淺談PLC的現場總線技術

6) HART

HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發并得到80多家著名儀表公司的支持。HART通信模型也是由三層組成：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用了FSK（Frequency Shift Keying）技術，在4~20mA模擬信號上疊加一個頻率信號，數據傳輸速率為1200bit/s，邏輯“0”的信號頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號傳輸頻率為1200Hz。

5 PROFIBUS簡介

各類現場總線協議具有各自的特點及應用領域，為進一步說明現場總線技術的特點，以下對PLC系統中應用較廣泛的PROFIBUS作一簡要介紹。

5.1 PROFIBUS的組成

PROFIBUS主要由三個相互兼容的部分：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP組成。

1) PROFIBUS-DP（Distrbuted Periphery）：一種高速（數據傳輸速率9.6kbit/s~12Mbit/s）、經濟的設備級網絡，主要用于現場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足快速響應的時間要求；位于這一級的PLC或工業控制計算機可以通過PROFIBUS-DP同分散的現場設備進行通信。

2) PROFIBUS-PA（Process Automation）：它是專為過程自動化所設計的協議，可用于安全性要求較高的場合。

3) PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：可以用于車間級監控網絡，FMS提供大量的通信服務，用以完成中等級傳輸速度進行的循環和非循環的通信服務。對于FMS而言，它考慮的主要是系統功能而不是系統響應時間。FMS服務向用戶提供了廣泛的應用范圍和更大的靈活性，通常用于大范圍，復雜的通信系統。

5.2 PROFIBUS協議結構

PROFIBUS協議以ISO/OSI參考模型為基礎，第一層為物理層，定義了物理的傳輸特性；第二層為數據鏈路層；第三層至第六層PROFIBUS未使用；第七層為應用層，定義了應用的功能。

PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信標準中的第一及第二層（即物理層和數據鏈路層）和用戶接口層。第三層到第七層未使用，這種的精簡的結構確保高速數據傳輸。直接數據鏈路映像程序（DDLM）提供對第二層的訪問。在用戶接口中規定了PROFIBUS-DP設備的應用功能，以及各類型的系統和設備的行動特性。這種為高速傳輸用戶數據而優化的PROFIBUS協議特別適用于PLC與現場級分散的I/O設備之間的通信。

PROFIBUS-DP物理層與ISO/OSI參數模型的第一層相同，采用EIA-RS485協議，如圖1所示。

圖1 RS485總線段結構圖

圖1中兩根數據線通常被稱為A線和B線，分別對應RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。根據數據線傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸媒體。

PROFIBUS采用了統一的介質存取協議，由OSI參考模型的第二層來實現，并提供了兩種基本介質存取控制方式：令牌總線和主從方式。其中令牌總線與局域網IEEE8024協議一致，主從方式的數據鏈路協議與局域網標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式（NRM）

HDLC中的非平衡正常響應模式的工作特點是：總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路：主站發出命令（Command），從展給出響應(Respond)，主站與從站間傳輸幀的格式如圖2所示。從站可以連續發出多個幀，直到無信息發送、達到發送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數據鏈路建立、幀傳輸和數據鏈路釋放。

圖2 主站與從站之間傳輸幀的格式

對圖2的各項說明如下。

1) F為幀標志字段（8位）

2) A為從站地址字段。

3) C為控制字段，表示幀類型、編號、命令和控制信息。該字段將HDLC幀分為3種類型：信息幀（I）、監控幀（S）、和無編號幀（U）。其中信息幀用于應用數據（Useful Date）的傳輸并捎帶應答；監控幀用于監視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態做出各種響應（如認可幀、請求重傳或暫停等）；無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號命令和響應，例如建立鏈路工作模式，釋放鏈路及報告特殊情況等

4) 信息字段由PKW和PZD兩部分構成。PKW（Parameter ID）用于讀寫參數值，如寫入控制字或讀出狀態字等，一般為4Byte長；而PZD（Process Date）用于存放控制器的具體控制值，設置站點或狀態字的參數，一般為2~10Byte長。

5) FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內容進行循環冗余碼（CRC）校驗。該HDLC幀最長可達24Byte。

PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的應用層，而是自行設置了一個用戶層，即用戶接口。該層定義了DP的功能、規范與拓展要求等。

綜上所述，PROFIBUS是一種國際化的、開放的、不依賴與設備生產商的現場總線標準，在制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他自動化領域。特別是，PROFIBUS在滿足實時性方面有更大的特點，PROFIBUS-DP的實時性遠高于其他局域網，因而特別適用于工業現場。

PROFIBUS在我國的應用也較為廣泛。2001年11月，PROFIBUS現場總線成為中華人民共和國機械行業標準JB/T10308.3-2001。