現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP網(wǎng)通訊原理與方法研究

朱曉虹

（上海福克斯波羅有限公司 上海 200233）

從二十世紀(jì)末期開始，隨著電子信息的發(fā)展，許多應(yīng)用控制的儀表都采用不超過20mA的信號(hào)，經(jīng)過一段時(shí)間出現(xiàn)了難點(diǎn)，為了解決這一出現(xiàn)的問題，逐漸出現(xiàn)了新技術(shù)，叫做現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線是將后臺(tái)的總線運(yùn)用電線傳送信息，將現(xiàn)場(chǎng)的頻率轉(zhuǎn)變、應(yīng)用數(shù)據(jù)等傳送到現(xiàn)場(chǎng)后執(zhí)行，然后將現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行反饋，現(xiàn)場(chǎng)總線可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前的現(xiàn)場(chǎng)總線具有很高的可靠性，便于維護(hù)和修整，是現(xiàn)下流行的使用標(biāo)準(zhǔn)，擁有很大的市場(chǎng)。怎么研發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線的接口，讓現(xiàn)場(chǎng)總線可以與現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行順利的連接十分重要。

通過了解現(xiàn)場(chǎng)總線的原理可以對(duì)其進(jìn)行改善，探討現(xiàn)場(chǎng)總線的連接方法對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解和分析。雖然目前使用的現(xiàn)場(chǎng)總線仍然存在一些問題，但是在市場(chǎng)中的使用的占比非常大?，F(xiàn)場(chǎng)總線擁有很多種類和方法，其中最著名的就是PROFIBUS-DP的嵌入式總線橋，其集中了技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮特長，節(jié)省了許多人力物力，開發(fā)投入低且周期短，技術(shù)升級(jí)快，適合多種總線的開發(fā)，有技術(shù)專門研發(fā)、制造，有利于標(biāo)準(zhǔn)化，保證質(zhì)量，可以形成規(guī)模。接下來會(huì)對(duì)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行分析和討論，充分了解現(xiàn)場(chǎng)總線的連接和應(yīng)用的實(shí)例。

1 PROFIBUS-DP的概念分析

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)從主站/從站（master/slaver）網(wǎng)絡(luò)，其中的DP是單主站結(jié)構(gòu)配置。其實(shí)一種具有高速低成本，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，它與PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS共同組成了PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)，三種通訊結(jié)構(gòu)分別擁有不同的功能，是當(dāng)前很受歡迎的計(jì)算機(jī)硬件。PROFIBUS-DP協(xié)議中明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)是怎樣在總線各站之間傳遞。PROFIBUS-DP擁有很多的優(yōu)勢(shì)，其傳輸速率為9.6Kbit/s—12Mbit/s，最大的傳輸距離在是9.6Kbit/s—187.5Kbit/s時(shí)為1000米，在500Kbit/s時(shí)為400米，1500Kbit/s為200米，3000Kbit/s—12000Kbit/s時(shí)為100米，可以利用中繼器延長至10Km。其傳播介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可以掛127個(gè)站點(diǎn)。利用PROFIBUS-DP的優(yōu)點(diǎn)可以將網(wǎng)絡(luò)通訊和信息傳遞完成的更加完整，使現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)的交流更加順暢，信息傳遞更加準(zhǔn)確。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊原理和方法

現(xiàn)場(chǎng)總線通訊的方法一般是主從通訊，在數(shù)據(jù)鏈路層，PROFIBUS-DP使用混合的總線存取控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)相關(guān)站之間的通信和聯(lián)系。其存取控制機(jī)制包括用于主站之間通信的分散的令牌傳遞機(jī)制和用于主站和從站間通訊的集中的主—從機(jī)制?，F(xiàn)場(chǎng)總線的總線存取控制機(jī)制與所使用的傳輸介質(zhì)無關(guān)，每個(gè)DP節(jié)點(diǎn)有一個(gè)總線上的唯一地址，報(bào)文用節(jié)點(diǎn)編址的方法組織。

令牌介質(zhì)存取中令牌是一種特殊的電文，它在主站間傳遞控制權(quán)。連接到現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的主站按其總線地址（由總線存取控制MAC程序自動(dòng)判定總線上所有主動(dòng)點(diǎn)地址并記錄在主動(dòng)表LAS中）的升序組成一個(gè)邏輯令牌環(huán)。當(dāng)某個(gè)主站得到令牌后，該主站就被允許在以后的一段時(shí)間內(nèi)主持主站工作。根據(jù)主從站的關(guān)系表給其他的主站或者從站發(fā)送幀，直到發(fā)完或者規(guī)定的時(shí)間到，再把令牌按照令牌環(huán)規(guī)定的順序傳遞下去。具有總線的地址HAS（最高站地址）的站點(diǎn)例外，它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點(diǎn)，以使邏輯令牌環(huán)閉合。在主—從方式下，由一個(gè)主站控制多個(gè)從站，構(gòu)成主—從系統(tǒng)。主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個(gè)主站應(yīng)與相關(guān)的多個(gè)從站中的每個(gè)從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路，從站可以發(fā)送多個(gè)幀，直到以下一種情況的發(fā)生：從站沒有信息幀可以發(fā)送，未完成幀的數(shù)目已達(dá)最大值或從站被主站停止。典型的現(xiàn)場(chǎng)總線配置是以主—從總線存取程序?yàn)榛A(chǔ)的，一個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)（DP主站）循環(huán)地與被動(dòng)節(jié)點(diǎn)（DP從站）交換數(shù)據(jù)。在單主方式中不存在令牌的傳遞，故在本文所討論的系統(tǒng)中只存在主從機(jī)制，也就是說令牌始終在主站，該主站是這個(gè)系統(tǒng)中唯一具有總線控制權(quán)的站。該方法是數(shù)據(jù)傳遞的主要方法，掌握令牌傳遞的規(guī)則即可掌握信息數(shù)據(jù)的傳遞過程。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP的使用實(shí)例和數(shù)據(jù)

以PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線為例，討論其使用過程中的數(shù)據(jù)，以該系統(tǒng)中的主站和頻率變速器來看，現(xiàn)場(chǎng)總線的使用就是現(xiàn)場(chǎng)總線與其他的通信設(shè)備的相互連接，信息可以雙向傳遞。其支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等傳送方式，主站對(duì)具有對(duì)總線的控制權(quán)，可以主動(dòng)發(fā)送消息，對(duì)于多主站系統(tǒng)來說，主站之間可以采用令牌傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可以在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時(shí)間。按照PROFIBUS的通訊規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行的方向進(jìn)行傳遞。主站得到控制權(quán)時(shí)，可以按照主—從方式，向從站發(fā)送或者索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。主站可采取對(duì)所有站點(diǎn)廣播或者有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。

3.1 IM180主站接口模塊

IM180可以利用其它的設(shè)備，作為主站連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上。該模塊可以完全獨(dú)立完成總線控制。其可以接替 PLC、PC、驅(qū)動(dòng)器、人機(jī)接口的通訊處理任務(wù)，最大的傳播速率為12Mbit/s，其主要組成部分是芯片APSC2/80C165微處理器和PLASH-EPROM、RAM組成。APSC2有48MHZ晶振提供脈沖。模塊的尺寸是 100×100mm，適合面對(duì)面的方式安裝。IM180還需要一塊母板，這塊母板是IM181，是一塊ISA短卡，可以用于一般編程設(shè)備或者PC機(jī)。用于集成電路的ASPC2芯片可以獨(dú)立處理總線協(xié)議，與主系統(tǒng)的通信通過雙口RAM完成，數(shù)據(jù)交由應(yīng)用程序來完成。

3.2 IM182從站接口模塊

IM182是一塊PC卡，可以用作PROFIBUS-DP的從站。IM182接口模塊設(shè)計(jì)成ISA總線PC卡，最大的數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbit/s。其接口模塊主要由ASIC芯片PSC3和一個(gè)用于現(xiàn)場(chǎng)總線的RS-485接口組成，RS-485使用時(shí)隔離電源。SPC3由48MHZ晶振提供脈沖源，模塊的尺寸為186×105mm。專用集成電路SPC3芯片可以獨(dú)立處理總線協(xié)議，SPC3原有的功能通過集成到 SPC3中的微程序控制軟件來實(shí)現(xiàn)，ASICRAM或者固態(tài)程序必須由用戶將其連接到實(shí)際應(yīng)用中去。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線和組態(tài)軟件

現(xiàn)場(chǎng)的組態(tài)軟件一般用來數(shù)據(jù)收集和自動(dòng)控制，是現(xiàn)場(chǎng)總線的專用軟件系統(tǒng)，常用的現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)軟件為 IFIX PROFIBUS。其功能很豐富，可以運(yùn)用到多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)?？梢赃\(yùn)用主—從或者多主多從的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的讀取，同時(shí)可以從從站接受數(shù)據(jù)以及設(shè)置參數(shù)等，最重要的是組態(tài)軟件可以進(jìn)行測(cè)試，也可以自帶通訊工具的設(shè)備。選取的IFIX PROFIBUS組態(tài)軟件擁有很多特點(diǎn)，其對(duì)通訊設(shè)備的控制是通過GDS文件進(jìn)行讀取，通過集成電路將不同的現(xiàn)場(chǎng)總線集合在一起，讀取通訊的數(shù)據(jù)等。并內(nèi)部形成了兼容性的內(nèi)部環(huán)境，增加對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的控制和集成?，F(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)軟件主要由萬維公司、悉雅特公司、西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)等制造形成。無論組態(tài)軟件的形式是否一樣，它們均是自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測(cè)功能和通用層次的軟件工具。

4 PROFIBUS-DP與硬件軟件連接的方法

4.1 現(xiàn)場(chǎng)總線與硬件的連接方法

現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS-DP通訊的實(shí)現(xiàn)主要是由 PROFIBUS通信接口的中央處理器或通訊模塊來完成，通訊模塊有DP從站、DP主站、FMS站以及混合DP和FMS的通訊模塊。接下來對(duì)奧地利貝加萊公司的相關(guān)產(chǎn)品的分析，以現(xiàn)場(chǎng)總線的對(duì)下位對(duì)象的控制為例，其主站為貝加萊公司的2005系列，CPU為CP260或者IF260，主站通過網(wǎng)絡(luò)模塊EX450掛接到現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)上。2個(gè)從站選擇2種不同的配置，其中一個(gè)為2003系列，另一個(gè)接口模塊為IF361，或者一個(gè)為2005系列，另一個(gè)接口模塊為IF661。接口模塊IF361、IF661內(nèi)部采用的均是SPC3芯片，SPC3芯片是一種用于從站的智能通訊芯片，支持現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議，可以獨(dú)立完成全部的現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊功能。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)總線與軟件的連接方法

與軟件部分的連接，主要是與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的連接，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)部分實(shí)際上就是形成整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)配置，包括網(wǎng)絡(luò)波特率，主從站地址及主從關(guān)系表等參數(shù)。上位機(jī)中裝有貝加萊公司的PCC通訊程序開發(fā)平臺(tái)AS軟件及FC網(wǎng)絡(luò)配置軟件，分別用于對(duì)PCC編程和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行組態(tài)、通訊設(shè)置及監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)配置十分靈活，網(wǎng)絡(luò)允許單子網(wǎng)或多子網(wǎng)配置，既可以單主—從網(wǎng)絡(luò)，又可多主—從網(wǎng)絡(luò)。通過貝加萊公司軟件FC可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。通過軟件不僅可配置PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，對(duì)InterBus、CANopen、DeviceNet、ControINet、SDS、As-Interface都可以進(jìn)行相關(guān)配置。組建現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備通過讀取相應(yīng)的 GSD文件而加入到同一總線系統(tǒng)中。GSD文件時(shí)電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件。

為了將不同廠家的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)。GSD文件應(yīng)該包括以下三個(gè)部分，總體的規(guī)范，其中包括生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特串等。與DP相關(guān)的使用規(guī)則，其中最重要的就是各項(xiàng)的參數(shù)。與DP有關(guān)的規(guī)范，其中包括輸入輸出的通道數(shù)、類型、診斷數(shù)據(jù)等。從站與主站之間的通訊是通過使用設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件 GSD實(shí)現(xiàn)的。另外貝加萊公司還可以對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，并可對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊的信息進(jìn)行監(jiān)控。通過內(nèi)部的通信編程，主站與從站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但實(shí)際并不參與數(shù)據(jù)交換的協(xié)調(diào)過程，整個(gè)數(shù)據(jù)的交換完全由主站程序掌控。

5 總結(jié)

目前使用最多的現(xiàn)場(chǎng)總線是PROFIBUS-DP，該網(wǎng)絡(luò)是主站與從站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，擁有很多的優(yōu)勢(shì)，最明顯的就是高速，傳輸速率為9.6Kbit/s—12Mbit/s。其的通訊傳輸原理是使用混合的總線存取控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)相關(guān)站之間的通信和聯(lián)系，使用令牌來進(jìn)行通訊，它在主站之間傳遞控制權(quán)，令牌到的主站擁有傳遞信息的功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線的使用是由主站、從站、組態(tài)軟件等主要部件共同完成，除此之外不能離開軟件和硬件的共同作用，而軟件和硬件的制作公司不同，會(huì)有一些差距。但是整體不影響現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP的使用。通過不斷的調(diào)整和修改將現(xiàn)場(chǎng)總線的連接、與現(xiàn)場(chǎng)的信息傳遞更加準(zhǔn)確快速。