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一種小型PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其應(yīng)用
閱讀：825 發(fā)布時間：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，可使傳感器和執(zhí)行機構(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)，是一個令牌結(jié)構(gòu),、實時多主從網(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)保證了通信的實時性和系統(tǒng)實現(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)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的,。
(3)DP從站：DP從站是進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)的運行階段，只有一個活動主站,。
PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層提供以下傳輸服務(wù)：(1)發(fā)送要求確認的報文(SRD服務(wù))：向某個從站發(fā)送報文,，要求從站確認。(2)不要求確認的廣播報文(SND服務(wù))：向一組從站發(fā)送報文,，啟動相應(yīng)的SDN服務(wù),，不要求從站確認。
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行,。在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時,，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，每個從站將自己的實際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接收到的組態(tài)數(shù)據(jù)進行比較,。只有當(dāng)實際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時,，DP從站才進入用戶數(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)量必須與實際組態(tài)一致,。在實際系統(tǒng)中,，要使主站節(jié)點和各從站之間能夠?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)時自動使用這些信息,；系統(tǒng)自動地對與整個系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)輸入誤差和前后一致性進行檢查核對,。
三、PROFIBUS-DP通信在鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計
以一個小型鍋爐系統(tǒng)為例,，采用PROFIBUS-DP純主—從方式通信,，設(shè)計5個PROFIBUS-DP從站節(jié)點，分別監(jiān)控系統(tǒng)中各個被控對象：第一個從站節(jié)點實現(xiàn)對鍋爐溫度的控制和測量,，第二個從站節(jié)點實現(xiàn)對進口流量的測量,，第三個從站節(jié)點實現(xiàn)對爐內(nèi)液位的控制和測量，第四個從站節(jié)點實現(xiàn)對夾層溫度的測量,，第五個從站節(jié)點實現(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(一類主站),、現(xiàn)場智能單元(DP從站)組成一個分布式網(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
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)最大均達到512個字節(jié),，還可開辟擴展緩沖區(qū),。在軟件上提供報文(MailboxMessage)與用戶CPU進行信息交換。
在本系統(tǒng)中,，主站節(jié)點通過與從站建立的通信關(guān)系實現(xiàn)對整個系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控,。主站節(jié)點采用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，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的管理,。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進行數(shù)據(jù)交換,，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括各個從節(jié)點的過程數(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)點的運行參數(shù),、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)信息和節(jié)點狀態(tài)信息。靜態(tài)存儲器(RAM)作為數(shù)據(jù)存儲器存儲從節(jié)點的過程數(shù)據(jù),。主站節(jié)點的結(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?，F(xiàn)場智能單元以51系列的單片機為核心處理器,，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)?，F(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)點讀取，進行上位機監(jiān)視,；同時從輸出映射區(qū)讀取主站節(jié)點發(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)點編寫報文信息來完成；另外一種是通過PROFIBUS-DP組網(wǎng)軟件來實現(xiàn),。本系統(tǒng)利用組網(wǎng)軟件的方式來進行組網(wǎng),。如圖4所示,，通過連接器將主模塊與PC機相連，直接對主模塊進行網(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，每個從模塊開辟的IN區(qū)和OUT區(qū)的大小都是20個字節(jié),。配置時根據(jù)每個現(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行發(fā)送或索取數(shù)據(jù)；如果配置的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相匹配,，從站便進入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段,，就可以實現(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，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),。