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)場總線PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS ［1］：
　　(1)PROFIBUS-DP：用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。它的設計旨在用于設備一級的 高速數(shù)據(jù)傳送。(2)PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構聯(lián)在一根總線上，并有本 質(zhì)安全規(guī)范。 (3)PROFIBUS-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結構、實時多主從網(wǎng)絡。
　　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)以及不同設備可調(diào)用的應用功能，并詳細說明了各種不同的PROFIBUS-DP設備的設備 行為；物理層傳輸使用RS485標準，這種結構保證了通信的實時性和系統(tǒng)實現(xiàn)的低成本性。 協(xié)議結構見圖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。主站通過獲取令牌獲得訪問權，在令牌持有期間內(nèi) 可進行操作，按照主站與主站和主站與從站通信關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)的運行階段，只有一個活動主站。
　　PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層提供以下傳輸服務：
　　(1)發(fā)送要求確認的報文(SRD服務)：向某個從站發(fā)送報文，要求從站確認。 (2)不要求確認的廣播報文(SND服務)：向一組從站發(fā)送報文，啟動相應的SDN服務， 不要求從站確認。?

　　在PROFIBUS-DP系統(tǒng)中，DPM1和相關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 自動進行。在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶對DP從站與DPM1的關系做出規(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)傳送分三個階段：參數(shù)設定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設定階段， 每個從站將自己的實際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接收到的組態(tài)數(shù)據(jù)進行比較。只有當實際數(shù)據(jù)與所 需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時，DP從站才進入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。因此，設備類型、數(shù)據(jù)格式、長 度以及輸入輸出數(shù)量必須與實際組態(tài)一致。在實際系統(tǒng)中，要使主站節(jié)點和各從站之間 能夠?qū)崿F(xiàn)正確的網(wǎng)絡通信，必須對網(wǎng)絡進行配置，規(guī)定主站與從站的關系，確定哪些從站 被納入信息交換周期，然后將網(wǎng)絡配置信息下載到PROFIBUS-DP主站中去。
　　PROFIBUS設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 每種設備類型和每個生產(chǎn)廠來說均各有差別。要使PROFIBUS能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的即插即用配置， 需要將這些特性在設備數(shù)據(jù)庫(GSD)中具體說明。GSD文件由生產(chǎn)廠商分別針對每一種設備類 型準備并以設備數(shù)據(jù)庫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設備的設備配置信息，在組態(tài)總線系統(tǒng)時自動使用這些信息；系統(tǒng)自動地對 與整個系統(tǒng)有關的數(shù)據(jù)輸入誤差和前后一致性進行檢查核對。?

　　以一個小型鍋爐系統(tǒng)為例，采用PROFIBUS-DP純主—從方式通信，設 計5個PROFIBUS-DP從站節(jié)點，分別監(jiān)控系統(tǒng)中各個被控對象：第一個從站節(jié)點實 現(xiàn)對鍋爐溫度的控制和測量，第二個從站節(jié)點實現(xiàn)對進口流量的測量，第三個從站節(jié)點實現(xiàn) 對爐內(nèi)液位的控制和測量，第四個從站節(jié)點實現(xiàn)對夾層溫度的測量，第五個從站節(jié)點實現(xiàn)對 出口壓力的測量。
2.1系統(tǒng)硬件配置
　　本系統(tǒng)主要由主站節(jié)點(一類主站)、現(xiàn)場智能單元(DP從站)組成一個分布式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)監(jiān)控 系統(tǒng)，系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。由組網(wǎng)設備完成組網(wǎng)之后，主從之間通過主站發(fā)送或請求 數(shù)據(jù)，從站響應或確認主站發(fā)送的數(shù)據(jù)來完成PROFIBUS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送。
2.1.1主站節(jié)點
　　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個從站。在硬件上通過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)以及握手標記位。它的I/O數(shù) 據(jù)發(fā)送區(qū)和數(shù)據(jù)請求區(qū)最大均達到512個字節(jié)，還可開辟擴展緩沖區(qū)。在軟件上提供郵箱報 文(Mailbox Message)與用戶CPU進行信息交換。
　　在本系統(tǒng)中，主站節(jié)點通過與從站建立的通信關系實現(xiàn)對整個系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。主站節(jié)點采 用ATMEL89C52芯片作為CPU，與PROFIBUS-DPMaster接口模塊共同構成PROFIBUS網(wǎng)絡主站節(jié) 點，實現(xiàn)對網(wǎng)絡節(jié)點的管理。CPU、靜態(tài)存儲器通過數(shù)據(jù)線、地址線以及控制線與接口模 塊的雙端口RAM進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括各個從節(jié)點的過程數(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器(EEPROM)存儲主站節(jié)點的運行參數(shù)、 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的組網(wǎng)信息和節(jié)點狀態(tài)信息。靜態(tài)存儲器(RAM)作為數(shù)據(jù)存儲器存儲從節(jié)點的 過程數(shù)據(jù)。主站節(jié)點的結構見圖2上半部分。
2.1.2現(xiàn)場智能單元(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備。硬件上通過2K的雙端口RAM(DPRAM) 與用戶CPU接口。現(xiàn)場智能單元以51系列的單片機為核心處理器，主要完成對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、長度的設置，然后根據(jù)接口 映射區(qū)的地址分配實現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)的讀寫操作。PROFIBUS從站接口模塊嵌入在現(xiàn)場智能單元中 ，接收控制命令，提供主站所需的各種系統(tǒng)參數(shù)?，F(xiàn)場智能單元的結構如圖3所示。
　　 現(xiàn)場智能單元對被控對象的工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)進行采集處理，并向DP從模塊的輸入映射區(qū) 寫入信息和數(shù)據(jù)，供網(wǎng)絡中的主站節(jié)點讀取，進行上位機監(jiān)視；同時從輸出映射區(qū)讀取主站 節(jié)點發(fā)送的控制信息，經(jīng)判斷后，對被控對象作出控制決策。
2.2系統(tǒng)的通信組網(wǎng)構建?