摘要：闡述了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的主要特點(diǎn)、協(xié)議結(jié)構(gòu)、存取協(xié)議及GSD文件，并著重介紹了在煙草設(shè)備上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP; 令牌;GSD;FCS;DCS

一、前言

　　PROFIBUS是 Process Fieldbus 的縮寫，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)將PROFIBUS分為以下三個(gè)兼容版本：

　　1. PROFIBUS-DP：一般應(yīng)用于工廠自動(dòng)化，經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通訊連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間的通訊設(shè)計(jì)，可取代價(jià)格昂貴的24V或0—20MA并行信號線，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　2. PROFIBUS-FMS：一般應(yīng)用于通用性自動(dòng)化，解決車間級通用性通訊任務(wù)，提供大量的通訊服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。

　　3. PROFIBUS-PA：專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點(diǎn)。

　　目前世界上近300家自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家為它們生產(chǎn)的近5000種產(chǎn)品提供PROFIBUS接口，在煙草行業(yè)，隨著技術(shù)改造的逐步深人，PROFIBUS產(chǎn)品應(yīng)用日益增加，特別是帶PROFIBUS-DP接口的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在濾嘴成型、卷接、卷煙/濾棒儲(chǔ)存輸送等設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器、人機(jī)界面（HMI）及驅(qū)動(dòng)器件上，大大簡化和方便了設(shè)備安裝、檢修及維護(hù)，提高了設(shè)備的可靠性及有效作業(yè)率。

二、PROFIBUS-DP總線的主要特點(diǎn)

　　1. 傳輸簡單、安全、快捷：其傳輸技術(shù)如圖一所示采用一種兩端有終端的總線拓?fù)?，可確保在運(yùn)行期間接入和斷開一個(gè)或多個(gè)站而不影響其它站。

　　PROFIBUS-DP總線允許選擇RS485或光纖兩種不同的物理層，一般設(shè)備級現(xiàn)場總線采用RS485，傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞銅線電纜，其傳輸速度在9.6kb/s—12Mb/s間可選，通過中繼器可將輸送距離延長到10公里，在不帶中繼器的情況下，電纜的最大長度取決于傳輸速度，如表一所示：

　　2. 系統(tǒng)培置高度靈活：PROFIBUS-DP總線可根據(jù)需要構(gòu)成單主站和多主站系統(tǒng)：

　　單主站系統(tǒng)只有一個(gè)活動(dòng)主站，可獲得最短的總體循環(huán)時(shí)間。

　　多主配置中，總線上的主站與各自的從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)或作為網(wǎng)上附加配置和診斷設(shè)備，任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入輸出映像，但只有一個(gè)主站（系統(tǒng)配置時(shí)指定的DPM1）寫入輸出數(shù)據(jù)。

　　PROFIBUS-DP總線最多允許127個(gè)站點(diǎn)，其輸入和輸出報(bào)文最多包含246個(gè)字節(jié)的信息量。

　　3. 診斷功能強(qiáng)大：診斷信息分成本站診斷、模塊診斷和通道診斷三類，經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP可對故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站收集。

　　4. 同步功能嚴(yán)格、保護(hù)機(jī)制可靠：PROFIBUS-DP總線在控制指令中允許輸入輸出的同步，并由同步模式和鎖定模式確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐讲僮鳌?/p>

　　PROFIBUS-DP總線通過以下四項(xiàng)保護(hù)措施保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和接收：

　?、?所有信息傳輸以海明距離HD=4進(jìn)行;

　　②.DP從站帶有看門狗定時(shí)器;

　　③.DP從站輸入輸出從站保護(hù);

　?、?DP主站上帶可變定時(shí)器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。

　　5. PROFIBUS-DP總線產(chǎn)品互換性強(qiáng)、使用簡單：由于PROFIBUS行規(guī)對系統(tǒng)行為進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，因而保證了同類產(chǎn)品嚴(yán)格互換，另外PROFIBUS-DP總線產(chǎn)品的不同性能特征均在數(shù)據(jù)庫文件（GSD）中具體說明，使用基于GSD文件的組態(tài)工具可將不同廠商的產(chǎn)品集成，從而達(dá)到使用簡單、連接方便的效果。

　　6. PROFIBUS-DP總線產(chǎn)品性價(jià)比高：相對于控制系統(tǒng)，采用PROFIBUS-DP總線產(chǎn)品的系統(tǒng)安裝成本可降低40%，功能強(qiáng)大的工具減少了組態(tài)和維護(hù)費(fèi)用，用成本低廉的雙絞電纜便可替代PLC/PC與I/O之間成本昂貴的電纜線，全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。

三、PROFIBUS-DP總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS-DP協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，如圖二所示：

　　PROFIBUS-DP使用第1層，第2層和用戶接口，第3層到第7曾未加以描述，這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?，直接?shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）提供易于進(jìn)入第2層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為，還提供傳輸用的RS485傳輸技術(shù)或光纖。

四、PROFIBUS-DP的總線存取協(xié)議

　　1. 三種PROFIBUS（DP.FMS.PA）均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。

　　2. 在PROFIBUS中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link - FDL）。介質(zhì)存取控制（Medium Access Control - MAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦颍琈AC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　3.PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足介質(zhì)控制的兩個(gè)基本要求：

　?、? 在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來完成通信任務(wù)。

　?、? 在復(fù)雜的程序控制器和簡單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

　　為了滿足以上設(shè)計(jì)要求，PROFIBUS總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。

　　4.令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置：

　?、?純主-從系統(tǒng)

　?、?純主-主系統(tǒng)

　　③.混合系統(tǒng)

　　如圖三所示，以一個(gè)由3個(gè)主站.7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)為例。3個(gè)主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后，該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)間內(nèi)，它可依照主-從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主-主通訊關(guān)系表與所有主站通信。

　　5. 在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。

　　在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。

　　6. 第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。PROFIBUS第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。

　　7. PROFIBUS在第二層按照非連接的模式操作，除提供點(diǎn)對點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，其中包括廣播及選擇廣播功能.

　　8. PROFIBUS-DP用戶數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送一般通過現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL）采用帶應(yīng)答的數(shù)據(jù)發(fā)送和請求（SRD）服務(wù)方式完成，其報(bào)文格式如下：

　　SRD請求：

　　SRD響應(yīng)：

　　SYN—同步位：每個(gè)握手報(bào)文前必須保持33位長的空閑狀態(tài)（二進(jìn)制“1”信號）。

　　SD2—啟動(dòng)符：規(guī)定報(bào)文類型。

　　SD1：不帶數(shù)據(jù)域的信息域長度固定格式

　　SD2：信息域長度可變格式

　　SD3：帶數(shù)據(jù)域的信息域長度固定格式

　　SD4：令牌報(bào)文

　　SD5：短確認(rèn)

　　LE­—報(bào)文長度

　　LEr—重復(fù)報(bào)文長度

　　DA—目的地址

　　SA—源地址

　　FC—功能碼（幀控制）：定義報(bào)文類型。

　　UD（UNIT DATD）—數(shù)據(jù)域

　　FCS—校驗(yàn)字節(jié)（幀校驗(yàn)序列）。

　　ED—終止字節(jié)

五、GSD文件

　　每一個(gè)PROFIBUS-DP主站、從站可能是不同廠商的產(chǎn)品，在組建系統(tǒng)時(shí)需要有設(shè)備描述數(shù)據(jù)庫文件，這就是GSD文件。GSD文件是用特定格式描述現(xiàn)場設(shè)備技術(shù)參數(shù)的ASCⅡ文件，它是專門軟件環(huán)境下編輯生成的。詳情可參見參考文件[2]。使用根據(jù)GSD文件所做的組態(tài)工具可以將不同廠商的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。這些是PROFIBUS-DP智能芯片工作的環(huán)境，一旦含有PROFIBUS-DP智能芯片的DP從站生成GSD文件后，相當(dāng)于該從站持有一個(gè)通用的“身份證”，則這個(gè)從站可在任一DP主站下組建系統(tǒng)。

六、PROFIBUS-DP總線在煙草設(shè)備上的應(yīng)用

　　1.PROFIBUS-DP芯片SPC3在YJ17/YJ27卷接機(jī)組（7000支/分鐘）上的應(yīng)用

　　SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER）集成了完整的DP協(xié)議，包含方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等。它有8根數(shù)據(jù)線及11根地址線，其中低8位地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用，可外接80C32、80C116、80C165、HC11、HC16、HC196等單片機(jī)。

　　YJ17/YJ27卷接機(jī)組是中煙機(jī)械集團(tuán)公司于上世紀(jì)90年代中期從德國HUANI公司引進(jìn)的技術(shù)，相當(dāng)于PROTOS70。其生產(chǎn)原料是煙絲、濾棒、盤紙、水松紙、膠等，產(chǎn)品是卷制好的一支支香煙。在高速運(yùn)行的過程中，煙絲與濾棒的進(jìn)料、盤紙與水松紙的拼接等等一系列動(dòng)作都影響煙支的質(zhì)量。YJ17/YJ27卷接機(jī)組及PROTOS70其傳統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)主要靠機(jī)械和電氣的各種開關(guān)、手柄、按紐、繼電器來控制，繁瑣而不精確。我們通過PROFIBUS-DP組建控制系統(tǒng)，操作工根據(jù)機(jī)器狀態(tài)在觸摸屏上很容易地精確設(shè)置，調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)。

　　YJ17/YJ27卷接機(jī)組電控系統(tǒng)原理框圖見圖四。在每個(gè)DP從站上都帶有SPC3芯片及其相關(guān)的硬件電路。主站上可以設(shè)置各種參數(shù)，如：機(jī)器運(yùn)行速度、進(jìn)料情況、煙支數(shù)量、煙支稀釋度上下限、煙支重量上下限等等。從站參照這些設(shè)定值控制機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn);而機(jī)器動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的各種參數(shù)由每個(gè)從站搜集整理并在主站上可一覽無余。中間數(shù)據(jù)傳輸就是PROFIBUS-DP的功勞了。每個(gè)模塊（主、從站）的功能實(shí)施靠軟件設(shè)計(jì)人員來完成。

　　2.帶PROFIBUS-DP接口的成型產(chǎn)品在濾棒成型機(jī)、卷煙/濾棒儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)等產(chǎn)品上的應(yīng)用

　　濾棒成型機(jī)生產(chǎn)原料是絲束、盤紙、塑化劑、膠等，產(chǎn)品是卷制好的一支支濾棒，在高速運(yùn)行的過程中，絲束進(jìn)料、塑化、拉伸以及盤紙的拼接等等一系列動(dòng)作都影響濾棒的質(zhì)量。卷煙/濾棒儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)是將卷制好的卷煙/濾棒從卷接機(jī)組/成型機(jī)輸送到包裝機(jī)/發(fā)射機(jī)，考慮到上下游機(jī)的速度匹配，卷煙/濾棒儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)還應(yīng)具有一定中間緩沖能力，以保證整條生產(chǎn)線連續(xù)可靠的運(yùn)行。

　　隨著FCS（FIELD CONTROL SYSTEM）不斷發(fā)展，采用PROFIBUS-DP總線接口的成型產(chǎn)品愈來愈多，其應(yīng)用也越來越廣。由于PROFIBUS-DP總線前面所述的種種優(yōu)點(diǎn)，我們在對濾棒成型機(jī)、卷煙/濾棒儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)等產(chǎn)品的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用帶PROFIBUS-DP接口的PLC、工控機(jī)、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、I/O模塊等器件構(gòu)成PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)，其一般配置如圖五所示。

七、結(jié)論

　　從以上的討論可知，PROFIBUS-DP網(wǎng)只有三層結(jié)構(gòu)，是一種低級的工業(yè)局域網(wǎng)，而使用了主-從方式的介質(zhì)存取控制方式，使該網(wǎng)的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它局域網(wǎng)，因而特別適合用于工業(yè)現(xiàn)場。該總線在上述實(shí)例中應(yīng)用效果良好，從站與主站之間進(jìn)行有效的、可靠的信號傳輸，但在實(shí)際應(yīng)用中，也存在一定的缺陷，如若向網(wǎng)中增加或刪除站點(diǎn)時(shí)，不能真正實(shí)現(xiàn)“即插即用”，而要重新初始化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并對各站重新排序，這一過程實(shí)現(xiàn)起來比較麻煩。但與以前煙草設(shè)備上應(yīng)用的分散性控制技術(shù)（DCS）相比，PROFIBUS-DP網(wǎng)有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。首先，在DCS系統(tǒng)中，儀表是非智能化的設(shè)備，它只是簡單地測量外部信號并轉(zhuǎn)化成模擬信號進(jìn)行傳輸，而FCS系統(tǒng)則將采集到的檢測和控制信息就地處理并就地使用，因而具有智能化的特點(diǎn);其次，將獲得的故障信息分散在現(xiàn)場裝置中進(jìn)行控制、報(bào)警和趨勢分析，從而實(shí)現(xiàn)了“危險(xiǎn)分散”，增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性;再者，采用開方式的結(jié)構(gòu)和同一的國際標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)可采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及不同廠家的軟硬件和通訊規(guī)程，即兼顧了產(chǎn)品的兼容性,最后，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)傳輸速度高，抗干擾能力強(qiáng)，是一種性能優(yōu)良的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，1999.9.

　　[2] Device Description Data Files GSD SIEMENS 1999.

　　[3] SPSC3 User Description SIEMENS 1996.

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