[硕士论文精品]基于profibus总线的单主站plc控制系统实时性能研究

摘要本论文涉及的科研课题来源于实际工程项目的需求，分析研究了作为底层工业控制网络的实时性能，为用户进行系统构建提供了理论依据。本文以自动化工程中常用的PLC和PROFIBUS组成的单主站控制系统为研究背景，详细分析了PLC的循环扫描机制和PROFIBUS总线的数据链路层数据传输服务和MAC子层协议等关键技术。在此基础上给出了系统正常运行时，主从站间数据交换的测控周期，并进一步分析得出主站分别与简单从站和智能从站通信的响应时间。接下来，分析研究了PROFIBUSDPPA混合网络的时延特性，并提出了插入额外空闲时间的方法来提高DP段主站和PA段从站间信息的响应速度。最后针对某工程应用系统，考虑了PLC的IO响应滞后和混合网络的时延特性，分析了该系统的实时性能。工程案例的应用证明，实时性能分析研究有很大的工程应用价值。关键词PLCPROFIBUS现场总线响应时间测控周期ABSTRACTTHERESEARCHTOPIC，INVOLVEDINTHISPAPER,COMESFROMTHENEEDOFACTUALPROJECTTHISPAPERDEALSWITHREALTIMEPERFORMANCEOFTHEBOTTOMINDUSTRIALCONGOLNE埘ORK，WHICHPROVIDESBASISFORUSERSCONSTRUCTINGTHEWHOLECONTROLSYST锄ATYPICALMONOMASTERCONTROLSYSTEM，COMPOSEDOFPLCANDPROFIBUS，ISCONSIDEREDASTHERESEARCHBACKGROUND，WHICHISUSEDCOMMONLYINAUTOMATLONENGINE甜NGBASEDONDEEPANALYSESONSEVERALKEYTECHNOLOGIES，SUCHASTHECYCLLCSCANNINGMECH弧ISMOFPLC、DATATRANSMISSIONSERVICESANDMACPROTOCOLOFPROFIBUSMESSAGETRANSACTIONCYCLETIMEFORMULAEAREGIVENFORDATAEXCHANGESBET、EEILMASTERANDSLAVEINNORMALRUNSTATEFURTHERMORE，THERESPONSETIMEBETWEELLMASTEFANDSIMPLEORINTELLIGENTSLAVE，ISANALYZEDRESPECTIVELYT11E11THETIMEDELAYCHARACTERISTICSOFTHEHYBRIDNETWORKOFPROFIBUSDPPAARCSERIOUSLYANALYZED，ANDAMETHODOFINSERTINGEXTRAIDLETIMEISPUTFON枷，WNLCNIMPROVESTHER唧ONSESPEEDBETWEENTHEMASTERINDPSEGMENTANDTHESLAVEINPASEGMENTFINALLY，FORATYPICALENGINEERINGSYSTEM，GIVENI0RESPONSELAGOFPLCANDTHETI仃LEDELAYCHARACTERISTICSOFTHEHYBRIDNETWORK，REALTIMEPERFORMANCEOFTHEC0N仃OLSVSTEMISAILALYZEDTHEAPPLICATIONINTHEPROJECTSHOWSTHATTHEANALYTICALMETHOD1S01GREATVALUEINPRACTICEKEYWORDPLCPROFIBUSRESPONSETIMEMESSAGETRANSACTIONCYCLETIME西安电子科技大学学位论文独创性或创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名型盘筮日期上弘西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。保密的论文在解密后遵守此规定本人签字导师签字醐穹纽一第一章绪论第一章绪论11课题背景及其研究意义信息技术的飞速发展，导致自动化领域的深刻变革，分布式网络集成化的自动控制系统正在形成。而现场总线FIELDBUSJE是这场变革中的关键技术。现场总线技术集成了自动控制、数字通信、网络、计算机、智能传感器等多项技术的最新成果，是一门新兴的交叉学科。它的出现使传统的自动控制系统产生了革命性变革。它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，使不同制造商的产品、不同类型的设备、不同网络之间的相互连接成为可能，于是现场总线控制系统FCSFIELDBUSCONTROLSYSTEM也就应运而生了。现场总线控制系统FCS是继集散控制系统DCSDISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM和PLC控制系统之后的新一代控制系统。可以说FCS兼备了DCS和PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。由于它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到了全世界的普遍关注。因此，现场总线也就成为国际范围的自控技术热点，但由于技术发展的原因，又有各种类型的设备或系统供应厂商的竞争，其发展呈现出了强劲的派势，其中有较强实力和影响的有基金会现场总线FF、局部操作网络LONWORKS、过程现场总线PROFIBUS、控制器局域网络CAN和HART协议。它们各具特色，在不同的应用领域形成自己的优势。而PROFIBUS作为比较流行的一种现场总线技术，是属于单元级、现场级的SIMATIC网络，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，广泛应用于制造业、流程工业、冶金、电力、石油、化工、楼宇和铁路等自动化领域【11。但是目前我国对于PROFIBUS的研究主要以系统集成和工程应用为主，对其通信机制、实时性能等理论一直缺乏系统的研究。但是在工业过程控制系统中，实时性能直接决定着系统的功能和性能，不考虑实时性的系统是没有任何意义的，甚至可能带给系统严重的灾难性后果。所以，研究PROFIBUS构成的控制系统的实时性能是相当必要和迫切的。2基丁PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究121现场总线的概念12现场总线简介国际电工委员会在IEC61158中给出了现场总线的定义安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的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。在该定义中，首先说出了它的主要使用场合，即制造业自动化、过程控制、批量流程控制等，当然楼宇自动化也是它得心应手的应用场合；其次说出了系统中的主要角色，即现场装置和控制室内的自动控制装置，这里所谓的现场设备或装置肯定是智能化的，要不然也完成不了那么复杂的通信和控制任务，而且控制室内的自动控制装置，更要完成对所有分散站点的管理和控制任务；最后一点指明它是一种数据总线技术，即一种通信协议，而且该通信是数字式的非模拟的、串行的可进行长距离通信，适应工业现场的实际需求、多点的真正的分散控制。这三点一起描述了现场总线技术中最实质的内容【L】。作为工业通信网络中最底层的现场总线是一种能在现场环境下运行的、可靠的、廉价的、灵活的通信系统，在体系结构上克服了并行连接的许多不足，成功地实现了串行连接，往下可以到达现场仪器仪表所处的装置、设备级，往上可以有效地集成到INTERNET或ETHERNET中，它构成了工业企业网络中最基础的控制和通信环节。在技术上成功地解决了开放竞争和设备兼容两大难题，特点如下1系统的开放性开放系统是指通信协议公开，不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。2交互性即互操作性与互换性，包含几层含义一是指上层网络与现场设备之间具有互相沟通的能力；二是指设备之间能相互沟通，即互操作性，可实行点对点，一点对多点的数字通信；三是指不同生产厂家性能类似的设备可相互替换，即具有互换性。3现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、信号变换、补偿计算、工程量处理与部分控制等功能分散到现场设备中完成。因此，现场设备具备了高度的智能化。此外，现场设备还能随时诊断自身的运行状态，预测潜在的故障，实现高度的自治性。4适应性工业现场总线是专为在工业现场使用而设计的，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第一章绪论3电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。122现场总线的实时性特点现场总线控制系统对实时性的要求体现在两方面一是指主站控制设备的实时性。通常情况，每个主站要承担的任务不止一项，但对每项任务的实时性都有一定的要求，且由于各任务的截止期可能不同，要求会各不相同，需要主站根据一定的调度策略来做出决策二是指现场总线的实时性。当连接在总线上的各站点发出通信请求时，它对响应时间有一定的要求，不同的站点要求可能不同，而且同一站点中的通信任务也有可能不同。为了满足这一要求，现场总线对传统网络进行了一系列的改进，主要体现在以下几个方面。1减少网络层次现场总线的互联结构是根据国际标准化组织的OSI参考模型制订的，与OSI七层参考模型略有不同的是，现场总线通常只使用其中的1、2和7层协议，现场总线的体系结构省略了网络层、传送层、会话层及表达层，这主要是针对工业过程的特点，使数据在网络流动中尽量减少中间环节，加快数据的传递速度，提高网络通信及数据处理的实时性。由于网络协议栈的层次减少，加快了数据块的处理速度，减小了响应时间；另外，层次的减少也使得管理维护所用的附加信息减少，提高了数据传输的效率，降低了带宽的占用，从而间接地提高了实时性能。2简化网络拓扑结构现场总线虽可分成线型，树型与环型3种拓扑结构，但是大部分现场总线是线状结构，这是因为线状结构具有如下优点可以舍去通信协议中与路径有关的几层，有利于改善实时性；数据传输时延容易确定；便于隔离错误，提高可靠性。3减小数据包长度现场总线标准为了强调信息包能在小的、预定的时间窗口下传输，而且能确保它的持续性和完整性，所以限制了数据包的长度。这使得它具有传输时间短，抗干扰能力强，检错效果好等优点。如CAN总线采用有效字节数为8的短帧结构。4改进介质访问控制方式为解决在同一时间内几个设备同时争用传输介质的问题，需要有某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序。通信中对介质的访问可以是随机的，也可以是受控的。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMACD方式。在控制访问方式中，常用的是令牌总线、令牌环。介质访问控制方式通过OSI参考模型的第2层数据链路层实现。CAN和LONWORKS采用的介质访问控制方式属于CSMACD方式，只不过在CSMACD方式的基础上有所改进。LONWORKS采用的带预测的P坚持CSMACD介质访问协议，它的优点是根据网络繁忙程度等待4基于PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究若干个时间片来访问介质，较轻负荷时插入的时间片较少，而重负荷时相反，从而有效地避免了网络的频繁碰撞。CAN总线也采用CSMA总线争用技术，但将网络上的节点分成不同的优先级，采用支配位0和避让位1以及总线回读的方法实现非破坏性总线仲裁。即当两个节点同时向网络传递信息时，优先级低的节点主动停止发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输，这可以有效地避免总线碰撞。FF采用了控制访问方式中的令牌总线工作方式，即链路活动调动器LAS控制的令牌传递方式。PROFIBUS总线存取协议采用的是混合介质存取方式，即主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间按主从方式工作。它的优点是保证在任意时刻只能有一个站发送数据，而且任意一个主站在一个特定的时间片内都可得到总线操作权，完全避免了冲突。这是本文以下章节将详细分析的。HART采用两种通信模式第一种是“问答式“，即丰设备向从设备发出命令，从设备予以回答，每秒可以交换两次数据；另一种是“成组模式“，它允许单一的从设备连续的广播一个标准的HART响应信息，直到主站指示其它命令。5使用实时调度算法总线的传输速度要求越快越好。速度越快，系统响应时间就越短，但是加快传输速度不能仅靠提高传输速率来解决。总线系统传输必须有确定的时间，即控制器从发出控制值到接收现场总线设备实际值的时间问隔必须是一个定值，这样才能保证完成控制和调节的任务。现场总线为简化系统管理，常采用主从方式轮询访问，使响应控制在指定时间，以降低总线成本。用网络管理和数据链路调度技术，用分时式和抢先式，两者结合进行管理和调度。6提高传输可靠性现场总线除了采用CRC纠错编码来保证可靠数据传输外，还采取了一系列措施来提高网络传输的可靠性。例如，CAN总线具有突出的差错检验机理，如5种错误检测、出错标定和故障界定；CAN传输信号为短帧结构，因而传输时间短，受干扰概率低。这些保证了出错率极低，剩余错误概率为报文出错率的47“1011。7使用专用通信芯片根据各现场总线自身的特点，使用专用协议处理器，将协议处理过程固化在硬件中，有如下优点提高数据流处理速度，加快了实时响应过程；便于实现编码解码，纠错功能，最大限度的捕获各种出错及异常信息。8控制彻底分散由高度智能的现场设备来分散地完成DCS控制器的功能，可省去其中控制器的层次，降低了设备费用，同样使控制风险彻底分散，提高了系统的可靠性。由于数据在现场处理，加快了数据处理速度，同时也减小了网络上的数据流量，提高了系统实时响应的性能。第一章绪论123现场总线的发展现状自从现场总线诞生以来，世界各大厂商纷纷投入大量人力和资金，开发出上百种现场总线。虽然广大仪表和设备开发商以及用户对统一的现场总线呼声很高，但是由于技术和市场经济利益等方面的冲突，各种现场总线经过多年的争论也无法统一。随着现场总线技术的飞速发展，拥有先进技术的现场总线仍有旺盛的生命力，而且在特定的领域占有较大的市场份额。其中，PROFIBUS现场总线凭借其技术的成熟性、完整性和应用的可靠性等多方面的优秀表现，广泛应用于过程自动化、流程自动化等多个领域。13PROFIBUS总线技术综述131PROFIBUS的分类介绍PROFIBUSPROCESSFIELDBUS是一种国际性的、开放式的现场总线标准，它实际上指一组协议与应用规约的集合，其核心是指数据链路层上使用统一的通信协议基于TOKENPASSING的主从轮询协议，而在其下的物理层和其上的应用层则使用不同的应用规约。不同的规约和不同的物理层组合就组成了PROFIBUS中一系列应用规范定义子集，如PROFIBUSFMS、PROFIBUSDP、PROFIBUSPA、PROFIDRIVE及PROFINET等，其区别主要体现在应用对象、场合、使用规范上的不同。从应用上看，最早的规约是现场总线报文规范PROFIBUSFMSFIELDBUSMESSAGESPECIFICATION，主要定义了主站和主站的通信功能，用于车间级监控网络，是一个令牌结构。PROFIBUSDP即分布式外围设备DECENTRALIZEDPERIPHERY，是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I0的通信，完成诸如PLC等自动控制设备与传感器、执行器间快速可靠的循环通信任务。截至目前，DP的应用占整个PROFIBUS应用的80安装实例，代表了PROFIBUS的技术精华和特点。PROFIBUSPA即过程自动化PROCESSAUTOMATION，使用了扩展的PROFIBUSDP协议进行数据传输，具有本质安全特点，能通过通信电缆向现场设备供电。主要用于防爆安全要求高、通信速度低的过程控制场合。PROFIDRIVE主要用于运动控制方面，用于诸如各种变频器和精密动态伺服控制器数据传输通信。PROFINET随着以太网技术由企业网络的上层向下渗透，为了方便集成信息，定义了此规约，其通信的基础建立在交换式以太网和TCP口协议基础上。需要指出的是，传统意义上的PROFIBUS系统是由前三种规范子集构成的，6基丁二PROFIBUS总线的单土站PLC控制系统实时性能研究而且市场上绝大多数的产品属于这三种类型。132PROFIBUS的发展现状PROFIBUS这种基于分布式控制思想发展而来的、面向工厂自动化、流程自动化的围际性现场总线标准，具有广泛的应用范围，适合于快速、时问要求高的通信任务。目前为止，PROFIBUS不但在IEC国际标准中占据了两席地位类型3和类型10，而且在现场总线市场上也占据了大于20的份额。与此同时，包括SIEMENS、ABB等在内的1200多个制造商在生产和开发PROFIBUS通信芯片、应用软件及开发平台。因此，凭借着PROFIBUS标准中涵盖了各种需求的子集规约的优势以及强有力的硬件支撑，我们有理由相信PROFIBUS技术会有更进一步的发展和推广应用。133PROFIBUS现场总线技术的优势在十多年的开发和应用实践过程中，PROFIBUS在现场总线技术领域中成为了国际市场的领导者。与其它的现场总线技术相比，其优势具体包括以下几个方面1PROFIBUS现场总线技术是中国第一个工业通讯领域现场总线技术国家标准，同时也是国际标准，在冶金、电力、水处理、化工等行业具有大量的应用案例，具有行业应用优势。2PROIBUS具有DP，PA及FMS三个兼容的部分，使用统一的总线存取协议，容易集成复杂的系统，可以满足多个领域的自动化需求，提供从工厂级到现场级的全方位解决方案。3本质安全性一直是工控网络在过程控制领域应用时首先需要考虑的问题，否则，即使网络功能设计得再完善，也无法在化工、石油等工业现场使用。目前各种现场总线技术中考虑本质安全特性的只有PROFIBUS和FF，而FF的部分协议及成套硬件支撑尚未完善，可以说目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决方案是PROFIBUSPA，它只需一条双绞线就可以既传送信息又向现场设备供电【3】。4PROFIBUS采用简化的令牌协议，保证了系统的实时性，主要体现在以下方面、有确定的时态特性，即时间和任务上的可预见性；二、对周期信息与非周期信息混合进行处理，能实时响应外部环境变化。5成立了专门的国际组织来维护其发展。第一章绪论714PROFIBUS总线系统实时性能的国内外研究现状正因为PROFIBUS现场总线技术具有独特的优势，使得目前在国内外的冶金、石油、化工、电力、环保、水处理等行业中，涌现出大量由PLC和PROFIBUS组成的分散控制系统。而且随着生产工艺对控制要求的提高，控制系统的实时性能要求越来越高。如严密的顺序工艺控制，精密的运动控制，系统异常的及时报警和处理等均需要系统实时性能的保证。国内外针对现场总线协议性能的综述类文章比较多，此类文章偏重于对各种总线协议特性的一般性介绍，多是在产品手册和产品介绍资料的基础上进行简介，没有作深入的分析和系统的研究。近几年来，国外学者ETOVAR和FVASQUES研究了最坏情况下，建立通信模型，分析PROFIBUSDP单丰站和多主站系统的响应时间【4】，为了保证PROFIBUS网络中实时信息的截止期，建立系统时延模型并加以分析【5】，还分析了PROFIBUS协议的循环时间特性【6】，以及基于实时分布式系统的应用设置PROFIBUS的目标令牌循环时间R7】等。还有学者分析了基于PROFIBUSDP的远程模糊逻辑网络控制系统【9】。国内也有学者候维岩和费敏锐等研究了目标令牌循环时间对PROFIBUS测控周期的影响101，茹锋、贾立新等学者在建立随机PETRI网模型的基础上，分析研究了PROFIBUS系统的实时性能参数【L3J等。尽管国内外有好多学者对PROFIBUS系统的实时性能进行了研究，但他们都侧重于在最坏情况下任务的调度以及相关参数的设置，未能给出系统在正常运行情况下，大量周期性数据交换时，实时性研究的通用方法。而且涉及PA工程应用过程中时延分析的文献也甚少。故本论文以自动化工程中常用的PLC和PROFIBUS组成的典型分散控制系统为研究背景，深入分析PLC内部循环扫描工作机制和PROFIBUS现场总线通信协议等关键技术，并提出适合此类控制系统的通用时延分析方法。然后分析研究了PROFIBUSDPPA混合网络的时延特性，并提出一种方法来改进时延，最后结合实际工程案例进行分析计算。15论文主要研究内容及结构组织从以上分析可以看出，对由PLC和PROFIBUS组成的典型分散控制系统进行实时性能研究具有很重要的现实意义。但是如何分析系统正常运行情况下，系统的通信机制及其时延模型，如何改善和提高系统的实时性能等，这些都是值得深入研究的问题。本论文针对这些问题，安排各章节内容如下第一章叙述课题来源及其研究意义，介绍现场总线发展现状以及PROFIBUS基YPROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究现场总线的技术优势等，并回顾了国内外PROFIBUS实时性能相关研究现状。第二章首先介绍了PROFIBUS现场总线协议结构，然后给出其通信模型，并重点分析了基于TOKENPASSING机制的主从轮询协议，最后总结了该协议的一些特点。第三章系统实时性能研究。首先建立了合适的通信时延模型，给出了单主站系统正常运行时测控周期的计算方法，并进行了仿真分析。以此为基础，分析研究了PLC循环扫描机制，进而分析得出由PLC和PROFIBUS组成的典型控制系统的响应时间。第四章在第三章给出的PROFIBUS总线网络时延模型的基础上，针对PROFIBUSDPPA混合网络中呈现的新时延特性，提出插入额外空闲时间的方法，改进时延问题。第五章针对典型工程应用，结合PLC的IO响应滞后以及PROFIBUS单主站系统的测控周期，给出了系统响应时间的估算方法，最后总结了提高系统实时性能的一些方法，为后续进一步探索研究系统实时性奠定基础。第二章PROFIBUS现场总线通信协议9第二章PROFIBUS现场总线通信协议PROFIBUS是基于分布式控制思想发展而来的，是面向工厂自动化、流程自动化的一种国际性的现场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，适合于快捷、时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。其核心是数据链路层上使用的统一的通信协议一基于TOKEN机制的主从轮询协议，这_PASSING也是目前研究现场总线实时性能的关键所在。而在其下的物理层和其上的应用层则使用不同的应用规约，这样就组成了PROFIBUS中一系列应用规范定义子集，其区别主要体现在应用对象、场合、使用规范上的不同，如PROFIBUSFMS、PROFIBUSDP、PROFIBUSPA以及PROFINET等。因此，本章在分析PROFIBUS的协议结构后，着重分析基于TOKEN的PASSING主从轮询协议，最后总结了该协议的特点，为后面的章节提供理论基础。21PRO兀BUS总线协议的结构PROFIBUS协议结构是以ISOOSI为参考模型，所以它的协议结构符合开放性和标准化的要求，其协议结构模型如表2一L所示。表21PROFIBUS协议结构用户层DP设备行规FMS设备行规PA设备行规第7层现场总线信息规范FMS未使用未使用应用层底层接口LLI第3Q层未定义第2层R一一、逻辑地跆J层LLWJIEC接口数据链路层MAC介质存取控制子层第1层RS485光纤MBPIEC611582物理层从表21中可以看出，PROFIBUS规定了完整的OSI通信栈由顶至底的功能，但ISOOSI的3“层并没有出现在通信栈中，这些中间层里的必需功能经过简化后，浓缩进了PROFIBUS的数据链路层和应用层中。所以我们看到的PROFIBUS只使用了ISOOSI的第1层、第2层和第7层，另外加上一个用户层即行规，这样做大大简化了协议结构，提高了数据传输效率，符合工业自动化实时性高、数据量小等特点的要求。从用户角度看，PROFIBUS提供了三种通信协议类型DP、FMS和PA。DPLO基于PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究即分布式外围设备DECENTRALIZEDPERIPHERY，使用了第1、2层加一个用户的应用接口，而对通常意义上的第37层未加以描述定义。这种精简结构确保数据传输的快速和高效率。用户应用层接口又称直接数据链路映像程序，规定了可调用的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性，使第3方的应用程序可以被直接调用。这种为高速传输用户数据而优化的协议特别适用于可编程控制器与现场级分散的IO设备之间的通信。DP的基本版本是DPV0，扩展版本是DPV1和DPV2，DPV0用于一类主站和从站之间的循环数据交换，DPV1主要用于过程控制场合，DPV2为高速及高精度的运动控制设计的，用于等时同步及从站之间的通信【14J。PROFIBUSFMSFIELDBUSMESSAGESPECIFICATION即为现场总线报文规范，是最初的PROFIBUS系统，主要用于车间级智能主站通用的、对等的、面向对象的通信。它使用了第1层、第2层和第7层，应用层第7层包括现场报文规范FMS和低层接口LLI。其中，FMS包括应用协议和提供的通信服务，而LLI建立各种类型的通信关系，并给FMS提供不依赖于设备的对第2层访问。PROFIBUSPAPROCESSAUTOMATION即过程自动化，它使用扩展的PROFIBUSDP协议进行数据传输，故DP和PA可以I瓦相通信，但由于它们的物理层使用的技术不同，需要使用段耦合器才能将PROFIBUSPA设备集成到PROFIBUSDP网络中。221物理层22PROFIBUS总线的通信模型PROFIBUS通信协议中的物理层定义了电气的和机械的特性，包括编码类型和传输标准。在发送端，物理层从数据链路层接收数据，对它们进行编码，必要时通过添加通信成帧信息封装，并将所形成的物理信号传输到物理介质上。在接收端，信号被一个或多个节点所接收，物理层先对这些数据进行译码，必要时去掉通信成帧信息，然后再把它们传输给数据链路层。但是对PROFIBUS的传输技术而言，除了要考虑普通意义上对物理层的要求外，如传输的安全、距离、速度指标等，还必须考虑到过程自动化中危险环境下的抗爆要求，以及数据和电源在同一根电缆上传输的可能性等。显而易见，单一的传输技术不可能满足所有现场对象的控制要求。因此，目前的PROFIBUS标准IEC61158提供了3种传输方式1RS485针对工厂制造环境普遍的要求，适用于DP和FMS；2MBP针对过程自动化的要求，具有本质防爆特性，适用于PA；第二章PROFIBUS现场总线通信协议3光纤F0可以提高抗干扰和传输距离。PROFIBUS传输技术中物理层特性如表22所示。表22PROFIBUS的传输技术特性传输方式R485MBPFO数字、差分信号数字信号、比特同步数据传输光、数字信号、NRZ符合RS485，NRZ曼彻斯特编码传输速率96K12MBITS3125KBITS96K12MBITSHD4，奇偶校验比前同步码，出错保护，HD4，奇偶校验比数据安全性特，起始终止界定符起始终止界定符特，起始终止界定符屏蔽、双绞铜缆单、多模玻璃光纤、电缆屏蔽、双绞铜缆电缆类型APCF、塑料通过信号线可用远程馈送通过附加线可用通过混合线可用可选的保护类型无本质安全EEXI“IB无带终端器的线型和树典型的星型和环型拓拓扑结构带终端器的线型拓扑型拓扑，组合器扑，也可以是线型不用中继器时每段最每段最多32个，每个每个网络上最多站的数量多32个，用中继器时网络上最多126个126个最多126个最多9个有信号刷无限制，有信号刷新中继器的数量最多4个新的中继器信号的时间延迟1RS485传输技术基于EIA定义的RS485方式的物理层，是PROFIBUS应用中最常用的方式。它既适用于需要高速传输的系统，也适合于简单、廉价、需要快速铺设的场合。并采用平衡差分传输方式，在一个两芯卷绕且有屏蔽层的双绞电缆上传输大小相同方向相反的电流，以削弱工业现场噪声，避免多个节点间接地电平差异的影响。这种传输技术容易使用，安装不需要专门知识，且其总线结构允许随时增加、拆除站点或逐步投运系统而不影响其它站点。1电缆连接头在RS485总线电缆的连接上主要使用9针的D型接头，在IEC61158中有推荐性定义，符合IP20保护级别要求。D型连接器分插头和插座两种形式，插座连接总线站，插头与RS485电缆相连，其各针脚定义如表23所示。12基于PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究表23D型接头的针脚定义编号脚名功能1SHIELD屏蔽或功能地2M2424V输出电压一3RX抵DP数据接收数据线一正B线4CNTRP方向控制信号P5DGND数据基准点位6VP给终端电阻供应5V7P2424V输出电压8RXDTXDN数据接收数据线一负A线9CNTRN方向控制信号N2信号传输特性RS485电缆上信号的传输是以半双工、异步、无间隙同步为基础的，传输的调制形式为NRZ不归零编码，即在整个码的时间内，都维持有效电平。当线路空闲时，保持在状态“1“，见图21所示。OL00LLOL停I卜德导线A导线B图21NRZ编码信号波形示意图3总线终端器PROFIBUS总线上所有接入设备在静止状态非通信状态时均处于高阻状态三态FJ，此高阻态可使总线电缆处于不确定的电平状态且容易损坏电流驱动部件。为避免这种情况出现，一般在总线终端器中施加两个偏置电阻，分别把A、B数据线的静态电平拉到VP第6脚和DGND第5脚上，使总线电缆的稳态静止电平保持在一个稳定的值。理论上说，在一个总线段中起码要接入一个这样的总线终端器，为保险起见，工程实践中要求在两端各接入一个。2本质安全的传输方式PROFIBUSPA采用符合IEC611582标准的本质安全简称本安传输技术，具体应用根据FISCO模型而定。FISCO是现场总线安全防爆构想FIELDBUSINTRINSICALLYSAFECONCEPT的缩写，是德国联邦物理技术研究院在1973年制定的第二章PROFIBUS现场总线通信协议13在易爆环境下的现场总线技术规范，它使得PROFIBUSPA本质安全防爆方式安装、应用在防爆环境成为可能，以十分经济、简便的方式解决了现场总线的防爆问题。其特点是使用曼彻斯特方式编码，具有固定的传输速率，且采用总线向各设备供电BPBUSPOWER方式。在用曼彻斯特编码传输数据时，信号从0变到1时发送二进制“0“，信号从1变到0时发送“1”，而数据的发送采用调节电流9MA到总线系统的基本电流IB的方法来实现，波形如图22所示。电平LB9MAIB一LA9MAKLOLL0L1LJLJLJL一11R1R1R1RIL图22PROFIBUSPA电流调制后的编码电平波形图如上图所示，完全不同于DP信息编码方式的标准曼彻斯特编码，有如下特点，一是在每一个比特时间段的中间，有一次信号电平的变化，因此携带有同步信息，这样就无需另外传送同步信号；二是该编码中的正、负电平的信号各占一半，因而在信号本身不存在直流分量的情况下，信号传输不会使电缆上的基本电平发生变化，这样就符合了FISCO模型中对本安保护的要求。3光纤电缆传输技术有些现场总线的应用环境对耦合电线的传输技术有限制，而光纤电缆特别适用于有强电磁干扰环境，或为了消除共模电位以及满足高速率下的大范围长距离的信号传输要求。尤其是，近年来光纤的连接技术大大简化，使得光纤电缆传输技术普遍地应用于工业现场设备的数据通信中。但需要注意的是，确保与现有的PROFIBUS系统向下兼容的前提下，在光纤网络中应允许没有任何问题地集成现有的PROFMUS设备。222数据链路层一个网络互联系统的数据链路层的任务是建立、维持和拆除链路的连接，实现无差错传输，它的功能是评价一个网络通信系统性能的重要方面。在PROFIBUS系统中，数据链路层常被称为FDLFIELDBUSDATALINK，包括介质访问控制MAC与逻辑链路控制LLC。其中，MAC子层主要实现对共14基丁PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究享总线介质的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况；LLC子层用来在站点间控制帧的发送、接收信号，同时检验传输差错。故现场总线的实时通信主要由数据链路层提供，这对评价一个工业数据通信和控制网络的性能是首先要考虑的问题。2221PROFIBUS总线FDL数据传输服务PROFIBUS的FDL层呈现的一系列数据通信功能，完成站点问的数据循环和非循环传输任务。对用户程序来说，这些任务的调度、完成是以服务功能集的形式体现的，这些基本的FDL功能集是构成各种规约功能的基础【141，如表24所示。表24PROFIBUSFDL层的基本功能集基本功能服务内容DPVODPJVLDPV2F】SPASENDDATAWITHNOSDN、，ACKNOWLEDGESENDDATAWITHSDAACKNOWLEDGESRDSENDANDREQUESTDATA、，CYCLICSENDANDREQUESTCSRDDATA注表示选中。1SDN“发送数据，不需确认SDN服务用于由一个主站向多个站点的数据广播发送BROADCAST及群发MULTICAS0，故不需要回复响应。主要用于同步发送，状态宣告。2SDA发送数据，需要确认该服务只在FMS中使用，数据传送给主站或从站后，必须要发送一个确认信息作为响应，通信双方不能直接用数据回答或响应，故只能用于主站问的通信。3SRD发送数据，且要求回复数据在一个消息循环内完成数据的发送和接收，常用于主站轮询从站的过程。4CSRD周期性发送数据且要求回复数据周期性数据交换CSRD是由主站周期性地轮询从站，以采集前端的数据等。此服务只在FMS的规约中有定义，但它会产生较大的总线数据通信量。以上这些基本的服务功能，在不同的PROFMUS规约子集中应用会有所不同。2222PROFIBUS总线FDL数据传输格式针对每种FDL数据传输服务，PROFIBUS总线提供了不同的信息帧结构，每第二章PROFIBUS现场总线通信协议个信息帧包含一定数量的字节，而且这些帧可以携带不同的参数或组合完成表24所述的不同功能。1SDL无数据域，只是用作查询总线上的激活站点。SDLDASAFCFCSED0X10XXXXXX0X162SD2数据域长度可变，参数域的配置多且功能强大，是PROFIBUS中应用最多的一种帧结构，常用于SRD服务。SD2LELERSD2DASAFCDUFCSED0X68XX0X68XXXXXXX0X163SD3带有固定长度8字节的数据域。SD3DASAFCDUFCSED0XA2XXXXXXX0X164SD4令牌帧，一种特别定义的数据帧，一个系统只能有一个令牌。SD4DASA0XDCXXXX5SC仪用于对请求服务的简短回复。如从站在数据尚未准备好时，告知请求方自己尚无数据。圈SC下面分别对以上帧结构中各数据域的具体定义逐一说明SDLSD4STARTDELIMITER起始界定符。LELER表示DA、SA、FC及DU4个数据域的长度，代表这一个变长帧中所承载数据信息的长度。DA目标地址1个字节，低7位表示实际的地址BOB6，在0127之间。其中127作为广播地址保留，而126作为系统初始化的默认现场设备地址。SA源地址1个字节，类似于DA，B7位表示扩展地址，当其为1时，表示DU用户数据域的前两个字节表示了服务节点SAP，而不再是普通用户。FCFUNCTIONCODE功能码，标识了报文帧的类型，还包含了传输过程和相应控制过程的信息，如是否丢失数据或需要重复传输、站点的种类以及FDL状态。DU用户数据域，用于放置要“携带“的用户数据，长度246B，去除DSAP和SSAP两个扩展地址后，用户数据的最大长度为244B。FCS帧校验为了检验海明码而设立的，等于帧中除了起始界定符SD和终止界定符ED域外所有各域的二进制代数和，由ASIC自动计算给出。EDENDDELIMITER终止界定符，标志着本报文帧的结束。16基YPROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究2223PROFIBUS的MAC层协议PROFIBUS的MAC层使用的是基于TOKENPASSING机制的主从轮询协议，主站之间使用TOKENPASSING机制，而主从站间使用CLIENTSERVER方式下的分时轮询机制，这种特性对于工业自动化设备互联网和现场总线通信系统是至关重要的。1TOKEN_PASSING协议PROFIBUS的TOKEN协议是由令牌总线标准发展来的，接PASSINGIEEE8024入PROFIBUS总线的各站点，其物理地位等同，被赋予统一的逻辑地址。但是各站点地位不均等，按照功能、本身智能化程度等特性的不同分为主站和从站两种类型。系统的总线逻辑结构如图23所示。图23PROFIBUS的总线逻辑结构主站在总线上形成的集合称为逻辑环。环上的每个主站都分配一个0126范围内的逻辑地址，标识为TSTHISSTATION，其紧邻的上一个主站地址为PSPREVIOUSSTATION，下一个主站为NSNEXTSTATION，它们按升序排列，构成逻辑环。而且每个主站上都有两个表LGAP和LAS。其中，LGAP包括了TS和NS间的所有地址构成的间隔，但不包括系统保留做广播地址用的127和HASHIGHESTSTATIONADDRESS。每个主站每隔定时间段检查GAP地址，即在低优先级任务中执行一次FDLREQUESTSTATUS指令，依序从TSI查到NS1，看是否有新的站点加入。若在此地址段有新的主站响应，就更新自己的LAS，且将此地址赋给NS，在下一个令牌循环中将令牌传给它。若此FDLREQUESTSTATUS指令无响应答复，则认为无新站点加入，把令牌交给原NS站。通过这种探查方式，每一个主站能够动态探知在与本站下相邻的下一段地址区间是否有新主站加入。同时，本主站还能及时知道与自己相邻的下一个主站是否离线或发生故障，更新NS，从而动态地维持逻辑环，使系统在发生意外时，通信仍能持续进行。而LASLISTOFACTIVESTATION中包括了系统中令牌环上所有主站地址，通过监听总线上的令牌帧，得知当前系统中的活动主站，然后动态刷新自己的LAS表。正常运行时，TS检查收到的令牌第二章PROFUS现场总线通信协议17中的目的地址是否是自己的，不是，则传给下一站，若是，则收下该令牌，经检查是由PS发出的，就返回一个确认，否则丢弃此帧。当系统中只有一个主站时，即TSPSNS，则把令牌传给自己。令牌的具体调度原理如图24所示。图24PROFIBUS令牌调度原理2基于TOKEN的主从轮询协议PASSING当某个主站获得总线控制权时，按照事先定义在该主站中的轮询表存有隶属于该丰站的从站信息逐一按序与属于它的从站通信，直到持牌时间到达上限，或轮询表中的任务全部处理完，就把令牌交给逻辑环上的下一个主站。而从站在平时只能扮作一个哑终端，被动地等待主站来联系，仅能对接收的信息进行确认或在主站发出请求后向丰站发送。为分析存取控制协议，PROFIBUS中定义了几个重要参数【”】定义21令牌目标循环时间TTR是由网络设计者在系统初始化时赋给每一个主站的，各站上此参数相同。定义22令牌实际循环时间TRR令牌相继到达某个主站的实际时间差，各站此参数不同。也就是说在某主站收到令牌后，TRR开始加计数或减计数，直到令牌再次到达该主站为止。计算这一时间时，需要考虑从站诊断报文、主从间的周期数据交换、高优先级报文、逻辑令牌动态变化等情况下的动态令牌循环时间。定义23主站持牌时间TTH从某主站收到令牌开始到该主站将令牌传送到下一个主站的间隔时间，其表达式为HTTRTRR。动态地限制该参数，可以保证后续主站上的新任务能有较为明确的上限时间得到服务处理，即保证各个级别任务的带宽。为了提供QOSQUALITYOFSERVICE给不同的报文，PROFIBUS的MAC层协议18基于PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究定义了高，低两个独立优先级的任务等待队列，简称H和L队列。高优先级队列中主要包含了报警、紧急通知类时间要求甚严的任务，报文短，数量不大。与各从站的周期性数据交换、逻辑环的管理维护等任务放在低优先级队列中。每个主站中建有一个轮询表，存有隶属的从站参数，每个从站被轮询时，向主站传送诸如最新的测试数据且接收主站新的指示。一些用户定义的，时间要求不高的非周期性任务也加入在低优先级队列中。即低优先级报文分为轮询表报文POLLLIST、非循环低优先级报文和站间隙列表报文GAPLIST。报文处理的具体算法流程如图24所示。图24PROFIBUS的MAC层协议注PLLELL轮询表的长度；M记录目前轮询第几个报文；TUSI一个从站前后两次被主站轮询的最小间隔。第二章PROFIBUS现场总线通信协议19从上图可以看出，当令牌到达后，首先处理高优先级队列，特别地，即使令牌迟到，TT0，也会保证至少处理一个高优先级任务，之后才将令牌传递出去称为“通道现象”。一般情况，TTHO，则继续处理剩余的高优先级任务，直至队列为空，然后再开始处理低优先级队列的任务，先按照轮询表依次与各从站进行数据交换，但是每处理一次，都要重复查询TT，只有TTH0，才会继续下去。特别需要指出的是一旦低优先级任务开始被处理，即使此时到了一个高优先级任务，此高优先级任务也只能等到下一次令牌循环才能被处理；而且在一个任务的执行过程中，即使TTH耗尽，令牌仍要坚持到该任务被处理完，包括出错重传等，直到收到确认为止。如果轮询表中的任务被处理完后，TTH仍有剩余时间，则开始执行一系列对逻辑环的管理任务及用户自定义的非周期数据传递任务等。若TT计数到0，令牌会被传递出去，剩余的任务将不被处理，需等到下一次令牌循环回到此主站时，按序先处理完高优先级任务后，再从中断处重新开始处理低优先级任务。3PROFIBUS的MAC层协议的特点1在主站之间使用TOKEN机制，主从站间使用方式下PASSINGCLIENTSERVER的分时轮询机制，这种复合机制综合考虑了系统负载、响应时间和可靠性几个方面的综合要求，特别适合工业自动化设备互联网和现场总线通信系统的要求；2不支持长信息段，但也不支持短信息组块功能；3在数据帧的定义上使用了海明距离为4的编码结构，即可以检出一个字节中的2个错误位，恢复1个错