（轮机工程专业论文）基于profibusdp船舶机舱过程控制阀门从站设计.pdf

中文摘要 摘要 船舶集中监控系统是船上最重要的系统之一。随着计算机网络技术和现场总 线技术的发展，目前船舶集中监控系统大多采用分布式结构。船舶自动化目前正 面临着一场技术革命。大型船舶设备信息化、智能化程度不断提高，船舶局域网 应用范围逐步扩大，信息传输普遍采取网络形式。集中式控制、分布式控制的船 舶自动化监控系统将逐步被以现场总线为基础的集中监控系统所取代，从而最大 程度地实现船舶航行的安全性、可靠性和经济性。 在实验室永磁同步电机变频调速驱动器研制成功的基础上，论文集中解决变 频驱动器的p r o f i b u s d p 的接口。实现电机驱动器输出的r s 2 3 2 数据到p r o f i b u s 数 据的转换，进而解决p r o f i b u s d p 现场总线机舱电机控制系统的底层设备。以永磁 同步电机驱动机舱的各种流体流量调节设备，诸如燃油粘度控制中的加热蒸汽调 节阀、滑油冷却器中的冷却水调节阀、锅炉水位调节阀等。从而将机舱内各独立 的过程控制系统集成起来，由p r o f i b u s d p 主站统一管理。论文主要工作和成果归 纳如下： 首先从研究p r o f i b u s d p 技术构成、系统体系结构、通信协议、报文结构及系 统特点入手，给出了r s 2 3 2 p r o 肋u s d p 协议转换的技术方案。其次设计开发了具 有r s 2 3 2 p r o f i b u s d p 接口的智能从站，通过分析对比“m c u + a s i c 硬件协议转 换和“m c u 软件协议转换”两种实现方式，确定了硬件协议转换方式，并选用了 s i e m e n ss p c 3 作为从站p r o f i b u s d p 协议处理芯片。从站接口硬件设计以 7 8 e 5 1 6 bm c u 芯片和s p c 3 芯片接口电路为核心，外加辅助接口电路构成。随后 实现了r s 2 3 2 和p r o f i b u s d p 协议转换软件设计，构建了p r o f i b u s ，d p 主从站调试 系统，实现了主从站的通信。 以装有c p 5 6 1 1 卡的p c 机作为主站，并将从站协议转换器挂接在永磁同步电 机驱动器上。通过位置、速度、电流三闭环控制方案，从而实现机舱阀门位置的 精确控制，实现对机舱蒸汽、冷却水等介质的自动控制。 关键词：现场总线；p r o f i b u s - d p ；s p c 3 ；r s 2 3 2 ；阀门 英文摘要 a b s tr a c t s h i pc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mi so n e o ft h em o s ti m p o r t a n ts y s t e m so nb o a r d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ef i e l d b u st e c h n o l o g y , a tp r e s e n t ，m o s to ft h em o n i t o r i n gs y s t e m so ns h i pf o c u so nt h eu s eo fd i s t r i b u t e d a r c h i t e c t u r e a u t o m a t i cs h i pi sc u r r e n t l yf a c i n gat e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o n t h e i n f o r m a t i o n i z a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z a t i o no fl a r g e - s c a l em a r i n ee q u i p m e n th a v eb e e n c o n t i n u o u s l yi m p r o v e d ，l o c a la r e an e t w o r ka p p l i c a t i o n so ns h i pg r a d u a l l ye x p a n d , a n d i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ng e n e r a l l yt a k et h ef o r mo fn e t w o r k d i s t r i b u t e dc o n t r o lo f a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mf o rs h i p sw i l lg r a d u a l l yb er e p l a c e db yt h ec e n t r a l i z e d m o n i t o r i n gs y s t e mw h i c h b a s e do nf i e l d b u s ，i no r d e rt or e a l i z et h es a f e t y , r e l i a b i l i t ya n d e c o n o m yo fn a v i g a t i o nt ot h em o s td e g r e e b a s e do nt h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r v w fd r i v e ri nt h el a b o r a t o r y , t h ep a p e rf o c u so nt h ep r o f i b u s - d pi n t e r f a c eo fv a r i a b l e f r e q u e n c yd r i v e r a n dt h e nt h ep a p e rr e a l i z e dt h ed a t ac o n v e r t i o nf r o mr s 2 3 2w h i c h c o m e sf r o mt h em o t o rd r i v e rt op r o f i b u s ，a c h i e v e dt h eu n d e r l y i n gl a y e re q u i p m e n to f t h ep r o f i b u s - d pf i e l d b u sm o t o rc o n t r o ls y s t e mi nt h ee n g i n er o o m i tt a k et h ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra st h ep o w e rt od r i v ev a r i o u sf l u i df l o w r e g u l a t o r s ，s u c ha s t h eh e a t i n gs t e a mr e g u l a t i v ev a l v ei nt h ef u e lo i lv i s c o s i t yc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o o l i n g w a t e rr e g u l a t i v ev a l v eo fl u b r i c a t i n go i lc o o l e r , b o i l e rw a t e rl e v e lr e g u l a t i v ev a l v ea n d s oo n s ow ec a ni n t e g r a t ea l lk i n d so fi n d e p e n d e n tp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s ，a n dm e y a r ea l lm a n a g e db yt h ep r o f i b u s d pm a s t e r t h em a i nw o r ko ft h et h e s i sa n dt h e a c h i e v e m e n t sa r es u m m e du pa sf o l l o w s ： t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h ep r o f i b u s d pt e c h n o l o g yf o r m ，s y s t e ms t r u c t u r e , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，m e s s a g es t r u c t u r ea n ds y s t e mc h a r a c t e rf i r s t l y , a n dt h e ng a v e t h ep r o t o c o lc o n v e r s i o ns c h e m eo ft h er s 2 3 2 p r o f i b u s - d et h e ni t d e s i g n e da n d d e v e l o p e dt h ei n t e l l i g e n ts l a v ew h i c hh a dr s 2 3 2 p r o f i b u s - d pi n t e r f a c e ，a n a l y z e da n d c o n t r a s t e dt w om e t h o d sw h i c hw e r eh a r d w a r ep r o t o c o lc o n v e r t i o no f ”m c u + a s i c ” a n d ”s o f t w a r ep r o t o c o lc o n v e r t i o no fm c u ”，d e t e r m i n e dt oa d o p tt h eh a r d w a r e p r o t o c o l 英文摘要 e o n v e r t i o nf i n a l l y , a n ds i e m e n ss p c 3w a ss e l e c t e da st h ep r o f i b u s - d ps l a v e p r o t o c o l c h i p t h ec o r eo fs l a v ei n t e r f a c eh a r d w a r ed e s i g nr e g a r d e dt o7 8 e 516 bm c uc h i pa n d s p c 3c h i pi n t e r f a c ec i r c u i t ，p l u s e da u x i l i a r yi n t e r f a c ec i r c u i t a n d f i n a l l yt h ep a p e r a c h i e v e dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h er s 2 3 2a n dp r o f i b u s - d pp r o t o c o l c o n v e r s i o n ， c o n s t r u c t e dt h ep r o f i b u s - d pm a s t e r - s l a v e d e b u g g i n gs y s t e m ，a n dr e a l i z e dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e ra n dt h es l a v e i nt h ee n d ，t h ep a p e rt o o kt h ep cw h i c he q u i p p e dw i mc p 5 611c a r da st h em a s t e r , a n da s s e m b l e dt h e p r o t o c o l c o n v e r t e rt ot h ed r i v e ro ft h e p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r t h r o u g ht h et h r e ec l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m eo ft h el o c a t i o n ，s p e e d a n dc u r r e n t ，i ta c h i e v e dt h ep r e c i s ec o n t r o lo fv a l v ep o s i t i o ni nt h ee n g i n er o o m ，t h u s r e a l i z e dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h em e d i u ms u c ha st h es t e a m ，c o o l i n gw a t e r k e yw o r d s ：f i e l d b u s ；p r o f i b u s d p ；s p c 3 ；r s 2 3 2 ；v a l v e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：基王里垦q ! 旦堕墨：旦逝越扭墼过猩蕉剑阀 丛站逡让= = 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：罐 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文储虢獬导师虢顿留纱 日期：矽俨磅 基于p r o f i b u s d p 船舶机舱过程控制阀门从站设计 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 当代造船业发展迅速，实现了无人机舱的自动化船舶的自动化程度还在不断 提升。使用计算机自动控制与管理技术实现全船自动化，把航海、轮机、电站、 货物装卸等自动化及船舶状态监视和营运管理等功能全部纳入一个统一的整体进 行考虑，是当今船舶自动化的一个重要发展方向。因为船舶机舱是个错综复杂的 系统，围绕动力装置有着许多直接服务于柴油主机的过程控制以及服务于其它辅 助设备的过程控制，各种设备和管系相互关联。如主机转速与负荷控制结果导致 主机供油量变化，会影响主机燃油粘度发生变化；燃油粘度控制结果会对主机的 燃烧产生影响，致使主机转速有所变化，造成了整体控制性能降低。目前机舱辅 助设备的控制自成系统，处于自动化孤岛模式，无法实现船舶运行的全局最优。 现场总线技术可以实现分散的自动化现场设备互联，具有开放性和互操作性 等优点，促使工业过程控制朝着先进控制方向发展，封闭的分布式计算机控制系 统正向综合、开放式自动化系统的方向发展。目前现场总线控制系统在陆上生产 过程领域迅速推广应用，而在机舱自动化的复杂过程控制系统中的应用却刚刚起 步。在此，本文致力于解决机舱阀门智能执行机构的现场总线网络控制系统，从 而将燃油粘度、冷却水控制、锅炉水位控制、蒸汽流量控制和蒸汽压力控制等不 同的控制过程集成，把控制与管理融为一体，通过现场仪表、网络接口卡和上位 计算机间的实时通信，利用现场仪表内p i 模块的远程串级与远程输出工作模式， 采用总线功能块组态来完成复杂控制方案。再通过上位机监控软件，把现场数据 带入m sw i n d o w s 环境，完成现场数据与其它工控软件的信息无缝透明传输，在此 基础上优化控制方案，形成机舱过程控制的全局最优。 目前国际上现场总线类技术已经向传统技术发起了前所未有的挑战。各种现 场总线技术如潮水般的涌入中国，我们在使用这些先进技术的同时也不得不进行 深入的思考，现场总线核心技术掌握在外国公司手中，只有消化吸收国外先进技 术使之为我所用，才能使我们不受制于人，才能使我们在竞争激烈的工业控制领 域有一席之地，所以我们必须对这些新技术进行跟踪及应用研究。 第1 章绪论 一方面，在众多的现场总线技术中，p r o f i b u s 现场总线具有通信实时性强、传 输率高、成本低、拓扑结构灵活多样、冗余性强、适于各种工控领域等优点，在 国内普及推广速度很快【1 ，4 5 , 4 6 , 4 7 。从上世纪八十年代p r o f i b u s 技术进入国内以来， 在制造业自动化、流程工业自动化、交通、电力、食品、化工等领域有广泛应用。 因p r o f i b u s 总线产品市场需求量大，故全国各大自动化研究所、高校和一些较有实 力的工控公司都投入了大量的人力、财力、物力对其技术作研究，力图在p r o f i b u s 关键技术领域有所突破，从而降低总线产品价格。但经数年努力，我们只在p r o f i b u s 从站开发研究上取得局部进展，仅有几家公司推出带试验性的产品；主站研发更 未获得成功。 另一方面，在船舶机舱中有许多过程控制系统，直接或间接应用于船舶推进 柴油机的运行控制，并相互影响，如主机的转速与负荷控制结果将引起主机的燃 油消耗发生变化，这一变化又会干扰主机燃油粘度和冷却水温度等，而主机燃油 粘度控制和冷却水温度控制会反过来影响主机的运行等。可见，整个机舱过程控 制相互关联、存在着各控制变量间不希望出现的耦合。从船舶运行安全考虑，目 前机舱中的众多过程控制系统都各自独立设计，当工况变化或外界环境变化时， 无法去协调各系统，导致了整体控制性能下降，严重时还会影响船舶推进柴油机 的运行安全。针对这一现状，提出采用永磁同步电机作为机舱内控制管路执行机 构的动力源，采用变频调速策略精确调节阀门的位置和转速，然后挂接p r o f i b u s 从站接口，进行统一监控。由于燃油粘度、中央冷却水、高温淡水、锅炉水位等 独立系统都采用电机驱动的智能执行器组成的网络统一控制，从而省去了很多机 械机构和电气触点，提高了系统可靠性的同时，还提高了系统的控制效果。因此 深入研究该技术有非常现实的意义【4 8 4 9 】。 1 2 机舱监测系统的发展过程与现状 机舱监测系统是船舶自动化的重要组成部分，随着计算机技术，特别是近半 个世纪以来微型计算机技术的飞速发展，使得计算机在船舶机舱自动化方面的应 用越来越广泛。在自动化机舱中，设备的运行状态、运行参数及故障报警状态都 能通过监测系统集中在控制屏上，它能帮助轮机员正确地实现对机舱中主、辅机 等设备和各系统有效的巡视管理和控制【2 1 。 基于p r o f i b u s d p 船舶机舱过程控制阀门从站设计 按照船舶机舱监测系统的发展和结构特点，可将其大致分为三个发展阶段： 集中式数字监控系统、集散型监控系统和全分布式监控系统【3 】o ( 1 ) 集中式数字监控系统 7 0 年代，数字计算机开始应用于工业控制领域，人们在测量、模拟和逻辑控 制领域率先使用，从而产生了集中式数字监控系统。集中式数字监控系统于上个 世纪七、八十年代占主导地位。采用单片机、p l c 或微机作为控制器，控制器内 部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷， 提高了系统的抗干扰能力。集中式数字监控系统的优点是易于根据全局情况进行 控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排，不足的 是对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任 务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降，而且系统造价昂贵，它的发展受 到限制，很快就被分布式控制系统所代替。 ( 2 ) 集散型监控系统 集散型监控系统，又称分布式控制系统。它是由数字调节器、p l c 以及多个 计算机构成的集中、分散相结合的控制系统。集散型监控系统于上个世纪八、九 十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离， 上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制， 各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式 的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字监控系统中对控制器处理能力和可 靠性要求高的缺陷。在集散型监控系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网 络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其 控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互连，因此集散型监控系统从该角度而言实质是一种 封闭的、不具有可互操作性的分布式控制系统，且造价昂贵。在这种情况下，用 户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的迫切要求。 ( 3 ) 全分布式监控系统 全分布式监控系统正是顺应以上潮流而诞生。全分布式监控系统又称现场总 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 ) ，它用现场总线这一开放的，具有互操 第1 章绪论 作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功 能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。它是由d c s 发展起来的，就像 从c c s 发展到d c s 一样，f c s 有了质的飞跃。它的典型特点就是由分散控制到现 场控制，数据的传输采用“总线”方式，用智能i o 模块、智能变送器、数字传感 器和执行器等在现场一级实现控制系统的组态，因此提高了现场信息的可利用程 度，增强了整个系统的可靠性。由于采用了开放的现场总线通信协议，所以实现 了控制设备的互换性和互操作性，使得监控系统、主机遥控系统、电站自动化管 理系统等机舱监控子系统之间互连更为方便，整个系统就像一台大的“计算机 按总线方式运行，这样资源的共享成了f c s 的主要发展空间，为船舶机舱综合控 制信息系统的构建与实现打下了坚实的基础【4 1 。 1 3f c s 在机舱监测中的应用 1 3 1f c s 概述 现场总线应当是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络。进一步来说， 这种总线是用作现场控制系统的与所有受控( 设备) 节点串行相连的通信网络。 工业自动化控制的现场范围可以从一台家电设备到一个车间、一个工厂。受控设 备和网络所处的环境以及报文的结构都有其特殊性，对信号的干扰往往是多方面 的，而要求控制必须实时性很强。这就决定了现场总线有别于一般网络的特点【5 1 。 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与 计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发 展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一接线，用模拟信号进行 测量控制或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之问的 信息交换。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种 能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络， 完成现场自动化设备间的多点数据通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与 外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需要的驱动下应运而生的。 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为 基于p r o f i b u s d p 船舶机舱过程控制阀门从站设计 网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报 警、显示、监控、优化以及控管一体化的综合自动化功能。这是一项集嵌入式系 统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术【6 】。 1 3 2f c s 对机舱监测系统的改进 目前，船舶上的机舱自动监控系统所采用的多为多微机分层监控系统，这种 系统存在着诸多弊端：1 组网手段及网络结构不灵活，技术复杂，开发费用高。2 系统现场连线多，从传感器到监测分站线路上传输的是4 - 2 0 m a 的模拟信号，在船 舶机舱恶劣的现场环境下，很难克服环境对系统的影响。3 组成网络的设备互操作 性差。由于不同厂家的产品，遵循的不是统一的标准，不能集成在同一个系统中， 使系统的维护和扩展难度较大。4 作为数据通信转发站的中间层，是整个系统信息 通信的枢纽，容易成为系统信息流通的瓶颈，一旦发生故障，将会造成系统的瘫 痪【刀。 而现场总线控制系统所具有的开放性好、互操作性强、网络拓扑结构灵活、 系统结构高度分散性、现场设备高度智能化、对环境适应性强等诸多优点【8 1 ，使得 它非常适合在船舶等对安全性要求较高的系统中应用，可以用来解决目前船舶机 舱多微机分层监测系统存在的问题，优化机舱监测系统的性能。 1 4 本文主要内容及工作 论文以实现船舶机舱过程控制阀门调节设备网络化为目的，以r s 2 3 2 接口设 备和p r o f i b u s d p 总线互连为研究方向，设计开发了具有r s 2 3 2 接口的p r o f i b u s d p 现场总线从站，并与实验室研制成功的永磁同步电机驱动器结合，设计了由电机 驱动的阀门网络，通过搭建基于p c 的p r o f i b u s d p 主从站试验调试系统对主从通 信进行了调试，通信试验结果验证了本设计的可行性。 论文第一章阐述了船舶机舱监控系统发展的现状和研究船舶机舱现场总线监 控系统的意义。第二章对p r o f i b u s 现场总线协议进行综合研究及分析。第三章提出 了从站接口实现的原理和方法，通过比较“m c u + a s i c ”硬件协议转换和“m c u 软 件协议转换”两种方案，提出硬件协议转换方案更具可靠性和可实现性，通过对 比s i e m e n s 公司几款从站协议芯片，提出选用s p c 3 的依据，继而设计了智能从 第1 章绪论 站接口的硬件架构，并且分a d , 节阐述组成该接口的关键电路设计。第四章在详 细分析、研究了p r o f i b u s d p 从站状态机制后，提出了软件总体设计方案，完成了 从站接口通信程序的开发和g s d 文件的编写，建立了主从站通信调试试验系统， 并对主从站进行了网络组态和通信测试。第五章提出了采用永磁同步电机作为调 节阀门的动力源，通过变频调速精确调节阀门的开度和转速，将课题设计的智能 从站接口挂接在电机驱动器上，和集中监控室的主站一同构建一个机舱过程控制 网络。最后第六章对整篇论文进行了总结和展望。 基于p r o f i b u s d p 船舶机舱过程控制阀门从站设计 第2 章p r o f lb u s - d p 现场总线协议研究 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 db 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。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，现已被列入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。 2 1p r o fib u s - d p 总线协议结构 p r o f i b u s d p 协议的结构根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放系统互联网络o s i 为 参考模型，协议结构如表2 1 所示。 表2 1p r o f i b u s - d p 协议结构 t a b 2 1p r o f i b u s d pp r o t o c o ls t r u c t u r e 用户层 d p 行规 d p 基本功能和d p 扩展功能 直接数据链路映像( d d l m ) 第7 层 。ljl 应用层 未使用 第3 - 6 层，r1r 第2 层 数据链路层 第l 层 物理层 现场总线数据链路( f d l ) r s 4 8 5 光纤 为了加强其数据传输的可靠性和实时性，现场总线一般都要对一些不必要的 协议进行裁剪。从表2 1 中可以看出，p r o f i b u s 协议采用了i s o o s i 模型中的第1 层、第2 层以及位于第7 层之外的用户层，第3 层到第7 层未加以描述【1 0 s o l 。 2 1 1 物理层 物理层主要描述介质和信号特征： ( 1 ) 电气特性 拓扑结构采用线性总线，两端带终端器，短截线o 3 m ，无分支；介质采用 第2 章p r o f i b u s - d p 现场总线协议研究 屏蔽双绞线；总线长度、 1 2 0 0 m ，取决于数据传输速率和电缆类型；在不加中继器 的情况下站点数最多为3 2 ，数据传输速率可为9 6 k b i t s ，1 9 2 k b i t s ，9 3 7 5 k b i t s ， 1 8 7 5 k b i t s ，5 0 0 k b i t s ，1 5 0 0 k b i t s 等，也可支持更高的数据传输速率【9 1 1 1 。 ( 2 ) 连接器技术、机械和电气规范 总线连接器采用9 针d s u b 型连接器与介质连接，信号传输采用r s - 4 8 5 信号， 如表2 2 。为了保证信号的传输质量，总线必须加终端器【l 。 表2 2 连接器接点规定 t a b 2 2c o n t a c tp r o v i s i o n so ft h ec o n n e c t o r ( 3 ) 传输方法 用于p r o f i b u s d p 的r s 4 8 5 传输程序是以半双工、异步、无间隙同步为基础， 传输数据帧格式如表2 3 。每个帧由若干个帧字符组成，它把一个8 位字符扩展成 1 1 位n r z 编码。首先是一个起始位( s t ) ，它总是为二进制“o ”，接着是8 个数据 位，它们可以是“o ，或“1 ”，之后是一个奇偶校验位( p ) ，它是二进制0 或“1 ”；最后 是停止位( s p ) ，它总是为二进制“1 ”。各报文间的空闲( i d l e ) 状态对应于二进制 c 1 ，【1 2 ，1 3 1 。 基于p r o f i b u s d p 船舶机舱过程控制阀门从站设计 表2 3 r t u 模式中的位序列 t a b 2 3b i ts e q u e n c eo ft h er t um o d e 起始 数据位校验停止 0b 0b l b 2b 3b 4b 5b 6b 7p 1 位编码采用n r z ( 不归零) 编码，总线连接器的针脚3 和针脚8 间恒定的正压 差用二进制“1 ”表示，恒定的负压差用二进制“o ”表示，如图2 1 ，这种差分方式的 传输有利于抗干扰。 来自3 脚的信号b 二进制信号 来自8 脚的信号a 2 1 2 现场总线数据链路层( f d l ) 现场总线数据链路层( f i e l d b u sd a t al i n k ) 主要描述了数据传输和管理服务： ( 1 ) 发送数据需应答( s d a ) 此服务允许主站中的数据链路层用户( 称为本地用户) 发送用户数据( ls d u ) 给一个远程站。在远程站，如果接收无误，则ls d u 被数据链路层传送给用户( 称 为远程用户) 。本地用户接收关于用户数据收到或未收到的一个确认。如果在传输 期间出现错误，则本地用户的f d l 将重复此数据的传输。 ( 2 ) 发送数据无需应答( s d n ) 此服务允许本地用户传送数据( ls d u ) 给一个远程站，或同时传送给多个远程 站或全部远程站。本地用户接收一个传输结束的确认报文信息，不管数据是否及 时接收。在远程站，如果接收无误，则ls d u 被传递给远程用户，无需确认。这 样，一次时间传输就已经完成。 第2 章p r o f l b u s d p 现场总线协议研究 ( 3 ) 发送并请求数据需应答( s r d ) 此服务允许本地用户传输数据( ls d u ) 给一个远程站，并同时请求早就在远程 站准备好的数据( ls d u ) 。在远程站，若接收无误，则所接收的ls d u 被传送给远 程用户。此服务还允许本地用户不用发送数据( ls d u = n u l l ) 给远程用户而向远程用 户请求数据信息。本地用户接收所请求的数据信息，或数据无效的指示，或被传 输的数据未接收到的确认，前两种情况也确认接收到被传输的数据。如果在传输 期间出现错误，则本地用户的数据链路层重复带有数据请求的数据传输。 ( 4 ) 循环发送并请求数据需应答( c s r d ) 此服务允许本地用户传输数据( ls d u ) 给一个远程站，并同时请求从远程站发 来的数据。在远程站将接收到的无误的数据循环地传送给远程用户。此服务还允 许本地用户循环地不发送数据( ls d u = n u l l ) 给远程用户而请求从远程用户来的数 据信息。本地用户接收所请求的数据，或数据无效的指示，或被传输的数据未接 收到的确认，前两种情况也确认接收到被传输的数据。如果在传输期间出现错误， 则本地用户的数据链路层重复带有数据请求的数据传输。对循环模式，所选择的 远程站和带数据请求的数据传输的编号和顺序由本地用户定义在轮询表中【1 4 , 1 5 , 1 6 】。 在以上四种服务中，p r o f i b u s d p 用到的是发送并请求数据应答( s r d ) 和发送 数据无需应答( s d n ) 。 2 1 3 直接数据链路映像( d d l m ) 直接数据链路映像程序( d i r e c td a t al i n km a p p e r ) 使用户接口和第2 层( 数据 链路层) 联系起来。d d l m 将所有的在用户接口中传送的功能都映像到第2 层， 为第2 层发送功能调用必需的第2 层参数( s s a p , d s a p , s e r vc l a s s 等) ，接收来自 第2 层的确认和指示并将它们传送给用户【l l 】。 2 1 4p r o f i b u s d p 行规 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 定义成为行规。p r o f i b u s d p 协议明确规定了用户数据在总线各站点之间传递的方 式，但用户数据的含义是在p r o f i b u s d p 行规中具体说明的。另外，行规还具体规 定了p r o f i b u s d p 如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互 换，而工厂操作人员不必关心两者之间的差异，因为与应用有关的含义在行规中 基于p r o f i b u s d p 船舶机舱过程控制阀门从站设计 均作了明确的说明。 在用户层之上运行的是符合p r o f i b u i s d p 规范的应用程序，这里面包含 p r o f i b u i s d p 协议中最关键的部分，包括各种总线参数的规定、各种输入输出报文 的含义、数据帧的格式和从站的状态机等，这些内容将在后面的章节中做具体介 绍【l l 】。 2 2p r o fib u s - o p 总线存取协议 p r o f i b u s d p 、p a 、f m s 都使用一致的总线存取协议。访问协议是通过o s i 参 考模型的第二层( 数据链路层) 来实现的。它包括了数据可靠性技术及传输协议 和报文处理三部分。 在f d l 中，介质存取控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是具体控制数据传输 的程序。m a c 必须确保在任何一个时刻只有一个站点有权传输数据，故f d l 主要 起保证安全的传输数据，保证数据的完整性的作用f l 17 揪。由于数据安全性的原因， 起始定界符和报文长度应重复，每一字节由奇偶校验位保护。 p r o f i b u i s d p 总线令牌传递如图2 2 所示，包括主站之间的令牌传递存取方式 和主站与从站之间的主一从方式。主站是指在一个限定时间内( t o c k e n h o l dt i m e ) 对总线有控制权的设备；从站指只能响应主站请求，而对总线无控制的设备。 令牌传递程序保证每个主站在一个规定的时间间隔内得到总线存取权( 令 牌) 。令牌报文是一条特殊的报文，它在主站之间传递总线存取权，令牌在所有主 站中循环一周的最长时间是事先规定的。在p r o f i b u i s d p 中，令牌传递仅在各主站 间通信时使用，且在主站间按地址升序传递。 主一从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与其所属的从站通信。每个主 站均可向从站发送或请求信息。通过这种存取方法，可实现主站一主站方式、主 站一从站方式以及混合方式【l 】。如图2 2 给出了一个由三个主站和七个从站构成的 p r o f i b u s d p 总线令牌传递示意图。三个主站构成令牌逻辑环，当其中一个主站得 到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。这段时间内它可与在主一 从通信关系表中所列的所有从站通信，也可与在主一主通信表中所列的所有主站 通信。 第2 章p r o f i b u s d p 现场总线协议研究 至设备闻的逻辑令牌环 n 臣五互圈n 吲2 2p r o f i b u s - d p 总线令牌传递 f i g22 t h e p a s s i n g o f p r o f i b u s d p b u s t o k e n 在总线系统建立仞期，主站m a c 的任务是检查总线上生站间的逻辑分配并建 屯令牌环。在总线运行期问，断电或损坏的主站必须从环中排除，新接入的主站 必须加入令牌环。由于令牌环的传递必须确保每个主站有足够的时间履行它的通 信任务，冈此用户必须计算全部目标令牌环时间( t t r ) 。用户组织全部目标令牌循 环时问( t t r ) 进入所有主站的通信任务帐户，然后每个土站再根据下面的公式计算 它接收令牌后完成它的通信仟务时口j ( t t h ) 即持有令牌时问，其中：t t h - t r r - - t r 。 p r o f i b u s 。f m s 、d p 和p a 中分别使用了f d l 层的不同服务子集，这些服务由 上层| 办议通过第二层的服务存取点s a p ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 调用。在 p r o f i b u s f m s 中，这些s a p 足用来建立逻辑通信地址的关系表。在p r o f i b u s d p 和 p a 中，每个s a p 点都赋有一个明确的功能，在后面第4 章41 节有详细介绍。对 所有主站和从站，可同时使用多个原服务存取点$ s a p ( s o r c e s e r v i c e a c c e s sp o i m s ) 和目的服务存取点d s a p ( d e s t i n a t i o ns e r v i c e a c c e s sp o i n t ) 1 1 9 2 0 1 。 2 3p r o _ fib u s d p 数据报文结构 231p r o f lb u s d p 报文结构 p r o f i b u s d p 主要具有如下四种形式的报文结构 基于p r o f i b u s d p 船舶机舱过程控制阀门从站设计 ( 1 ) 无数据信息的固定长度报文 无数据信息固定长度的请求报文、应答报文、短应答报文格式如图2 3 所示【2 l 】。 i s y n s d ld as af c f c se d l l l s 。td as a f c f c se d l 图2 3 无数据信息的固定长度报文 f i g 2 3w i t h o u tt h ef i x e d - l e n g t hd a t am e s s a g e 曰 短应答 其中：s y n ：同步周期，至少有3 3 个空闲位； s d l ：开始分界符( 1 0 h ) ： d a ：目的地址； s a ：源地址； f c ：功能代码； f c s ：帧校验序列； e d ：终止定界符( 1 6 h ) ； s c ：单字节； l ：报文中信息部分的长度； ( 2 ) 有数据信息的固定长度报文 有数据信息固定长度报文的发送请求报文和应答报文的格式如图2 4 所示 i s y n s d 3d a s af c d a t au n l tf c se d l s i ) 3d as af cd a t au n i tf c se d l 图2 4 有数据信息的固定长度报文 f i g 2 4f i x e d l e n g t hd a t am e s s a g e 第2 章p r o f i b u s - d p 现场总线协议研究