现场总线技术要点

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1、现场总线技术要点第一章：现场总线技术及1.1 现场总线技术的由来1.1.1 CIMS 体系结构及工业数据结构的层次划分依照工厂治理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、 车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS那么分为3层，即工厂级、车间 级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程操纵中，工业数据 结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。如图1-1 所示。图 1-1 ：简化的 CIMS 网络体系结构1.1.2现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化及CIMS不可缺少的重要部分。现场级与车间级自动化监控及信息集成系统要紧完成底层设备单机

2、操纵、连机操纵、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、储备、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到 工厂治理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可同意工厂治理层下达的 生产治理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工 厂自动化及CIMS系统的基础。1.1.3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统包括：基于PC、产品的 分布式操纵系统，其要紧特点之一是，现场层设备与操纵器之间的连接是一对一一 个I/O点对设备的一个测控点所谓I/O接线方式，信号传递4

3、-20mA传送模拟量 信息或24VDC传送开关量信息信号。如图1-2所示：图1-2 ：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统1.1.4 系统要紧缺点1信息集成能力不强：操纵器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模 拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。如此，操纵器猎取信息量 有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据专门难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。2系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC 连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、

4、 互换性，因此可集成性差。这种系统专门少留出接口，承诺其它厂商将自己专长的操 纵技术，如操纵算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监 控系统专门少。3可靠性不易保证：关于大范畴的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不 仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。4可爱护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警 记录功能不强。另一方面也专门难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能， 阻碍了系统的可爱护性。1.1.5 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形 由于大规模集成电路的进展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能 化，即内置 CPU 操

5、纵器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调剂等功 能。因此，关于这些智能现场设备增加一个串行数据接口如RS-232/485是专门 方便的。有了如此的接口，操纵器就能够按其规定协议，通过串行通信方式而不是 I/O方式完成对现场设备的监控。假如设想全部或大部分现场设备都具有串行通信 接口并具有统一的通信协议，操纵器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接， 完成对所有现场设备的监控，这确实是现场总线技术的初始方法。1.2.4 现场总线技术的产生基于以上初始方法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的 现场设备连接，如此，在设备层传递的不再是I/O4-20mA/24VDC信号，

6、而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息 集成系统。1.2 现场总线技术概念1.2.1 现场总线技术目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现 场设备/外表与操纵室内的自动操纵装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的 数据总线。其中，生产过程包括断续生产过程和连续生产过程两类。 或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和操纵设备作为网络节点， 用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动操纵功能的网络系统与操纵系统。1.2.2 现场总线技术产生的意义1现场总线Fieldbus技术是实现现场级操纵设备数字化通信的一

7、种工业现场层 网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条 通信电缆将现场设备智能化、带有通信接口连接，用数字化通信代替4-20mA/2 4VDC 信号，完成现场设备操纵、监测、远程参数化等功能。2传统的现场级自动化监控系统采纳一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息 量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的 信息孤岛，严峻制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。3基于现场总线的自动化监控系统采纳运算机数字化通信技术，使自控系统与设 备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范畴一直延 伸到生产现场

8、。在CIMS系统中，现场总线是工厂运算机网络到现场级设备的延伸， 是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。1.2.3 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如图1-3 所示：图 3 ：基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统1.2.4 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统要紧优点1增强了现场级信息集成能力现场总线可从现场设备猎取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实 现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程操纵，还

9、可完成远程参数化工作。2开放式、互操作性、互换性、可集成性不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有专门 好的可集成性。系统为开放式，承诺其它厂商将自己专长的操纵技术，如操纵算法、 工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控 系统。3系统可靠性高、可爱护性好基于现场总线的自动化监控系统采纳总线连接方式替代一对一的I/O连线，关于大规模 I/O 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的 在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工 作，也增强了系统的可爱护性。4降低了系统及工程成

10、本对大范畴、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。1.3 现场总线标准现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们 共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门 能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上闻名自动 化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是以后进展方向，纷纷结成企业联 盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大阻碍，并积极支持国际标 准组织制定现场总线国际标准。能否使自己总线技术标准在以后国际标准中占有较大 比例成份，关系到

11、该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史体会证明：国际标准差不多上采纳一个或几个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司 在制定现场总线国际标准中的竟争，表达了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最 终依旧要归结到市场实力的竞争。据说目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定阻碍和已占有一定 市场份额的总线有如下几种：1.3.1 现场总线1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2。产品在世界市场上已 被普遍同意，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持 PROFIBUS 标准的产 品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范畴

12、内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的PROFIBUS- PA外表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了 PROFIBUS 国际支持中心；1989年12月建立了 PROFIBUS用户组织PNO。目前在世界各地 相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。 1997年7月组建了中国 现场总线PROFIBUS专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的 实验室。要紧应用领域有：。制造业自动化：汽车制造机器人、装配线、冲压线等、造纸、纺织。 。过程操纵自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。电力：发电、输

13、配电。楼宇：空调、风机、照明。铁路交通：信号系统1.3.2 FF现场总线1994年由ISP基金会和World FIP（北美）两大集团合并成立FF基金会，其宗旨 在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯独的国际现场总线Fu ndatio n Fieldbus。 低速总线H1协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线H2拟于1998年 内表。1997年5月建立了中国现场总线FF专业委员会，并筹建FF现场总线产品 认证中心。目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实 验系统、废水处理、油田等行业。1.3.3 LONWORKS 总线LONWORKS现场总线全称为LONWORKS

14、Networks，即分布式智能操纵网络技术，期望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用 范畴广泛，要紧包括工业操纵、楼宇自动化、数据采集、系统等。国内要紧应用于楼 宇自动化方面。1.3.4 BUS现场总线BUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IOS 11898通讯速率 小于1Mbps和ISO 11519通讯速率小于125Kbps。CANBUS要紧产品应用于汽 车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、 工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。1.3.5 WorldFIP 现场总线9091年FIP现场总线成为法国

15、国家安全标准。96年成为欧洲标准EN 50170V.3。下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上已做好充分预备。WorldFIP国际 组织在北京设有办事处，即WorldFIP中国信息中心，负责中国的技术支持。WorldF IP现场总线采纳单一总线结构来适应不同应用领域的需求不同应用领域采纳不同的 总线速率。过程操纵采纳31.25Kbit/s,制造业为1M bit/s,驱动操纵为1-2.5Mbit/s。采纳总线仲裁器和优先级来治理总线上包括各支线的各操纵站的通信。可进行1 对 1、1对多点组、1 对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采纳双总线结构， 其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。

16、WorldFIP 现场总线适用范畴广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动 化方面都有专门好的应用。1.3.6 P-NET 现场总线P-NET现场总线筹建于己于1983年。1984年推出采纳多重主站现场总线的第一 批产品。1986年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出 P-N ET的多重接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标 准。1996年成为欧洲总线标准的一部分EN 50170 V.1。1997年组建国际P-NE T用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、 葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织

17、分部。 P-NET 现场总线在欧洲及北美地区得到广 泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领 域。1.4 如何面对众多的现场总线标准面对国际上各种流派的现场总线及标准，为深入研究国外先进的现场总线技术， 推动我国现场总线技术和产品的研究开发，形成符合我国国情的和现实的标准体系， 爱护我国生产企业和用户的投资效益，我国外表标准化行业的主管单位-仪器外表综 合技术经济研究所遵循标准化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京 中国科技会堂举办了现场总线的标准化与中国自动化技术进展研讨会。会议邀请 了、FF、WorldFIP、P-NET国际组织专家代表，介绍

18、了国际流行现场总线技术及标准 化情形。研讨会上中外专家就现场总线国际标准化的进展展开了热列讨论，并提出以 下见解与意见：(1) 期望 IEC 能尽早按预期目标完成统一标准的制定。(2) 按目前进度估量，近年内IEC专门难完成预期目标。(3) 目前IEC提出的建议方案只限于过程自动化，难于满足其它应用领域要求，不可 能成为唯独标准，专门可能形成多种标准体系共存。(4) 在统一标准框架下做多种通信协议接口，可能是统一标准的一种适宜的解决方 案。对我国进展现场总线技术政策，专家和代表们认为，结合我国国情，一方面应积极跟 踪IEC国际标准化的进展，开展我国的技术研究和产品开发。另一方面在统一的IEC

19、标准未形成之前，积极开展对其它先进的现场总线技术研究，专门是对已有成熟应用 体会、应用领域覆盖面大的现场总线技术的跟踪研究。1.5 对面临选择的用户谈个人看法并提出建议 从用户角度动身，如何面对众多现场总线标准作出选择，笔者在此发表个人看法， 并提出一点建议以供用户参考。1标准？ 从标准进展的历史看，谁的技术将成为国际标准，或在国际标准中占有 较大成份，要紧取决于它在实际应用中取得多大的成果，取决于该项技术及产品在国 际市场上的占有份额。也确实是说，谁能占有市场谁将得天下。另一方面，国际标准 化组织依照科学技术飞速进展现状及厂商用户对标准制定的要求，对标准的制定及批 准手续作出相应的改变，即简

20、化了标准的制定程序和手续，并承认存在所谓事实上的 标准，即那些在市场中已占有较大份额、具有专门大的用户成功应用体会的技术标准， 如我们熟知的 TCP/IP 通信协议标准。2选择总线？ 在目前国际上现场总线群雄并起局面下，用户应从实际应用工程特 点动身去选择。因为没有一种可包罗万象、适合所有应用领域的现场总线技术。应着重考察这种总线在本行业中的应用业绩。如制造业自动化、电力自动化及过程操纵自 动化三个领域，在数据实时响应要求方面就大不一样。3选择产品？ 用户应尽量选择国际知名度大、拥有用户多、产品应用基础好的公 司产品，因为这些公司的现场总线技术被国际标准采纳的可能性大。即使没有被国际 标准采纳

21、，大公司为考虑信誉，会提出原有技术与国际标准的接口，而可不能置公司 信誉于不顾，丢掉老客户不管。4积极跟踪、勇于进取！假如因为国际IEC还没有统一现场总线标准，就不敢使 用这项先进技术是大可不必的。这将会使企业丧失一次尽早提高企业自动化水平的机 会，或丧失一次提高本企业产品水平的机会，从而导致企业在以后同行竞争中处于劣 势。国际IEC要统一现场总线标准不是一朝一夕的事，坐等时机流逝为下策，只有积 极跟踪、勇敢进取方为企业进展上策。第二章：现场总线技术要点本章从协议标准角度，概要说明了 PROFIBUS技术要点。使读者可快速了解PROFIBUS 技术概貌。2.1概貌(1) 是一种国际化、开放式、

22、不依靠于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造 业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。(2) 由三个兼容部分组成，即 PROFIBUS-DPDecentralized Periphery、PROFIBUS- PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification) 。(3) -DP：是一种高速低成本通信，用于设备级操纵系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输。(4) -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，并有本征安全

23、规范。(5) -FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。(7)是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与操纵的现场总线技 术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字操纵和现场通信网络，从而为实现 工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。2.2 PRFIBUS 差不多特性2.2.1 协议结构协议结构是依照ISO7498国际准，以开放式系统互联网络Open System InterconnectionSIO作为参考模型的。该模型共有七层，如以下图2-1所示：图 2-1 ：协议结构-DP :定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用 户

24、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 PROFIBUS-DP 设 备的设备行为。-FMS :定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范Fieldbus Messa ge Specification-FMS和低层接口Lower Layer InterfaceLLI。FMS 包括了应 用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI和谐不同的通信关系并 提供不依靠设备的第二层访问接口。(3) -PA : PA的数据传输采纳扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设 备行为的PA行规。依照IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且

25、 可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。2.2.2 传输技术提供了三种数据传输类型:用于DP和FMS的RS485传输。用于PA的IEC1158-2传输。 光纤2.2.2.1用于DP/FMS的RS485传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两 套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采纳的电缆是屏蔽 双绞铜线。RS-485 传输技术差不多特点: 网络拓扑:线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率: 9.6K bit/s12M bit/s介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决

26、于环境条件EMC。 站点数:每分段32个站不带中继 ，可多到127个站带中继。插头连接：最好使用9针D型插头。2.2.2.2 RS-485传输设备安装要点(1) 全部设备均与总线连接。(2) 每个分段上最多可接32个站主站或从站。(3) 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端 电阻必须永久有电源。见图2-2 所示。(4) 当分段站超过32 个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一样 不超过 3 个。见图 2-3 所示：图 2-2： PROFIBUD-DP 和 -FMS 的电缆接线和总线终端电阻图 2-2: 每个分段上最多可接32 个站主站或从站(5)

27、 电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，那么传输速率与长度如下表2-1：表 2-1波特率K bit/s9 . 619 . 293 . 75187 . 5500150012000距离/段M1200120012001000400200100A型电缆参数：阻抗：135-165W电容：30pf/m回路电阻：110W线规： 0.64mm 导线面积： 0.34mmWRS-485的传输技术的网络最好使用9针D型插头，插头针脚定义和接线见图2-2 所示。(8) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境如汽车制造业下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性EMC。(9) 如用屏蔽编织线

28、和屏蔽箔，应在两端与爱护接地连接，并通过尽可能的大面积屏 蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。(10) 超过 500Kbit/s 的数据传输速率时应幸免使用短截线段，应使用市场上现有的插 头可使数据输入和输出电缆直截了当与插头连接，而且总线插头可在任何时候接通或 断开而并不中断其它站的数据通信。222.3用于PA的IEC1158-2传输技术 数据IEC1158-2的传输技术用于-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保 持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1。(3) IEC1158-2技术用于-PA，其传输以以

29、下原理为依据：每段只有一个电源作为供电装置。当站收发信息时，不向总线供电。每站现场设备所消耗的为常量稳态差不多电流。 现场设备其作用如同无源的电流吸取装置。 主总线两端起无源终端线作用。 承诺使用线性、树型和星型网络。 为提高可靠性，设计时可采纳冗余的总线段。为了调制的目的，假设每个总线站至少需用10mA差不多电流才能使设备启动。通 信信号的发生是通过发送设备的调制，从9 mA到差不多电流之间。(4) IEC1158-2传输技术特性： 数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。传输速率:31.25K bit/s，电压式。 数据可靠性：前同步信号，采纳起始和终止限定符幸免误差。 电缆：双绞线，屏蔽

30、式或非屏蔽式。 远程电源供电：可选附件，通过数据线。 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 拓扑：线型或树型，或两者相结合。 站数：每段最多32个，总数最多为126个。 中继器：最多可扩展至 4 台。2.2.2.4 IEC1158传输设备安装要点(1) 分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。藕合 器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电 装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。(2) -PA 的网络拓扑有树型和线型结构，或是两种拓扑的混合，见图2-3PROF BUS-PA现场设备供电; Ek E: ma

31、K. 10 Non-Ex 区；30图2-3(3) 现场配电箱仍连续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采纳树型结构时连 在现场总线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。(4) 建议使用以下参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。电缆设计：双绞线屏蔽电缆导线面积额定值：0.8mm2(AWG18) 回路电阻直流： 44W/Km阻抗31.25 千赫时：100W20% 39千赫时衰减：3dB/Km 电容不平稳度： 2nF/Km 主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R=100W , C=1 mF。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能可不能有任何阻碍。(6) 连接到一个段上

32、的站数目最多是32个。假如使用本征安全型及总线供电，站的 数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。(7) 线路最长长度的确定，依照体会先运算一下电流的需要，从表2-2中选用一种供 电电源单元，再依照表2-3中线的长度选定哪种电缆。表 2-2 标准供电装置操作值型号应用领域供电电压供电最大电流最大功率典型站数备注IEEx ia/ib IIC13.5V110 mA1.8W8假设每个设备耗电10 mAIIEEx ib IIC13.5V110 mA1.8W8IIIEEx ib II13.5V250 mA4.2W22IV不具有本征 安全24V500 mA12W32表2-

33、3 IEC1158-2传输设备的线路长度供电装置I型II型III型IV型V型VI型供电电压13. 513. 513. 5242424S所需电流mA110110250110250500Q=0.8mm2的导线长度m90090040019001300650Q=1.5mm2的导线长度m10001500500190019001900(8) 外接电源：假如外接电源设备，依照EN50020标准带有适当的隔离装置，将总 线供电设备与外接电源设备连在本征安全总线上是承诺的。2.2.2.5 光纤传输技术(1) 系统在电磁干扰专门大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距 离。(2) 可使用两种光纤导体，

34、一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情形下 使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1 公里情形下使用。(3) 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体 信号转换成RS-485信号。2.2.3 总线存取协议(1)三种DP、FMS、PA均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型 第二层数据链路层来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处 理。在中，第二层称之为现场总线数据链路层Fieldbus Data LinkFDL。介质存 取操纵Medium Access Control一MAC具体操纵数据传输的程序，MAC必须确保 在任何一个时

35、刻只有一个站点发送数据。(3)协议的设计要满足介质存取操纵的两个差不多要求：在复杂的自动化系统主站间的通信，必须保证在确切限定的时刻间隔中，任何 一个站点要有足够的时刻来完成通信任务。在复杂的程序操纵器和简单的I/O设备从站间通信，应尽可能快速又简单地完 成数据的实时传输。因此，总线存取协议，主站之间采纳令牌传送方式，主站与从站之间采纳主从方式。(4) 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时刻内得到总线存取权令牌。 在中，令牌传递仅在各主站之间进行。(5) 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。 因此，可能有以下三种系统配置：纯主一从系统纯主一主系统混合系统

36、(6) 图 2-4 是一个由3 个主站、7 个从站构成的系统。3 个主站之间构成令牌逻辑环。 当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时刻内执行主站工作。在这段时刻内，它 可依照主一从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主一主通讯关系表与所有主站通 信。图 2-4：3 个主站、7 个从站构成的系统(7) 在总线系统初建时，主站介质存取操纵MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必 须加入逻辑环。(8) 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。第二层的数据结构格式可保证 数据的高度完整性。(9) 第二层按照非连接的模式操作，除提

37、供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信， 其中包括广播及有选择广播功能。2.3 -DP-DP 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从 站发送输出信息。总线循环时刻必须要比主站程序循环时刻短。除周期性用户数 据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、 诊断和报警处理。2.3.1 -DP 的差不多功能传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。(2) 总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系 统。总线上最多站点主从设备数为126。(3) 通信：点对点用户数

38、据传送或广播操纵指令。循环主从用户数据传送 和非循环主主数据传送。(4) 运行模式：运行、清除、停止。(5) 同步：操纵指令承诺输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同 步。(6) 功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的动态激活和可激 活。 DP 从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通 过总线给DP从站给予地址。通过总线对DP主站DPM1进行配置。每DP从站的 输入和输出数据最大为246字节。 可靠性和爱护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗 定时器Watchdog Timer。对DP从站的输入/输出进行存取爱

39、护。DP主站上带可 变定时器的用户数据传送监视。(8)设备类型：第二类DP主站DPM2是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类 DP主站DPMI是中央可编程序操纵器，如、PC等。DP从站是带二进制值或模拟 量输入输出的驱动器、阀门等。2.3.1.1 -DP差不多特点(1) 速率：在一个有着32个站点的分布系统中，-DP对所有站点传送512 bit/s输 入和512 bit/s输出，在12M bit/s时只需1毫秒。(2) 诊断功能：通过扩展的-DP诊断能能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传 输并由主站采集。诊断信息分三级：本站诊断操作：本站设备的一样操作状态，如温度过高、压力过低。模块诊断操

40、作：一个站点的某具体I/O模块故障。 通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。2.3.1.2 -DP系统配置和设备类型-DP 承诺构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126 个站点。系统配置 的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及 所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：(1) 一级DP主站DPM1： 一级DP主站是中央操纵器，它在预定的信息周期内与 分散的站如DP从站交换信息。典型的DPM1如或PC。(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

41、操作和监视目的。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I/O设备、驱 动器、HMI、阀门等。(4) 单主站系统：在总线系统的运行时期，只有一个活动主站。如图2-5所示：DP-主站口类)DP-主站(21 h 125 d4)P单主系輩共/屋盤的歪线楠序H间 它曹1的组虐：1十DP-4案主咕 1 J1-125何卩-丛詰* 1十OPJ養主咕丈可遂图 2-5：单主站系统(2) 多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。 每个子系统包括一个DPMI、指定的假设干从站及可能的DPM2设备。任何一个主 站均可读取DP从站的输入/输出映象，但只有一个DP主站承诺

42、对DP从站写入数 据。如图 2-6所示：图 2-6：多主站系统2.3.1.3 系统行为 系统行为要紧取决于DPMI的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所操纵。 要紧有以下三种状态：停止：在这种状态下，DPMI和DP从站之间没有数据传输。清除：在这种状态下，DPMI读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安 全状态。运行：在这种状态下，DPMI处于数据传输时期，循环数据通信时，DPMI从DP 从站读取输入信息并向从站写入输出信息。(1) DPM1 设备在一个预先设定的时刻间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周 期性地发送到每一个有关的 DP 从站。如图2-6 所示。(2) 假如在 D

43、PM1 的数据传输时期中发生错误， DPM1 将所有有关的 DP 从站的输出 数据赶忙转入清除状态，而DP从站将不在发送用户数据。在次之后，DPMI转入清 除状态。图 2-6： -DP 用户数据传输2.3.1.4 DPMI和DP从站间的循环数据传输DPMI和相关DP从站之间的用户数据传输是由DPMI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DPMI的关系作出规定，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。DPMI和DP从站间的数据传送分三个时期：参数设定、组态、数据交换。在参数设 定时期，每个从站将自己的实际组态数据与从DPMI同意到的组态数据进行

44、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时期。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。2.3.1.5 DPM1 和系统组态设备间的循环数据传输除主从功能外， -DP 承诺主主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通 过总线对系统进行组态。2.3.1.6 同步和锁定模式除DPMI设备自动执行的用户数据循环传输外，DP主站设备也可向单独的DP 从站、一组从站或全体从站同时发送操纵命令。这些命令通过有选择的广播命令发送 的。使用这一功能将打开DP从站的同步及锁定模式，用于DP从站的事件操纵同步。 主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模

45、式。在这种模式中，所编址的从站输出 数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站储备接收到输出的数 据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所储备的输出数据才发送 到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。 锁定操纵命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前 状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才能够更新。用户能够通过非锁定命令退出 锁定模式。2.3.1.7 爱护机制对DP主站DPMI使用数据操纵定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都 采纳独立的操纵定时器。在规定的监视间隔时刻中，如数据传输发生差错，定时器就 会超时。一旦发生超时，用户

46、就会得到那个信息。假如错误自动反应功能使能，DPM1 将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。对 DP 从站使用看门狗操纵器检测主站和传输线路故障。假如在一定的时刻间隔内发 觉没有主机的数据通信，从站自动将输出进入故障安全状态。2.3.2扩展DP功能DP扩展功能是对DP差不多功能的补充，与DP差不多功能兼容。2.321 DPMI与DP从站间的扩展数据通信DPMI与DP从站间非循环的数据传输。 带DDLM读和DDLM写的非循环读/写功能，可读写从站任何期望数据。 报警响应，DP差不多功能承诺DP从站用诊断信息向主站自发地传输事件，而新 增的DDLM-ALAM-ACK功能被用来直截了当响应从DP从站上接收的报警数据。DPM2与从站间的非循环的数据传输。