现场总线（PROFIBUS）技术简介（四）

(1)三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。
(2)在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（FieldbusDataLink-FDL）。介质存取控制（MediumAccessControl-MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。
(3)PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：
·在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。
·在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。
因此，PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。
(4)令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。
(5)主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，可能有以下三种系统配置：
·纯主-从系统
·纯主-主系统
·混合系统
(6)图2-4是一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。3个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主-从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主-主通讯关系表与所有主站通信。

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图2-4：3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统

(7)在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。
(8)第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。
(9)PROFIBUS第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及有选择广播功能。

2.3PROFIBUS-DP
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还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
2.3.1PROFIBUS-DP的基本功能
(1)传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。
(2)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。总线上最多站点（主-从设备）数为126。
(3)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。
(4)运行模式：运行、清除、停止。
(5)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。
(6)功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。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，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对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。
(7)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（WatchdogTimer）。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。
(8)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）是中央可编程序控制器，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。
2.3.1.1PROFIBUS-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512bit/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。
·通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。
2.3.1.2PROFIBUS-DP系统配置和设备类型
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不同类型设备：
(1)一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（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。
(3)DP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。如图2-5所示：

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图2-5：单主站系统

(2)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DPM1、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。如图2-6所示：

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图2-6：多主站系统

2.3.1.3系统行为
系统行为主要取决于DPM1的操作状态，这些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从站读取输入信息并向从站写入输出信息。
(1)DPM1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。如图2-6所示。
(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。

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图2-6：PROFIBUS-DP用户数据传输

2.3.1.4DPM1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。
DPM1和DP从站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。
2.3.1.5DPM1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。

2.3.1.6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从站的同步及锁定模式，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定模式。

2.3.1.7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。
对DP从站使用看门狗控制器检测主站和传输线路故障。如果在一定的时间间隔内发现没有主机的数据通信，从站自动将输出进入故障安全状态。