現(xiàn)場總線（Fieldbu）是80 年代末、90 年代初國際上發(fā)展起來的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的產(chǎn)物，經(jīng)過十幾年的發(fā)展已成為當(dāng)今世界自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前各類現(xiàn)場總線有40 多種，主要用于解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信及這些現(xiàn)場控制設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。
        目前較為流行的現(xiàn)場總線有FF 、LonWorks 、Profibus 、WorldFIP 、CAN 、HART （過渡協(xié)議）等。現(xiàn)場總線雖然必須設(shè)計(jì)成開放系統(tǒng)，但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不需要保持與OSI 系統(tǒng)完全一致。現(xiàn)場總線采用了三3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)--物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。流量控制和差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)鏈路層中執(zhí)行，報(bào)文的可靠傳輸在數(shù)據(jù)鏈路層或應(yīng)用層中執(zhí)行。
　　1   PROFIBUS-DP總線
　　1.1 PROFIBUS-DP基本特性
　　Profibus-DP 的設(shè)計(jì)旨在用于現(xiàn)場一級的高級數(shù)據(jù)傳輸，在這一級中央控制器中（如可編程控制器PLC/可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC/PC）通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門）進(jìn)行通訊。中央控制器（主站）周期的讀取從站的輸入信息并周期的向從站發(fā)送輸出信息，數(shù)據(jù)通訊由主站和從站進(jìn)行監(jiān)控。使用Profibus-DP可以取代昂貴的24V或4-20mA的并行信號傳輸線，它具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）采用數(shù)字化通訊，穩(wěn)定、可靠；（2）實(shí)現(xiàn)省配線化；（3）傳輸速度高；（4）高層的信息傳輸；（5）功能分散、危險(xiǎn)分散；（6）互換性、可操作性好。
　　Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)主站/從站（Master / Slaver）網(wǎng)絡(luò)，典型的DP 配置是單主站結(jié)構(gòu)。DP 主站與DP 從站之間的通信基于主從原理，主站具有總線控制權(quán)，可以向總站發(fā)送信息，而總線上的DP 從站僅僅是對主站作有關(guān)應(yīng)答或響應(yīng)。一個(gè)DP 系統(tǒng)也可能是多主系統(tǒng)。
　　1.2 Profibus-DP 總線拓?fù)?br>　　Profibus-DP 系統(tǒng)有兩種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：一種是RS485 ，采用屏蔽雙絞線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，通信速率為9.6kbps/1200m, 12Mbps/100 m ，每段最多節(jié)點(diǎn)數(shù)為32，不支持總線供電和本安；另一種是采用光纖，用于電磁兼容性要求高和長距離要求的場合。
　　1.3 PROFIBUS-DP通信原理
　　PROFIBUS采用現(xiàn)有的國家和國際標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議以國際ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)OSI（開放系統(tǒng)互連）參與模型為基礎(chǔ)。Profibus-DP采用了參考模型的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和用戶自己定義的用戶層。
　　Profibus-DP的物理層與OSI參考模型的第一層相同，其主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，以透明地傳送比特流，符合EIARS485標(biāo)準(zhǔn)（也稱H2），半雙工方式，根據(jù)最大傳輸率的不同，可選用雙絞線和光纖2種傳輸電纜。
　　在數(shù)據(jù)鏈路層中，PROFIBUS-DP 使用混合的總線存取控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)如下兩個(gè)目標(biāo)：同一級設(shè)備之間的通訊必須使每一個(gè)總線節(jié)點(diǎn)在確定的時(shí)間范圍內(nèi)能夠獲得足夠的機(jī)會(huì)來處理它自己的通訊任務(wù)，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)主從數(shù)據(jù)快速交換時(shí)花費(fèi)很少的協(xié)議開銷。它包括用于主站間通信的分散的令牌傳遞機(jī)制和用于主站與從站間通信的集中的主-從機(jī)制，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170V.2。Profibus-DP的總線存取控制機(jī)制與所使用的傳輸介質(zhì)無關(guān)，每個(gè)DP 節(jié)點(diǎn)有一個(gè)總線上惟一的地址，報(bào)文用節(jié)點(diǎn)編址的方法組織。
　　令牌總線機(jī)制：令牌介質(zhì)存取中令牌是一種特殊的電文，它在主站間傳遞控制權(quán)。連接到Profibus 網(wǎng)絡(luò)的主站按它的總線地址（由總線存取控制MAC 程序自動(dòng)判定總線上所有主動(dòng)節(jié)點(diǎn)地址并記錄在主動(dòng)站表LAS 中）的升序組成一個(gè)邏輯令牌環(huán)。當(dāng)某個(gè)主站得到令牌后，該主站就被允許在以后的一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。根據(jù)主從站關(guān)系表給其它的主站或從站發(fā)送幀，直到發(fā)完或規(guī)定的時(shí)間到，再把令牌按令牌環(huán)規(guī)定的順序傳給其它主站。具有總線地址HAS （最高站地址）的站點(diǎn)例外，它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點(diǎn)，以使邏輯令牌環(huán)閉合。在單主方式中不存在令牌的傳遞。
　　在討論主站模塊EX450與帶從站模塊IF361、IF661的從站通訊時(shí)，應(yīng)先討論主從站之間的介質(zhì)存取規(guī)約：主-從方式。主-從方式的介質(zhì)存取控制與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，它符合OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層中的非平衡正常響應(yīng)模式，主站與從站之間傳送幀的結(jié)構(gòu)與上面的令牌幀的結(jié)構(gòu)不同。在主-從方式下，由一個(gè)主站控制著多個(gè)從站，構(gòu)成主-從系統(tǒng)。主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個(gè)主站應(yīng)與相關(guān)的多個(gè)從站中的每一個(gè)從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路，從站可以發(fā)送多個(gè)幀，直到以下一種情況發(fā)生為止：從站沒有信息幀可發(fā)送，未完成幀的數(shù)目已達(dá)最大值或從站被主站停止。典型的Profibus-DP 總線配置是以主-從總線存取程序?yàn)榛A(chǔ)的，一個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)（DP 主站）循環(huán)地與被動(dòng)節(jié)點(diǎn)（DP 從站）交換數(shù)據(jù)。
　　2   基于Profibus 一DP 主從通信
　　2.1硬件部分
　　PROFIBUS通信的實(shí)現(xiàn)主要由帶PROFIBUS通信接口的中央處理器或通信模塊完成，通信模塊有DP 從站、DP 主站、FMS 站及混合DP 和FMS 的通信模塊。本文實(shí)驗(yàn)是基于奧地利貝加萊（B&R) 公司的相關(guān)產(chǎn)品在貝加萊-東華大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，以通過PROFIBUS -DP網(wǎng)對下位對象的控制為例介紹PROFIBUS 一DP 網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中主站為B&R公司的2005 系列，CPU 為CP260 或IF260 ，主站通過網(wǎng)絡(luò)模塊EX450 掛接到Profibus - DP 網(wǎng)上。當(dāng)用EX450 作為主站模塊時(shí)，可帶具有IF361 、F661 或其它接口模塊的從站127 個(gè)，也可帶具有Profibus 一DP 口的其它設(shè)備，如B&R公司的PROVIT 圖文顯示操作站、ACOPOS 伺服裝置、PANEL WARE 人機(jī)界面模塊等等，或其它公司的一些產(chǎn)品，如Siemens 公司的ET200系列。兩 個(gè)從站選用兩種不同配置，其中一個(gè)為2003 系列，網(wǎng)絡(luò)接口模IF361 ；另一個(gè)為2005 系列，接口模塊為IF661。接口模塊IF36l 與IF661 內(nèi)部采用的都是西門子 公司ASICs 芯片SPC3 , SPC3 是一種用于從站的智能通信芯片，支持Profibus-DP 協(xié)議，可獨(dú)立完成全部Profibus-DP 通信功能。

　　兩從站下面掛接的實(shí)驗(yàn)控制對象為：
　　1）電梯控制模型：本實(shí)驗(yàn)電梯模型為五層；
　　2）立體倉庫搬運(yùn)系統(tǒng)模型：自動(dòng)化立體倉庫是近年來國際上發(fā)展迅速并得到廣泛應(yīng)用的一種新型倉儲方式，其主要被控設(shè)備為巷道堆垛機(jī)，用于立體倉庫中搬運(yùn)和存取貨物。主要進(jìn)行倉庫物品搬運(yùn)存取研究。本實(shí)驗(yàn)倉庫模型共有四條巷道，每條巷道都有一入庫臺和一出庫臺，八排貨架。堆垛機(jī)有入庫、出庫、揀選、盤庫四種工作方式。
　　2.2 軟件部分
　　2.2.1網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
　　上位機(jī)中裝有B&R PCC 通信程序開發(fā)平臺Automation Studio (AS）軟件及B&R Fieldbus
　　Configurator（Sycon）網(wǎng)絡(luò)配置軟件，分別用于對PCC 編程和對Profibus-DP 網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)、通信設(shè)置及監(jiān)控。
　　PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的配置相當(dāng)靈活，網(wǎng)絡(luò)允許單子網(wǎng)或多子網(wǎng)配置，既可以單主-從網(wǎng)絡(luò)，
　　又可多主-從網(wǎng)絡(luò)。通過B&R 公司軟件B&R Fieldbus Configurator可對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。通過該軟件，不僅可配置PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，對InterBus , CANopen , DeviceNet , ControlNet , SDS , As-Interface 都可以進(jìn)行相關(guān)配置。組建Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通過讀取相應(yīng)GSD 文件而加人到同一總線系統(tǒng)中。GSD文件是電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件。為了將不同廠家的Profibus 產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD 文件方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)。GSD 文件應(yīng)該包括3 個(gè)部分：總體規(guī)范（生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、硬件和軟件版本、波特串等）、與DP 有關(guān)的規(guī)范（主站的各項(xiàng)參數(shù)）、與DP 從站有關(guān)的規(guī)范（輸人輸出通道數(shù)、 類型、診斷數(shù)據(jù)等）。從站與主站之間的通信是通過使用設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（GSD ）實(shí)現(xiàn)的。另外，B&R 公司軟件FieldBus Configurator 還可以用于對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，并可對網(wǎng)絡(luò)的通信信息進(jìn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)由B&R 公司軟件FieldBus Configurator組成的網(wǎng)絡(luò)配置如實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)診斷圖可向作者索取。
　　系統(tǒng)具體配置過程如下：
　　1）通過GSD 文件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)波特率、主從站地址，給從站模塊在主站內(nèi)存區(qū)分配映射緩沖區(qū)，確定映射區(qū)起始地址及大小（從站在主站緩沖區(qū)中分配的映射區(qū)是連續(xù)的），將配置文件下載至EX450 。
　　2）從站IF361是在程序中設(shè)置從站地址及波特率的，而從站IF661從站地址是通過硬件撥
　　碼設(shè)置的，此撥碼設(shè)定須與主站配置軟件中的設(shè)置一致。
　　3）將兩從站由AS編寫的通信程序通過模塊上的RS232 口下載至對應(yīng)模塊。
　　4）在B&R Fieldbus Configurator軟件診斷模式下測試整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，查看從站激活情況（見圖  2），然后由軟件生成主站通信程序所需要的網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)模塊。
　　5）在主站程序中加人主站的PROFIBUS-DP庫，并加人上面生成的數(shù)據(jù)模塊，編寫主站通信程序，下載至主站CPU 中。

　　2.2.2通信編程
　　從站程序主要設(shè)置從站緩沖區(qū)大小,及實(shí)現(xiàn)主站相應(yīng)緩沖區(qū)與從站緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換。它并不參與數(shù)據(jù)交換的協(xié)調(diào)過程，整個(gè)數(shù)據(jù)交換過程完全由主站程序控制。主站程序中，首先在初始化程序段通過INIT 函數(shù)初始化模塊，并檢查網(wǎng)絡(luò)配置模塊是否存在（標(biāo)志變量與Config是否為1 ）。如果標(biāo)志變量Config 與run 都為1 ，直接調(diào)用I/O函數(shù)進(jìn)人循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段。如果標(biāo)志變量Config為0 ，調(diào)用CONFIG命令將配置模塊傳送到通信模塊中。如果標(biāo)志變量run為0 ，說明當(dāng)前未在數(shù)據(jù)交換階段，那么調(diào)用START 函數(shù)開始數(shù)據(jù)交換，進(jìn)人循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段。在循環(huán)數(shù)據(jù)交換階段，通過IO函數(shù)復(fù)制需傳送的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的緩沖區(qū)中，由COMMAND 函數(shù)檢查總線狀態(tài)，判斷總線是否忙，并進(jìn)行同步處理。由SLAVESTATE 函數(shù)來診斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)從站是否存在并處于激活狀態(tài)，并由SlaveExtStat 函數(shù)給出詳細(xì)的從站狀態(tài)信息，如果一切正常的話，配合從站程序，實(shí)現(xiàn)從站程序緩沖區(qū)與主站緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)交換，最后由Stop終止數(shù)據(jù)交換。主站通信控制程序流程如主站通訊程序流程示意圖略可向作者索取。
　　2.3 應(yīng)用實(shí)例
　　在2003系列下掛的是電梯控制實(shí)驗(yàn)對象：設(shè)置的從站輸入映射點(diǎn)主要有手動(dòng)/自動(dòng)選擇開關(guān)、第X層樓上召喚按鈕、第X層樓下召喚按鈕、第X層樓主令按鈕、第X層限位開關(guān)及啟動(dòng)、開門、關(guān)門、上升、下降按鈕，從站的輸出映射點(diǎn)主要有第X層樓上召喚記憶顯示、第X層樓下召喚記憶顯示、第X層樓主令記憶顯示、正轉(zhuǎn)繼電器、反轉(zhuǎn)繼電器、開/關(guān)門指示、上升指示、下降指示及急停按鈕。主站PCC通過Profibus-DP總線不斷的與從站輸入緩沖區(qū)交換數(shù)據(jù)來得到當(dāng)前電梯的所有狀態(tài)參數(shù)，交由主站PCC應(yīng)用程序處理，然后把所得的控制參數(shù)送至從站輸出緩沖區(qū)中。從站PCC同樣不斷的與主站的輸出緩沖區(qū)做數(shù)據(jù)交換，根據(jù)獲得的參數(shù)對當(dāng)前電梯的運(yùn)行狀態(tài)作出控制。
　　在2005系列下掛的是倉庫搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)對象：設(shè)置的從站輸入映射點(diǎn)位堆垛機(jī)當(dāng)前位置，輸出映射點(diǎn)位堆垛機(jī)最近入庫臺（揀選臺）地址、貨箱地址。而操作方式及所需搬運(yùn)貨箱號是通過倉庫管理系統(tǒng)操作站上VB編寫的應(yīng)用程序來設(shè)定。VB通過OPC程序接口與主站PCC中的AS相連，把設(shè)定數(shù)據(jù)送入主站PCC的數(shù)據(jù)模塊中，供應(yīng)用程序處理。然后主站PCC把得到的最近入庫臺地址及貨箱地址由Profibus-DP送到從站輸出緩沖區(qū)中，從站執(zhí)行響應(yīng)操作。
　　3 結(jié)語
　　本文從研究的角度討論了Profibus -DP網(wǎng)絡(luò)的基本特性、拓?fù)湫问?、通信原理等，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹了實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)主從通信的具體方法并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。在本文所論述方法的基礎(chǔ)上，通過修改應(yīng)用程序可以很好地滿足實(shí)際工程中主站對從站的配置監(jiān)控、主從站數(shù)據(jù)通信等要求，具有很廣泛的通用性。
　　由于Profibus -DP的開放性、實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，可靠性高，符合現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，必將在未來一段時(shí)間內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。
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