面向Profibus的设计与开发.docx

面向Profibus-DP的设计与开发基于西门子SPC3的PROFIBUSDP从站开发和应用2基于赫优讯嵌入式模块的PROFIBUS-DP主站系统的设计8基于Profibus-DP的PLC与PC现场总线控制系统17基于16位DSP的PROFIBUS-DP从站设计23基于Profibus-DP的控制系统通信互连27基于FPGA的PROFIBUS-DP从站通信控制器29嵌入式PROFIBUS-DP从站通信接口的设计38基于西门子SPC3的PROFIBUSDP从站开发和应用1系统概述现场总线技术是20世纪80年代兴起的集控制技术、仪表技术和计算机网络技术为一体的先进的工业控制技术，其组成的系统具有可靠性高、维护性好、总线协议开放等特点。在现有的各种现场总线标准中PROFIBUS现场总线是一种比较流行的一种现场总线标准。随着现代工业的不断发展，对生产过程的控制提出更高的要求，其中应用于现场级高速数据传输，实现现场级设备数字化，且具有较高的实时性的PROFIBUS-DP是市场占有率绝对领先的总线技术。PROFIBUS-DP智能从站的开发就是针对现场的测量控制设备微机化，并使多个从站之间以及与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，从而形成基于计算机的控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的底层通讯系统。由于PROFIBUS现场总线具有很强的互可操作性和替换性，只要是支持PROFIBUS协议的现场总线设备，均可方便地挂接在PROFIBUS的总线上。西门子提供了一种DP从站开发的协议专用芯片(ASIC)SPC3。本文就是介绍这种基于西门子SPC3的PROFIBUSDP从站的实现方法。2系统构成 PROFIBUSDP配置成单主站系统，使用单一的总线存取协议，CP342-5作为PROFIBUS 总线上DP主站，铂电阻温度采集智能从站装置作为 PROFIBUS 总线上的DP从站，它们之间通信基于主-从原理，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，只有当主站请求时总线上的DP从站才可能活动。从站装置通过多路温度采集电路实现外部温度的测量，选用Pt100，测温范围为0850。如图1系统框图所示。 如图1系统框图该从站在上电后，它的的启动顺序为：设置从站地址诊断请求参数化组态诊断请求数据交换，它的工作机制可以用一状态机表示，如图2所示。状态机描述站在不同的工作状态以及各种状态之间的转换关系。在上电状态时，从中可以接收来自二类主站的设置从站地址报文，之后期望一个组态化报文或等待参数化报文，排斥其他报文，此时通信不能进行。当参数化与配置经诊断后正确，从站进入数据交换状态，接收主站请求后，以高优先级的诊断报文作为应答。图2 从站状态机模型3硬件设计目前开发DP从站最常用的ASIC是Siemens公司生产的SPC3，SPC3可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，这样可加速通信协议的执行，但SPC3不能单独使用，需要微控制器对之控制。设计上采用了SIEMENS公司提供的软件包DPS2，利用它可以方便的对SPC3初始化。包括设置SPC3允许的中断、写入从站识别号和地址、设置SPC3方式寄存器、设置诊断缓冲区、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区、初始长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针，根据传输的数据长度，确定输入缓冲区，输出缓冲区及指针。AT89C52不参与PROFIBUSDP从站状态机的运行，它的主要任务就是根据SPC3产生的中断，对SP3接收到的主站发出输出数据转存，按照主站的要求将处理后的温度数据通过SPC3发送到主站。从站设计在功能上分为符合PROFIBUS-DP协议的通讯主从站通讯设计和热电阻温度采集电路的设计，相应的在从站硬件结构上分为硬件设计主要包括处理器系统接口电路和铂电阻温度采集电路。主从通讯电路主要由协议芯片SPC3、89C52微处理器、32K扩展RAM、译码器电路、用于复位的硬件看门狗MAX705电路实现；热电阻温度采集电路主要由89C52微处理器、A/D转换器7109和多路模拟开关CD4051实现。89C52单片机作为中央处理器，负责将现场采集的数据进行处理、分析和分类，然后通过SP3传到PROFIBUS-DP总线上去，同时监测SP3，接收DP主站传过来的指令和数据，并进行相应的操作。如图3。图3 从站设计原理框图31处理器系统接口电路图4 89C52与SPC3接口电路。它通过16位地址线和8位数据线进行数据交换，外部扩展了程序存储器（EPROM）和数据存储器（RAM）专用芯片，SPC3可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，89C52完成对协议芯片的初始化、数据的发送和接收。 图4 89C52与SPC3接口电路32 铂电阻温度采集电路如图5。本铂电阻温度采集电路，它无需恒流源、放大电路和零点迁移电路，不易引入温漂，受电流源波动影响较小。在多路测量中，多个铂热传感器共用一个A/D转换器7109，由多路模拟开关切换完成多路测量。A/D转换器ICL7109，是一种高精度、低噪声、低温漂双积分A/D转换器，12位精度。由于ICL7109输出二进制信号码，且低8位和高8位分时输出，因此容易和各种8位微处理器直接接口。ICL7109有2个差分输入端和2个差分参考电压输入端，将STATUS线与89C52的相联，这样完成一次转换就向处理器发一次中断申请。在中断服务中12位数据分两次读取，分别用和控制。并同时得到极性和溢出标志。图5 多路测温系统框图系统采用多路四线制的接线，采用的比例法测温方案，K1、K2、K3是多路模拟开关（CD4051），K1用来切换电流，K2、K3用来切换输入的差分电压。由于7109具有高输入阻抗，B、C两段长引线造成的压降可以忽略不计，流过铂电阻Rx和参考电阻Rr的电流可认为相等，虽然模拟开关的导通电阻和相应的长引线的引入会改变流过Rx和Rr的电流，但差分输入电压保持不变，由比率法公式得到的电阻比值关系也不变，其中N是A/D采样值的十进制数。4软件设计从站的软件设计包括上下位机两部分。下位机软件包括通信主程序和用户程序编写，固化在89C52中，实现与DP主站的通信和铂电阻温度信号采集。上位机软件主要是在STEP-7的PLC编程，实现铂电阻温度检测装置的通信和温度数据的转换存储；组态软件WINCC人机界面设计，实现对温度进行实时监测和历史数据查询，历史报表等。下面就DPS2中的userspc3.c模块用户程序编写做简单介绍：表1源程序组成源程序模块模块功能userspc3.c主函数启动、输入/输出、诊断intspc3.c中断程序块参数设置及组态dps2spc3.c帮助功能块计算缓冲组态dps2user.h宏与定义便于用户对ASIC寄存器操作 主要程序如下：1）复位SPC3：PRO_RUN=0; /*程序状态*/ address=*(&OWN_ADDRESS);SPC3_RESET = SPC3_RESET_SET; /*强制复位引脚 */for(i = 0; i100 ; i+);SPC3_RESET = !SPC3_RESET_SET;HW_WATCHDOG_TRIGGER = 1; /*触发硬件看门狗*/HW_WATCHDOG_TRIGGER = 0;2）外部数据处理程序float xdata f8 _at_ 0xD000; sbit p10=P10;sbit p11=P11;sbit p12=P12;for(i=1;i0.005|(rtt-rt)0.005);return(t);4）发送温度采样值至主站通过指针函数将从站数据传送至主站*(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 0) = XBYTE0xD000; *(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 1) = XBYTE0xD001; *(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 2) = XBYTE0xD002; *(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 3) = XBYTE0xD003;*(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 4) = XBYTE0xD004; *(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 5) = XBYTE0xD005; *(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 6) = XBYTE0xD006; *(UBYTE SPC3_PTR_ATTR*) user_input_buffer_ptr) + 7) = XBYTE0xD007;用户的主要工作在于用户主程序的设计，包括外部信号处理程序，从站数据的发送，接收来自主站的数据以及诊断事务的处理部分的程序。主程序框图如图6所示。只要熟悉SPC3工作状态机制，DP接口程序并不难编写。图6 主程序框图5心得体会 本文将工业铂热电阻测温较常用的比率方法与PROFIBUSDP技术相结合，开发出一种温度采集智能从站，由于该系统的PROFIBUSDP接口设计的通用性，可以根据具体情况设计不同的信号采集部分，开发出适用于不同要求的智能从站，这必将大大减短开发周期，从而具有很大的扩展空间。根据本方案开发的从站完全符合PROFIBUS标准，在实际应用中将从站通过PROFIBUSDP总线与一类主站PLC相连，在二类主站（PC）上使用Step7软件采集温度信号，并通过WINCC组态软件画面显示出来。实际运行中稳定可靠，该从站和其他现场总线设备共同挂接在PROFIBUSDP上，从而实现了整个控制过程的分散化、省配线化及标准化的要求。基于赫优讯嵌入式模块的PROFIBUS-DP主站系统的设计摘要：本文分析了PROFIBUS-DP现场总线的基本特性和通讯协议，介绍了一种基于赫优讯嵌入式模块COM-C的PROFIBUS-DP主站系统的设计方案，并在DCS系统中成功应用。目前，该系统已投入现场运行，稳定可靠，取得很好的实效。关键字：PROFIBUS-DP主站；现场总线；DCS系统0 引言 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。作为欧洲首屈一指的开放式现场总线PROFIBUS(Process Fieldbus)已经被全世界所接受，成为国际化的开放式现场总线标准，并在中国发展迅速，广泛应用于加工制造、过程等自动化领域中。 目前，越来越多的国内自动化设备制造商都已开发出了带有PROFIBUS从站接口的设备，并在市场上获得广泛的认可。然而，自主开发的带有PROFIBUS主站通讯接口的设备却很少。本文介绍了一种基于嵌入式模块COM-C的PROFIBUS-DP主站系统的设计方案，基于该方案设计的产品已经在浙江中控的WebField ECS-100 DCS系统中得到成功应用。1 PROFIBUS-DP通讯协议1.1 PROFIBUS的组成PROFIBUS是由西门子公司推出的一种开放式现场总线标准，是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准，并已纳入国际标准IEC 61158中。它是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。PROFIBUS由相互兼容的三个部分组成，即PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA。PROFIBUS-FMS：用于车间级通用的控制及通信任务，是一个令牌环结构、实时多主网络。PROFIBUS-DP：是一种高速且优化的通信方案，主要用于实现现场级控制与分布式I/O及其他现场级设备之间的通信。PROFIBUS-PA：专为过程自动化而设计，符合本征安全规范，适用于防爆区的应用。PROFIBUS这三层协议使其成为能够提供制造业自动化、工程自动化、楼宇自动化以及电力自动化完整解决方案的唯一的现场总线系统。1.2 PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP协议设计用于现场层的快速数据交换，中央可编程控制器（如，PLC、PC或过程控制系统）通过快速串行连接与分散的现场设备（如，I/O、驱动器、阀门或变送器）进行通信。依据各种应用领域的特殊需求，已经用特殊功能逐步地扩展了DP的基本功能，目前有三种版本：DP-V0，DP-V1和DP-V2，每一种版本都有自己专用的关键特性，如图1所示。版本的这种区别，主要反映了依据不断增长的应用需求而完成的规范工作的时间顺序。 DP-V0提供DP基本功能，包括循环的数据交换，以及站诊断、模块诊断和特定通道的诊断。 DP-V1包含依据过程自动化的需求而增加的功能，特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等的非循环的数据通信。此外，DP-V1有三种附加的报警类型：状况报警，刷新报警和制造商专用的报警。 DP-V2包含主要根据驱动技术的需求而增加的其它功能。由于增加的功能，如等时同步从站模式和从站与从站通信等，DP-V2也可以被实现为驱动总线，用于控制驱动轴的快速运动时序。2 PROFIBUS-DP主站系统设计 PROFIBUS是一种开放的标准，原则上，该协议可以在任何处理器上实现。目前，自动化厂商在开发PROFIBUS-DP主站设备时，主要有以下三种解决方案：1. 软PROFIBUS主站，该方案完全由软件来实现PROFIBUS协议，由微处理器来运行完整的协议堆栈。该方案开发难度和开发风险都特别大，开发周期也长，而且需要开发人员对PROFIBUS协议、框架特别熟悉。产品开发出来后，需要送欧洲进行协议一致性测试和认证。2. 专用ASIC芯片外加扩展固化程序Firmware，该方案是采用较多的一种，由专用的ASIC芯片实现PROFIBUS协议数据链路层的介质访问控制功能；而数据链路层的其他功能和应用层的功能则由微处理器运行其扩展固化程序实现。但是，目前国内市场很难购买到Firmware，如果由用户自己编写Firmware则难度增加，开发周期也长，同样需要送欧洲进行协议一致性测试和认证。3. 嵌入式模块主站，该方案是开发PROFIBUS-DP主站设备采用最多的一种，模块内部已经集成专用的ASIC芯片和固化程序Firmware。该方案开发难度和开发风险都大大减少，开发周期缩减，并且协议已经通过了一致性测试和认证。 本文采用的是第三种方案嵌入式模块主站，使用的是德国赫优讯（Hilscher）自动化系统有限公司的嵌入式模块COM-CN-DPM（PROFIBUS-DP Master），由该模块实现PROFIBUS-DP主站协议，主机系统通过嵌入式模块提供的双端口内存（Dual-Port Memory，DPM）接口与模块进行数据通信，用户不需要关心PROFIBUS协议的具体实现，只需往DPM接口读/写数据就可以，因此，该模块就像一个内存，使用起来非常方便。2.1 硬件设计 嵌入式模块COM-CN-DPM提供给用户的硬件接口有X1和X2两个排针连接头，X1连接头（50根管脚），即双端口内存接口，包含与主机通信必备的控制线、数据线和地址线。X2连接头（30根管脚），即现场总线接口，包含PROFIBUS信号线以及LED状态指示灯。 嵌入式模块COM-C与主机接口电路如图2所示。由于PROFIBUS协议都由模块内部实现，因此用户应用程序只需通过提供的API接口和访问方式，对双端口内存进行读/写操作。通过现场总线接口，将PROFIBUS信号线引出，只需在母板上连接一个9针D-Sub连接头，通过此接口将模块连接到PROFIBUS-DP网络中。该模块同时提供LED状态指示灯，可将LED信号线引出到母板上，方便用于诊断模块的通信状况。 由于该模块已经集成实现PROFIBUS协议的所有必备电路，因此在外围电路设计的时候非常简单方便，其电路连接与MCU和内存的连接相似。在该主站系统中，同时还设计了以太网接口，方便远程文件的下载。2.2 软件设计 嵌入式模块COM-C提供的主机接口是双端口内存DPM，用户应用程序通过DPM接口来访问该模块。同时，为了提高整个系统的实时性和可靠性，主机系统使用的是实时多任务操作系统Linux。因此，在进行软件设计时，主要完成驱动程序以及应用程序的编写。2.2.1 双端口内存DPM结构 嵌入式模块COM-C提供的双端口内存DPM接口是8KByte的地址空间，其具体结构如图3所示。 用户应用程序通过双端口内存DPM来访问PROFIBUS-DP主站嵌入式模块COM-C，该双端口内存分为两个部分，协议无关（循环数据地址空间）与协议相关（非循环数据地址空间）。循环数据包含PROFIBUS-DP主站与从站之间相互交换的过程映像输入输出数据，非循环数据包含与PROFIBUS-DP协议相关的参数、报文、命令、状态等数据。过程映像输出数据：主机用户程序发送给PROFIBUS-DP从站的输出数据。l过程映像输入数据：PROFIBUS-DP从站发送给主机用户程序的输出数据。l发送邮箱：主机用户程序发送给PROFIBUS-DP从站的非循环报文信息，命令、诊断、配置文件下载等。l接收邮箱：PROFIBUS-DP从站发送给主机用户程序的非循环报文信息，从站报警、状态、配置文件上传等。l协议参数：PROFIBUS-DP协议参数信息，波特率、看门狗时间、循环时间等。l协议状态：PROFIBUS-DP网络状态信息，网络状态、错误、超时等。l系统状态：嵌入式模块COM-C中运行的操作系统的状态信息和模块的基本信息。l状态/握手标志：设备初始化状态信息，过程映像输入输出数据和邮箱报文同步位，模块写，主机应用程序读。l命令/握手标志：用户应用程序状态信息，过程映像输入输出数据和邮箱报文同步位，主机应用程序写，模块读。l2.2.2 驱动程序的设计 赫优讯提供基于PCI接口、Compact-PCI接口和ISA接口的Linux设备驱动，在该系统中，主机CPU直接对嵌入式模块COM-C进行访问，因此可以借鉴提供的Linux设备驱动代码，进行移植。Linux设备驱动主要完成对嵌入式模块COM-C双端口内存的访问，提供一个通用的驱动程序接口，用户程序通过调用接口函数来访问PROFIBUS主站嵌入式模块COM-C。Linux设备驱动的框架如图4所示，这样做的好处就是，如果以后要使用赫优讯公司的其它类型的现场总线（如DeviceNet、CANopen）嵌入式模块COM-C, Linux设备驱动不需要改变，直接可用。2.2.3 应用程序的设计 应用程序主要实现的功能：配置文件的远程接收和下载，与远程监控系统网络数据的收发，网络监控等等。由网络配置工具SyCon生成的网络配置文件，可导出成DBM格式的文件，然后通过Mailbox（报文的形式）下载到嵌入式模块的Flash中。配置文件下载流程如图5所示。部分代码如下：* 下载配置文件 */memset(&txMsg.data, 0, sizeof(txMsg.data); 读出DBM文件中的相关信息 */fseek(pfFile, 40, SEEK_SET);fread(&ul, 1, 4, pfFile);.usFileLength=*(unsigned short*)&txMsg.data9;usFileLength=(unsigned short)usFileLength*2;memcpy(&txMsg.data17, &abTemp0, 34); 建立第一个报文 */txMsg.rx = 0x00;txMsg.tx = 0xff;txMsg.ln = 51;txMsg.nr = +bNo;txMsg.a = 0;txMsg.f = 0;txMsg.b = 6;txMsg.e = 4;txMsg.data0 = 3;if ( SendReceiveMessage(&txMsg, &rxMsg, 10000L) goto LeaveProgram;fseek(pfFile, 44, SEEK_SET);iRead=fread(&txMsg.data0, 1, DOWNLOAD_LEN, pfFile);usTransmittedLength = 0; 超过一个报文的最大长度，进入循环，连续发送报文*/txMsg.ln = (unsigned char)(iRead);txMsg.nr = +bNo;txMsg.e = 8;do usTransmittedLength+=(unsigned short)iRead; if ( SendReceiveMessage(&txMsg, &rxMsg, 1000L) goto LeaveProgram; iRead=fread(&txMsg.data0, 1, DOWNLOAD_LEN, pfFile); txMsg.ln = (unsigned char)iRead; txMsg.nr = +bNo; txMsg.e = 8; while (iRead = = DOWNLOAD_LEN); 发送最后一个报文 */txMsg.e = 0xc;usTransmittedLength += (unsigned short)iRead;if ( SendReceiveMessage(&txMsg, &rxMsg, 15000L) goto LeaveProgram;* 下载配置文件结束 */3 PROFIBUS-DP主站模块在DCS系统中的应用 WebField系列控制系统是浙江中控技术股份有限公司为适应网络技术的发展，特别是Internet、Web技术的发展而推出的基于网络技术的控制系统。该系统融合了最新的现场总线技术、嵌入式软件技术、先进控制技术与网络技术，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成。各种国内外DCS、PLC及现场智能设备都可以接入到WebField系列控制系统中，实现企业内过程控制设备信息的共享。WebField系列控制系统结构如图6所示。 由图可见，WebField系列控制系统包含管理信息网、操作网、过程控制网和I/O总线4层网络。管理信息网采用通用的以太网技术，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。操作网采用快速以太网技术，实现C/S模式下服务器与客户端的数据通讯及操作网节点的时间同步。过程控制网（SCnetII网）实现操作站节点与控制站的连接，完成信息、控制命令的传输与发送，采用双重化冗余设计，使得信息传输可靠、高速。I/O总线是控制站内部通信网络，包括SBUS、PROFIBUS、Modbus、DeviceNet等现场总线。 基于COM-C模块设计的PROFIBUS-DP主站系统是WebField系列DCS中过程控制网节点之一。它解决了系统与其他厂家测控系统和智能设备的互联问题，用于将标准PROFIBUS-DP从站设备连入系统，通过链接器和耦合器还可以接入PROFIBUS-PA设备。通过SCNet通讯协议，其他厂家测控系统和智能设备的过程参数可成功地与系统内控制站、操作站等进行信息双向通信，实现组态、管理、显示、操作及运算等功能，从而使异种设备成为WebField系列DCS的一部分。 PROFIBUS网络配置工具SyCon可安装于工程师站，通过SyCon组态软件提供的API函数，可实现PROFIBUS组态到DCS组态软件的完全信息共享，从而实现整个控制系统的一体化组态。 基于PROFIBUS-DP主站模块开发的主站卡已经成功应用于WebField系列DCS中，并且在过程控制网、PROFIBUS-DP网络都可以进行冗余配置，保证了PROFIBUS网络信息传输的可靠性。截至目前，该PROFIBUS-DP主站卡已经在现场有几百个成功的应用。4 结束语 本文在研究PROFIBUS-DP现场总线通讯协议的基础上，提出了高可靠性的PROFIBUS-DP主站设计方案，并且在DCS系统中成功应用，已投入现场运行，稳定可靠，取得很好的实效。目前，国内厂家多限于对国外产品的系统集成及PROFIBUS-DP从站产品的开发，对PROFIBUS-DP主站产品的研究开发甚少，因此本文对开发PROFIBUS-DP主站产品具有借鉴作用。参考文献：1 中国现场总线专业委员会（CPO）秘书处。现场总线PROFIBUS基础知识及用户安装、投运导则M.2 PROFIBUS International Business Office. PROFIBUS Specification EN 50170 Vol 2. 19983 Hilscher Gesellschaft fr Systemautomation mbH. Toolkit Manual EB/OL. /support_manuals.html4 Hilscher Gesellschaft fr Systemautomation mbH. Device Driver Manual EB/OL. /support_manuals.html5 Hilscher Gesellschaft fr Systemautomation mbH. PROFIBUS-DPProtocol Interface Manual EB/OL. /support_manuals.html基于Profibus-DP的PLC与PC现场总线控制系统摘 要：目前，石油化工行业中使用的微机发油控制系统大都采用自行开发的单片机系统控制油泵，并通过RS-485总线与PC机的串口（使用RS-232转485转换器）相连，依靠上位机管理软件监控下位机。但化工行业中的设备复杂，且RS-485总线方式抗干扰性弱，使得系统稳定性下降，调试复杂。本系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术，下位机为抗干扰性极强的PLC，上位机通过专用PROFIBUS通讯卡CP5611构建的整套系统，分布性、可靠性与可扩展性都得到了极大的提高。本文章通过结合现行开发的基于PROFIBUS-DP的石油化工发油控制系统，主要介绍了现场总线技术，以及如何实现PROFIBUS总线与PLC通讯的相关技术。 关键词：PROFIBUS-DP;PLC;现场总线;引言自动化控制、计算机、通信、网络等技术的发展，导致了自动化领域的深刻变革。信息技术的飞速发展，使得自动化系统结构逐步形成全分布式网络集成自控系统。现场总线（fieldbus）正是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统FCS（fieldbus control system），是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DCS后的基于现场总线的新一代控制系统。目前，比较具有影响力的现场总线有：基金会现场总线（FF，Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是当前最为流行的现场总线技术之一。PROFIBUS是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准,代号DIN19245。PROFIBUS于1996年成为欧洲标准EN50170，1999年底成为国际标准IEC61158的组成部分，已被全世界接受。PROFIBUS根据应用特点可分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或020mA并行信号线，用于分布式控制系统数据传输。PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，提高大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本征安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。1 PROFIBUS 基本特性1.1 协议结构PROFIBUS协议的结构定向根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参考模型。PROFIBUS协议结构采用OSI的第一层、第二层和第七层。物理层定义了物理特性，它上接数据链路层，下连媒介。发送时物理层编码并调制来自数据链路层的信息，用物理信号驱动媒介。接收时物理层用来对媒介的信号进行解调和解码。数据链路层定义总线存储协议，执行总线通信规则，处理出错检测、出错恢复、仲裁和调度。应用层定义了应用功能，完成信息指令的翻译，掌握数据的结构和意义。用户层是数据和应用软件。1.2 传输技术由于单一的传输技术不可能兼顾传输可靠性、传输距离和高速传输等要求，PROFIBUS提供三种类型：DP和FMS的RS485传输;PA的IEC1158-2传输;光纤（FO）传输。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之间可通过DP/PA耦合器（Coupler）或链接器（Link）相连接。1.3 存取协议PROFIBUS的DP，FMS，和PA均使用单一的总线存取协议，通过OSI参考模型的第二层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和从站之间的主从方式。任意时刻只能有一个主站拥有令牌，直到该主站的时间片用完或已无信息传递，才将令牌按一定的环路传给下一个主站。这样保证每个主站在一个有限时间内得到总线的控制权。同时主站与从站采用轮询（Polling）存取方式，这样系统配置可能实现下列三种：纯主-从系统;纯主-主系统;混合系统。2 SIMATIC S7-200系列PLC的基本通信方式SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论是独立运行还是相连成网络皆能实现复杂控制功能。此系列PLC的CPU型号有：CPU 221，CPU 222，CPU 224，CPU 226和CPU 226XM。本控制系统采用CPU224，它具有四种通讯方式：一：PPI方式PPI通讯协议是通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网，物理上采用RS485电平，波特率为9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通讯网络是一个令牌传递网。二：MPI方式S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，波特率为19.2kbit/s，187.5kbit/s。S7-200 CPU在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通讯。三：自由通讯方式S7-200可以由用户自己定义通讯协议，与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯。波特率最高为38.4kbit/s（可调整）。四：PROFIBUS-DP网络在S7-200系列的CPU中，都可以通过增加EM277扩展模块的方法支持PROFIBUS DP网络协议。最高传输速率可达12Mbit/s。3 现场信号与系统监控软件之间的连接桥梁OPC现场总线作为开发的控制网络能实现现场设备之间、现场设备与控制室之间的信号通信。当现场信号传至监控计算机之后，如何实现计算机内部各应用程序之间的信息沟通与传递，即如何让现场信息出现在计算机的各应用平台上，OPC完美地解决了此类信息传递问题。OPC（OLE for Process Control）是过程控制中的对象链接嵌入技术，建立在Windows的对象链接嵌入（OLE，Object Linking and Embedding）、部件对象模块（COM，Component Object Model）、分布部件对象模块（DCOM，Distributed Component Object Model）技术的基础上进行开发的。OPC是一个开放的接口标准、技术规范。它的作用就是为服务器/客户的链接提供统一、标准的接口规范。按照这种统一规范，各客户/服务器之间可组成如图1所示的链接方式，各客户/服务器间形成即插即用的简单规范链接关系。图1有了OPC作为通用接口，就可把现场信号与上位机监控、人机界面软件方便地链接起来，还可以把它们与PC机的某些通用开发平台链接起来，如VB,VC+,Excel等。这样给我们开发上位机监控软件带来很大的方便。4 系统实例简介在石油工业中，由于控制的复杂性、现场多种设备相互之间存在干扰以及系统可靠性要求高等特点，所以在实际应用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和现场总线技术如PROFIBUS。在智能发油控制系统中就是采用SIMATIC S7-200 CPU224控制发油泵，并通过PROFIBUS-DP现场总线由Pc-Based/index.html target=_blank工控机（或PC机）进行监控。4.1 智能发油控制系统组成本系统是由PROFIBUS-DP构成的单主站系统，具有简单设备一级的高速数据传输特性。系统组成如图2所示。图2（1） 整个控制系统连接在两路PROFIBUS-DP总线上，每路总线包含一个总站和20个DP从站，两个总站和开票机构成局域网，主站和从站之间为主从关系。（2） 两个Pc-Based/index.html target=_blank工控机主站和发票机通过TCP/IP协议，组成局域网。（3） 系统以SIMATICPc-Based/index.html target=_blank工控机作为DP类型2主站，通过现场总线接口卡CP5611使Pc-Based/index.html target=_blank工控机与PROFIBUS-DP总线相连，能完成组态、运行、操作等功能。主站上的应用程序与CP5611的信息传递采用OPC通用接口服务软件实现。（4） 每个从站完成对两路发油系统的监控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模块，通过EM 277扩展模块以DP从站形式接入PROFIBUS-DP网络，按主/从模式向上位机发送数据。4.2 智能发油控制系统的软件设计软件部分包括Windows 2000操作系统、SIMATIC OPC接口服务软件、主站监控软件和从站编程软件。4.2.1 从站发油控制系统PLC通信接口软件设计从站发油控制系统的PLC采用了SIMATIC S7-200的配套编程工具Step7，完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理等功能。通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成，其中OB是系统操作程序与应用程序的接口界面，用于控制程序运行;FB、FC是用户子程序;DB是用户定义的数据存储区，在本系统中它是上位机监控软件与Step7程序的数据接口点，配置与其相对应的DB块就可实现上位机监控软件OPC与Step7程序的数据接口。其通信接口程序如下。CALL “DP-SEND”CPLADDR：=W#16#170SEND ：=P#DB1.DBX0.0 BYTE240DONE ：=M0.0ERROR ：=M0.1STSTUS ：=MW1CALL DP-RECVCPLADDR：=W#16#170RECV ：=P#DB2.DBX0.0 BYTE240NDR ：=M128.0ERROR ：=M128.1STATUS ：=MW46DPSTATUS：=MB120L DB2.DBW 0L 0 = IJC m001CALL FC 63M001: NOP 0CALL FC 644.2.2 主站通信接口软件设计Pc-Based/index.html target=_blank工控机作为主站，是通过通讯卡CP5611与从站进行数据交换的。选择操作系统控制面板的Set PG/PA Interface 选项，对其硬件进行设置，可自动完成总线各部分配置。但对于自行开发的、带有Profibus-DP接口的从站，需要自己编写一个.GSD文件加入到配置库中。本系统将EM 277的GSD文件加入至OPC服务接口配置库中，完成对总线配置后，即生成一个ldb文件供系统运行使用。4.2.3 Pc-Based/index.html target=_blank工控机人机界面设计Pc-Based/index.html target=_blank工控机的人机界面设计，即发油控制管理系统，以Windows 2000操作系统作为平台，通过标准通讯接口OPC，采用Microsoft VC+程序设计语言编制程序，完成系统的控制要求，实现对油库的储运收发过程进行监控和管理。开票机开出发票后，通过局域网将信号传给发油机，发油机则使用PROFIBUS-DP网通知下位机PLC，由PLC控制油泵，并检测油量计和温度，自动完成发油过程。图3为发油机主程序流程图。图4为PLC S7-200主程序流程图。图3图45 结束语工程实践证明,本控制系统采用PROFIBUS-DP网络技术实现分布式控制,网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，给安装、调试和设备维护带来方便，提高了生产效率和管理水平。这种网络体系具有较高的性能价格比，并能根据用户要求扩展至较大的系统。基于16位DSP的PROFIBUS-DP从站设计核心器件的选择 SPC3协议芯片 SPC3 是专用于从站开发的智能通讯芯片，它支持PROFIBUS-DP协议。图1为SPC3结构图，其主要性能如下：44脚、PQFP封装；在PROFIBUS 上自动检测波特率，自9. 6kbps至12Mbps；RS-485传输；完整的PROFIBUS-DP协议；内部集成监视定时器；5V DC电源。图1SPC3结构图SPC3内部集成了1. 5KB的双口RAM，其地址空间从00H到5FFH。内部以8字节为一单元，分为192个段。根据功能可分为3个区域：00H 到015H为方式设定和状态指示寄存器区。016H到03FH为参数配置区，各种BUF的指针与长度在此区域设置。040H到5FFH为用户区，用来接收来自IO应用和主站的数据。这些BUF的配置，包括BUF的长度和初始地址必须在SPC3的“离线”状态下完成；在操作过程中除输入输出BUF的长度可变外，其他的配置不能更改。此外，SPC3内部还集成了一个看门狗定时器，可工作于3种不同的状态：波特率监测、波特率控制和DP控制。 TMS320F206 TMS320F206是16位定点DSP，运算速率为40MIPS。它采用静态CMOS集成电路工艺制造，其结构以C5x为基础，采用改进的哈佛结构，有一条程序总线和3条数据总线，流水线操作，有并行32bit算术逻辑单元、1616bit并行的硬件乘法器、片内存贮器、片内