設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

1、陸曉春實(shí)驗(yàn)樓A310L6.1 概述概述6.2 產(chǎn)生及特點(diǎn)產(chǎn)生及特點(diǎn)6.3 體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)6.4 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)6.5 系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用6.6 比較比較p在工業(yè)控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程中，控制領(lǐng)域的工程技術(shù)人員研制了眾多的單體自動(dòng)化設(shè)備，不僅具有較強(qiáng)的控制功能，而且使用方便，性能可靠。p最典型的例子就是可編程控制器（PLC），PLC 是以微處理器為核心的數(shù)字式電子裝置，在模擬量檢測(cè)、控制輸出等方面的作用越來(lái)越大，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍p建立在PLC 基礎(chǔ)上的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，如Profibus、ControlNet、WorldFIP、Interbus 和CC-Link 等，通常

2、稱(chēng)它們?yōu)樵O(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)p從本質(zhì)上講，這類(lèi)總線(xiàn)的傳輸信號(hào)單位是字節(jié)數(shù)，通信活動(dòng)發(fā)生在遠(yuǎn)程I/O 設(shè)備之間，不具備總線(xiàn)供電和本安性能p本章主要介紹Profibus（PROcess FIeld BUS）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)pProfibus 是用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，主要由三個(gè)兼容的協(xié)議類(lèi)型組成，分別是Profibus-FMS、Profibus-DP 和Profibus-PA，pDP（Decentralized Periphery）是分散化外圍設(shè)備pFMS（Field Message Specification）為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)報(bào)文規(guī)范pPA（

3、Process Automation）代表過(guò)程自動(dòng)化。6.2.1 發(fā)展歷程發(fā)展歷程p1989 年德國(guó)正式將Profibus-FMS 和Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)確立為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN19245p1996 年經(jīng)過(guò)歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員將Profibus-FMS 和Profibus-DP 確立為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170 Vol.2p1998 年具有本安功能的Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)被加入到現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170 Vol.2 p2000 年，Profibus 成為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158 Type 3Profibus-FMSpProfibus-FMS 協(xié)議旨在解決車(chē)間級(jí)通

4、用性通信任務(wù)，為用戶(hù)提供強(qiáng)有力的通信服務(wù)功能選擇，實(shí)現(xiàn)中等傳輸速度的周期性和非周期性數(shù)據(jù)傳輸。p每次數(shù)據(jù)傳輸量可達(dá)上千個(gè)字節(jié)，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)p用于電氣、樓宇、紡織等領(lǐng)域的一般自動(dòng)化系統(tǒng)Profibus-DPpProfibus-DP 協(xié)議是專(zhuān)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分散I/O 的高速通信而設(shè)計(jì)的p數(shù)據(jù)傳輸速率范圍在9.6kbps12Mbps 之間，每次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量多達(dá)244 個(gè)字節(jié)p采用周期性通信方式，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)p可用于大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域Profibus-PApProfibus-PA 協(xié)議是需要本質(zhì)安全或總線(xiàn)供電的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的解決方案p數(shù)據(jù)傳輸速率是固定的，其大小為31.25kbps，

5、每次可傳輸數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為235 個(gè)字節(jié)p采用周期性和非周期性通信方式，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)p用于化工、石油、冶金、發(fā)電等領(lǐng)域的過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。pProfibus 標(biāo)準(zhǔn)的基本方案是定義RS-485 接口為標(biāo)準(zhǔn)傳輸接口，用于Profibus-DP/FMS協(xié)議。p為滿(mǎn)足本質(zhì)安全和總線(xiàn)供電方面的需要，Profibus 將IEC 制定的現(xiàn)場(chǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)IEC61158.2 用于Profibus-PA 的數(shù)據(jù)傳輸。p為增加高速傳輸?shù)木嚯x，提高抗干擾能力，還可采用光纖傳輸方法Prifibus-DP、FMS 的RS-485 傳輸pProfibus 標(biāo)準(zhǔn)的基本方案中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線(xiàn)型，每段最多連接32 個(gè)站

6、p可以通過(guò)另外增加總線(xiàn)段來(lái)增加連接的站數(shù)，總線(xiàn)段之間由中繼器相連接，中繼器只起著放大傳輸信號(hào)電平的作用，每增加一個(gè)中繼器，可將總線(xiàn)傳輸距離增加1200mp中繼器不提供信號(hào)再生，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，會(huì)存在位信號(hào)的失真和延遲，因此，限定串聯(lián)的中繼器數(shù)不超過(guò)3 個(gè)，總線(xiàn)上的最多站點(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展到126個(gè)p采用屏蔽雙絞線(xiàn)作為物理層傳輸媒體p每個(gè)總線(xiàn)段的兩端需要配置低阻值的終端電阻p所有信號(hào)接口的參考電位與DGND 之間電位之差，其絕對(duì)值必須小于7VpProfibus-DP、FMS 采用半雙工、異步傳輸，數(shù)據(jù)的發(fā)送用NRZ 編碼，每個(gè)字符幀為11 位，包括1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位、1 個(gè)奇偶檢驗(yàn)位和1 個(gè)終止

7、位p起始位ST0，終止位SP1，數(shù)據(jù)位或奇偶檢驗(yàn)位可為0 或1p二進(jìn)制1 對(duì)應(yīng)于RxD/TxD-P線(xiàn)（也稱(chēng)為B 線(xiàn)）上的正電位，而在RxD/TxD-N線(xiàn)（也稱(chēng)為A 線(xiàn)）上則相反p各報(bào)文間的空閑（idle）狀態(tài)對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制1 信號(hào)p現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）負(fù)責(zé)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）、數(shù)據(jù)安全性、傳輸協(xié)議和各種報(bào)文的處理pProfibus 使用了兩種總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)方式，主站之間采用令牌傳遞方式，主站與從站之間采用主從方式。p令牌傳遞方式保證每個(gè)主站在一個(gè)精確定義的時(shí)間間隔內(nèi)都能獲得總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)（令牌）。p主從方式允許當(dāng)前獲得到令牌的主站訪(fǎng)問(wèn)它所屬的從站pProfibus 網(wǎng)絡(luò)可由多個(gè)主站和多個(gè)從站組成

8、，也可由單一主站和若干個(gè)從站組成p若邏輯令牌環(huán)只含一個(gè)主站，這樣的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為純主從系統(tǒng)p若邏輯令牌環(huán)中包括多個(gè)主站，但網(wǎng)絡(luò)中無(wú)從站，則這樣的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為純主主系統(tǒng)p若網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)包括多個(gè)主站和多個(gè)從站，則稱(chēng)為復(fù)雜系統(tǒng)Profibus報(bào)文格式pProfibus 的幀有5 類(lèi)，分別為：n無(wú)數(shù)據(jù)字段的固定長(zhǎng)度幀n數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變的幀n數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定的幀n令牌幀n短應(yīng)答幀無(wú)數(shù)據(jù)字段的固定長(zhǎng)度幀pSYN：同步位，每個(gè)握手報(bào)文前必須保持33 位長(zhǎng)的空閑狀態(tài)（ 1）pSD1：起始定界符，用于區(qū)分不同的報(bào)文的類(lèi)型。長(zhǎng)度都為一個(gè)字節(jié)nSD1（10H）無(wú)數(shù)據(jù)字段的固定長(zhǎng)度幀nSD2（68H）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變的幀nSD3（0 xA2

9、H）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定的幀nSD4（0 xDCH）令牌幀nSD5（0 xE5H）短應(yīng)答幀pDA：目的地址字段，指出接收此信息的站。pSA：源地址字段，指出發(fā)送此信息的站。pFC：幀控制字段，包含用于此信息的服務(wù)以及有關(guān)此信息優(yōu)先權(quán)的說(shuō)明。pFCS：幀檢驗(yàn)字段，包含幀檢驗(yàn)和。在Profibus 中，除令牌幀和短應(yīng)答幀外，所有幀都使用幀檢驗(yàn)字段（DA,SA,FC,DATA算術(shù)和）。pED：結(jié)束定界符，此字段標(biāo)志著報(bào)文的結(jié)束，ED（ED=16H）長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變的幀pLE/LEr：長(zhǎng)度字段，在數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度可變的情況中，用于指出可變長(zhǎng)度幀中信息字段L的長(zhǎng)度，取值范圍為4249，LEr是LE的重復(fù)

10、pData：數(shù)據(jù)字段，此字段包含幀的有用信息，數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度可變，取值范圍為1246個(gè)字節(jié)。必要時(shí)，數(shù)據(jù)字段還包括擴(kuò)展地址p數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定幀n數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為8p令牌幀n制定令牌的未來(lái)歸屬n和現(xiàn)在何方p短應(yīng)答幀n短應(yīng)答幀為單個(gè)字符nSCSD50 xE5H，n用于對(duì)請(qǐng)求作出簡(jiǎn)單響應(yīng)。Profibus 地址編碼方式p目的地址DA 的取值范圍是0127，地址127 用做發(fā)送無(wú)確認(rèn)數(shù)據(jù)到總線(xiàn)上的所有站點(diǎn)或一組站點(diǎn)，即廣播或群播。p源地址SA 取值范圍是1126p。EXT(b7)位決定地p址是否可以擴(kuò)展。EXT=0 表示在數(shù)據(jù)字段沒(méi)有p擴(kuò)展地址，EXT=1 表示在數(shù)據(jù)字段有擴(kuò)展地址Profibus數(shù)據(jù)完整性

11、p(1) 字符格式出錯(cuò)(奇偶檢驗(yàn)、溢出、幀出錯(cuò))p(2) 協(xié)議出錯(cuò)p(3) 起始和結(jié)束定界符出錯(cuò)p(4) 幀檢驗(yàn)字節(jié)出錯(cuò)p(5) 幀長(zhǎng)度出錯(cuò) p出錯(cuò)的幀至少要被自動(dòng)地重發(fā)一次p只有Profibus-FMS 使用了應(yīng)用層，通信的實(shí)時(shí)性要求低于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)pProfibus-FMS 應(yīng)用層提供了供用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)變量、程序傳遞、事件控制等方面的服務(wù)。主要包括下列兩個(gè)部分：n 描述通信對(duì)象和應(yīng)用服務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)報(bào)文規(guī)范（FMS）。n FMS服務(wù)到FDL層的低層接口（LLI）1、虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備p可實(shí)現(xiàn)通信的那部分應(yīng)用過(guò)程稱(chēng)為虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（VFD，Virtual Field Device），簡(jiǎn)單地說(shuō)，VFD是實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

12、的可通信部分p在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與VFD之間建立一個(gè)通信關(guān)系表，由它來(lái)完成對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信2、通信對(duì)象與對(duì)象字典pProfibus-FMS設(shè)備的所有通信對(duì)象都登入該設(shè)備的對(duì)象字典（OD）中p通信對(duì)象: 靜態(tài)通信對(duì)象和動(dòng)態(tài)通信對(duì)象p靜態(tài)通信對(duì)象登入靜態(tài)對(duì)象字典:簡(jiǎn)單變量、數(shù)組、 記錄（一系列不同類(lèi)型的簡(jiǎn)單變量、 域、 事件p動(dòng)態(tài)通信對(duì)象登入動(dòng)態(tài)對(duì)象字典：變量列表、程序調(diào)用p對(duì)象字典包括描述、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類(lèi)型以及通信對(duì)象的內(nèi)部設(shè)備地址和它們?cè)诳偩€(xiàn)上的標(biāo)志（索引/名稱(chēng)）之間的關(guān)系p對(duì)象字典包括如下列元素：n 頭：包含對(duì)象字典的結(jié)構(gòu)信息；n 靜態(tài)數(shù)據(jù)類(lèi)型表：包括所支持的靜態(tài)數(shù)據(jù)類(lèi)型的表（如布爾量、整數(shù)、

13、浮點(diǎn)數(shù)等）；n 靜態(tài)通信對(duì)象表：包括所支持的靜態(tài)通信對(duì)象的表；n 動(dòng)態(tài)變量表：包括所有已知?jiǎng)討B(tài)變量列表；n 動(dòng)態(tài)程序表：所有已知程序的表3、通信對(duì)象服務(wù)信息編碼pFMS描述了通信對(duì)象的服務(wù)信息編碼pFMS PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）加入了一個(gè)明確的識(shí)別信息碼,該信息能夠識(shí)別PDU的結(jié)構(gòu)和用戶(hù)數(shù)據(jù)pP/C 是元素標(biāo)志位。b7=0 表示識(shí)別的是簡(jiǎn)單元素；b7=1 表示識(shí)別的是結(jié)構(gòu)化元素。pTAG 表示元素的位號(hào)p長(zhǎng)度位：b7=0，長(zhǎng)度位表示簡(jiǎn)單元素的字節(jié)數(shù)；b7=1，長(zhǎng)度位表示的結(jié)構(gòu)化元素個(gè)數(shù)pProfibus-FMS 的設(shè)計(jì)旨在解決車(chē)間監(jiān)控級(jí)通信。在這一層，主要是可編程的控制器（如PLC、PC、MM

14、I 等）之間的通信，需要傳送的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)比現(xiàn)場(chǎng)層大。在這類(lèi)應(yīng)用中，完善的服務(wù)功能比快速的系統(tǒng)反應(yīng)更重要。pFMS 還有一系列可選服務(wù)，其中包括VFD 支持的服務(wù)、OD管理、域管理、程序調(diào)用、變量存取、事件管理、按名稱(chēng)尋址等6.3.4 用戶(hù)層與設(shè)備行規(guī)pProfibus的用戶(hù)層針對(duì)三種不同的協(xié)議類(lèi)型，給出了三種應(yīng)用行規(guī)，分別是FMS 設(shè)備行規(guī)、DP 設(shè)備行規(guī)和PA 設(shè)備行規(guī)p這些應(yīng)用行規(guī)定義了各個(gè)設(shè)備在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中所需要的通信協(xié)議和傳輸技術(shù)，并規(guī)定了與設(shè)備制造商無(wú)關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為特性p例如，例如，DP行規(guī)包括：行規(guī)包括：NC/RC 行規(guī)（裝配與加工自動(dòng)化）、編碼器行規(guī)、變速驅(qū)動(dòng)行規(guī)、操作控制和過(guò)

15、程監(jiān)視行規(guī)（HMI）p方案選擇n方案一：采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（例如VxWorks，OSM，CLinux）及其開(kāi)發(fā)包作為核心軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)n方案二：采用西門(mén)子公司提供的Profibus開(kāi)發(fā)軟件包和通信專(zhuān)用ASIC模塊n方案三：直接采用嵌入式接口模板開(kāi)發(fā)流程p根據(jù)設(shè)備的基本功能需要，確定待開(kāi)發(fā)設(shè)備的主、從站類(lèi)型、輸入輸出條件、支持的傳輸速率等。p選擇適當(dāng)?shù)腜rofibus協(xié)議芯片、處理器和開(kāi)發(fā)工具p申請(qǐng)Profibus設(shè)備標(biāo)識(shí)符pProfibus設(shè)備軟、硬件設(shè)計(jì)p創(chuàng)建描述Profibus產(chǎn)品基本功能的電子設(shè)備數(shù)據(jù)單（GSD）文件p組網(wǎng)通信，測(cè)試Profibus設(shè)備互操作性，并申請(qǐng)產(chǎn)品認(rèn)證pSPC3（Si

16、emens Profibus Controller 3）是一種常用的Profibus外設(shè)協(xié)議芯片，需外接處理器（如80c32、80 x86、80c166、80c165、80c167和HC11、HC16、HC916系列微處理器芯片）。pSPC3使用44管腳的PQFP封裝，內(nèi)部有1.5K字節(jié)的雙口RAM作為DP通信緩沖區(qū)，主要用于智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如變頻器、智能儀表等pSPC3的主要技術(shù)指標(biāo)：n 支持Profibus-DP協(xié)議；n 最大傳輸速率12Mbps，可自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率；n 外部時(shí)鐘接口24MHz或48MHz；n 5VDC供電；n 微定序器控制整個(gè)處理過(guò)程；n 以源碼方式提供運(yùn)行于現(xiàn)場(chǎng)

17、設(shè)備微處理器的固態(tài)程序，長(zhǎng)度大約為6K字節(jié)，可實(shí)現(xiàn)SPC3內(nèi)部寄存器與應(yīng)用接口之間的連接；n 空閑定時(shí)器（idle timer）直接控制串行總線(xiàn)的時(shí)序6.4.3 Profibus-DP 主/從站通信接口板p主站和從站的接口板供其它廠(chǎng)家做OEM使用p有了接口板，可以減輕Profibus 設(shè)備開(kāi)發(fā)人員的工作量。西門(mén)子公司提供了利用接口板進(jìn)行開(kāi)發(fā)的套件，套件名稱(chēng)為PACKAGE4。利用這一套件，很容易將一個(gè)設(shè)備快速的轉(zhuǎn)變?yōu)镻rofibus-DP主站或從站。套件由硬件、軟件和應(yīng)用程序組成，硬件包括接口板、總線(xiàn)連接器及電纜等；軟件包括：COM Profibus 參數(shù)化軟件、接口板固化程序、接口板組態(tài)軟件

18、以及軟件包的演示軟件。pProfibus定義了電子設(shè)備數(shù)據(jù)單(GSD)文件，利用這個(gè)文件對(duì)設(shè)備的通信屬性進(jìn)行比較明確的描述p生產(chǎn)商為每臺(tái)Profibus設(shè)備提供一個(gè)GSD文件pGSD是ASCII碼格式的文本文件，明確定義了設(shè)備的制造商、設(shè)備支持的傳輸速率、診斷信息、通用通信規(guī)范和設(shè)備專(zhuān)用通信規(guī)范等pProfibus網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，通過(guò)裝入每個(gè)設(shè)備的GSD文件，可以很容易地把不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備組態(tài)在Profibus網(wǎng)絡(luò)中pGSD文件包括通用規(guī)范、主站規(guī)范、從站規(guī)范三個(gè)部分pGSD文件的幾個(gè)重要參數(shù)n 制造商標(biāo)識(shí)符n 設(shè)備標(biāo)識(shí)符n 設(shè)備支持的傳輸速率n 設(shè)備的診斷信息 #Pr0fibus DP

19、；DP設(shè)備的設(shè)備的GSD文件均以此關(guān)鍵存在文件均以此關(guān)鍵存在 GSD Revision=1 ；GSD文件版本文件版本 VendorName=Meglev ；設(shè)備制造商；設(shè)備制造商 Model Name=DP Slave ；產(chǎn)品名稱(chēng)，產(chǎn)品版本；產(chǎn)品名稱(chēng)，產(chǎn)品版本 Revision=Version 01 ；產(chǎn)品版本號(hào)；產(chǎn)品版本號(hào)(可選可選) RevisionNtmber=01 ；產(chǎn)品識(shí)別號(hào)；產(chǎn)品識(shí)別號(hào) IdemNumber=0 x01 ；協(xié)議類(lèi)型（表示；協(xié)議類(lèi)型（表示DP） ProtocoI Ident=0 ；站類(lèi)型；站類(lèi)型(0表示從站表示從站) StationType=0 ；不支持；不支持FMS

20、純純DP從站從站 FMS Supp=0 ；硬件版本；硬件版本 Hardware Realease=“HW1.0” ；軟件版本；軟件版本 Soltware Realease=SWl.0 ；支持；支持9.6kbps波特率波特率 9.6 supp=1 ；支持；支持19.2kbps波特率波特率 19.2 supp=l ；9.6kbps時(shí)最大延遲時(shí)間時(shí)最大延遲時(shí)間MaxTsdr 9.6=60 ；19.2kbps時(shí)最大延遲時(shí)間時(shí)最大延遲時(shí)間 MaxTsdrl9.2=60 ；不提供；不提供RTS信號(hào)信號(hào) RepeaterCtrl sig=0 ；不提供；不提供24V電壓電壓 24VPins=0 ；采用的解決方案；采用的解決方案 Implementation Type=SPC3 ；不支持