您好, 歡迎來到化工儀器網
一種小型PROFIBUSDP網絡的構建及其應用
閱讀：911 發布時間：2021-7-1
一種小型PROFIBUSDP網絡的構建及其應用
現場總線PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。
(1)PROFIBUS-DP：用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。它的設計旨在用于設備一級的高速數據傳送。
(2)PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本質安全規范。
(3)PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主從網絡。
其中，PROFIBUS-DP采用OSI參考模型中的第1層，第2層和用戶接口。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同的PROFIBUS-DP設備的設備行為；物理層傳輸使用RS485標準，這種結構保證了通信的實時性和系統實現的低成本性。協議結構見圖1。
PROFIBUS-DP系統可由以下3類設備組成：
(1)一級DP主站(DPM1)：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站(如DP從站)交換信息。
(2)二級DP主站(DPM2)：二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的。
(3)DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備。
PROFIBUS-DP支持單主站或多主站系統，各主站之間傳送令牌，主站與從站之間傳送數據，這就為系統配置組態提供了高度靈活性。主站通過獲取令牌獲得訪問權，在令牌持有期間內可進行操作，按照主站與主站和主站與從站通信關系表與其他主站和從站通信。主站與從站之間的周期性數據傳輸采用主從方式，主站向從站發送或索取信息[2]。單主站系統中，在總線系統的運行階段，只有一個活動主站。
PROFIBUS-DP數據鏈路層提供以下傳輸服務：(1)發送要求確認的報文(SRD服務)：向某個從站發送報文，要求從站確認。(2)不要求確認的廣播報文(SND服務)：向一組從站發送報文，啟動相應的SDN服務，不要求從站確認。
二、PROFIBUS-DP的通信原理
在PROFIBUS-DP系統中，DPM1和相關DP從站之間的用戶數據傳輸由DPM1按照確定的遞歸順序自動進行。在對總線系統進行組態時，用戶對DP從站與DPM1的關系做出規定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP從站之間的數據傳送分三個階段：參數設定、組態、數據交換。在參數設定階段，每個從站將自己的實際組態數據與從DPM1接收到的組態數據進行比較。只有當實際數據與所需的組態數據相匹配時，DP從站才進入用戶數據傳輸階段。因此，設備類型、數據格式、長度以及輸入輸出數量必須與實際組態一致。在實際系統中，要使主站節點和各從站之間能夠實現正確的網絡通信，必須對網絡進行配置，規定主站與從站的關系，確定哪些從站被納入信息交換周期，然后將網絡配置信息下載到PROFIBUS-DP主站中去。
PROFIBUS設備具有不同的性能特征(現有功能的不同或可能的總線參數的不同)，這些參數對每種設備類型和每個生產廠來說均各有差別。要使PROFIBUS能夠實現簡單的即插即用配置，需要將這些特性在設備數據庫(GSD)中具體說明。GSD文件由生產廠商分別針對每一種設備類型準備并以設備數據庫清單的形式提供給用戶。這種文件格式便于讀出任何一種PROFIBUSDP設備的設備配置信息，在組態總線系統時自動使用這些信息；系統自動地對與整個系統有關的數據輸入誤差和前后一致性進行檢查核對。
三、PROFIBUS-DP通信在鍋爐系統中的應用設計
以一個小型鍋爐系統為例，采用PROFIBUS-DP純主—從方式通信，設計5個PROFIBUS-DP從站節點，分別監控系統中各個被控對象：第一個從站節點實現對鍋爐溫度的控制和測量，第二個從站節點實現對進口流量的測量，第三個從站節點實現對爐內液位的控制和測量，第四個從站節點實現對夾層溫度的測量，第五個從站節點實現對出口壓力的測量。
1、系統硬件配置
本系統主要由主站節點(一類主站)、現場智能單元(DP從站)組成一個分布式網絡數據監控系統，系統結構框圖如圖2所示。由組網設備完成組網之后，主從之間通過主站發送或請求數據，從站響應或確認主站發送的數據來完成PROFIBUS網絡的數據傳送。
（1）主站節點
在本系統中，主站接口模塊使用瑞典HMS公司的ANYBUS PROFIBUS-DP Master模塊。該模塊是一種嵌入式設備。它具有一類主站所有的功能，支持從9.6kbit/s到12Mbit/s之間的通信波特率，最多可以掛接124個從站。在硬件上通過2K的雙端口RAM(DPRAM)與用戶CPU接口，雙端口RAM區中還包括系統信息區、硬件信息區以及握手標記位。它的I/O數據發送區和數據請求區最大均達到512個字節，還可開辟擴展緩沖區。在軟件上提供報文(MailboxMessage)與用戶CPU進行信息交換。
在本系統中，主站節點通過與從站建立的通信關系實現對整個系統狀態的監控。主站節點采用ATMEL89C52芯片作為CPU，與PROFIBUS-DPMaster接口模塊共同構成PROFIBUS網絡主站節點，實現對網絡節點的管理。CPU、靜態存儲器通過數據線、地址線以及控制線與接口模塊的雙端口RAM進行數據交換，數據內容主要包括各個從節點的過程數據、狀態信息、緩沖區配置信息等。采用帶有看門狗功能的電可擦除存儲器(EEPROM)存儲主站節點的運行參數、現場總線網絡的組網信息和節點狀態信息。靜態存儲器(RAM)作為數據存儲器存儲從節點的過程數據。主站節點的結構見圖2上半部分。
（2）現場智能單元（DP從站）
在本系統中，PROFIBUS-DP從站接口模塊使用瑞典HMS公司的ANYBUS—SPROFIBUS-DP模塊。與主模塊相類似，它也是一種嵌入式設備。硬件上通過2K的雙端口RAM(DPRAM)與用戶CPU接口。現場智能單元以51系列的單片機為核心處理器，主要完成對PROFIBUS從模塊的初始化，包括I/O映射區域的分配——映射區地址的分配、長度的設置，然后根據接口映射區的地址分配實現I/O數據的讀寫操作。PROFIBUS從站接口模塊嵌入在現場智能單元中，接收控制命令，提供主站所需的各種系統參數。現場智能單元的結構如圖3所示。
現場智能單元對被控對象的工作參數、狀態參數進行采集處理，并向DP從模塊的輸入映射區寫入信息和數據，供網絡中的主站節點讀取，進行上位機監視；同時從輸出映射區讀取主站節點發送的控制信息，經判斷后，對被控對象作出控制決策。
2、系統的通信組網構建
網絡組態方式有兩種方法：一種是通過對主節點編寫報文信息來完成；另外一種是通過PROFIBUS-DP組網軟件來實現。本系統利用組網軟件的方式來進行組網。如圖4所示，通過連接器將主模塊與PC機相連，直接對主模塊進行網絡配置。瑞典HMS提供的組網軟件HMS SYCON專門用于PROFIBUS-DP的網絡配置，可以配置主站和從站，測試網絡狀態，直接讀取主站和從站的輸出、輸入數據，設置總線數據傳輸速率等[5]。系統中，DP從站數為5，每個從模塊開辟的IN區和OUT區的大小都是20個字節。配置時根據每個現場智能單元PROFIBUS從站開辟的IN區和OUT區的大小，在SYCON中一一對應，并將網絡中所有的從站納入到信息交換周期中，選擇適當的數據通信波特率，然后將配置信息下載到主模塊中去。在此鍋爐系統中，SYCON中數據區的配置如表1所示。
主模塊按照下載的信息自動對所屬的從站進行發送或索取數據；如果配置的數據與實際數據相匹配，從站便進入用戶數據傳輸階段，就可以實現PROFIBUS-DP主從站之間的數據傳送。
需要注意的是，網絡配置完成，數據正確映射時，主模塊的IN區與從模塊的OUT區相對應，主模塊的OUT區與從模塊的IN區相對應。