PROFIBUS现场总线技术及发展分析
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图 2 PRO FIBUS -DP多主站系统
3. 3 PROF IBUS - DP的设备分类 3. 3. 1 1类 DP主站 (DPM 1)
1类 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 , 并对总线 通信进行 控制和 管理 。 DPM 1 可以 发送 参数给 从 站 , 读取从站的诊断信息 [ 22] 。 此外 , 还可以将控制
陈月婷 , 何 芳
(济南大学 控制科学与工程学院 , 山东 济南 250022)
摘 要 :分析 PRO F IBUS现场总线发展现状 , 对 PRO F IBUS -
D P现场总线技 术的协议结构 、通信原理 、网络系统结构 和设
备分类等网 络技 术问题 进行 了阐述 。 将 PROF IBUS 与基 金
站进行通信[ 14] 。 主站与从站之间 的周期性数据传 输采用主从方式 , 主站向从站发送或索取信息 。
应用层 :PROF IBUS - DP 网没有使用 OSI参考 模型的应用层 , 而是自己定义了第 8层 ———用户层 , 这一层与用户接触比较多 , 它主要定义了 DP 的功 能 、行规及扩展功能 [ 15] 。 3. 2 PROF IBUS - DP的系统结构
系统配置的描述包括 :站点数目 、站点地址和输 入输出数据的格式 , 诊断信息的格式以及所使用的 总体参数 。 输入和输出信息 量大小取决于 设备形 式 , 目前允许的输入和输出信息最多不超过 246字 节 。 DP 主站与 DP从站间的通信基于主从原理 , DP 主站按轮询表依次访问 DP 从站 , 主站与从站之间 周期地交换用户数据[ 16] 。
2类 DP主站是编程器 、组态设备或操作面板 , 是 DP 网络中的编程 、诊断和管理设备 。 DPM 2除了 具有 1类主站的功能外 , 在与 1类 DP 主站进行通 信的同时 , 可以读取 DP 从站的输入 /输出数据和当 前的组态数据 , 可以给 DP 从站分配新的总站地址 。 下列设备可以做 DPM 2:(1)PC 加 PROF IBUS 网卡 可做 2类主站 。 (2)操作员面板 /触摸屏 。 3. 3. 3 DP 从站
及网络的发展趋势 。
关键词 :现场总线 ;PROF IBUS - DP;传输技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中图分类号 :TP393
文献标识码 :A
随着控制技术 、计算机技术和通信技术的飞速 发展 , 现场总线技术己经成为工业生产过程的必然 趋势 。 现场总线有节省硬件数量与投资 、节省安装 费用 、节省维护开销 、用户具有高度的系统集成主动 权 、提高系统的准确性与可靠性等优点 。 自上世纪 80年代以来 , 有几种类型的现场总线技术己经发展 成 熟 , 它 们 是 CAN、 LON WORKS、 PROF IBUS、 WORLDF IP、HART、FF 现场基金会总线等 。 PROF IBUS是目前最成功的现场总线之一 , 得到了广泛的 应用 。 它是不依赖于生产厂家的 、开放式的现场总 线 ,各种自动化设备均可通过同样的接口交换信 息 [ 1] 。
DP 从站是进行输入和输出信息采集和发送的 外围设备 , 它只与组态它的 DP 主站交换用户数据 , 可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断 。
4 PROF IBUS与其他现场总线比较
目前除了过程现场总线 PROF IBUS 以外 , 较为 流行的现场总线主要还有以下 4种 :基金会现场总 线 FF, 局 部 操 作 网 络 LONWORKS, 控 制 局 域 网 CAN, HART 总线 。
会现场 总线 FF、 LONW ORKS、控 制局域 网 CAN 及 HA RT 总
线等几种目前已成 熟的现 场总线技 术进行 比较 、分 析 , 提 出
了 PROF IBUS在应用中的 几点优势 。 PROF IBU S与其他网络
协议兼容形成开 放的 系统 是 PROF IBUS 现场 总线 应用技 术
2 PRO F IBU S 的协议结构
PROF IBUS协议结构是根据 IS07498国际标准 、 以开放式系统互联网络作为参考模型的 。该模型共 有 7层[ 6] , 如图 1所示 :
PROF IBUS - DP定义了第 1、2层和用户接口 , 3 到 7层未加描述 , 这种流体型结构确保了数据传输 的快速和有效 。直接数据链路映像提供易于进入第 2层的用户数据 。 用户接口规定了用户及系统以及 不同设备可调用的应用功能 , 并详细说明了各种不 同 PRO F IBUS - DP设备的设备行为 [ 7] 。
3 PROF IBUS -DP数据传输技术
3. 1 通讯原理 PROF IBUS - DP 使用了第 1层 (物理层 )、第 2
层 (数据链路层 )和用户接口层 , 由于工业上的特殊 需要省略了 3 ～ 6层[ 11] 。
物理层 :PROF IBUS - DP 的物理 层与 OS I参考 模型的第 1层相同 , 其主要功能是利用物理传输介 质为数据链路层提供物理连接 , 以透明地传送比特 流 。它采用 RS - 485协议 , 其传输技术为半双工通 信方式 , 传输速率在 9. 6 k ～ 12M b it s-1之间可选 , 对应的通讯距离在 100 m ～ 1 200 m , 根据最大传输 速率的不同 , 可选用双绞线 或光纤 2 种传输电缆 。 一般来说在电磁干扰很大的环境下可使用光纤导体 以增长高速传输的最大距离[ 12] 。
PROF IBUS - FM S定义了 1、2、7层 , 应用层包括 现场总线信息 规范和低层接口 [ 8] 。 FMS 包 括了应 用协议并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服
第 3期
陈月婷 , 等:PROF IBUS 现场总线技术及发展分析
227
图 1 PRO FIBU S的协议结构
务 。 LL I协调不同的通信关系并提供不依赖设备的 第 2层访问接口 。第 2层现场总线数据链路可完成 总线访问控制和数据的可靠性 [ 9] 。
收稿日期 :2006 - 11 - 16 基金项目 :山东省自然科学基金 (Y 2006G 25);山东省教育厅高校
实验技术研究项目 (SJ200518) 作者简介 :陈月 婷 (1983 - ), 女 , 山 东淄 博 人 , 硕士 生 ;何 芳
(1964 -), 女 , 山东济南人 , 教授 , 硕士生导师 。
PROF IBUS - PA PA 的数 据 传 输采 用 扩 展的 PROF IBUS - DP 协议 。另外 , PA 还描述了现场设备 行为的 PA 行 规 。 据 IEC1158 - 2标准 , PA 的传输 技术可确保其本征安全性 , 而且可通过总线给现场 设备供电[ 10] 。
由于 PROF IBUS - DP 具有可 靠性高 、性能高 、 实时性好及其独特的设计等优点 , 已被几乎所有的 生产厂商和用户所接受 。
单主站系统中 , 在总线系统操作阶段 , 只有一个 活动主站 [ 19] 。多主站配置中 , 总线上的主站与各自 的从站构成相互独立的子系统或是作为网上的附加 配置和诊断设备 , 如图 2 所示 。 任何一个主站均可 读取 DP 从站的输入输出映像 , 但 只有一个主站可 对 DP从站写入输出数据 , 多主站 系统的循环时间 要比单主站系统长 [ 20 -21] 。
年 12 月 联 合成 立 了 PROF IBUS 用 户 组 织 (简 称 PNO)。到 1996年 6 月 30日 , PROF IBUS被批准为 欧洲现场总线标准的组成部分之一 , 即 EN50170V. 2, 从此 EN 50170V. 2取代了 D IN 19245[ 2] 。
PROF IBUS根据应用特点又可 分为 PROF IBUS - DP、PROF IBUS - PA、PROF IBUS - FM S 3 个兼容 版本 [ 3] 。 PROF IBU S - DP 总线是为高速设备分散控 制或自动化控制而设计的 , 特别适用于可编程控制 器与现场级分散 I /O 设备之间 的通信[ 4] 。 PROF IBUS - PA 总线是专门为过程自动化设计的 。 PROF IBUS - FM S 总线是为 解决车 间级通用 性通 讯任 务 、提供大量通讯服务 、完成中等传输速率的循环与 非循环通讯任务而设计的 。
这种总线存取方式可以实现 :(1)纯 主 -主系 统 (多主站 );(2)纯主 - 从系统 (单主站 ), 系统若 有若干个从站和一个主站 , 主站循环地发送信息给 从站或由从站获取信息 [ 17] ;(3)两种方式的组合 , 总 线上连有多个主站 , 它们与各自的从站构成相互独 立的子系统 。 每个子系统包括一个 DPM 1、制定若 干从站以及可能的 DPM 2设备 [ 18] 。
第 21 卷第 3期 2007年 7月
济南大学学报 (自然科学版 ) JOURNA L OF UN IV ERSITY O F JINAN (Sc.i ＆ Te ch.)
文章编号 :1671 - 3559(2007)03 - 0226 - 05
PROF IBUS现场总线技术及发展分析
V o.l 21 N o. 3 Ju .l 2007
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济 南 大 学 学 报 (自然科学版 )
第 21卷
命令发送给个别从站或从站组 , 以实现输出数据和 输入数据的同步 。 下列设备可以做 1类主站 :(1) 集成了 DP 接口的 PLC。 (2)没 有集成 DP 接口的 CPU 加上支持 DP 主站功能的通信处理器 。 (3)插 有 PROF IBUS 网卡 的 PC。 (4) IE /PB 链 路模 块 。 (5)ET 200S /ET 200X 的主站模块 [ 23] 。 3. 3. 2 2类 DP 主站 (DPM 2)
数据链路层 :PROF IBUS - DP 的数据链路层是 比较复杂的一部分 , 它主要是通过数据链路层协议 , 在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输 。 PROF IBUS - DP 网包括两种介质存取方式 :令牌总 线方式和主 -从方式可选用 。 数据链路层协议媒体 访问控制 (MAC )部分采用受控访问的令牌总线和 主从方式 。 主站间数据传输采用令牌总线方式 [ 13] 。 令牌在总线上的各主站间传递 , 持有令牌的主站获 得总线控制权 , 该主站依照关系表与从站或其它主
1 PROF IBUS现场总线发展现状
PROF IBUS是由 13家工业企业和 5 家科研机 构在德国联邦研技部的资助下 , 于 1987年开始联合 开发的生产过程现场总线标准规范 。 自 1987年起 , PROF IBUS被批准为德国标准 DIN 19245。 其后 , 一 些自愿在其产品中使用该标准规范的企业 于 1989
FF总线功能强大 , 支持本安装系统 , 实时性好 , 总线供电 , 但如果主设备失效将使整个网络瘫痪 , 总 线虽然性能突出 , 成本却较高 , 协议也复杂 , 主要应 用于流程控制领域 [ 24] 。 LONWORK S 总线开发平台 完善 , 在楼宇自动化 、电力行业 、测控系统和智能通 信产品方面具有较大优势 , 由于行业应用的特点和 历史原因 , 在离散制造加工领域没有优势 [ 25] 。 CAN 总线简单可靠 , 抗干扰性强 , 成本低 , 非常适合用作 传感器 执/ 行器总线 , 但它的速度慢 , 传输距离也有 限 , 不能满足有严格实时性要求的场合 , 其主要应用 于汽车检测和控制 。 HART 总线建立在目前广泛采 用的模拟系统之上 , 技术上也充分考虑连续过程使 用环境的需要 , 其技术本身还在不断完善与更新 , 如 需提高传输速率 [ 26] 。与以上总线技术相比 , PRO F IBUS在以下几方面显现了它的应用优势 。
目前 PROF IBUS 主要应用领 域有 :(1)制 造业 自动化 :汽车制造 (机器人 、装配线 、冲压线等 )、造 纸 、纺织 、汽车组装 、润滑油生产 、钢板冲压 、成型啤 酒生产 (过滤与发酵 )等 。 (2)过程控制自动化 :石 化 、化 工 、制 药 、造 纸 、纺 织 、水 泥 、食 品 、啤 酒 等 。 (3)电力 :发电 、输配电 。 (4)楼宇 :空调 、风机 、供 热 、照明等 。 (5)铁路交通 :信号系统等 [ 5] 。
3. 3 PROF IBUS - DP的设备分类 3. 3. 1 1类 DP主站 (DPM 1)
1类 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 , 并对总线 通信进行 控制和 管理 。 DPM 1 可以 发送 参数给 从 站 , 读取从站的诊断信息 [ 22] 。 此外 , 还可以将控制
陈月婷 , 何 芳
(济南大学 控制科学与工程学院 , 山东 济南 250022)
摘 要 :分析 PRO F IBUS现场总线发展现状 , 对 PRO F IBUS -
D P现场总线技 术的协议结构 、通信原理 、网络系统结构 和设
备分类等网 络技 术问题 进行 了阐述 。 将 PROF IBUS 与基 金
站进行通信[ 14] 。 主站与从站之间 的周期性数据传 输采用主从方式 , 主站向从站发送或索取信息 。
应用层 :PROF IBUS - DP 网没有使用 OSI参考 模型的应用层 , 而是自己定义了第 8层 ———用户层 , 这一层与用户接触比较多 , 它主要定义了 DP 的功 能 、行规及扩展功能 [ 15] 。 3. 2 PROF IBUS - DP的系统结构
系统配置的描述包括 :站点数目 、站点地址和输 入输出数据的格式 , 诊断信息的格式以及所使用的 总体参数 。 输入和输出信息 量大小取决于 设备形 式 , 目前允许的输入和输出信息最多不超过 246字 节 。 DP 主站与 DP从站间的通信基于主从原理 , DP 主站按轮询表依次访问 DP 从站 , 主站与从站之间 周期地交换用户数据[ 16] 。
2类 DP主站是编程器 、组态设备或操作面板 , 是 DP 网络中的编程 、诊断和管理设备 。 DPM 2除了 具有 1类主站的功能外 , 在与 1类 DP 主站进行通 信的同时 , 可以读取 DP 从站的输入 /输出数据和当 前的组态数据 , 可以给 DP 从站分配新的总站地址 。 下列设备可以做 DPM 2:(1)PC 加 PROF IBUS 网卡 可做 2类主站 。 (2)操作员面板 /触摸屏 。 3. 3. 3 DP 从站
及网络的发展趋势 。
关键词 :现场总线 ;PROF IBUS - DP;传输技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中图分类号 :TP393
文献标识码 :A
随着控制技术 、计算机技术和通信技术的飞速 发展 , 现场总线技术己经成为工业生产过程的必然 趋势 。 现场总线有节省硬件数量与投资 、节省安装 费用 、节省维护开销 、用户具有高度的系统集成主动 权 、提高系统的准确性与可靠性等优点 。 自上世纪 80年代以来 , 有几种类型的现场总线技术己经发展 成 熟 , 它 们 是 CAN、 LON WORKS、 PROF IBUS、 WORLDF IP、HART、FF 现场基金会总线等 。 PROF IBUS是目前最成功的现场总线之一 , 得到了广泛的 应用 。 它是不依赖于生产厂家的 、开放式的现场总 线 ,各种自动化设备均可通过同样的接口交换信 息 [ 1] 。
DP 从站是进行输入和输出信息采集和发送的 外围设备 , 它只与组态它的 DP 主站交换用户数据 , 可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断 。
4 PROF IBUS与其他现场总线比较
目前除了过程现场总线 PROF IBUS 以外 , 较为 流行的现场总线主要还有以下 4种 :基金会现场总 线 FF, 局 部 操 作 网 络 LONWORKS, 控 制 局 域 网 CAN, HART 总线 。
会现场 总线 FF、 LONW ORKS、控 制局域 网 CAN 及 HA RT 总
线等几种目前已成 熟的现 场总线技 术进行 比较 、分 析 , 提 出
了 PROF IBUS在应用中的 几点优势 。 PROF IBU S与其他网络
协议兼容形成开 放的 系统 是 PROF IBUS 现场 总线 应用技 术
2 PRO F IBU S 的协议结构
PROF IBUS协议结构是根据 IS07498国际标准 、 以开放式系统互联网络作为参考模型的 。该模型共 有 7层[ 6] , 如图 1所示 :
PROF IBUS - DP定义了第 1、2层和用户接口 , 3 到 7层未加描述 , 这种流体型结构确保了数据传输 的快速和有效 。直接数据链路映像提供易于进入第 2层的用户数据 。 用户接口规定了用户及系统以及 不同设备可调用的应用功能 , 并详细说明了各种不 同 PRO F IBUS - DP设备的设备行为 [ 7] 。
3 PROF IBUS -DP数据传输技术
3. 1 通讯原理 PROF IBUS - DP 使用了第 1层 (物理层 )、第 2
层 (数据链路层 )和用户接口层 , 由于工业上的特殊 需要省略了 3 ～ 6层[ 11] 。
物理层 :PROF IBUS - DP 的物理 层与 OS I参考 模型的第 1层相同 , 其主要功能是利用物理传输介 质为数据链路层提供物理连接 , 以透明地传送比特 流 。它采用 RS - 485协议 , 其传输技术为半双工通 信方式 , 传输速率在 9. 6 k ～ 12M b it s-1之间可选 , 对应的通讯距离在 100 m ～ 1 200 m , 根据最大传输 速率的不同 , 可选用双绞线 或光纤 2 种传输电缆 。 一般来说在电磁干扰很大的环境下可使用光纤导体 以增长高速传输的最大距离[ 12] 。
PROF IBUS - FM S定义了 1、2、7层 , 应用层包括 现场总线信息 规范和低层接口 [ 8] 。 FMS 包 括了应 用协议并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服
第 3期
陈月婷 , 等:PROF IBUS 现场总线技术及发展分析
227
图 1 PRO FIBU S的协议结构
务 。 LL I协调不同的通信关系并提供不依赖设备的 第 2层访问接口 。第 2层现场总线数据链路可完成 总线访问控制和数据的可靠性 [ 9] 。
收稿日期 :2006 - 11 - 16 基金项目 :山东省自然科学基金 (Y 2006G 25);山东省教育厅高校
实验技术研究项目 (SJ200518) 作者简介 :陈月 婷 (1983 - ), 女 , 山 东淄 博 人 , 硕士 生 ;何 芳
(1964 -), 女 , 山东济南人 , 教授 , 硕士生导师 。
PROF IBUS - PA PA 的数 据 传 输采 用 扩 展的 PROF IBUS - DP 协议 。另外 , PA 还描述了现场设备 行为的 PA 行 规 。 据 IEC1158 - 2标准 , PA 的传输 技术可确保其本征安全性 , 而且可通过总线给现场 设备供电[ 10] 。
由于 PROF IBUS - DP 具有可 靠性高 、性能高 、 实时性好及其独特的设计等优点 , 已被几乎所有的 生产厂商和用户所接受 。
单主站系统中 , 在总线系统操作阶段 , 只有一个 活动主站 [ 19] 。多主站配置中 , 总线上的主站与各自 的从站构成相互独立的子系统或是作为网上的附加 配置和诊断设备 , 如图 2 所示 。 任何一个主站均可 读取 DP 从站的输入输出映像 , 但 只有一个主站可 对 DP从站写入输出数据 , 多主站 系统的循环时间 要比单主站系统长 [ 20 -21] 。
年 12 月 联 合成 立 了 PROF IBUS 用 户 组 织 (简 称 PNO)。到 1996年 6 月 30日 , PROF IBUS被批准为 欧洲现场总线标准的组成部分之一 , 即 EN50170V. 2, 从此 EN 50170V. 2取代了 D IN 19245[ 2] 。
PROF IBUS根据应用特点又可 分为 PROF IBUS - DP、PROF IBUS - PA、PROF IBUS - FM S 3 个兼容 版本 [ 3] 。 PROF IBU S - DP 总线是为高速设备分散控 制或自动化控制而设计的 , 特别适用于可编程控制 器与现场级分散 I /O 设备之间 的通信[ 4] 。 PROF IBUS - PA 总线是专门为过程自动化设计的 。 PROF IBUS - FM S 总线是为 解决车 间级通用 性通 讯任 务 、提供大量通讯服务 、完成中等传输速率的循环与 非循环通讯任务而设计的 。
这种总线存取方式可以实现 :(1)纯 主 -主系 统 (多主站 );(2)纯主 - 从系统 (单主站 ), 系统若 有若干个从站和一个主站 , 主站循环地发送信息给 从站或由从站获取信息 [ 17] ;(3)两种方式的组合 , 总 线上连有多个主站 , 它们与各自的从站构成相互独 立的子系统 。 每个子系统包括一个 DPM 1、制定若 干从站以及可能的 DPM 2设备 [ 18] 。
第 21 卷第 3期 2007年 7月
济南大学学报 (自然科学版 ) JOURNA L OF UN IV ERSITY O F JINAN (Sc.i ＆ Te ch.)
文章编号 :1671 - 3559(2007)03 - 0226 - 05
PROF IBUS现场总线技术及发展分析
V o.l 21 N o. 3 Ju .l 2007
228
济 南 大 学 学 报 (自然科学版 )
第 21卷
命令发送给个别从站或从站组 , 以实现输出数据和 输入数据的同步 。 下列设备可以做 1类主站 :(1) 集成了 DP 接口的 PLC。 (2)没 有集成 DP 接口的 CPU 加上支持 DP 主站功能的通信处理器 。 (3)插 有 PROF IBUS 网卡 的 PC。 (4) IE /PB 链 路模 块 。 (5)ET 200S /ET 200X 的主站模块 [ 23] 。 3. 3. 2 2类 DP 主站 (DPM 2)
数据链路层 :PROF IBUS - DP 的数据链路层是 比较复杂的一部分 , 它主要是通过数据链路层协议 , 在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输 。 PROF IBUS - DP 网包括两种介质存取方式 :令牌总 线方式和主 -从方式可选用 。 数据链路层协议媒体 访问控制 (MAC )部分采用受控访问的令牌总线和 主从方式 。 主站间数据传输采用令牌总线方式 [ 13] 。 令牌在总线上的各主站间传递 , 持有令牌的主站获 得总线控制权 , 该主站依照关系表与从站或其它主
1 PROF IBUS现场总线发展现状
PROF IBUS是由 13家工业企业和 5 家科研机 构在德国联邦研技部的资助下 , 于 1987年开始联合 开发的生产过程现场总线标准规范 。 自 1987年起 , PROF IBUS被批准为德国标准 DIN 19245。 其后 , 一 些自愿在其产品中使用该标准规范的企业 于 1989
FF总线功能强大 , 支持本安装系统 , 实时性好 , 总线供电 , 但如果主设备失效将使整个网络瘫痪 , 总 线虽然性能突出 , 成本却较高 , 协议也复杂 , 主要应 用于流程控制领域 [ 24] 。 LONWORK S 总线开发平台 完善 , 在楼宇自动化 、电力行业 、测控系统和智能通 信产品方面具有较大优势 , 由于行业应用的特点和 历史原因 , 在离散制造加工领域没有优势 [ 25] 。 CAN 总线简单可靠 , 抗干扰性强 , 成本低 , 非常适合用作 传感器 执/ 行器总线 , 但它的速度慢 , 传输距离也有 限 , 不能满足有严格实时性要求的场合 , 其主要应用 于汽车检测和控制 。 HART 总线建立在目前广泛采 用的模拟系统之上 , 技术上也充分考虑连续过程使 用环境的需要 , 其技术本身还在不断完善与更新 , 如 需提高传输速率 [ 26] 。与以上总线技术相比 , PRO F IBUS在以下几方面显现了它的应用优势 。
目前 PROF IBUS 主要应用领 域有 :(1)制 造业 自动化 :汽车制造 (机器人 、装配线 、冲压线等 )、造 纸 、纺织 、汽车组装 、润滑油生产 、钢板冲压 、成型啤 酒生产 (过滤与发酵 )等 。 (2)过程控制自动化 :石 化 、化 工 、制 药 、造 纸 、纺 织 、水 泥 、食 品 、啤 酒 等 。 (3)电力 :发电 、输配电 。 (4)楼宇 :空调 、风机 、供 热 、照明等 。 (5)铁路交通 :信号系统等 [ 5] 。