基于現場總線的控制系統(tǒng)Profibus介紹

現場總線是信息技術、網絡技術的發(fā)展在控制領域的體現，是自動化技術發(fā)展的熱點之一。因其具有數字化、開放性、分散性以及對現場環(huán)境的適應性等特點而獲得了非常廣泛的應用。目前，已逐漸成熟并對工業(yè)自動化進程形成影響的主要有Profibus，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現場總線技術之一，其產品廣泛應用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領域。

它是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現場總線標準，是一種國際化、開發(fā)式、不依賴于生產商的現場總線。根據應用特點可分為三個兼容版本：(1)PROFIBUS-DP以其較快的傳輸速度和強抗干擾能力而應用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通訊;(2)PROFIBUS-FMS 主要解決車間級的通用型通信任務，可以提供靈活而大量的通信服務;(3)PROFIBUS-PA則專為過程自動化設計，它直接和現場的傳感器或執(zhí)行器連接，并可通過DP/PA接口與DP總線連接，使用于安全性要求較高以及由總線供電的場合。

根據現場設備到控制器的連接方式，現場總線的拓撲結構通常采用以下三種方式：線形、樹形和環(huán)形。Profibus采用的是線形結構，用一根總干線從控制器連接到受控對象，總線電纜從主干電纜分支到現場設備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時還可發(fā)送信息到輸出通道，實現多主式和對等式通信。本文著重介紹PROFIBUS-DP現場總線控制系統(tǒng)的設計。

Profibus-DP網絡使用了物理層、數據鏈路層以及自己的用戶層，其中物理層采用ETA RS485傳輸技術，采用屏蔽雙絞銅線或光纖兩種傳輸電纜。在總線的兩端為了防止浪涌，接有終端電阻，實際使用時，應注意將位于中間節(jié)點的接頭終端電阻置于OFF位置。

數據鏈路層又稱現場總線數據鏈路層(Fieldbus Data Link. FDL)一般有兩種介質存取方式：令牌總線(Token Bus，令牌總線協議符合IEEE802.4)和主從方式。

令牌是一種特殊的電文，它在主站之間傳遞控制權，令牌總線方式使得某個得到令牌的主站可在一個事先規(guī)定的時間段內得到總線控制權，在這段時間內允許這個主站執(zhí)行主站的工作，這個主站可依照與主站或從站的關系表和所有主站或所有從站進行通信。若該主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時間內發(fā)送完了所需發(fā)送的幀，或者該主站的控制時間終了時它就將主站令牌傳遞給下一個主站，這樣就保證了即使在重載下，每個主站都可以在確定的時間內得到總線使用權，避免了在以太網中重載下容易阻塞的缺點，保留了總線型網絡結構簡單、自由增減站點的優(yōu)點。

主從方式的數據鏈協議與局域網標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式(NRM)，該模式的工作特點是 ：總線上一個主站可以控制多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路，主站發(fā)出命令，從站給出響應;從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達到發(fā)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數據鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。

U表示HDLC的無編號幀，U：A，SNRM，P表示在SNRM模式上選擇從站A，P為探詢位;U：A，UA，F表示用U幀的無編號確認命令UA作為響應主站建立數據鏈，F為終止位。I表示HDLC的信息幀，N(S)=0表示編號，N(R)=0表示未接收到A的從站幀，N(S)=1， N(R)=0和N(S)=2，N(R)=0表示第2，3個從主站連續(xù)發(fā)送的信息幀，第3幀中使用了探詢位P表示從站也有信息幀要發(fā)送。N(R)=3表示從站A已正確接收序號為2及以前的I幀，終止符F表示從站只有一幀發(fā)送。最后當主、從站都沒有信息幀要發(fā)送、或主站將與其他從站建立數據鏈時，主站使用U釋放連接命令DISC，從站A從U幀的UA予以確認，鏈路傳輸過程結束。

審核編輯黃宇