通信互联技术优化方案

图2-2 PROFIBUS-DP总线网拓扑结构图

1.系统结构及通信互连

PROFIBUS-DP网的一种典型配置如图2-2所示，该系统为主—从、多厂商设备的DP通信系统，从站设备有简单从站直至功能较强大的智能从站，如变频器、S7-200系列PLC等，主站为西门子公司的S7-315-2DP，带CP5611的PC站可做2类DP主站，用于编程、诊断等功能。交流变频器为ACS627型，NPBA-12为与之配套的通信适配器，上位机中装有STEP7软件，用于对S7-300系列PLC编程和对PROFIBUS-DP网络进行组态和通信设置。PROFIBUS系统配置相当灵活，网络允许单子网或多子网配置，既允许单主—从系统运行，也允许多主站系统构成的多主—从系统运行。

由PC站、S7-300系列PLC、变频器和远程IPO S7-200组成的主—从系统，智能前端设备ACS627型变频器与NPBA-12通信适配器模块相连，接入PROFIBUS-DP网络中作为从站，接受主站S7-315-2DP的控制。NPBA-12通信适配器模块将从PROFIBUS-DP网络中接收到的过程数据存入双向RAM中，双向RAM中的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。

远程S7-200作为简单从站也挂在主站SF315-2DP上，完成开关量部分的联锁控制。PC站作监控站，同时也作为2类主站，完成S7-300系统的组态、下载和诊断功能，现场过程对象的控制由S7-300系列PLC来完成。

2.通信编程

利用开放式组态设备数据库文件（GSD）描述PROFIBUS设备的功能、特性及总线参数，使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成到一个总线系统中，不同的厂商为其DP设备提供有相应的DP网络配置及GSD组态工具。

系统中PLC（主站）与ABB变频器（从站）通信的实质是一个过程数据互连的问题，过程数据互连为连接设定值和控制位到NPBA-12的双端口RAM寄存器，包括设定值通道的主站到变频器过程数据互连、变频器到实际值通道的过程数据互连和过程数据监视。当所用的控制位及设定值、状态字和实际值被连接到双端口RAM时，被传送的过程数据才是有效的。在S7-315-2DP与变频器通信时，因为连接驱动装置从站的数据是一个整体，如果数据多于4B，它们会成为连续数据，而在S7系统中，数据类型最大是双字（4B），只有当它们被分开后才能被读出，因此需要在主程序中调用SFC14和SFC15这两个功能块来读写这些数据，实现对变频器的通信控制。

主站S7-315-2DP和从站S7-200（CPU224）之间的PROFIBUS-DP通信是通过EM277模块将S7-200作为DP从站连入网络来实现通信。主站S7-315-DP的网络配置使用STEP7v5.1来完成，从站S7-200的DP通信编程由软件STEP7 Micro PWIN32V3.1完成，使用输入和输出缓冲区。该缓冲区驻留在S7-200的变量存储区（V存储区），因此要求在参数赋值中必须包含V存储区的缓冲区的起始位置及输入输出的数据量，以确定缓冲区的大小。

PROFIBUS-DP网络只有三层结构，是一种低级的工业局域网，而使用了主—从方式的介质存取控制方式，使得该网的实时性远远高于其他局域网，因而特别适合用于工业现场。图2-2所示的通信网络可实现从站ABB变频器、S7-200与主站S7-300进行有效、可靠的信号传输。但在实际使用时，也存在一定的缺陷，如向网络中增加或删减站点，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序，这一过程实现起来是比较麻烦的。但与以前的集散型控制技术（DCS）相比，PROFIBUS-DP网络有着无可比拟的优点。首先，在DCS系统中，仪表是非智能化设备，它只是简单地测量外部信息并转化成模拟信号进行传输，而FCS系统则是将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用，因而具有智能化特点；其次，将现场仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析，从而实现了危险分散，增加了整个系统的可靠性；再次，采用了开放式的结构和统一的国际标准，通信网络可采用多种拓扑结构和不同厂商的软硬件和通信规程，兼顾了产品的兼容性。

PROFIBUS-DP总线采用OSI参考模型的第1层物理层，第2层数据链路层和用户自己定义的用户层来实现通信。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为参数设定、组态、数据交换三个阶段。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商来说均各有差别。要使PROFIBUS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。

ISO/OSI参考模型描述一个通信系统中各个站之间的通信，为了能有效而准确地进行通信，在通信协议中使用了一些确定的规则和必要的传输接口。为此目的，国际标准化组织（ISO）在1983年开发出OSI参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model）。此模型定义了通信所需要的所有元素、结构和任务，并把它们安排在7个层中，其中的每一层建立在下一层之上，如图2-3所示。在通信过程中，每一层必须完成规定的功能。如果某个通信系统不需要某些特定功能，则不使用相应的层并可以绕过。PROFIBUS使用了第1、2层和第7层。

通信协议定义两个或多个站如何使用报文帧来交换数据。数据帧包含报文的不同字段和控制信息。实际数据字段的前面有首部信息（源地址和目的地址以及详细的后续信息），而后面有包含关于传输正确性检查信息的数据安全部分（故障识别）。

现场总线的特点是能使少量时间并严格使数据传输达到最佳，同时使传输过程简化。总线存取控制（Medium Access Control，MAC）是一个专用的程序，它决定一个站在哪一个时间点上可以发送数据。虽然主站（Activestations）可以启动信息交换，但只有当主站允许时从站（Passivestations）才可以开始通信。区分两种控制程序，一是具有实时能力的时间确定的存取程序（如PROFIBUS的主—从通信），二是随机的非时间确定的存取程序（如Ether-net的CSMA/CD）。为了能够有选择地寻址一个站，编址是必要的。为此目的，可通过地址切换（硬地址）或在投运期间通过参数赋值（软地址）来指定站地址。

通信服务完成站之间的循环或非循环的用户数据通信任务，这些服务的数量和类型是评判通信协议应用领域的依据，区分面向连接的服务（这意味着使用“握手”方式和监控）和无连接的服务。第二组服务包括群播和广播报文，即把报文发送给一个特定的站组或所有的站。

在自动化技术中，使用行规（Profiles）设备、设备系列或整个系统定义特定的行为特性。在一条现场总线上，只有那些使用独立于制造商行规的设备和系统才提供可互操作性，因此充分开拓了现场总线的优越性。应用行规主要涉及设备（现场设备，控制和集成工具），并由已同意选择的总线通信和特定的设备应用组成。这种类型的行规为制造商开发与行规一致的、可互操作的设备提供规范。系统行规描述系统类别，它包含功能、程序接口和集成工具。

从1999年起，PROFIBUS已经成为国际标准IEC 61158的组成部分，2002年又完成了对IEC 61158的补充和更新工作。在这些工作的过程中，最新的PROFIBUS被纳入在此标准中。IEC 61158的标题是“用于测量和控制的数字数据通信——用于工业控制系统的现场总线”，它分为6个部分，见表2-1。

图2-3 OSI参考模型

表2-1 IEC 61158的细分

IEC 61158的各个部分定义了众多的用于站之间通信的服务和协议，它们被看做整个有效的集合。从此集合中做一个特殊的选择（子集）形成特定的现场总线系统。在市场上有许多不同的现场总线系统可供使用，这一事实在IEC 61158中得到承认，并规定了10个“现场总线协议类型”，分别为Type1～Type10。

IEC 61158的解释是仅属于相同协议类型的设备之间才可能进行总线通信（按定义）。IEC 61784的标题是“连续和断续制造的工业控制系统中使用的现场总线行规集”。通过介绍性的注释建立此标准与IEC 61158之间的关系，即“此国际标准（即IEC 61784）规定了基于IEC 61158特定通信行规的一组协议，设计在工厂制造和过程控制中具有通信功能的设备时使用这些通信行规”。

IEC 61784叙述一个特定现场总线系统的通信所使用的某个子集，此子集是IEC 61158（和其他标准）中规定的全部有效的服务和协议集中的一个。依据各个现场总线系统的实现，在通信行规族（CPF）中对用此方式确定的特定现场总线通信行规作了摘要概述。

在标题“Family3”下的子部分3/1、3/2和3/3中简要概述了使用PROFIBUS实现的行规集。表2-2指出它们与PROFIBUS和PROFInet的对应关系。

表2-2 通信行规族CPF3的特点（PROFIBUS）

3.通信协议

PROFIBUS是一个分布式的具有周期性循环特点的实时系统，其实时性能体现在对不断产生的新任务及时地响应。通信协议的实时特性对分布实时系统的性能起关键作用。PRO-FIBUS协议结构是根据ISO 7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Intercon-nection，SIO）作为参考模型的，该模型共有七层。PROFIBUS现场总线采用了OSI模型的物理层、数据链路层。其传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s，最大传输距离在12Mbit/s时为100m，在1.5Mbit/s时为400m，可用中断器延长到10km。其传输介质既可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。(www.xing528.com)

PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA-RS-485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质。总的来说，PROFIBUS的MAC协议兼具分散式和主从式控制机制特点，特别适合现场层中对反应时间、可靠性、网络负荷有特殊要求的通信。PROFIBUS协议结构在OSI参考模型上进行了一定的简化，这种结构保证了快速而有效的数据传输以及系统的低成本性。

PROFIBUS-DP数据链路层协议媒体访问控制（MAL）部分，采用受控访问的令牌总线（Token Bus）和主从方式。令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其他主站进行通信。主—从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）。该模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。在数据链路中，帧的传输过程分为数据链路建立、帧传输和链路释放三个阶段。正常响应模式下主站与从站之间传输帧的格式如图2-4所示。

图2-4 PROFIBUS-DP的帧格式

F为帧标志字段（8位）；A为从站地址字段；控制字段C表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将HDLC帧分为信息帧、监控帧和无编号帧三种类型。其中信息帧用于应用数据的传输并捎带应答；监控帧用于监视链路上的正常工作，对链路状态作出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）；无编号帧（不含信息字段）用于传输各种无编号命令和响应，例如建立链路工作模式、释放链路及报告特殊情况等。信息字段由PKW＋PZD的应用数据构成，PKW用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4KB长，而PZD用于存储控制器的具体控制值、设置站点或状态字的参数，一般为2～10B长，如PZD的第二个字节可设为0＃～7＃设备的起停止位。FCS是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）。

PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的应用层，而是自行设置一个用户层。该层定义了DP的功能、规范与扩展要求等。使PROFIBUS-DP的实时性远高于其他局域网，因而特别适用于工业现场。

（1）第1层：定义物理的传输技术

现场总线系统的应用在较大程度上取决于选择哪种传输技术，要考虑简便和经济因素，在过程自动化的应用场合，数据和电源还必须在同一根电缆上传送，以达到本征安全的要求等。因此，单一的传输技术不可能满足所有要求。为此，PROFIBUS提供三种可选的传输技术：

1）RS-485。用于DP/FMS，波特率为9.6k～12Mbit/s。传输距离与波特率有关，每段最多可接32个站（主站/从站）。通过中继器（repeater）可以增加段数，距离也相应可延长至10km，总线上的站数最多可达127个。

2）光纤电缆（FO）。用于DP/FMS，可选，用于电磁兼容性（EMC）要求高和长距离要求的场合。

3）IEC 1158-2。用于PA，波特率为31.25kbit/s，具有本征安全特性，由总线对设备供电。

传输电缆均采用屏蔽/不屏蔽双绞线，由于DP和FMS使用同样的传输技术，因此这两个系统可在同一根电缆上同时工作。通过DP/PA段耦合器或DP/PA段连接器，PA系统能很方便地集成到DP网络中。

（2）第2层：定义总线存取协议

PROFIBUS-DP/-PA/-FMS均使用一致的总线存取协议，该协议是通过OSI参考模型的第2层来实现的，它还包括数据的可靠性、传输协议和报文处理等。在PROFIBUS中，第2层称为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link，FDL）。

为了满足工业自动化应用领域对通信方式的各种需求（如集中式、分散式和集中与分散混合式），PROFIBUS总线存取协议提供从站之间的令牌（Token）传递存取方式和主站与从站之间的轮询（Polling）存取方式两种方式。由于这种总线存取方式，可以实现主—主系统，主—从系统和混合系统三种配置，从而能满足工业自动化各应用领域的需求。

数据传输程序的控制由介质存取控制（Medium Access Control，MAC），MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求是：

1）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间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

2）在复杂的程序控制器和简单的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，PROFIBUS总线存取协议在主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主—从方式。

在总线系统建立初期，MAC的任务是检查总线上的站点地址并建立逻辑令牌环。令牌环是所有主站的组织链，按主站地址升序构成，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从令牌环中排除，新接入的主站必须加入令牌环。MAC确保在任一时刻只有一个主站具有令牌（总线存取权），令牌在所有主站间循环一周的时间和各主站持有令牌的时间，根据应用系统的要求，经计算后在系统组态时设定。MAC还有监测、检查传输介质及收发器故障、站地址错和令牌错误等功能。

数据传输的完整性和可靠性依靠所有报文的海明距离（Hamming Distance）HD＝4，符合国际标准IEC 870-5-1制定的要求。PROFIBUS第2层按非连接的模式操作，提供三种通信方式：

1）点对点通信。

2）广播通信，即主站向所有其他站（包括主和从）发送信息，不要求回答。

3）有选择的广播通信，即主站向一组站（主和从）发送信息，不要求回答。

在PROFIBUS-DP/-PA/-FMS中，分别使用了第2层服务的不同子集。这些服务通过第2层的服务存取点SAP（Service Access Point）由上一层调用。在FMS中，这些服务存取点用来建立逻辑通信系统表，而在DP/PA中，对每个服务存取点都赋予一个不同的、定义明确的功能。

在协议层上，PROFIBUS用DP和它的DP-V0、DP-V1和DP-V2版本提供了宽阔的选项范围，它能使不同应用之间的通信得到优化。从历史上说，FMS是第一个PROFIBUS通信协议。FMS用于车间级的通信，主要是可编程序控制器（如PLC和PC）彼此之间的通信，FMS可以看作PROFIBUS-DP的先驱。

DP用于总线主站与其所属从站设备之间进行简单、快速、循环和时间确定性的过程数据交换。最初的版本为DP-V0，现已由版本DP-V1进行了扩展。DP-V1提供主站与从站之间的非循环数据交换。另一个版本DP-V2也可供使用，它用一个同步总线循环提供直接的从站对从站通信。

（3）第7层和用户接口层

1）PROFIBUS-DP未使用第7层，这种结构确保了数据传输的快速和有效。在DP的用户接口层中，直接数据链路映象（Direct Data Link Mapper，DDLM）为用户接口进入第2层提供了简捷的途径。除此之外，在用户接口中还规定了用户、系统及不同设备可调用的应用功能，DP行规（Profile）详细说明了各种不同DP设备的设备行为等。

2）PROFIBUS-PA也未使用第7层，在PA的用户接口层，它以DP基本功能为基础，采用扩展的DP功能。除此之外，还用PA行规描述了现场设备的各种参数和设备行为的各种要求。

3）PROFIBUS-FMS使用了第7层（应用层），应用层由现场信息规范（Fieldbus Mes-sage Specification，FMS）和低层接口（Lower Layer Interface，LLI）组成。FMS包括应用协议层并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调各种通信关系，并为FMS提供不依赖设备可访问第2层，在用户接口规定FMS设备行规。