現(xiàn)場總線Profibus-DP主從站數(shù)據(jù)交換探討

1 引言
　　現(xiàn)場總線（Fieldbu）是20 世紀80 年代末、90 年代初發(fā)展起來的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)，是計算機網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的產(chǎn)物，經(jīng)過十幾年的發(fā)展已成為當今世界自動化技術(shù)的熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前各類現(xiàn)場總線有40 多種，主要用于解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信及這些現(xiàn)場控制設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。
　　目前，較為流行的現(xiàn)場總線有FF 、LonWorks 、Profibus 、WorldFIP 、CAN 、HART （過渡協(xié)議）等。現(xiàn)場總線雖然必須設(shè)計成開放系統(tǒng)，但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不需要保持與OSI 系統(tǒng)完全一致?，F(xiàn)場總線采用了3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。流量控制和差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層中執(zhí)行，報文的可靠傳輸在數(shù)據(jù)鏈路層或應(yīng)用層中執(zhí)行。

2 Profibus-DP 總線
2.1 Profibus-DP 主從通信
　　Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)是一個主站/從站．ｍａｓｔｅｒ/ Slaver）網(wǎng)絡(luò)，典型的DP 配置是單主站結(jié)構(gòu)。DP 主站與DP 從站之間的通信基于主從原理，主站具有總線控制權(quán)，周期地讀取從站的輸人信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息，而總線上的DP 從站僅僅是對主站作有關(guān)應(yīng)答或響應(yīng)。數(shù)據(jù)通信由主站和從站進行監(jiān)控。一個DP 系統(tǒng)也可能是多主系統(tǒng)。
2.2 Profibus-DP 總線拓撲
　　Profibus-DP 系統(tǒng)有2 種總線拓撲結(jié)構(gòu)：一種是RS-485 ，采用屏蔽雙絞線，拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，通信速率為9.6kb/s.（12oom ）-1, 12Mb/s.（100 m ）-1，每段最多節(jié)點數(shù)為32，不支持總線供電；另一種是采用光纖，用于電磁兼容性要求高和長距離要求的場合。
2.3 Profibus-DP主從通信原理
　　在數(shù)據(jù)鏈路層，Profibus-DP 使用混合的總線存取控制機制來實現(xiàn)相關(guān)站之間的通信。其存取控制機制包括用于主站間通信的分散的令牌傳遞機制和用于主站與從站間通信的集中的主-從機
制。Profibus-DP的總線存取控制機制與所使用的傳輸介質(zhì)無關(guān)，每個DP 節(jié)點有一個總線上惟一的地址，報文用節(jié)點編址的方法組織。
　　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Profibus 網(wǎng)絡(luò)的主站按其總線地址（由總線存取控制MAC 程序自動判定總線上所有主動節(jié)點地址并記錄在主動站表LAS 中）的升序組成一個邏輯令牌環(huán)。當某個主站得到令牌后，該主站就被允許在以后的一段時間內(nèi)執(zhí)行主站工作。根據(jù)主從站關(guān)系表給其它的主站或從站發(fā)送幀，直到發(fā)完或規(guī)定的時間到，再把令牌按令牌環(huán)規(guī)定的順序傳給其它主站。具有總線地址HAS （最高站地址）的站點例外，它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點，以使邏輯令牌環(huán)閉合。在主-從方式下，由一個主站控制著多個從站，構(gòu)成主-從系統(tǒng)。主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個主站應(yīng)與相關(guān)的多個從站中的每個從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路，從站可以發(fā)送多個偵，直到以下一種情況發(fā)生為止：從站沒有信息幀可發(fā)送，未完成幀的數(shù)目已達最大值或從站被主站停止。典型的Profibus-DP 總線配置是以主-從總線存取程序為基礎(chǔ)的，一個主動節(jié)點（DP 主站）循環(huán)地與被動節(jié)點（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)中只涉及主從機制，也就是說令牌始終在這個主站，該主站是這個系統(tǒng)中惟一具有總線控制權(quán)的站。

3 基于Profibus 一DP 主從通信
3 . 1 硬件部分
　　Profibus 通信的實現(xiàn)主要由帶Profibus通信接口的中央處理器或通信模塊完成，通信模塊有DP 從站、DP 主站、FMS 站及混合DP 和FMS 的通信模塊。本文實驗是基于奧地利貝加萊（BR) 公司的相關(guān)產(chǎn)品在貝加萊-東華大學工業(yè)自動化聯(lián)合實驗室中進行的，以通過Profibus-DP網(wǎng)對下位對象的控制為例介紹Profibus 一DP 網(wǎng)通信的實現(xiàn)。本實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中主站為BR公司的2005 系列，CPU 為CP260 或IF260 ，主站通過網(wǎng)絡(luò)模塊EX450 掛接到Profibus - DP 網(wǎng)上。當用EX450 作為主站模塊時，可帶具有IF361 、IF661 或其它接口模塊的從站127 個，也可帶具有Profibus 一DP 口的其它設(shè)備，如BR公司的PROVIT 圖文顯示操作站、ACOPOS 伺服裝置、PANEL WARE 人機界面模塊等，或其它公司的一些產(chǎn)品，如Siemens 公司的ET200系列。2 個從站選用2 種不同配置，其中一個為2003 系列，網(wǎng)絡(luò)接口模塊IF361 ；另一個為2005 系列，接口模塊為IF661。接口模塊IF36l 與IF661 內(nèi)部采用的都是Siemens 公司ASICs 芯片SPC3 , SPC3 是一種用于從站的智能通信芯片，支持Profibus-DP 協(xié)議，可獨立完成全部Profibus-DP 通信功能。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3．2 軟件部分
( l ）網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)部分實際上就是形成整個Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)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)；上位機中裝有BR PCC 通信程序開發(fā)平臺Automation Studio (AS）軟件及BR Fieldbus Configurator（Sycon）網(wǎng)絡(luò)配置軟件，分別用于對PCC 編程和對Profibus-DP 網(wǎng)進行組態(tài)、通信設(shè)置及監(jiān)控。