【正文】 PNET 的多重接口產(chǎn)品。 1987 年 PNET 標(biāo)準(zhǔn)成為開(kāi)放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 1996 年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部 分（ EN 50170 ）。 1997年組建國(guó)際 PNET 用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的 Siekeb，并在德國(guó)、英國(guó)、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。 PNET 現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。 2 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS 概述 目前世界流行的現(xiàn)場(chǎng)總線及總線標(biāo)準(zhǔn)有很多種，其中 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，在中國(guó)也組建了 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線專 業(yè)委員會(huì)，它是目前世界上最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，長(zhǎng)沙八水廠自控系統(tǒng)便是采用了該總線。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS 協(xié)議由 PROFIBUSDP、 PROFIBUSFMS 和 PROFIBUSPA 三個(gè)兼容部分組成。采用了 OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，支持主從系統(tǒng)、純主系統(tǒng)、多主多從系統(tǒng)通信方式。主站對(duì)總線具有控制權(quán)，主站間通過(guò)傳遞令牌來(lái)傳遞對(duì)總線的控制權(quán)，取得控制權(quán)的主站可向從站發(fā)送、獲取信息。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可分為三個(gè)兼容版本：（ 1） PROFIBUSDP 以其較快的傳輸速度和強(qiáng)抗干擾能力而應(yīng)用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng) 與分散式 I/O 之間的通訊 。（ 2）PROFIBUSFMS 主要解決車(chē)間級(jí)的通用型通信任務(wù) ,可以提供靈活而大量的通信服務(wù) 。（ 3） PROFIBUSPA 則專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì) ,它直接和現(xiàn)場(chǎng)的傳感器或執(zhí)行器連接 ,并可通過(guò) DP/PA 接口與 DP 總線連接 ,使用于安全性要求較高以及由總線供電的場(chǎng)合。 PROFIBUS 的協(xié)議結(jié)構(gòu) PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù) ISO7498 國(guó)際準(zhǔn)，以開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（ Open System Interconnection— SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖 2所示： 圖 2 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu) 第一層 :物理層 （ Physical Layer） 定義了網(wǎng)絡(luò)信道上的信號(hào)與連接方式、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、每條線路連接儀表的數(shù)量、最大傳輸距離、電源等。當(dāng)處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時(shí)，該層接受數(shù)據(jù)鏈路層 （ DLL） 下發(fā)的數(shù)據(jù)，并將以某種電氣信號(hào)進(jìn)行編碼并發(fā)送 。當(dāng)處于數(shù)據(jù)接受狀態(tài)時(shí)，將相應(yīng)的電氣信號(hào)編碼為二進(jìn)制數(shù)，并送到鏈路層。 第二層 :數(shù)據(jù)鏈路層 （ Data Link Layer） 定義了一系列服務(wù)于應(yīng)用層的功能和向下與物理層的接口，使用物理層的服務(wù)，提供了介質(zhì)存取控制功能、信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)檢驗(yàn)。 DLL 提供原語(yǔ)服務(wù)和相關(guān)事件、與原語(yǔ)服務(wù)相關(guān)的參數(shù)格式，以及這些服務(wù)及事件之間的相關(guān)關(guān)系， DLL 為用戶提供了可靠且透明的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。 數(shù)據(jù)鏈路層是現(xiàn)場(chǎng)總線的核心。所有連接到同一物理通道上的應(yīng)用進(jìn)程實(shí)際上都是通過(guò)鏈路層的實(shí)時(shí)管理來(lái)協(xié)調(diào)的。為了突出實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)總線沒(méi)有采用以往 IEE802. 4 標(biāo)準(zhǔn)中定義的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。在這種方式下，物理通道被有效地利用起來(lái)，并可有效地減少或避免實(shí)時(shí)通信的延遲。 第三層 :應(yīng)用層 （ Fieldbus Application Layer） 為用戶提供了一系 列的服務(wù)，擁有簡(jiǎn)化或?qū)崿F(xiàn)分布式控制系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，同時(shí)為分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)提供了應(yīng)用接口的操作標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開(kāi)放性。應(yīng)用層與其它層的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)構(gòu)一起對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行管理。 第四層 :用戶 （ User Layer） 是專門(mén)針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制和具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它定義了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)間互相存取的統(tǒng)一規(guī)則，用戶憑標(biāo)準(zhǔn)功能塊可組態(tài)成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶的應(yīng)用程序，這是使現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)一項(xiàng)通信標(biāo)準(zhǔn)而成為一項(xiàng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵，也是使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)開(kāi)放與可互操作性的關(guān)鍵。 此外 ，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還為每個(gè)設(shè)備定義了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理代理，可提供組態(tài)管理、性能管理和差錯(cuò)管理的功能。系統(tǒng)管理負(fù)責(zé)完成設(shè)備地址分配、功能塊執(zhí)行調(diào)度、時(shí)鐘同步和標(biāo)記定位等功能。 （ 1） PROFIBUSDP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同 PROFIBUSDP 設(shè)備的設(shè)備行為。 （ 2） PROFIBUSFMS：定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（ Fieldbus Message SpecificationFMS ） 和 低 層 接 口 （ Lower Layer Interface— LLI）。 FMS 包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。 LLI 協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問(wèn)接口。 （ 3） PROFIBUSPA： PA 的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的 PROFIBUSDP 協(xié)議。另外， PA 還描述了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的 PA 行規(guī)。根據(jù) IEC11582 標(biāo)準(zhǔn)， PA 的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過(guò)總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用連接器可在 DP上擴(kuò)展 PA 網(wǎng)絡(luò)。 3 PROFIBUSDP 概述 PROFIBUSDP 用于現(xiàn) 場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站 （ PLC） 程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外， PROFIBUSDP 還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。 PROFIBUSDP 的基本功能 （ 1） 傳輸技術(shù)： RS485 雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從 2Mbit/s。 （ 2） 總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主 — 從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)。總線上最多站點(diǎn)（主 — 從設(shè)備）數(shù)為 126。 （ 3） 通信：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主 — 從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主 — 主數(shù)據(jù)傳送。 （ 4） 運(yùn)行模式：運(yùn)行、清除、停止。 （ 5） 同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。 （ 6） 功能： DP 主站和 DP 從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各 DP 從站的動(dòng)態(tài)激活和可激活。 DP 從站組態(tài)的檢查。強(qiáng)大的診斷功能，三級(jí)診斷信息。輸入或輸出的同步。通過(guò)總線給 DP 從站賦予地址。通過(guò)總線對(duì) DP 主站（ DPM1）進(jìn)行配置。每 DP 從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為 246 字節(jié)。 （ 7） 可靠性和保護(hù)機(jī)制：所有信息 的傳輸按海明距離 HD=4 進(jìn)行。 DP 從站帶看門(mén)狗定時(shí)器（ Watchdog Timer）。對(duì) DP 從站的輸入 /輸出進(jìn)行存取保護(hù)。 DP 主站上帶可變定時(shí)器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。 （ 8） 設(shè)備類(lèi)型：第二類(lèi) DP 主站（ DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類(lèi) DP 主站（ DPM1）是中央可編程序控制器，如 PLC、 PC 等。 DP 從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)等。 PROFIBUSDP 基本特征 （ 1） 速率：在一個(gè)有著 32 個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中， PROFIBUSDP 對(duì)所有站點(diǎn)傳送 512 bit/s 輸入和 512 bit/s 輸出，在 12M bit/s 時(shí)只需 1 毫秒。 （ 2） 診斷功能：經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的 PROFIBUSDP 診斷能能對(duì)故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級(jí)： 本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過(guò)高、壓力過(guò)低。 模塊診斷操作：一個(gè)站點(diǎn)的某具體 I/O 模塊故障。 通道診斷操作：一個(gè)單獨(dú)輸入 /輸出位的故障。 4 PROFIBUSDP 控制系統(tǒng) PROFIBUSDP 系統(tǒng)配置和設(shè)備類(lèi)型 PROFIBUSDP 允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可 連接 126 個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入 /輸出地址、輸入 /輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個(gè) PROFIBUSDP 系統(tǒng)可包括以下三種不同類(lèi)型設(shè)備： （ 1）一級(jí) DP 主站（ DPM1）：一級(jí) DP 主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如 DP 從站）交換信息。典型的 DPM1 如 PLC 或 PC。 （ 2）二級(jí) DP 主站（ DPM2）：二級(jí) DP 主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在 DP 系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。 （ 3） DP 從站： DP 從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè) 備（ I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、 HMI、閥門(mén)等）。 具體介紹如下 : PLC(智能型 1/0) : PLC 自身有程序存儲(chǔ)器， PLC 的 CPU 部分執(zhí)行程序并按程序指令驅(qū)動(dòng) I/O，可以作為 Profibus 的一個(gè)從站。在 PLC 存儲(chǔ)器中劃分出一段特定區(qū)域，作為 PLC 與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)。主站可以通過(guò)通信間接控制從站 PLC 的 I/O 接口。 分散式 1/O(非智能型 I/O ):通常由電源部分、通信適配器部分、接線端子部分組成。分散式 I/O 不具有程序存儲(chǔ)和程序執(zhí)行，通信適配器部分接收主站指令，按主站指令驅(qū)動(dòng) I/O，并將 I/O 輸入及故障診斷 等信息返回給主站。通常分散型 I/O 是由主站統(tǒng)一編址，這樣在主站編程時(shí)使用分散式 I/O 與使用主站的 I/O沒(méi)有什么區(qū)別。 驅(qū)動(dòng)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 :即帶 Profibus 接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可由主站在線完成系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)交換等功能。至于哪些參數(shù)可進(jìn)行通信及參數(shù)格式由 Profibus 行規(guī)決定。 （ 4）單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站。如圖 3 所示： 圖 3 單主站系統(tǒng) DP主站（ 1 類(lèi)） DP主站（ 2 類(lèi)） 1 到 125 個(gè) DP從站 單主系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最短的總線循環(huán)時(shí)間，他們的組成： ● 1 個(gè) DP1 類(lèi)主站 ● 1 到 125 個(gè) DP從站 ● 1 到 DP2 類(lèi)主站（可選） （ 5）多主站系統(tǒng)：總線上連有多個(gè)主站。這些主站與各自從站構(gòu)成 相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè) DPM指定的若干從站及可能的 DPM2 設(shè)備。任何一個(gè)主站均可讀取 DP 從站的輸入 /輸出映像 ， 但 是 只有一個(gè) DP 主站允許對(duì)DP 從站寫(xiě)入數(shù)據(jù)。如圖 4 所示： 圖 4 多主站系統(tǒng) PROFIBUS 控制系統(tǒng)配置的幾種形式 按現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備類(lèi)型分 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否具備 Profibus 接口， Profibus 控制系統(tǒng)配置可分為三種形式。 總線接口型 :現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不具備 Profibus 接口，采用分散式 I/O 作為總線接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)初期容易推廣。如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能分組，組內(nèi)設(shè)備相對(duì)集中，這種模式會(huì)更好地發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 單一總線型 :現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具備 Profibus 接口。這是一種理想情況。可使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進(jìn)技術(shù)所帶來(lái)的利益。不過(guò)，在目前這種方案設(shè)備成本可能較高。 混合型 :現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分具備 Profibus 接口。在較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，這將是相當(dāng)普遍的。這時(shí)應(yīng)采用 Profibus 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加分散式 1/O 混合使用的方法。不管舊設(shè)備改造還是新建項(xiàng)目，希 望全部使用具備 Profibus 接口的設(shè)備的場(chǎng)合可能不是很多，分散式 I/O 可作為通用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，是一種靈活的集成方案。 在本課題對(duì)象的測(cè)控系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中某些變送器、調(diào)節(jié)閥不具備Profibus 接口，還有一些設(shè)備在成本和使用的便利性上，使用傳統(tǒng)的模擬儀表更DP 1 類(lèi)主站 DP 2 類(lèi)主站 DP 1 類(lèi)主站 DP 從站 DP 從站 PROFIBUS— DP 系統(tǒng)多主系統(tǒng)的組成： 3 個(gè)主設(shè)備（ 1 類(lèi) or2 類(lèi)）、 1 到最多 124 個(gè) DP從站。 為合算。因此，多現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)室中建立的測(cè)控系統(tǒng)將采用混合型配置。 按實(shí)際應(yīng)用需要分 根據(jù)實(shí)際需要及投入資金情況，通常有如下幾種結(jié)構(gòu)類(lèi)型 : （ 1） 以 PLC 或控制器作為一類(lèi)主站，不設(shè)監(jiān)控站，調(diào)試階段配置一臺(tái)編程設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型中， PLC 或 控制器完成總線通信管理、從站數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、從站遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。 （ 2） 以 PLC 或控制器作為一類(lèi)主站，監(jiān)控站通過(guò)串口與 PLC 一對(duì)一連接。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型中，監(jiān)控站不在 Profibus 網(wǎng)上，不是二類(lèi)主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)或完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從 PLC 或控制器讀取。 （ 3） 以 PLC 或其他控制器作為一類(lèi)主站，監(jiān)控站作為二類(lèi)主站連接在Profibus 總線上。在這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型中，監(jiān)控站完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化以及在線監(jiān)控功能。 （ 4） 使用 PC 機(jī) +Profibus 網(wǎng)卡作為一類(lèi)主站，監(jiān)控站與一類(lèi)主站一體化。這 是一個(gè)低成本方案。在主站結(jié)構(gòu)類(lèi)型中， PC 機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。另外，通信模板廠商通常只提供一個(gè)模板的驅(qū)動(dòng)程序，總線控制程序、從站控制程序、監(jiān)控程序可能要由用戶開(kāi)發(fā)，工作量比較大。 （ 5） 堅(jiān)固式 PC 機(jī) （ Compact Computer） +Profibus 網(wǎng)卡 +Soft PLC 的結(jié)構(gòu)形式。此方案和方案 （ 4） 比較，可靠性將大大提高。不過(guò)，由于控制器工作站是監(jiān)控站與一類(lèi)主站的一體化，要求 Soft PLC 軟件必須完成 : 1） 支持編程，包括主站應(yīng)用程序的開(kāi)