現(xiàn)場總線（PROFIBUS）技術(shù)簡介（四）

(1)三種PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。
(2)在PROFIBUS中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FieldbusDataLink-FDL）。介質(zhì)存取控制（MediumAccessControl-MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。
(3)PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足介質(zhì)存取控制的兩個(gè)基本要求：
·在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來完成通信任務(wù)。
·在復(fù)雜的程序控制器和簡單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。
(4)令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。
(5)主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置：
·純主-從系統(tǒng)
·純主-主系統(tǒng)
·混合系統(tǒng)
(6)圖2-4是一個(gè)由3個(gè)主站、7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)。3個(gè)主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后，該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)間內(nèi)，它可依照主-從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主-主通訊關(guān)系表與所有主站通信。

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圖2-4：3個(gè)主站、7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)

(7)在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。
(8)第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。PROFIBUS第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。
(9)PROFIBUS第二層按照非連接的模式操作，除提供點(diǎn)對點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，其中包括廣播及有選擇廣播功能。

2.3PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。
2.3.1PROFIBUS-DP的基本功能
(1)傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。
(2)總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)。總線上最多站點(diǎn)（主-從設(shè)備）數(shù)為126。
(3)通信：點(diǎn)對點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。
(4)運(yùn)行模式：運(yùn)行、清除、停止。
(5)同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。
(6)功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的動(dòng)態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強(qiáng)大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進(jìn)行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。
(7)可靠性和保護(hù)機(jī)制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從站帶看門狗定時(shí)器（WatchdogTimer）。對DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護(hù)。DP主站上帶可變定時(shí)器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。
(8)設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動(dòng)器、閥門等。
2.3.1.1PROFIBUS-DP基本特征
(1)速率：在一個(gè)有著32個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP對所有站點(diǎn)傳送512bit/s輸入和512bit/s輸出，在12Mbit/s時(shí)只需1毫秒。
(2)診斷功能：經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP診斷能能對故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級：
·本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。
·模塊診斷操作：一個(gè)站點(diǎn)的某具體I/O模塊故障。
·通道診斷操作：一個(gè)單獨(dú)輸入/輸出位的故障。
2.3.1.2PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型
PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個(gè)PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：
(1)一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。
(2)二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。
(3)DP從站：DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門等）。
(4)單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站。如圖2-5所示：

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圖2-5：單主站系統(tǒng)

(2)多主站系統(tǒng)：總線上連有多個(gè)主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè)DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設(shè)備。任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個(gè)DP主站允許對DP從站寫入數(shù)據(jù)。如圖2-6所示：

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圖2-6：多主站系統(tǒng)

2.3.1.3系統(tǒng)行為
系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所控制。主要有以下三種狀態(tài)：
·停止：在這種狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。
·清除：在這種狀態(tài)下，DPM1讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態(tài)。
·運(yùn)行：在這種狀態(tài)下，DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段，循環(huán)數(shù)據(jù)通信時(shí)，DPM1從DP從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息。
(1)DPM1設(shè)備在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地
發(fā)送到每一個(gè)有關(guān)的DP從站。如圖2-6所示。
(2)如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯(cuò)誤，DPM1將所有有關(guān)的DP從站的輸出數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)，而DP從站將不在發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。在次之后，DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。

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圖2-6：PROFIBUS-DP用戶數(shù)據(jù)傳輸

2.3.1.4DPM1和DP從站間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
DPM1和相關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動(dòng)進(jìn)行。在對總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時(shí)，用戶對DP從站與DPM1的關(guān)系作出規(guī)定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP從站間的數(shù)據(jù)傳送分三個(gè)階段：參數(shù)設(shè)定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設(shè)定階段，每個(gè)從站將自己的實(shí)際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接受到的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。只有當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時(shí)，DP從站才進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式、長度以及輸入輸出數(shù)量必須與實(shí)際組態(tài)一致。
2.3.1.5DPM1和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
除主-從功能外，PROFIBUS-DP允許主-主之間的數(shù)據(jù)通信，這些功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。

2.3.1.6同步和鎖定模式
除DPM1設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行的用戶數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸外，DP主站設(shè)備也可向單獨(dú)的DP從站、一組從站或全體從站同時(shí)發(fā)送控制命令。這些命令通過有選擇的廣播命令發(fā)送的。使用這一功能將打開DP從站的同步及鎖定模式，用于DP從站的事件控制同步。
主站發(fā)送同步命令后，所選的從站進(jìn)入同步模式。在這種模式中，所編址的從站輸出數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)下。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數(shù)據(jù)，但它的輸出狀態(tài)保持不變；當(dāng)接收到下一同步命令時(shí)，所存儲的輸出數(shù)據(jù)才發(fā)送到外圍設(shè)備上。用戶可通過非同步命令退出同步模式。
鎖定控制命令使得編址的從站進(jìn)入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數(shù)據(jù)鎖定在當(dāng)前狀態(tài)下，直到主站發(fā)送下一個(gè)鎖定命令時(shí)才可以更新。用戶可以通過非鎖定命令退出鎖定模式。

2.3.1.7保護(hù)機(jī)制
對DP主站DPM1使用數(shù)據(jù)控制定時(shí)器對從站的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)視。每個(gè)從站都采用獨(dú)立的控制定時(shí)器。在規(guī)定的監(jiān)視間隔時(shí)間中，如數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生差錯(cuò)，定時(shí)器就會(huì)超時(shí)。一旦發(fā)生超時(shí)，用戶就會(huì)得到這個(gè)信息。如果錯(cuò)誤自動(dòng)反應(yīng)功能"使能"，DPM1將脫離操作狀態(tài)，并將所有關(guān)聯(lián)從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，并進(jìn)入清除狀態(tài)。
對DP從站使用看門狗控制器檢測主站和傳輸線路故障。如果在一定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒有主機(jī)的數(shù)據(jù)通信，從站自動(dòng)將輸出進(jìn)入故障安全狀態(tài)。