内蒙古西门子PLC总代理商
1 序言
随着通信技术 ,计算机网络技术在工业生产过程中的不断推广和应用,工业控制过程对现场信号的采集、传输和数据转换提出了更新更高的要求 ,现有的 DCS 系统和 PLC系统已经不能满足这些要求。由于数字通信技术、网络技术和微处理器技术的迅猛发展,把传统的数字信号和模拟信号混合的系统变成全数字信号系统成为可能 ,现场总线就是在这种背景下产生的,并成为当前工业过程控制领域的焦点。Profibus 是德国开发的一种现场总线标准 ,得到欧洲许多大设备制造商的支持,并在国际上得到越来越多的推广和应用。,在工业过程控制现场 ,原有设备大多只具有RS2 3 2 通信接口 ,为了在原有设备的基础上实现现场分布式控制 ,必须开发 RS232与PROFIBUS现场总线的接口单元。本文详细论述了接口单元的硬件实现和软件结构。
2 Profibus 现场总线的基本特性
Profibus 现场总线具有物理层,数据链路层和应用层。它基于令牌协议加主从总线的介质存取方式 ,主站以主从方式与从站通信 ,各主站之间由令牌协议决定总线控制权,令牌协议的制定包含优先级、状态转移和令牌移交等技术问题。网络结构如图 2— 1 所示。
图 2— 1 Profibus 网络结构
Profibus 现场总线的物理层遵循 RS485 标准 ,数据传输速率为 9. 6 ～ 50 0 k Baud,传输长距离为4800 m,多可支持120个站点的可靠数据通信 3接口单元的主要功能特性接口单元的主要功能是使具有RS232接口的现场设备作为从站与 PROFIBUS 现场总线连接,从而使各个不相容的现场设备实现开放互连通信 ,接口单元遵循 PROFIBUS 的物理层 ,数据链路层和应用层标准,并给用户提供应用层接口。
3 接口单元的主要功能特性
接口单元的主要功能是使具有 RS232接口的现场设备作为从站与 Profibus 现场总线连接,从而使各个不相容的现场设备实现开放互连通信 , 接口单元遵循 PROFIBUS 的物理层 ,数据链路层和应用层标准,并给用户提供应用层接口。
4 硬件实现
接口单元的硬件原理如图 4— 1 所示 ,接口单元的核心为inbbb 公司生产的16位微处理器 80 C1 96,主频为 12MHz; 用 82 51 USART 和 MAX2 3 2 发送 / 接收器产生 RS232接口,并用 751 76 光电耦合发送 /接收器产生与 Profibus 现场总线相连的 RS485 接口,考虑到标准PROFIBUS 的传输速率,微处理器外部时钟输入通过8254 定时器接入8MHz 的外部时钟 ; 时钟例行程从64K 的EPROM装入16K的RAM 。从站接口单元用一片2K的 ZPRAM来存储通信参数设置,比如总线参数 ,通信关系表和重要事件等。参数的设置可以由 PC 机或便携式电脑通过 RS2 3 2接口来实现。在参数设置期间 ,使用跨接线关闭 PROFIBUS/ RS2 3 2 运行方式 , 从站和 PROFIBUS的状态可以分别由一个两位数字显示器和一个LED来实现。
5 从站接口单元的软件结构
在上述硬件的基础上,我们就可以着手开发从站单元的软件,这里必须申明 ,上述的硬件结构同样支持主站,从站接口单元软件包除包含Profibus现场总线的物理层、链路层和应用层外,还包括应用层接口。整个软件包由以下
图 4— 1 接口单元的硬件结构
3 个模块组成。
· 物理层 , 链路层和应用层的协议软件 ;
· 初始化设定 , 事件记录和显示模块 ;
· 应用层接口模块。
下面对每个模块的功能与结构予以阐述。
5.1 协议软件
由于所开发的接口单元在网络中处于从站的位置 , 它没有直接访问总线权。协议软件实现了所有FDL (Fieldbus Data L ink) 服务功能 , 它是映射应用层 FMS(FieldbusMessageSpecification)服务所不可缺少的。总线参数诸如地址、波特率和槽时间等均可在协议安装时由用户设定。微处理器的计时器用于从站的空闲、超时和同步计时。报文的发送和接收是通过中断进行控制的。由于Profibus 总线的高传输速率为 50 0 k Baud, 在 FDL 层上 , 总是在收到报文的 STOP 字节标志后 ,才对报文进行处理的。在空报文的情况下 , 处理过程需要 80 0 ～ 90 0 μS, 一般情况下 , 处理过程需要 1 ～ 4ms,例如初始化服务就需要 4ms, , 整个系统的槽时间少需要 5-1 0 ms 。应用层模块包括 FMS(FieldbusMessageSpecification) 和 LL I(Low L evel Interface) 两个子层模块。 FMS模块的主要功能是对来自 AL I(Aplication L ayer Interface) 的服务请求进行处理并将其传送给PROFIBUS 现场总线网络 ; , 对来自网络底层的报文进行译码处理并将其传送给 AL I 。通常 ,从站接口单元的应用层软件只实现了 FMS 所规定的部分服务功能 , 但可以根据用户的需要进行有选择性的扩充。除规定的上下文管理服务 (初启、异常终止、拒收等 ) 外 , 一般还包括变量存取服务 ( 读、写、情况汇报等 ) 、事件管理服务 ( 事件通知及确认事件通知 )和对象目录管理服务。象事件管理服务等并不是从站必须具有的服务功能 , 但考虑到实际应用的需要 , 在 L L I 子层模块内 ,允许从站具有一定的主动性 , 因为这样避开了令牌管理机制的限制 ,在从站内实现比在主站内实现具有更大的方便性和灵活性。从站一定限度的主动性是通过附加功能块来实现的。如果从站接到主站的轮询请求 ,它将主动为主站提供必要的服务。, 在这种情况下 , 只有那些超越 FMS 规定的服务功能才是有效的。
5.2 初始化设定 , 事件记录和显示模块
为了方便用户安装从站单元 , 在关闭 Profibus/ RS2 3 2 的情况下 ,用户可以通过 RS2 3 2 接口用 PC 机对其进行初始化。初始化设定模块完成必要的参数设置和事件管理 , 并在 ZPRAM内设置通信关系表和总线参数。事件记录模块主要完成对过去一定数量的事件进行跟踪记录 , 比如 RS2 3 2 和 RS485 通信错误( 奇偶校验错误、帧错误和溢出 ) 及其发生时间。显示模块负责通过 L ED 和数显对总线和从站单元的状态进行显示。
5.3 应用层接口模块
应用层接口负责把实际现场对象映射为 Profibus 能辨认的通信对象 ,并把服务请求发送给通信系统。
6 结束语
针对现存现场设备大多只具有 RS2 3 2 通信接口 , 为使它们能以节点的方式与现场总线连接 , 本文以 Profibus现场总线为例 , 设计开发了一种从站接口单元。在实际中 , 用它对多台拥用 MPDC 型驱动器 ( 具有 RS2 3 2 接口 )的钻床控制系统进行了改造 , 完成了预定的通信和控制功能 , 取得了满意的效果。笔者相信 , 这对在原有设备的基础
Profibus是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其它领域自动化。PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS－PA（ProcessAutomation）、PROFIBUS－FMS（FieldbusMessagespecification），适用于工厂内车间级和现场级的设备间数字化的数据交换和通信，以实现工厂现场底层到车间级分散式数字控制和现场通信网络化，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案（图1）。
到目前为止，符合Profibus标准的产品已超过1，500多种，它们分别来自250多家不同生产厂商。在世界范围内，已安装运行的PROFIBUS设备超过2，000，000个。由于符合PROFIBUS标准的设备具有互操作性和互换性，终用户不仅可以按各自的设计要求不再依赖个别生产厂商而从广泛的产品系列中选择佳和经济的产品构成自己的现场总线应用系统，还可以节省硬件、工程和安装等成本约40％。
2 Profibus协议结构
Profibus协议以ISO7498开放系统互联网络OSI（OpenSystemIntercomection）参考模型为基础，采用了该模型七层中的层（物理层）、第二层（数据链路层）和第七层（应用层），增加了用户接口层。PROFIBUS－DP／－PA／－FMS均使用了层、第二层和用户接口层，FMS还使用了第七层，而DP／PA未使用第七层（图2）。
2．1 层：定义物理的传输技术
现场总线系统的应用在较大程度上取决于选择哪种传输技术，既要考虑简便和经济的因素，在流程自动化的应用场合，数据和电源还必须在同一根电缆上传送，以达到本质安全的要求等。单一的传输技术不可能满足所有要求。为此，Profibus提供可选的三种传输技术：
RS－485：用于DP／FMS，波特率从9．6kbit／s到12Mbit／s。传输距离与波特率有关，每段多可接32个站（主站／从站）。通过中继器（repeater）可以增加段数，距离也相应可延长至10km，总线上的站数多可达127个。
光纤电缆（FO）：用于DP／FMS，可选，用于电磁兼容性（EMC）要求高和长距离要求的场合。
IEC1158－2：用于PA，波特率31．25kbit／s，具有本质安全特性，由总线对设备供电。
电缆均采用屏蔽／不屏蔽双绞线。由于DP和FMS使用同样的传输技术，这二个系统可在同一根电缆上操作。通过DP／PA段藕合器或DP／PA段连接器，PA系统能很方便地集成到DP网络中。
2．2 第二层：定义总线存取协议
Profibus－DP／－PA／－FMS均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型的第二层来实现的，它还包括数据的可靠性、传输协议和报文处理等。在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层FDL（FieldbusDatabbbb）。
（1）为了满足工业自动化应用领域对通信方式的各种需求（如集中式、分散式和集中与分散混合式），Profibus总线存取协议提供两种方式：从站之间的令牌（Token）传递存取方式和主站与从站之间的轮询（Polling）存取方式（图3）。
由于这种总线存取方式，可以实现三种系统配置：主－主系统，主－从系统和混合系统，从而能满足工业自动化各应用领域的需求。
（2）数据传输程序的控制由介质存取控制MAC（MediumAccessCOMEO1）来实现，在总线系统建立初期，MAC的任务是检查总线上的站点地址并建立逻辑令牌环。令牌环是所有主站的组织链，按主站地址升序构成，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新接入的主站必须加入令牌环。MAC确保在任一时刻只有一个主站具有令牌（总线存取权），令牌在所有主站间循环一周的时间和各主站持有令牌的时间，根据应用系统的要求，经计算后在系统组态时设定。MAC还有监测、检查传输介质及收发器故障、站地址错和令牌错误等功能。
（3）数据传输的完整性和可靠性，依靠所有报文的海明距离HD＝4（HammingDistance），符合IEC870－5－1制定的要求。
（4）Profibus第二层按非连接的模式操作，提供三种通信方式：
·点对点通信；
·广播通信，即主站向所有其他站（包括主和从）发送信息，不要求回答；
·有选择的广播通信，即主站向一组站（主和从）发送信息，不要求回答。
（5）在Profibus－DP／－PA／－FMS中，分别使用了第二层服务的不同子集。这些服务通过第二层的服务存取点SAP（Serviceaccesspoint）由上一层调用。在FMS中，这些服务存取点是用来建立逻辑通信系统表，而在DP／PA中，对每个服务存取点都赋予一个不同的、定义明确的功能。
2．3 第七层和用户接口层
（1）Profibus－DP未使用第七层，这种结构确保了数据传输的快速和有效。在DP的用户接口层中，直接数据链路映象DDLM（DirectData bbbbMap－per）为用户接口进入第二层提供了简捷的途径。用户接口中还规定了用户、系统及不同设备可调用的应用功能。DP行规（Profile）详细说明了各种不同DP设备的设备行为等。
（2）Profibus－PA也未使用第七层，在PA的用户接口层，它以DP基本功能为基础，采用扩展的DP功能。还用PA行规描述了现场设备的各种参数和设备行为的各种要求。
（3）Profibus－FMS使用了第七层（应用层），应用层由现场信息规范FMS（FieldbusMessagespeci－fication）和低层接口LLI（LowerLayerInterface）组成。
FMS包括应用协议层并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服务。
LLI协调各种通信关系，并为FMS提供不依赖设备的访问第二层。在用户接口规定FMS设备
行规。
3 Profibus－DP／－PA／－FMS的主要特性
除上述已经说明的Profibus特性外，再分别对DP－PA－FMS的主要特性作概要叙述。
3．1 Profibus－DP
Profibus－DP主要用于现场级的高速数据传输，解决自动控制系统（如PLC、PC等）通过高度分散的现场设备（I／O、驱动器等）之间的通信任务。使用PROFIBUS－DP可取代现场的24V或0～20mA的并行信号传输技术。
自动控制系统与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性的，而对智能化现场设备还需要有非周期性的数据交换（如组态、诊断、报警处理等）。周期性的通信由DP基本功能完成，非周期性的通信由DP功能完成。
Profibus提供了冗余技术，系统冗余和介质冗余。
·Profibus－DP行规
Profibus－DP协议规定了用户数据怎样在总线各站之间进行传递。DP行规具体说明用户数据的含义，并具体规定了PROFIBUS－DP如何在应用领域使用。利用行规，设备操作和终用户可以互换不同生产厂商生产的设备，甚至还允许互换不同厂商生产的部件，这降低了用户的工程和维护成本。
3．2 Profibus－PA
Profibus－PA主要用于流程工业自动化领域。它将自动化系统或过程控制系统与设备（如压力、温度和液位变送器等）通过总线连接起来，并解决它们之间的通信任务。PA采用IEC1158－2传输技术，现场设备由总线供电，具有本质安全特性。可用于有爆炸危险的区域。使用PROFIBUS－PA可取代现行的4～20mA的模拟技术。
（1）PA行规保证了不同生产厂商生产的现场设备具有互换性和互操作性，是Profibus－PA的一个组成部分。PA行规的主要任务是选用各类现场设备必须的通信功能，并提供这些设备功能和行为的一切必要的规格、参数等。
（2）RS485／FO（光纤）和IEC1158－2传输技术之间可以通过DP／PA藕合器（coupler）或PA链接器（bbbb）相连接，从而使Profibus网络很容易地延伸到有爆炸危险的应用区域。
·藕合器／链接器的主要任务是：
将异步数据格式转换为同步数据格式，并将传输速率转换为31．25kbit／s向现场设备供电，限制馈电流（适用于防爆）。
·藕合器与链接器的区别
藕合器与“一根导线”的作用相同，不是系统组态的对象，从总线的角度看，它是不可识别的；链接器应用于对循环时间要求很高和现场设备（仪表）数量很大的场合。每个链接者可连三个藕合器。链接器对上位主站而言它是从站，对它下面连接的现场设备而言它又是主站（图4）。
Profibus－PA与AS－I（传感器／执行器接口）、HART和传统仪表可以混合使用。这为终用户改造传统的应用系统提供了很大的方便和灵活性，也为设备仪表的生产厂提供了广泛的选择余地。
3．3 Profibus－FMS
Profibus－FMS主要用于车间（或单元）级的通信，它的通信是面向对象的。由于这一级处在工厂自动化系统的中间层，起承上启下的作用，在这一级高性能的功能要求远比系统的快速反应更为重要。FMS除解决智能现场设备（如PLC、PC、MMI等）之间的通信任务外，还提供了大量的、强有力的管理和服务功能，以适应各种应用需要。它也用于大范围和复杂的通信系统。
（1）Profibus－FMS应用层包括两部分：现场总线信息、规范（FMS）和低层接口（LLI）。
（2）通信模型
Profibus－FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中，在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟现场设备VFD（VirtualFieldDevice）。VFD中部分变量能通过两个通信关系来读写。
（3）通信对象和对象字典（OD）
·FMS面向对象通信，它确认5种静态通信对象：简单变量、数组、记录域和事件，还确认2种动态通信对象：程序调用和变量表。
·每个FMS设备的所有通信对象都填入对象字典（OD）。对简单设备OD可以定义，对复杂设备OD可以本地或远程通过组态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字典，动态通信对象进入动态通信字典。每个对象均有一个唯一的索引，为避免非授权存取，每个通信对象可选用存取保护。
（4）Profibus－FMS服务
FMS服务项目是ISO9506制造信息规范MMS（ManufacturingMessageSpecification）服务项目的子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化，还加上了通过对象功能的管理和网络管理。Profibus－FMS提供了大量的管理和服务，满足了不同设备对通信提出的广泛需求，服务项目的选用取决于特定的应用，具体的应用领域在FMS行规中规定，FMS服务分以下几组：
·上、下关系管理；区域管理；OD管理；变量存取服务；事件管理；VFD支持服务；程序调用管理
（5）低层接口（LLI）
第七层到第二层服务的映射由LLI来解决，其主要任务包括数据流控制和联接监视。用户通过称之为通信关系的逻辑通道与其他应用过程进行通信。LLI提供了各种类型的通信关系。FMS设备的全部通信关系都列入信息关系表CRL（Communica－tionRelationshipList）。每个通信关系通过通信索引（CREF）来查找，CRL中包含了CREF和第二层及LLI地址的关系。
（6）网络管理FMS还提供网络管理功能由FMA7（FieldbusManagementLayer7）现场总线管理层7完成。其主要功能有：上、下关系管理、配置管理、故障管理等。
（7）Profibus－FMS行规FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用。在不同的应用中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求相适应。设备的功能必须结合应用来定义，这些适应性定义称之行规。行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。
4 Profibus实现的可能性
一方面，目前Profibus协议芯片已形成系列产品，使用这些协议芯片使PROFIBUS协议的具体实现简单、方便、省时间省费用，还可达到快速提供产品的目的。另一方面，从原理上，PROFIBUS协议在任何微处理器上都可以实现，在微处理器的内部或外部需要安装异步串行接口（HART）。但当协议的传输速率超过500kbit／s或需要连接IEC1158－2传输技术时，还是应该使用协议专用芯片。采取何种方法来实现PROFIBUS协议主要取决于现场设备的复杂程度、它所需要的性能和功能，各种方法所需要的各类硬件和软件均可从市场上多家厂商买到。这些产品已列入PROFIBUS产品指南。
为保证Profibus产品的质量和设备的可互操作性和可互换性，PROFIBUS用户组织已据EN45000标准编制了一套产品测试认证程序。在德国和美国已建立了相应的测试实验室，经过测试合格的产品，由PROFIBUS用户组织发给认证证书，给一个识别号。目前正在中国CPO建立PROFIBUS产品演示和测试实验室，该实验室设在北京机械工业自动化研究所内。这为中国的用户和PROFIBUS产品的生产企业将提供极大的方便。
5 Profibus的应用及前景
Profibus产品以每年20～30％的惊人速度发展，截止1998年6月，全世界PROFIBUS设备安装总数已达200万台，100多家企业生产的PROFIBUS产品已达1600种以上，应用多达20万个，总投资达45亿美元。
Profibus－PA现场仪表自1997年以来已售出2万多台，且在世界各地运行。据人士预测：今后12个月内，PROFIBUS－PA仪表销售量可达5万台；今后5年内，市场销售额可达6．5亿美元。
目前，ProfibusInternational（PI）国际组织的成员有800个，分布在21个国家。前不久，一些在过程自动化领域占有重要地位的企业，如FOXBORO和横河（YOKOGAWA）也加入了PROFIBUS－PA的行列。PROFIBUS实际上已经超越了欧洲标准的范畴，成为国际上的标准化现场总线。
在中国，相应的组织机构是CPO－ChinaProfibusOrganization，成立于1997年7月3日。目
前，国内至少有50家企业运用Profibus－DP成功地实现了从食品、机械、楼宇、烟草、钢铁、电站直至环保工程的自动化，并取得了明显的经济效益。
在新世纪，现场总线已经在自动化领域中引发了一场变革，将同融合PLC、DCS和现场总线于一体的全集成自动化系统、信息网络技术一道，形成自动化技术发展的主流。