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一种小型PROFIBUS DP网络的构建及其应用
xiao_xiao1 发表于 2009/5/13 15:08:51 621 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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通信接口模块构建的 纯主从方式通信的现场总线网络，通过专用组网工具SYCON实现了网络组态；并以小型锅炉 为应用对象，实现了对各被控对象的监控。
关键词：Profibus-DP现场总线；主站节点；网络组态
Abstract: In this paper, A fieldbus Network with masterslave mode communication is constructed by adopting Profibus-DP interface module. Furt hermore, the special configurator SYCON is used to ach ieve the configuration of the Network. Finally, with a minitype boiler as applic ation object, the Network approaches the monitor of all the controlled objects in the system.
Keywords: ProfibusDP fieldbus; master node; network configuration
0引言
现场总线Profibus由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS ［1］：
(1)PROFIBUS-DP：用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它的设计旨在用于设备一级的 高速数据传送。
(2)PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本 质安全规范。
(3)PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主从网络。
其中，Profibus-DP采用OSI参考模型中的第1层，第2层和用户接口。用户接口规定了用户 及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同的PROFIBUS-DP设备的设备 行为；物理层传输使用RS485标准，这种结构保证了通信的实时性和系统实现的低成本性。 协议结构见图1。
PROFIBUS-DP系统可由以下3类设备组成：
(1)一级DP主站(DPM1)：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站(如DP 从站)交换信息。
(2)二级DP主站(DPM2)：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时 使用，完成系统操作和监视目的。
(3)DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备。
Profibus-DP支持单主站或多主站系统，各主站之间传送令牌，主站与从站之间传送数据， 这就为系统配置组态提供了高度灵活性。主站通过获取令牌获得访问权，在令牌持有期间内 可进行操作，按照主站与主站和主站与从站通信关系表与其他主站和从站通信。主站与从站 之间的周期性数据传输采用主从方式，主站向从站发送或索取信息［2］。单主站系 统中，在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。
Profibus-DP数据链路层提供以下传输服务：
(1)发送要求确认的报文(SRD服务)：向某个从站发送报文，要求从站确认。
(2)不要求确认的广播报文(SND服务)：向一组从站发送报文，启动相应的SDN服务， 不要求从站确认。
1 Profibus-DP的通信原理
在PROFIBUS-DP系统中，DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输由DPM1按照确定的递归顺序 自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系做出规定，确定哪些DP从 站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP从站之间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段， 每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接收到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所 需的组态数据相匹配时，DP从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长 度以及输入输出数量必须与实际组态一致。在实际系统中，要使主站节点和各从站之间 能够实现正确的网络通信，必须对网络进行配置，规定主站与从站的关系，确定哪些从站 被纳入信息交换周期，然后将网络配置信息下载到Profibus-DP主站中去。
Profibus设备具有不同的性能特征(现有功能的不同或可能的总线参数的不同)，这些参数对 每种设备类型和每个生产厂来说均各有差别。要使PROFIBUS能够实现简单的即插即用配置， 需要将这些特性在设备数据库(GSD)中具体说明。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类 型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户。这种文件格式便于读出任何一种PROFIBUS DP设备的设备配置信息，在组态总线系统时自动使用这些信息；系统自动地对 与整个系统有关的数据输入误差和前后一致性进行检查核对。
2 PROFIBUS-DP通信在锅炉系统中的应用设计
以一个小型锅炉系统为例，采用Profibus-DP纯主—从方式通信，设 计5个PROFIBUS-DP从站节点，分别监控系统中各个被控对象：第一个从站节点实 现对锅炉温度的控制和测量，第二个从站节点实现对进口流量的测量，第三个从站节点实现 对炉内液位的控制和测量，第四个从站节点实现对夹层温度的测量，第五个从站节点实现对 出口压力的测量。
2.1系统硬件配置
本系统主要由主站节点(一类主站)、现场智能单元(DP从站)组成一个分布式网络数据监控 系统，系统结构框图如图2所示。由组网设备完成组网之后，主从之间通过主站发送或请求 数据，从站响应或确认主站发送的数据来完成Profibus网络的数据传送。
2.1.1主站节点
在本系统中，主站接口模块使用瑞典HMS公司的ANYBUS Profibus-DP Master模块［3］ 。该模块是一种嵌入式设备。它具有一类主站所有的功能，支持从9.6kbit/s到12M bit/s之间的通信波特率，最多可以挂接124个从站。在硬件上通过2K的双端口RAM(DPRAM)与 用户CPU接口，双端口RAM区中还包括系统信息区、硬件信息区以及握手标记位。它的I/O数 据发送区和数据请求区最大均达到512个字节，还可开辟扩展缓冲区。在软件上提供邮箱报 文(Mailbox Message)与用户CPU进行信息交换。
在本系统中，主站节点通过与从站建立的通信关系实现对整个系统状态的监控。主站节点采 用ATMEL89C52芯片作为CPU，与Profibus-DPMaster接口模块共同构成PROFIBUS网络主站节 点，实现对网络节点的管理。CPU、静态存储器通过数据线、地址线以及控制线与接口模 块的双端口RAM进行数据交换，数据内容主要包括各个从节点的过程数据、状态信息、缓冲 区配置信息等。采用带有看门狗功能的电可擦除存储器(EEPROM)存储主站节点的运行参数、 现场总线网络的组网信息和节点状态信息。静态存储器(RAM)作为数据存储器存储从节点的 过程数据。主站节点的结构见图2上半部分。
2.1.2现场智能单元(DP从站)
在本系统中，Profibus-DP从站接口模块使用瑞典HMS公司的ANYBUS—SPROFIBUS-DP模块［4］。与主模块相类似，它也是一种嵌入式设备。硬件上通过2K的双端口RAM(DPRAM) 与用户CPU接口。现场智能单元以51系列的单片机为核心处理器，主要完成对PROFIBUS从模 块的初始化，包括I/O映射区域的分配——映射区地址的分配、长度的设置，然后根据接口 映射区的地址分配实现I/O数据的读写操作。PROFIBUS从站接口模块嵌入在现场智能单元中 ，接收控制命令，提供主站所需的各种系统参数。现场智能单元的结构如图3所示。
现场智能单元对被控对象的工作参数、状态参数进行采集处理，并向DP从模块的输入映射区 写入信息和数据，供网络中的主站节点读取，进行上位机监视；同时从输出映射区读取主站 节点发送的控制信息，经判断后，对被控对象作出控制决策。
2.2系统的通信组网构建
网络组态方式有两种方法：一种是通过对主节点编写报文信息来完成；另外一种是通过PROF IBUS-DP组网软件来实现。 本系统利用组网软件的方式来进行组网。如图4所示，通过连接器将主模块与PC 机相连，直接对主模块进行网络配置。瑞典HMS提供的组网软件HMS SYCON专门用于PROF IBUS-DP的网络配置，可以配置主站和从站，测试网络状态，直接读取主站和从站的输出、 输入数据，设置总线数据传输速率等［5］。系统中，DP从站数为5，每个从模块开辟 的IN区和OUT区的大小都是20个字节。配置时根据每个现场智能单元Profibus从站开辟的IN 区和OUT区的大小，在SYCON中一一对应，并将网络中所有的从站纳入到信息交换周期中，选 择适当的数据通信波特率，然后将配置信息下载到主模块中去。在此锅炉系统中，SYCON中 数据区的配置如表1所示。
主模块按照下载的信息自动对所属的从站进行发送或索取数据；如果配置的数据与实际 数据相匹配，从站便进入用户数据传输阶段，就可以实现Profibus-DP主从站之间的数据传 送。
需要注意的是，网络配置完成，数据正确映射时，主模块的IN区与从模块的OUT区相对应， 主模块的OUT区与从模块的IN区相对应。
3 结束语
调试结果表明：所有通信数据准确无误，实时性达到了毫秒级。利用SYCON组网的Profibus -DP网络有着显著的优点，它不需要任何外加的硬件设备，方法灵活、通用，可以实现离线 组网，而且调整配置方便。DP主从站所具有的大容量的I/O映射区，完全可以满足对锅炉的 监控作用。按照本文方法，使用PROFIBUS-DP构成的网络系统高速、廉价，对于准确性和实 时性要求比较高的系统特别适合，具有着广泛的应用前景。
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关键词：Profibus-DP现场总线；主站节点；网络组态
Abstract: In this paper, A fieldbus Network with masterslave mode communication is constructed by adopting Profibus-DP interface module. Furt hermore, the special configurator SYCON is used to ach ieve the configuration of the Network. Finally, with a minitype boiler as applic ation object, the Network approaches the monitor of all the controlled objects in the system.
Keywords: ProfibusDP fieldbus; master node; network configuration
0引言
现场总线Profibus由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS ［1］：
(1)PROFIBUS-DP：用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它的设计旨在用于设备一级的 高速数据传送。
(2)PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本 质安全规范。
(3)PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主从网络。
其中，Profibus-DP采用OSI参考模型中的第1层，第2层和用户接口。用户接口规定了用户 及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同的PROFIBUS-DP设备的设备 行为；物理层传输使用RS485标准，这种结构保证了通信的实时性和系统实现的低成本性。 协议结构见图1。
PROFIBUS-DP系统可由以下3类设备组成：
(1)一级DP主站(DPM1)：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站(如DP 从站)交换信息。
(2)二级DP主站(DPM2)：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时 使用，完成系统操作和监视目的。
(3)DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备。
Profibus-DP支持单主站或多主站系统，各主站之间传送令牌，主站与从站之间传送数据， 这就为系统配置组态提供了高度灵活性。主站通过获取令牌获得访问权，在令牌持有期间内 可进行操作，按照主站与主站和主站与从站通信关系表与其他主站和从站通信。主站与从站 之间的周期性数据传输采用主从方式，主站向从站发送或索取信息［2］。单主站系 统中，在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。
Profibus-DP数据链路层提供以下传输服务：
(1)发送要求确认的报文(SRD服务)：向某个从站发送报文，要求从站确认。
(2)不要求确认的广播报文(SND服务)：向一组从站发送报文，启动相应的SDN服务， 不要求从站确认。
1 Profibus-DP的通信原理
在PROFIBUS-DP系统中，DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输由DPM1按照确定的递归顺序 自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系做出规定，确定哪些DP从 站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。
DPM1和DP从站之间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段， 每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接收到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所 需的组态数据相匹配时，DP从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长 度以及输入输出数量必须与实际组态一致。在实际系统中，要使主站节点和各从站之间 能够实现正确的网络通信，必须对网络进行配置，规定主站与从站的关系，确定哪些从站 被纳入信息交换周期，然后将网络配置信息下载到Profibus-DP主站中去。
Profibus设备具有不同的性能特征(现有功能的不同或可能的总线参数的不同)，这些参数对 每种设备类型和每个生产厂来说均各有差别。要使PROFIBUS能够实现简单的即插即用配置， 需要将这些特性在设备数据库(GSD)中具体说明。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类 型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户。这种文件格式便于读出任何一种PROFIBUS DP设备的设备配置信息，在组态总线系统时自动使用这些信息；系统自动地对 与整个系统有关的数据输入误差和前后一致性进行检查核对。
2 PROFIBUS-DP通信在锅炉系统中的应用设计
以一个小型锅炉系统为例，采用Profibus-DP纯主—从方式通信，设 计5个PROFIBUS-DP从站节点，分别监控系统中各个被控对象：第一个从站节点实 现对锅炉温度的控制和测量，第二个从站节点实现对进口流量的测量，第三个从站节点实现 对炉内液位的控制和测量，第四个从站节点实现对夹层温度的测量，第五个从站节点实现对 出口压力的测量。
2.1系统硬件配置
本系统主要由主站节点(一类主站)、现场智能单元(DP从站)组成一个分布式网络数据监控 系统，系统结构框图如图2所示。由组网设备完成组网之后，主从之间通过主站发送或请求 数据，从站响应或确认主站发送的数据来完成Profibus网络的数据传送。
2.1.1主站节点
在本系统中，主站接口模块使用瑞典HMS公司的ANYBUS Profibus-DP Master模块［3］ 。该模块是一种嵌入式设备。它具有一类主站所有的功能，支持从9.6kbit/s到12M bit/s之间的通信波特率，最多可以挂接124个从站。在硬件上通过2K的双端口RAM(DPRAM)与 用户CPU接口，双端口RAM区中还包括系统信息区、硬件信息区以及握手标记位。它的I/O数 据发送区和数据请求区最大均达到512个字节，还可开辟扩展缓冲区。在软件上提供邮箱报 文(Mailbox Message)与用户CPU进行信息交换。
在本系统中，主站节点通过与从站建立的通信关系实现对整个系统状态的监控。主站节点采 用ATMEL89C52芯片作为CPU，与Profibus-DPMaster接口模块共同构成PROFIBUS网络主站节 点，实现对网络节点的管理。CPU、静态存储器通过数据线、地址线以及控制线与接口模 块的双端口RAM进行数据交换，数据内容主要包括各个从节点的过程数据、状态信息、缓冲 区配置信息等。采用带有看门狗功能的电可擦除存储器(EEPROM)存储主站节点的运行参数、 现场总线网络的组网信息和节点状态信息。静态存储器(RAM)作为数据存储器存储从节点的 过程数据。主站节点的结构见图2上半部分。
2.1.2现场智能单元(DP从站)
在本系统中，Profibus-DP从站接口模块使用瑞典HMS公司的ANYBUS—SPROFIBUS-DP模块［4］。与主模块相类似，它也是一种嵌入式设备。硬件上通过2K的双端口RAM(DPRAM) 与用户CPU接口。现场智能单元以51系列的单片机为核心处理器，主要完成对PROFIBUS从模 块的初始化，包括I/O映射区域的分配——映射区地址的分配、长度的设置，然后根据接口 映射区的地址分配实现I/O数据的读写操作。PROFIBUS从站接口模块嵌入在现场智能单元中 ，接收控制命令，提供主站所需的各种系统参数。现场智能单元的结构如图3所示。
现场智能单元对被控对象的工作参数、状态参数进行采集处理，并向DP从模块的输入映射区 写入信息和数据，供网络中的主站节点读取，进行上位机监视；同时从输出映射区读取主站 节点发送的控制信息，经判断后，对被控对象作出控制决策。
2.2系统的通信组网构建
网络组态方式有两种方法：一种是通过对主节点编写报文信息来完成；另外一种是通过PROF IBUS-DP组网软件来实现。 本系统利用组网软件的方式来进行组网。如图4所示，通过连接器将主模块与PC 机相连，直接对主模块进行网络配置。瑞典HMS提供的组网软件HMS SYCON专门用于PROF IBUS-DP的网络配置，可以配置主站和从站，测试网络状态，直接读取主站和从站的输出、 输入数据，设置总线数据传输速率等［5］。系统中，DP从站数为5，每个从模块开辟 的IN区和OUT区的大小都是20个字节。配置时根据每个现场智能单元Profibus从站开辟的IN 区和OUT区的大小，在SYCON中一一对应，并将网络中所有的从站纳入到信息交换周期中，选 择适当的数据通信波特率，然后将配置信息下载到主模块中去。在此锅炉系统中，SYCON中 数据区的配置如表1所示。
主模块按照下载的信息自动对所属的从站进行发送或索取数据；如果配置的数据与实际 数据相匹配，从站便进入用户数据传输阶段，就可以实现Profibus-DP主从站之间的数据传 送。
需要注意的是，网络配置完成，数据正确映射时，主模块的IN区与从模块的OUT区相对应， 主模块的OUT区与从模块的IN区相对应。
3 结束语
调试结果表明：所有通信数据准确无误，实时性达到了毫秒级。利用SYCON组网的Profibus -DP网络有着显著的优点，它不需要任何外加的硬件设备，方法灵活、通用，可以实现离线 组网，而且调整配置方便。DP主从站所具有的大容量的I/O映射区，完全可以满足对锅炉的 监控作用。按照本文方法，使用PROFIBUS-DP构成的网络系统高速、廉价，对于准确性和实 时性要求比较高的系统特别适合，具有着广泛的应用前景。