Construct and Application of a Minitype PROFIBUSDP Network

DING Lei, FEI Minrui, CHEN Weigang

(School of Mechatronical Engineering & Automation, Shanghai Universit y ,
Shanghai 200072, China)

　　Abstract: In this paper, A fieldbus Network with master?slave m ode 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 configura tion

　　現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS ［1］：
　　(1)PROFIBUS-DP：用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。它的設(shè)計(jì)旨在用于設(shè)備一級(jí)的 高速數(shù)據(jù)傳送。(2)PROFIBUS-PA：專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本 質(zhì)安全規(guī)范。 (3)PROFIBUS-FMS：用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主從網(wǎng)絡(luò)。
　　其中，PROFIBUS-DP采用OSI參考模型中的第1層，第2層和用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶 及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同的PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備 行為；物理層傳輸使用RS485標(biāo)準(zhǔn)，這種結(jié)構(gòu)保證了通信的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的低成本性。 協(xié)議結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

　　PROFIBUS-DP支持單主站或多主站系統(tǒng)，各主站之間傳送令牌，主站與從站之間傳送數(shù)據(jù)， 這就為系統(tǒng)配置組態(tài)提供了高度靈活性。主站通過(guò)獲取令牌獲得訪問(wèn)權(quán)，在令牌持有期間內(nèi) 可進(jìn)行操作，按照主站與主站和主站與從站通信關(guān)系表與其他主站和從站通信。主站與從站 之間的周期性數(shù)據(jù)傳輸采用主從方式，主站向從站發(fā)送或索取信息［2］。單主站系 統(tǒng)中，在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站。
　　PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層提供以下傳輸服務(wù)：
　　(1)發(fā)送要求確認(rèn)的報(bào)文(SRD服務(wù))：向某個(gè)從站發(fā)送報(bào)文，要求從站確認(rèn)。 (2)不要求確認(rèn)的廣播報(bào)文(SND服務(wù))：向一組從站發(fā)送報(bào)文，啟動(dòng)相應(yīng)的SDN服務(wù)， 不要求從站確認(rèn)。?

　　在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，DPM1和相關(guān)DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸由DPM1按照確定的遞歸順序 自動(dòng)進(jìn)行。在對(duì)總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時(shí)，用戶對(duì)DP從站與DPM1的關(guān)系做出規(guī)定，確定哪些DP從 站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。
　　DPM1和DP從站之間的數(shù)據(jù)傳送分三個(gè)階段：參數(shù)設(shè)定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設(shè)定階段， 每個(gè)從站將自己的實(shí)際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接收到的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。只有當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)與所 需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時(shí)，DP從站才進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設(shè)備類型、數(shù)據(jù)格式、長(zhǎng) 度以及輸入輸出數(shù)量必須與實(shí)際組態(tài)一致。在實(shí)際系統(tǒng)中，要使主站節(jié)點(diǎn)和各從站之間 能夠?qū)崿F(xiàn)正確的網(wǎng)絡(luò)通信，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，規(guī)定主站與從站的關(guān)系，確定哪些從站 被納入信息交換周期，然后將網(wǎng)絡(luò)配置信息下載到PROFIBUS-DP主站中去。
　　PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特征(現(xiàn)有功能的不同或可能的總線參數(shù)的不同)，這些參數(shù)對(duì) 每種設(shè)備類型和每個(gè)生產(chǎn)廠來(lái)說(shuō)均各有差別。要使PROFIBUS能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的即插即用配置， 需要將這些特性在設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)(GSD)中具體說(shuō)明。GSD文件由生產(chǎn)廠商分別針對(duì)每一種設(shè)備類 型準(zhǔn)備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)清單的形式提供給用戶。這種文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS? DP設(shè)備的設(shè)備配置信息，在組態(tài)總線系統(tǒng)時(shí)自動(dòng)使用這些信息；系統(tǒng)自動(dòng)地對(duì) 與整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)輸入誤差和前后一致性進(jìn)行檢查核對(duì)。?

　　以一個(gè)小型鍋爐系統(tǒng)為例，采用PROFIBUS-DP純主—從方式通信，設(shè) 計(jì)5個(gè)PROFIBUS-DP從站節(jié)點(diǎn)，分別監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)被控對(duì)象：第一個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí) 現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度的控制和測(cè)量，第二個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口流量的測(cè)量，第三個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn) 對(duì)爐內(nèi)液位的控制和測(cè)量，第四個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)夾層溫度的測(cè)量，第五個(gè)從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì) 出口壓力的測(cè)量。
2.1系統(tǒng)硬件配置
　　本系統(tǒng)主要由主站節(jié)點(diǎn)(一類主站)、現(xiàn)場(chǎng)智能單元(DP從站)組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控 系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由組網(wǎng)設(shè)備完成組網(wǎng)之后，主從之間通過(guò)主站發(fā)送或請(qǐng)求 數(shù)據(jù)，從站響應(yīng)或確認(rèn)主站發(fā)送的數(shù)據(jù)來(lái)完成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送。
2.1.1主站節(jié)點(diǎn)
　　在本系統(tǒng)中，主站接口模塊使用瑞典HMS公司的ANYBUS PROFIBUS-DP Master模塊［3］ 。該模塊是一種嵌入式設(shè)備。它具有一類主站所有的功能，支持從9.6kbit/s到12M bit/s之間的通信波特率，最多可以掛接124個(gè)從站。在硬件上通過(guò)2K的雙端口RAM(DPRAM)與 用戶CPU接口，雙端口RAM區(qū)中還包括系統(tǒng)信息區(qū)、硬件信息區(qū)以及握手標(biāo)記位。它的I/O數(shù) 據(jù)發(fā)送區(qū)和數(shù)據(jù)請(qǐng)求區(qū)最大均達(dá)到512個(gè)字節(jié)，還可開(kāi)辟擴(kuò)展緩沖區(qū)。在軟件上提供郵箱報(bào) 文(Mailbox Message)與用戶CPU進(jìn)行信息交換。
　　在本系統(tǒng)中，主站節(jié)點(diǎn)通過(guò)與從站建立的通信關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。主站節(jié)點(diǎn)采 用ATMEL89C52芯片作為CPU，與PROFIBUS-DPMaster接口模塊共同構(gòu)成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)主站節(jié) 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理。CPU、靜態(tài)存儲(chǔ)器通過(guò)數(shù)據(jù)線、地址線以及控制線與接口模 塊的雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的過(guò)程數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、緩沖 區(qū)配置信息等。采用帶有看門狗功能的電可擦除存儲(chǔ)器(EEPROM)存儲(chǔ)主站節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)、 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)信息和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息。靜態(tài)存儲(chǔ)器(RAM)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)從節(jié)點(diǎn)的 過(guò)程數(shù)據(jù)。主站節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2上半部分。
2.1.2現(xiàn)場(chǎng)智能單元(DP從站)
　　在本系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP從站接口模塊使用瑞典HMS公司的ANYBUS—SPROFIBUS-DP模塊? ［4］。與主模塊相類似，它也是一種嵌入式設(shè)備。硬件上通過(guò)2K的雙端口RAM(DPRAM) 與用戶CPU接口?，F(xiàn)場(chǎng)智能單元以51系列的單片機(jī)為核心處理器，主要完成對(duì)PROFIBUS從模 塊的初始化，包括I/O映射區(qū)域的分配——映射區(qū)地址的分配、長(zhǎng)度的設(shè)置，然后根據(jù)接口 映射區(qū)的地址分配實(shí)現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。PROFIBUS從站接口模塊嵌入在現(xiàn)場(chǎng)智能單元中 ，接收控制命令，提供主站所需的各種系統(tǒng)參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)智能單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　 現(xiàn)場(chǎng)智能單元對(duì)被控對(duì)象的工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集處理，并向DP從模塊的輸入映射區(qū) 寫(xiě)入信息和數(shù)據(jù)，供網(wǎng)絡(luò)中的主站節(jié)點(diǎn)讀取，進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)視；同時(shí)從輸出映射區(qū)讀取主站 節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息，經(jīng)判斷后，對(duì)被控對(duì)象作出控制決策。
2.2系統(tǒng)的通信組網(wǎng)構(gòu)建?