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一種小型PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其應(yīng)用
閱讀：766 發(fā)布時(shí)間：2021-7-1
一種小型PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其應(yīng)用
現(xiàn)場總線PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。
(1)PROFIBUS-DP：用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。它的設(shè)計(jì)旨在用于設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)傳送。
(2)PROFIBUS-PA：專為過程自動化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本質(zhì)安全規(guī)范。
(3)PROFIBUS-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主從網(wǎng)絡(luò)。
其中，PROFIBUS-DP采用OSI參考模型中的第1層，第2層和用戶接口。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)說明了各種不同的PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為；物理層傳輸使用RS485標(biāo)準(zhǔn)，這種結(jié)構(gòu)保證了通信的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的低成本性。協(xié)議結(jié)構(gòu)見圖1。
PROFIBUS-DP系統(tǒng)可由以下3類設(shè)備組成：
(1)一級DP主站(DPM1)：一級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。
(2)二級DP主站(DPM2)：二級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。
PROFIBUS-DP支持單主站或多主站系統(tǒng)，各主站之間傳送令牌，主站與從站之間傳送數(shù)據(jù)，這就為系統(tǒng)配置組態(tài)提供了高度靈活性。主站通過獲取令牌獲得訪問權(quán)，在令牌持有期間內(nèi)可進(jìn)行操作，按照主站與主站和主站與從站通信關(guān)系表與其他主站和從站通信。主站與從站之間的周期性數(shù)據(jù)傳輸采用主從方式，主站向從站發(fā)送或索取信息[2]。單主站系統(tǒng)中，在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個(gè)活動主站。
PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層提供以下傳輸服務(wù)：(1)發(fā)送要求確認(rèn)的報(bào)文(SRD服務(wù))：向某個(gè)從站發(fā)送報(bào)文，要求從站確認(rèn)。(2)不要求確認(rèn)的廣播報(bào)文(SND服務(wù))：向一組從站發(fā)送報(bào)文，啟動相應(yīng)的SDN服務(wù)，不要求從站確認(rèn)。
二、PROFIBUS-DP的通信原理
在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，DPM1和相關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸由DPM1按照確定的遞歸順序自動進(jìn)行。在對總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時(shí)，用戶對DP從站與DPM1的關(guān)系做出規(guī)定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP從站之間的數(shù)據(jù)傳送分三個(gè)階段：參數(shù)設(shè)定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設(shè)定階段，每個(gè)從站將自己的實(shí)際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接收到的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。只有當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時(shí)，DP從站才進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式、長度以及輸入輸出數(shù)量必須與實(shí)際組態(tài)一致。在實(shí)際系統(tǒng)中，要使主站節(jié)點(diǎn)和各從站之間能夠?qū)崿F(xiàn)正確的網(wǎng)絡(luò)通信，必須對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，規(guī)定主站與從站的關(guān)系，確定哪些從站被納入信息交換周期，然后將網(wǎng)絡(luò)配置信息下載到PROFIBUS-DP主站中去。
PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特征(現(xiàn)有功能的不同或可能的總線參數(shù)的不同)，這些參數(shù)對每種設(shè)備類型和每個(gè)生產(chǎn)廠來說均各有差別。要使PROFIBUS能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的即插即用配置，需要將這些特性在設(shè)備數(shù)據(jù)庫(GSD)中具體說明。GSD文件由生產(chǎn)廠商分別針對每一種設(shè)備類型準(zhǔn)備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶。這種文件格式便于讀出任何一種PROFIBUSDP設(shè)備的設(shè)備配置信息，在組態(tài)總線系統(tǒng)時(shí)自動使用這些信息；系統(tǒng)自動地對與整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)輸入誤差和前后一致性進(jìn)行檢查核對。
三、PROFIBUS-DP通信在鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)
以一個(gè)小型鍋爐系統(tǒng)為例，采用PROFIBUS-DP純主—從方式通信，設(shè)計(jì)5個(gè)PROFIBUS-DP從站節(jié)點(diǎn)，分別監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)被控對象：第一個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對鍋爐溫度的控制和測量，第二個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對進(jìn)口流量的測量，第三個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)液位的控制和測量，第四個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對夾層溫度的測量，第五個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對出口壓力的測量。
1、系統(tǒng)硬件配置
本系統(tǒng)主要由主站節(jié)點(diǎn)(一類主站)、現(xiàn)場智能單元(DP從站)組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由組網(wǎng)設(shè)備完成組網(wǎng)之后，主從之間通過主站發(fā)送或請求數(shù)據(jù)，從站響應(yīng)或確認(rèn)主站發(fā)送的數(shù)據(jù)來完成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送。
（1）主站節(jié)點(diǎn)
在本系統(tǒng)中，主站接口模塊使用瑞典HMS公司的ANYBUS PROFIBUS-DP Master模塊。該模塊是一種嵌入式設(shè)備。它具有一類主站所有的功能，支持從9.6kbit/s到12Mbit/s之間的通信波特率，最多可以掛接124個(gè)從站。在硬件上通過2K的雙端口RAM(DPRAM)與用戶CPU接口，雙端口RAM區(qū)中還包括系統(tǒng)信息區(qū)、硬件信息區(qū)以及握手標(biāo)記位。它的I/O數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)和數(shù)據(jù)請求區(qū)最大均達(dá)到512個(gè)字節(jié)，還可開辟擴(kuò)展緩沖區(qū)。在軟件上提供報(bào)文(MailboxMessage)與用戶CPU進(jìn)行信息交換。
在本系統(tǒng)中，主站節(jié)點(diǎn)通過與從站建立的通信關(guān)系實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。主站節(jié)點(diǎn)采用ATMEL89C52芯片作為CPU，與PROFIBUS-DPMaster接口模塊共同構(gòu)成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)主站節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理。CPU、靜態(tài)存儲器通過數(shù)據(jù)線、地址線以及控制線與接口模塊的雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的過程數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、緩沖區(qū)配置信息等。采用帶有看門狗功能的電可擦除存儲器(EEPROM)存儲主站節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)信息和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息。靜態(tài)存儲器(RAM)作為數(shù)據(jù)存儲器存儲從節(jié)點(diǎn)的過程數(shù)據(jù)。主站節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)見圖2上半部分。
（2）現(xiàn)場智能單元（DP從站）
在本系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP從站接口模塊使用瑞典HMS公司的ANYBUS—SPROFIBUS-DP模塊。與主模塊相類似，它也是一種嵌入式設(shè)備。硬件上通過2K的雙端口RAM(DPRAM)與用戶CPU接口。現(xiàn)場智能單元以51系列的單片機(jī)為核心處理器，主要完成對PROFIBUS從模塊的初始化，包括I/O映射區(qū)域的分配——映射區(qū)地址的分配、長度的設(shè)置，然后根據(jù)接口映射區(qū)的地址分配實(shí)現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)的讀寫操作。PROFIBUS從站接口模塊嵌入在現(xiàn)場智能單元中，接收控制命令，提供主站所需的各種系統(tǒng)參數(shù)。現(xiàn)場智能單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
現(xiàn)場智能單元對被控對象的工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集處理，并向DP從模塊的輸入映射區(qū)寫入信息和數(shù)據(jù)，供網(wǎng)絡(luò)中的主站節(jié)點(diǎn)讀取，進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)視；同時(shí)從輸出映射區(qū)讀取主站節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息，經(jīng)判斷后，對被控對象作出控制決策。
2、系統(tǒng)的通信組網(wǎng)構(gòu)建
網(wǎng)絡(luò)組態(tài)方式有兩種方法：一種是通過對主節(jié)點(diǎn)編寫報(bào)文信息來完成；另外一種是通過PROFIBUS-DP組網(wǎng)軟件來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)利用組網(wǎng)軟件的方式來進(jìn)行組網(wǎng)。如圖4所示，通過連接器將主模塊與PC機(jī)相連，直接對主模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。瑞典HMS提供的組網(wǎng)軟件HMS SYCON專門用于PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)配置，可以配置主站和從站，測試網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，直接讀取主站和從站的輸出、輸入數(shù)據(jù)，設(shè)置總線數(shù)據(jù)傳輸速率等[5]。系統(tǒng)中，DP從站數(shù)為5，每個(gè)從模塊開辟的IN區(qū)和OUT區(qū)的大小都是20個(gè)字節(jié)。配置時(shí)根據(jù)每個(gè)現(xiàn)場智能單元PROFIBUS從站開辟的IN區(qū)和OUT區(qū)的大小，在SYCON中一一對應(yīng)，并將網(wǎng)絡(luò)中所有的從站納入到信息交換周期中，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)通信波特率，然后將配置信息下載到主模塊中去。在此鍋爐系統(tǒng)中，SYCON中數(shù)據(jù)區(qū)的配置如表1所示。
主模塊按照下載的信息自動對所屬的從站進(jìn)行發(fā)送或索取數(shù)據(jù)；如果配置的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相匹配，從站便進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段，就可以實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP主從站之間的數(shù)據(jù)傳送。
需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)配置完成，數(shù)據(jù)正確映射時(shí)，主模塊的IN區(qū)與從模塊的OUT區(qū)相對應(yīng)，主模塊的OUT區(qū)與從模塊的IN區(qū)相對應(yīng)。