現場總線Profibus-DP主從站數據交換探討

1 引言
　　現場總線（Fieldbu）是20 世紀80 年代末、90 年代初發展起來的現場智能設備互連通信網絡，是計算機網絡適應工業現場環境的產物，經過十幾年的發展已成為當今世界自動化技術的熱點。據不完全統計，目前各類現場總線有40 多種，主要用于解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數據通信及這些現場控制設備與高級控制系統之間的信息傳遞問題。
　　目前，較為流行的現場總線有FF 、LonWorks 、Profibus 、WorldFIP 、CAN 、HART （過渡協議）等。現場總線雖然必須設計成開放系統，但其網絡結構并不需要保持與OSI 系統完全一致。現場總線采用了3 層網絡結構——物理層、數據鏈路層和應用層。流量控制和差錯控制在數據鏈路層中執行，報文的可靠傳輸在數據鏈路層或應用層中執行。

2 Profibus-DP 總線
2.1 Profibus-DP 主從通信
　　Profibus-DP 網絡是一個主站/從站．ｍａｓｔｅｒ/ Slaver）網絡，典型的DP 配置是單主站結構。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，周期地讀取從站的輸人信息并周期地向從站發送輸出信息，而總線上的DP 從站僅僅是對主站作有關應答或響應。數據通信由主站和從站進行監控。一個DP 系統也可能是多主系統。
2.2 Profibus-DP 總線拓撲
　　Profibus-DP 系統有2 種總線拓撲結構：一種是RS-485 ，采用屏蔽雙絞線，拓撲結構為總線型，通信速率為9.6kb/s.（12oom ）-1, 12Mb/s.（100 m ）-1，每段最多節點數為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
　　在數據鏈路層，Profibus-DP 使用混合的總線存取控制機制來實現相關站之間的通信。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無關，每個DP 節點有一個總線上惟一的地址，報文用節點編址的方法組織。
　　令牌介質存取中令牌是一種特殊的電文，它在主站間傳遞控制權。連接到Profibus 網絡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。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執行主站工作。根據主從站關系表給其它的主站或從站發送幀，直到發完或規定的時間到，再把令牌按令牌環規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，以使邏輯令牌環閉合。在主-從方式下，由一個主站控制著多個從站，構成主-從系統。主站發出命令，從站給出響應，配合主站完成對數據鏈路的控制，一個主站應與相關的多個從站中的每個從站建立一條數據鏈路，從站可以發送多個偵，直到以下一種情況發生為止：從站沒有信息幀可發送，未完成幀的數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的，一個主動節點（DP 主站）循環地與被動節點（DP 從站）交換數據。在單主方式中不存在令牌的傳遞，故在本文所討論的系統中只涉及主從機制，也就是說令牌始終在這個主站，該主站是這個系統中惟一具有總線控制權的站。

3 基于Profibus 一DP 主從通信
3 . 1 硬件部分
　　Profibus 通信的實現主要由帶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) 公司的相關產品在貝加萊-東華大學工業自動化聯合實驗室中進行的，以通過Profibus-DP網對下位對象的控制為例介紹Profibus 一DP 網通信的實現。本實驗系統網絡結構如圖1 所示，其中主站為BR公司的2005 系列，CPU 為CP260 或IF260 ，主站通過網絡模塊EX450 掛接到Profibus - DP 網上。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，網絡接口模塊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 協議，可獨立完成全部Profibus-DP 通信功能。

圖1 系統網絡結構圖

3．2 軟件部分
( l ）網絡組態。網絡組態部分實際上就是形成整個Profibus-DP 網絡的網絡配置，包括網絡波特率、主從站地址及主從關系表等參數；上位機中裝有BR PCC 通信程序開發平臺Automation Studio (AS）軟件及BR Fieldbus Configurator（Sycon）網絡配置軟件，分別用于對PCC 編程和對Profibus-DP 網進行組態、通信設置及監控。