信息字段长度的格式 有可变信息字段长度的格式 mas t er sl a ve s t a t i o nr l ma s t e r s 1 a v e s t a t i o nn i s d 2l e l l e rs d 2 l d as a i f c i 附l f c s1 即l l 囡 令牌报文 臣圈 圈2 1 0p r o f i b u $ 第二层报文格式 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 第二层报文格式如图2 1 0 所示j ： l ：信息字段长度。 s o ( 单字符) ：单字符，仅用于就答。 s d l s d 4 ：起始字节，用于区别不同的报文格式( 起始定界符) 。 l e l e r ：长度字节，指出可变长度报文中信息字段的长度。 d a f 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) ：控制字节，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。 f c s ( 帧检查顺序) ：检查字节，包含报文检查和( 不进位地加 所有报文元素的和) 。 e d ( 终止定界符) ：终止字节，指出此报文终止。 其提供高等级的传输安全性。所有报文都具有海明距离h d - - 4 。 含义是：在数据报文中可以检查出3 个同时出错的位。这一要求是通 过使用国际标准i e c 8 7 0 5 1 的规定、选择特殊的报文起始和终止标 识符、使用无间隙同步以及使用奇偶校验位和控制字来实现的，可以 检查出以下类型的出错： 字符格式出错( 奇偶校验，溢出，帧出错) 协议出错 一起始和终止定界符出错 帧检查字节出错 报文长度出错 出错的报文至少要被自动重发一次。当然在实际应甩中可以进行 设定。 协议有两种基本的介质存取控制：主站之阎传辕数攘，由于站点 拥有相同的总线控制权所以必须保证在事先定义的时间间隔中任何 一站点有充足的时间完成通信任务。主站与从站之间的数据交换，尽 基于p r o f l b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 可能快且简单地完成数据的实时传输。 介质存取协议包括主站之间的令牌方式和主站从站之间的主从 方式。这种混合的方式称为混合介质存取。令牌方式使得得到令牌的 站点可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权。令牌是一种特殊 的电文，它在主站之间传送总线控制权。令牌在所有主站中循环周 的最长时间是事先规定的。在p r o f i b u s 中，令牌仅在主站之间按 地址升序传传递 主一从方式允许主站在得到总线控制权时可以与从站通信每一 个主站可向从站发送及索取信息。利用p r o f i b u s 的混合介质存取 方式可以实现： 纯主一从系统( 单主站) 纯主站系统( 多方站) 混合系统( 多方多从) 当主站得到令牌后，允许这个主站在一定的时间内执行主站工 作。它可依照与从站的关系表与所有的从站通信，也可依照与主站的 关系表与所有的主站通信。令牌环的意思是所有的主站按照它们的地 址构成逻辑环，在这个环中，令牌 即总线控制权】在规定的时间内按 照地址的升序在主站中依次传递。在总线系统初建时，主站m a c 的 任务是判定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电 或损坏的主站必须从环中排除，新上电的电站必须加入逻辑环【1 1 】。 2 2 4 应用层 i s o o s i 参考模型的应用层提供用户需要的各种通信服务。在 p r o f i b u s 的应用层由f m s 接口( 现场总线报文摄范) 和l l i 接口( 低 层接口组成) 。 为了使f m s 通信服务适应实际需要的功麓范匿和定义符合实际 应用的设备功能，指定了f m s 行规，目前已缀制定了如下的行规f l ： 可编程控制器之间的通信行规 楼宇服务自动化的行规 茎王! 垦旦! 里旦! ：里! 婴堑璺垡塑篓型墨堑盟塑壅量翌望二一 低压开关设备行规 由于d p 只使用了第一和第二层，且协议任务只是定义用户数据 怎样通过总线从一个站传送到另一个站。在这里传输协议并没有对所 传送的用户数据进行评估，也因此定义了d p 行规，目前已经制定了 如下行规： 一 叮i i c 行规 编码器行规 变速驱动行规 操作员控制和过程监视行规， 防止出错数据传输行规 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的研究与开发 第三章p r o f i b u s d p 工控系统的组建及开发 3 1p r o f i b u s d p 系统介绍 p r o f i b u s d p 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与 分散式i 0 的通信。除周期性数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供 智能化设备所需要的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。 3 1 1p r o f i b u s d p 系统配置和设备类型f 】 p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多主站系统在同一总线上最多 可连接1 2 6 个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入输 出地址、输入输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。 每个p r o f i b u s d p 系统可包括3 种不同类型设备：一级d p 主站 ( d p m l ) 是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站( 如d p 从站) 交换信息。典型的d p m l 如p l c 或p c 。二级d p 主站( d p m 2 ) 是编程器、组态设备或操作面板，在d p 系统组态操作时使用，完成 系统操作和监视目的。d p 从站是进行输入和输出信息采集和发送 的外围设备( i o 设备、驱动器、h m i 、阀门等) 。 3 1 2 系统行为 d