摘 要：目前,，PROFIBUS已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標準。而PROFIBUS—DP總線適合于對通信量要求較低,、設(shè)備量較大的現(xiàn)場控制層使用,，其適應面大、經(jīng)濟性好,，可用于發(fā)電廠作開放的分布式底層控制,。為此介紹了該現(xiàn)場總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)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(tǒng)地介紹了其在柳州發(fā)電廠的應用情況,。
關(guān)鍵詞：PROFIBUS—DP；協(xié)議結(jié)構(gòu),；通信,；發(fā)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(tǒng)配置,，方便的實現(xiàn)方法等優(yōu)勢成為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，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(lǐng)域,。PROFIBUS已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標準，即EN50170歐洲標準,。PROFIBUS—DP主要用于現(xiàn)場級分散I／O設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸,，它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng),，主從站之間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作,，其最高通信速率可達12Mbps,。由于現(xiàn)場控制層對通信量的要求較低,，而一般工廠底層的設(shè)備量又很大，往往有幾百臺設(shè)備,，在這種環(huán)境下采用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線可以節(jié)省大量投資,，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，實現(xiàn)開放的全分布式底層控制網(wǎng)絡(luò),。
　　分散控制系統(tǒng)（DCS）經(jīng)歷了2O多年的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了很大的變化,。大部分DCS在現(xiàn)場級采用開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準，如現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)。和利時公司的MACSTM系統(tǒng)使用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線連接分散I／O設(shè)備,。2000年,，使用MACS系統(tǒng)對柳州發(fā)電廠2號機組的熱工控制系統(tǒng)進行改造，取得了較好的控制效果和經(jīng)濟效益,。
1 PROFIBUS—DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)
　　PROFIBUS—DP的通信協(xié)議分為3層：物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口。精通PROFIBUS—DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)和通信原理是實現(xiàn)PROFIBUS—DP協(xié)議的關(guān)鍵,。
1．1 物理層
　　該層規(guī)定了PROFIBUS—DP的總線介質(zhì),、網(wǎng)絡(luò)拓撲、傳輸距離,、傳輸速率,、站點數(shù)以及總線接口。該層同時支持無總線控制功能的簡單現(xiàn)場I／O設(shè)備和有總線控制功能的復雜設(shè)備,。物理層通過采用差分電壓輸出的RS485實現(xiàn)電流連接,，其基本傳輸特性如表1所示。

1．2 數(shù)據(jù)鏈路層
　　數(shù)據(jù)鏈路層主要實現(xiàn)兩個功能：介質(zhì)存取控制（MAC）和現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL）服務(wù),。MAC描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取方式,，它采用一種混合訪問方法。PROFIBus—DP規(guī)定,，在同一時刻,，只能有一個設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)，所以在多主站系統(tǒng)中,，各主設(shè)備之間用令牌總線方式,；在主設(shè)備和從設(shè)備之間用循環(huán)查詢的主一從方式。
　　PROFIBUS中提供了4種數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)：SDA（發(fā)送數(shù)據(jù)要應答）,、SRD（發(fā)送和請求回答的數(shù)據(jù)）,、SDN（發(fā)送數(shù)據(jù)不需應答）、CSRD（循環(huán)性發(fā)送和請求回答的數(shù)據(jù)）,。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(shù)據(jù)，同時向遠程站點請求數(shù)據(jù),。該服務(wù)也允許本地用戶只向遠程站點請求數(shù)據(jù),，但并不發(fā)送數(shù)據(jù)（即數(shù)據(jù)發(fā)送單元為空）。若在傳輸中出現(xiàn)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(shù)據(jù),。本地用戶在數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時會收到確認,，但在數(shù)據(jù)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(guī)定的應用層，而是使用自己定義的用戶接口,。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)用的應用功能并詳細說明了各種不同PROFIBUS—DP設(shè)備的設(shè)備行為,，還定義了DP的各種行規(guī)及擴展功能。行規(guī)對用戶數(shù)據(jù)的含義做了具體說明,，并且具體規(guī)定了PROF1B1JS—DP如何用于應用領(lǐng)域,，利用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同零部件互換使用。PROFIBUS—DP行規(guī)主要有以下幾種：NC／RC行規(guī),、編碼器行規(guī),、變速傳動行規(guī)、操作員控制和過程監(jiān)視行規(guī),。
　　DP的擴展功能允許非循環(huán)的讀寫功能并中斷并行于循環(huán)數(shù)據(jù)的傳輸應答,，另外，對從站參數(shù)和測量值的非循環(huán)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(shè)備的要求,，例如過程自動化的現(xiàn)場設(shè)備,、智能化操作設(shè)備和變頻器等，這些設(shè)備的參數(shù)往往在運行期間才能確定,，而且與循環(huán)性測量值相比很少有變化,。因此，與高速周期性用戶數(shù)據(jù)傳送相比,，這些參數(shù)的傳送具有低優(yōu)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(xiàn)DP擴展功能,。
2 PROFIBUS—DP的通信原理
2．1 報文格式
　　PROFIBUS—DP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生沖突而導致數(shù)據(jù)丟失,，在每個請求報文發(fā)送前必須保證至少．33位（同步時間）的空載狀態(tài)。在單個字符間所有數(shù)據(jù)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(jié),，用于區(qū)分報文的內(nèi)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(shù)據(jù)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(jié),，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(jié)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(shù)據(jù)單元,。
　　FCS：校驗字節(jié),，為DA，SA,，F(xiàn)C,，DSAP，SS—AP和DU的算數(shù)和,，不考慮進位,。
　　ED=16H，為終止字節(jié),。
　　另外，在SD2類報文中,，LE為數(shù)據(jù)長度,，包括DA,，SA，F(xiàn)C,，DSAP,，SSAP和DU 的長度總和,；LEr為長度重復；DSAP為目的服務(wù)存取點,；SSAP為源服務(wù)存取點,。PROFIBUS—DP中定義了9種SAP（服務(wù)訪問點）服務(wù)，分別為54（用于主一主通信）,、55（用于二類主站對從站設(shè)定站地址）,、56（讀輸入）、57（讀輸出）,、58（全局控制）,、59（讀組態(tài)）、60（讀診斷信息）,、61（傳送參數(shù)）、62（校核組態(tài)）,。
2．2 通信過程
　　PROFIBUs—DP的數(shù)據(jù)通信分為4個階段：啟動,、初始化主站,、配置及診斷從站,、數(shù)據(jù)交換,。啟動階段主要完成對DP設(shè)備的參數(shù)設(shè)定，這一步是DP網(wǎng)絡(luò)能否安全,、高速,、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。需要設(shè)定的參數(shù)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(shè)置參數(shù)的依據(jù)來自于設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）,，該文件以一種準確定義的格式給出每種DP設(shè)備特性的全面描述，由生產(chǎn)商以設(shè)備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶,。DP設(shè)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(shè)備的運行，重新進行組態(tài),。
　　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(wǎng)絡(luò)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(fā)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(nèi)容進行處理,，而是繼續(xù)進行對從站的參數(shù)化和設(shè)置,。若從站不響應主站,，主站將連續(xù)查詢從站，超過最大查詢次數(shù)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(shù)化和組態(tài)。為了進行數(shù)據(jù)交換,，主站要有合法的從站參數(shù)數(shù)據(jù)庫,，此數(shù)據(jù)庫由參數(shù)和組態(tài)數(shù)據(jù)組成,。每組數(shù)據(jù)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(shù)和地址列表,。主站發(fā)送參數(shù)報文和組態(tài)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(nèi)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(shù)據(jù)交換狀態(tài)。以上階段所傳輸?shù)脑\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(shù)據(jù)交換狀態(tài),。在PROFIBUs中,，稱消息請求的發(fā)起站為請求站，目標站為響應站或接收站,。DP系統(tǒng)主要為單主系統(tǒng),。發(fā)起站總為主站,，同級站點之間沒有通信。在單主系統(tǒng)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(fā)出通信服務(wù)請求,，其相應的從站接收到后,，若需要返還數(shù)據(jù)，則將提前處理好的數(shù)據(jù)發(fā)給主站,，若無數(shù)據(jù)請求,，則發(fā)給主站一個短確認報文，用以確認,。主站不能連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),，每個數(shù)據(jù)包之間至少要插入33位空閑位,，以避免數(shù)據(jù)沖突和丟失。而從站在接收到主站的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yōu)先級,，主站收到該信息后,，會優(yōu)先處理并給以回應。
3 ROFIBUS—DP在柳州發(fā)電廠的應用
　　廣西柳州發(fā)電廠2號機組于1995年10月投入運行,。機組的熱工控制系統(tǒng)鍋爐部分采用的是分立式的YS一80單回路調(diào)節(jié)器和JKDT數(shù)字組裝儀表,，汽機部分采用的是氣動基地式調(diào)節(jié)儀，監(jiān)視部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）采用了EDPF一1000微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，以及大量的模擬儀表和巡測儀等,；機組的保護聯(lián)鎖采用繼電器及硬接線實現(xiàn)。這樣的配置在當時屬于中等水平,，在生產(chǎn)運行中發(fā)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(xié)調(diào)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(wǎng)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(tǒng)進行改造。
　　經(jīng)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(tǒng),。該系統(tǒng)是基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線的新型控制系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：


　　其中,，最基層的控制網(wǎng)絡(luò)由PROFIBUS—DP構(gòu)成,，在現(xiàn)場控制站中。主要用于與現(xiàn)場控制站主控單元和I／O模件通信,，完成實時輸入,、輸出數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。每個現(xiàn)場控制站主要由主控單元和I／O模件構(gòu)成,，此外還包括系統(tǒng)電源,、現(xiàn)場電源,、通信單元和控制網(wǎng)絡(luò)等。主控單元和I／O模件之間的連接采用的是PROFIBUS—DP協(xié)議現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu),，傳輸速率為1．5～12 Mbps,。傳輸介質(zhì)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(zhí)行控制任務(wù)，CPU為奔騰233,，采用8 M 電子盤工作,，操作系統(tǒng)為實時多任務(wù)操作系統(tǒng)QNX，DP主卡可以達到通道級診斷,，硬件設(shè)計上有看門狗回路,，在發(fā)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(tǒng)硬件,，適用于現(xiàn)場工作環(huán)境，可以帶電插拔,，用撥碼開關(guān)指定地址,，可以確保工作的準確性。PROFIBUS—DP協(xié)議不僅是國際上通用的一種協(xié)議,，開放性好,，可兼容CAN、FF等多種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),，輕易地與其他現(xiàn)場總線儀表或設(shè)備相連接,，系統(tǒng)擴展十分方便，而且可以安裝到現(xiàn)場,，節(jié)省大量電纜,，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省安裝工期,，調(diào)試也更加簡單,。柳州發(fā)電廠由于是老機組改造，電纜基本上已經(jīng)到了集控室,，本次改造采取的是機柜安裝方式?，F(xiàn)場控制站根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)庫和算法完成信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,、控制和聯(lián)鎖運算,、現(xiàn)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(tǒng)的運行情況基本達到了設(shè)計的功能，自動投入率達到了100,。PROFIBUS—DP的運用使現(xiàn)場控制站能夠快速,、穩(wěn)定、可靠地采集,、傳輸和處理數(shù)據(jù),。MACS控制系統(tǒng)高效地完成了控制任務(wù)，達到了預期的效果,。
4 結(jié)束語
　　PROFIBUS—DP是開放的,、功能完善的國際現(xiàn)場總線標準之一。其協(xié)議芯片實現(xiàn)簡單,、價格低廉,、易于推廣，并得到世界上大多數(shù)有影響力的自控設(shè)備供應商的支持?，F(xiàn)場總線是智能化儀表和計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新一代底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線出現(xiàn)以后，DCS的I／O控制站將向分布式結(jié)構(gòu)發(fā)展,，其控制功能將進一步分散到現(xiàn)場設(shè)備上,。因此，使用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線更新升級目前的DCS系統(tǒng)可以實現(xiàn)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
[1]陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用．北京：清華大學出版社，1999
[2]郝莉,，王東興．PROFIBUS—DP從站開發(fā)研究．北京機械工業(yè)學院學報,，2000,，（3）,；15～1
[3]郝曉弘，潘曉寧,，郭慧麗． 現(xiàn)場總線PROFIBUS— DP網(wǎng)通訊原理探討．甘肅工業(yè)大學學報,，2000，（9）：26～ 3
[4] EN 50170—2,，Normative Parts of PROFIBUS—FMS．一DP,，-pA．Edition 1．0，1998
[5]王常力．現(xiàn)場總線與DCS的討論與實踐．自動化博覽,，1999