P-NET現(xiàn)場總線技術(shù)

　　1、P-NET簡介(Introduction of P-NET)

　　P-NET現(xiàn)場總線技術(shù)由Proces-Data A/S公司研究并開發(fā)，是一種全世界通用的開放型標(biāo)準(zhǔn)化總線。P-NET采用主從制，但有多個(gè)主站。多主站現(xiàn)場總線的第一個(gè)產(chǎn)品在1984年開發(fā)出來，多網(wǎng)絡(luò)和多端口功能于1986年增加到協(xié)議范圍中。

　　2、P-NET主要特點(diǎn)(Main characteristic)

　　P-NET是一種多主控器主從式總線(每段最多可容納32個(gè)主控器)，使用屏蔽雙絞線電纜RS485，每段總線最長1200米，每段最多可聯(lián)結(jié)125個(gè)設(shè)備，總線分段之間使用中繼器,數(shù)據(jù)以NRZ編碼異步式傳輸，傳輸速率76.8kbit/s。

　　P-NET可以將生產(chǎn)過程的各個(gè)部分，如過程控制計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行器、I/O模塊、小型可編程控制器等，通過共用一根雙芯電纜加以連接，如圖1所示。與傳統(tǒng)布線相比，P-NET現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，它大大簡化了設(shè)計(jì)和安裝，減少了布線的數(shù)量和費(fèi)用，降低了各種設(shè)備故障發(fā)生的可能性，實(shí)現(xiàn)更直接也更廣泛的使用功能。

　　P-NET總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時(shí)應(yīng)用在一個(gè)復(fù)雜工廠自動化系統(tǒng)的幾個(gè)層次上，而各層次的傳輸速率保持一致。這樣構(gòu)成的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使各層次之間的通信不需要特殊的耦合器，幾個(gè)總線分段之間可實(shí)現(xiàn)直接尋址。任何P-NET模塊，包括主站，可以與總線聯(lián)接或斷開，而不影響總線的其它部分。這樣一來，模塊在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以互換，而且在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)可以對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

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　　圖1 P-NET總線連接圖

　　P-NET總線訪問采用 “虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權(quán)通過虛擬令牌在主控器之間循環(huán)傳遞。這種令牌傳遞方式是一種基于時(shí)間的循環(huán)機(jī)制，不同于采用實(shí)報(bào)文傳遞令牌的方式。它與報(bào)文傳遞令牌方式相比節(jié)省了主控器的處理時(shí)間，提高了總線的傳輸效率，而且它不需要任何總線仲裁的功能。

　　P-NET不采用專用芯片，它對從屬器的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼。由于P-NET采用同一微處理器控制節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)和通信功能，所以它比獨(dú)立芯片/微處理器結(jié)構(gòu)節(jié)省了選擇波特率和設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址的dip開關(guān)。“小系統(tǒng)，低成本”是P-NET總線的主要特征。

　　P-NET系統(tǒng)可用于把參數(shù)和程序下裝到模塊，從而對過程進(jìn)行控制，系統(tǒng)還可以自動檢查現(xiàn)場設(shè)備和電纜的故障。與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，它的優(yōu)勢在于：簡化了設(shè)計(jì)與安裝;降低了電纜用量與成本;減少了安裝與維護(hù)成本;使將來系統(tǒng)的擴(kuò)展更為方便;智能化P-NET傳感器和執(zhí)行器還提供了比傳統(tǒng)線路更優(yōu)越的診斷特性。

　　3、P-NET體系結(jié)構(gòu)(System structure)

　　3、1　P-NET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　P—NET總線系統(tǒng)采用OSI“開放系統(tǒng)互連”參考模型的第1，2，3，4，7層，并利用信道結(jié)構(gòu)定義用戶層。

　　第一層物理層：定義了在網(wǎng)絡(luò)上傳輸原始數(shù)據(jù)位的形式，在這一層描述了系統(tǒng)的電氣接口、波特率、線纜等。

　　第二層數(shù)據(jù)鏈路層：控制總線的存取;生成和識別幀界，識別節(jié)點(diǎn)地址;執(zhí)行傳輸過程中的錯誤監(jiān)測功能;用于實(shí)現(xiàn)多主機(jī)特性，將數(shù)據(jù)整理后送入源地址或目標(biāo)地址，并進(jìn)行故障檢查。

　　第三層網(wǎng)絡(luò)層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層與服務(wù)層的信息傳輸，并執(zhí)行網(wǎng)關(guān)的功能。網(wǎng)絡(luò)層就象是P-NET的郵局，根據(jù)源地址和目的地址接受和發(fā)送信息。一條信息可能被要求從一個(gè)P-NET網(wǎng)站中送出，或送入另一臺P-NET服務(wù)器，或送回所要求的設(shè)備，或返回原節(jié)點(diǎn)。

　　第四層服務(wù)層：完成兩個(gè)不同的任務(wù)，一是提供P-NET服務(wù)，根據(jù)程序從內(nèi)部存儲器中讀寫數(shù)據(jù);二是記錄已發(fā)出請求正等待回應(yīng)的信息數(shù)量，當(dāng)一條請求得到響應(yīng)時(shí)，便被送回源地址。

　　第七層讓應(yīng)用程序能夠訪問其他設(shè)備變量，這一功能靠發(fā)送一個(gè)命令塊來實(shí)現(xiàn)，命令塊中包含一些參考消息，內(nèi)有設(shè)備地址等詳細(xì)資料。

　　3、2　P-NET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　P-NET現(xiàn)場總線是一種多主站，多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？偩€采用分段結(jié)構(gòu)，每個(gè)總線分段上可以連接多個(gè)主站，主站之間通過接口能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上互連。P-NET現(xiàn)場總線系統(tǒng)的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　圖2 P-NET多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　過去為工廠設(shè)計(jì)自動化的基本思路是：先把傳感器和執(zhí)行器用一根現(xiàn)場總線聯(lián)起來，然后將現(xiàn)場總線接到一個(gè)單元控制器上形成一個(gè)子系統(tǒng)，這樣許多相似的子系統(tǒng)再用一個(gè)高速的主干總線聯(lián)起來，送到一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)中做為終止。所以總線原則上分兩個(gè)等級，一個(gè)由若干條低速的現(xiàn)場總線構(gòu)成，另一個(gè)由高速總線把低速總線聯(lián)起來，高速和低速總線的技術(shù)和結(jié)構(gòu)都是不同的。

　　P-NET打破了這兩個(gè)不同的等級而把它們平等起來，盡量減少高速低速的等級之分。根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)，較高級上對快速數(shù)據(jù)傳輸速率的要求已經(jīng)減少，更多的智能被分散了，采取將信息處理分散化的更加明智的辦法，就是P-NET的特點(diǎn)。它可以用于一個(gè)全廠自動控制系統(tǒng)的各個(gè)層面上，按照工廠的每一個(gè)部分，把一個(gè)自控系統(tǒng)分成幾個(gè)單元，使每個(gè)單元具有這樣的性質(zhì)：當(dāng)這個(gè)單元關(guān)閉時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)不受影響，程序的執(zhí)行可以分散地在每一個(gè)單元的一個(gè)或幾個(gè)處理器中獨(dú)立進(jìn)行。一個(gè)獨(dú)立的單元與其它單元交換數(shù)據(jù)的需求很有限，在一個(gè)單元中的一個(gè)軟件或硬件錯誤將不影響其它單元。

　　在具有實(shí)分布智能的系統(tǒng)中，附加的處理能力總是可以通過附加主站的形式來實(shí)現(xiàn)，所以這樣一個(gè)系統(tǒng)是可以擴(kuò)展的。在各種可行的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，只有P-NET允許在幾個(gè)總線分段上直接尋址，這又稱為多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種特性是P-NET協(xié)議中一個(gè)特殊的部分，而且它可以被裝入多端口控制器的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。

　　通信通過具有兩個(gè)或更多的P-NET接口的節(jié)點(diǎn)在不同的總線分段上直接傳輸。這意味著在一個(gè)總線分段上的任何主站可以“透明”地訪問任何其它分段上的任何節(jié)點(diǎn)，而不需要在多端口主站中有特殊的程序。把一個(gè)系統(tǒng)分割為小的部分的益處是非常明顯的，因?yàn)樗梢詫㈠e誤產(chǎn)生的影響限制在一單獨(dú)的分段內(nèi)，從而保證更高的系統(tǒng)安全性。不僅如此，這些多網(wǎng)絡(luò)的特性提供了一種自然的冗余，這使得整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯性。