《網絡控制技術》第4章 Profibus現(xiàn)場總線

1、第四章 Profibus現(xiàn)場總線本章主要內容nProfibus概述 n物理層 n數(shù)據鏈路層(FDL) n應用層 nDP規(guī)范 nPA行規(guī) 4.1概述 nPROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（Process Fieldbus）的縮寫，于1989成為正式的現(xiàn)場總線國際標準。目前，它在離散制造業(yè)和過程自動化領域占據主導地位，全世界的PROFIBUS設備節(jié)點數(shù)已經達到2000萬，成為全球最有影響力的現(xiàn)場總線技術之一。 n由PA、DP和FMS三部分組成。PA主要應用于過程自動化，適合于本質安全的場合；DP的特點在于它的高速、廉價，專為現(xiàn)場級分散IO節(jié)點設計；FMS主要為車間級通信任務提供大量的通信服務。 4.1

2、概述CNC區(qū)區(qū) 域域 控控 制制 器器Ethernet/TCP/IPTCP/IP/EthernetPROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-PA工廠級總線循環(huán)時間 1000 ms車間級總線循環(huán)時間 100 ms現(xiàn)場級總線循環(huán)時間 10 msPC/VMEVME/PCPLCDCSPROFIBUS系統(tǒng)結構4.1概述nPROFIBUS通信參考模型PA- 行規(guī)FMS設備行規(guī)IEC 接口FMSIEC 1158-2用戶層Layer(3)-(6)應用層(7)數(shù)據鏈路層(2)物理層(1)未用PAEN 50 170PROFIBUS 導則 + 行規(guī)DPDP- 擴充功能擴充功能現(xiàn)場總線數(shù)據鏈路現(xiàn)

3、場總線信息規(guī)范DP- 行規(guī)RS-485 / 光纖 DP 基本功能4.1.1物理層 n物理層規(guī)定了線纜長度、網絡拓撲結構、總線接口、站點數(shù)和在9.6 kbit/s到1.5 Mbit/s之間可變的數(shù)據傳輸速率，以適應不同的領域。n根據應用場合物理層成可以分成兩部分：物理層類型1和物理層類型2。 n物理層類型1是根據EIA標準RS-485制定的，不能應用于本質安全場合 4.1.2數(shù)據鏈路層 n數(shù)據鏈路層定義總線訪問方式和數(shù)據傳輸服務。 nPROFIBUS總線訪問通信為主從式，具有對總線控制權限的站點稱為主站，而通信過程對總線不具備對總線控制權限的站點為從站。主站決定了總線的數(shù)據通信，當主站獲得總線控

4、制權時，可以主動發(fā)送信息，而不必有外界的請求。從站無總線控制權，僅能對接收的信息進行確認或在主站發(fā)出請求后向主站發(fā)送響應。 n主站間的通信采用邏輯令牌控制方式，所有的主站構成一個邏輯令牌環(huán)，令牌傳遞在環(huán)中傳遞保證每個主站在確定的時間得到總線存取權，以確保在任何時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據。令牌實際上是一種數(shù)據鏈路層一種特殊的幀，按地址的升序依次在各主站間傳遞。令牌循環(huán)一周的時間是事先規(guī)定的，各主站持有令牌的時間取決于令牌配置的循環(huán)時間。擁有令牌的主站可與從站通信，向從站發(fā)送或索取信息。 4.1.2數(shù)據鏈路層nPROFIBUS的總線訪問方式 4.1.2數(shù)據鏈路層n數(shù)據鏈路層共定義了4種數(shù)據傳輸服務：

5、n發(fā)送數(shù)據需應答（SDA） 此服務允許用戶給單個遠程站發(fā)送數(shù)據，并等待遠程站點的確認信息，是點對點的通信方式。如果通信過程中出錯，或等待超時，將重傳數(shù)據。n發(fā)送數(shù)據無需應答（SDN） 此服務允許用戶同時給單個遠程站、多個遠程站（組播）或同時給全部遠程站（廣播）發(fā)送數(shù)據，不需要任何確認。n發(fā)送和請求數(shù)據需回答（SRD） 此服務允許用戶給單個遠程站發(fā)送數(shù)據，同時請求此遠程站回送相關數(shù)據。n循環(huán)地發(fā)送和請求數(shù)據需回答（CSRD） 此服務允許用戶循環(huán)地給遠程站發(fā)送數(shù)據，同時請求此遠程站回答數(shù)據。 4.1.3應用層 n應用層由現(xiàn)場總線報文規(guī)范（FMS）和低層接口（LLI）兩個實體組成，利用通信關系將分散

6、的應用過程統(tǒng)一到一個共用的過程中。 n現(xiàn)場總線報文規(guī)范描述了設備的應用過程、通信對象、服務以及關系模型，主要負責管理單元級(PLC和上位機)的數(shù)據通信。其服務適用的應用場合廣泛，并在解決復雜的通信任務時擁有極大的靈活性。 n對于一個設備的應用過程與另一個設備的應用過程間的通信，傳輸?shù)倪^程對象必須在通信系統(tǒng)中是可視的，也就是說，過程對象作為通信對象需羅列在設備的對象字典（OD）中。這樣，一個應用過程的通信對象在被通信服務尋址和處理之前，必須是有效且可視的。n通常在運行期間站點在網絡中必須有唯一的標識，通過總線能讀出諸如制造商名稱、型號、行規(guī)等有關標識信息。對象字典、設備特性、相同的服務和一致的接

7、口就構成不同制造商的設備間開放通信的基礎，通常也把設備的這部分信息稱虛擬現(xiàn)場設備（VFD）。因為在PROIFIBUS總線上，它其實就是物理設備在網絡中的邏輯表示。 4.1.3應用層n低層接口用于建立各種不同的通信關系并向現(xiàn)場總線報文規(guī)范提供對于第2層、設備無關的訪問，主要任務是：n把現(xiàn)場總線報文規(guī)范和現(xiàn)場總線管理等應用層服務映像到數(shù)據鏈路層服務上n通信連接的建立和解除n監(jiān)視通信連接關系n數(shù)據流控制 4.1.4用戶層 n用戶層是針對工業(yè)的特點而定制的一層網絡規(guī)范，保證不同廠商生產的設備具有相同的通信功能，提供了設備的可互換性。它定義了不同應用領域的設備功能，即FMS行規(guī)、DP行規(guī)和PA行規(guī)。 4

8、.2物理層物理層n物理層類型1介質RS-485使用NRZ位編碼，目的是降低總線耦合器成本，耦合器可以實現(xiàn)站與總線之間的電氣隔離或非電氣隔離 nRS-485的技術特征如下：n介質：屏蔽雙絞線。n總線長度1200米。n站數(shù)：32個站點。n數(shù)據傳輸速率：9.6/19.2/93.75/187.5/500/1500 kbits/s，可支持更高的數(shù)據傳輸速率。 4.2物理層物理層n物理層類型2介質覆蓋范圍大、拓撲結構靈活，可以通過信號導體傳輸電流，具有易爆氣體保護和高的電磁兼容性。物理層類型2能夠滿足一些環(huán)境惡劣的化工領域的應用，它的技術特征如下：n介質：能提供本質安全和總線供電功能(發(fā)送數(shù)據時，不向總線

9、供電)n網絡拓撲：可以是線形、星形、樹形或前幾種的組合n數(shù)據傳輸：曼切斯特編碼，通信速率為31.25kbps。n站數(shù)：每個網段最多32個，總數(shù)最多126（采用中繼器的話） 4.2物理層物理層n每個站點通過9針連接器與介質連接。連接器的插座裝在站內，而插頭安裝在總線電纜上。最好用金屬的連接器外殼。 4.2.3物理層(PHY)的服務 n站1請求原語將數(shù)據鏈路層的信息發(fā)送到現(xiàn)場總線介質，信息可以是二進制的0或1，也可能是無效狀態(tài)。站N會在總線上收到相應的信號，并在物理層進行譯碼并譯碼后的內容交給數(shù)據鏈路層處理。站N數(shù)據鏈路層此時處理信息就是指示原語，它根據PROFIBUS的協(xié)議約定進行的處理。 4.

10、3數(shù)據鏈路層(FDL) n4.3.1總線存取技術 n4.3.2數(shù)據鏈路服務n4.3.3現(xiàn)場總線管理層（FMA 1/2）n4.3.4數(shù)據鏈路層的幀編碼4.3.1總線存取技術總線存取技術nPROFIBUS的介質訪問機制是基于令牌傳遞和主從通信技術的。主站具有對總線的訪問權限，如果一個通信系統(tǒng)中有多個主站的話，只能有一個激活的主站。確保多主站的系統(tǒng)中，只有一個主站處于激活狀態(tài)的機制就是令牌傳遞過程。從站不會主動向外傳送信息，除非收到主站的請求。PROFIBUS把主站發(fā)送請求信息和從站做出響應的交互過程稱為報文循環(huán)。 4.3.1總線存取技術總線存取技術nPROFIBUS系統(tǒng)把主站按照地址的高低排成一個

11、升序序列，為了形成一個封閉邏輯令牌環(huán)，最高地址的主站后接著是最低地址的主站 。邏輯環(huán)中令牌從一個主站傳遞給另一個主站。主站想獲取數(shù)據發(fā)送權時，就必須先得到傳送的令牌，此時令牌停止在邏輯環(huán)中傳送，而由本地主站進行管理。每個本地主站TS從先行站PS接收到令牌，處理完數(shù)據后，傳遞令牌給后繼站NS。在整個令牌環(huán)運行前進行初始化時，每個主站需要確定它的先行站和后繼站地址。 n未獲得令牌的站點只有收到激活主站的請求時，才可以發(fā)送信息以做出響應，而且響應應該在一個預期的時間內完成，即時隙時間Tslot。 4.3.1總線存取技術總線存取技術n在邏輯令牌環(huán)中的每一個主站負責增加新站和撤除現(xiàn)有的站，它們的地址被安

12、置在從本站地址到下一站之間的范圍內。這個地址范圍稱作GAP，最高站地址和127之間的地址范圍除外。在GAP更新時間（TGUD）給定的時間區(qū)段內，邏輯令牌環(huán)中的每一個主站周期性地檢查它的地址范圍。 4.3.1總線存取技術總線存取技術n主站本次接收到令牌到下一次接收到令牌的時間差，我們稱為實際令牌輪轉時間（TRR）。為保證工程應用系統(tǒng)響應的實時性，通常會預先設計令牌在環(huán)中輪轉時間，即目標令牌輪轉時間（TTR）。通常情況下，要求實際令牌輪轉時間應小于目標令牌輪轉時間，以確保在規(guī)定的時間內完成控制任務。 4.3.1總線存取技術總線存取技術4.3.2數(shù)據鏈路服務 n發(fā)送數(shù)據需應答 4.3.2數(shù)據鏈路服務

13、n發(fā)送數(shù)據無需應答 4.3.2數(shù)據鏈路服務n發(fā)送并請求數(shù)據需回答 4.3.2數(shù)據鏈路服務-CSRD4.3.2數(shù)據鏈路服務4.3.3現(xiàn)場總線管理層（FMA 1/2） n它根據功能來分，可以分成兩種：一種是用來管理本地，另外就是與遠程站點的管理。它向用戶提供了以下服務：n復位 用戶可用此服務復位第一層（即物理層）、第二層（即數(shù)據鏈路層）和管理層自己。復位等效于設備上電。n設定值 用戶使用此服務給第一層和第二層的變量設置新值，設置新值后用戶會接收一個確認，報告指定的變量是否已設定為新值。n讀指定值 此服務能讀取第一層和第二層的變量的實際值。n事件 使用此服務通知管理用戶在第一層和第二層出現(xiàn)的某些事件

14、或錯誤。4.3.3現(xiàn)場總線管理層（FMA 1/2）n標識 在請求標識服務時，對主站和從站是有區(qū)別的。從站的管理用戶使用此服務決定本地數(shù)據鏈路層和管理層的硬件、軟件版本數(shù)據。在主站情況下使用此服務時，用戶可附加請求從遠程站來的相同類型的信息。n服務訪問點狀態(tài) 用戶使用此服務通知它本身關于本地數(shù)據鏈路層的服務存取點的配置，或在遠程站的情況下報告關于它們的數(shù)據鏈路服務。在從站的情況下，此服務僅對本地服務訪問點適用。n活動表 此服務給主站的管理層用戶提供一些在總線上活動的所有站的更新表。n激活服務訪問點和停止激活的服務訪問點 此功能為各個數(shù)據鏈路層服務去激活并配置鏈服務存取點。 4.3.4數(shù)據鏈路層的

15、幀編碼 n每個UART字符由一個起始位、8個數(shù)據位、校驗位和停止位組成 n其中起始位（ST），它表現(xiàn)為二進制0；8個信息位，它們可以是二進制0或1；奇偶校驗位，它是二進制0或1；停止位，總表示為二進制1。 4.3.4數(shù)據鏈路層的幀編碼nPROFIBUS根據幀的作用可以分為：不帶數(shù)據字段的固定長度的幀、有數(shù)據字段的固定長度的幀、帶可變數(shù)據長度的幀以及令牌幀。下面分別討論這些幀的組成形式。 n不帶數(shù)據字段的固定長度的幀 n有數(shù)據字段的固定長度的幀 n帶可變數(shù)據長度的幀 n令牌幀 不帶數(shù)據字段的固定長度的幀n圖中頂部是請求報文的幀、中間是應答幀、底部是短應答幀。其中SYN是幀的同步時間，通常正常通信

16、前需要等待最少33比特的時間；n SD1是起始界定符，這里值為0 x10；DA、SA是目的地址、源地址；nFC是幀的控制字段表明幀的類型；FCS是幀校驗；ED是停止界定符，數(shù)值為0 xE5。 有數(shù)據字段的固定長度的幀 n圖中的上面部分是請求幀，下面部分是應答幀。nSD3數(shù)值為0 xA2，數(shù)據區(qū)（DATA_UNIT）字段長度固定為8個字符，其它字段和不帶數(shù)據字段的固定長度的幀意義相同。 n 帶可變數(shù)據長度的幀 n圖中的上面部分是請求幀，下面部分是應答幀。nSD3數(shù)值為0 xA2，數(shù)據區(qū)（DATA_UNIT）字段長度固定為8個字符，其它字段和不帶數(shù)據字段的固定長度的幀意義相同。 n 令牌幀 n圖描

17、述了令牌幀的結構，起始界定符（SD4）數(shù)值為0 xDC。 地址編碼 n地址最高位（EXT）是留給擴展使用，因此數(shù)據鏈路層地址最大取值是126，127留給了廣播地址。 nEXT置1的話，擴展地址應該添加在FC之后，長度為1個字節(jié)，擴展地址或是服務訪問點（SAP），或是段地址。 地址編碼n地址擴展舉例地址編碼n最高位是擴展（EXT）標記位，值為1時說明它后有一個相同結構的地址擴展字節(jié)； nTYPE位則用來區(qū)分是鏈路服務訪問點（LSAP），還是段地址。n如果是0，則后面6位表明一個鏈路服務訪問點，是1則表示為一個段地址 地址編碼n通常數(shù)據鏈路層服務通過一個鏈路服務訪問點來處理，同一時間允許在主站和從

18、站中有若干個服務訪問點。n源服務存取點（SSAP）表示本地用戶到此數(shù)據鏈路層的存取地址，它在SAE字節(jié)中被傳輸。n目的服務存取點（DSAP）表示遠程用戶到此數(shù)據鏈路層的一個或多個存取地址，它在DAE字節(jié)中被傳輸。n源服務存取點值范圍為062，而目的服務存取點值范圍為063，值為63時表示全局存取地址。n有的時候，為了提高幀的有效性，數(shù)據服務可能會省略掉SAE。而接收到此數(shù)據的站點，會回送一個不帶DAE的應答幀。這種服務訪問點稱為缺省服務訪問點。 幀控制（FC）編碼 n幀控制字節(jié)標識了幀的類型，如主動幀（請求幀，發(fā)送請求幀），應答幀或回答幀。nType標識幀類型，如果置1，表明這是一個請求幀，否

19、則是應答幀；n如果是一個請求幀的話，b6、b5位分別代表幀計數(shù)位（FCB）和幀計數(shù)有效標記位（FCV）。n如果是應答幀，b6、b5位代表站類型（Stn-type） 信息循環(huán)時間的計算信息循環(huán)時間的計算DU = 數(shù)據單元FCS = 幀幀檢查順序ED = 結束分界符DA=目的地址SA=源地址FC=功能碼幀幀SRD- 請求，各種長度的用戶數(shù)據SRD- 響應，各種長度的用戶數(shù)據 DP- LLDP-從從SYN SD2 LESD2 DASA FCDU FCS EDLErSD2 LELErDASAFC DU FCS EDSD2請求幀請求幀尾尾輸出數(shù)據輸出數(shù)據頭頭響應幀響應幀DP-從從立即響應DP- 主主頭頭

20、輸入數(shù)據輸入數(shù)據尾尾信息循環(huán)時間的計算信息循環(huán)時間的計算n一個八位二進制數(shù)（一字節(jié)）按一個八位二進制數(shù)（一字節(jié)）按 11位傳輸位傳輸n 報文頭和尾由報文頭和尾由11 個字節(jié)或個字節(jié)或 9 個字節(jié)組成個字節(jié)組成n 波特率為波特率為1.5 M 時，時，1個位時間個位時間0.6667U s (1 個八位二進制數(shù)個八位二進制數(shù) 11位時間位時間7.33 us) n 波特率為波特率為12 M時，時，1個位時間個位時間 83 ns (1個八位二進制數(shù)個八位二進制數(shù)11個位時間個位時間 0.913us)信息循環(huán)時間的計算信息循環(huán)時間的計算Tsyn = 33 TBitmin TSDR = 11 TBitmax

21、 TSDR = 60 . 800 TBitTSDR響應幀 = 頭 + 輸出數(shù)據請求幀 = 頭 + 輸出數(shù)據信息循環(huán)時間的計算信息循環(huán)時間的計算TMC = ( TSYN + TID1 + TSDR + Header + I x 11TBit + 0 x 11TBit ) x SlavesTMC=信息循環(huán)時間按位時間計TID1=在主站的空閑時間 = 典型的75 個位時間TSDR=在從站的站延遲時間 = 典型的11個位時間Header=在請求和響應幀中的電文頭 = 198 個位時間I=每個從站的輸入數(shù)據字節(jié)數(shù)O=每個從站的輸出數(shù)據字節(jié)數(shù)Slaves=從站個數(shù)PROFIBUS-DP 系統(tǒng)的組成，包括1

22、 個主站和 20 個從站，每個從站有 2 個字節(jié)的輸入和 2 個字節(jié)的輸出。TMC = ( 33 + 75 + 11 + 198 + 22 + 22 ) x 20 = 7220 TBit7220 TBit (1.5 MBaud) = (TBit = 0.66 s) = 4.8 ms7220 TBit (12 MBaud) = (TBit = 0.83 ns) = 0.6 ms例例:4.4 應用層n應用層的模型結構n應用層的FMSn低層接口LLI4.4 應用層 4.4 應用層n現(xiàn)場總線報文規(guī)范利用通信關系將分散的應用過程組織到一個共用的控制過程中。應用過程可以分布在幾個不同的設備上，在一個設備中

23、可以存在一個或多個應用過程。 n應用過程利用通信端點訪問完成通信，通常設備把這些通信端點信息存儲在通信關系表中。 n應用過程查詢通信關系列表，找到其相應的通信端點，使用現(xiàn)場總線報文規(guī)范服務完成數(shù)據的通信。 n在公用的控制過程中，現(xiàn)場設備用來與其它現(xiàn)場設備進行通信交互的那部分又稱虛擬現(xiàn)場設備（VFD）。虛擬現(xiàn)場設備是實際現(xiàn)場設備在網絡中的可視對象集。n低層接口是的主要任務是： 把FMS和FMA7服務到數(shù)據鏈路層服務映射、應用通信關系的連接的建立和釋放、連接的管理以及數(shù)據流控制。 4.4 應用層nFMA7提供PROFIBUS系統(tǒng)管理，描述對象及管理服務,通過管理服務在本地或遠程控制對象。管理服務分

24、為三組： n上下關系管理（context management） ：上下關系管理為建立和釋放管理連接提供服務。 n組態(tài)管理（configuration management） ：組態(tài)管理提供的服務用于標識站的通信部件，裝載和讀出通信關系表（CRL），存取1/2層的變量、計數(shù)器和參數(shù)。 n故障管理（fault management） FMSnPROFIBUS為規(guī)范化應用進程所涉及的數(shù)據，定義了通信對象以及與對象相關的服務（即FMS服務）。 n現(xiàn)場設備中對象如果能被其它的設備所訪問，那么我們可認為這個對象是可視的，設備中可視對象的集合就構成了虛擬現(xiàn)場設備（VFD）。 n根據通信過程對象是否可視，可

25、以把對象分為兩類：顯式對象和隱式對象。顯示對象可以被網絡訪問，隱式對象通常由自身設備管理，不能被遠程應用進程讀寫。 FMS中的對象n虛擬現(xiàn)場設備（VFD） n對象字典（OD） n上下文管理 n事件對象 n變量對象 n事務對象 n域對象 n程序調用對象 FMS的編碼n報文頭部由首標識、調用標識（InvokeID）和第2個標識組成。標識用于插入報文中以識別報文的不同類型，它也由3部分：P/C標記位、標簽（Tag）和報文長度組成。n其中P/C標識后面的報文數(shù)據是復雜結構還是簡單變量，標簽標識報文的具體類型，報文長度說明報文中元素的個數(shù)或字節(jié)數(shù)。由于標簽只有3比特，報文類型比較多時，標簽需要擴展一個字

26、節(jié)來表示。擴展時標簽的3位全部置1。長度同標簽類似，也可進行擴展。 ID標識結構組成 FMS的編碼標識擴展舉例FMS的編碼n對于報文頭部的首標識來說，它共可識別6種類型的報文：需證實請求報文 (confirmed-RequestPDU)、需證實響應報文(confirmed-ResponsePDU)、需證實差錯報文 (confirmed-ErrorPDU)、無需證實報文 (unconfirmed-PDU) 、拒絕報文 (reject-PDU)和啟動報文 (initiate-PDU)。這6種報文都由1個調用標識和報文體組成。調用標識標識對任何報文來說，其類型和長度都是固定的，所以它無需附加來進行區(qū)

27、分。第2個標識用來進一步說明報文體類型。 FMS的編碼n假設現(xiàn)有主站發(fā)送物理讀請報文，報文調用標識數(shù)值為6，請求讀取物理地址0 x12345678上的4個字節(jié)數(shù)據，從站物理讀響應報文數(shù)據為0 x47110815，即PhysRead.Request (InvokeID 6,Address 0 x12345678,4)和PhysRead.Response (InvokeID 6 , 0 x47110815)。 FMS的編碼C o n fir m e d S e r v ic e R e q u e s t ： ： = C H O IC E s ta tu s id e n tify re a d

28、w rite g e tO D re a d W ith T y p e w rite W ith T y p e d e fin e V a ria b le L is t d e le te V a ria b le L is t in itia te D o w n lo a d S e q u e n c e d o w n lo a d S e g m e n t te r m in a te D o w n lo a d S e q u e n c e in itia te u p lo a d S e q u s e n c e u p lo a d S e g m e n t

29、te r m in a te U p lo a d S e q u e n c e re q u e s tD o m a in D o w n lo a d re q u e s tD o m a in U p lo a d c re a te P ro g ra m In v o c a tio n d e le te P ro g ra m In v o c a tio n s ta rt s to p re s u m e re s e t k ill a lte rE v e n tC o n d itio n M o n ito rin g a c k n o w le d g e

30、 E v e n tN o tific a tio n p h y s R e a d p h y s W rite in itia te P u tO D p u tO D te r m in a te P u tO D 0 IM P L IC IT S ta tu s -R e q u e s t, 1 IM P L IC IT Id e n tify -R e q u e s t, 2 IM P L IC IT R e a d - R e q u e s t, 3 IM P L IC IT W rite -R e q u e s t, 4 IM P L IC IT G e tO D -R

31、 e q u e s t, 5 IM P L IC IT R e a d W ith T y p e -R e q u e s t, 6 IM P L IC IT W rite W ith T y p e -R e q u e s t, 7 IM P L IC IT D e fin e V a ria b le L is t-R e q u e s t, 8 IM P L IC IT D e le te V a ria b le L is t-R e q u e s t, 9 IM P L IC IT In itia te D o w n lo a d S e q u e n c e -R e

32、 q u e s t, 1 0 IM P L IC IT D o w n lo a d S e g m e n t-R e q u e s t, 1 1 IM P L IC IT T e r m in a te D o w n lo a d S e q u e n c e -R e q u e s t, 1 2 IM P L IC IT In itia te U p lo a d S e q u s e n c e -R e q u e s t, 1 3 IM P L IC IT U p lo a d S e g m e n t-R e q u e s t, 1 4 IM P L IC IT

33、T e r m in a te U p lo a d S e q u e n c e -R e q u e s t, 1 5 IM P L IC IT R e q u e s tD o m a in D o w n lo a d -R e q u e s t, 1 6 IM P L IC IT R e q u e s tD o m a in U p lo a d -R e q u e s t, 1 7 IM P L IC IT C re a te P r o g ra m In v o c a tio n -R e q u e s t, 1 8 IM P L IC IT D e le te P

34、 r o g ra m In v o c a tio n -R e q u e s t, 1 9 IM P L IC IT S ta rt-R e q u e s t, 2 0 IM P L IC IT S to p -R e q u e s t, 2 1 IM P L IC IT R e s u m e -R e q u e s t, 2 2 IM P L IC IT R e s e t-R e q u e s t, 2 3 IM P L IC IT K ill-R e q u e s t, 2 4 IM P L IC IT A lte rE v e n tC o n d itio n M

35、o n ito rin g -R e q u e s t, 2 5 IM P L IC IT A c k n o w le d g e E v e n tN o tific a tio n -R e q u e s t, 2 6 IM P L IC IT P h y s R e a d -R e q u e s t, 2 7 IM P L IC IT P h y s W rite -R e q u e s t, 2 8 IM P L IC IT In itia te P u tO D -R e q u e s t, 2 9 IM P L IC IT P u tO D -R e q u e s

36、t, 3 0 IM P L IC IT T e r m in a te P u tO D -R e q u e s t, FMS的編碼n先查看物理讀請求報文的屬于6種報文哪一類，可以從PROFIUBS規(guī)范查知為1，它由調用標識和一個報文體2部分組成。故第一個標識的編碼是10010010，即0 x92。接下來解析第一個元素調用標識，對任何報文來說它始終固定為一個字節(jié)，無需其它信息來識別，直接給出數(shù)值0 x06即可。然后，解析第2個元素，第2個元素有2個參數(shù)，查看PROFIBUS規(guī)范知道物理讀服務格式的序號是26，故標識為二進制11110010 00011010，即0 x1A。 FMS的編碼n通過

37、表，可以知道物理讀請求和響應報文的格式。從而得知，第1個參數(shù)是參數(shù)序號為0，它是一個長整型(4個字節(jié))，屬于簡單類型，故標識為00000100。接著是第2個參數(shù)，字節(jié)數(shù)是1，故標識為00010001。綜合上述，可以得到物理讀請求報文的16進制編碼為：92 06 F2 1A 04 12 34 56 78 11 04。 FMS的編碼n同理物理讀響應報文的16進制編碼為：A2 06 74 1A 47 11 08 15。 FMS編碼練習nRead-Request(InvID 5, Index 32)nRead-Response(InvID 5, Boolean true)數(shù)據傳輸過程總是通數(shù)據傳輸過程

38、總是通過一種特殊的過一種特殊的IDID標識標識符來進行相應的區(qū)分符來進行相應的區(qū)分 FMSpdu := CHOICE confirmed-RequestPDU 1 IMPLICIT confirmed-ResponsePDU 2 IMPLICIT Confirmed-ResponsePDU, confirmed-ErrorPDU 3 IMPLICIT Confirmed-ErrorPDU, unconfirmed-PDU 4 IMPLICIT Unconfirmed-PDU, reject-PDU 5 IMPLICIT Reject-PDU, initiate-PDU 6 IMPLICIT I

39、nitiate-PDU FMS編碼練習 Confirmed-RequestPDU := SEQUENCE invokeID InvokeID, confirmedServiceRequest ConfirmedServiceRequest 10010010（第1個ID）00010000（invkID的ID）它的格式總是相同它的格式總是相同的，且位置固定，的，且位置固定，通常會忽略掉通常會忽略掉 5（invkID）0 x92 0 x05FMS編碼舉例 confirmedServiceRequest := CHOICE status 0 IMPLICIT Status-Request, ident

40、ify 1 IMPLICIT Identify-Request, read 2 IMPLICIT Read-Request,： ：terminatePutOD 30 IMPLICIT TerminatePutOD-Request10100001（0 xA1）FMS編碼舉例Read-Request := SEQUENCE access-specification CHOICE index 0 IMPLICIT Index, variable-name 1 IMPLICIT Name, variable-list-name 2 IMPLICIT Name , subindex 3 IMPLICIT

41、 Subindex OPTIONAL 00000002（0 x02）0 x00 0 x05最終結果：92 05 A1 02 00 20（16進制）FMS編碼舉例FMSpdu := CHOICE . confirmed-ResponsePDU 2 IMPLICIT Confirmed-ResponsePDU,. confirmed-ResponsePDU := SEQUENCE invokeID InvokeID, confirmedServiceResponse confirmedServiceResponse confirmedServiceResponse := CHOICE . read

42、 2 IMPLICIT Read-Request,.Read-Response := Data問其數(shù)據編碼格式問其數(shù)據編碼格式4.5 DPnDP通信模型 nDP站類型 nDP通信關系 nDP設備通信過程 nDP報文循環(huán)機制 nDP功能服務 nDP協(xié)議數(shù)據報文編碼 4.5.1 DP通信模型 nDP物理層采用RS-485或光纖作為介質，提供高速的訪問鏈路。nDP僅支持數(shù)據鏈路的SDN和SRD服務，它主要考慮DP的通信關系，以減少系統(tǒng)開銷提高數(shù)據通信的效率。nFMA1/2提供對數(shù)據鏈路層和物理層的管理功能。 4.5.2 DP站類型 DP通信關系nDP有兩種類型通信關系：一對一和一對多。 n主從通信包

43、括DP1類主站與DP從站和DP2類主站與DP從站的通信關系； n主主通信指的是DP1類主站與DP2類主站間的通信關系。 n一對一的通信關系使用數(shù)據鏈路層的發(fā)送和請求數(shù)據需回答服務（SRD）來完成，而一對多則用發(fā)送數(shù)據無需應答服務（SDN）傳送數(shù)據幀。DP所有的通信關系都是無連接的通信關系。 DP通信關系Data_Exchange和和Slave_Diag服務操作順序（主從通信）服務操作順序（主從通信） DP通信關系主主通信其它功能服務操作順序主主通信其它功能服務操作順序(除除Act_Para_Brct外外) DP設備通信過程 nDP主站與一個DP從站通信前，DP主站會請求讀取DP從站的診斷數(shù)據，

44、以檢查DP從站的運行狀態(tài)。如果相應的從站準備就緒，可以參與測量控制過程，就會通知主站它可以加入系統(tǒng)中。 DP設備通信過程DP主從站數(shù)據交換過程主從站數(shù)據交換過程 DP報文循環(huán)機制 單主站的DP循環(huán) DP報文循環(huán)機制等間隔的等間隔的DP循環(huán)循環(huán) DP功能服務 n讀從站診斷(Slave_Diag) n輸入輸出數(shù)據傳輸 n讀從站的輸入（RD_Inp）/輸出數(shù)據（RD_Outp） n設置參數(shù)（Set_Prm） n檢查組態(tài)（Chk_Cfg） n讀組態(tài)（Get_Cfg） n全局控制命令（Global_Control） n設置從站地址Set_Slave_Add n讀主站診斷數(shù)據（Get_Master_Dia

45、g） n上/下載服務 n參數(shù)激活(Act_Para_Brct) 讀從站診斷(Slave_Diag)nSlave_Diag服務用于DP主從數(shù)據交換前，讀取DP是否存在參數(shù)信息，從站是否準備就緒以及把故障詳細原因告知主站。 n在數(shù)據交換過程，如果有異?，F(xiàn)象，那么DP從站也可以通過提高數(shù)據交換響應報文優(yōu)先級，來告知主站讀取自身診斷，主站就會主動讀取從站診斷信息，確保數(shù)據的有效性。n從站狀態(tài)包含了從站自身運行狀態(tài)和支持的服務狀態(tài)。主要有看門狗定時器的狀態(tài)、是否支持同步Sync和凍結Freeze模式、自身的身份識別碼(ident_number)等信息。 n可以分成3個層次：設備診斷(站的通用運行狀態(tài)，如

46、溫度過高等)、模塊診斷(站的模塊故障問題)和通道診斷(輸入或輸出的某一信號的狀態(tài))。下面是讀從站診斷服務的重要參數(shù)。 輸入輸出數(shù)據傳輸 n輸入輸出數(shù)據傳輸功能映射為直接數(shù)據鏈路的數(shù)據交換（Data_Exchange）服務，完成主站和從站之間測量信息的循環(huán)交換。 nDP從站檢查輸入數(shù)據和輸出數(shù)據與組態(tài)是否保持數(shù)據一致性。如果不一致，則告知主站，從站存在故障，主站就可以通過Slave_Diag服務獲取從站詳細的診斷信息。n輸入輸出數(shù)據的結構是由在組態(tài)時傳送給DP從站的組態(tài)標識符來定義的。 輸入輸出數(shù)據傳輸n每個標識符為每一模塊制定輸入和輸出字節(jié)數(shù)，即輸入和輸出區(qū)域。擁有固定的輸入和輸出區(qū)域的設備，

47、就是緊湊型設備。 組態(tài)時標識符格式組態(tài)時標識符格式 輸入輸出數(shù)據傳輸舉例讀輸入/輸出數(shù)據n如果DP從站正處于循環(huán)數(shù)據交換階段，DP2類主站可以通過讀從站的輸入(RD_Inp)服務和讀從站的輸出（RD_Outp）服務，讀取DP從站的輸入輸出的狀況。 設置參數(shù)（Set_Prm） n主站使用Set_Prm服務把所需總線參數(shù)與從站專用參數(shù)送給從站。從站的參數(shù)化可在DP系統(tǒng)啟動階段完成，也可以在數(shù)據交換階段完成,包含從站需要使用的重要參數(shù)。 n(1) 從站狀態(tài)n站點狀態(tài)包含從站相關的功能和設定，如是否支持同步或凍結模式、看門狗定時的設置、是否支持組態(tài)外其它主站對其訪問等信息。n(2) 身份識別碼（Ide

48、nt_Number）n身份識別碼是DP設備提交給PROFIBUS的專門認證機構檢測后分配的字符標號。當從站收到Set_Prm服務中的身份識別碼與自身一致，則容許對其進行參數(shù)設置，否則會響應錯誤信息。 設置參數(shù)（Set_Prm）n(3) 組識別碼（Group_Ident）nPROFIBUS系統(tǒng)中通常會相關的DP從站分成若干個組，用戶支持同步和凍結全局控制命令。n(4) DP從站專用參數(shù)數(shù)據nDP從站專用參數(shù)(如高或低限)具有由不同DP從站所確定，如果有的話會緩存在主站中，通過Set_Prm服務傳送從站，以便進行專門的參數(shù)配置。 檢查組態(tài)（Chk_Cfg） n主站使用Chk_Cfg服務把組態(tài)信息下

49、發(fā)到從站， DP從站接收到的組態(tài)（Cfg_Data）與它的實際組態(tài)（Real_Cfg_Data）進行比較，核對組態(tài)數(shù)據的格式、長度信息以及輸入/輸出數(shù)據區(qū)域。n Cfg_Data有132字節(jié)數(shù)據(可擴展至244字節(jié))，用于表示DP從站中模塊的輸入/輸出數(shù)據，這種數(shù)據也稱標識符。 檢查組態(tài)（Chk_Cfg）n標識符的輸入/輸出域占2位，01說明這是設備中的輸入模塊；10表明這是輸出模塊；11則指出它是輸入輸出模塊。n一致性覆蓋標志位則告訴系統(tǒng)數(shù)據連續(xù)存儲的方式，如果標志位為0的話，那么數(shù)據將以字節(jié)和字(即，雙字節(jié))連續(xù)存放，如果為1，那么數(shù)據并非連續(xù)存放而是整個一次性存儲在儲存器中。n長度格式域

50、給出了數(shù)據連續(xù)存放的格式，0是字節(jié)方式，1是字方式。 檢查組態(tài)（Chk_Cfg）檢查組態(tài)（Chk_Cfg）檢查組態(tài)（Chk_Cfg）專用標識符舉例專用標識符舉例 讀組態(tài)（Get_Cfg） nDP主站使用服務Get_Cfg讀取DP從站設備的實際組態(tài)數(shù)據，用來診斷DP從站狀態(tài)或其它用途。 全局控制命令（Global_Control） nDP主站使用服務Global_Control，發(fā)送控制命令到從站。DP1類主站通過這些控制命令把自己的操作模式通知從站?？刂泼羁梢栽O置從站的數(shù)據輸出同步或數(shù)據輸入的凍結或清除數(shù)據。n同步控制命令可以對DP從站的輸出進行同步。同步被設置后，DP從站把數(shù)據循環(huán)的輸出數(shù)

51、據儲存起來，等待下一個同步命令到達時，才把緩沖的數(shù)據發(fā)送出去。這樣可以確保組態(tài)的DP從站輸出數(shù)據同時啟動。n凍結則專指從站的輸入數(shù)據而言，在數(shù)據循環(huán)交換時它傳送上次被凍結的數(shù)據。DP從站隊列中的輸入數(shù)據存在發(fā)送緩沖區(qū)。此時，DP主站可以發(fā)送數(shù)據循環(huán)報文讀取DP從站緩存的輸入數(shù)據。DP從站只有在接收到另一個凍結命令時才能對那些當前輸入隊列的數(shù)據進行讀取。 設置從站地址Set_Slave_Add nDP2類主站DPM2使用Set_Slave_Add服務，來設置DP從站的地址。如果從站沒有存儲能力(如，沒有flash)或只能通過開關設置地址，從站應該給出負響應報文通知主站。n從站收到DDLM_Set

52、_Slave_Add服務后，比較報文中Ident_Number與自己是否配置，如果匹配成功，則知道主站是在改變自身的地址。需注意的是，有的時候從站會使用默認的地址126。 讀主站診斷數(shù)據（Get_Master_Diag） nDPM2使用Get_Master_Diag服務，讀取DPM1的診斷信息，也可以讀與DPM1相關的從站的診斷信息。標識符Identifier決定了診斷數(shù)據類型，它的值在0125內話，DPM1返回相關從站的診斷數(shù)據；值為126的話，返回系統(tǒng)診斷信息，它指出哪些從站存在診斷，哪些從站沒有診斷；值為128的話，DPM1返回DP從站的循環(huán)數(shù)據交換的狀態(tài)， DPM1在一個時間段內監(jiān)控所

53、有的DP從站是否完成了一次數(shù)據交換，并把監(jiān)控到的情況反應給DPM2；值為127的話，則返回DPM1自身的狀態(tài)信息。 上/下載服務 nDP2類主站和DP21類站之間有的時候需要進行大量數(shù)據的輸出，為此直接數(shù)據鏈路映像提供了Start_Seq、End_Seq、Download和Upload服務完成主站之間的數(shù)據的上下載。n在正常使用Download和Upload服務進行數(shù)據傳送前，先通過服務DDLM_Start_Seq告知服務器它要上下載的區(qū)域編號(AreaCode)和是否需要訪問保護。n報文中AreaCode參數(shù)決定了訪問的是從站參數(shù)集，還是總線參數(shù)集或統(tǒng)計計數(shù)器集。統(tǒng)計計數(shù)器集給出系統(tǒng)中各個站

54、點發(fā)送偵的數(shù)量和出錯偵數(shù)量。 上/下載服務參數(shù)激活(Act_Para_Brct) n參數(shù)集下載到站點后，可以使用Act_Para_Brct服務激活一組站點的參數(shù)。但1類主站正處于清除或正常運行模式時，不能去改變它們的波特率或地址。該服務發(fā)出去后，不需要遠程站點給出確認信息。n2類主站也可以通過Act_Param服務激活某一站點的參數(shù)集或解除某一個站點的參數(shù)集的激活狀態(tài)。但是站點的波特率或地址應由Act_Para_Brct來激活。 DP協(xié)議數(shù)據報文編碼 nDP協(xié)議把報文的編碼分成兩類：一種是主主通信關系，把數(shù)據通過服務訪問點SAP54送給DDLM，DDLM發(fā)送數(shù)據前插入1個字節(jié)的附加信息，以區(qū)分

55、不同的功能；n另外一種是主從通信關系，它優(yōu)化傳輸報文，不需要增加附加信息，通過不同服務訪問點SAP區(qū)分功能。 主主通信關系中報文編碼方式 n主主通信中，插入的附加信息如圖,其最高位是出錯標記，0表示這是正常通信的請求/響應偵，如果是1的話，說明這是出錯的響應報文；n字節(jié)的第0到第4比特用來識別不同的功能代碼或差錯代碼(如果出錯標記為1的話)。附加信息結構 主主通信關系中報文編碼方式主從通信關系中報文編碼方式 n主從通信關系中，功能服務報文采用了不同服務訪問點(DDLM和數(shù)據鏈路層FDL的接口處)進行區(qū)分 PA行規(guī) nPROFIBUS PA是PROFIBUS協(xié)議的重要組成部分，專為過程自動化而設

56、計，用以取代420mA的模擬技術，能夠滿足總線供電和本質安全等特殊要求。它定義了一個用于操作、調試、維護、診斷的設備參數(shù)集以及用戶、設備制造商定義的參數(shù)的連接機制， 以便于協(xié)調變送器、執(zhí)行機構、控制器和可視化操作終端間的應用功能。 n此行規(guī)把設備分為兩類：A類和B類。A類描述了簡單設備的通用參數(shù)，范圍只限于操作階段的基本功能。標準參數(shù)集由帶有測量值狀態(tài)、標簽和工程單位的過程變量(例如溫度、壓力、液位)組成。B類是對A類設備功能的擴展，它要求具有識別、調試、維護和診斷等更為復雜的應用功能。 PA行規(guī) PROFIBUS PA結構模型結構模型 PA設備模型 PA設備模型PA塊模型 nPA行規(guī)定義了3

57、種類型的塊：功能塊、轉換塊和物理塊。n功能塊(FB) 實現(xiàn)自動化系統(tǒng)中設備執(zhí)行的功能，且應獨立于特定的I/O設備和網絡，例如模擬輸入(AI)和模擬輸出(AO) 功能塊。一個設備可以包含多個功能塊。n物理塊(PB)描述設備必要的參數(shù)、功能和設備硬件自身的特征。一個緊湊型設備只包含一個物理塊。n轉換塊包含有連接過程中必要的設備參數(shù)和功能。例如:過程的溫度或壓力，傳感器類型，參考點類型和使用的線性方法。每一個功能塊一次連接一個轉換塊。在調試和維護的過程中，連接可以固定也可以調整。PA塊模型PA塊模型n據參數(shù)在塊中信息處理的用法以及與算法間的關系，分為輸入參數(shù)、輸出參數(shù)或內含參數(shù)。塊通過輸入、輸出參數(shù)

58、實現(xiàn)連接。相連的參數(shù)大部分是用于現(xiàn)場控制的過程變量，另外過程變量后面緊跟著一個狀態(tài)字節(jié)，用來表示相應變量的當前狀態(tài)以及先前軟件處理實例的狀態(tài)信息。 n參數(shù)在設備中如何存儲是由制造商指定的，并通過一個目錄對象體現(xiàn)出來。然而，通常在生命周期(調試、操作、維護、診斷)內的不同階段需要不同參數(shù)結構。在調試和維護過程中通常需要轉換塊和物理塊參數(shù)，而在操作過程中功能塊參數(shù)是必需的，診斷則需要所有塊的參數(shù)。 塊的標準參數(shù) n塊至少應提供7個標準參數(shù)，其中功能塊至少8個標準參數(shù) 。nA類塊必須提供標準參數(shù)以及設備類型指定的功能塊參數(shù)。B類設備必須提供標準參數(shù)、A類參數(shù)以及制造商指定的功能塊參數(shù)(如果存在的話)。塊中的標準參數(shù)表 BLOCK _OBJECT n塊對象適用于所有塊并且放在第一個參數(shù)的前面。它包含塊的類型和行規(guī)號等特征 。ST_REV n塊有靜態(tài)塊參數(shù)，在控制過程中不能改變這些參數(shù)值。它們的值是在組態(tài)或優(yōu)化過程給定的。一個靜態(tài)塊參數(shù)的每一次改變都會使ST_REV參數(shù)的值增加1。這樣ST_REV就提供了