PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的通信原理

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的通信原理1 引言PROFIBUS是一種國(guó)際性的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是唯一的全集成H1（過(guò)程）和H2（工廠自動(dòng)化）現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案1，它不依賴(lài)于產(chǎn)品制造商，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備無(wú)須對(duì)其接口進(jìn)行特別調(diào)整就可通信，因此它廣泛應(yīng)用于制造加工、樓宇和過(guò)程自動(dòng)化等自動(dòng)控制領(lǐng)域。它包括3個(gè)兼容版本，Profibus-DP(H2)、Profibus-PA(H1)、Profibus-FMS。DP是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信接口，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，可取代24V或020mA并行信號(hào)線。也可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。FMS用于車(chē)間級(jí)通用性中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信，適用于傳感器、執(zhí)行器、PLC等一般自動(dòng)控制系統(tǒng)。PA是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)安全傳輸技術(shù)，滿足IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，適用于安全性要求高以及由總線供電的場(chǎng)合。PROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車(chē)間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，總線系統(tǒng)分為主站和從站，主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，從站僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息2。2 PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)發(fā)式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（OSI）作為參考模型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)圖 PROFIBUS-DP使用了第1、2層和用戶接口，這樣確保了數(shù)據(jù)傳輸快速和有效地進(jìn)行，直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）使用戶接口易于進(jìn)入第2層。PROFIBUS-FMS對(duì)第1、2、7層均加以定義。應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（FMS）和底層接口（LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供可廣泛選用的通信服務(wù)；LLI協(xié)調(diào)不同通信關(guān)系并保證FMS不依賴(lài)設(shè)備訪問(wèn)第二層，第二層（FDL）提供總線訪問(wèn)控制并保證數(shù)據(jù)的可靠性。PROFIBUS-PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議，另外還使用了PA行規(guī)。這種傳輸技術(shù)可確保其本征的安全性并可通過(guò)總線為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電1,2。3 PROFIBUS總線存取協(xié)議三種PROFIBUS（DP、FMS和PA）均使用一致的總線存取協(xié)議，該協(xié)議是通過(guò)OSI參考模型的第2層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理。其總線存取協(xié)議如圖2所示。 圖2 PROFIBUS總線存取協(xié)議 在PROFIBUS中，第二層稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL），介質(zhì)存取控制（MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?。MAC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。在圖2中，首先由PROFIBUS總線上的主站（不一定全部）組成邏輯環(huán)，讓一個(gè)令牌在邏輯環(huán)中按一定方向依次流動(dòng)。凡獲得令牌的站就獲得了總線的控制權(quán)，并獲得批準(zhǔn)的令牌持有時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，該站就成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主站，執(zhí)行主站工作，可依照主-從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主-主關(guān)系表與所有主站通信，這就是所謂令牌控制主站浮動(dòng)。根據(jù)這一定義，總線有三種控制方式：N：M方式（總線共有M個(gè)站，其中N個(gè)主站，NM）；N：N方式（共N個(gè)站，且都為主站）；1：N方式（共N個(gè)站，1個(gè)主站）。圖2中，PS為前站地址，TS為本站地址，NS為下站地址。令牌環(huán)是所有主站的組織鏈，按照它們的地址構(gòu)成邏輯環(huán)。在這個(gè)環(huán)中，令牌（總線存取權(quán)）在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照次序（地址的升序）在各主站中依次傳遞。在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站介質(zhì)存取控制制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中刪除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。總線存取控制保證令牌按地址升序依次在各主站間傳送，各主站的令牌保持時(shí)間長(zhǎng)短取決于該令牌配置的循環(huán)時(shí)間。另外，PROFIBUS介質(zhì)存取控制還可監(jiān)測(cè)傳輸介質(zhì)及收發(fā)器是否有故障，檢查站點(diǎn)地址是否出錯(cuò)（如地址重復(fù)）以及令牌錯(cuò)誤（如多個(gè)令牌或令牌丟失）。下面重點(diǎn)介紹令牌在邏輯環(huán)中的傳遞和邏輯環(huán)的維護(hù)。3.1 令牌的傳遞在邏輯環(huán)中的每一個(gè)站內(nèi)都存放著一張LAS表，在LAS表中列出PS、TS、NS。在正常情況下，每一個(gè)站都按LAS表進(jìn)行令牌傳遞。對(duì)于具體某個(gè)站而言，令牌一定是從它的PS傳來(lái)，傳到它的NS去，圖2中各站的LAS表如表1所示。當(dāng)一個(gè)站把令牌傳遞給自己的下一個(gè)站后，它還應(yīng)當(dāng)監(jiān)聽(tīng)一個(gè)時(shí)間片（Slot time）,看下一站是否收到令牌。當(dāng)下一站收到令牌，無(wú)論是發(fā)送數(shù)據(jù)還是再向它的下一站傳遞令牌，都將在幀的SA段填入監(jiān)聽(tīng)站的NS。若監(jiān)聽(tīng)不到則再次向自己的NS發(fā)令牌，若連試兩次仍 表1 PROFIBUS的LAS表收不到SA等于自己NS的幀，則表明自己的下一站NS出了故障。于是此站應(yīng)向再下一站傳遞令牌。若找到新的下一站，則令牌繞過(guò)故障站繼續(xù)流動(dòng)；若失敗，則再向下找一站。如果一直沒(méi)有找到下一站，則表明現(xiàn)有令牌持有站是邏輯環(huán)上唯一的站，必須重新建立邏輯環(huán)。 3.2 邏輯環(huán)的建立 PROFIBUS協(xié)議首先人為設(shè)定邏輯環(huán)中地址最小的主站為環(huán)首，環(huán)首首先自己給自己發(fā)一令牌幀，這一特殊的令牌幀用來(lái)通知其它主站要開(kāi)始建立邏輯環(huán)了，然后環(huán)首用“Request FDL Status”,按地址增大順序發(fā)給自己的下一站。若下一站用“Not Ready”或者“Passive”應(yīng)答，則首環(huán)把此站地址登記到GAPL表中；若下一站用“Ready for the Logical ring”應(yīng)答，則環(huán)首把此站地址登記到LAS表中，這樣邏輯環(huán)就建立起來(lái)了。 3.3 站的增減 在邏輯環(huán)上的站，必須在LAS表上登記增加的新站或者刪去退出的站，同時(shí)LAS表隨著站的增減而變化。在邏輯環(huán)上從本站到自己的下站這段地址空間叫GAP，GAP的狀態(tài)表叫GAPL表，邏輯環(huán)上的每個(gè)站都要對(duì)自己的GAP進(jìn)行檢查，檢查和應(yīng)答的方式同3.2節(jié)中的描述，如果主站退出邏輯環(huán)，則相應(yīng)的GAPL表應(yīng)相應(yīng)修改。例假若圖2中主站4退出邏輯環(huán)，則站2的GAPL表變成表2的形式。邏輯環(huán)中主站的增減是通過(guò)周期性詢(xún)問(wèn)GAP后，對(duì)LAS以及GAPL表修改實(shí)現(xiàn)的。 表2 站2的GAPL表 3.4 主從方式的優(yōu)先級(jí)調(diào)度4,5 在PROFIBUS總線協(xié)議中，一旦某主站獲得了令牌，它就按主從方式控制和管理全網(wǎng)，并按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度。首先進(jìn)行邏輯環(huán)維護(hù)，這段時(shí)間不計(jì)入令牌持有時(shí)間。然后處理高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，最后處理低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。高優(yōu)先級(jí)服務(wù)即使超過(guò)了令牌持有時(shí)間，也應(yīng)全部處理完。在處理完高優(yōu)先級(jí)任務(wù)后，再根據(jù)所剩的令牌持有時(shí)間對(duì)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)先級(jí)的高低是由主站提出通信要求，用戶進(jìn)行選擇的，選擇高服務(wù)優(yōu)先級(jí)，則該任務(wù)為高優(yōu)先級(jí)任務(wù)；反之為低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。這類(lèi)由主站隨機(jī)提出的通信任務(wù)，采用非周期發(fā)送請(qǐng)求方式傳輸數(shù)據(jù)。如果通信任務(wù)是由用戶預(yù)先在每個(gè)主站中輸入一張輪詢(xún)表（Polling list），該表定義了此主站獲得令牌后應(yīng)輪詢(xún)的從站及其他主站，并規(guī)定此主站與輪詢(xún)表中各站按周期發(fā)送/請(qǐng)求方式傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于這類(lèi)任務(wù)，PROFIBUS一律按低優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度，即：當(dāng)處理完高優(yōu)先級(jí)任務(wù)后，如果剩有令牌持有時(shí)間，則安排輪詢(xún)表規(guī)定的任務(wù)，按照輪詢(xún)表規(guī)定的順序，在令牌持有時(shí)間內(nèi)，采用周期發(fā)送/請(qǐng)求方式向各站發(fā)送數(shù)據(jù)，并要求立即給予帶數(shù)據(jù)的應(yīng)答。4 FDL幀的結(jié)構(gòu) PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)中FDL幀由異步格式的字符組成,字符格式為11位,其中一個(gè)起始位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,一個(gè)偶校驗(yàn)位,一個(gè)停止位,其組成結(jié)構(gòu)如下圖所示. FDL幀的組成結(jié)構(gòu) FDL幀的格式總共有三種：（1）不帶數(shù)據(jù)且長(zhǎng)度固定的幀；它包括請(qǐng)求幀、應(yīng)答幀、簡(jiǎn)短應(yīng)答幀。（2）帶數(shù)據(jù)且長(zhǎng)度固定的幀；它包括發(fā)送/請(qǐng)求幀、響應(yīng)幀。（3）數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度可變的幀。本文重點(diǎn)介紹這種幀的結(jié)構(gòu)6。它包括三種幀： 發(fā)送/請(qǐng)求幀，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中L=4bit 響應(yīng)幀，其結(jié)構(gòu)如下： 令牌幀 上述幀結(jié)構(gòu)中，SYN為同步字段，只在請(qǐng)求幀和令牌幀前出現(xiàn)，不允許在字符之間出現(xiàn)；SD2為開(kāi)始界定符，10H；SD4開(kāi)始界定符，DCH；LE和LEr都表示長(zhǎng)度占一個(gè)字節(jié)，它是DA+SA+FC+DATA-UNIT的字節(jié)數(shù)的總和；FCS校驗(yàn)段，占一個(gè)字節(jié)；DA目的站地址，SA源站地址；DA和SA各占一個(gè)字節(jié)，其格式如下： 地址中EXT為擴(kuò)展位，EXT=0表示不擴(kuò)展，EXT=1表示地址擴(kuò)展，擴(kuò)展形式如下： 當(dāng)DA的EXT=1時(shí)，其擴(kuò)展地址為DAE；當(dāng)SA的EXT=1時(shí)，其擴(kuò)展地址為SAE。DAE和SAE的格式如下： 其中EXT為附加地址擴(kuò)展標(biāo)示符；TYP=0時(shí)，DAE和SAE中為服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)地址SSAP及DSAP；當(dāng)TYP=1時(shí)，DAE和SAE中為帶橋的多級(jí)總線段地址。當(dāng)TYP=0時(shí)，令牌持有站與其下一站的連接如圖3所示。DAE中的DSAP為目的服務(wù)訪問(wèn)站地址，SAE中的SSAP為源服務(wù)訪問(wèn)站（即令牌持有站）地址，DA中的目的站地址，SA為源站地址組成兩級(jí)地址，并建立連接，為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 圖3 兩個(gè)主站連接的建立FC幀控制段，幀控制段是最關(guān)鍵的字段，其格式如下： 其中b8為Res，表示預(yù)留位；b7為幀類(lèi)型，b7=1表示發(fā)送/請(qǐng)求幀，b7=0表示響應(yīng)幀；此時(shí)b6b5作Stn類(lèi)型，即表示站類(lèi)型及FDL狀態(tài)，如b6b5=00，表示從站；b6b5=01表示主站未準(zhǔn)備好；b6b5=10表示主站準(zhǔn)備進(jìn)入邏輯環(huán)；b6b5=11表示該站已是邏輯環(huán)上的主站。當(dāng)b7=1時(shí)，b6b5表示FCB與FCV，F(xiàn)CB位為幀計(jì)數(shù)位，0/1交錯(cuò)。FCV=1表示幀計(jì)數(shù)位有效。FCB位與FCV位聯(lián)合使用以防幀丟失或幀重疊。5 結(jié)束語(yǔ)PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化。它是一種無(wú)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，任何用戶都可以利用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)各自的軟、硬件解決方案。理論上，PROFIBUS協(xié)議在任何微處理器上都可以實(shí)現(xiàn)，在微處理器內(nèi)部或外部安裝異步串行通信接口（UART）即可完成。但當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)500K bit/s、或需要使用IEC1158-2傳輸技術(shù)時(shí)，則必須使用協(xié)議專(zhuān)用芯片7。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性好，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等，掌握了這種總線的通信原理，對(duì)于更好地利用這種總線技術(shù)有著重要的意義。 參考文獻(xiàn)1 陽(yáng)憲惠 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用M 北京：清華大學(xué)出版社 ，1999年2 吳秋峰 自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2001年3 邱公偉 可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用 M 北京：清華大學(xué)出版社 ，2000年4 IEC SC65，IEC1158-7 Digital data communication for measurement and control-fieldbus for use in industrial control systemJ. IEC 1