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[转载]P-NET现场总线技术及其应用
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【摘要】阐述了P-NET现场总线的系统结构、系统特点、运行模式以及支持软件，并列举了P-NET现场总线系统在电力监控中的应用。
关键词：现场总线；控制器；虚拟令牌特性；电力监控
1 引 言
P-NET现场总线技术由丹麦Proces-Data A／S公司研究并开发，是一种全世界通用的开放型标准化总线。它可以将生产过程的各个部分，如过程控制计算机、传感器、执行器、I／O模块、小型可编程控制器等，通过共用一根双芯电缆加以连接。与传统布线相比，P-NET现场总线技术在工业控制应用中具有很大的优势，它将简化设计和安装，减少布线的数量和费用，避免各种设备故障的发生，实现更直接也更广泛的使用功能。
2 网络系统
P-NET是一种多层网络结构，如图1所示。
图1 P-NET网络结构图
其特点：
(1) 多层的网络结构，方便系统组态，提高系统的安全性和冗余性。
(2) 分散控制、集中管理的控制方式，符合现代控制理论。
(3) 各分系统间彼此独立工作，又互相协调，共享资源。
(4) 较高的数据更新速度和传输速度，提高系统控制的实时性。
(5) 无须建立各区段总线间的层次关系，方便了系统扩展，提供了系统的开放性。
3 系统结构
P-NET现场总线系统结构层次（layer）可以根据“开放系统接线参考模式”拟定并加以描述，如图2所示。
图2 P-NET开放系统接线参考模式
一般来说，P-NET只需建1、2、7层，但既然P-NET具有多重网络的结构特点，协议也应完成第3、4层的组建。
第一层用于在总线上传输原始字节，它可用于指定线缆，或说明总线上数字信号的含义等。
第二层用于实现多主机特性，将数据整理后送入源地址或目标地址，并进行故障检查。
第三层就象是P-NET的邮局，根据源地址和目的地址接受和发送信息。一条信息可能被要求从一个P-NET网站中送出，或送入另一台P-NET服务器，或送回所要求的设备，或返回该信息说明某个地址未被定义。第二层上还需保留一些必要的地址，以便确定返回信息有路可循。
第四层完成两个不同的任务。一是提供P-NET服务，根据程序从内部存储器中读写数据。第二项任务是记录已发出请求正等待回应的信息数量，当一条请求得到响应时，便被送回源地址。
第七层让应用程序能够访问其他设备变量，这一功能靠发送一个命令块来实现，命令块中包含一些参考消息，内有设备地址等详细资料。
P-NET还具有一些通道结构，可视作系统的第八层。在P-NET中，对相关变量的采集和对单个过程信号的处理，可一起被视作一个过程对象，这就是所谓的通道。
4 运行模式
P-NET的电器规格以RS485标准为基础，使用可屏蔽双芯绞合电缆，可以直接与设备仪器相连，总线接口进行电气隔离。
P-NET是一种极为高效的总线协议。数据将以全过程值（浮点）的形式进行传输。在传输过程中，当数据的首字节一到，主机的辅助设备便启动处理命令，而无须象传统方式那样等到所有信息都传送到才开始执行操作，这一特点使P-NET的数据传输速度高达7.68×105 Bps，极大地提高了系统效率。
P-NET是一种多主机总线，每段总线可容纳32台主机（Master），每台主机享有同等优先权，并且均有相关的辅助设备(Slave)。从P-NET总线上访问数据的方法相当独特，称为“虚拟令牌特性”。简单地说，每一台P-NET主机都有一个设备地址（NA），并包含一个“备用总线二进制周期计数器”，以二进制方式记录总线在备用状态下的周期数，一旦总线启用，计数器便复位为 0 。每一台主机还有一个辅助计数器，每当备用总线周期计数器的值达到40、50、60时，便进一位。当辅助计数器值（令牌）等于某一台主机的设备地址时，该主机就满足了“令牌”要求，被允许访问总线。当这台主机无访问要求或已结束了对总线的访问时，令牌自动转向另一台主机地址。“虚拟令牌特性”缩短了主机处理过程，并且尽量少占用总线容量，使P-NET无须进行任何总线协调，是一种十分高效的访问方式。
在各类现场总线系统中，只有P-NET允许在各部分总线间寻址定址，这是P-NET协议的特征之一。也就是说，一段总线上的任何一个主机，可以毫无阻碍地访问另一段总线的设备，而无须在主机中设置任何特殊程序。
包括主机在内的任何P-NET模块，都可随时与总线连接，或与总线断开，即使在系统运行中也可随时更换模块，或进行系统扩展，对总线系统其他部分无任何干扰。
此外，P-NET有一些重要的辅助模块，除了向整个系统提供输入/输出功能外，还提供从简单的开关控制，到PID调节或编程方法等辅助处理功能，使整个系统构建起局部的控制环和特殊的处理方法。
5 支撑软件
5.1 VIGO现场总线管理系统
VIGO是一种现场总线管理系统，它始终监测着机组中各实际设备间以及它们与总线间的联系，支持Winscket（PC-基础网络）和P-NET现场总线，可在WINDOWS 95下运行。
5.2 PDFLOW数据库程序
PDFLOW用于建立PD 4000／340FLOWmeter-Display的用户数据库。该数据库可为100个用户服务，信息可向PD4000／340下载。PDFLOW数据库以ACCESS 2.0文件格式化的标准数据库为基础，使用时要求具备PD3920模块和VIGO软件。
5.3 打印接口设计程序
用于设计PD4000／340流量计显示器的打印接口，可为PC监控器设计接口线路，然后下载至PD4000／340。定制的接口线路可保存在PC机硬盘中供以后使用。使用时要求具备PD3920模块和VIGO软件。
6 应用
1998年，在由浙江省机电设计研究院总承包的“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”中，就将P-NET现场总线技术用于该工程的电力监控系统，取得了良好的效果。
甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道是我国首座自行设计、自行施工的高速公路第一长隧，位于台州温岭大溪镇与温州乐清湖雾镇之间，全长4116m。考虑到特大型公路隧道机电工程的综合性极强，需要满足多种基本运行条件，并要求达到较高的设计标准，整个隧道的供配电系统采用双回路10kV高压进线方式，由1#、2#配电所和北端、洞中、南端三个变电所组成供电网，向所有设备供电，并对关键设备采用在线式UPS电源供电，保障了整个系统的安全运行。整个电力监控系统的控制范围达到5km。
电力监控系统结构,如图3所示。
图3 大溪岭－湖雾岭隧道电力监控系统结构图
在各变电所、高压配电所和中央控制室之间采用冗余双环P-NET现场总线进行连接，双环结构为整个隧道的电力监控系统构筑了一个高可靠性的数据高速公路，即使在出现局部线路故障的情况下，也可保证整个系统的完整性和可靠性。
隧道电力监控系统用于采集和监视隧道各配电所、变电所的所有电力参数及部分开关的状态。系统采用的控制器为PD控制器模块。
系统所用模块分为三类：
(1) 主模块PD5015。置于中控室内，是监测系统的主控制器，所有数据采集后都送到此模块。主模块根据采集的数据进行检查，若发现异常，如过电流、过电压等则发送报警信息。PD5015具有液晶显示和轻触键盘，用户可观察各种数据并通过键盘进行参数设置。主模块与上位计算机通讯并提供所需的数据。
(2) 电量采集模块，包括PD3260和PD3221。1#配电房和南、北变电所每个变压器都由一个PD3260模块采集数据，中洞变电所的两个变压器则分别由一个PD3260和一个PD3221进行数据采集。PD3260模块可测量系统的三相电压、电流、功率、功率因素和频率，并累计能耗。模块有8个数字I／O通道和一个用于局部控制的可编程计数器通道，用于输电线上同步、异步发生器的自动数据采集。PD3221模块包括6个数字输入通道（其中4个可作为数字输出），2个模拟输入通道和1个模拟输出通道。模块还包括一个PID调节器，一个用于局部控制的内部用户可编程计数器通道和一个脉冲处理器。
(3) PD3280远程通讯模块。由于南变和中变、中变和北变之间的两段总线较长，因此在两段总线上均配置一个PD3280远程通讯模块作为中继模块，以实现系统总线的连续性和完整性。PD3280模块有3个RS484 P-NET接口，每一接口可在1200m内进行通讯，所以整个模块允许3600m以内的通讯。PD3280模块在P-NET现场总线各部分之间提供了一个透明的接口。
隧道内各配电所的主要运行参数可通过模块现场采集，经总线送至中央控制室，并可在中控室的电力模拟屏中反映出来。工作人员可时刻监视电力系统运行状态，及时发现问题并立即着手解决，以防止问题进一步扩大。
“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”电力监控系统自投入使用以来一直效果显著、运行良好，从而反映出P-NET现场总线技术具有很强的整体性和很高的可靠性，其优越的性能为隧道机电工程的完成和完善提供了良好的保证。
7 结束语
如今，作为国际总线协议三大创始者之一的P-NET协议，凭借其独特的技术优势和卓越的产品性能，正在社会生产发展的各个领域发挥着重要的作用。此次在“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”的电力监控系统中，成功地应用了这一现场总线技术，就是一个最好的例证。相信在今后的社会发展中，P-NET现场总线技术也将不断完善，创造出更多更好的业绩。
关键词：现场总线；控制器；虚拟令牌特性；电力监控
1 引 言
P-NET现场总线技术由丹麦Proces-Data A／S公司研究并开发，是一种全世界通用的开放型标准化总线。它可以将生产过程的各个部分，如过程控制计算机、传感器、执行器、I／O模块、小型可编程控制器等，通过共用一根双芯电缆加以连接。与传统布线相比，P-NET现场总线技术在工业控制应用中具有很大的优势，它将简化设计和安装，减少布线的数量和费用，避免各种设备故障的发生，实现更直接也更广泛的使用功能。
2 网络系统
P-NET是一种多层网络结构，如图1所示。
图1 P-NET网络结构图
其特点：
(1) 多层的网络结构，方便系统组态，提高系统的安全性和冗余性。
(2) 分散控制、集中管理的控制方式，符合现代控制理论。
(3) 各分系统间彼此独立工作，又互相协调，共享资源。
(4) 较高的数据更新速度和传输速度，提高系统控制的实时性。
(5) 无须建立各区段总线间的层次关系，方便了系统扩展，提供了系统的开放性。
3 系统结构
P-NET现场总线系统结构层次（layer）可以根据“开放系统接线参考模式”拟定并加以描述，如图2所示。
图2 P-NET开放系统接线参考模式
一般来说，P-NET只需建1、2、7层，但既然P-NET具有多重网络的结构特点，协议也应完成第3、4层的组建。
第一层用于在总线上传输原始字节，它可用于指定线缆，或说明总线上数字信号的含义等。
第二层用于实现多主机特性，将数据整理后送入源地址或目标地址，并进行故障检查。
第三层就象是P-NET的邮局，根据源地址和目的地址接受和发送信息。一条信息可能被要求从一个P-NET网站中送出，或送入另一台P-NET服务器，或送回所要求的设备，或返回该信息说明某个地址未被定义。第二层上还需保留一些必要的地址，以便确定返回信息有路可循。
第四层完成两个不同的任务。一是提供P-NET服务，根据程序从内部存储器中读写数据。第二项任务是记录已发出请求正等待回应的信息数量，当一条请求得到响应时，便被送回源地址。
第七层让应用程序能够访问其他设备变量，这一功能靠发送一个命令块来实现，命令块中包含一些参考消息，内有设备地址等详细资料。
P-NET还具有一些通道结构，可视作系统的第八层。在P-NET中，对相关变量的采集和对单个过程信号的处理，可一起被视作一个过程对象，这就是所谓的通道。
4 运行模式
P-NET的电器规格以RS485标准为基础，使用可屏蔽双芯绞合电缆，可以直接与设备仪器相连，总线接口进行电气隔离。
P-NET是一种极为高效的总线协议。数据将以全过程值（浮点）的形式进行传输。在传输过程中，当数据的首字节一到，主机的辅助设备便启动处理命令，而无须象传统方式那样等到所有信息都传送到才开始执行操作，这一特点使P-NET的数据传输速度高达7.68×105 Bps，极大地提高了系统效率。
P-NET是一种多主机总线，每段总线可容纳32台主机（Master），每台主机享有同等优先权，并且均有相关的辅助设备(Slave)。从P-NET总线上访问数据的方法相当独特，称为“虚拟令牌特性”。简单地说，每一台P-NET主机都有一个设备地址（NA），并包含一个“备用总线二进制周期计数器”，以二进制方式记录总线在备用状态下的周期数，一旦总线启用，计数器便复位为 0 。每一台主机还有一个辅助计数器，每当备用总线周期计数器的值达到40、50、60时，便进一位。当辅助计数器值（令牌）等于某一台主机的设备地址时，该主机就满足了“令牌”要求，被允许访问总线。当这台主机无访问要求或已结束了对总线的访问时，令牌自动转向另一台主机地址。“虚拟令牌特性”缩短了主机处理过程，并且尽量少占用总线容量，使P-NET无须进行任何总线协调，是一种十分高效的访问方式。
在各类现场总线系统中，只有P-NET允许在各部分总线间寻址定址，这是P-NET协议的特征之一。也就是说，一段总线上的任何一个主机，可以毫无阻碍地访问另一段总线的设备，而无须在主机中设置任何特殊程序。
包括主机在内的任何P-NET模块，都可随时与总线连接，或与总线断开，即使在系统运行中也可随时更换模块，或进行系统扩展，对总线系统其他部分无任何干扰。
此外，P-NET有一些重要的辅助模块，除了向整个系统提供输入/输出功能外，还提供从简单的开关控制，到PID调节或编程方法等辅助处理功能，使整个系统构建起局部的控制环和特殊的处理方法。
5 支撑软件
5.1 VIGO现场总线管理系统
VIGO是一种现场总线管理系统，它始终监测着机组中各实际设备间以及它们与总线间的联系，支持Winscket（PC-基础网络）和P-NET现场总线，可在WINDOWS 95下运行。
5.2 PDFLOW数据库程序
PDFLOW用于建立PD 4000／340FLOWmeter-Display的用户数据库。该数据库可为100个用户服务，信息可向PD4000／340下载。PDFLOW数据库以ACCESS 2.0文件格式化的标准数据库为基础，使用时要求具备PD3920模块和VIGO软件。
5.3 打印接口设计程序
用于设计PD4000／340流量计显示器的打印接口，可为PC监控器设计接口线路，然后下载至PD4000／340。定制的接口线路可保存在PC机硬盘中供以后使用。使用时要求具备PD3920模块和VIGO软件。
6 应用
1998年，在由浙江省机电设计研究院总承包的“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”中，就将P-NET现场总线技术用于该工程的电力监控系统，取得了良好的效果。
甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道是我国首座自行设计、自行施工的高速公路第一长隧，位于台州温岭大溪镇与温州乐清湖雾镇之间，全长4116m。考虑到特大型公路隧道机电工程的综合性极强，需要满足多种基本运行条件，并要求达到较高的设计标准，整个隧道的供配电系统采用双回路10kV高压进线方式，由1#、2#配电所和北端、洞中、南端三个变电所组成供电网，向所有设备供电，并对关键设备采用在线式UPS电源供电，保障了整个系统的安全运行。整个电力监控系统的控制范围达到5km。
电力监控系统结构,如图3所示。
图3 大溪岭－湖雾岭隧道电力监控系统结构图
在各变电所、高压配电所和中央控制室之间采用冗余双环P-NET现场总线进行连接，双环结构为整个隧道的电力监控系统构筑了一个高可靠性的数据高速公路，即使在出现局部线路故障的情况下，也可保证整个系统的完整性和可靠性。
隧道电力监控系统用于采集和监视隧道各配电所、变电所的所有电力参数及部分开关的状态。系统采用的控制器为PD控制器模块。
系统所用模块分为三类：
(1) 主模块PD5015。置于中控室内，是监测系统的主控制器，所有数据采集后都送到此模块。主模块根据采集的数据进行检查，若发现异常，如过电流、过电压等则发送报警信息。PD5015具有液晶显示和轻触键盘，用户可观察各种数据并通过键盘进行参数设置。主模块与上位计算机通讯并提供所需的数据。
(2) 电量采集模块，包括PD3260和PD3221。1#配电房和南、北变电所每个变压器都由一个PD3260模块采集数据，中洞变电所的两个变压器则分别由一个PD3260和一个PD3221进行数据采集。PD3260模块可测量系统的三相电压、电流、功率、功率因素和频率，并累计能耗。模块有8个数字I／O通道和一个用于局部控制的可编程计数器通道，用于输电线上同步、异步发生器的自动数据采集。PD3221模块包括6个数字输入通道（其中4个可作为数字输出），2个模拟输入通道和1个模拟输出通道。模块还包括一个PID调节器，一个用于局部控制的内部用户可编程计数器通道和一个脉冲处理器。
(3) PD3280远程通讯模块。由于南变和中变、中变和北变之间的两段总线较长，因此在两段总线上均配置一个PD3280远程通讯模块作为中继模块，以实现系统总线的连续性和完整性。PD3280模块有3个RS484 P-NET接口，每一接口可在1200m内进行通讯，所以整个模块允许3600m以内的通讯。PD3280模块在P-NET现场总线各部分之间提供了一个透明的接口。
隧道内各配电所的主要运行参数可通过模块现场采集，经总线送至中央控制室，并可在中控室的电力模拟屏中反映出来。工作人员可时刻监视电力系统运行状态，及时发现问题并立即着手解决，以防止问题进一步扩大。
“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”电力监控系统自投入使用以来一直效果显著、运行良好，从而反映出P-NET现场总线技术具有很强的整体性和很高的可靠性，其优越的性能为隧道机电工程的完成和完善提供了良好的保证。
7 结束语
如今，作为国际总线协议三大创始者之一的P-NET协议，凭借其独特的技术优势和卓越的产品性能，正在社会生产发展的各个领域发挥着重要的作用。此次在“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”的电力监控系统中，成功地应用了这一现场总线技术，就是一个最好的例证。相信在今后的社会发展中，P-NET现场总线技术也将不断完善，创造出更多更好的业绩。