（电力电子与电力传动专业论文）profibus现场总线及其在直流输电系统中应用研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e dp r o f i b u st e c h n o l o g y , s e c o n ds t u d i e dp r o f i b u s d pw i t c h i so n eo fp r o f i b u sp r o t o c o l s ，a n da p p l i e di ti n t oh i g nv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i t ( h v d c ) c o n t r o l a n dp r o t e c ts y s t e m sf e l dc o n t r 0 1 t h i st h e s i sa s s o c i a t e dw i t ht h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mo fh v d c ，i n v e s t i g a t e dt h e r e a l i z a t i o no fp r o f i b u sc o n t r o l l i n gs y s t e m ，d e s i g n e dd e c e n t r a l i z e df i e l dc o n t r o ld e v i c e w h i c hb a s e d0 np r o f i b u s d pp r o t o c o la n dt os e r v ea sad e c e n t r a l i z e df i e l dc o n t r o l d e v i c ei na m i c r o p r o c e s s o rb a s e ds t a t i o nc o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e m w i t hi t sd e s i g n ， i n f i n e o n c16 6f a m i l ym i c r o c o n t r o l l e rw a ss e l e c t e da sc o n t r o l l e r ；s p c 3w a ss e l e c t e dt o r e a l i z ep r o f i b u s p r o t o c o l ；d o u b l e p o r tr a mw a ss e l e c tt o r e a l i z et h ed a t a e x c h a n g e b e t w e e nc o n t r o l l e r s ；a n dt a s k i n ge d e c o m p i l e r w a su s e dt o d e s i g n t h e m i c r o c o n t r o l l e r a f t e rb e e nt e s t ，t h e i n t e l l i g e n ts l a v er e l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o nw i t h c a l s s1 “m a s t e rs i m a d y ndo rc l a s s2 ”m a s t e rp c + c p 5 6 1 3 a n dw a sp r o v e dt o s a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to fh v d cc o n t r o la n d p r o t e c ts y s t e m k e y w o r df i e l db u s ，p r o f i b u s ，s p c 3 ，i n f i n e o n c 1 6 6 ，m e s s a g e ，h v d c ， d o u b l e p o r t r a m 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 总线是指传送信息的公共通路，它是计算机和测控系统的重要组成部分，其 性能对计算机或测控系统具有举足轻重的作用。 总线的类型很多，按连接可以分为并行总线和串行总线，按应用的场合可分 为芯片总线( 如i e e e 4 8 8 、1 2 c 、s p i ) 、机箱总线( 如s t d 、c a m a c 、f a s t b u s 、 i s a 、c o m p a c t p c i 、v x i ) 、设备总线( 如g p i b 、s c s i 、m x i 、r s - 2 3 2 c 、r s 4 8 5 、 u s b 、f i r e w i r e ) 、现场总线( 如f f 、p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k 、w o r l d f i p ) 等。 本章首先对总线的发展概况进行讨论，并对几种典型的总线形式进行比较，i i e 接着重点讨论现场总线，并介绍几种在世界范围内得到广泛应用的现场总线。 1 1 总线的发展与比较 随着计算机在各个领域的应用，计算机总线技术也不断发展，本文只关注测 控领域的总线。从互连的角度，测控总线分为并行总线和串行总线两大类。 在各种集中式的测控系统中。除计算机及各测控模块底板采用并行总线外， 计算机和测控机箱也常采用并行总线。常用的底板并行总线有：s t d 、c a m a c 、 p c i 、i s a 、c o m p a c t p c i 、v x i 等。其中s t d 和c a m a c 现在已经基本被淘汰：i s a 作为p c 机总线也基本被p c i 取代；i s a 、c o m p a c t p c i 、v x i 目前广泛应用于测控 领域。常用的互连并行总线有i e e e 4 8 8 、s c s 和m x i 等。其中i e e e 4 8 8 作为传统 的标准并行总线还在仪器仪表及控制领域被广泛采用，特别适用于一些低速系统 中，但是在高速系统中它将被s c s i 取代：而m x i 作为美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司推出的3 2 位高速并行互连总线，将成为测控机箱和计算机互连的标准总线。 串行总线是按串行方式传送数据的通路，是总线发展的另一分支。最早的串 行总线是r s 2 3 2 总线。为了改进r s 2 3 2 通信距离短，速率低的缺点，电子工业协 会推出了一种平衡通信接口r s 4 2 2 ，r s 4 2 2 后来发展为目前广泛使用的 t i a e i a r s 4 8 5 一a ( 即r s 一4 8 5 ) 标准。9 0 年代后，串行总线在数据传输速率上得 到了突破性进展，最为突出的是u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 和i e e e l 3 9 4 ( f i r e w i r e 俗称火线) ，f i r e w i r e 目前的传输速率已经达到了8 6 0 m b i t s 3 2 g b i t s ，这已经超过 了一些并行总线。另外，一些芯片间的串行互连总线如1 2 c 总线、s p i 总线等也以 其独特的灵活性得到人们的关注。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 ：串并联总线性能比较 i 弋 并行总线串行总线 数据传输容量大小 数据传输速度高低 、一 传输距离近迅 硬件复杂程度大极小 【可靠性一般较高 可扩展形差好 系统组建成本高 低 表1 1 比较了并行总线和串行总线的特点和应用范围。从比较结果可以看出， 在传输容量、传输速度要求高，传输距离要求低的场合，应采用并行总线。其它 场合应尽可能采用串行总线。从发展趋势看，一方面模块化将成为系统发展的方 向，大部分信息由模块自身处理，这在一定程度上减轻了模块间的数据通信量； 另一方面，目前一些串行总线的通信速率已经比较高，完全可以满足大部分测控 场合的速率要求，所以串行通信将是测控领域发展的方向之一。 现场总线( f i e l d b u s ) 是总线在测控领域的新发展，绝大部分现场总线是串行 总线，但与前面所讲的串行总线有所不同，现场总线主要是针对现场测控而设计 的，是一种全新概念的总线形式。因此下面内容将对现场总线加以叙述。 1 2 现场总线及全分布系统 测控系统的发展经历了气动模拟系统、电动单元系统、集散控制系统( d c s ： d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和现场总线系统( f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 几 个时期。五代测控系统的测控能力比较如图1 1 所示。 d c s 经过大约四代的发展，已经成为一种成熟的工业测控系统，广泛应用于 国民经济各个行业，但是它有着先天的缺陷。 如图1 2 所示，传统d c s 中，现场控制级设备执行直接数字控制( d d c 功能) ， 其主控制器c p u 与i 0 模板之间依靠并行总线连接，i 0 模板都没有智能处理。 这种结构最大的缺点就是系统配置不灵活，在一台现场控制站中，检测点数只能 在一个较小的范围内改变，点数较少，系统很不经济；当点数较多时，又会受到 总线不宜扩充和c p u 处理能力的限制。而且由于并行总线之间的紧耦合作用，各 模板之间的影响比较大，一旦某块模板出现异常，很可能导致其它模板也表现异 堕! ! 三些查堂堡主堂垡兰苎 兰二童堕堡 常。因此，为避免这种现象的发生，系统要求对现场信号采取非常严格的隔离措 施，这又使得系统成本大幅度增高。为了降低成本而简化隔离措施的直接后果则 是系统可靠性降低。而且并行总线使得系统实现冗余和模块带电插拔非常困难。 因此，传统的d c s 在实现冗余和模块带电插拔功能时，往往采取人工干预的半自 动方式。 隶 龊 靶 一 0 0 年代6 0 年代1 9 6 0l 9 9 0 圈1 1j t , 代m 拉系统鬟控能力比较 随着微处理器和计算机功能的不断增强和价格的大幅降低，计算机网络系统 得到迅猛发展。处于生产过程底层的测控自动化系统，如果仍然采用一对一的连 线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，则会 难以实现设备之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现真正的系 统综合自动化，就必须设计出适合与工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉 的通信系统，形成底层测控网，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现 底层设备之间以及底层网络与上层的信息交换。现场总线( f i e l d b u s ) 就是在这种 实际需求的驱动下应势而生的。 现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域计算机通信系统底层的低成 本网络。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义：现场总线是指安装在制造或过 程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据 总线。 现场总线引起了工业控制系统的变革，现场总线控制系统( f c s ：f i e l s b u s c o n t r o ls y s t e m ) 被称为继基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模拟仪表控 制系统，集中式数字控制系统，集散控制系统( d c s ) 之后的第五代控制系统。 f c s 是以智能传感器、控制计算机、网络为主要内容的综合技术。 堕! ! 三、业查兰堡主兰垡堕苎苎二兰堕堡 如图1 3 所示，f c s 具有开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与 功能自治性、系统结构的高度分散性，对现场环境的适应性等技术特点。由于现 场总线的以上特点，使得控制系统的设计、安装、投运以及正常生产运行及其检 修维护，都体现出优越性，如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主动权等，提高了系统的准确性与可靠性。 车间级 现场级 圈1 2 传统的现场级与车间级自动化监控及倍息集成系统 圈i 3 基于理场总线的现场缓和车间缀自动化监控及信息集成系统 现场总线的发展得益于世界各大知名公司的技术支持，8 0 年代以来，s i e m e i i s 、 p h i l p i s 、e c h e l o n 、m o t o r o l a 、f i s h e r - r o s e m o u n t 、f o x b o r o 、i n t e l 等先后推出了多种 现场总线规范，其中比较典型的总线有f f ( 基金会现场总线) 、p r o f i b u s 、c a n 、 l o n w o r k 、w o r l d f i p 等。表1 2 是几种现场总线的性能比较。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 2几种常见的现场总线比较 类型 搿壁 c a nf fp r o f i b u sl o n w o r kw o r d f f p 应用对象离散控制所有方面过程控制所有方面过程控制 o s i 层次 1 ，2 ，7l ，2 ，7l 。2 ，7l 71 ，2 ，7 系统类型总线总线总线网络总线 介质访问 c a m a ，c d 令牌令牌令牌令牌 错误校正 c r cc r cc r cc r cc r c 双绞线、光 双绞线、光 通信介质纤、同轴电缆 双绞线、光 双绞线、光纤 光纤、电源线 等 纤、红外等 纤、同轴电 缆等 单点、多点、单点、多点、单点、多点、 寻址方式 广播广播 广播广播广播 5 k b p s 3 1 ，2 5 k b p s 9 ，6 k b d s 3 0 0 b p s 传输速率 2 5 m b p s 1 m b p s2 5 m b p s1 2 m b p s 1 5 m b p s 传输距离 1 0 k m 0 5 1 9 k m 0 1 1 0 k m2 7 k m 网络供电不支持不支持 支持支持支持 优先级支持支持支持支持支持 系统控制命令 状态命令状态命令状态命令状态 从表1 2 中可以看出，各种现场总线都有自身的特点。f f ，p r o f i b u s 既可以用 于底层监控也可以用于工厂的车间管理层，它们的协议比较完善复杂，网络稳定 性比较好；c a n 比较简单灵活。在后面的章节中我们将重点讨论p r o f i b u s 总线协 议，并就p r o f i b u s 总线在直流输电系统中的应用作深入的研究。 1 3 现场总线的发展前景 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范 围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。自动化行业将面临一个多 种总线技术标准并存的现实世界。工业以太网是现场总线发展的一个大的趋势， 但是目前阶段，o p c 技术的采用更有可行性。 根据现场总线技术概念，面对自动化行业千变万化的现场仪表设备，要实现 不同厂家不同种类产品的互连，现场总线技术标准化工作至关重要。为此，国际 i e c 委员会于1 9 8 4 年提出制定现场总线技术标准i e c l l 5 8 ( 即i e c 6 1 1 5 8 ) ，它的 的目标是制定面向整个工业自动化不同应用需求的现场总线标准。i e c6 1 1 5 8 标准 是制定时间最长、投票次数最多、意见分歧晟大的国际标准之一，从1 9 8 4 年开始 起草，制定时间超过1 0 年，先后经过9 次投票表决，两次提交i e c 执委会审议， 耍j ! 三些查兰堡主堂垡堕苎兰二里堕堡 1 9 9 9 年1 2 月，i e c 6 1 1 5 8 放弃了原有设想，通过妥协方案，即：以i e c6 1 1 5 8 ( r s ) + a d d p r o t o c o l s 作为i e c 6 1 1 5 8 技术标准的方案；其中a d d p r o t o c o l s 包含i e c6 1 1 5 8 技术规范( 即f f h 1 ) 、c o n t r o ln e t 、p r o f i b u s 、p - n e t 、f fh s e 、s w i mn e t 、 w o r l d f i p 和i n t e r b u s 八种现场总线。可以说，统一现场总线标准的努力失败了。 自动化行业将面临一个多种总线技术标准并存的现实世界。 作为统一的标准，工业以太网技术进入现场级被人们认为是大势所趋。目前 来说在设备层，在没有严格的时间要求条件下，以太网也可以有部分市场，但是 在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之前，大部分现场层仍然会首选现场 总线技术。目前一般情况下，控制系统的车间级生产信息集成使用以太网，设备 级控制优先选用现场总线技术的控制网络。 o p c ( o l e f o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 是一个工业标准，它是许多世界领先的自动化 和软、硬件公司与微软公司合作的结晶。o p c 的目标是开发出一个开放的、灵活 图1 40 p c 诞生以前的应用程序与i 0 驱动敷件之间的关系 图1 50 p c 诞生后的应用程序与i 0 驱动软件之间的关系 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 图1 6 0 p e 诞生后的应用程序与i 0 驱动软件之间的关系 的、即插即用的工业标准，是促使工业自动化供应商以一个标准形式开发全部的 驱动器，使最终用户对解决方案拥有更大的选择余地，同时大大地减少了硬件和 软件供应商的开发和维护费用。 o p c 类似于电子和气动过程仪器的4 - 2 0 m a 或0 - 15 p s i 标准接口。在这种类比 中，过程仪器相当于今天的软件组件。 企业中的应用程序与设备的i o 驱动软件( s o f t w a r e d r i v e r ) 之间的关系如图1 4 图1 5 所示。在图1 , 4 5 b ，不同的应用程序和不同的厂商的硬件的驱动程序之间存在 着大量的连接问题，需要开发各种特定的通信程序。o p c 标准的制定，使得所有的 通信连接问题变得简单，它提供了种软件的总线形式( 图1 5 ) ，这样，应用就变 得简单，应用程序只需知道如何从o p c 数据源获取数据( o p cc l i e n t ) ，设备的驱动 程序只需知道如何以简单的格式提供数据( o p cs e r v e r ) 。 另一方面，虽然o p c 解决的问题主要是i o 驱动程序，但在图1 6 中也可以看 到它不仅应用在设备和s c a d a ，s o f t p l c 和d c s 系统之间，同时也应用在 s c a d a ，s o f t p l c 或d c s 内核以及h m i ，趋势和报表等需要使用o p c 数据的 高端应用程序之间。在这样的结构中，s c a d a 系统、d c s 系统或s o f t l o g i c 系统，变 成了一个“智能”设备。 1 4 课题来源及课题意义 1 )课题来源 论文选题是西北一华中联网背靠背直流输电工程二次侧控制保护系统的底 层p r o f i b u s d p 控制系统。 了 堕韭三兰竺查兰婴圭兰垡堡塞蔓二兰堕堡 我主要负责基于p r o f i b u s 协议的现场i o 设备f c k 的设计开发，主要完成了 以下工作： 对现场总线控制系统进行研究 对p r o f i b u s 协议进行研究 参与f c k 通信部分硬件设计 负责f c k 通信部分软件设计 f c k 单板调试和整体调试 对f c k 进行通信测试 我将着重就p r o f i b u s 协议标准，p r o f i b u s 总线控制系统在直流输电控制保护 系统中的应用，现场级i o 设备f c k 的软硬件设计等进行详细论述。 ( 2 )课题意义 高压直流输电是应用变流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为 交流的一种输电技术，是传统交漉输电方式的有效补充。它的优点是：可以用来 实现异步联网；在输电距离超过临界距离时要比交流输电更经济；利用相同的线 路走廊可比交流输送更多的电力。高压直流输电方式由于其自身的优点，特别适 用于远距离、大容量输电，大区电网的互联以及通过海底电缆向海岛送电等场合。 西北一华中联网背靠背直流工程是于2 0 0 1 年2 月由国家计委批准立项，国 家电力公司负责建设的我国第一项背靠背直流联网工程，是国家十五重点项目。 换流站地址设在河南省灵宝市，简称灵宝换流站。根据国家计委和国家电力公司 的要求，灵宝背靠背工程是直流工程国产化的依托工程。其现场级采用p r o f i b u s d p 控制系统。 在我国，无论是直流输电还是现场总线设备上，目前都还处于欧美产品一统 天下的局面，我国在这一技术领域还刚刚起步。我参加的课题对于现场总线设备 开发、现场总线控制系统的设计和直流输电系统的设计开发等工作，都有着很好 的参考作用。 堕韭三些查堂堡主堂焦兰塞塑三童! ! ! ! ! 竺墨堑璺些垫查里塞 第二章p r o f i b u s 现场总线技术研究 现场总线必须是标准化的设计和开放的结构。1 9 8 7 年德国工业界开始设立 p r o f i b u s 联合开发项目，由这个联合体开发的规则和标准不久成为德国工业标准， 即d i n e l 9 2 4 5 1 2 lp r o f i b u s 标准。德国的国家现场总线标准于1 9 9 6 年成为国际性 标准，即欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。2 0 0 0 年3 月，p r o f i b u s 标准被批准为国际现场总线 标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分( t y p e l l i ) 。 2 1 i s o o s i 模型 p r o f i b u s 协议以国际i s o ( 国际标准组织) 标准o s i ( 开放系统互连) 参考模 型为基础。 第7 层盛用层 i第6 层表达层 面向用户 第5 层会话层 l第4 层传辕层 l 第3 层 网络层 l第2 层数据链路层 【第l 层物理层 匿2 1i $ o f o $ i 通信标准模型 如图2 1 所示，i s o o s i 通信标准有7 层组织，分为两类。一类是面向用户的 第5 层到第7 层，另一类是面向网络的第1 层到第4 层。第1 层到第4 层描述数 据从一个地方传输到另一个地方，而第5 层到第7 层给用户提供适当的方式去访 问网络系统。 2 2 p r o f i b u s 通信协议结构和类型 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 层以及必要时采用第7 层。 其第1 层、第2 层的导线和传输协议依据美国标准e i a r s 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 1 5 l 标准的第1 到第3 部分和i e c 9 5 5 1 6 1 标准：管理功能( f m a 7 ) 采用i s o d i s 7 4 9 8 4 ( 管理框架) 的概念。 9 塑! ! 三些查堂堡圭兰垡堡兰釜三! ! 竺! ! 竺翌堑璺垡垫查竺塞 从用户的角度看，p r o f i b u s 提供了三种通信协议类型：d p 、f m s 和p a ，如图 2 2 所示 d p 定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。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期间与现场类分散的i o 设 备之间的通信。 爹：爹爹 圈2 2p r o f i b u s 通信协议结构图 f m s 定义了第一、二、七层，应用层( 第七层) 包括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) 和l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e 低层接口) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。l l i 协调不同的 通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。它的作用是处理单元类( 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。d p 和f m s 使用相同的传输技术和总线存取协 议，因此，它们可以在同一根电缆上运行。 p a 的数据传输采用扩展的d p 协议。此外，它执行现场设备特性的p a 设备行 规。根据i e c l l 5 8 - 2 1 7 1 标准，p a 的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总 线给现场设备供电。使用段耦合器可以将p a 设备很容易地集成到d p 网络之中。 p a 是为过程自动化过程中地高速、可靠地通信要求而特别设计的。用p a 可以把 传感器和执行器连接到普通的现场总线段上，即使在防暴区域的传感器和执行器 0 西北工业大学硕士学位论文第二章p r o f i b u s 现场总线技术研究 也是如此。 2 3p r o f i b u s 层 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 层以及必要时采用第7 层。 p r o f i b u s 通信协议的第一层物理层规定了线路介质，物理连接的类型和电气特性。 第一层包括三种传输类型，即适用于d w f m s 的r s 4 8 5 、光纤传输以及适用于p a 的i e c l l 5 8 2 2 3 1 物理层( 第1 层) ( 1 ) d p f m s 的物理层： e i a r s 4 8 5 1 8 标准( 也称为h 2 ) 是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术。其传输 介质是屏蔽双绞线，网络拓扑结构为总线型，一个总线段内的导线是双绞线，段 的两端各有一个终端电阻。 表2 1 传输速率与总线段长度 圈2 3 分段连接 波特率( k b p s ) 96 1 8 7 55 0 01 5 0 01 2 0 0 0 l距离段( m )1 0 0 04 0 02 0 01 0 0 用于p r o f i b u s r s 4 8 5 的传输程序是以半双工、异步、无间隙为基础的。数据的 发送用n r z ( 不归零) 编码。 在专用文献中，两根p r o f i b u s 数据线也称之为a 线和b 线。a 线对应于 r x d t x d n 信号，b 线对应于r x d t x d p 信号。 对于p r o f i b u s 而言，最大允许的总线长度，也称为段长度，取决于所选用的传 输速率，若使用a 型电缆，其对应关系如表2 1 所示。在一个段内最多可以运行 3 2 个站，中继器没有地址，但被计算在每分段连接的站点个数中，串连的中继器 般不超过3 个，如图2 1 3 所示。p r o f i b u s 国际标准e n s 0 1 7 0 推荐使用9 针d 型 西北工业大学硕士学位论文 第二章p r o l l b u s 现场总线技术研究 连接器用于总线站于总线的相互连接。 光纤传输：p r o f i b u s 的第l 层的另一种类型通过光纤导体中的光传输来传送数 据。其传输介质是用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆。目前玻璃光纤能处理的连 接距离最大到1 5 k m ，塑料光纤最大到8 0 m 。光纤电缆对电磁干扰不敏感并能确保 总线之间的电隔离。 ( 2 ) p a l 的物理层： p a 底层物理层采用i e c l l 5 8 2 传输技术，这种技术确保本质安全并通过总线 直接给现场设备供电。数据传输使用非直流传输的位同步、曼彻斯特编码协议( 也 称h 1 ) 编码，传输速率是3 1 2 5 k b p s 。传输介质是屏蔽月 屏蔽双绞线，总线段的 两端用个无源的r c 线终端器来种植。一个p a 总线段最多可以运行3 2 个站， 最大的总线段长度很大程度上取决于供电装置、导线类型和所连接的站的电流损 耗等。 2 3 2 数据链路层( 第2 层) 根据o s i 参考模型，第二层规定了总线存取机制、数据安全性以及传输协议 和报文的处理。在p r o f i b u s 中，第二层称为f d l 层( 现场总线数据链路层f i e l d b u s d a t al i n k ) 。 报文格式( 如图2 4 所示) 提供了高等级的传输安全性，所有报文均具有海明 距离h d ：4 。h d = 4 的含意是：在数据报文中，可以检查出最多3 个同时出错的 位。这要求是使用国际标准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节来实现的。可以检查出以 下类型的错误： 字符格式出错 协议出错 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地重发一次，在数据链路层中报文地重发次数最多 可以设定为8 ( “r e t r y ”总线参数) 。除逻辑地点对点数据传输外，第2 层还允许进 1 2 要苎三些查堂堡主兰堡堡苎 兰三兰! ! ! 璺! 竺翌堑：垦塑垫查堕塾 行广播通信和群播通信的多点传输。 在广播通信中，一个主站发送信息给其它所有站( 主站和从站) ，数据的接收 不需应答：在群播通信中，一个主站发送信息给一组站( 主站和从站) ，数据的接 收也不需应答。第2 层提供的数据服务参见表2 2 。 表2 2p r o f i b u s 传输服务 服务功能 d pp af m s s d a发送数据需应答适用 s r d 发送或请求数据需应答 适用适用 适用 s d n发送数据不需应答适用适用 适用 c s r d循环地发送或请求数据需应答 适用 有固定倍息字段长度的格式 i s o ld as a i f cf c e d _ l = 3 ( 固定) + 带数据的有固定信息字段长度的格式 d u is d 3d as af c ( 数据单元) f c se d l ，l 2 l l ( 固定) 有可变信息字段长度的格式 叫 i s d 2 1 l e l e s d 2 1 i ) as af c ( 数据单元) f c se i ) 困 令牌报文 圈 其中： l ：信息字段长度 s c ：单字符，应用于应答 圈2 4p r o f i b u s 的报文格式 s d i s d 4 ：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度的报文中信息字段的长度 d a ：目的地址字节，指出将发送此信息的站： 西北工业大学硕士学位论文第二章p r o f i b u s 现场总线技术研究 f c ：控制字节( 帧控制) ，包含用于此信息的服务与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 - 检查字节( 帧检查顺序) ，包含报文检查和( 不进位加所有报文元素的和) ： e d ：终止字节( 终止界定符) 。指出报文终止； d p 和p a 各使用第二层服务的子集，d p 只使用s r d 和s d n 服务。上一层通 过第2 层的s a p ( 服务存取点) 调用这些服务。对f m s 来说，这些服务存取点被 用来编址逻辑通信关系。在d p 和p a 中，每一个服务存取点分配一个确定的功能。 所有主站和从站允许同时使用若干个服务存取点。有两类服务存取点；s s a p ( 源 服务存取点) 和d s a p ( 目的服务存取点) 。 f d l 包括m a c 、f l c 、和f m s 2 。m a c ( 介质存取控制) 子层描述了连接到 传输介质的总线存取方法。f l c ( 链路控制) 子层规定了对l l i 有效的第二层服务， 提供服务访问点( s a p ) 的管理和与l l i 相关的缓冲器。f m a 2 ( 总线管理) 完成 m a c 相关的总线参数的设定和p h y 的设定。f l c 和l l i 之间的s a p s 可以通过 f m a 2 激活或撤消。 2 3 3 应用层( 第7 层) i s o o s i 参考模型的应用层( 第7 层) 提供用户需要的各种通信服务。p r o f i b u s 的应用层由f m s ( 现场总线报文规范) 和l l i 接口( 低层接口) 组成。 ( 1 ) f m s 行规 为了使f m s 通信服务适应实际需要和定义符合实际应用的设备功能，p r o f i b u s 用户组织( p n o ) 制定了f m s 行规，这些f m s 行规确保由不同制造商的生产的 同类设备具有同样的通信功能，目前已经制定了如下的f m s 行规， 可编程控制器之间的通信行规。此行规规定哪些f m s 服务将用于可编程 控制器( p l c ) 之间的通信。 楼宇服务自动化的行规。此行规是一个面向应用分支的行规，可作为楼 宇服务自动化方面公共需求的基础。 低压开关设备行规。此行规是一个面向应用分支的f m s 应用行规。在用 f m s 的数据通信时它规定了低压开关设备的行为特性 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章p r o f i b u s 现场总线技术研究 ( 2 ) d p 用户接口和d p 行规 d p 只用第1 、2 层。而用户接口定义了d p 设备可以使用的应用功能以及各种 类型的系统和设备的行为特性。 d p 协议的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价，而这就是d p 行规的任务。 由于精确规定了相关应用的参数和行规的使用，从而使由不同制造商生产的d p 部 件能够容易的交换使用。目前已经制定了如下行规： n c r c 行规。此行规描述怎样通过d p 来控制加工和装配的自动化设备。 编码器行规。此行规描述具有单转或多专分辨率的旋转、角度和线性编 码器怎样与p r o f i b u s d p 相耦连。 变速驱动的行规。主要的驱动技术制造商共同参加开发p r o f i d u r i v e 行规。 操作员控制和过程监视行规，h m i ( 人机接口) 。此行规为简单的h m i 设备制定了怎样通过d p 与高一级的自动化部件相连。本行规使用了d p 扩展功能进行数据通信 p r o f i b u s d p 的繁殖出错数据传输的行规。此行规定义了有故障安全设备 通信的附加数据安全机制，如紧急o f f 。由本行规规定的安全机制己经 被t h v 和b i a 批准。 2 4 p r o f i b u s 总线网络中的总线存取控制 p r o f i b u s d p f m s p a 采用统一的总线存取协议，参照i s o o s ! 模型，总线存 取协议通过f d l ( 数据链路层) 来实现。f d l 的子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t t o l 介质存取控制) 确保在任何时刻只有一个站点发送数据。f d l 采用非连接的模式， 除提供点对点传输数据外，还可以多点通信和广播等。 p r o f i b u sm a c 协议应该实现介质存取控制的两个基本要求： 在主动控制器( 主站) 间的通信，必须保证在确切的限定的时间间隔中， 任何一个站点都要有足够的时问来完成通信任务 在主动控制器( 主站) 与简单的i o 设备( 从站) 间通信，应尽可能简单 快速的完成数据实时传输。 堕韭三兰竺查兰堡主兰垡堕奎塑三量! 竺! ! 竺翌垄堕垡垫查堕壅 为了满足上述要求，p r o f i b u s 总线存取协议采取混合的总线存取控制机制。它 包括用于主动节点( 主站) 间的分散的令牌传递机制和用于主动站( 主站) 和被 动站( 从站) 间的集中的主从机制。当一个主动节点( 总线站) 获得了令牌，它 就接手主站功能并在总线上与其他从站和主站节点进行通信。在总线上的报文交 换是用节点编址的方式来组织的。每个p r o f i b u s 设备都有一个地址，这个地址在整 个总线上必须是唯一的。在一个总线内，最大可使用的站地址范围在0 到1 2 6 之 间，也就是说，一个总线系统最多可以有1 2 7 个节点( 总线站) 。 这种总线存取控制方式允许有如下的系统配置： 纯主主系统( 令牌传递机制) 纯主从系统( 主从机制) 混合系统( 两种方式的组合) p r o f i b u s 的总线存取机制与所使用的传输介质无关。网络不论使用的是铜质电 缆还是光纤电缆效果一样。p r o f i b u s 的总线存取控制符合欧洲标准e n 5 0 1 7 0 v 2 中 规定的令牌总线机制和主从机制。 ( 1 ) 令牌总线机制 如图2 5 所示，连接到p r o f i b u s 网络的主动节点( 主站) 按它的总线地址的升 序组成一个逻辑令牌环。在逻辑令牌环中主动节点时一个接一个地排列的，控制 令牌环总按这个顺序从一个站传递到下个站。令牌提供存取传输介质的权力， 并用特殊的令牌帧在主动节点( 主站) 间传递。具有最高总线站地址( h a s ) 的 主动节点例外，它只传递令牌绘具有最低总线站地址的主动节点，以此使逻辑令 牌环闭合。 令牌经过所有主动节点轮转一次所需的时间叫做令牌轮转时间。用可调整的 令牌时间t r r ( 目标令牌时间) 来规定现场总线系统中令牌轮转一次所允许的最大 时间。 在总线初始化和起动阶段，总线存取控制( 即m a c ，介质存取控制) 通过辨 认主动节点来建立令牌环。为了控制令牌环，m a c 程序首先自动判定总线上所有 主动节点的地址，并将这些节点和地址都记录在l a s ( 主动站站表) 中。对于令 牌管理而言，有两个地址概念特别重要：p s 节点( 前一站) 即下一站是从此站接 i 6 西北工业大学硕士学位论文第二章p r o f i b u s 现场总线技术研究 逻辑令牌环 从站 图2 5 令牌总线机制 收到令牌的) ；n s 节点( 下一站) 的地址( 即令牌传递给此站) 。在运行期间，为 了从令牌环中去掉有故障的主站节点而增加新的主动节点到令牌环中而不影响总 线上的数据通信，也需要l a s 。 ( 2 ) 主从方式 一个网络中有若干个被动节点( 从站) ，而它的逻辑令牌环只含有一个主动节 点( 主站) ，这样的网络为纯主从系统，如图2 6 所示 主- 从程序允许主站( 主动节点) 当前有权将信息发送、存取指定给它的从站 设备。这些从站是被动节点，主站可以发送信息给从站或者从从站获取信息。 典型的d p 是一主从方式为基础的。一个主动节点( 主站) 循环地与被动节点 ( d p 从站) 交换数据。 主站 从站 嚣z 6 主一从机制 西北工业大学硕士学位论文 第二章p r o f i b u s 现场总线技术研究 2 5p r o f i b u s 总线控制系统配置形式 p r o f i b u s 现场总线所挂接的设备根据其承担的任务可以分为三类：一类主站、 二类主站、从站。主站可以主动发起通信。一类主站完成总线通信控制与管理， 一般指p l c p c 或可做一类主站的控制器。二类主站完成各站点的数据读写、系 统配置、故障诊断等，通常指操作员工作站( 即监控站。如p c 机加图形监控软件) 、 编程器、操作员接口等。从站不能主动发起通信，在主站发起通信时，受控的从 站传送或接收数据或完成一定的操作：如上传各种数据参数、接收控制测量等指 令。从站可以使智能型i 0 、分散式i o 和驱动器、传感器、执行机构等带有p r o f i b u s 接口的现场设备。随着计算机技术的发展，原本由二类主站完成的任务：如图形 界面、监控、编程等功能，均可由一类主站完成。一类主站设备现在也主要由工 业p c 充当。 在实际应用中，一、二类主站的配置方式可以有灵活的选择，如可以根据需 要选择以下配置形式： 以p l c 或其它控制器作为一类主站，不设监控站； 以p l c 或其它控制器作为一类主站，监控站不在p r o f i b u s 网络中，不作 为二类监控站，但与一类主站通过串口一对一连接，对p l c 或控制器中 读写数据来实现监控； 以p l c 或其它控制器作为一类主站，监控站作为二类主站直接连在 p r o f i b u s 网络中，完成远程编程、参数化和在线监控等功能； 以p c 机+ p r o f i b u s 网卡作为一类主站，即监控站与一类主站一体化，这是 一个低成本的方案，应该使用高可靠性的工业p c 。，这种情况下，通信 模板厂商只是提供一个模板驱动程序，总线控制、从站控制程序、监控 程序等多由用户开发。 2 6p r o f i b u s d p 技术研究 d p 协议是为自动化制造工厂中分散i o 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，也支持多主结构，而且在一个总线上d p 主站从站、f m s 主站从站和其它的主动节点或被动节点也可以共存。 d p 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向 1 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章p r o f i b u s 现场总线技术研究 从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站( 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 还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行 组态诊断和报警处理。 2 6 1i ) p 通信关系和i ) p 数据交换 按d p 协议，通信作业的发起者称为请求方，而相应的通信伙伴称为响应方。 所有一类主站的请求报文以第2 层中的“高优先级”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“低优先级”服务报文级别。d p 从站可以将当前正在出现的诊断中断或状态事件通知给d p 主站，仅在此刻，可通 过d a t a