設(shè)備現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線陸曉春實驗樓A310Luxc@第六章設(shè)備現(xiàn)場總線6.1概述6.2產(chǎn)生及特點6.3體系結(jié)構(gòu)6.4產(chǎn)品開發(fā)6.5系統(tǒng)應(yīng)用6.6比較6.1設(shè)備現(xiàn)場總線概述在工業(yè)控制系統(tǒng)的長期發(fā)展過程中，控制領(lǐng)域的工程技術(shù)人員研制了眾多的單體自動化設(shè)備，不僅具有較強的控制功能，而且使用方便，性能可靠。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、控制輸出等方面的作用越來越大，具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍建立在PLC基礎(chǔ)上的現(xiàn)場總線，如Profibus、ControlNet、WorldFIP、Interbus和CC-Link等，通常稱它們?yōu)樵O(shè)備現(xiàn)場總線從本質(zhì)上講，這類總線的傳輸信號單位是字節(jié)數(shù)，通信活動發(fā)生在遠(yuǎn)程I/O設(shè)備之間，不具備總線供電和本安性能本章主要介紹Profibus（PROcessFIeldBUS）現(xiàn)場總線6.2Profibus總線的產(chǎn)生及特點Profibus是用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，主要由三個兼容的協(xié)議類型組成，分別是Profibus-FMS、Profibus-DP和Profibus-PA，DP（DecentralizedPeriphery）是分散化外圍設(shè)備FMS（FieldMessageSpecification）為現(xiàn)場總線報文規(guī)范PA（ProcessAutomation）代表過程自動化。6.2.1發(fā)展歷程1989年德國正式將Profibus-FMS和Profibus-DP現(xiàn)場總線確立為德國標(biāo)準(zhǔn)DIN192451996年經(jīng)過歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員將Profibus-FMS和Profibus-DP確立為現(xiàn)場總線歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170Vol.21998年具有本安功能的Profibus-PA現(xiàn)場總線被加入到現(xiàn)場總線歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170Vol.22000年，Profibus成為現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158Type36.2.2Profibus的特點Profibus-FMSProfibus-FMS協(xié)議旨在解決車間級通用性通信任務(wù)，為用戶提供強有力的通信服務(wù)功能選擇，實現(xiàn)中等傳輸速度的周期性和非周期性數(shù)據(jù)傳輸。每次數(shù)據(jù)傳輸量可達(dá)上千個字節(jié)，響應(yīng)時間為毫秒級用于電氣、樓宇、紡織等領(lǐng)域的一般自動化系統(tǒng)Profibus-DPProfibus-DP協(xié)議是專為現(xiàn)場級控制系統(tǒng)與分散I/O的高速通信而設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍在9.6kbps~12Mbps之間，每次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量多達(dá)244個字節(jié)采用周期性通信方式，響應(yīng)時間為毫秒級可用于大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域Profibus-PAProfibus-PA協(xié)議是需要本質(zhì)安全或總線供電的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的解決方案數(shù)據(jù)傳輸速率是固定的，其大小為31.25kbps，每次可傳輸數(shù)據(jù)的最大長度為235個字節(jié)采用周期性和非周期性通信方式，響應(yīng)時間為毫秒級用于化工、石油、冶金、發(fā)電等領(lǐng)域的過程工業(yè)自動化系統(tǒng)。6.3Profibus總線體系結(jié)構(gòu)6.3.1物理層及物理連接Profibus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。為滿足本質(zhì)安全和總線供電方面的需要，Profibus將IEC制定的現(xiàn)場物理層標(biāo)準(zhǔn)IEC61158.2用于Profibus-PA的數(shù)據(jù)傳輸。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Profibus標(biāo)準(zhǔn)的基本方案中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，每段最多連接32個站可以通過另外增加總線段來增加連接的站數(shù)，總線段之間由中繼器相連接，中繼器只起著放大傳輸信號電平的作用，每增加一個中繼器，可將總線傳輸距離增加1200m中繼器不提供信號再生，在遠(yuǎn)距離傳輸時，會存在位信號的失真和延遲，因此，限定串聯(lián)的中繼器數(shù)不超過3個，總線上的最多站點數(shù)可擴(kuò)展到126個采用屏蔽雙絞線作為物理層傳輸媒體每個總線段的兩端需要配置低阻值的終端電阻所有信號接口的參考電位與DGND之間電位之差，其絕對值必須小于7VProfibus-DP、FMS采用半雙工、異步傳輸，數(shù)據(jù)的發(fā)送用NRZ編碼，每個字符幀為11位，包括1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶檢驗位和1個終止位起始位ST＝0，終止位SP＝1，數(shù)據(jù)位或奇偶檢驗位可為0或1二進(jìn)制1對應(yīng)于RxD/TxD-P線（也稱為B線）上的正電位，而在RxD/TxD-N線（也稱為A線）上則相反各報文間的空閑（idle）狀態(tài)對應(yīng)于二進(jìn)制1信號6.3.2現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）負(fù)責(zé)媒體訪問控制（MAC）、數(shù)據(jù)安全性、傳輸協(xié)議和各種報文的處理Profibus使用了兩種總線訪問方式，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。令牌傳遞方式保證每個主站在一個精確定義的時間間隔內(nèi)都能獲得總線訪問權(quán)（令牌）。主從方式允許當(dāng)前獲得到令牌的主站訪問它所屬的從站Profibus網(wǎng)絡(luò)可由多個主站和多個從站組成，也可由單一主站和若干個從站組成若邏輯令牌環(huán)只含一個主站，這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為純主－從系統(tǒng)若邏輯令牌環(huán)中包括多個主站，但網(wǎng)絡(luò)中無從站，則這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為純主－主系統(tǒng)若網(wǎng)絡(luò)中同時包括多個主站和多個從站，則稱為復(fù)雜系統(tǒng)Profibus報文格式Profibus的幀有5類，分別為：無數(shù)據(jù)字段的固定長度幀數(shù)據(jù)長度可變的幀數(shù)據(jù)長度固定的幀令牌幀短應(yīng)答幀無數(shù)據(jù)字段的固定長度幀SYN：同步位，每個握手報文前必須保持33位長的空閑狀態(tài)（1）SD1：起始定界符，用于區(qū)分不同的報文的類型。長度都為一個字節(jié)SD1（10H）無數(shù)據(jù)字段的固定長度幀SD2（68H）數(shù)據(jù)長度可變的幀SD3（0xA2H）數(shù)據(jù)長度固定的幀SD4（0xDCH）令牌幀SD5（0xE5H）短應(yīng)答幀DA：目的地址字段，指出接收此信息的站。SA：源地址字段，指出發(fā)送此信息的站。FC：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)的說明。FCS：幀檢驗字段，包含幀檢驗和。在Profibus中，除令牌幀和短應(yīng)答幀外，所有幀都使用幀檢驗字段（DA,SA,FC,DATA算術(shù)和）。ED：結(jié)束定界符，此字段標(biāo)志著報文的結(jié)束，ED（ED=16H）長度為一個字節(jié)。數(shù)據(jù)長度可變的幀LE/LEr：長度字段，在數(shù)據(jù)字段長度可變的情況中，用于指出可變長度幀中信息字段L的長度，取值范圍為4~249，LEr是LE的重復(fù)Data：數(shù)據(jù)字段，此字段包含幀的有用信息，數(shù)據(jù)字段的長度可變，取值范圍為1~246個字節(jié)。必要時，數(shù)據(jù)字段還包括擴(kuò)展地址數(shù)據(jù)長度固定幀數(shù)據(jù)長度固定為8令牌幀制定令牌的未來歸屬和現(xiàn)在何方短應(yīng)答幀短應(yīng)答幀為單個字符SC＝SD5＝0xE5H，用于對請求作出簡單響應(yīng)。Profibus地址編碼方式目的地址DA的取值范圍是0~127，地址127用做發(fā)送無確認(rèn)數(shù)據(jù)到總線上的所有站點或一組站點，即廣播或群播。源地址SA取值范圍是1~126。EXT(b7)位決定地址是否可以擴(kuò)展。EXT=0表示在數(shù)據(jù)字段沒有擴(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(1)字符格式出錯(奇偶檢驗、溢出、幀出錯)(2)協(xié)議出錯(3)起始和結(jié)束定界符出錯(4)幀檢驗字節(jié)出錯(5)幀長度出錯出錯的幀至少要被自動地重發(fā)一次6.3.3應(yīng)用層只有Profibus-FMS使用了應(yīng)用層，通信的實時性要求低于現(xiàn)場級Profibus-FMS應(yīng)用層提供了供用戶訪問變量、程序傳遞、事件控制等方面的服務(wù)。主要包括下列兩個部分：⑴描述通信對象和應(yīng)用服務(wù)的現(xiàn)場總線報文規(guī)范（FMS）。⑵FMS服務(wù)到FDL層的低層接口（LLI）1、虛擬現(xiàn)場設(shè)備可實現(xiàn)通信的那部分應(yīng)用過程稱為虛擬現(xiàn)場設(shè)備（VFD，VirtualFieldDevice），簡單地說，VFD是實際現(xiàn)場設(shè)備的可通信部分在實際現(xiàn)場設(shè)備與VFD之間建立一個通信關(guān)系表，由它來完成對實際現(xiàn)場設(shè)備的通信2、通信對象與對象字典Profibus-FMS設(shè)備的所有通信對象都登入該設(shè)備的對象字典（OD）中通信對象:靜態(tài)通信對象和動態(tài)通信對象靜態(tài)通信對象登入靜態(tài)對象字典:簡單變量、數(shù)組、記錄（一系列不同類型的簡單變量、域、事件動態(tài)通信對象登入動態(tài)對象字典：變量列表、程序調(diào)用對象字典包括描述、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型以及通信對象的內(nèi)部設(shè)備地址和它們在總線上的標(biāo)志（索引/名稱）之間的關(guān)系對象字典包括如下列元素：⑴頭：包含對象字典的結(jié)構(gòu)信息；⑵靜態(tài)數(shù)據(jù)類型表：包括所支持的靜態(tài)數(shù)據(jù)類型的表（如布爾量、整數(shù)、浮點數(shù)等）；⑶靜態(tài)通信對象表：包括所支持的靜態(tài)通信對象的表；⑷動態(tài)變量表：包括所有已知動態(tài)變量列表；⑸動態(tài)程序表：所有已知程序的表3、通信對象服務(wù)信息編碼FMS描述了通信對象的服務(wù)信息編碼FMSPDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）加入了一個明確的識別信息碼,該信息能夠識別PDU的結(jié)構(gòu)和用戶數(shù)據(jù)P/C是元素標(biāo)志位。b7=0表示識別的是簡單元素；b7=1表示識別的是結(jié)構(gòu)化元素。TAG表示元素的位號長度位：b7=0，長度位表示簡單元素的字節(jié)數(shù)；b7=1，長度位表示的結(jié)構(gòu)化元素個數(shù)Profibus-FMS的設(shè)計旨在解決車間監(jiān)控級通信。在這一層，主要是可編程的控制器（如PLC、PC、MMI等）之間的通信，需要傳送的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)比現(xiàn)場層大。在這類應(yīng)用中，完善的服務(wù)功能比快速的系統(tǒng)反應(yīng)更重要。FMS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、按名稱尋址等6.3.4用戶層與設(shè)備行規(guī)Profibus的用戶層針對三種不同的協(xié)議類型，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)這些應(yīng)用行規(guī)定義了各個設(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)備制造商無關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備行為特性例如，DP行規(guī)包括：NC/RC行規(guī)（裝配與加工自動化）、編碼器行規(guī)、變速驅(qū)動行規(guī)、操作控制和過程監(jiān)視行規(guī)（HMI）6.4Profibus產(chǎn)品開發(fā)方案選擇方案一：采用實時操作系統(tǒng)（例如VxWorks，OSM，μCLinux）及其開發(fā)包作為核心軟件開發(fā)平臺方案二：采用西門子公司提供的Profibus開發(fā)軟件包和通信專用ASIC模塊方案三：直接采用嵌入式接口模板開發(fā)流程根據(jù)設(shè)備的基本功能需要，確定待開發(fā)設(shè)備的主、從站類型、輸入輸出條件、支持的傳輸速率等。選擇適當(dāng)?shù)腜rofibus協(xié)議芯片、處理器和開發(fā)工具申請Profibus設(shè)備標(biāo)識符Profibus設(shè)備軟、硬件設(shè)計創(chuàng)建描述Profibus產(chǎn)品基本功能的電子設(shè)備數(shù)據(jù)單（GSD）文件組網(wǎng)通信，測試Profibus設(shè)備互操作性，并申請產(chǎn)品認(rèn)證6.4.2Profibus芯片說明SPC3（SiemensProfibusController3）是一種常用的Profibus外設(shè)協(xié)議芯片，需外接處理器（如80c32、80x86、80c166、80c165、80c167和HC11、HC16、HC916系列微處理器芯片）。SPC3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)場設(shè)備，如變頻器、智能儀表等SPC3的主要技術(shù)指標(biāo)：⑴支持Profibus-DP協(xié)議；⑵最大傳輸速率12Mbps，可自動檢測和調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率；⑶外部時鐘接口24MHz或48MHz；⑷5VDC供電；⑸微定序器控制整個處理過程；⑹以源碼方式提供運行于現(xiàn)場設(shè)備微處理器的固態(tài)程序，長度大約為6K字節(jié)，可實現(xiàn)SPC3內(nèi)部寄存器與應(yīng)用接口之間的連接；⑺空閑定時器（idletimer）直接控制串行總線的時序6.4.3Profibus-DP主/從站通信接口板主站和從站的接口板供其它廠家做OEM使用有了接口板，可以減輕Profibus設(shè)備開發(fā)人員的工作量。西門子公司提供了利用接口板進(jìn)行開發(fā)的套件，套件名稱為PACKAGE4。利用這一套件，很容易將一個設(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、總線連接器及電纜等；軟件包括：COMProfibus參數(shù)化軟件、接口板固化程序、接口板組態(tài)軟件以及軟件包的演示軟件。6.4.4GSD文件Profibus定義了電子設(shè)備數(shù)據(jù)單(GSD)文件，利用這個文件對設(shè)備的通信屬性進(jìn)行比較明確的描述生產(chǎn)商為每臺Profibus設(shè)備提供一個GSD文件GSD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)備專用通信規(guī)范等Profibus網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組態(tài)時，通過裝入每個設(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GSD文件包括通用規(guī)范、主站規(guī)范、從站規(guī)范三個部分GSD文件的幾個重要參數(shù)⑴制造商標(biāo)識符⑵設(shè)備標(biāo)識符⑶設(shè)備支持的傳輸速率⑷設(shè)備的診斷信息#Pr0fibusDP；DP設(shè)備的GSD文件均以此關(guān)鍵存在GSDRevision=1；GSD文件版本VendorName="Meglev"；設(shè)備制造商ModelName="DPSlave"；產(chǎn)品名稱，產(chǎn)品版本Revision="Version01"；產(chǎn)品版本號(可選)RevisionNtmber=01；產(chǎn)品識別號IdemNumber=0x01；協(xié)議類型（表示DP）ProtocoIIdent=0；站類型(0表示從站)StationType=0；不支持FMS．純DP從站FMSSupp=0；硬件版本HardwareRealease=“HW1.0”；軟件版本SoltwareRealease="SWl.0"；支持9.6kbps波特率9.6supp=1；支持19.2kbps波特率19.2supp=l；9.6kbps時最大延遲時間MaxTsdr9.6=60；19.2kbps時最大延遲時間MaxTsdrl9.2=60；不提供RTS信號