（电子科学与技术专业论文）基于profibus总线的电气火灾监控系统设计与实现.pdf

t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fe l e c t r i c a lf i r ec o n t r o l s y s t e m b a s e do np r o f i b u s b y w e 1 、i l u b e ( x i a n g t a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd a iy u x i n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：) 9 1 1 年歹月2 彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤o ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 季缪 日期：j oj i ：j o 年9 月2 名日 年s 月) 8 日 基于p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统设计与实现 摘要 p r o f i b u s 总线具有实时性强、传输速率高、灵活性强、协议开放等优点， 目前应用越来越广泛。为使传统的电气火灾监控系统能连入p r o f i b u s 网络，同 其他产品实现开放性互连和现场分布式控制，本文设计与开发了基于p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统。使电气火灾监控器在具备传统监视、保护功能的同时， 可通过协议转换模块与现场中的其他设备组成通信网络。 ( 1 ) 通过分析电气火灾监控系统的研究现状及发展趋势，指出了传统电气火灾 监控系统的局限性，提出了基于p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统的解决方案。 并介绍了p r o f i b u s 总线技术特征、p r o f i b u s d p 技术的物理层和数据链路层。 ( 2 ) 通过分析系统的各个模块的功能及相关性能指标，制定了基于p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统的总体方案和设计思路；并设计了上位机与下位机的通 信数据。 ( 3 ) 根据p r o f i b u s 协议标准( g b t2 0 5 4 0 2 0 0 6 ) ，选择了用硬件方式实现 p r o f i b u s d p 协议转换模块，给出了协议转换模块的硬件设计方案，分别阐述 了主要硬件电路的组成原理和实现方法：p r o f i b u s d p 通信端口电路、电源电 路、r s 4 8 5 通信端口电路。提出了p r o f i b u s d p 协议转换模块的软件设计方案， 详细论述了p r o f i b u s d p 协议转换的实现方法，并给出了设计流程图。 ( 4 ) 根据电气火灾监控系统国家标准( g b1 4 2 8 7 2 0 0 5 ) ，给出了电气火灾监控 器的硬件设计方案，详细分析了各模块的硬件设计原理和实现方法：主控制器模 块、信号采集模块、联动及脱扣模块、报警模块、人机接口模块和电源模块。给 出了相应的软件设计并详细论述了漏电保护功能、电压电流保护功能的实现。 ( 5 ) 分别对p r o f i b u s d p 协议转换功能及电气火灾监控器的功能进行测试并 得出结果和结论，根据上位机的功能要求，用s t e p 7 软件和w i n c c 软件对上位 机人机交互界面进行了设计，结合电气火灾监控器、p r o f i b u s d p 协议转换模 块和上位机监控界面进行了系统整体性能测试，给出了相关测试结果及结论。 最终的测试和运行结果表明：该系统不仅运行稳定可靠，而且各技术指标均 达到了预期设计要求。其中p r o f i b u s d p 协议转换模块通过了中国现场总线 p r o f i b u s 技术资格中一l , ( c p c c ) 的测试。 关键词：电气火灾监控器；漏电保护；p r o f i b u s d p ；协议转换；主从通信 i i 硕七学位论文 a b s t r a c t p r o f i b u si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a db e c a u s ei t sa d v a n t a g e s ， s u c ha sg o o dr e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c ，h i g ht r a n s f e rr a t e ，g r e a tf l e x i b l ea n do p e n p r o t o c 0 1 t om a k et r a d i t i o n a l e l e c t r i c a lf i r ec o n t r o l s y s t e mb e c o n n e c tt ot h e p r o f i b u sn e t w o r ka n di n t e r c o n n e c to t h e rp r o d u c t st oa c h i e v ea no p e na n d d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，t h et h e s i sd e s i g n e dae l e c t r i c a lf i r ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o np r o f i b u s ，w h i c hn o to n l yc a np o s s e s st h ea v a i l a b i l i t yo fc o n v e n t i o n a lf i r e m o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o nf u n c t i o n ，b u ta l s oc a nc o m p o s et h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w i t ho t h e rd e v i c e sb yt h ep r o f i b u sp r o t o c o lc o n v e r s i o ni n t e r f a c e ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h es t a t u sa n dt r e n d so fd e v e l o p m e n ti nt h ee l e c t r i c a lf i r e c o n t r o ls y s t e m ，t h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a le l e c t r i c a lf i r ec o n t r o ls y s t e ma r ep o i n t e d o u t ，a n dt h es o l u t i o no fe l e c t r i c a lf i r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u si s p r o p o s e d t h ef e a t u r e so fp r o f i b u s ，t h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h ed a t al i n kl a y e ro f t h ep r o f i b u s d pa r ea l s od e s c r i b e d ( 2 ) b ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o na n dt h ep r o p e r t yi n d e x e so fe a c hm o d u l e ，t h e o v e r a l l p l a na n dd e s i g ni d e a so ft h ee l e c t r i c a l f i r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e p r o f i b u sa r eg i v e n a n dt h ec o m m u n i c a t i o nd a t ab e t w e e nm a s t e rs t a t i o na n ds l a v e s t a t i o ni sa l s od e s i g n e d ( 3 ) a c c o r d i n gt op r o f i b u sp r o t o c o ls t a n d a r d s ( g b t2 0 5 4 0 - 2 0 0 6 ) ，h a r d w a r e d e s i g n i s p r o p o s e d w i t h c h o s i n gh a r d w a r e t or e a l i z ep r o f i b u s d pp r o t o c o l c o n v e r s i o ni n t e r f a c e t h em a i np r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h e h a r d w a r ec i r c u i ta r er e s p e c t i v e l yd e s c r i b e d ，i n c l u d i n gp r o f i b u s - d pc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h es o f t w a r ed e s i g np l a no f p r o f i b u sp r o t o c o lc o n v e r s i o ni n t e r f a c ei sp r o p o s e dw i t ht h ed e s i g ni m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s o ft h es o f t w a r e t h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h ep r o f i b u s d p p r o t o c o l c o n v e r s i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i lw i t ht h ef l o wc h a r t ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d sa b o u te l e c t r i c a lf i r ec o n t r o ls y s t e m ( g b 14 2 8 7 - 2 0 0 5 ) ，h a r d w a r ed e s i g no ft h ee l e c t r i c a lf i r em o n i t o ri sg i v e n d e t a i l e d h a r d w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fe a c hm o d u l ea r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n g t h e m i c r o p r o c e s s o rm o d u l e ，s i g n a lp i c k u pm o d u l e ，l i n k a g ea n dt r i p p i n gm o d u l e ，a l a r m m o d u l e ，a n dp o w e rs u p p l ym o d u l e t h eo v e r a l ls o f t w a r ed e s i g na n dt h ed e t a i lo ft h e l e a k a g ep r o t e c t i o n ，a n dt h er e a l i z a t i o no fv o l t a g ea n dc u r r e n tp r o t e c t i o na r eg i v e n ( 5 ) t h ef u n c t i o no ft h ep r o t o c o lc o n v e r s i o na n de l e c t r i c a lf i r ec o n t r o l l e ra r e i i i 摹于p r o f i 盹s 总线的电气火灾监控系统设计j 实现 r e s p e c t i v e l yt e s t e d ，t h e t e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o n c l u s i o n sa r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fm a t e rs t a t i o n ，t h eh m i i sd e s i g n e db y w i n c ca n ds t e p 7s o f t w a r e c o m b i n i n ge l e c t r i cf i r em o n i t o r , p r o f i b u s - d p p r o t o c o lc o n v e r s i o nm o d u l ea n dh m i ，t h ew h o l es y s t e mc o m m u n i c a t i o ni sa l s ot e s t e d ， t h er e l e v a n tt e s tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea ls og i v e n t h et e s ta n do p e r a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi s n o to n l ys t a b l ea n d o p e r a t e dr e l i a b l y , b u ta l s o t h et e c h n i c a li n d i c a t o r sr e a c h i n gt h ed e s i r e dd e s i g n r e q u i r e m e n t s m e a n w h i l e ，p r o f i b u s - d pp r o t o c o lc o n v e r s i o nm o d u l ep a s s e sc p c c t e s t k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lf i r ec o n t r o l l e r ；l e a k a g ep r o t e c t i o n ；p r o f i b u s d p ；p r o t o c o l c o n v e r s i o n ；m a s t e r - s l a v ec o m m u n i c a t i o n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书1 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 课题研究背景。1 1 2 电气火灾监控系统的研究现状及发展趋势1 1 2 1 电气火灾监控系统的研究现状1 1 2 2 电气火灾监控系统的发展趋势2 1 3p r o f i b u s 总线技术概况3 1 3 1p r o f i b u s 的基本特征3 1 3 2p r o f i b u s d p 技术5 1 4 课题来源及意义一7 1 5 课题主要研究内容8 第2 章电气火灾监控系统总体设计1 0 2 1 电气火灾监控系统设计的基本要求1 0 2 1 1 电气火灾监控器的功能分析1 0 2 1 2p r o f i b u s d p 协议转换模块的功能分析。1 1 2 1 3 上位机监控界面设计要求1 2 2 2 电气火灾监控系统总体设计1 2 2 2 1 总体结构设计1 2 2 2 2 系统通信数据设计1 3 2 3 本章小结1 5 第3 章p r o f i b u s d p 协议转换模块设计与实现。1 6 3 1p r o f i b u s d p 协议转换模块实现方法1 6 3 2p r o f i b u s d p 协议转换模块硬件设计1 7 3 3 主要硬件组成模块设计1 9 3 3 1p r o f i b u s d p 通信端口电路设计。1 9 3 3 2r s 4 8 5 通信端口电路设计2 l 3 3 3 电源电路设计。2 2 3 4p r o f i b u s d p 协议转换模块软件设计2 3 3 4 1d p 从站状态机。2 3 3 4 2s a p 服务存取点。2 4 v 基于p r o f i b l s 总线的电气火灾监控系统设汁与实现 3 4 3p r o f i b u s d p 数据报文 3 4 4 软件整体结构设计 3 4 5 主程序设计一 3 4 6s p c 3 初始化及启动程序设计 3 4 7 中断程序设计 3 4 8 接口g s d 文件设计 3 5 本章小结 第4 章电气火灾监控器的设计及实现 4 1 电气火灾监控器硬件设计 4 2 主要硬件组成模块设计 4 2 1 主控制器模块设计 4 2 2 信号采集模块设计 4 2 3 报警模块设计 4 2 4 联动及脱扣模块设计 4 2 5 人机接口模块设计 4 2 6 电源模块设计 4 3 电气火灾监控器软件设计 4 3 1 主程序设计 4 3 2 信号处理程序设计 4 3 3 电压保护程序设计 4 3 4 电流保护程序设计 4 3 5 d 采样程序设计 4 4 本章小结 第5 章系统测试及分析 5 1 系统测试平台构建 5 2p r o f i b u s d p 协议转换功能测试 5 2 1 测试方法 5 2 2 测试结果 5 2 3 测试结论 2 4 2 6 2 7 2 8 3 0 3 0 3 l 3 2 3 2 3 3 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 3 9 4 0 4 0 4 1 4 3 4 4 4 5 4 5 4 5 4 5 4 6 4 7 5 3p r o f i b u s d p 协议转换模块c p c c 测试4 7 5 4 电气火灾监控器功能测试4 7 5 4 1 剩余电流动作特性测试4 7 5 4 2 电压保护特性测试4 8 5 4 3 电流保护特性测试5 0 5 5 系统通信功能测试5 2 v i 硕。 ：学位论文 5 5 1 上位机监控界面设计5 2 5 5 2 系统通信测试方法5 4 5 5 3 系统通信测试结果及结论5 4 5 6 本章小结5 5 总结与展望5 6 参考文献5 8 封【 谢6 1 附录a 攻读学位期间发表的论文一6 2 附录b 攻读学位期间参加的科研项目6 3 附录c 部分原理图6 4 附录d 部分p c b 板6 5 附录e 部分产品测试报告6 6 v i i 硕十学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 电带来巨大的生产力，产生了巨大的经济效益和社会效益，但是每年由于用 电事故引发的火灾数量不断增加【l 】。电气火灾次数在我国的火灾总数中比例越来 越重：1 9 9 0 年，我国电气火灾为7 4 8 6 起，占全国火灾总数的2 3 9 ；2 0 0 0 年， 我国电气火灾31 9 3 3 起，占火灾总数的2 6 1 ，到最近几年电气火灾几乎都占总 火灾数的5 0 。根据数据显示，电气火灾占火灾总数的比率是居高不下，并有逐 年上升的趋势【2 1 。所以电气火灾监控系统已经成为了现代的楼宇自动化系统一个 及其重要的子系统，对保障人民群众的生命财产安全起着很大的作用，肩负探测 火灾隐患，预报电气火灾发生的重责【3 】。从根本上分析电气火灾的主要原因是因 为现场线路短路、过载、接触电阻过大、漏电流过大等【4 】，而电气火灾远程监控 系统能够对现场电气线路的电气火灾情况自动报警和对系统内的电气火灾监控设 备的运行状况进行实时数据采集和信号处理，实现对现场电气火灾自动报警的远 程监控，及时对连入电气火灾监控系统网络的相关设备进行自动故障跟踪，及时 发现现场电气的隐患，发出报警信号，从而提醒有关人员去检查隐患所在和及时 消除隐患，因此它在很大程度上减少由电气事故引发的火灾1 5 j 。 p r o f i b u s 现场总线作为现在最流行的现场总线之一，具有通信实时性强、 传输速率高、灵活性强、适用于各种工控领域等优点，得到了世界很多厂商的支 持【6 1 。p r o f i b u s 总线近年在国内推广的速度也非常快，在各个领域如电力、交 通都有广泛应用，所以目前国内开发的基于p r o f i b u s 总线的产品也越来越多。 由于目前电气火灾监控系统采用的是r s 2 3 2 标准或者其他总线标准输出信号，所 以和p r o f i b u s 总线信号不兼容，无法同现场中其他p r o f i b u s 总线产品实现 开放互连和现场分布式控制。所以本文针对这些原因，设计与开发了基于 p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统。 1 2 电气火灾监控系统的研究现状及发展趋势 1 2 1 电气火灾监控系统的研究现状 火灾报警监控网络系统一般是由现场电气火灾监控器、火灾通信网络、上位 机监控中心等三个主要部分组成。不同于发达国家，国内电气火灾监控系统发展 比较晚，从2 0 世纪7 0 年代我国开始研制生产电气火灾监控系统产品，8 0 年代 国内主要厂家也主要是模仿或者引进国外产品及技术，没有自己的核心技术7 1 。 摹于p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统设计与实现 电气火灾监控系统产品真正发展是在我国制定自己相关国家标准后，以前国内的 电气火灾监控系统是按照防火漏电电流动作报警器( g b l 4 2 8 7 9 3 ) 进行生产。 自从2 0 0 5 年中国国家标准化管理委员会新发布了电气火灾监控系统国家标准 ( g b1 4 2 8 7 - 2 0 0 5 ) 以来，目前国内的电气火灾系统都是按照该标准进行设计及生 产。大致分为两种类型，一种类型是将漏电互感器和漏电报警监控器分开设定， 第二种类型是将二者结合在一起，并装有可脱扣的断路器，除了漏电保护为主要 功能外，还可以加入一些附加的保护功能，如电流保护，电压保护等。最近5 年 来，国内研发和生产电气火灾监控器的厂家越来越多，而且这些厂家的生产能力 和生产规模发展也非常快速，产品的种类也越来越多，国内已经有多家科研院所 和生产厂家致力于研发适合我国城市特点的火灾自动监控报警技术及产品开发， 在火灾监控和控制方面发挥了非常重要的作用【8 】。 国外的发达国家，比如德国、美国、日本等对电气火灾监控方面一直都非常 重视，所以电气火灾监控技术在国外得到快速发展，在非常早的时候他们就已经 通过连接计算机和安装在现场的传感器或生产现场的信号采集装置来进行通信， 对现场中的电气火灾监控器进行实时的监控以及现场故障进行远程控制。目前市 场上一些高端的电气火灾监控系统都是由国外几家知名企业研制，其中最典型的 为德国的西门子公司，西门子的电气火灾监控产品不仅品种类型比较多，而且连 接的探测点也多。这些产品运行可靠，对于不同的场合和环境西门子都有对应的 产品，而且最重要的是带多个电气火灾监控器和各种通信模块，这些模块既可以 独立使用，也可以连入现场中的同其他产品组成网络使用。西门子公司针对中国 消防市场，专门设计开发了符合中国国标的电气火灾监控系统，并满足中国客户 的实际使用需求，与中国消防类产品的特色相结合。所以在国内消防报警产品市 场上，德国西门子公司占有一定的地位，承担过国内楼宇、工厂、电厂等各种场 合的火灾监控项目。但是相对而言，西门子生产的产品价格也非常的高。 1 2 2 电气火灾监控系统的发展趋势 西门子不仅是电气火灾监控系统产品在中国国内占有很大的市场，而且他研 发的其他产品也在国内占有有很大的分量【9 l 。p r o f i b u s 总线技术是由西门子公司 联合十几家德国公司所共同研究推出，西门子公司关于p r o f i b u s 总线开发了很 多产品，并广泛应用于世界各个自动化领域【1 0 】。p r o f i b u s 产品在现场中都是通 过p r o f i b u s 总线连接组成统一的网络。p r o f i b u s 总线最初是流行于欧洲，现在 成为是一种可以不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，自动化设备不管型号、 种类，均可通过具有p r o f i b u s 协议转换模块进行交换数据信息【l l 】。p r o f i b u s 由 于其通信实时性强、传输速率高、灵活性大、可靠性高以及高性价比等特点，在 全世界的范围内都得到了广泛的应用。近几年来，国内基于p r o f i b u s 总线的产 品的开发及应用也越来越多，广泛应用于制造业，工业自动化，楼宇等其他自动 2 硕j ：学位论文 化领域【12 1 。为了能使传统的电气火灾监控系统能连入p r o f i b u s 网络，与现场中 其他p r o f i b u s 产品实现开发性互连和分布式控制，开发基于p r o f i b u s 总线的电 气火灾监控系统也是目前电气火灾监控系统的发展趋势之一。 1 3p r o f i b u s 总线技术概况 p r o f i b u s 现场总线包括d p ( d i s t r i b u t e dp e r i p h e r y ) ，f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s s p e c i f i c a t i o n ) ，p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) z 部分。d p 用于分散的外部设备间的高速 数据传输，适用于加工自动化领域；f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制 器、低压开关等一般自动化；p a 则是用于过程自动化的总线类型【13 1 。 1 3 1p r o f i b u s 的基本特征 1 p r o f i b u s 基本结构 p r o f i b u s 协议的结构是以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 mi n t e r c o n n e c t i o n ) 参考模型为基础，定义了第一层物理层、第二层 数据链路层和第七层应用层。每层精确地处理所定义的任务：第一层物理层定义， 了p r o f i b u s 的传输特性：第二层完成了总线的存取协议和数据的可靠传输；第 七层完成了应用功能。每个传输层都能精确地处理所定义的任务。 ( 1 ) p r o f i b u s d p ，定义了第一层物理层、第二层数据链路层和用户接口， 第七层没有进行描述。用户接口不仅设定了用户与系统以及不同设备可使用的应 用功能，而且具体描述了各种不同的p r o f i b u s d p 设备的行为，确保了数据传输 的高速实时的进行。 ， ( 2 ) p r o f i b u s f m s ，定义第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用 层。第七层应用层定义了低层接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 和现场总线信息规范 f m s 。f m s 功能定义了应用协议，并提供了选择广泛、完整的通信服务给用户。 l l i 具有两个功能，一是协理各种的通信关系，二是给独立设备提供第二层访问 接口。 ( 3 ) p r o f i b u s p a ，p a 的数据传输采纳了扩展的p r o f i b u s d p 协议，针 对现场设备行为，描述了p a 的行为规则。 2 p r o f i b u s 的传输特性 p r o f i b u s 提供三种数据传输类型：用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输、用于p a 的 i e c l l 5 8 2 传输和光纤传输。其中p r o f i b u s 最常用的一种传输技术是r s 4 8 5 技 术，本课题由于采用的是d p 协议，所以也是采用这种传输技术。p r o f i b u s 的 r s 4 8 5 传输特性见表1 1 。 基于p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统设计与实现 3 p r o f i b u s 总线存取协议 三种p r o f i b u s 均通过数据链路层来实现一致的总线存取协议，主要功能包 括了数据可靠性技术、传输协议和报文处理【l4 1 。p r o f i b u s 的介质存取控制m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 在任何一个时刻都必须确保只有一个站点传输数据，所 以必须满足m a c 的两个基本要求f l5 l ：第一是在复杂的自动化系统中，即主站与 主站间通信，由于主站在限定的时间内对总线都保有控制权，所以m c 要保证在 这段时间间隔中，必须有充份的时间来确保任何一个激活的站点完成的各自的通 信任务；第二是在复杂的可编程控制器如p l c 与简单的输入输出设备如阀门、驱 动器等，即主站与所属的从站间通信，由于从站只要响应主站要求，对总线没有 控制权，所以m a c 须保证网络尽快而且简易的完成实时的循环的数据传输【1 6 】。 p r o f i b u s 的介质存取协议包括令牌传递方式和主从传递方式。令牌传递方式应 用于主站与主站之间，主从传递方式应用于主站与从站之间。依据总线存取协议， p r o f i b u s 总线可以构造三种系统【l7 1 ，包括：主从通信的纯主从系统；令牌传递 的纯主主系统和混合系统。 主站主站之间的令牌传递方式必须保证在一个设定的时间段内每个主站对 总线都保持有控制权，即t o k e n ( 令牌) 。t o k e n 属于特殊的报文【i 引，必须先设定 t o k e n 在主站环中循环的最长时间。主站介质存取控制在系统建立之初时，先建 立一个完整的逻辑环，并制定总线上的站点分配，保证t o k e n 在环内按地址的升 序顺序进行传递。如果在这段运行时间内，主站发生断电或其他事故，该主站必 须从主站环中脱离，而一旦有主站上电激活，就加入已有的主站环。介质存取控 制还具有判断收发器是否损坏、地址错误或重叠、传输介质出错以及t o k e n 出错 ( 如多个t o k e n 出现或t o k e n 丢失等) 。 主站与从站之间的主从方式是允许得到t o k e n 的主站与其所属的从站进行 通信。主站得到t o k e n 就得到了访问权，就能向从站发送信息或读取从站信息。 混合系统是总线控制系统中既存在主站与主站之间的通信，又存在主站与 从站之间的通信。所以当主站得到控制令牌时，可按照主从通信方式和它所属的 4 硕七学位论文 从站通信，也可按照令牌传递方式和其他主站通信。 1 3 2p r o f i b u s d p 技术 p r o f u s - d p 是用于现场层的高速数据传送的技术。通过高速串行线，网络 中的控制器如带主站功能的p c 、p l c ，连接分散在现场中作为从站的设备进行通 信【四】。p r o f i b u s - d p 由于具有快速、高效、成本低等特性，在国内国外市场上应 用越来越广泛。本课题研究的电气火灾监控系统采用的就是p r o f i b u s - d p 总线。 1 p r o f i b u s d p 基本特征 p r o f i b u s d p 协议结构包括了第一层物理层、第二层数据链路层及用户接口 层，其基本特性见表1 2 。 表1 2p r o f i b u s d p 的基本特性 基于p r o f i b u s 总线的电气火灾监控系统设计与实现 中央控制器即主站周期地从设备读取输入信息，向从站发送输出信息。为了 保证发送数据传送的可靠性和实时性，总线循环时间必须要比中央控制的程序循 环时间短【20 1 。除了周期性传送数据外，p r o f i b u s - d p 还提供了强有力地诊断和配 置功能。 2 p r o f i b u s d p 物理层 p r o f i b u s d p 协议是基于e i ar s 4 8 5 的平衡传输，站点能利用一个9 针的d 型插头连接在传输介质上的，d 型插头的插座部分应该在设备上安装，而插针部 分应在总线上安装。为了提高整个系统的抗干扰能力，传输介质可以使用带屏蔽 功能的双绞线电缆【2 1 1 。但如果对电磁干扰不严格，也可以使用无屏蔽功能的双绞 线。本设计为了确保系统在各个方面的性能，选用了有屏蔽的双绞线。传输电缆 的最大长度根据数据传输的速率及电缆的型号变化。 主站、从站或者中继器上每一段电缆连接最多3 2 个站点，如果需要增加导线 的长度和站点数，必须通过连接中继器来实现增加，但是两个站点中最多只能允 许连接三个中继器。当网络为线型拓扑结构时，可接站点最多为1 2 2 个，为树型 结构时，可接站点中可达到1 2 7 个站点【2 2 1 。 3 p r o f i b u s d p 数据链路层 p r o f i b u s d p 现场总线数据链路层可以采取三种介质存取方式：令牌总线 方式、主从方式和混合存取方式。本课题研究的是纯主从存取方式。纯主从方 式介质存取控制符合i s o 的o s i 参考模型：数据链路的高级数据链路控制规程 h d l c ( h i g h 1 e v e ld a t al i n kc o n t r 0 1 ) 的非平衡正常响应模式1 2 3 1 ，图1 1 为h d l c 传送帧的结构。 0 1 i i1 1 1 0 地址早段j 空制子段 信息字段帧校验孚段标志孚段 图1 1p r o f i b u s d p 的h d l c 帧结构 图中f 为一个字节的标志字段；a 为一个字节的地址字段，表示在非平衡模 式下为从站地址；c 为一个字节的控制字段，表示帧的类型、编号、命令和控制 信息，根据h d l c 帧控制字中的段c 的不同，可分为信息帧( i ) ，监视帧( s ) ， 及无编号帧( u ) 三种类型【2 4 】；p k w 和p z d 为长度可变的信息字段；f c s 为双 字节的帧校验字段，每帧都包含此序列对整个帧的内容如地址、控制和信息等作 循环冗余校验( c r c ) 。 图1 2 为数据链路层的工作过程，包括三个阶段：数据链路的建立阶段、数 据帧传递阶段和数据链路释放阶段【25 1 。 6 硕士学位论文 数据链路建立阶段 数据帧传递阶段 数据链路释放阶段 u ：a ，s n r m , p l u ：a ，u a ，f i ：a ，u ( s ) 。0 ，n ( r 即 一 d p i ：a u ( s ) = l ，n ( r 即 d p 主 一 从 站 l ：八u ( s ) = 2 ，n ( r ) = 0 ，p 。 站 一 i ：a ，u t s 即，n ( r ) _ 3 f 1 u ：a , d i s c ，p 一 u a ，u a , f 图1 2p r o f i b u s - d p 数据链路层工作过程 在数据链路的建立阶段，主站在与它所属的多个从站中选择从站a 作为连接 的站点，使用无编号u 帧对站点a 置正常响应模式s n r m 命令【2 6 】，在u 帧的地址 字段a 中填入站点a 的地址，记为u ：a ，s n r m ，p ，其中p 代表探询位，应置l 。 站点a 接到正常响应模式s n r m 命令后，先必须响应主站，并建立数据链路，所 以用u 帧的无编号确认命令u a 确认，记为u ：a ，u a ，f ，其中f 代表终止位， 用于回答主站探询位p 。 数据帧传输阶段由主站中的固定程序循环执行，主要功能是向特定的数据块 中发送指令参数，并由特定的功能块获取这些参数，同时将参数发送给从站。具 体过程为：主站发送给从站的信息i 帧记为n ( s ) ，接受到从站a 的信息帧为 n ( r ) ，由于此时没有接受到从站帧，所以记为n ( r ) = 0 。主站发送的首次编 号为0 的信息帧记为i ：a ，n ( s ) = 0 ，n ( r ) = 0 ，第二次发送记为 i ：a ，n ( s ) = 1 ，n ( r ) = 0 ，依次类推，第n个信息帧为 i ：a ，n ( s ) = n ，n ( r ) = 0 。如果主站发送第三个信息帧时候，探询p 置1 ， 同时从站也有第一个编号为0 信息帧i 要发送，则此从站发送的i 帧记为 i ：a ，n ( s ) = 0 ，n ( r ) = 3 ，其中n ( s ) = 0 表示从站发送为编号为0 的信息 帧；n ( r )