PROFIBUS-DP通信协议的优化

PROFIBUS-DP通信协议适用于在现场层的快速数据交换，可实现可编程序控制器（如PLC、PC或过程控制系统）通过快速串行连接与分散的现场设备（如I/O、驱动器、阀门、变送器或分析装置）进行通信。与分散的现场设备之间主要是循环的数据交换，对于循环数据交换所需要的通信功能通过DP基本功能（版本DP-V0）来规定。依据各种应用领域的特殊需求，这些DP基本功能已经用特殊功能逐步进行了扩展，所以现在有DP-V0、DP-V1和DP-V2三种版本可供使用，而每一种版本都有它自己专用的关键特性，如图2-9所示。版本的这种区分，主要反映了由于不断增长的应用需求所完成的规范工作的时间顺序。版本V0和V1包含特性（用于实现的绑定）和选项，而V2仅规定了选项。三种版本的关键内容如下：

1）DP-V0提供DP基本功能，包括循环的数据交换以及站诊断、模块诊断和特定通道的诊断。

2）DP-V1包含依据过程自动化的需求而增加的功能，特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等（类似于循环的用户数据通信）的非循环数据通信，这样就允许用工程工具在线访问站。此外，DP-V1有三种附加的报警类型，即状态报警，刷新报警和制造商专用的报警。

3）DP-V2包括主要根据驱动技术的需求而增加的其他功能，如同步从站模式（Isochro-nous Slave Mode）和从站对从站通信（Datae Xchange Broadcast，DXB）等，DP-V2也可以被实现为驱动总线，用于控制驱动轴的快速运动时序。

图2-9 PROFIBUS-DP各版本的主要功能

1.DP-V0版本

中央控制器（主站）循环地从从站读取输入信息，循环地向从站写入输出信息。总线循环时间应该比自动化系统的程序循环时间短，对于许多应用而言程序循环时间大约为10ms。然而，对于一个总线系统的成功实现，仅有快速的数据吞吐量是不够的，处理简单、良好的诊断能力以及抗干扰的传输技术等也是关键因素。DP为这些特性提供了最优的组合，见表2-10。

表2-10 DP-V0特性

（1）传输速度

在传输速度为12Mbit/s的情况下，通过分散的32个站传输512bit的输入数据和512bit的输出数据，DP只需要大约1ms的时间。

图2-10给出典型的DP传输时间与站数和传输速度之间的关系。使用DP时，在单个报文循环中发送输入和输出数据，用第2层的SRD服务（Sendand Receive Data Service）发送用户数据。

（2）诊断功能

DP的综合诊断功能能够快速确定故障的位置，诊断信息在总线上传输并由主站收集。诊断报文分三级：

1）设备专用的诊断。为站服务的常规准备信息，如过热、电压过低或接口不清楚等。

2）与模块有关的诊断。这些信息指出在一个站的特定的I/O子区域（如8位输出模块等）中出现的故障。

3）与通道有关的诊断。这些报文指出与个别I/O位（通道）有关故障情况，如输出位短路等。

图2-10 典型的DP传输时间与站数和 传输速度之间的关系

（3）系统配置

DP允许构成单主站或多主站的系统，这为系统配置提供了高度的灵活性。在同一条总线上最多可连接126个设备（主站或从站）。系统配置规范定义了站点数、站地址对I/O地址的分配、I/O数据的一致性、诊断报文的格式、所使用的总线参数等。

（4）设备类型

每个DP系统由不同类型的设备组成，这些设备分为三类。

1）1类DP主站（DPM1）。DPM1是中央控制器，它在确定的报文循环内与分散的从站循环地交换信息。典型的DPM1设备，如可编程逻辑控制器（PLC）或PC等。DPM1有主动的总线存取权，它可以在固定的时间读现场设备的测量数据（输入）和写执行机构的设定值（输出），这种连续不断的重复循环是自动化功能的基础。

2）2类DP主站（DPM2）。这类设备是工程设计、组态或操作设备。它们在系统投运期间执行，主要用于系统维护和诊断，组态所连接的设备、评估测量值和参数，以及请求设备状态等。DPM2不必永久地连接在总线系统中，DPM2也有主动的总线存取权。

图2-11 PROFIBUS-DP单主站系统

3）从站。从站是外围设备，如I/O设备、驱动器、HMI、阀门、变送器、分析装置等。它们读取过程信息或用输出信息去干预过程，也有一些设备只处理输入或输出信息。从通信的角度看，从站是被动设备，它仅直接响应请求。这种行为特性能被简单而低成本地实现（在DP-V0的情况下，它已经完全包含在硬件中）。在单主站系统中，总线系统运行时只有一个主站在总线上活动，单主站系统的配置如图2-11所示。PLC是中央控制部件，从站通过传输介质分散地与PLC连接，单主站配置的系统可达到最短的总线循环时间。

在多主站配置中，总线上可连接若干个主站。这些主站或者是由一个DPM1与它从属的从站构成的相对独立的子系统，或者是附加的组态和诊断设备。所有DP主站均可以读取从站的输入和输出映象，但只有在组态时指定为DPM1的主站能向它所属的从站写入输出数据。

（5）系统特性

为了保证相同类型设备之间的高等级设备可互换性，已经对DP的系统行为特性进行了标准化。系统行为主要取决于DPM1的运行状态。这可以由组态设备在本地或通过总线来控制。主要有以下三种状态：

1）停止。在此状态下，DPM1与从站间没有数据传输。

2）清除。在此状态下，DPM1读取从站的输入信息，并将从站的输出信息保持在故障安全状态（0输出）。

3）运行。在此状态下，DPM1处于数据传输阶段。在循环数据通信时，DPM1从DP从站读取输入信息，并向从站写入输出信息。

在一个可组态的时间间隔内，DPM1使用群播命令向从属于它的所有从站循环地发送它的状态。在DPM1的数据传输阶段，系统对某个出错（如一个从站故障）的反应由组态参数“auto_clear”来决定。如果此参数设置为“真”（true），则一旦从站不再准备传输用户数据时，DPM1立即将所从属的所有从站的输出转入故障安全状态，然后DPM1转变为清除状态。如果此参数设置为“假”（false），则即使在从站出现故障时DPM1仍停留在运行状态，并且用户可以控制系统的反应。

（6）DPM1与从站之间的循环数据通信

DPM1与所属从站间的数据通信由DPM1按已确定的循环顺序自动地进行处理，在组态总线系统时，用户确定分配给此DPM1的从站，还确定哪些从站纳入/不纳入循环的用户数据通信。(www.xing528.com)

DPM1与所属从站间的数据通信分为参数化阶段、组态阶段和数据传输阶段三个阶段。在主站与一个DP从站进入数据传输阶段前，在参数化和组态阶段，需检查所组态的设备配置与实际设备的配置是否匹配。在此检查过程中，设备类型、数据格式和长度以及I/O数量必须相符合。这些测试为用户提供可靠的保护以免参数化出错。除了由DPM1自动执行的用户数据传输外，新的参数化数据可以应用户的请求发送给DP从站。

1）同步和冻结模式。除了由DPM1自动处理的与站相关的用户数据传输外，主站还可以同时向一组从站或所有从站发送控制命令。这些控制命令通过群播命令发送，并可使同步（Sync）和冻结（Freeze）模式用于实现从站事件的同步控制。

当这些从站接收到从它们的主站发来的同步命令后，便开始进入同步模式，所有被寻址的从站的输出冻结在它们的当前状态。在随后的用户数据传输期间，输出数据存储在从站上，但它们的输出状态保持不变，直到接收到下一个同步命令时，所存储的这些输出数据才发送到输出设备。可用非同步（Unsync）命令退出同步模式，类似地，冻结控制命令使被寻址的从站进入冻结模式。在这种模式中，从站的输入状态被冻结在当前值，直到主站发送下一个非冻结（Unfreeze）命令时输入数据才被更新。

2）保护机制。为了安全和可靠，有必要对DP提供有效的保护机制以防止参数化出错或传输设备出故障。为此，DP主站和DP从站具有定时监视器方式的监控机制，监视时间间隔在组态时定义。

3）在DP主站，DPM1用Data_Control_Timer来监视从站的数据通信，对每个从站使用各自的定时监视器。在监视时间间隔内，如果没有执行正确的用户数据传输，则定时监视器被解扣（Trip）。一旦出现此情况，即通报给用户。如果启用自动出错处理（Auto_Clear＝True），则DPM1将退出运行状态，并将它所属的所有从站的输出切换到故障安全（Fail Safe）状态后转变为清除模式。

4）在从站使用定时监视器（Watch Dog）检查主站或传输的故障。如果在监视定时控制间隔内未发生与主站的数据通信，则从站将自动地将其输出切换到故障安全状态。此外，在多主站系统运行时，对从站的输出需要有存取保护，这就保证了只有指定的主站才有直接存取权。对所有其他主站来说，即使没有存取权，也可以读取从站提供的输入映象。

2.DP-V1版本

DP-V1版本的主要特性是用于非循环通信的扩展功能。在运行期间为了对总线上的现场设备进行参数化和校验（Calibration）以及对确认的报警报文的传输，这些扩展功能是必须的。执行非循环的数据传输类似于循环的数据通信，但使用较低的优先权，通信顺序的示例如图2-12所示。1类主站持有令牌并能够按固定的顺序向从站1、从站2等发送报文或从这些从站接收报文，直到它完成与当前从站表中最后一个从站的通信（MS0通道）为止。然后，它把令牌传送给2类主站。这时，2类主站可以使用已规划循环的剩余可用间隙（Gap）与任一从站建立非循环连接（MS2通道）。在当前循环时间结束时，它将令牌返回给1类主站。记录的非循环交换可以持续若干个扫描（Scan）周期或它们的间隙（Gap），在结束时2类主站用间隙（Gap）来清除连接。类似于2类主站，1类主站也可以执行与从站的非循环数据交换（MS1通道）。作为另一个功能，DP-V1增强了设备专用诊断，并分为类别报警和状态报文，如图2-13所示。

图2-12 DP-V1中的循环和非循环通信

3.DP-V2版本

（1）从站对从站的通信（DB）

从站对从站的通信（DB）功能使从站与从站之间能使用广播通信方式，而不需绕道通过主站来进行直接而省时的通信。在此情况下，这些从站扮演生产者（Publisher），即从站响应不通过协调的主站而直接到包含在此序列中的称为消费者（Subscribers）的其他从站，如图2-14所示。这样，从站就可以直接从其他从站读取数据，并将这些数据作为自己的输入。这样就开拓了全新的应用领域，同时还可以减少总线上响应时间的90％。

（2）等时同步模式（Isochronous Mode）

等时同步模式可实现主站和从站中的时钟同步控制，而与总线负载无关。此功能可实现高精度定位处理，其时钟误差小于1μs，通过全局控制（Global Control）广播报文使所有参加的设备循环与总线主循环同步。一个特殊的活标记（Life Mark）允许监控同步，图2-15给出用于数据交换（DX、消费者）、2类主站存取（生产者）和保留（1类主站）的有效时间。粗实线箭头标识控制（Rx）从实际数据采集（T_I）到设定值数据输出（T_O）的路线，它通常延伸到两个总线循环。

图2-13 DP-V0和DP-V1的诊断报文结构

图2-14 从站对从站的数据交换

图2-15 同步模式

（3）时钟控制

实时主站通过新的无连接的MS3服务向所有从站发送时间标签（Time Stamp），使所有的站与系统时间同步，其时钟误差小于1ms，这就允许精确地跟踪事件。为了在多主站的网络中获得定时功能，此功能可使故障诊断以及事件的顺序编制变得很容易。

（4）上装和下载（Load Region）

上装和下载功能允许用少许命令在现场设备中装载任意大小的数据区，例如，这可以使更新程序或更换设备时不需要手册规定的装载过程。

（5）功能调用

功能调用服务允许在DP从站中控制程序（启动、停止、返回、重启）或调用功能（如获得测量值）。

4.用槽号（Slot）和索引（Index）编址

在编址数据时，PROFIBUS设想从站的物理结构是模块化的，也可以是逻辑功能单元，也称为模块（Module），在内部构成。对循环的数据通信，在DP基本功能中也使用这些模块，每个模块都具有固定的I/O字节数，它们被传送时在用户数据报文中占有固定的位置。这种编址过程以标识符为基础，标识符表示模块的类型，如输入、输出或两者组合。所有组合的标识符形成一个从站配置，在系统初启时也检查从站的配置，非循环的数据通信也基于此模型。能用于读/写存取的所有数据块都被认为是模块，并可以用槽号和索引来寻址。槽号表示模块，而索引表示属于此模块的数据块。每个数据块最多为244B，如图2-16所示。对于模块化设备，槽号被分配给模块。模块号从1号开始，按升序被连续地编号，槽号0用于该设备本身。

图2-16 用槽号和索引编址

将紧凑型设备作为一个虚拟模块装置来对待，它们也使用槽号和索引来编址。在读或写请求中使用长度规定，也可以读或写一个数据块的部分数据。如果数据块的存取是成功的，则从站用肯定的读或写响应作为回答。如果不成功，则从站给予否定的回答，并在回答中给出问题的类别。DPM2与从站之间的非循环通信服务和DPM1与从站之间的非循环通信服务见表2-11、表2-12。

表2-11 DPM2与从站之间的非循环通信服务

表2-12 DPM1与从站之间的非循环通信服务