单主站的系统

单主站的系统根据PROFIBUS技术原理，一个最小系统至少由一个PROFIBUS（一类）主站和若干PROFIBUS从站组成。PROFIBUS总线访问协议：主站间的逻辑令牌环、主从站间的主从协议。主动站在一个限定时间内(TokenHoldTime)对总线有控制权，从站只是响应主站的请求，它们对总线没有控制权PLC做PROFIBUS一类主站控制器：如S7-300（-2DP、CP342-5）；S7-400（-2DP、CP442-5）配置/控制软件：STEP7从站提供：GSD文件另一种单主站系统：PC+网卡做PROFIBUS一类主站网卡：如CP5×11；CP5613…….配置/驱动软件：COMPROFIBUS、SIMATICNET控制软件：WinAC、WinCC…….从站提供：GSD文件使用一根电缆连接所有现场设备，采用数字通信方式取代设备级的4-20mA/24VDC信号传递。PROFIBUS的传输技术及传输规则DP、PA与FMSPROFIBUS是由三个兼容的部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA以及PROFIBUS-FMS，它们相互结合为实现工厂一现场级到车间级的分步式数字控制和现场通讯网络化提供全面的解决方案，如图所示。PROFIBUS-DP协议相对简单，只包括物理层、数据链路层以及一个扩展的用户层，其总线速度快，最高可以达到12Mbits。它主要用于现场级的高速数据传输，解决自动控制系统(如PC、PLC等)通过高速串行总线与分散的现场设备(如FO、驱动器、阀门等)之间的通讯任务，使用PROFIBUS-DP可以取代传统的。0-20mA或24VDC信号传输方式。PROFIBUS-DP是PROFIBUS三个组成部分中应用最广，发展最快的部分，目前它的协议功能还在不断完善中。根据应用需求的不同，PROFIBUS发展了三个不同版本的DP通信标准:DP-v0、DP-v1和DP-vZ。三个版本之间的区别主要存在于用户层的不同实现，具体对用户来说，就是可以获得不同的通讯功能。DP-V0是最基本的DP功能版本，它实现了DP所要求的-些基本提供功能:.主站与从站之间的循环数据交换功能;.三级诊断功能;诊断、处理及站点加入与删除四种类型的中断。DP-v1在DP-v0的基础上做了必要的功能扩展，以适应过程自动化的要求。它提供的功能包括:.DP-V0包括的基本功能:非循环的数据通讯;.额外的三个中断:状态中断、更新中断及一个留给制造商用的中断。DP-V2则在DP-V1的基础上做了进一步的功能扩展，提供的功能包括:.DP-Vl所包括的功能;.从站与从站的直接通讯;.所有站点毫秒级的时钟同步。通过选择适当的传输技术以及所需要的DP版本，在加上面对特定应用场合的应用规范就可以构成满足特定要求的PROFIBUS-DP现场总线控制系统。PROFIBUS-DP是一个标准的系统，同时它通过模块化的体系结构设计方式又满足了多自动化领域的应用需求。PROFIBUS-DP的系统配置从站点地址分配的角度来看，PROFIBUS-DP系统用一个字节来表示站点地址，其中的最高位用于地址扩展，因此实际上只有低7位用来表示实际地址，也就是0-127。其中地址127是一个全局地址，用于广播或多播;地址126是一个站点上线缺省地址，不能被分配给主站。因此，一个处于同一碰撞域的PROFIBUS-DP网络实际只能包括126个活动站点。地址0-125可以分配给主站或从站，但一个地址只能分配给一个站点。另外，根据系统中是否有多个活动主站可以将PROFIBUS-DP配置成单主和多主两类系统。单主系统指DP网络系统中包括一个主站和多个从站。所有的DP系统都必须至少包括一个DP主站，因此单主系统是最简单的系统配置方式。单主系统中的所有从站都属于系统中的唯一主站，由该主站控制对从站的周期性轮询和其它的非周期性通讯活动。单主系统可以获得最短的总线循环时间。与单主系统不同，PROFIBUS-DP多主系统可以包含多个主站和多个从站。系统中的每个从站都从属于不同的主站，一般来说，一个主与从属于它的从站构成一个相对独立的子系统。系统中的所有主站都可以读取一个从站的输入输出镜像值，但只有它所从属的主站才能对它进行写入操作。图3-1给出了一个PROFIBUS-DP控制系统的典型配置形式，在该系统中有两个一类主站，一个二类主站。PROFIBUS-DP的系统行为PROFIBUS-DP规范包括了对系统行为的详细描述，以保证设备的可互换性。系统的特性主要取决于DPM1的运行状态，这些状态由本地或远程的组态设备所控制。DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内，以广播方式将其状态发送到每一个有关的从站。通常主要有以下几种状态:.停止(STOP):在这种状态下，DPMI与DP从站之间没有数据传递。.清除(CLEAR)：DPM1读取DP从站的输入信息，并使其输出值保持在故障安全状态。.运行(OPERATE)：DPM1的数据传送状态，DPMI按循环方式对DP从站进行读写操作。DPMI设备在一个预先组态的时间间隔内以有选择的广播方式循环地将其本地状态发送到每一个有关地DP从站。在数据传送过程中如果发生错误，例如，一个DP从站出现故障，系统将做出反应。它是由DPMI的组态参数“自动清除”(Auto-Clear)确定。如果此参数为真，DPM1将所有有关的DP从站的输出数据转入安全保护状态，这意味着这些DP从站将不能发送有效数据，在这之后，DPM1转入CLEAR状态;如果“Auto-Clear”为假，则DPMI在这个DP从站出错时会停留在运行状态，然后由用户决定做出什么反应。从主站的角度来看，一个主站为了与从站进行I/O数据的交互，它应该维护一个有效的主站参数集。该参数集包括几个组态和参数化子集，每一个子集与一个从站对应，它包含了描述一个从站所必须的所有信息。此外，该主站参数集还包括必要的总线参数。假如一个主站有一个有效的主站参数集，它将开始检查从属于它的从站是否存在。在得到一个合适的应答后，主站将设置从站参数并检验其组态是否有效。一旦这两项功能被正确执行，主站将通过向从站发送诊断数据的形式来检查从站的状态。如果检查结果发现组态检验成功并且参数化正确，主站将进入用户数据交换模式。在用户数据交换模式下，主站可以与从属于它的从站进行正常的用户数据交换，同时也可以重新设置从站的参数。从站只接受它所从属主站(也即先前对它进行组态检验和参数化的主站)的数据交换请求，对于其它主站，只能读取它的诊断数据及输入输出数据，不能向它写入数据。PROFIBUS-DP提供的基本服务PROFIBUS-DP提供如下的一些基本的服务功能:.读取主站诊断信息通过该功能，一个主站所维护的它从属站点的诊断信息能够被读取。该诊断信息包括一个全局的诊断概况以及各站的诊断信息。.参数的上下载该功能允许两个主站之间进行参数集的传递。参数集包括总线参数和描述从站的参数。另一种情况是一个主站对从属于它的从站设置从站参数和检验组态信息。.激活总线参数该功能用于激活先前下载的总线参数集。.读取从站诊断信息用该功能可以从一个从站读取诊断信息。.I/0数据交互该功能用于主站与从属于它的从站之间进行循环的I/O数据交互。I/O数据的数目及结构在系统组态时就已经确定下来。.设置从站参数该功能在系统初始时或者重启时由主站对从属于它的从站进行参数设置，在主站进入用户数据交互模式时也可以进行这项操作。有一些从站的参数对所有从站来说都是相同的，另外一些则是由不同的从站所特有的。.检验从站组态信息该功能可以检验从站的组态信息，其主要目的是正确定义I/O的数目及其数据结构。.向从站发布控制命令一个主站可以同时向一个或几个从站发布控制命令。不同的命令由命令参数来区分。.读从站组态数据假如一个主站还没有某个从站的组态数据，它可以通过该功能进行读取。.读取从站I/O数据通过该功能主站可以读取一个不是从属于它的从站的I/O数据。.设置从站地址活动主站能够在系统初始化时设置从站的站点地址。PROFIBUS-DP所提供的每一种服务功能具体来说都包括一组原语。在远距离传输或者电磁干扰严重的应用场合，可以采用光纤传输技术。几种不同传输距离和价格的光纤可供选择，如表3-2所示。应用中继器可以扩展总线段的范围，应用光纤连接模块可以构成电缆与光纤混合的网络。同时，通过这些网络连接模块，网络的拓扑结构也可灵活组合，在后面的章节中将对此做详细说明。PROFIBUS-DP对其数据帧的传输有详细规定，其传输规则如下:.线路闲置时，保持为信号电平“1’，;.每一个请求帧之前应该发送至少33个线路闲置位(二进“1”);.在一个帧的帧字符之间不允许插入线路闲置位;.接收器对收到帧的检验方法:对于每个帧字符，检查它的起始位、停止位及奇偶校验位。对于每个帧，检验它的起始定界符、DA、SA、FCS和结束定界符，如果是请求帧还要检查同步时间。如果其中一项检验出错，则整个帧将被抛弃。RS-485传输是PRIFIBUS总线中最常用的一种传输技术，它的应用既适应于需高速传输的系统，又适应于简单、廉价、需快速铺设的场合。这种技术通常被称作H2。采用的电缆是双绞铜线，一个总线段内的总线线路是一根两端各有一个总线终端器的屏蔽双绞线，如图3.3所示。图上出现两种不同电缆，其中类型B是早期使用的产品，现在已基本不使用。近年来新安装的系统中都使用A电缆，其性能更好。这两种电缆是PROFIBUS常用的，电缆特性比较如表3.1及表3.2。在RS-485总线电缆的连接上，欧洲PROFIBUS标准EN50170推荐采用9针的D型接头进行总线间的互连。和其它连接器一样，D型连接器也分为插头、插座两种形式。插座在总线站一侧，插头与RS-485电缆相连。9针D型插头连接器引脚分配如表3.3所示。在连接中，PROFIBUS系统最大允许总线长度（即段长）由传输速率决定。在一总线段中最多可以包括32个总线站。由以上特性可知不能随意安装RS-485传输设备，有一些安装要点如下：1、所有从站设备都要通过总线电缆连接到主站。2、每个分段上最多接32个站，当分段站超过32个时，必须使用中继器连接各总线段。3、每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。4、电缆最大长度取决于传输速率，传输速率越大，电缆最大长度越短。5、RS-485传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型的PROFIBUS总线连接器，连接各站时，要确保数据线不拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屏蔽的电缆。6、数据线必须与高压线隔离。另外，PROFIBUS中使用的RS-485传输规程是基于半双工、异步、无间隙同步的传输方式。数据是以不归零（NonReturntoZerocode，NRZ）方式编码，按照11位字符帧的格式传输的，其帧格式如图3.4所示。采用NRZ编码时，在位传输过程中，从二进制“0”变为“1”时信号波形不变。数据传输时，二进制”1”信号对应于B线上的正电压，在A线上则为负电压。各个报文间的空闲状态对应于二进制“1”信号，如图3.5所示。PROFIBUS数据链路层由OSI参考模型的功能划分可知，数据链路层（DataLinkLayer）的任务是建立、维持和拆除链路的连接，实现无差错传输。该层定义了总线访问控制、传输协议和报文中的数据安全和处理等内容。在现场总线系统中数据链路层被称为FDL（FieldbusDataLinkLayer），FDL基本功能集是各种规约功能的基础，其基本功能如表3.4所示。PROFIBUS就是以FDL基本功能集实现其在主站与从站之间周期性或非周期性地传递参数和检测、控制数据，最终实现数据交换的。PROFIBUS帧结构PROFIBUS中一次完整的数据交换需要由发起方提出请求，响应方回复，建立连接后，再发数据，经确认后才能完成通信。在传输规则里PROFIBUS要求，总线在非传输静止状态时呈现逻辑1电平，每一个请求帧前至少有33个空闲位（同步时间），在一个报文帧中间没有空闲状态。PROFIBUS传输的报文主要有如下五种结构，这些帧可以携带不同的参数。1、无数据域，固定信息域长的帧SD1=0x10DA：目标地址字节SA：源地址字节FC：帧控制字节FCS：帧检验字节ED=0x16，终止字节2、数据域长度可变的帧SD3=0x68DSAP：目的服务存取点SSAP：源服务存取点LE：长度字节，包括DA,SA,FC,DSAP,SSAP用户数据的长度LER：LE的重复SD：起始字节SDR：起始字节的重复DU：数据单元，用于置放要“携带”的用户数据这种帧是PROFIBUS中应用最多的一种结构。3、带有固定数据域的帧SD2=0xA24、令牌帧SD4=0xDCPROFIBUS总线上的各站点地位不均等，分主站点和从站点，主站按一定顺序排列访问传输介质，获得令牌的主站就获得了访问传输介质权，当令牌时间到达时，就将令牌传给下一个主站。5、短应答帧SCSC：单字符，仅用于应答下面结合设计中涉及到的帧，进行具体介绍，并探讨帧中各个域之间的关系。PROFIBUS-DP的地址编址机制PROFIBUS-DP包括两类地址:段地址及链路服务访问点地址。段地址用来对一个总线段上的站点进行唯一标识。首先，PROFIBUS-DP系统用一个字节来表示站点的段地址，其中的最高位用于扩展链路服务访问点地址或段地址，因此实际上只有低7位用来表示实际的站点段地址，也就是0-127。其中地址127是一个全局地址，用于广播或多播;地址126是一个站点上线缺省地址，作为新加入站点的临时地址，不能被分配给主站。因此，一个处于同一碰撞域的PROFIBUS-DP网络实际只能包括126个活动站点。地址0-125可以分配给主站或从站，但一个地址只能分配给一个站点。PROFIBUS现场总线数据链路层是通过链路服务访问点将其数据传输服务提供给上层用户的。同一个PROFIBUS-DP站点可以同时有多个活动的链路服务访问点，链路服务访问点地址就用来对这些服务访问点进行标识。链路服务访问点地址出现在扩展地址部分，也用一个字节来表示，其中最高位bits用来标明是否有进一步的地址扩展，bit7则用来指明扩展的是段地址还是链路服务访问点地址。因此一共有六位用来表示实际的服务访问点地址，也即0-63。PROFIBUS-DP只用了其中的服务访问点56-62和一个缺省的访问点，其余的用于PROFIBUS-FMS系统中。DP站点中每一个服务访问点对应一种DP的功能，其具体意义如下:服务访问点56:读取从站提供的过程参数;服务访问点57:向从站写入过程参数;服务访问点58:发送全局控制命令;服务访问点59:读取组态信息;服务访问点60:从站诊断;服务访问点61:设置总线参数;服务访问点62:检验组态信息的有效性;缺省服务访问点:一般的数据交互;PROFIBUS-DP从站的开发方案目前，PROFIBUS-DP从站的开发有两种方案：一、采用专用ASIC芯片方案，二、单片机或FPGA等设备编程方案。采用专用ASIC芯片方案近几年来，许多公司已经将全部的PROFIBUS-DP协议集成在单一芯片里，开发出了PROFIBUS专用ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）芯片。其中，西门子公司生产的专用芯片有SPC3、DPC31、SPM2、LSPM2，利用这些芯片设备制造商可以在短时间内开发PROFIBUS-DP产品。SPC3SPC3（SIMENSPROFIBUSCONTROLER）是一种现场总线智能化接口芯片，支持PROFIUBS-DP协议，可支持最大12Mbit/s的数据传输率，广泛用于工业自支化和楼宇管理自动化中。SPC3集成了全部的PROFIBUS-DP协议，从而减轻了微处理器的负担，实现对PROFIBUS智能从站通信的处理。SPC3集成了OSI模型第1层传输技术部分功能和第2层部分功能，但没有集成RS-485驱动器及FDL传输协议。SPC3芯片内部结构主要由微序列控制器、总线接口单元、1.5KRAM、看门狗、UART、波特率发生器、空闲定时器等组成。如图1.1所示微序列控制器控制整个SPC3的工作过程。总线接口单元是一个可以参数化的同步/异步的8位总线接口，支持Intel和Motorola微控制器/处理器，片选信号由SPC3内部生成。1.5KB的双口RAM地址空间从000H到5FFH，采用8字节的分段方式，将全部存储器分为192段，利用基址针，对来自用户的寻址直接进行，对来自微顺序控制器的寻址利用基址指针进行。SPC3内部集成了看门狗计时器，当应用处理器出现故障时，看门狗将禁止PROFIBUS-DP通信。SPC3内部的UART完成并行数据流和串行数据流的互换。波特率发生器可自动产生需要的波特率。空闲定时器控制总线电缆的定时。另外，SPC3的寄存器主要有方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器、输入/输出寄存器及各种缓冲区。在开发从站时，SPC3需要外加CPU，外加CPU必须是支持8位的微处理器，二者之间通过内部通信管脚实现通信控制。另外，SPC3不具有RS-485驱动接口，因此，在利用SPC3开发从站时还需要加驱动电路。DPC31DPC31（DPControllerwithintegrated8031core）是SIEMENS公司推出的一种高速、低功耗的用于开发智能从站的ASIC芯片，支持PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA协议。在数据通信上，此芯片既可支持异步RS-485通信，又可支持同步的曼彻斯特码通信。DPC31是在SPC3的基础上集成了80C31和6KRAM。DPC31利用C31内核控制整个DPC31的工作过程。DPC31具有8K的寻址空间，地址空间从0000H到1FFFH，其中前2K用于寄存器单元，后6K用于内部RAM寻址空间，内部RAM可以和外部直接交换数据。DPC31可支持多个中断，具有中断屏蔽和中断指示功能。DPC31还具有看门狗定时器及可以自动识别波特率的UART。由于DPC31内建立了标准的C8031内核，不需要外加微处理器，只需要为8031内核外扩存储器就可以了。为了用户使用方便，DPC31包含了16根地址线和8根数据线。利用这些总线DPC31可以方便的与80C32、80C166、HC196等处理器连接，从而使用外部处理器进行处理。另外，DPC31不需要微处理器提供专用的片选信号，此片选信号由DPC31产生。此芯片进入通信前，需要外接CPU对模式寄存器、中断寄存器和参数寄存器等进行必要的参数设置SPM2SPM2是一种用于开发简单从站的专用协议芯片，支持PROFIBUS-DP协议，不需要外加CPU就可以独立处理数据。SPM2主要由微序列器、时钟发生器、EEPROM、串行DP接口、看门狗及九个端口组成，如图1.2所示微序列器控制整个SPM2工作过程。时钟发生器可产生9.6KBd到12MBd的波特率，EPPROM用于设置识别号及PROFIBUS地址，串行DP接口用于传输数据，看门狗用于检测总线传输，当检测出非法帧时，系统重新进行自动波特率检测。九个端口中PortA、PortB、PortC、PortD是8位输入/输出口，PortE、PortF、PortG、PortH输入/输出口与扩展的诊断端口共用，PortI为诊断端口。SPM2采用RS-485传输技术，需要额外添加RS-485驱动电路，以实现传输功能。LSPM2LSPM2是SIEMENS公司用于开发简单PROFIBUS-DP从站专用协议芯片，支持PROFIBUS-DP协议。LSPM2不需要外加CPU就可以独立的处理数据。LSPM2主要由微序列器、时钟发生器、EPPROM、串行DP接口、看门狗及五个端口组成，如图1.3所示微序列器控制整个LSPM2工作过程。时钟发生器可产生9.6KBd到12MBd的波特率，EPPROM用于存储输入LSPM2的参数，串行DP接口用于传输数据，看门狗用于检测总线传输，当检测出非法帧时，系统重新进行自动波特率检测。五个端口中PortA、PortB是8位输入/输出口，PortC、PortD输入/输出口与扩展的诊断端口共用，PortE为诊断端口，对这五个端口可以进行设定。LSPM2采用RS-485传输技术，电缆采用屏蔽双绞线，在连接总线时，要额外添加