PROFIBUS—DP/FMS/PA分析

一、Profibus – DP 1．Profibus – Dp用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-Dp还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
　　传输技术：RS－485双绞线．双线电缆或光缆。波特率从9.6K bit/s到12M bit/s。
　　总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主—从传送。支持单主或多主系统。总线上最站点（主－从设备）数为126。
　　通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主－从用户数据传送和非循环主－主数据传送。
　　运行模式：运行、清除、停止。
　　同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。
　　功能：DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过部线对DP主站（DPM1）进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。
　　可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD＝４进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
　　设备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程控制器，如PLC．PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。
　　（1）Profibus–DP基本特征
　　①速率：在一个有着32个站点的分布系统中，Profibus-DP对所有站点传送512 bit/s 输入和512bit/s输出，在12Ｍbit/s时只需１毫秒。
　　②诊断功能：经过扩展的Profibus-DP诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：
　　本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高．压力过低。
　　模块诊断操作：一个站点的某具体I/O模块故障。
　　通过诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。
　　（2）Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上 最多可连接126个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种坏同类型设备：
　　①一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。
　　②二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器．组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。
　　③DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备．驱动器．HMI．阀门等）。
　　④单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。
　　⑤多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPMI．指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映象，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。
　　（3）系统行为
　　系统行为主要取决于DPM1的操作状态，这此状态由本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态：
　　停止：在这种状态下，DPM1和DP从站之间没有数据传输。
　　清除：在这种状态下，DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。
　　运行：在这种状态下，DPM1处于数据传输阶段，循环数据通信时，DPM1从DP站读取输入信息并向从站写入输出信息。
　　①DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DP从站。
　　②如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误，DPM1将所有有关的DP从站的输出数据立即转入清除状态，而DP从站将不在发送用户数据。在次之后，DPM1转入清除状态。
　　（4）DPM1和DP从站间的循环数据传输
　　DPM1和相关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。在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系作出规定，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。
　　DMP1和DP从站之间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受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。
　　（5）DPM1和系统组态设备间的循环数据传输
　　除主—从功能外，Profibus－DP允许主—主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。
　　（6）同步和锁定模式
　　除DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外，DP主站设备也可向单独的DP从站。一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开DP从站的同及锁定模式，用于DP从站的事件控制同步。
　　主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。
　　锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可以通过非锁定命令退出锁模式。
　　（7）保护机制
　　对DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能“使能”，DPM1将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。
2．扩展DP功能
DP扩展功能是对DP基本功能的补充，与DP基本功能兼容。
　　（1）DPM1与DP从站间非循环的数据传输。
　　（2）带DDLM读和DDLM写的非循环读/写功能，可读写从站任何希望数据。
　　（3）报警响应，DP基本功能允许DP从站用诊断信息向主站自发地传输事件，而新增的DDLM－ALAM－ACK功能被用来直接响应从DP从站上接收的报警数据。
（4）DPM2与从站间的非循环的数据传输。
3．电子设备数据文件（GSD）
　　为了将不同厂家生产的Profibus产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件（电子设备数据库文件）方式将这些品的功能参数（如I/O点数、诊断信息、波特率、时间监视等）。标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用根据GSD所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。
　　GSD文件可分为三个部分：
（1）总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本．波特率．监视时间间隔．总线插头指定信号。
（2）与DP有关的规范：包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数．上装/下装能力。
（3）与DP从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如输入/输出通道数、类型、诊断数据等。
　　4．Profibus-DP行规
　　Profibus–DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了PROFIBUS－DP如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异。因为与应用有关的含义在行规中均作了精确的规定说明。下面是PROFIBUS－DP行规，括弧中数字是文件编号：
　　（1）NC/RC行规（3.052）
　　（2）编码器行规（3.062）
　　（3）变速传动行规（3.071）
　　（4）操作员控制和过程监视行规（HMI）
二、Profibus－FMS
　　Profibus－FMS的设计旨在解决车间监控级通信。在这一层，可编程序控制器（如PLC．PC机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。
　　1．Profibus－FMS应用层
　　应用层提供了供用户使用的通信服务。这些服务包括访问变量、程序传递、事件控制等。Profibus－FMS应用层包括下列两部分：
　　（1）现场总线住处规范（Fieldbus Message Specification - FMS）：描述了通信对象和应用服务。
　　（2）低层接口（Lower Layer Interface -LⅡ）：FMS服务到第二层的接口。
　　2．Profibus－FMS通信模型
Profibus－FMS利用通信关系将分散的过程统一到一个共用的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟设备VFD（Virtual field Device），在实际现场设备与VFD之间设立一个通令关系表。通令关系表是VFD通令变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。VFD通信关系表完成对实际现场设备的通信。
3．通信对象与通信字典（OD）
　　（1）FMS面向对象通信，它确认五种静态通信对象：简单变量、数组、记录、域和事件，还确认两种动态通信对象：程序调用和变量表。
　　（2）每个FMS设备的所有通信对象都填入对象字典（OD）。对简单设备，OD可以予定义，对复杂设备，OD可以本地或远程通过组态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字典，动态通通信对象进入动态通信字典。每个对象均有一个惟一的索引，为避免非授权存取，每个通信对象可先用存取保护。
　　4．Profibus－FMS服务
　　FMS服务项目是ISO 9506制造信息规范MMS（Manufacturing Message Specification）服务项目的子集。这些现场总线应用中已被优化，而且还加上了通信提出的广泛需求，服务项目的选用取决于特定的应用，具体的应用领域在FMS行规中规定。
　　5. 低层接口（LLI）
　　第七层到第二层映射由LLI来解决，其主要任务包括数据流控制和联接监视。用户通过称之为通信关系的逻辑通道与其他应用过程进行通信。VMS设备的全部通信关系都列入通信关系表CRL（Communication Relationship List）。每个通信关系通过通信索引（CREF）来查找，CRL中包含了CREF和第二层及LLI地址间的关系。
　　6．网络管理
　　FMS还提供网络管理功能，有由现场总线管理层七层来实现。其主要功能有：上、下关系管理；配置管理；故障管理等。
　　7．Profibus-FMS行规
　　FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用。在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求相适应。设备的功能必须结合应用来定义。这些适应性定义称之为行规。行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。 FMS对行规做了如下规定（括号中的数字是文件编号）：
　　（1）控制间的通信（3.002）
　　（2）楼宇自动化（3.011）
　　（3）低压开关设备（3.032）
    三、Profibus-PA
　　Profibus-PA适用于PROFIBUS 的过程自动化。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、湿度和液位变送器等现场设备连接起来，PA可用来替代4～20mA的模拟技术。PROFIBUS－PA具有如下特性：
　　（1）适合过程自动化应用的行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性。
（2）增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不会影响到其他站。
（3） 在过程自动化的Profibus－PA段与制造业自动化的PROFIBUS－DP总线段之间通过藕合器连接，并使可实现两段间的透明通信。
　　（4）使用与IEC1158－2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。
　　（5）在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。
　　1．Profibus－PA传输协议
Profibus－PA采用PROFIBUS－DP的基本功能来传送测量值和状态。并用扩展的PROFIBUS－DP功能来制订制现场设备的参数和进行设备操作。PROFIBUS－PA第一层采用IEC1158－2技术，第二层和第一层之间的在DIN19245系列标准的第四部分作了规定。
2．Profibus－PA设备行规
　　Profibus－PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是PROFIBUS－PA的一个组成部分。PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。
　　目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其他选择的一些设备类型作了具体规定，这些设备如：
　　（1）测压力、液位、温度和流量的变送器
　　（2）数字量输入和输出
　　（3）模拟量输入和输出
　　（4）阀门
　　（5）定位器