摘 要：目前，PROFIBUS已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。而PROFIBUS—DP總線適合于對通信量要求較低、設(shè)備量較大的現(xiàn)場控制層使用，其適應(yīng)面大、經(jīng)濟(jì)性好，可用于發(fā)電廠作開放的分布式底層控制。為此介紹了該現(xiàn)場總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)和通信原理，詳細(xì)說明了該總線通信的報(bào)文格式和通信過程，并系統(tǒng)地介紹了其在柳州發(fā)電廠的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：PROFIBUS—DP；協(xié)議結(jié)構(gòu)；通信；發(fā)電廠
　　自1984年開始研制以來，PROFIBUS以其良好的實(shí)時(shí)性能，靈活的系統(tǒng)配置，方便的實(shí)現(xiàn)方法等優(yōu)勢成為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍更是覆蓋了加工制造，過程自動(dòng)化和建筑自動(dòng)化等領(lǐng)域。PROFIBUS已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS—DP主要用于現(xiàn)場級分散I／O設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸，它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主從站之間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作，其最高通信速率可達(dá)12Mbps。由于現(xiàn)場控制層對通信量的要求較低，而一般工廠底層的設(shè)備量又很大，往往有幾百臺設(shè)備，在這種環(huán)境下采用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線可以節(jié)省大量投資，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)開放的全分布式底層控制網(wǎng)絡(luò)。
　　分散控制系統(tǒng)（DCS）經(jīng)歷了2O多年的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。大部分DCS在現(xiàn)場級采用開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)。和利時(shí)公司的MACSTM系統(tǒng)使用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線連接分散I／O設(shè)備。2000年，使用MACS系統(tǒng)對柳州發(fā)電廠2號機(jī)組的熱工控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，取得了較好的控制效果和經(jīng)濟(jì)效益。
1 PROFIBUS—DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)
　　PROFIBUS—DP的通信協(xié)議分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口。精通PROFIBUS—DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)和通信原理是實(shí)現(xiàn)PROFIBUS—DP協(xié)議的關(guān)鍵。
1．1 物理層
　　該層規(guī)定了PROFIBUS—DP的總線介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸距離、傳輸速率、站點(diǎn)數(shù)以及總線接口。該層同時(shí)支持無總線控制功能的簡單現(xiàn)場I／O設(shè)備和有總線控制功能的復(fù)雜設(shè)備。物理層通過采用差分電壓輸出的RS485實(shí)現(xiàn)電流連接，其基本傳輸特性如表1所示。

1．2 數(shù)據(jù)鏈路層
　　數(shù)據(jù)鏈路層主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：介質(zhì)存取控制（MAC）和現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL）服務(wù)。MAC描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取方式，它采用一種混合訪問方法。PROFIBus—DP規(guī)定，在同一時(shí)刻，只能有一個(gè)設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)，所以在多主站系統(tǒng)中，各主設(shè)備之間用令牌總線方式；在主設(shè)備和從設(shè)備之間用循環(huán)查詢的主一從方式。
　　PROFIBUS中提供了4種數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)：SDA（發(fā)送數(shù)據(jù)要應(yīng)答）、SRD（發(fā)送和請求回答的數(shù)據(jù)）、SDN（發(fā)送數(shù)據(jù)不需應(yīng)答）、CSRD（循環(huán)性發(fā)送和請求回答的數(shù)據(jù)）。在DP中主要用到SRD和SDN。其中SRD允許本地用戶向單個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)向遠(yuǎn)程站點(diǎn)請求數(shù)據(jù)。該服務(wù)也允許本地用戶只向遠(yuǎn)程站點(diǎn)請求數(shù)據(jù)，但并不發(fā)送數(shù)據(jù)（即數(shù)據(jù)發(fā)送單元為空）。若在傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則重復(fù)上述過程。SDN則用于本地用戶同時(shí)向單個(gè)、多個(gè)或全部遠(yuǎn)程站點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。本地用戶在數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)會收到確認(rèn)，但在數(shù)據(jù)傳送過程中并無任何確認(rèn)。
1．3 用戶接口
　　DP中沒有用到ISO／0SI中規(guī)定的應(yīng)用層，而是使用自己定義的用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS—DP設(shè)備的設(shè)備行為，還定義了DP的各種行規(guī)及擴(kuò)展功能。行規(guī)對用戶數(shù)據(jù)的含義做了具體說明，并且具體規(guī)定了PROF1B1JS—DP如何用于應(yīng)用領(lǐng)域，利用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同零部件互換使用。PROFIBUS—DP行規(guī)主要有以下幾種：NC／RC行規(guī)、編碼器行規(guī)、變速傳動(dòng)行規(guī)、操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī)。
　　DP的擴(kuò)展功能允許非循環(huán)的讀寫功能并中斷并行于循環(huán)數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)答，另外，對從站參數(shù)和測量值的非循環(huán)存取可用于某些診斷或操作員控制站（二類主機(jī)，DPM2）。有了這些擴(kuò)展功能，PROFIBUS—DP可以滿足某些復(fù)雜設(shè)備的要求，例如過程自動(dòng)化的現(xiàn)場設(shè)備、智能化操作設(shè)備和變頻器等，這些設(shè)備的參數(shù)往往在運(yùn)行期間才能確定，而且與循環(huán)性測量值相比很少有變化。因此，與高速周期性用戶數(shù)據(jù)傳送相比，這些參數(shù)的傳送具有低優(yōu)先級。DP的擴(kuò)展功能可選，與DP基本功能兼容，通常采用軟件更新的辦法實(shí)現(xiàn)DP擴(kuò)展功能。
2 PROFIBUS—DP的通信原理
2．1 報(bào)文格式
　　PROFIBUS—DP數(shù)據(jù)編碼采用異步不歸零制，傳輸線的空載電平為“1”。為了避免數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生沖突而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，在每個(gè)請求報(bào)文發(fā)送前必須保證至少．33位（同步時(shí)間）的空載狀態(tài)。在單個(gè)字符間所有數(shù)據(jù)傳送時(shí)沒有間隙，即無縫。報(bào)文的格式如圖1所示。
　　其中，SD為啟動(dòng)字節(jié)，用于區(qū)分報(bào)文的內(nèi)容：
　　SD1—1OH，用于尋找GAP（到時(shí)間后，總線上有無新的活動(dòng)站）；SD2—68H，用于可變長度的報(bào)文；SD3一A2H，用于固定數(shù)據(jù)長度的報(bào)文；SD4=DCH，表示該報(bào)文為令牌報(bào)文；SD5一E5H，短確認(rèn)。


　　DA：目的地址。
　　SA：源地址。
　　FC：控制字節(jié)，它定義報(bào)文類型，例如SDN，SDA和SRD分別作為握手報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文。該字節(jié)還包括防止信息丟失或重復(fù)的控制信息。CSRD不能通過總線辨識（對應(yīng)于SRD）。
　　DU：數(shù)據(jù)單元。
　　FCS：校驗(yàn)字節(jié)，為DA，SA，F(xiàn)C，DSAP，SS—AP和DU的算數(shù)和，不考慮進(jìn)位。
　　ED=16H，為終止字節(jié)。
　　另外，在SD2類報(bào)文中，LE為數(shù)據(jù)長度，包括DA，SA，F(xiàn)C，DSAP，SSAP和DU 的長度總和；LEr為長度重復(fù)；DSAP為目的服務(wù)存取點(diǎn)；SSAP為源服務(wù)存取點(diǎn)。PROFIBUS—DP中定義了9種SAP（服務(wù)訪問點(diǎn)）服務(wù)，分別為54（用于主一主通信）、55（用于二類主站對從站設(shè)定站地址）、56（讀輸入）、57（讀輸出）、58（全局控制）、59（讀組態(tài)）、60（讀診斷信息）、61（傳送參數(shù)）、62（校核組態(tài)）。
2．2 通信過程
　　PROFIBUs—DP的數(shù)據(jù)通信分為4個(gè)階段：啟動(dòng)、初始化主站、配置及診斷從站、數(shù)據(jù)交換。啟動(dòng)階段主要完成對DP設(shè)備的參數(shù)設(shè)定，這一步是DP網(wǎng)絡(luò)能否安全、高速、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。需要設(shè)定的參數(shù)主要有站點(diǎn)的地址、波特率、總線定時(shí)、站點(diǎn)的擴(kuò)展功能以及SAP的激活。設(shè)置參數(shù)的依據(jù)來自于設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（GSD），該文件以一種準(zhǔn)確定義的格式給出每種DP設(shè)備特性的全面描述，由生產(chǎn)商以設(shè)備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶。DP設(shè)備一旦投入使用，一般不會再改變，若有特殊情況要改變，要停止設(shè)備的運(yùn)行，重新進(jìn)行組態(tài)。
　　接下來要對主站進(jìn)行初始化。此階段主站要進(jìn)行本站診斷，并對從站進(jìn)行初步診斷。在進(jìn)行本站診斷時(shí)，主站首先要檢測本站及其下屬從站地址，在DP中，每個(gè)站點(diǎn)的地址是唯一的，可用的地址范圍為0～127，其中127為廣播地址，未被指定地址的從站默認(rèn)值為126。在網(wǎng)絡(luò)中，一類主站的地址不能為126，也不能同地址為126的從站進(jìn)行通信。檢測地址無誤后，主站對從站發(fā)送初步診斷報(bào)文。主站收到從站的響應(yīng)后，并不對從站返回的內(nèi)容進(jìn)行處理，而是繼續(xù)進(jìn)行對從站的參數(shù)化和設(shè)置。若從站不響應(yīng)主站，主站將連續(xù)查詢從站，超過最大查詢次數(shù)后，確認(rèn)該從站不存在，在地址列表中刪除該從站。
　　確認(rèn)從站在線后，主站對其進(jìn)行配置，包括對從站的參數(shù)化和組態(tài)。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主站要有合法的從站參數(shù)數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫由參數(shù)和組態(tài)數(shù)據(jù)組成。每組數(shù)據(jù)對應(yīng)于一個(gè)從站，包括描述一個(gè)從站的所有的信息，還包括總線參數(shù)和地址列表。主站發(fā)送參數(shù)報(bào)文和組態(tài)報(bào)文后都會收到從站的短確認(rèn)響應(yīng)。配置完畢后，主站要對從站進(jìn)行二次診斷，以確保對從站的配置的正確性。此次主站要對從站返回的內(nèi)容進(jìn)行處理，查看對從站的配置是否正確，若診斷無誤，則進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。以上階段所傳輸?shù)脑\斷及檢測信息，均按照SD2類報(bào)文格式傳輸。
　　各個(gè)站點(diǎn)配置和診斷完畢后，進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。在PROFIBUs中，稱消息請求的發(fā)起站為請求站，目標(biāo)站為響應(yīng)站或接收站。DP系統(tǒng)主要為單主系統(tǒng)。發(fā)起站總為主站，同級站點(diǎn)之間沒有通信。在單主系統(tǒng)中，只存在主一從通信。主站只能和它所配置的從站進(jìn)行通信，從站也只能和配置它的主站進(jìn)行通信。通信時(shí)，由主站發(fā)出通信服務(wù)請求，其相應(yīng)的從站接收到后，若需要返還數(shù)據(jù)，則將提前處理好的數(shù)據(jù)發(fā)給主站，若無數(shù)據(jù)請求，則發(fā)給主站一個(gè)短確認(rèn)報(bào)文，用以確認(rèn)。主站不能連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包之間至少要插入33位空閑位，以避免數(shù)據(jù)沖突和丟失。而從站在接收到主站的數(shù)據(jù)后，不必等待33位空閑位，但要在最小延遲時(shí)間過后再響應(yīng)主站，一般最小延遲時(shí)間為11 tBrr（1 tBIT一1／波特率）。在數(shù)據(jù)交換過程中，若從站有診斷信息要上報(bào)到主站，則該信息擁有較高的優(yōu)先級，主站收到該信息后，會優(yōu)先處理并給以回應(yīng)。
3 ROFIBUS—DP在柳州發(fā)電廠的應(yīng)用
　　廣西柳州發(fā)電廠2號機(jī)組于1995年10月投入運(yùn)行。機(jī)組的熱工控制系統(tǒng)鍋爐部分采用的是分立式的YS一80單回路調(diào)節(jié)器和JKDT數(shù)字組裝儀表，汽機(jī)部分采用的是氣動(dòng)基地式調(diào)節(jié)儀，監(jiān)視部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）采用了EDPF一1000微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及大量的模擬儀表和巡測儀等；機(jī)組的保護(hù)聯(lián)鎖采用繼電器及硬接線實(shí)現(xiàn)。這樣的配置在當(dāng)時(shí)屬于中等水平，在生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)揮了應(yīng)有的作用，但同時(shí)也存在許多根本無法解決的問題，如協(xié)調(diào)控制無法投入，機(jī)組適應(yīng)負(fù)荷變化的能力很差，無法快速響應(yīng)電網(wǎng)的要求，自動(dòng)化水平低，運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，保護(hù)可靠性低等。為了解決上述問題，該廠于2000年開始對2號機(jī)組的熱工控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。
　　經(jīng)過比較和選擇，該廠決定使用北京和利時(shí)公司的MACSTM分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線的新型控制系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：


　　其中，最基層的控制網(wǎng)絡(luò)由PROFIBUS—DP構(gòu)成，在現(xiàn)場控制站中。主要用于與現(xiàn)場控制站主控單元和I／O模件通信，完成實(shí)時(shí)輸入、輸出數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。每個(gè)現(xiàn)場控制站主要由主控單元和I／O模件構(gòu)成，此外還包括系統(tǒng)電源、現(xiàn)場電源、通信單元和控制網(wǎng)絡(luò)等。主控單元和I／O模件之間的連接采用的是PROFIBUS—DP協(xié)議現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，傳輸速率為1．5～12 Mbps。傳輸介質(zhì)為雙絞線，主控單元作為PROFIBUS—DP總線的主站；I／O模件作為PROFIBUS—DP總線的從站。每個(gè)I／O站采用了2臺冗余主控單元執(zhí)行控制任務(wù)，CPU為奔騰233，采用8 M 電子盤工作，操作系統(tǒng)為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)QNX，DP主卡可以達(dá)到通道級診斷，硬件設(shè)計(jì)上有看門狗回路，在發(fā)生意外死機(jī)情況下可以自動(dòng)切換到備用主控單元工作，從而使得主控單元具有極高的可靠性。I／O模件采用FOCS（Filedbus Open Control System）緊湊型開放控制系統(tǒng)硬件，適用于現(xiàn)場工作環(huán)境，可以帶電插拔，用撥碼開關(guān)指定地址，可以確保工作的準(zhǔn)確性。PROFIBUS—DP協(xié)議不僅是國際上通用的一種協(xié)議，開放性好，可兼容CAN、FF等多種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，輕易地與其他現(xiàn)場總線儀表或設(shè)備相連接，系統(tǒng)擴(kuò)展十分方便，而且可以安裝到現(xiàn)場，節(jié)省大量電纜，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省安裝工期，調(diào)試也更加簡單。柳州發(fā)電廠由于是老機(jī)組改造，電纜基本上已經(jīng)到了集控室，本次改造采取的是機(jī)柜安裝方式?，F(xiàn)場控制站根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)庫和算法完成信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、控制和聯(lián)鎖運(yùn)算、現(xiàn)場信號輸出等功能。
　　目前，2號機(jī)組改造工作已完成，投入正常運(yùn)行。MACSM系統(tǒng)的運(yùn)行情況基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的功能，自動(dòng)投入率達(dá)到了100。PROFIBUS—DP的運(yùn)用使現(xiàn)場控制站能夠快速、穩(wěn)定、可靠地采集、傳輸和處理數(shù)據(jù)。MACS控制系統(tǒng)高效地完成了控制任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的效果。
4 結(jié)束語
　　PROFIBUS—DP是開放的、功能完善的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。其協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)簡單、價(jià)格低廉、易于推廣，并得到世界上大多數(shù)有影響力的自控設(shè)備供應(yīng)商的支持?，F(xiàn)場總線是智能化儀表和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新一代底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線出現(xiàn)以后，DCS的I／O控制站將向分布式結(jié)構(gòu)發(fā)展，其控制功能將進(jìn)一步分散到現(xiàn)場設(shè)備上。因此，使用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線更新升級目前的DCS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高智能化控制和高效率化管理，對于提高我國的自動(dòng)化水平具有重要意義。
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