摘 要：目前，PROFIBUS已成為國際化的開放式現場總線標準。而PROFIBUS—DP總線適合于對通信量要求較低、設備量較大的現場控制層使用，其適應面大、經濟性好，可用于發電廠作開放的分布式底層控制。為此介紹了該現場總線的協議結構和通信原理，詳細說明了該總線通信的報文格式和通信過程，并系統地介紹了其在柳州發電廠的應用情況。
關鍵詞：PROFIBUS—DP；協議結構；通信；發電廠
　　自1984年開始研制以來，PROFIBUS以其良好的實時性能，靈活的系統配置，方便的實現方法等優勢成為歐洲首屈一指的開放式現場總線系統，其應用范圍更是覆蓋了加工制造，過程自動化和建筑自動化等領域。PROFIBUS已成為國際化的開放式現場總線標準，即EN50170歐洲標準。PROFIBUS—DP主要用于現場級分散I／O設備的高速數據傳輸，它以DIN19245的第一部分為基礎，一般構成單主站系統，主從站之間采用循環數據傳送方式工作，其最高通信速率可達12Mbps。由于現場控制層對通信量的要求較低，而一般工廠底層的設備量又很大，往往有幾百臺設備，在這種環境下采用PROFIBUS—DP現場總線可以節省大量投資，把控制功能徹底下放到現場，實現開放的全分布式底層控制網絡。
　　分散控制系統（DCS）經歷了2O多年的發展已經發生了很大的變化。大部分DCS在現場級采用開放的網絡協議標準，如現場總線或工業以太網。和利時公司的MACSTM系統使用PROFIBUS—DP現場總線連接分散I／O設備。2000年，使用MACS系統對柳州發電廠2號機組的熱工控制系統進行改造，取得了較好的控制效果和經濟效益。
1 PROFIBUS—DP的協議結構
　　PROFIBUS—DP的通信協議分為3層：物理層、數據鏈路層和用戶接口。精通PROFIBUS—DP的協議結構和通信原理是實現PROFIBUS—DP協議的關鍵。
1．1 物理層
　　該層規定了PROFIBUS—DP的總線介質、網絡拓撲、傳輸距離、傳輸速率、站點數以及總線接口。該層同時支持無總線控制功能的簡單現場I／O設備和有總線控制功能的復雜設備。物理層通過采用差分電壓輸出的RS485實現電流連接，其基本傳輸特性如表1所示。

1．2 數據鏈路層
　　數據鏈路層主要實現兩個功能：介質存取控制（MAC）和現場總線數據鏈路（FDL）服務。MAC描述了連接到傳輸介質的總線存取方式，它采用一種混合訪問方法。PROFIBus—DP規定，在同一時刻，只能有一個設備在傳輸數據，所以在多主站系統中，各主設備之間用令牌總線方式；在主設備和從設備之間用循環查詢的主一從方式。
　　PROFIBUS中提供了4種數據傳輸服務：SDA（發送數據要應答）、SRD（發送和請求回答的數據）、SDN（發送數據不需應答）、CSRD（循環性發送和請求回答的數據）。在DP中主要用到SRD和SDN。其中SRD允許本地用戶向單個遠程站點傳送數據，同時向遠程站點請求數據。該服務也允許本地用戶只向遠程站點請求數據，但并不發送數據（即數據發送單元為空）。若在傳輸中出現錯誤，則重復上述過程。SDN則用于本地用戶同時向單個、多個或全部遠程站點傳送數據。本地用戶在數據傳送結束時會收到確認，但在數據傳送過程中并無任何確認。
1．3 用戶接口
　　DP中沒有用到ISO／0SI中規定的應用層，而是使用自己定義的用戶接口。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能并詳細說明了各種不同PROFIBUS—DP設備的設備行為，還定義了DP的各種行規及擴展功能。行規對用戶數據的含義做了具體說明，并且具體規定了PROF1B1JS—DP如何用于應用領域，利用行規可使不同廠商所生產的不同零部件互換使用。PROFIBUS—DP行規主要有以下幾種：NC／RC行規、編碼器行規、變速傳動行規、操作員控制和過程監視行規。
　　DP的擴展功能允許非循環的讀寫功能并中斷并行于循環數據的傳輸應答，另外，對從站參數和測量值的非循環存取可用于某些診斷或操作員控制站（二類主機，DPM2）。有了這些擴展功能，PROFIBUS—DP可以滿足某些復雜設備的要求，例如過程自動化的現場設備、智能化操作設備和變頻器等，這些設備的參數往往在運行期間才能確定，而且與循環性測量值相比很少有變化。因此，與高速周期性用戶數據傳送相比，這些參數的傳送具有低優先級。DP的擴展功能可選，與DP基本功能兼容，通常采用軟件更新的辦法實現DP擴展功能。
2 PROFIBUS—DP的通信原理
2．1 報文格式
　　PROFIBUS—DP數據編碼采用異步不歸零制，傳輸線的空載電平為“1”。為了避免數據傳輸中發生沖突而導致數據丟失，在每個請求報文發送前必須保證至少．33位（同步時間）的空載狀態。在單個字符間所有數據傳送時沒有間隙，即無縫。報文的格式如圖1所示。
　　其中，SD為啟動字節，用于區分報文的內容：
　　SD1—1OH，用于尋找GAP（到時間后，總線上有無新的活動站）；SD2—68H，用于可變長度的報文；SD3一A2H，用于固定數據長度的報文；SD4=DCH，表示該報文為令牌報文；SD5一E5H，短確認。


　　DA：目的地址。
　　SA：源地址。
　　FC：控制字節，它定義報文類型，例如SDN，SDA和SRD分別作為握手報文和響應報文。該字節還包括防止信息丟失或重復的控制信息。CSRD不能通過總線辨識（對應于SRD）。
　　DU：數據單元。
　　FCS：校驗字節，為DA，SA，FC，DSAP，SS—AP和DU的算數和，不考慮進位。
　　ED=16H，為終止字節。
　　另外，在SD2類報文中，LE為數據長度，包括DA，SA，FC，DSAP，SSAP和DU 的長度總和；LEr為長度重復；DSAP為目的服務存取點；SSAP為源服務存取點。PROFIBUS—DP中定義了9種SAP（服務訪問點）服務，分別為54（用于主一主通信）、55（用于二類主站對從站設定站地址）、56（讀輸入）、57（讀輸出）、58（全局控制）、59（讀組態）、60（讀診斷信息）、61（傳送參數）、62（校核組態）。
2．2 通信過程
　　PROFIBUs—DP的數據通信分為4個階段：啟動、初始化主站、配置及診斷從站、數據交換。啟動階段主要完成對DP設備的參數設定，這一步是DP網絡能否安全、高速、穩定工作的關鍵。需要設定的參數主要有站點的地址、波特率、總線定時、站點的擴展功能以及SAP的激活。設置參數的依據來自于設備數據庫文件（GSD），該文件以一種準確定義的格式給出每種DP設備特性的全面描述，由生產商以設備數據庫清單的形式提供給用戶。DP設備一旦投入使用，一般不會再改變，若有特殊情況要改變，要停止設備的運行，重新進行組態。
　　接下來要對主站進行初始化。此階段主站要進行本站診斷，并對從站進行初步診斷。在進行本站診斷時，主站首先要檢測本站及其下屬從站地址，在DP中，每個站點的地址是唯一的，可用的地址范圍為0～127，其中127為廣播地址，未被指定地址的從站默認值為126。在網絡中，一類主站的地址不能為126，也不能同地址為126的從站進行通信。檢測地址無誤后，主站對從站發送初步診斷報文。主站收到從站的響應后，并不對從站返回的內容進行處理，而是繼續進行對從站的參數化和設置。若從站不響應主站，主站將連續查詢從站，超過最大查詢次數后，確認該從站不存在，在地址列表中刪除該從站。
　　確認從站在線后，主站對其進行配置，包括對從站的參數化和組態。為了進行數據交換，主站要有合法的從站參數數據庫，此數據庫由參數和組態數據組成。每組數據對應于一個從站，包括描述一個從站的所有的信息，還包括總線參數和地址列表。主站發送參數報文和組態報文后都會收到從站的短確認響應。配置完畢后，主站要對從站進行二次診斷，以確保對從站的配置的正確性。此次主站要對從站返回的內容進行處理，查看對從站的配置是否正確，若診斷無誤，則進入數據交換狀態。以上階段所傳輸的診斷及檢測信息，均按照SD2類報文格式傳輸。
　　各個站點配置和診斷完畢后，進入數據交換狀態。在PROFIBUs中，稱消息請求的發起站為請求站，目標站為響應站或接收站。DP系統主要為單主系統。發起站總為主站，同級站點之間沒有通信。在單主系統中，只存在主一從通信。主站只能和它所配置的從站進行通信，從站也只能和配置它的主站進行通信。通信時，由主站發出通信服務請求，其相應的從站接收到后，若需要返還數據，則將提前處理好的數據發給主站，若無數據請求，則發給主站一個短確認報文，用以確認。主站不能連續發送數據，每個數據包之間至少要插入33位空閑位，以避免數據沖突和丟失。而從站在接收到主站的數據后，不必等待33位空閑位，但要在最小延遲時間過后再響應主站，一般最小延遲時間為11 tBrr（1 tBIT一1／波特率）。在數據交換過程中，若從站有診斷信息要上報到主站，則該信息擁有較高的優先級，主站收到該信息后，會優先處理并給以回應。
3 ROFIBUS—DP在柳州發電廠的應用
　　廣西柳州發電廠2號機組于1995年10月投入運行。機組的熱工控制系統鍋爐部分采用的是分立式的YS一80單回路調節器和JKDT數字組裝儀表，汽機部分采用的是氣動基地式調節儀，監視部分的數據采集系統（DAS）采用了EDPF一1000微機數據采集系統，以及大量的模擬儀表和巡測儀等；機組的保護聯鎖采用繼電器及硬接線實現。這樣的配置在當時屬于中等水平，在生產運行中發揮了應有的作用，但同時也存在許多根本無法解決的問題，如協調控制無法投入，機組適應負荷變化的能力很差，無法快速響應電網的要求，自動化水平低，運行人員勞動強度大，保護可靠性低等。為了解決上述問題，該廠于2000年開始對2號機組的熱工控制系統進行改造。
　　經過比較和選擇，該廠決定使用北京和利時公司的MACSTM分散控制系統。該系統是基于PROFIBUS—DP現場總線的新型控制系統，其體系結構如圖2所示：


　　其中，最基層的控制網絡由PROFIBUS—DP構成，在現場控制站中。主要用于與現場控制站主控單元和I／O模件通信，完成實時輸入、輸出數據傳送服務。每個現場控制站主要由主控單元和I／O模件構成，此外還包括系統電源、現場電源、通信單元和控制網絡等。主控單元和I／O模件之間的連接采用的是PROFIBUS—DP協議現場總線結構，傳輸速率為1．5～12 Mbps。傳輸介質為雙絞線，主控單元作為PROFIBUS—DP總線的主站；I／O模件作為PROFIBUS—DP總線的從站。每個I／O站采用了2臺冗余主控單元執行控制任務，CPU為奔騰233，采用8 M 電子盤工作，操作系統為實時多任務操作系統QNX，DP主卡可以達到通道級診斷，硬件設計上有看門狗回路，在發生意外死機情況下可以自動切換到備用主控單元工作，從而使得主控單元具有極高的可靠性。I／O模件采用FOCS（Filedbus Open Control System）緊湊型開放控制系統硬件，適用于現場工作環境，可以帶電插拔，用撥碼開關指定地址，可以確保工作的準確性。PROFIBUS—DP協議不僅是國際上通用的一種協議，開放性好，可兼容CAN、FF等多種現場總線網絡，輕易地與其他現場總線儀表或設備相連接，系統擴展十分方便，而且可以安裝到現場，節省大量電纜，簡化系統結構，節省安裝工期，調試也更加簡單。柳州發電廠由于是老機組改造，電纜基本上已經到了集控室，本次改造采取的是機柜安裝方式。現場控制站根據組態數據庫和算法完成信號采集、數據轉換、控制和聯鎖運算、現場信號輸出等功能。
　　目前，2號機組改造工作已完成，投入正常運行。MACSM系統的運行情況基本達到了設計的功能，自動投入率達到了100。PROFIBUS—DP的運用使現場控制站能夠快速、穩定、可靠地采集、傳輸和處理數據。MACS控制系統高效地完成了控制任務，達到了預期的效果。
4 結束語
　　PROFIBUS—DP是開放的、功能完善的國際現場總線標準之一。其協議芯片實現簡單、價格低廉、易于推廣，并得到世界上大多數有影響力的自控設備供應商的支持?，F場總線是智能化儀表和計算機網絡相結合的新一代底層控制網絡。現場總線出現以后，DCS的I／O控制站將向分布式結構發展，其控制功能將進一步分散到現場設備上。因此，使用PROFIBUS—DP現場總線更新升級目前的DCS系統可以實現高智能化控制和高效率化管理，對于提高我國的自動化水平具有重要意義。
參考文獻
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