控制理论与控制工程硕士论文-基于PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统实时性能研究.pdf

西安电子科技大学 硕士学位论文 基于profibus总线的单主站plc控制系统实时性能研究 姓名：刘素英 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：马伯渊 20090101 摘要 本论文涉及的科研课题来源于实际工程项目的需求，分析研究了作为底层工业 控制网络的实时性能，为用户进行系统构建提供了理论依据。 本文以自动化工程中常用的p l c 和p r o f i b u s 组成的单主站控制系统为研究 背景，详细分析了p l c 的循环扫描机制和p r o f i b u s 总线的数据链路层数据传输 服务和m a c 子层协议等关键技术。在此基础上给出了系统正常运行时，主从站间 数据交换的测控周期，并进一步分析得出主站分别与简单从站和智能从站通信的 响应时间。 接下来，分析研究了p r o f i b u sd p p a 混合网络的时延特性，并提出了插入 额外空闲时间的方法来提高d p 段主站和p a 段从站间信息的响应速度。 最后针对某工程应用系统，考虑了p l c 的i o 响应滞后和混合网络的时延特性， 分析了该系统的实时性能。工程案例的应用证明，实时性能分析研究有很大的工 程应用价值。 关键词：p l cp r o f i b u s 现场总线响应时间测控周期 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht o p i c ，i n v o l v e di nt h i sp a p e r , c o m e sf r o mt h en e e do fa c t u a lp r o j e c t t h i sp a p e rd e a l sw i t hr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h eb o t t o mi n d u s t r i a lc o n g o ln e 埘o r k ， w h i c hp r o v i d e sb a s i sf o ru s e r sc o n s t r u c t i n gt h e w h o l ec o n t r o ls y s t 锄 at y p i c a lm o n o m a s t e rc o n t r o ls y s t e m ，c o m p o s e do fp l ca n dp r o f i b u s ，i s c o n s i d e r e da st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，w h i c h i su s e dc o m m o n l yi n a u t o m a t l o n e n g i n e 甜n g b a s e do nd e e pa n a l y s e so ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s ，s u c h a st h ec y c l l c s c a n n i n gm e c h 弧i s mo fp l c 、d a t at r a n s m i s s i o n s e r v i c e sa n dm a cp r o t o c o lo f p r o f i b u s m e s s a g et r a n s a c t i o nc y c l et i m ef o r m u l a e a r eg i v e nf o rd a t ae x c h a n g e s b e t 、e e i lm a s t e ra n ds l a v ei nn o r m a lr u ns t a t e f u r t h e r m o r e ，t h er e s p o n s et i m e b e t w e e l l m a s t e fa n ds i m p l eo ri n t e l l i g e n ts l a v e ，i sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t 1 1 e 1 1t h et i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh y b r i dn e t w o r ko fp r o f i b u sd p p a a r c s e r i o u s l ya n a l y z e d ，a n dam e t h o do fi n s e r t i n ge x t r a i d l et i m ei sp u tf o n 枷，w n l c n i m p r o v e st h er 唧o n s es p e e db e t w e e nt h em a s t e ri nd ps e g m e n t a n dt h es l a v ei np a s e g m e n t f i n a l l y ，f o rat y p i c a le n g i n e e r i n gs y s t e m ，g i v e ni 0r e s p o n s el a go f p l ca n dt h e t i 仃l ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i dn e t w o r k ，r e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h e c 0 n 仃o l s v s t e mi sa i l a l y z e d t h ea p p l i c a t i o ni nt h ep r o j e c ts h o w s t h a tt h ea n a l y t i c a lm e t h o d1 s0 1 g r e a tv a l u ei np r a c t i c e k e y w o r d ：p l c p r o f i b u sr e s p o n s et i m e m e s s a g e t r a n s a c t i o nc y c l et i m e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：型盘筮 日期上弘 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签字： 导师签字： 醐穹纽一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及其研究意义 信息技术的飞速发展，导致自动化领域的深刻变革，分布式网络集成化的自动 控制系统正在形成。而现场总线( f i e l d b u s ) j e 是这场变革中的关键技术。 现场总线技术集成了自动控制、数字通信、网络、计算机、智能传感器等多项 技术的最新成果，是一门新兴的交叉学科。它的出现使传统的自动控制系统产生 了革命性变革。它变革了传统的信号标准、通信标准和系统标准，变革了现有自 动控制通信系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构，使不同制造 商的产品、不同类型的设备、不同网络之间的相互连接成为可能，于是现场总线 控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 也就应运而生了。 现场总线控制系统f c s 是继集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和p l c 控制系统之后的新一代控制系统。可以说f c s 兼备了d c s 和p l c 的特点， 而且跨出了革命性的一步。由于它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能 化发展的方向，一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到了全世界的普 遍关注。 因此，现场总线也就成为国际范围的自控技术热点，但由于技术发展的原因， 又有各种类型的设备或系统供应厂商的竞争，其发展呈现出了强劲的派势，其中 有较强实力和影响的有基金会现场总线f f 、局部操作网络l o n w o r k s 、过程现场总 线p r o f i b u s 、控制器局域网络c a n 和h a r t 协议。它们各具特色，在不同的应 用领域形成自己的优势。 而p r o f i b u s 作为比较流行的一种现场总线技术，是属于单元级、现场级的 s i m a t i c 网络，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， 广泛应用于制造业、流程工业、冶金、电力、石油、化工、楼宇和铁路等自动化 领域【1 1 。 但是目前我国对于p r o f i b u s 的研究主要以系统集成和工程应用为主，对其 通信机制、实时性能等理论一直缺乏系统的研究。但是在工业过程控制系统中， 实时性能直接决定着系统的功能和性能，不考虑实时性的系统是没有任何意义的， 甚至可能带给系统严重的灾难性后果。所以，研究p r o f i b u s 构成的控制系统的 实时性能是相当必要和迫切的。 2 基丁p r o f i b u s 总线的单主站p l c 控制系统实时性能研究 1 2 1 现场总线的概念 1 2 现场总线简介 国际电工委员会在i e c 6 1 1 5 8 中给出了现场总线的定义：安装在制造或过程区 域的现场装置与控制室内的控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线 称为现场总线。在该定义中，首先说出了它的主要使用场合，即制造业自动化、 过程控制、批量流程控制等，当然楼宇自动化也是它得心应手的应用场合；其次 说出了系统中的主要角色，即现场装置和控制室内的自动控制装置，这里所谓的 现场设备或装置肯定是智能化的，要不然也完成不了那么复杂的通信和控制任务， 而且控制室内的自动控制装置，更要完成对所有分散站点的管理和控制任务；最 后一点指明它是一种数据总线技术，即一种通信协议，而且该通信是数字式的( 非 模拟的) 、串行的( 可进行长距离通信，适应工业现场的实际需求) 、多点的( 真 正的分散控制) 。这三点一起描述了现场总线技术中最实质的内容【l 】。 作为工业通信网络中最底层的现场总线是一种能在现场环境下运行的、可靠 的、廉价的、灵活的通信系统，在体系结构上克服了并行连接的许多不足，成功 地实现了串行连接，往下可以到达现场仪器仪表所处的装置、设备级，往上可以 有效地集成到i n t e r n e t 或e t h e r n e t 中，它构成了工业企业网络中最基础的控制和通 信环节。在技术上成功地解决了开放竞争和设备兼容两大难题，特点如下： 1 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交 换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的 开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。 2 交互性 即互操作性与互换性，包含几层含义：一是指上层网络与现场设备之间具有互 相沟通的能力；二是指设备之间能相互沟通，即互操作性，可实行点对点，一点 对多点的数字通信；三是指不同生产厂家性能类似的设备可相互替换，即具有互 换性。 3 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、信号变换、补偿计算、工程量处理与部分控制等功能分散到现 场设备中完成。因此，现场设备具备了高度的智能化。此外，现场设备还能随时 诊断自身的运行状态，预测潜在的故障，实现高度的自治性。 4 适应性 工业现场总线是专为在工业现场使用而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、 光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送 第一章绪论 3 电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 1 2 2 现场总线的实时性特点 现场总线控制系统对实时性的要求体现在两方面：一是指主站控制设备的实时 性。通常情况，每个主站要承担的任务不止一项，但对每项任务的实时性都有一 定的要求，且由于各任务的截止期可能不同，要求会各不相同，需要主站根据一 定的调度策略来做出决策：二是指现场总线的实时性。当连接在总线上的各站点 发出通信请求时，它对响应时间有一定的要求，不同的站点要求可能不同，而且 同一站点中的通信任务也有可能不同。为了满足这一要求，现场总线对传统网络 进行了一系列的改进，主要体现在以下几个方面。 1 减少网络层次 现场总线的互联结构是根据国际标准化组织的o s i 参考模型制订的，与o s i 七层参考模型略有不同的是，现场总线通常只使用其中的1 、2 和7 层协议，现场 总线的体系结构省略了网络层、传送层、会话层及表达层，这主要是针对工业过 程的特点，使数据在网络流动中尽量减少中间环节，加快数据的传递速度，提高 网络通信及数据处理的实时性。由于网络协议栈的层次减少，加快了数据块的处 理速度，减小了响应时间；另外，层次的减少也使得管理维护所用的附加信息减 少，提高了数据传输的效率，降低了带宽的占用，从而间接地提高了实时性能。 2 简化网络拓扑结构 现场总线虽可分成线型，树型与环型3 种拓扑结构，但是大部分现场总线是线 状结构，这是因为线状结构具有如下优点：可以舍去通信协议中与路径有关的几 层，有利于改善实时性；数据传输时延容易确定；便于隔离错误，提高可靠性。 3 减小数据包长度 现场总线标准为了强调信息包能在小的、预定的时间窗口下传输，而且能确保 它的持续性和完整性，所以限制了数据包的长度。这使得它具有传输时间短，抗 干扰能力强，检错效果好等优点。如c a n 总线采用有效字节数为8 的短帧结构。 4 改进介质访问控制方式 为解决在同一时间内几个设备同时争用传输介质的问题，需要有某种介质访问 控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序。通信中对介质的访问可以是随机的， 也可以是受控的。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为c s m a c d 方式。 在控制访问方式中，常用的是令牌总线、令牌环。介质访问控制方式通过o s i 参 考模型的第2 层数据链路层实现。c a n 和l o n w o r k s 采用的介质访问控制方式属 于c s m a c d 方式，只不过在c s m a c d 方式的基础上有所改进。l o n w o r k s 采用 的带预测的p 坚持c s m a c d 介质访问协议，它的优点是根据网络繁忙程度等待 4 基于p r o f i b u s 总线的单主站p l c 控制系统实时性能研究 若干个时间片来访问介质，较轻负荷时插入的时间片较少，而重负荷时相反，从 而有效地避免了网络的频繁碰撞。c a n 总线也采用c s m a 总线争用技术，但将网 络上的节点分成不同的优先级，采用支配位( 0 ) 和避让位( 1 ) 以及总线回读的 方法实现非破坏性总线仲裁。即当两个节点同时向网络传递信息时，优先级低的 节点主动停止发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输，这可以有效地避 免总线碰撞。f f 采用了控制访问方式中的令牌总线工作方式，即链路活动调动器 l a s 控制的令牌传递方式。p r o f i b u s 总线存取协议采用的是混合介质存取方式， 即主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间按主从方式工作。它的优点是保 证在任意时刻只能有一个站发送数据，而且任意一个主站在一个特定的时间片内 都可得到总线操作权，完全避免了冲突。这是本文以下章节将详细分析的。h a r t 采用两种通信模式：第一种是“问答式“ ，即丰设备向从设备发出命令，从设备予 以回答，每秒可以交换两次数据；另一种是“成组模式“ ，它允许单一的从设备连 续的广播一个标准的h a r t 响应信息，直到主站指示其它命令。 5 使用实时调度算法 总线的传输速度要求越快越好。速度越快，系统响应时间就越短，但是加快传 输速度不能仅靠提高传输速率来解决。总线系统传输必须有确定的时间，即控制 器从发出控制值到接收现场总线设备实际值的时间问隔必须是一个定值，这样才 能保证完成控制和调节的任务。现场总线为简化系统管理，常采用主从方式轮询 访问，使响应控制在指定时间，以降低总线成本。用网络管理和数据链路调度技 术，用分时式和抢先式，两者结合进行管理和调度。 6 提高传输可靠性 现场总线除了采用c r c 纠错编码来保证可靠数据传输外，还采取了一系列措 施来提高网络传输的可靠性。例如，c a n 总线具有突出的差错检验机理，如5 种 错误检测、出错标定和故障界定；c a n 传输信号为短帧结构，因而传输时间短， 受干扰概率低。这些保证了出错率极低，剩余错误概率为报文出错率的4 7 “ 1 0 1 1 。 7 使用专用通信芯片 根据各现场总线自身的特点，使用专用协议处理器，将协议处理过程固化在硬 件中，有如下优点：提高数据流处理速度，加快了实时响应过程；便于实现编码 解码，纠错功能，最大限度的捕获各种出错及异常信息。 8 控制彻底分散 由高度智能的现场设备来分散地完成d c s 控制器的功能，可省去其中控制器 的层次，降低了设备费用，同样使控制风险彻底分散，提高了系统的可靠性。由 于数据在现场处理，加快了数据处理速度，同时也减小了网络上的数据流量，提 高了系统实时响应的性能。 第一章绪论 1 2 3 现场总线的发展现状 自从现场总线诞生以来，世界各大厂商纷纷投入大量人力和资金，开发出上百 种现场总线。虽然广大仪表和设备开发商以及用户对统一的现场总线呼声很高， 但是由于技术和市场经济利益等方面的冲突，各种现场总线经过多年的争论也无 法统一。随着现场总线技术的飞速发展，拥有先进技术的现场总线仍有旺盛的生 命力，而且在特定的领域占有较大的市场份额。 其中，p r o f i b u s 现场总线凭借其技术的成熟性、完整性和应用的可靠性等多 方面的优秀表现，广泛应用于过程自动化、流程自动化等多个领域。 1 3p r o f i b u s 总线技术综述 1 3 1p r o f i b u s 的分类介绍 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是一种国际性的、开放式的现场总线标准，它 实际上指一组协议与应用规约的集合，其核心是指数据链路层上使用统一的通信 协议基于t o k e np a s s i n g 的主从轮询协议，而在其下的物理层和其上的应用层 则使用不同的应用规约。不同的规约和不同的物理层组合就组成了p r o f i b u s 中 一系列应用规范定义子集，如p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、 p r o f i d r i v e 及p r o f i n e t 等，其区别主要体现在应用对象、场合、使用规范上的不 同。 从应用上看，最早的规约是现场总线报文规范p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ，主要定义了主站和主站的通信功能，用于车间级监控网络， 是一个令牌结构。 p r o f i b u s d p 即分布式外围设备( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ，是一种高速低成 本通信，用于设备级控制系统与分散式i 0 的通信，完成诸如p l c 等自动控制设 备与传感器、执行器间快速可靠的循环通信任务。截至目前，d p 的应用占整个 p r o f i b u s 应用的8 0 安装实例，代表了p r o f i b u s 的技术精华和特点。 p r o f i b u sp a 即过程自动化( p r o c e s s a u t o m a t i o n ) ，使用了扩展的p r o f i b u s d p 协议进行数据传输，具有本质安全特点，能通过通信电缆向现场设备供电。主 要用于防爆安全要求高、通信速度低的过程控制场合。 p r o f i d r i v e ：主要用于运动控制方面，用于诸如各种变频器和精密动态伺服控 制器数据传输通信。 p r o f i n e t ：随着以太网技术由企业网络的上层向下渗透，为了方便集成信息， 定义了此规约，其通信的基础建立在交换式以太网和t c p 口协议基础上。 需要指出的是，传统意义上的p r o f i b u s 系统是由前三种规范子集构成的， 6 基丁二p r o f i b u s 总线的单土站p l c 控制系统实时性能研究 而且市场上绝大多数的产品属于这三种类型。 1 3 2p r o f i b u s 的发展现状 p r o f i b u s 这种基于分布式控制思想发展而来的、面向工厂自动化、流程自动 化的围际性现场总线标准，具有广泛的应用范围，适合于快速、时问要求高的通 信任务。 目前为止，p r o f i b u s 不但在i e c 国际标准中占据了两席地位：类型3 和类型 1 0 ，而且在现场总线市场上也占据了大于2 0 的份额。与此同时，包括s i e m e n s 、 a b b 等在内的1 2 0 0 多个制造商在生产和开发p r o f i b u s 通信芯片、应用软件及 开发平台。 因此，凭借着p r o f i b u s 标准中涵盖了各种需求的子集规约的优势以及强有 力的硬件支撑，我们有理由相信p r o f i b u s 技术会有更进一步的发展和推广应用。 1 3 3p r o f i b u s 现场总线技术的优势 在十多年的开发和应用实践过程中，p r o f i b u s 在现场总线技术领域中成为了 国际市场的领导者。与其它的现场总线技术相比，其优势具体包括以下几个方面： 1 p r o f i b u s 现场总线技术是中国第一个工业通讯领域现场总线技术国家标 准，同时也是国际标准，在冶金、电力、水处理、化工等行业具有大量的应用案 例，具有行业应用优势。 2 p r o i b u s 具有d p ，p a 及f m s 三个兼容的部分，使用统一的总线存取协 议，容易集成复杂的系统，可以满足多个领域的自动化需求，提供从工厂级到现 场级的全方位解决方案。 3 本质安全性一直是工控网络在过程控制领域应用时首先需要考虑的问题， 否则，即使网络功能设计得再完善，也无法在化工、石油等工业现场使用。目前 各种现场总线技术中考虑本质安全特性的只有p r o f i b u s 和f f ，而f f 的部分协 议及成套硬件支撑尚未完善，可以说目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决 方案是p r o f i b u s p a ，它只需一条双绞线就可以既传送信息又向现场设备供电【3 】。 4 p r o f i b u s 采用简化的令牌协议，保证了系统的实时性，主要体现在以下 方面：、有确定的时态特性，即时间和任务上的可预见性；二、对周期信息与 非周期信息混合进行处理，能实时响应外部环境变化。 5 成立了专门的国际组织来维护其发展。 第一章绪论 7 1 4p r o f i b u s 总线系统实时性能的国内外研究现状 正因为p r o f i b u s 现场总线技术具有独特的优势，使得目前在国内外的冶金、 石油、化工、电力、环保、水处理等行业中，涌现出大量由p l c 和p r o f i b u s 组 成的分散控制系统。而且随着生产工艺对控制要求的提高，控制系统的实时性能 要求越来越高。如严密的顺序工艺控制，精密的运动控制，系统异常的及时报警 和处理等均需要系统实时性能的保证。 国内外针对现场总线协议性能的综述类文章比较多，此类文章偏重于对各种总 线协议特性的一般性介绍，多是在产品手册和产品介绍资料的基础上进行简介， 没有作深入的分析和系统的研究。 近几年来，国外学者e t o v a r 和fv a s q u e s 研究了最坏情况下，建立通信模型， 分析p r o f i b u sd p 单丰站和多主站系统的响应时间【4 】，为了保证p r o f i b u s 网络 中实时信息的截止期，建立系统时延模型并加以分析【5 】，还分析了p r o f i b u s 协 议的循环时间特性【6 】，以及基于实时分布式系统的应用设置p r o f i b u s 的目标令 牌循环时间r 7 】等。还有学者分析了基于p r o f i b u sd p 的远程模糊逻辑网络控制系 统【9 】。国内也有学者候维岩和费敏锐等研究了目标令牌循环时间对p r o f i b u s 测 控周期的影响 10 1 ，茹锋、贾立新等学者在建立随机p e t r i 网模型的基础上，分析研 究了p r o f i b u s 系统的实时性能参数【l3 j 等。 尽管国内外有好多学者对p r o f i b u s 系统的实时性能进行了研究，但他们都 侧重于在最坏情况下任务的调度以及相关参数的设置，未能给出系统在正常运行 情况下，大量周期性数据交换时，实时性研究的通用方法。而且涉及p a 工程应用 过程中时延分析的文献也甚少。 故本论文以自动化工程中常用的p l c 和p r o f i b u s 组成的典型分散控制系统 为研究背景，深入分析p l c 内部循环扫描工作机制和p r o f i b u s 现场总线通信协 议等关键技术，并提出适合此类控制系统的通用时延分析方法。然后分析研究了 p r o f i b u sd p p a 混合网络的时延特性，并提出一种方法来改进时延，最后结合 实际工程案例进行分析计算。 1 5 论文主要研究内容及结构组织 从以上分析可以看出，对由p l c 和p r o f i b u s 组成的典型分散控制系统进行 实时性能研究具有很重要的现实意义。但是如何分析系统正常运行情况下，系统 的通信机制及其时延模型，如何改善和提高系统的实时性能等，这些都是值得深 入研究的问题。本论文针对这些问题，安排各章节内容如下： 第一章：叙述课题来源及其研究意义，介绍现场总线发展现状以及p r o f i b u s 基y - p r o f i b u s 总线的单主站p l c 控制系统实时性能研究 现场总线的技术优势等，并回顾了国内外p r o f i b u s 实时性能相关研究现状。 第二章：首先介绍了p r o f i b u s 现场总线协议结构，然后给出其通信模型， 并重点分析了基于t o k e np a s s i n g 机制的主从轮询协议，最后总结了该协议的一些 特点。 第三章：系统实时性能研究。首先建立了合适的通信时延模型，给出了单主站 系统正常运行时测控周期的计算方法，并进行了仿真分析。以此为基础，分析研 究了p l c 循环扫描机制，进而分析得出由p l c 和p r o f i b u s 组成的典型控制系 统的响应时间。 第四章：在第三章给出的p r o f i b u s 总线网络时延模型的基础上，针对 p r o f i b u sd p p a 混合网络中呈现的新时延特性，提出插入额外空闲时间的方法， 改进时延问题。 第五章：针对典型工程应用，结合p l c 的i o 响应滞后以及p r o f i b u s 单主 站系统的测控周期，给出了系统响应时间的估算方法，最后总结了提高系统实时 性能的一些方法，为后续进一步探索研究系统实时性奠定基础。 第二章p r o f i b u s 现场总线通信协议 9 第二章p r o f i b u s 现场总线通信协议 p r o f i b u s 是基于分布式控制思想发展而来的，是面向工厂自动化、流程自动 化的一种国际性的现场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信 系统，适合于快捷、时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。其核心是数 据链路层上使用的统一的通信协议一基于t o k e n 机制的主从轮询协议，这_passing 也是目前研究现场总线实时性能的关键所在。而在其下的物理层和其上的应用层 则使用不同的应用规约，这样就组成了p r o f i b u s 中一系列应用规范定义子集， 其区别主要体现在应用对象、场合、使用规范上的不同，如p r o f i b u s f m s 、 p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 以及p r o f i n e t 等。 因此，本章在分析p r o f i b u s 的协议结构后，着重分析基于t o k e n 的passing 主从轮询协议，最后总结了该协议的特点，为后面的章节提供理论基础。 2 1p r o 兀b u s 总线协议的结构 p r o f i b u s 协议结构是以i s o o s i 为参考模型，所以它的协议结构符合开放性 和标准化的要求，其协议结构模型如表2 一l 所示。 表2 1p r o f i b u s 协议结构 用户层d p 设备行规f m s 设备行规p a 设备行规 第7 层 现场总线信息规范( f m s ) 未使用未使用 ( 应用层) 底层接口( l l i ) 第3 q 层 未定义 第2 层 r 一一、 逻辑地跆- - j - 层l l wj i e c 接口 ( 数据链路层) m a c 介质存取控制子层 第1 层 r s 4 8 5 光纤m b p ( i e c 6 1 1 5 8 2 ) ( 物理层) 从表2 1 中可以看出，p r o f i b u s 规定了完整的o s i 通信栈由顶至底的功能， 但i s o o s i 的3 “层并没有出现在通信栈中，这些中间层里的必需功能经过简化 后，浓缩进了p r o f i b u s 的数据链路层和应用层中。所以我们看到的p r o f i b u s 只使用了i s o o s i 的第1 层、第2 层和第7 层，另外加上一个用户层( 即行规) ， 这样做大大简化了协议结构，提高了数据传输效率，符合工业自动化实时性高、 数据量小等特点的要求。 从用户角度看，p r o f i b u s 提供了三种通信协议类型：d p 、f m s 和p a 。d p l o 基于p r o f i b u s 总线的单主站p l c 控制系统实时性能研究 即分布式外围设备( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ，使用了第1 、2 层加一个用户的应用 接口，而对通常意义上的第3 7 层未加以描述定义。这种精简结构确保数据传输 的快速和高效率。用户应用层接口又称直接数据链路映像程序，规定了可调用的 应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性，使第3 方的应用程序可以被 直接调用。这种为高速传输用户数据而优化的协议特别适用于可编程控制器与现 场级分散的i o 设备之间的通信。d p 的基本版本是d p v 0 ，扩展版本是d p v 1 和 d p v 2 ，d p v 0 用于一类主站和从站之间的循环数据交换，d p v 1 主要用于过程 控制场合，d p v 2 为高速及高精度的运动控制设计的，用于等时同步及从站之间 的通信【1 4 j 。 p r o f i b u sf m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 即为现场总线报文规范，是 最初的p r o f i b u s 系统，主要用于车间级智能主站通用的、对等的、面向对象的 通信。它使用了第1 层、第2 层和第7 层，应用层( 第7 层) 包括现场报文规范 ( f m s ) 和低层接口( l l i ) 。其中，f m s 包括应用协议和提供的通信服务，而l l i 建立各种类型的通信关系，并给f m s 提供不依赖于设备的对第2 层访问。 p r o f i b u sp a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 即过程自动化，它使用扩展的p r o f i b u s d p 协议进行数据传输，故d p 和p a 可以i 瓦相通信，但由于它们的物理层使用的 技术不同，需要使用段耦合器才能将p r o f i b u sp a 设备集成到p r o f i b u sd p 网 络中。 2 2 1 物理层 2 2p r o f i b u s 总线的通信模型 p r o f i b u s 通信协议中的物理层定义了电气的和机械的特性，包括编码类型和 传输标准。在发送端，物理层从数据链路层接收数据，对它们进行编码，必要时 通过添加通信成帧信息( 封装) ，并将所形成的物理信号传输到物理介质上。在接 收端，信号被一个或多个节点所接收，物理层先对这些数据进行译码，必要时去 掉通信成帧信息，然后再把它们传输给数据链路层。但是对p r o f i b u s 的传输技 术而言，除了要考虑普通意义上对物理层的要求外，如传输的安全、距离、速度 指标等，还必须考虑到过程自动化中危险环境下的抗爆要求，以及数据和电源在 同一根电缆上传输的可能性等。显而易见，单一的传输技术不可能满足所有现场 对象的控制要求。 因此，目前的p r o f i b u s 标准i e c 6 1 1 5 8 提供了3 种传输方式： ( 1 ) r s 4 8 5 ：针对工厂制造环境普遍的要求，适用于d p 和f m s ； ( 2 ) m b p ：针对过程自动化的要求，具有本质防爆特性，适用于p a ； 第二章p r o f i b u s 现场总线通信协议 ( 3 ) 光纤( f 0 ) ：可以提高抗干扰和传输距离。 p r o f i b u s 传输技术中物理层特性如表2 2 所示。 表2 - 2p r o f i b u s 的传输技术特性 传输方式r $ 4 8 5m b p f o 数字、差分信号数字信号、比特同步 数据传输光、数字信号、n r z 符合r s 4 8 5 ，n r z曼彻斯特编码 传输速率 9 6 k - 12 m b i t s31 2 5 k b i t s9 6 k 12 m b i t s h d = 4 ，奇偶校验比前同步码，出错保护，h d = 4 ，奇偶校验比 数据安全性 特，起始终止界定符起始终止界定符特，起始终止界定符 屏蔽、双绞铜缆单、多模玻璃光纤、 电缆屏蔽、双绞铜缆 电缆类型a p c f 、塑料 通过信号线可用 远程馈送 通过附加线可用 通过混合线可用 ( 可选的) 保护类型无本质安全( e e x i “i b )无 带终端器的线型和树典型的星型和环型拓 拓扑结构带终端器的线型拓扑 型拓扑，组合器扑，也可以是线型 不用中继器时每段最 每段最多3 2 个，每个每个网络上最多 站的数量多3 2 个，用中继器时 网络上最多1 2 6 个1 2 6 个 最多1 2 6 个 最多9 个有信号刷无限制，有信号刷新 中继器的数量最多4 个 新的中继器( 信号的时间延迟) 1 r s 4 8 5 传输技术 基于e i a 定义的r s 4 8 5 方式的物理层，是p r o f i b u s 应用中最常用的方式。 它既适用于需要高速传输的系统，也适合于简单、廉价、需要快速铺设的场合。 并采用平衡差分传输方式，在一个两芯卷绕且有屏蔽层的双绞电缆上传输大小相 同方向相反的电流，以削弱工业现场噪声，避免多个节点间接地电平差异的影响。 这种传输技术容易使用，安装不需要专门知识，且其总线结构允许随时增加、拆 除站点或逐步投运系统而不影响其它站点。 ( 1 ) 电缆连接头 在r s 4 8 5 总线电缆的连接上主要使用9 针的d 型接头，在i e c 6 1 1 5 8 中有推荐 性定义，符合i p 2 0 保护级别要求。d 型连接器分插头和插座两种形式，插座连接 总线站，插头与r s 4 8 5 电缆相连，其各针脚定义如表2 3 所示。 1 2 基于p r o f i b u s 总线的单主站p l c 控制系统实时性能研究 表2 3d 型接头的针脚定义 编号脚名功能 1s h i e l d 屏蔽或功能地 2m 2 4 2 4 v 输出电压一 3r x 抵d p 数据接收数据线一正b 线 4c n t r p 方向控制信号p 5d g n d 数据基准点位 6v p 给终端电阻供应( + 5 v ) 7p 2 4 2 4 v 输出电压+ 8r x d t x d - n 数据接收数据线一负a 线 9c n t r n 方向控制信号n ( 2 ) 信号传输特性 r s 4 8 5 电缆上信号的传输是以半双工、异步、无间隙同步为基础的，传输的调 制形式为n r z ( 不归零) 编码，即在整个码的时间内，都维持有效电平。当线路 空闲时，保持在状态“1 “ ，见图2 1 所示。 o l00llol 停i 卜德 导线a 导线b 图2 1n r z 编码信号波形示意图 ( 3 ) 总线终端器 p r o f i b u s 总线上所有接入设备在静止状态( 非通信状态) 时均处于高阻状态 ( 三态f - j ) ，此高阻态可使总线电缆处于不确定的电平状态且容易损坏电流驱动部 件。为避免这种情况出现，一般在总线终端器中施加两个偏置电阻，分别把a 、b 数据线的静态电平拉到v p ( 第6 脚) 和d g n d ( 第5 脚) 上，使总线电缆的稳态 ( 静止) 电平保持在一个稳定的值。 理论上说，在一个总线段中起码要接入一个这样的总线终端器，为保险起见， 工程实践中要求在两端各接入一个。 2 本质安全的传输方式 p r o f i b u sp a 采用符合i e c 6 1 1 5 8 2 标准的本质安全( 简称本安) 传输技术， 具体应用根据f i s c o 模型而定。f i s c o 是现场总线安全防爆构想( f i e l d b u s i n t r i n s i c a l l ys a f ec o n c e p t ) 的缩写，是德国联邦物理技术研究院在1 9 7 3 年制定的 第二章p r o f i b u s 现场总线通信协议 1 3 在易爆环境下的现场总线技术规范，它使得p r o f i b u sp a 本质安全防爆方式安 装、应用在防爆环境成为可能，以十分经济、简便的方式解决了现场总线的防爆 问题。 其特点是使用曼彻斯特方式编码，具有固定的传输速率，且采用总线向各设备 供电b p ( b u s p o w e r ) 方式。在用曼彻斯特编码传输数据时，信号从0 变到1 时发 送二进制“0 “ ，信号从1 变到0 时发送“1 ”，而数据的发送采用调节电流+ 9 m a 到总线系统的基本电流i b 的方法来实现，波形如图2 2 所示。 电平 l b + 9 m a i b 一 l a - 9 m a k loll0 l 1 l jljljl 一 1 1r 1r 1r 1 r il 图2 2p r o f i b u sp a 电流调制后的编码电平波形图 如上图所示，完全不同于d p 信息编码方式的标准曼彻斯特编码，有如下特点， 一是在每一个比特时间段的中间，有一次信号电平的变化，因此携带有同步信息， 这样就无需另外传送同步信号；二是该编码中的正、负电平的信号各占一半，因 而在信号本身不存在直流分量的情况下，信号传输不会使电缆上的基本电平发生 变化，这样就符合了f i s c o 模型中对本安保护的要求。 3 光纤电缆传输技术 有些现场总线的应用环境对耦合电线的传输技术有限制，而光纤电缆特别适用 于有强电磁干扰环境，或为了消除共模电位以及满足高速率下的大范围长距离的 信号传输要求。尤其是，近年来光纤的连接技术大大简化，使得光纤电缆传输技 术普遍地应用于工业现场设备的数据通信中。但需要注意的是，确保与现有的 p r o f i b u s 系统向下兼容的前提下，在光纤网络中应允许没有任何问题地集成现 有的p r o f m u s 设备。 2 2 2 数据链路层 一个网络互联系统的数据链路层的任务是建立、维持和拆除链路的连接，实现 无差错传输，它的功能是评价一个网络通信系统性能的重要方面。 在p r o f i b u s 系统中，数据链路层常被称为f d l ( f i e l d b u sd a t al i n k ) ，包括 介质访问控制( m a c ) 与逻辑链路控制( l l c ) 。其中，m a c 子层主要实现对共 1 4 基丁p r o f i b u s 总线的单主站p l c 控制系统实时性能研究 享总线介质的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况；l l c 子层用来在站点 间控制帧的发送、接收信号，同时检验传输差错。故现场总线的实时通信主要由 数据链路层提供，这对评价一个工业数据通信和控制网络的性能是首先要考虑的 问题。 2 2 2 1p r o f i b u s 总线f d l 数据传输服务 p r o f i b u s 的f d l 层呈现的一系列数据通信功能，完成站点问的数据循环和 非循环传输任务。对用户程序来说，这些任务的调度、完成是以服务功能集的形 式体现的，这些基本的f d l 功能集是构成各种规约功能的基础【1 4 1 ，如表2 4 所示。 表2 4p r o f i b u sf d l 层的基本功能集 基本功能服务内容 d p v od p j v ld p v 2f 】sp a s e n dd a t aw i t hn o s d n、， a c k n o w l e d g e s e n dd a t aw i t h s d a a c k n o w l e d g e s r ds e n