（通信与信息系统专业论文）现场总线关键技术的研究及实现.pdf

入7 p 人学坝i 学位论义 摘要 弋3 3 毛 t p 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，它是应用在生产现场、 在微机化测量控制设备之削实现双向串行多点数字通信的系统。p r o f i b u s 是 国际上应用十分广泛的工业通信现场总线，在制造业、流程工业、楼宇等方面 的自动化系统中具有广泛应用前景。p r o f i b u s 、是欧洲首屈一指的开放式现场 总线技术，是成熟的技术，己被全世界所接受。7 本文对p r o f i b u s 通信协议作了深入研究，尤其侧重于对p r o f i b u s d p 从站的研究。论文中介绍了p r o f i b u s 的基本特性、协议结构、总线存取协议， 详细阐述了p r o f i b u s - d p 的数据链路层( f d l ) 协议、报文格式、服务类型及 传输过程，透彻分析了d p 从站的功能、态机制及它与主站间通信的详尽过程。 对p r o f i b u s - d p 系统通信模型作了总结。 本文在研究p r o f i b u s d p 标准的基础上，提出了d p 从站的实现方案，并 完成了产品丌发，研制了智能从站及简单从站，同时我们还设计了光模块，以 使p r o f i b u s 系统能用光缆来传输信号，增加其传输距离。 盘长时间的考机运行，性能稳定，可靠。本课题中丌发的d p 从站系统可 用于工程实践) 关键字：现场总线p r o f i b u sp r o f i b u s d pf d l主站从站 通信协议光模块 k a b s t r a c t f i e l d b u si so n eo ft h eh o r e s ts u b j e c to fd i s c u s s i o ni na u t o m a t i o nf i e l d i ti s s e r i a l ，m u l t i p o i n t a n d d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c h i s a p p l i e d i n m a n u f a c t u r ef i e l d sa n db e t w e e n c o m p u t e r b a s e d m e a s u r e c o n t r o ld e v i c e s p r o f i b u ss y s t e mi saf i e l ds y s t e m w h i c hi si nw i d e s p r e a du s ea l lo v e rt h ew o r l d i ti sa p p l i e di nf a c t o r ya u t o m a t i o n ，p r o c e s si n d u s t r ya n d b u i l d i n ga u t o m a t i o nw i d e l y p r o f i b u si so p e nf i e l d b u sa n df a m o u si ne u r o p e i ti sm a t u r et e c h n o l o g ya n di ti s a c c e p t e db y t h ew h o l ew o r l d t h i sp a p e rs t u d yt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fp r o f i b u sa n de m p h a s i so n p r o f i b u s - d pt h i s p a p e r i n t r o d u c et h eb a s i c c h a r a c t e r s ，p r o t o c o l s t r u c t u r e ， m e d i u ma c c e s sa n dt r a n s m i s s i o np r o t o c o lo fp r o f i b u s a n de l a b o r a t e st h eb u s l a y e r2 ( f d l ) p r o t o c o l ，f r a m ef o r m a t ，s e r v i c et y p e sa n dt r a n s m i s s i o np r o c e s so f p r o f i b u s - d p a n da n a l y s e st h ef u n c t i o n s ，s t a t em a c h i n eo fd ps l a v e ，t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a s t e ra n ds l a v e o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho ns t a n d a r do fp r o f i b u s d p , t h i sp a p e ra l s os t u d y t h ea p p l i c a t i o no fp r o f i b u s - d e a c c o r d i n gt ot h i s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h e p l a n o fd ps l a v e sa c h i e v e m e n ta n df i n i s h e dt h e d e v e l o p m e n t w ed e v e l o p i n t e l l i g e n ta n ds i m p l es l a v e s ，a n d s oo n ，w ed e s i g n o p t i c a ll i n km o d u l ew h i c h e n a b l ep r o f i b u s - d pt ot r a n s f e rs i g n a lw i t ho p t i c a lf i b e r u n d e r g o i n gl o n gt i m ec h e c k i n g ，i t sp e r f o m l a n c e sa r es t a b l ea n dr e l i a b l e ，t h i s d e v e l o p e dd p s l a v ec a nb eu s e di np r o j e c t s k e y w o r d s ：f i e l d b u sp r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) f d l ( f i e l d b u sd a t al i n e ) s l a v es t a t i o n c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo p t i c a ll i n km o d u l e 人7 p 人 f 哦i 节化沧上 第一章绪论 随着微处理器与计算机功能的不断增强，信息技术的4 i 断发展，计算机与 计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联络的范倒不断扩大。而处于企业生 产过程的自动化通信控制系统，由于仍处于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间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严 重制约了其本身的发展。要实现企业的信息集成，要实施综合自动化通信，就 必须设计出一种能在工业现场环境运行的、可靠性商、实时性强、造价低廉的 通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化、发备之l 剐的多点数字通信、实 现底层现场设备之间、以及系统与外界的信息交换。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运而生的。 第一节现场总线简介 现场总线技术是8 0 年代米、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动 化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工 厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之问及其与更高控制 管理层次之问的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全 分布控制系统。这项以计算机、数字通信、控制、智能传感等技术为主要内容 的综合技术已经受到世界范围的关汴，成为闩动化、通信技术发展的热点，j f 将导致自动化通信系统结构与设备的深刻变革。国际上- 许多实力、有影响的公 司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的丌发。 根据国际电工委员会( i e c ) i e c 6 11 5 8 定义：安装在制造或过程区域的现场 装鹭与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称 为现场总线。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作f c s 现场总线控制 系统。人们一般把5 0 年代前的气动信号控制系统p c s 称作第一代，把4 20 m a 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三 代，而把7 0 年代中期以来的d c s 集散式分布控制系统称作第四代。现场 总线控制系统f c s 作为新一代控制系统，一方面，突破了d c s 系统采用通信 专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所 造成的缺陷：另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了 新型全分向式结构，把控制功能彻底下放到现场。所以晚，丌放性、分散性与 数字通信是现场总线系统最显著的特征。 现代工业通信控制思想的核心是“分散控制，集中监控”使得“危险分散， 控制分散”，但即使是现在流行的d c s 控制，其与工业过程打交道的过程控制 站仍然还是集中的，现场信号的检测、传输和控制还是采用的4 2 0 m a 的模拟 信号，这正是对分散控制，集中监控思想的违背。而f c s 控制系统真正做到 了这一点，把控制彻底地下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集， 数据处理，控制运算和数据输出大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成 的高级控制功能爿由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操 作。现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于没备管理。 随着计算机、通信、控制、网络等技术的发朕，信息交换沟_ j 1 1 1 的领域l i ：扯 迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从r 1 ：段、车间、 工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展导致了自动化通信领域 的深刻变革，并逐渐形成了自动化通信领域的开放系统互连通信网络，形成了 全分布式网络集成化自控系统。而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术。 现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。它的出现使 传统的自动控制系统产生革命性变革，变革了传统的信号标准、通信标准和系 统标准，变革了现有自动控制通信系统的体系结构、设计方法、安装调试方法 和产品结构。通信、自动化领域的这场变革使不同制造商的产品，不同类型的 设备、不同层网络之间的相互连接成为可能，必将开创自动控制的新纪元。 第二节现场总线的技术特点 现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通信 网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低等特点；具有一定 的时间确定性和较高的实时性要求；还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、 信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通信技术， 都具有不同于上层高速数据通信网的特色。 a 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可 进行互连并实现信息交换，现场总线丌发者就是要致力于建立统一的工厂底层 嗍络的丌放系统。这罩的丌放是指对相关标准的一致、公丌性，强凋对干，j ；准的 共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相 连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，丌放系统把系统集 成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组 成大小随意的系统。 b 互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统 问的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意 味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 c 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基 本功能，并可随时渗断设备的运行状态。 d 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功 能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改 变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提 高了可靠性。 e 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场 总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与 通信，并可满足本质安全防爆要求等。 f 多种传输媒介和拓扑结构。f c s 由于采用数字通信方式，因此可采用多 种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空问分布情况，也可以灵活的采 用多种网络拓扑结构。这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的 施工带来了极大的方便，省时间，省材料。 “j j 现场总线的以上特点，特刖是现场总线系统结构的简化，使控制系统 的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 因此，现场总线的主要优点为： a 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备 能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再 需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、 隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控pc 机作为操作站，从而节 省了大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 b 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条 电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需 增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、 安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 c 节省维护丌销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的 运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时 阳j 同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 d 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的 设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围， 不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动 权完全掌握在用户手中。 e 提商了系统的准确性与可嚣性。d ir 现场总线设备的智能化、数字化， ，模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。 同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少 了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构 等优点。 第三节当前流行的几种现场总线标准 现场总线技术的开发和应用，起源于欧洲，在现场总线技术早期的发 展过程中不同的国家和公司制定了各自的现场总线标准。现将当前流行 的几种现场总线标准介绍如下： 、过程化现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s l p r o f i b u s 现场总线是由联邦德国科技部组织以西门子为首的十几家生产自 动化控制系统的公司和研究院所，根据i s 0 7 4 8 9 标准以丌放系统互联网络( o s i ) 作为参考模型，开始制订现场总线技术的德国国家标准，并同时研制p r o f i b u s 现场总线产品。 p r o f i b u s 现场总线标准于1 9 9 6 年成为德国国家工业现场总线标准 d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，当前已成为国际现场总线标准i e c 6 1 15 8 。 它是多主、多从式串行总线，它的物理层采用r s 一4 8 5 标准，数据链路层采用 分布式权标( 令牌) 协议，可连接1 2 7 个节点。这种总线在欧洲得到较为普遍的 人津人学帧i ! 学位沦艾 应用。 p r o f i b u s 提供了三种传输类型：专门为自动控制系统与现场级分散的 o 之间进行通信而设计的p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ：专为过程自动 化而设计的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 ) ；用于车间级通用性通信任务的 p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。 p r o f i b u s 已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统。p r o f i b u s 通信模型遵 循i s o o s i 模型。它省略了3 6 层，增加了用户层。它的总线访问方式为： 主站之间通信采用令牌传输，主站和从站之间采用主从方式。p r o f i b u s 可以采 用总线型、树型、星型等网络拓扑结构，总线上最多可挂接1 2 7 个站点。p r o f i b u s 行规的制定，为遵循p r o f i b u s 标准的设备之间的互操作挚定了基础。通过对设 备指定符合p r o f i b u s 行规的过程参数、工作参数、厂家特定参数，发备之间就 可以实现互操作。 p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k 1 2 m b p s 最大传输距离在1 2 m b p s 时为 1 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆， 最多可挂接1 2 7 个站点。 p r o f i b u s 是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，它可广泛应用于制造加 工和建筑等自动化领域。采用p r o f i b u s 标准系统，不同厂商所生产的设备无需 对其接1 ：3 进行特别调整就可相互通信，p r o f i b u s 可用于高速的数据传输，也可 用于大范围的复杂通信场合。 二、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 l f f 是由l s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e m sp r o j e c t ) 基会会和w o r l df i p 基会会合 ， f _ 成立的现场总线攮金会( f i e l d b u s 农及玛f o u n d a t i o n ) 审j j 定的现场总线标准。 其宗旨在于制定符合1 e c i s o 标准现场总线。 f f 的通信模型以i s o o s i 丌放系统模型为基础，采用了物理层、数据链 路层、应用层，并在其上增加了用户层，各厂家的产品在用户层的基础上实现。 f f 总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周期通信。f f 可采 用总线型、树型、菊花链等网络拓扑结构，网络中的设备数量取决于总线带宽、 通信段数、供电能力和通信介质的规格等因素。f f 支持双绞线、同轴电缆、光 缆和无线发射等传输介质，物理传输协议符合1 e c l l 5 8 2 标准，编码采用曼彻 斯特编码。 三、l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 现场总线全称为l o n w o r k sn e t w o r k s ，即分布式智能控制网络技 术。是美国e c h e l o n 公司1 9 9 0 年1 2 月推出的现场总线。该公司丌发出一种集 控制器、网络通信、处理器为一体的神经元芯片n e u m n 芯片，固化全部7 层网络通信协议。以该芯片为基础构成l o n w o r k s 智能节点，节点之阳j 可通过 不同的传输媒介进行通信，并遵守i s o 0 s i 的7 层通信模型，具有很强的网 络功能，目前萨处于迅速发展之中。 四、控制器局域网络c a n ( c o n t r o 儿e ra r e an e t w o r k ) 现场总线 c a n 是德国b o c s h 公司及几个半导体集成电路制造商丌发出来的，起初是 专门为汽车工业设计的，目的是为了节省接线的工作量，后来出于自身的特点， 它广泛地应用于各行各业。它的芯片出m o t o r o l a 、i n t e l 等公司生产，是对等式 ( p e e r t op e e r ) 串行现场总线。其数据链路层与以太网相似，采用载波侦听多路访 问碰撞检测( c s m a c d ) 机制。c a n 的通信模型也遵循i s o o s i 模型， 采用了其中的物理层、数掘链路层和应用层。c a n 采用多主工作方式，节点之 天津人学坝i 彳位沧卫 间小分主从，节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一点对 多点及广播方式传输数据，无须调度。c a n 采用的是非破坏性总线仲裁技术， 优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时问，在重负荷下表现出良好的性能。 c a n 采用短帧结构传输，每帧有效字节为8 个，传输时问短，受干扰的概率低。 而且每帧信息都有c r c 校验和其他检错措施，保证数据出错率极低。当节点 严重错误时，具有自动关闭功能，使总线上其他节点不受影响。c a n 总线可采 用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质。它的直接通信距离最远可达1 0 k m ， 通信速率最高达1 m b p s ( 此时通信距离为4 0 m ) ，总线上可挂设备数主要取决于 总线驱动电路，最多可达1 1 0 个；报文标志符可达2 0 3 2 种，而扩展标准的报 文标志符几乎不受限制。但c a n 总线不能用于防爆区。国际c a n 总线的用户 及制造商组织于1 9 9 3 年于欧洲成立，简称c i a ，其主要作用是解决c a n 总线 实际应用中的问题，提供c a n 总线产品及丌发工具，推广c a n 总线的应用。 五、世界工厂仪表现场总线w o r l d f i p ( w o d d f i e l di n s t r u m e n tp r o t o c 0 1 ) w o r l d f i p 协会成立于1 9 8 7 年3 月，是以法国的几个跨国公司 ( c e g e l e c 、g e c a l s t h o m 、旌耐德电气公司等) 为基础的跨国、跨行业的 技术协会，其宗旨是研究、推广f i p ( t 厂仪表协议) 现场总线系列产品和技术。 到目前为止，w o r l d f i p 产品广泛用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、 地铁等过程自动化领域。w o r l d f i p 是一个开放的系统，不同领域都可以使用， 不同厂家生产的装置可以实现互连，当然这必须以w o r l d f i p 总线标准作为 基础。w o r l d f i p 总线标准是一个完整的标准，1 9 9 6 年6 月w o r l d f i p 被采 纳为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 3 。 ? 、p n e7 i 、 p - n e t 总线技术是由丹麦的几家自动化系统公司、大学与“美国物理学会” ( a p s ) 在丹麦联合丌发的。在丹麦成立了“美国物理学会国际p n e t 用户组织”， 由这个组织负责此项技术的标准化和技术推广工作。经过“美国物理学会国际 p - n e t 用户组织”的全力工作，p n e t 总线标准也于1 9 9 6 年成为了欧洲标准 e n5 0 1 7 0 一l 。 七、欧洲现场总线标准e n5 0 1 7 0 鉴于来自自动化系统用户的强大压力，总线技术必须标准化，德国、法国、 月麦等国为了使本国的现场总线产品迅速占领更多的市场份额，分别对国际电 t 委员会( i e c ) 和欧洲电工标准化委员会( c e n - - e l e c ) 展开了强大的技术“公 关”一i ：作。在国际i e c 现场总线标准迟迟不能发布的情况下，欧洲电工标准化 委员会经过艰难的协调，终于在1 9 9 6 年6 月推出了欧洲标准e n5 0 l7 0 ( 1 3 ) 。 但是，e n 5 0 1 7 0 实际上是欧洲三大总线标准：德国的p r o f i i b u s 、法国的 w o r l d f i p ，和月麦的p n e t 的文件汇编。e n 5 0 1 7 0 无论从技木内容上还 是从文本格式上都完全保留了三项标准的原始体系，实际上没有解决现场总线 标准的国际化统一。这正是国际现场总线产品“多极化”发展的一个缩影 八、p h o e b u s p h o e b u s 是瑞士联邦工艺于1 9 8 7 年推出的串行现场总线。它采用丌放系 统互连( o s o 参考模型的第l 、2 和7 层结构，可把传感器、变送器和执行器连 接到p l c ( 可编程逻辑控制器1 上，主要用于机床制造业。 九、h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l et r a n s d u c e r ) h a r t 标准是美国r o s e m o u n t 公司于1 9 8 5 年推出的4 2 0 m a 模拟信号传 输 人津人学坝j 他i 二上 兼容的现场总线标准，用于工厂自动化测控系统。 十、l 2 l 2 是西门子公司推出的德国标淮d i n l 9 2 4 5 串行现场总线。它设计有几种 通信协议，可根据不同应用来选择。该总线可连接1 2 7 个结点，以主从方式工 作，在工业测控领域得到了应用。 十一、m o d b u s m o d b u s 是美国m o d i c o n 公司推出的能够在可编程控制器之1 日j 进行通信的 总线标准。利用m o d b u s 总线标准的通信协议，可编程控制器通过串行口、或 经调制解调器联网。该公司后来还推出了m o d b u s 的增强型m o d b u sp l u s ( m b + ) 网络。可连接3 2 个结点，利用中继器可扩至6 4 个结点。 卜二、c o n t r o l n e t c o n t r o l n e t 是a b 公司开发的现场总线标准，用于高速生产流水线的测控 和一般的工业信号处理。 十三、i n t e r b u s i n t e r b u s 是一种传感器级的现场总线，令牌网、经济性是它的大特点。 不象其它总线，其至今仍是在其最早的总线标准上发展并壮大。 十四、i n t e r b u ss 现场总线 i n t e r b u ss 网络可以简单的安装与配置。网上的节点类似简单的移位寄存 器， 位流经过节点则发生翻转。i n t e r b u ss 启动网络并自动配置，不需要节点地址。 使用一根电缆，符合i e e e 8 0 2 5 令牌环的规定。一个网络上最多可有6 4 个装置， 速度可达5 0 0 k b s ，最长距离为2 5 6 0 0 米，移动节点州距离为4 0 0 米。 十五、d e v i c e n e t 现场总线 d e v i c e n e t ( 设备网) 是种低价位的总线，它可连接自动化生产系统中广 泛的工业设备。在制造业领域，设备网主要在北美和只本应用。最初是由a b 公司设计，现在已经发展成为一种丌放式的现场总线的协议，其管理组织o d v a 由全球多家公司组成。提供设备网的产品，支持设备网规范的进一步丌发。 d e v i c e n e t 能够降低设备的安装费用和时间。 第四节p r o f i b u s 现场总线技术的研究及实现 p r o f i b u s 现场总线从1 9 9 7 年进入中国，人们对于它的标准性和丌放性给予 极大的关注。由于现场总线属于发展中的新技术，俨向着国际统一的方向发展， 而我国在这方面的丌发应用才刚刚起步不久，在国际各大公司争相丌发现场总 线产品的同时，国内目前基本还是片空白，在系统应用、产品丌发和技术培 训中急需相关资料与丌发经验。 本课题是天津市2 l 世纪青年科学基会“用于信息交换的现场总线通 信系统关键技术研究”项目。本课题对p r o f i b u s 的理论和应用进行了详尽的研 究，特别对p r o f i b u s d p 进行了深入研究，同时丌发了相应的从站接口模块( 智 能、简单) ，并且丌发了用于远距离传输的光纤接口模块。在此基础上进行了 单主站p r o f i b u s 总线电缆网与光纤网的传输实验，达到了预期的目标。 本项目的完成，对于跟踪研究、现场总线技术的推广应用和产品丌发提供 了良好的j r 端，为天津市提t l 新的经济增k 点和提岛业自控通信技术的水 平，有重要的促进作用，并有望投入到工业自动控制通信系统的生产实践中。 本课题围绕p r o f i b u s 现场总线关键技术进行了全面深入的研究，取得了重 要的成果。研究工作主要分以下儿个方喵： 1 p r o f l b u s 现场总线协议的研究：了解分析了p r o f i b u s 协议，熟悉了p r o f i b u s 分层结构和用户规范，掌握了数据传输的规程。 2 利用p r o f i b u s 协议专用芯片s p c 3 丌发了智能从站接 1 。实现了8 a d ( 8 通道模拟量输入模块) 、4 d a ( 4 通道模拟量输 i ：模块) 、8 d i ( 8 通道数字 量输入模块) 、8 d o ( 8 通道数字量输出模块) 等从站接口模块。并完成了实 现各种功能的软件设计。 3 利用l s p m 2 开发了非智能从站接口，此种模块对于执行简单读写的从站 是一种简单廉价的解决方案。 4 为了扩大网络的覆盖范围，延长传输距离，丌发了光接口模块，该模块可 实现4 8 5 信号与光信号之间的转换，利用它可以组成p r o f i b u s d p 总线光 纤网。 在上述模块丌发的基础上，实现了电缆与光缆网的p r o f i b u s 总线连网实验。 尺汁 、学f l l j ll 学 u 沦卫 第二章p r o f i b u s 现场总线 第一节p r o f i b u s 简介 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际化，丌放式，不依赖 于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化，流程工业自动化和 楼宇，交通电力等其许多领域自动化通信系统中，其应用范围见图2 1 。 图2 一lp r o f i b u s 现场总线应用范围 p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即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 ) 、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 ) 、p r o f i b u s f m sr 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 ) ，其三部分组成图如2 2 。 ( 1 ) p r o f i b u s d p ：是一种高速低成本通信连接，用于设备级控制系 统与分散式i o 的通信。使用p r o f i b u s d p 可取代办2 4 v d c 或4 2 0 m a 信 号传输。直接数据链路映像( d d l m ) 提供的用户接口，使得对数掘链路层的 存取变得简单方便，传输可使用r s - - 4 8 5 传输技术或光纤媒体。 ( 2 ) p o r f l b u s - - p a ：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联 在一根总线上，i u 应用于本征安全领域。根据i e c 6 1 1 5 8 2 困际标准， p r o f i b u s p a 可用双电缆总线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的 p r o f l b u s d p 协议和描述现场设备的p a 行规，使用电缆耦合器，p r o f i b u s p a 装 置能很方便的连接到p r o f i b u s d p 网络。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s ：用来解决车帕j 级通用性通信任务，用于车间级 监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络。与l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 构成应用层，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， p r o f i b u s f m s 可使用r s - - 4 8 5 和光纤传输技术。 e n s 0 1 7 02 卷与d i n l 9 2 4 5 第l 4 摹分 图2 2p r o f l b u s 三个兼容部分组成 设 应备 用行 行规 规 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车问级监控和现场设备层数据通信与控 制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场 通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方 案。 与其它现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最大优点在于具有稳定的国际标 准作保证，并经实际应用验证具有普遍性，它包括了加工制造、过程和楼宇自 动化等广泛应用领域，并可同时实现集中控制、分散控制和混合控制三种方式。 p r o f i b u s 丌放代和不依赖于厂商的通信的设想，已在1 0 多万成功应用中得 以实现。市场渊查确认，在德国和欧洲市场中p r o f i b u s 占丌放性工业现场总 线系统的市场超过4 0 。p r o f i b u s 有国际著名自动化技术装备的生产，商支 持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。 第二节p r o f i b u s 在工业通信中的应用 根据实际应用和成本等因素，e t h e m e t 、p r o f i b u s 和执行器传感器接口 ( a s i n t e r f a c e ) 相结合的工业通信系统为生产过程领域透明网络计算机提供了 理想的环境。见图2 3 ，p r o f i b u s 在自动化信息流动中起着中心环节作用。 在执行器1 专感器级，执行器，传感器的二进制信号通过执行器传感器级总 线传送。执行器传感器总线使用易于安装、低成本的共用传输介质，来传送数 据和向终端设备供电( 2 4 v ) 。数据的传送是纯周期性的。 天津人学f * ! i 学位论艾 图2 3p r o f i b u s 在工业通信中的应用 在现场级，分散外围设备( 例如f o 模块，测量变换器，驱动单元，阀门 和操作员终端) 通过一个有效、实时的总线系统与自动化系统通信。过程数据的 传送被周期地实行，但是报警、参量和诊断数掘得以二1 二周期地力式传送。 p r o f i b u s 为此提供了一个透明的解决方法，既适用于过程自动化又适用于加 工( 制造业) 自动化。 在车问级，可编程序控制器之间的信息流动需借助于大的数据包和大量强 有力的通信功能。通过使用t c p i p 协议与e t h e r n e t ，可将这种信息流动平滑地 整合到企业通信网络( 内联网和互联网) 当中。 基于p r o f i b u s 的工业通信系统中，自动化系统和现场设备能够加入到企 业通信网络。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。p r o f i b u s 是 支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 基于p r o f i b u s 的自动化监控及信息集成系统的主要优点是： ( 1 ) 增强了现场设备通信能力和现场级信息获取能力。 ( 2 1 系统具有很好的丌放性，设备的可互操作性、互换性、町集成性强。 ( 3 ) 系统可靠性高、可维护性好 ( 4 ) 降低了系统及工程成本。 第三节p r o f i b u s 现场总线基本特性 p r o f i b u s 可使分散式数字控制器从现场底层到车间级网络化，浚系统分 为主站和从站。主站( 也称为主动站) 决定总线的数据通信，当主站得到总线的 控制权( 令牌) 时，没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备，典型 的从站包括：输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器。它们没有总线控制 权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息，也称为被 天津人学坝i 。学位沧义 动站。 一、p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 是以公认的国际标准为基础，协议结构是以丌放系统互连o s i 作为参考模型的，其协议结构如图2 4 ： 图2 4p r o f i b u s 协议结构 在这个模型中，每个传输层精确地处理所定义的任务。第一层( 物理层) 定 义了物理传输特性，第二层( 数据链路层) 定义了总线存取协议，第七层( 应用层) 定义了应用功能。 p r o f i b u s 国p 使用第一层，第二层和用户接口，第三层到第七层未加以 描述，这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效性。 p r o f i b u s 坪m s 第一、二和七层均加以定义，应用层包括现场总线信息 觇范( f m s ) 和底层接口( l l i ) 。 p r o f i b u s p a 数据传输采用了扩展的“p r o f i b u s d p ”协议，另外p a 还使用了描述现场设备的行规，根据1 e c l l 5 8 2 标准，这种传输技术可确保其 本质安全性并使现场设备通过总线供电。使用分段式耦合器p r o f i b u s p a 设备能很方便地集成到p r o f i b u s d p 网络上。 二、p r o f i b u s 现场总线传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术。由于单一的传 输技术不能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供以下三种类型： d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输 p a 的i e c l l 5 8 2 传输 光纤( f o ) 用于d p ，f m s 的r s 4 8 5 传输技术 由于p r o f i b u s _ d p 和p r o f i b u s - f m s 使用了同样的传输技术和统一 人一l 人? 一i ；! _ 沦正 的总线访问协 义，凼m j 这两套系统叫d - h 根l l l 缆上 , d w q 操作。 r s 4 8 5 是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术，通常称之为h 2 ，采用屏蔽 双绞铜线电缆，使用一根导线对，适用于需要高速传输和设施简单便宜的各个 领域。r s 4 8 5 传输技术的基本特性如表2l 所示。 网络拓扑线性总线，两端有有源的总线终端l u 阻 传输速度 9 6 k b p s 1 2 m b p s 介质 j 听! 敝舣绞线，也可取消厨敲，取决卜珂、境条付( e m c ) 站点数每段3 2 个站( 不带中继器) 。带中继器最多可剑1 2 7 个站 插头连接器最好为9 针d 型插头连接器 表2 1r s 4 8 5 传输技术的基本特性 r s 4 8 5 操作简单，总线结构允许增加或减少站点，分步投入不会影响到其 操作。传输速度可选用9 6 k b p s 1 2 m b p s ，一旦设备投入运行，全部设备均选 用 同一速度。电缆的最大长度取决于传输速度，如表2 2 所示。 波特率( k b p s ) 9 61 9 29 3 7 51 8 755 0 01 5 0 01 2 0 0 l 距离段( m ) 1 2 0 01 2 0 01 2 0 01 0 0 04 0 02 0 01 0 0 表2 2r s 4 8 5 传输速度与a 型f 乜缆的距离 r s 4 8 5 传输系统每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发 生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源，见图2 5 所示。 图2 5d p f m s 的电缆接线和总线终端电阻 用于p a 的i e c l l 5 8 - - 2 传输技术 i e c l l 5 8 2 传输技术用于p r o f i b u s p a ，能满足化工和石化工业的要求 它可保持其本质安全性并使现场设备通过总线供电。 其技术是种位同步阶议，可进i j ：无电流的连续传输，通常称为h 1 。 其传输技术特性如表2 3 所示： 数据传输数字式，位同步，曼彻斯特编码 传输速度3 1 2 5 k b p s ，电压式 数据可靠性预兆性，避免误著，采_ l 起始平终i r 限定符 电缆 敬绞线( 屏蔽或竹屏敞) 远释电源可选附1 ，i ：，通过数据线 防爆刑 可进 j 本质和北本质安全操作 拓扑 线型或树型，或两者相结合玳 站数每段最多3 2 个，总数最多1 2 6 个 中继器可扩展至4 台 表2 3i e c l l 5 8 - 2 传输技术特性 光纤传输技术 p r o f i b u s 系统在电磁干扰很大的情况下应用时，可使用光纤导体以增长 高速传输的距离。便宜的塑料纤维导体供距离在5 0 m 以内时使用，玻璃