（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的profibusdp智能从站的设计与实现.pdf

冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 摘要 幽r l i i fri ii l li f l il l i i lllj y 17 7 8 5 12 现场总线技术当前工业控制的热点，在现有的各种现场总线标准中， p r o f i b u s 现场总线是一种比较流行的现场总线标准，其中，用于设备级控制和分 散式i o 通信的p r o f i b u s d p 是市场占有率绝对领先的技术；另一方面，与5 1 单片 机相比，a r m 3 2 位嵌入式r i s c 处理器的优势同益凸显。 本文在充分研究p r o f i b u s d p 现场总线理论和a r m 技术理论的基础上，利用 l p c 2 2 1 0 + d p 协议芯片v p c 3 + c 的开发方案设计了基于a r m 的p r o f i b u s - d p 通信接 口，并在该接口中成功移植了u c o s i i 操作系统和d p 程序。为了完成d p 从站从紧 凑型( c o m p a c ts t a t i o n ) 向模块化( m o d u l a rs t a t i o n ) 的平滑过渡，本文最后利用 l p c 2 2 1 0 + v p c3 + c 开发的接口模块为从站、3 1 52 - d p 为主站，在成功编写相应的 g s d 文件后，模拟了模块化智能从站数据交换过程，模拟测试了模块化智能从站 在d p 主站查询周期、d p 总线速率、i o 从站扫描周期和输入、输出字节数等不同 参数配置下的通信性能。 最后本文对课题的研究工作进行了总结和展望。 关键词：现场总线，p r o f i b u s ，a r m ，l p c 2 2 1 0 ，v p c 3 + c 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) a b s t r a c t f i e l d b u s t e c h n o l o g y i sa l l i m p o r t a n tp a r t i ni n d u s t r i a lc o n t r o lt e c h n o l o g y p r o f i b u si sm o r e p o p u l a ra m o n g a l l e x i s t i n g f i e l d b u s s t a n d a r d s ，a n d p r o f i b u s - d p , w h i c hi su s e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo fd e v i c e - - l e v e la n dd i s t r i b u t e d i oc o m m u n i c a t i o n ，i st h em a r k e tl e a d e ri nf i e l d b u st e c h n o l o g y o nt h eo t h e rh a n d ， c o m p a r e dw i t h5 1 m i c r o p r o c e s s o r s ，a r mm i c r o p r o c e s s o r sa r em o r ea n dm o r e p o p u l a r e x a c t l yb a s e s o nd pf i e l d b u st h e o r ys t u d i n ga n da r m t e c h o n o l o g ys t u d i n g ，t h i s p a p e rp r e s e n t sm e t h o dt h a tu s e sl p c 2 2 10a n dd pp r o t o c o lp r o c e s s o rv p c 3 + ci n r e a l i z i n gd pi n t e r f a c ea n dt r a n s p l a n t su c o s - i io sa n dd pp r o g r a m m es u c c e s s f u l l y f o rt h es a k eo fc o m p a c td ps l a v es t a t i o n ss m o o t ht r a n s i t i o nt om o d u l a rd ps l a v e s t a t i o n , f i n a l l y , t h i sp a p e ru s i n gl p c 2 2 10 + v p c3 + ca sd ps l v a es t a t i o na n d315 - 2 d p a sd pm a s t e rs t a t i o ns i m u l a t e sm o d u l a rd ps l a v es t a t i o n sd a t ae x c h a n g ea n d s i m u l a t e sm o d u l a rd ps l a v es t a t i o n sc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n t c o n d i t i o ns u c ha sd pm a s t e rc y c l et i m e ，d pc o m m u n i c a t i o nr a t e ，i 0s c a n n i n gt i m e a n di n p u t ，o u t p u tb y t e s f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko ft h et a s ka n db r i n g sf o r w o r dt h e f u t u r er c a s e r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，p r o f i b u s d p , a r m ，l p c 2 2 10 ，v p c3 + c i i 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言1 1 1 研究背景及选题依据1 1 2国内外研究现状及前景3 1 3 本文研究的主要内容4 1 4 本章小结5 第二章p r o f i b u s - d p 现场总线技术介绍- - 6 2 1p r o f i b u s 现场总线概述：6 2 2p r o f i b u s 现场总线控制系统的实现8 2 2 1p r o f i b u s 在工厂自动化系统中的位置8 2 2 2p r o f i b u s 现场总线控制系统的组成9 2 2 3p r o f i b u s 现场总线传输技术；1 0 2 3p r o f i b u s - d p 技术概述1 l 2 3 1p r o f i b u s d p 的基本特点1 2 2 3 2p r o f i b u s d p 的设备类型和系统配置1 7 1 1 2 2 3 2 1p r o f i b u s - d p 的设备类型1 2 2 3 2 2p r o f i b u s - d p 的系统配置1 3 2 3 3p r o f i b u s - d p 的协议结构1 4 2 3 4p r o f i b u s d p 的物理层规范1 5 2 3 5p r o f i b u s - d p 数据链路层服务的实现1 6 2 3 6p r o f i b u s d p 的用户层规范1 8 2 3 7p r o f i b u s d p 的帧字符及报文结构1 8 2 3 8p r o f i b u s d p 的通信过程2 0 2 3 9p r o f i b u s d p 的扩展功能2 1 2 3 1 0p r o f i b u s d p 的设备数据库文件( g s d ) 2 2 2 4p r o f i b u s 技术的最新发展2 3 2 5 本章小结2 4 i i i 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 第三章p r o f i b u s d p 从站设计方案2 5 3 1p r o f i b u s - d p 从站设计方案概述2 5 3 1 1p r o f i b u s d p 从站接口的实现原理2 5 3 1 2 p r o f i b u s d p 从站接口的实现方法2 5 3 2 本章小结2 6 第四章p r o f i b u s d p 从站软、硬件设计2 7 4 1 p r o f i b u s d p 从站硬件设计2 7 4 1 1a r m 处理器选型2 7 4 1 2d p 协议芯片选型2 8 4 1 3a r m 处理器与v p c3 + c 通信芯片的连接3 0 4 1 4 p r o f i b u s d p 通信接口模块的设计3 l 4 2p r o f i b u s d p 从站软件设计3 3 4 2 1u c o s - i i 操作系统的特点3 3 4 2 2 u c o s - i i 操作系统的移植3 4 4 2 3 系统软件结构3 7 4 2 4d p 程序模块介绍3 9 4 2 4 1v p c3 + c 的初始化3 9 4 2 4 2 数据的接收和发送4 0 4 2 4 3 中断程序模块4 1 4 2 5 g s d 文件的编写4 5 4 3 本章小结5 1 第五章p r o f i b u s - d p 主从调试系统5 2 5 1 调试系统简介5 2 5 2p r o f i b u s d p 主从系统调试5 3 5 2 1r p o f i b u s d p 网络的组态5 3 5 2 2 调试结果分析5 5 5 2 2 1 报文监控5 5 5 2 2 2 通信同步测试5 8 5 3 本章小节6 1 i v 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 第六章总结和展望6 2 参考文献6 3 致谢6 6 攻读硕士学位期间已发表的论文6 7 附录a 原理图6 8 附录bd p 程序流程图7 0 v 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 1 1研究背景及选题依据 第一章引言 顺应工业控制系统领域技术向现场仪表智能化、控制功能分散化、控制系统开放化 的发展趋势，2 0 世纪9 0 年代初，现场总线作为新一代全分布式控制系统的核心技术应 运而型1 】【2 】。 根据国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线是连接智能 现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。也被称为开放式 数字化、多点通信的底层实时控制网络。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自有了数字通讯 能力，成为能够独立通信的网络节点。它能将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制 等功能分散到现场设备中完成，仅依靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随 时诊断设备的运行状态。另外，由于通讯协议一致公开，各个不同的厂家的设备之间可 实现信息交换。用户可按自己的需要和考虑，选择不同供应商的设备连入现场总线。 现场总线的意义不仅仅是用智能仪表代替模拟仪表，更重要是引起了整个控制系统 体系结构的根本性变革。由于数字量代替了模拟量，可使一根电缆上传输多个信号( 包 括运行参数值、设备状态、诊断信息) ，打破了d c s ( 集散式控制系统) 原有的一对一的 传输模式。这为简化系统结构，节约硬件设备、减少连接电缆和各种安装、维护费用创 造了条件。 基于现场总线的数字化通信已经成为当今热点，过程控制系统正在由分散式控制系 统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 发展。 目前，各种现场总线技术如潮水般涌入中国，在现有的各种总线标准中，p r o f i b u s 现场总线是一种比较流行的现场总线标准。p r o f i b u s 技术是1 9 8 7 年由s i e m e n s 公 司等1 3 家企业和5 家研究机构联合开发；1 9 8 9 年批准为德国工业标准d i n1 9 2 4 5 ( p r o f i b u s f m s d p ) ；19 9 6 年批准为欧洲标准e n5 0 17 0v 2 ( p r o f i b u s f m s d p ) ： 1 9 9 9 年p r o f i b u s 成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分。它由三个兼容部分组成，即 p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s d p ，其中用于设备级控制系统和分布 式i o 的p r o f i b u s d p 是市场占有率绝对领先的总线技术【3 1 。p r o f i b u s d p 现场总线 智能仪表在过程控制领域广泛的应用以及f c s 的应用前景使得开发带有p r o f i b u s d p 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 接口的智能仪表在我国具有良好的市场前景。 另一方面，从2 0 世纪8 0 年代到现在，8 位单片机始终主导着应用的潮流。1 6 位单 片机虽然也曾经掀起过波浪，但很快就销声匿迹了。随着科技的发展，人们对单片机的 性能、速度、存储量、通信能力、功能的多样性、开发的方便程度和耗电的多少等不断 提出更高的要求，在此条件下，a r m 技术应运而生。 严格意义上讲，a r m 不是单片机，而是单片机的内核。传统的单片机内，通过总 线和内核( 中央处理器) 连接在一起的有各种外围设备，如定时器计数器、串口通信模块 等。对于中央处理器来说，这些外围设备和外部设备并没有太大的区别，中央处理器对 片内外围设备的操作是通过对寄存器的读写完成的，而对片外的外部设备是通过对存储 器的读写完成的。无论是片内还是片外，对中央处理器而言，其操作都是对同一地址操 作。而基于a r m 内核的单片机，它任何的功能实现都离不开外围设备。由于a r m 仅 仅是内核，因此由它构成的单片机因侧重不同而性能差异很大。在这种单片机中可以设 计各种功能模块，如5 l 单片机中的定时器计数器、串口通信模块等。由于这种模块设 计相对简单又很灵活，移植性好，因此基于a r m 内核的单片机在同一家族中兼容性好。 同时，由于模块是连接在总线上的，模块的多少对a r m 本身没有影响，因此在一个片 内可以设计出很多不同的功能模块。正因为如此，以a r m 为核才能设计出功能强大的 单片机【4 】【5 1 。 表1 1 为基于5 1 核的微处理器和基于a r m 核的a r m 7 处理器的比较： 表1 15 1 系列单片机与a r m 处理器的比较 5 1 系列单片机a i t m 7 处理器 8 位代码指令 3 2 位代码指令( 兼容1 6 位代码) 8 位数据总线3 2 位数据总线 1 6 位地址总线3 2 位地址总线 最大c p u 操作频率一般不超过4 0 m h z c p u 操作频率一般为5 0 m h z 7 5 m h z 6 个中断源 7 个中断源( 含复位) 工作寄存器( r 0 - - r 7 ) 4 组 共3 7 个寄存器 程序计数器程序计数器 状态寄存器状态寄存器 累加器a 和b 3 7 个寄存器都可作为累加器 2 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 寻址范围1 6 位地址宽度寻址范嗣3 2 位地址宽度 不能预取指三级流水线预取指 1 种i ：作模式 7 种1 ：作模式 不支持协处理器支持协处理器 不支持j t a g 调试支持j t a g 调试 只能带u c o s i i 操作系统可带多种操作系统 由表1 1 可知，a r m 处理器无论是从处理速度、外围功能模块的丰富性还是从调试 方便等方面来说，都强于5 l 类单片机。如飞利浦的a r m 7 处理器l p c 2 2 9 2 不仅提供 w d t 、p w m 、a d 转换和各种串行接e i ( i i c 、s p i 、u a r t 等) ，它内部还集成了c a n 总线接口，这是5 l 单片机无法实现的。现在，由于网络和通信的发展，越来越多的产 品需要有联网功能，这需要智能产品需要有一个更强劲的“芯”，这是8 位机很难做到 的。最后从价格方面考虑，a r m 处理器的性价比非常高，如飞利浦的a r m 7 处理器 l p c 2 3 6 8 带有w d t 、p w m 、a d 转换、以太网接口、c a n 接口、u s b 接口、s d m m c 接口和各种串行接e i ( i i c 、s p i 、u a r t 等) ，市价为r m b7 0 元片，而p 8 9 c 6 6 9 由于采 用了5 1 m x 核，售价为r m b5 0 元片。 基于p r o f i b u s d p 现场总线良好的应用前景和以a r m 为内核的3 2 微处理器的高 性价比，采用a r m 处理器来开发p r o f i b u s - d p 接口具有十分重要的意义：不仅可以降低 相同成本下的系统功耗，可以节约总成本并缩短产品上市时间，而且有助于开发新一代 的功能强、效率高、功耗低的d p 接口，丰富了p r o f i b u s d p 产品的种类，另外各种高 速的a r m 外围通信模块也为下一步开发模块化d p 从站提供了强大的硬件平台。 1 2 国内外研究现状及前景 目前，国际上p r o f i b u s d p 产品非常成熟，这些产品包括带d p 接口的智能仪表 和模块化( m o d u l a rs t a t i o n ) 的d p 从站，其中以s i e m e n s 的产品种类最多，i o 最全，如 s i e m e n s 的e t 2 0 0 系列。这些公司的产品在价格上形成垄断地位，增加了 p r o f i b u s d p 总线系统的成本，阻碍了p r o f i b u s d p 总线技术在中国的发展。 受国际影响，近些年p r o f i b u s d p 智能从站的开发在国内很热，一些有实力的企 业、科研院所和高校都推出了自己的产品，但是这些产品有两点不足； ( 1 ) 绝大部分是紧凑型( c o m p a c ts t a t i o n ) 的d p 从站，模块化的d p 从站还很不成熟。 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) ( 2 ) d p 从站的c p u 大多采用5 1 类单片机，向开发模块化d p 从站提出了挑战。 针对以上两点不足，本文提出了基于a r m 的d p 从站的设计，为实现模块化d p 从站提供了硬件平台。相信本文的研究对致于开发模块化d p 从站的研究人员有所帮助。 1 3 本文研究的主要内容 鉴于p r o f i b u s d p 接口开发的国内外现状，北京金自天正智能控制股份有限公司 决定实施自主开发p r o f i b u s d p 模块化智能从站的计划。在已经成功开发出基于5 1 单片机的紧凑型d p 从站的基础上，为了完成d p 从站从紧凑型到模块化的平滑过渡， 本文选择了高性能的a r m 处理器为m c u ，克服了5 1 单片机资源不足的问题，完成了 基于a r m 的p r o f i b u s d p 模块化智能从站的仿真，本文主要的研究和开发工作如下： ( 1 ) 深入研究了p r o f i b u s d p 现场总线技术，掌握了p r o f i b u s d p 主、从通信 过程。 ( 2 ) 详细地介绍了开发p r o f i b u s d p 从站的技术方案，并通过比较和分析，选择 了l p c 2 2 1 0 和v p c3 + c 的芯片组合。 ( 3 ) 完成了基于a r m 处理器的p r o f i b u s d p 智能从站的硬件设计，编制了系统 软件，编写了g s d 文件并搭建了p r o f i b u s d p 实验系统。 ( 4 ) 分析了p r o f i b u s d p 数据交换的完整报文，并在完成数据通信的基础上模拟 了模块化智能从站的数据交换，模拟测试了该系统在d p 主站查询周期、d p 总线速率、 i o 从站扫描周期和输入、输出字节数等不同参数配置下的通信性能。 本论文共分六章。第一章为绪论部分，本章首先介绍了课题研究的意义，然后分析 了国内外研究现状和前景；第二章介绍了p r o f i b u s 现场总线，重点介绍了 p r o f i b u s d p 的技术特点和通信原理，为后面的研究做理论上的铺挚；第三章介绍并 比较了d p 从站开发的几种方案，为选择a r m 处理器提供了理论基础；第四章是本文 的核心章节，分为两个部分：d p 从站的硬件设计和软件开发；第五章介绍了 p r o f i b u s d p 主从调试系统，验证了开发基于a r m 处理器的d p 从站的可行性，并进 行了相关测试；第六章为总结和展望，本章对本课题的研究过程进行了总结并对总线技 术的发展做了展望。 4 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 1 4 本章小结 本章从工业控制系统发展趋势的角度探讨了现场总线产生的背景、现场总线的概念 以及基于现场总线控制系统的优点，然后重点介绍了p r o f i b u s 现场总线的发展动态和 应用前景，最后阐述了本课题的研究内容和研究意义。 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 第二章p r o f i b u s d p 现场总线技术介绍 2 1p r o f lb u s 现场总线概述 现场总线技术自上世纪八十年代中期问世以来，经过二十多年的发展，前后出现了 近2 0 0 种结构体系【6 】、产生了十几种较具影响力的现场总线。现在为当今工业生产控制 领域广泛接受的典型现场总线技术包括f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、l o n w o r k s ( l o c a l o p e r a t i o nn e t w o r k ) 、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 、h a r t ( h i 曲a d d r e s s a b l er e m o t e t r a n d u c e r ) 和p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 等等吲。其中在国内发展最成熟、最迅速的当 属p r o f i b u s 现场总线。目前，在国内它的市场占有率不仅最高，而且第一个取得了行 业标准j b t1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 ，同时国内也有p r o f i b u s 产品认证实验型引。 p r o f i b u s 是s i e m e n s 公司等1 3 家企业和5 家研究机构于1 9 8 7 年联合开发的， 1 9 8 9 年批准为德国工业标准d i n1 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年批准为欧洲标准e n5 0 1 7 0 v 2 ( p r o f i b u s f m s d p ) ，1 9 9 8 年p r o f i b u s p a 批准为欧洲标准e n5 0 1 7 0v 2 ，1 9 9 9 年p r o f i b u s 成为国际标准i e c6 115 8 的组成部分( t y p ei i i ) ，2 0 0 1 年批准为中国的行 业标准j b t1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 9 1 。 p r o f i b u s 根据应用领域分为p r o f i b u s - f 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 ) 、 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、p r o f i b u s - d p ( d e n c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) - - 个兼容部 分1 6 】f 7 】，图2 1 为三个部分的应用比较图： 。 图2 1p r o f i b u s 各版本特点 - 一 p r o f i b u s f m s ：解决车间级通讯任务，提供大量的通信服务，完成中等传输速度 的循环和非循坏通信任务，用于楼宇自动化、电器传动、传感器和执行器、低压开关设 备等一般的自动化控制，是一个令牌结构、实时多主系统。 6 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制控制系统和设 备级f o 之间的通信而设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或0 2 0 m a 并行信号线，用于分布式系统的高速数据传输。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准的本质安全传输技术，实现了i e c1 1 5 8 2 中规定的通信规程，用于对安全性高的场合和总线供电的场合。 p r o f i b u s 可使分布式控制器从现场层到车间级网络化。p r o f i b u s 系统中有主、 从站之分，主站与主站间的拓扑结构为令牌式的，处于令牌结构中的主站只有获得令牌 才能主动发送消息；主站与从站间的拓扑结构为树型的，从站只有获得主站请求后才能 发送消息或者仅对收到的信息进行确认【m 】。 p r o f i b u s 的协议结构以i s 0 7 4 9 8 国际标准开放式系统互连网络o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) 为参考模型，在这个模型中，每个传输精确处理所定义的任务。该模 型由七层组成，并分为两类。一类是面向网络的第一层到第四层，另一类是面向用户的 第五层到第七层。p r o f i b u s 协议采用i s o o s i 模型的第一层、第二层和第七层，协议结 构如图2 2 所示。 函薹z = 互至= = 譬_ e = 互互隧滋幽缁0 ；箸盗譬i 隗澍幽【i 三二二= 二】 e n 1 7 0l o i n e 拿枷t * r m 图2 2p r o f i b u s 协议结构1 9 l p r o f i b u s f m s 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范( f m s ，f i e l d m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和低层接h ( l l i ，l o w e rl a y e r i n t e r f a c e ) 。f m s 包括了应用协议并向 用户提供了可广泛选用的强有力的通讯服务。l l i 协调不同的通信关系并给f m s 提供 不依赖设备第二层的访问接口。f m s 处理单元级的数据通信，功能强大的f m s 可在广 泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信任务提供了很大的灵活性。 7 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) p r o f i b u s d p 使用了第一、二层和用户接口，第三层到第七层未加描述。这种流 体型结构确保了数据传输的快速和有效，为直接数据链路映像d d l m ( d i r e c td a t al i l l l ( m a p p e r ) 提供了易于进入第二层的服务用户接口，该用户接口规定了用户和系统以及不 同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同p r o f i b u s d p 设备的设备行为，还 提供了r s 4 8 5 和光纤传输技术【7 1 。 p r o f i b u s p a 采用了扩展的p r o f i b u s d p 协议进行数据传输。根据i e c1l5 8 2 标准，p a 的传输技术可确保其本质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连 接器可在d p 网络上扩展p a 网络。 2 2p r o fib u s 现场总线控制系统的实现 2 2 1p r o fib u s 在工厂自动化系统中的位置 一个典型的自动化控制系统应该包括现场设备层、车间监控层和工厂管理层【l l 】： 现场设备层：主要功能是连接现场设备，如分散式i 0 、传感器、驱动器、 执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备问连锁控制；如一台加 工设备控制、一条装备输送线或一条生产线上现场设备之间的连锁控制。 主站( p l c 、p c 机或其他控制器) 负责总线通信管理及所有从站的通信。总线 上所有设备生产工艺程序存储在主站中，并由主站执行。 车间监控层：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车 间三条生产线主控制器的连接，完成车间级设备监控。车间级设备监控包 括生产设备在线状态监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产 统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控 室，有操作员工作站和打印设备。 工厂管理层：车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将 车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的某个子网。子 网通过交换机、网桥和路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂 管理层。 p r o f i b u s 在工厂自动化控制系统完成了数据从现场设备层到工厂管理层的通信 透明，如图2 3 所示： 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 图2 3p r o f i b u s 在工j 自动化控制系统中的位置 p r o f i b u s d p p a 控制系统位于工厂自动控制系统的底层，即现场设备层； p r o f i b u s f m s 位于车间监控层，这一级的数据传输速度不是最重要的，而是要能够 传输大容量信息。 2 2 2p r o flb u s 现场总线控制系统的组成 p r o f i b u s 现场总线控制系统由主站和从站组成。 主站分为一类主站和二类主站。一类主站是指p l c 、p c 或可做一类主站的控制器， 一类主站完成通讯控制与管理；二类主站是指操作员工作站( 如带图形监控软件的p c 机、 编程器、操作员接e l 等) ，二类主站完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。 从站分为p l c ( 智能型i o ) 、智f l v _ t l e 智能型分散式i l o 和带p r o f i b u s 接口的现场 设备。p l c 可作为p r o f i b u s 系统中的从站，p l c 自身有程序存储，p l c 的c p u 部分 执行程序并按程序指令驱动i o ，作为p r o f i b u s 主站的一个从站，在p l c 存储区中有 一特定的存储区域作为与主站通信的数据共享区，主站可以通过通信间接的控制p l c 从站；分散型i o 有智能型和非智能型之分，他们的区别仅在于i o 是否带c p u ，通常 分散式i o 是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式i o 和使用主站的i o 没 有区别；带p r o f i b u s 接口的现场设备可有主站在线完成系统配置、参数修改、数据交 换等，参数通信方式和参数格式由p r o f i b u s 行规决定【2 1 。 9 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 2 2 3p r o f i b u s 现场总线传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑数据的可靠传 输，又要考虑传输费用等方面的因素。当涉及过程自动化时，数据和电源的传送必须在 同一电缆上。由于单一的传输技术不能满足所有的要求，为此p r o f i b u s 提供了r s 4 8 5 传输方式、i e c l l 5 8 2 传输方式和光纤( f o ) 传输方式： ( 1 ) ：r s 4 8 5 传输技术 p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s d p 普遍采用r s 4 8 5 传输技术，线性拓扑中采用屏 蔽双绞电缆以实现对称数据传输，这种技术也被称为h 2 传输技术。r s - 4 8 5 传输方式的 基本特性如表2 1 所示： 表2 1r s - 4 8 5 传输方式的基本特性 网络拓扑线性总线，两端有源的总线终端电阻 介质 屏蔽双绞线，也可取消屏蔽，取决于环境条中l ：( e m c ) 站点数不带转发器时，每段3 2 个站。带转发器最多可达1 2 7 个站 插头连接器9 针d 副插头连接器 d p 和f m s 的数据传输是以半双工、异步、无间隙同步为基础，数据传输信号的编 码方式为n r z ( 不归零) 编码【1 2 】。当发送位时，由二进制0 到l 转换期间的信号形状不改 变；没有数据发送时，空载电位为l ，起始位使之变为0 。 按照e n 5 0 1 7 0 的规定，总线分为a 型和b 型导线，表2 2 给出了两种导线的参数。 系统运行时，总线上的所有设备都应选用相同的传输速率，传输速率的高低取决于电缆 的长度【3 】： 表2 2 导线参数 参数导线a导线b 浪涌阻抗 1 3 5 1 6 5 1 0 0 1 3 0 电缆电容 o 3 4 m m 2 o 2 2 m m 2 传输率kb s e e9 61 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 k1 2 k l o 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 导线a 传输距离( m ) 1 2 0 01 2 0 0 1 2 0 01 0 0 04 0 02 0 0 1 0 0 导线b 传输距离( m ) 1 2 0 01 2 0 0 1 2 0 0 6 0 02 0 0一 由于p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s d p 两套系统均使用了同样的传输技术和统一 的总线访问协议，因而它们可以在同一电缆上同时操作。 ( 2 ) ：i e c l1 5 8 2 传输技术 p r o f i b u s p a 采用的i e c l l 5 8 2 传输技术能够满足化工和石油化工的要求，它可 保证本质安全性，并使现场设备通过总线供电。此技术是一种位同步协议，采用曼彻斯 特编码方式，可进行无电流的连续传输，传输速率为3 1 2 5 k b i t s ，是一种低速总线，通 常称为h 1 。使用d p p a 段耦合器，p r o f i b u s p a 设备能方便的集成到p r o f i b u s d p 网络【1 4 】。i e c l1 5 8 2 传输技术特性如表2 3 所示： 表2 3i e c l l 5 8 2 传输技术特性 数据传输数字式，位同步，曼彻斯特编码 传输速度 3 1 2 5k b i f f s ，电压式 数据可靠性预兆性，避免误差采用起始和终i 卜限定符 电缆 屏蔽或非屏蔽双绞线 远程电源 可选附件，通过数据线 防爆型可进行本质或非本质安全操作 拓扑线型或树型或两者结合 站数每段最多3 2 个，总数最多1 2 7 转发器 最多4 台 ( 3 ) ：光纤传输技术 光纤传输技术适用于p r o f i b u s 系统处于电磁干扰很强的环境下运用，目前，许多 厂商提供了专用总线插头可将r s 4 8 5 信号转换为光纤导体信号或将光纤导体信号转换 为r s 4 8 5 信号。采用光纤传输技术的p r o f i b u s 总线段可设计成星型和环型结构。 2 3p r o f ib u s - d p 技术概述 p r o f i b u s d p 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期 地向从站输出信息。总线循环时间必须要比主站( p l c ) 程序循环时间短。除周期性用 户数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) 诊断和报警处理【15 1 。 2 3 1p r o f i b u s - d p 的基本特点 ( 1 ) 传输技术：r s 4 8 5 双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9 6 k b i t s 到1 2 m b i t s 。 ( 2 ) 总线存取：各主站问令牌传递，主站与从站间主一从传送。支持单主和多主系 统。总线上最多站点( 主一从设备) 数为1 2 6 。 ( 3 ) 通信：点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) 。循环主一从用户数据传送和 非循环主一主数据传送。 ( 4 ) 运行模式：运行、清除、停止。在停止状态下，d p m l 与d p 从站之间没有数 据交换；在清除状态下，d p m l 读取d p 从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全 状态；在运行状态下，d p m l 处于数据传输阶段，循环数据通信时，d p m l 从d p 从站 读取输入信息并向从站写入输出信息。 ( 5 ) 同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入 同步。 ( 6 ) 功能：d p 主站和d p 从站间的循环用户数据传送。各d p 从站的动态激活和激 活使能。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给d p 从站赋 予地址。通过总线对d p 主站( d p m l ) 进行配置。每d p 从站的输入和输出数据最大为2 4 6 字节。 ( 7 ) 可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离h d = 4 进行。d p 从站带看门 狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 。对d p 从站的输入输出进行存取保护。d p 主站上带可变定 时器的用户数据传送监视【1 6 】。 2 3 2p r o fib u s - d p 的设备类型和系统配置n 7 3 2 3 2 1 p r o f i b u s - d p 的设备类型 p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接1 2 6 个站 点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入输出地址、输入输出数据格式、诊断 信息格式及所使用的总线参数。每个p r o f i b u s d p 系统可包括以下三种不同类型设备： ( 1 ) 一级d p 主站( d p m l ) ：一级d p 主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与 分散的站( 如d p 从站) 交换信息。典型的d p m l 如p l c 或p c 。 1 2 冶金自动化研究设计院毕业论文( 硕士) ( 2 ) 二级d p 主站( d p m 2 ) ：二级d p 主站是编程器、组态设备或操作面板，在d p 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。 ( 3 ) d p 从站：d p 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备( i o 设备、驱 动器、删i 、阀门等) 。 p r o f i b u s d p 设备间功能关系如表2 4 所示： 表2 4p r o f i b u s d p 设备间功能比较 d p m ld p m 2d p m l d p s l a v e sd p s l a v e sd p m 2 ；jf r 7 ：。冬 f 。j ；i 蚨：矗f j p 女：托 f o ：；。z i7 ：pt “l + 。i r ! j 扎7 。：? ： ，；：? j ，+ i 。j ：k ：。j ，j ? 0 i 2 ：二j j 、：奠l ；j 二j ： ；i ：1 f j j ；j ：t 一、谊。，t - 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