现场总线应用技术:PROFIBUS-DP三个版本

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：PROFIBUS-DP经过功能扩展，一共有DP-V0、DP-V1和DP-V2三个版本，有时将DP-V1简写为DPV1。诊断功能经过扩展的PROFIBUS-DP诊断，能对站级、模块级、通道级这3级故障进行诊断和快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。DPM1和系统组态设备间的循环数据传输PROFIBUS-DP允许主站之间的数据交换，即DPM1和DPM2之间的数据交换。对数据寻址时，PROFIBUS假设从站的物理结构是模块化的，即从站由称为“模块”的逻辑功能单元构成。在系统启动时由DPM1对标识符进行检查。

PROFIBUS-DP经过功能扩展，一共有DP-V0、DP-V1和DP-V2三个版本，有时将DP-V1简写为DPV1。

1.基本功能（DP-V0）

（1）总线存取方法

各主站间为令牌传送，主站与从站间为主-从循环传送，支持单主站或多主站系统，总线上最多126个站。可以采用点对点用户数据通信、广播（控制指令）方式和循环主-从用户数据通信。

（2）循环数据交换

DP-V0可以实现中央控制器（PLC、PC或过程控制系统）与分布式现场设备（从站，例如I/O、阀门、变送器和分析仪等）之间的快速循环数据交换，主站发出请求报文，从站收到后返回响应报文。这种循环数据交换是在被称为MS0的连接上进行的。

总线循环时间应小于中央控制器的循环时间（约10ms），DP的传送时间与网络中站的数量和传输速率有关。每个从站可以传送224B的输入或输出。

（3）诊断功能

经过扩展的PROFIBUS-DP诊断，能对站级、模块级、通道级这3级故障进行诊断和快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。

本站诊断操作：对本站设备的一般操作状态的诊断，例如温度过高，压力过低；

模块诊断操作：对站点内部某个具体的I/O模块的故障定位；

通道诊断操作：对某个输入/输出通道的故障定位。

（4）保护功能

所有信息的传输按汉明距离HD＝4进行。对DP从站的输出进行存取保护，DP主站用监控定时器监视与从站的通信，对每个从站都有独立的监控定时器。在规定的监视时间间隔内，如果没有执行用户数据传送，将会使监控定时器超时，通知用户程序进行处理。如果参数“Auto Clear”为1，DPM1将退出运行模式，并将所有有关的从站的输出置于故障安全状态，然后进入清除（Clear）状态。

DP从站用看门狗（Watchdog Timer，监控定时器）检测与主站的数据传输，如果在设置的时间内没有完成数据通信，从站自动地将输出切换到故障安全状态。

在多主站系统中，从站输出操作的访问保护是必要的。这样可以保证只有授权的主站才能直接访问。其他从站可以读它们输入的映像，但是不能直接访问。

（5）通过网络的组态功能与控制功能

通过网络可以实现下列功能：动态激活或关闭DP从站，对DP主站（DPM1）进行配置，可以设置站点的数目、DP从站的地址、输入/输出数据的格式和诊断报文的格式等，以及检查DP从站的组态。控制命令可以同时发送给所有的从站或部分从站。

（6）同步与锁定功能

主站可以发送命令给一个从站或同时发给一组从站。接收到主站的同步命令后，从站进入同步模式。这些从站的输出被锁定在当前状态。在这之后的用户数据传输中，输出数据存储在从站，但是它的输出状态保持不变。同步模式用“UNSYNC”命令来解除。

锁定（FREEZE）命令使指定的从站组进入锁定模式，即将各从站的输入数据锁定在当前状态，直到主站发送下一个锁定命令时才可以刷新。用“UNFREEZE”命令来解除锁定模式。

（7）DPM1和DP从站之间的循环数据传输

DPM1与有关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行的。在对总线系统进行组态时，用户定义DP从站与DPM1的关系，确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环。

DMP1和DP从站之间的数据传送分为3个阶段：参数化、组态和数据交换。在前两个阶段进行检查，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。设备类型、格式、信息长度与输入/输出的个数都应一致，以防止由于组态过程中的错误造成系统的检查错误。

只有系统检查通过后，DP从站才进入用户数据传输阶段。在自动进行用户数据传输的同时，也可以根据用户的需要向DP从站发送用户定义的参数。

（8）DPM1和系统组态设备间的循环数据传输

PROFIBUS-DP允许主站之间的数据交换，即DPM1和DPM2之间的数据交换。该功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态，改变DPM1的操作方式，动态地允许或禁止DPM1与某些从站之间交换数据。

2.DP-V1的扩展功能

（1）非循环数据交换

除了DP-V0的功能外，DP-V1最主要的特征是具有主站与从站之间的非循环数据交换功能，可以用它来进行参数设置、诊断和报警处理。非循环数据交换与循环数据交换是并行执行的，但是优先级较低。

1类主站DPM1可以通过非循环数据通信读写从站的数据块，数据传输在DPM1建立的MS1连接上进行，可以用主站来组态从站和设置从站的参数。

在启动非循环数据通信之前，DPM2用初始化服务建立MS2连接。MS2用于读、写和数据传输服务。一个从站可以同时保持几个激活的MS2连接，但是连接的数量受到从站的资源的限制。DPM2与从站建立或中止非循环数据通信连接，读写从站的数据块。数据传输功能向从站非循环地写指定的数据，如果需要，可以在同一周期读数据。

对数据寻址时，PROFIBUS假设从站的物理结构是模块化的，即从站由称为“模块”的逻辑功能单元构成。在基本DP功能中这种模型也用于数据的循环传送。每一模块的输入/输出字节数为常数，在用户数据报文中按固定的位置来传送。寻址过程基于标识符，用它来表示模块的类型，包括输入、输出或二者的结合，所有标识符的集合产生了从站的配置。在系统启动时由DPM1对标识符进行检查。

循环数据通信也是建立在这一模型的基础上的。所有能被读写访问的数据块都被认为属于这些模块，它们可以用槽号和索引来寻址。槽号用来确定模块的地址，索引号用来确定指定给模块的数据块的地址，每个数据块最多244B。读写服务寻址如图6-3所示。(www.chuimin.cn)

对于模块化的设备，模块被指定槽号，从1号槽开始，槽号按顺序递增，0号留给设备本身。紧凑型设备被视为虚拟模块的一个单元，也可以用槽号和索引来寻址。

在读/写请求中通过长度信息可以对数据块的一部分进行读写。如果读/写数据块成功，DP从站发送正常的读写响应。反之将发送否定的响应，并对问题进行分类。

图6-3 读写服务寻址

（2）工程内部集成的EDD与FDT

在工业自动化中，由于历史的原因，GSD（电子设备数据）文件使用得较多，它适用于较简单的应用；EDD（Electronic Device Description，电子设备描述）适用于中等复杂程序的应用；FDT/DTM（Field Device Tool/Device Type Manager，现场设备工具/设备类型管理）是独立于现场总线的“万能”接口，适用于复杂的应用场合。

（3）基于IEC 61131-3的软件功能块

为了实现与制造商无关的系统行规，应为现存的通信平台提供应用程序接口（API），即标准功能块。PNO（PROFIBUS用户组织）推出了“基于IEC 61131-3的通信与代理（Proxy）功能块”。

（4）故障安全通信（PROFIsafe）

PROFIsafe定义了与故障安全有关的自动化任务，以及故障-安全设备怎样用故障-安全控制器在PROFIBUS上通信。PROFIsafe考虑了在串行总线通信中可能发生的故障，例如数据的延迟、丢失、重复，不正确的时序、地址和数据的损坏。

PROFIsafe采取了下列的补救措施：输入报文帧的超时及其确认；发送者与接收者之间的标识符（口令）；附加的数据安全措施（CRC校验）。

（5）扩展的诊断功能

DP从站通过诊断报文将突发事件（报警信息）传送给主站，主站收到后发送确认报文给从站。从站收到后只能发送新的报警信息，这样可以防止多次重复发送同一报警报文。状态报文由从站发送给主站，不需要主站确认。

3.DP-V2的扩展功能

（1）从站与从站间的通信

在2001年发布的PROFIBUS协议功能扩充版本DP-V2中，广播式数据交换实现了从站之间的通信，从站作为出版者（Publisher），不经过主站直接将信息发送给作为订户（Subscribers）的从站。这样从站可以直接读入其他从站的数据。这种方式最多可以减少90％的总线响应时间。从站与从站的数据交换如图6-4所示。

（2）同步（Isochronous）模式功能

同步功能激活主站与从站之间的同步，误差小于1ms。通过“全局控制”广播报文，所有有关的设备被周期性地同步到总线主站的循环。

（3）时钟控制与时间标记（Time Stamps）

通过用于时钟同步的新的连接MS3，实时时间（Real Time）主站将时间标记发送给所有的从站，将从站的时钟同步到系统时间，误差小于1ms。利用这一功能可以实现高精度的事件追踪。在有大量主站的网络中，对于获取定时功能特别有用。主站与从站之间的时钟控制通过MS3服务来进行。

（4）HARTonDP

图6-4 从站与从站的数据交换

HART是一种应用较广的现场总线。HART规范将HART的客户-主机-服务器模型映射到PROFIBUS，HART规范位于DP主站和从站的第7层之上。HART-client（客户）功能集成在PROFIBUS的主站中，HART的主站集成在PROFIBUS的从站中。为了传送HART报文，定义了独立于MS1和MS2的通信通道。

（5）上载与下载（区域装载）

这一功能允许用少量的命令装载任意现场设备中任意大小的数据区。例如不需要人工装载就可以更新程序或更换设备。

（6）功能请求（Function Invocation）

功能请求服务用于DP从站的程序控制（启动、停止、返回或重新启动）和功能调用。

（7）从站冗余

在很多应用场合，要求现场设备的通信有冗余功能。冗余的从站有两个PROFIBUS接口，一个是主接口，一个是备用接口。它们可能是单独的设备，也可能分散在两个设备中。这些设备有两个带有特殊的冗余扩展的独立的协议堆栈，冗余通信在两个协议堆栈之间进行，可能是在一个设备内部，也可能是在两个设备之间。

在正常情况下，通信只发送给被组态的主要从站，它也发送给后备从站。在主要从站出现故障时，后备从站接管它的功能。可能是后备从站自己检查到故障，或主站请求它这样做。主站监视所有的从站，出现故障时立即发送诊断报文给后备从站。

现场总线应用技术:PROFIBUS-DP三个版本

相关推荐