PROFIBUS 现场总线在工业控制系统中的研究与应用

数据支持。另 外该局域网可接人 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ， 通过国际 互联网对现场设备运行情况进行远程访问， 如图 １ 所示。作 为一种成熟的商品化产 品， 近年来， Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ 总线以每年 ２ ０ 一 ３ ０ ％的惊人速度发展。截 止１ ９ ９ ８ 年６ 月， 全世界 Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ 设备安装总数已达 ２ ０ ０ 万台， 由２ ０ ０ 多家企业生产的 Ｐ ｒ ｏ ｉ ｆ ｂ ｕ ｓ 产品已达
ｆ ｕ ｌ ｄ ａ ｔ ａ ） 构成， 其中 Ｐ Ｋ Ｗ字段用于写人或读出参数 值， 如写人控制字或读出状态字等特性参数， 一般为 ４ 个字长。Ｆ ＇ Ｃ Ｓ 为帧校验字段， 它可对整个帧的内 容， 即 地址、 控制和信息等作循环冗余校验。 在主一 从方式下， 由一个主站控制着多个从站， 主站发 出命 令 （ Ｃ ｏ ｎ ｍ ｉ ａ ｎ ｄ ） ， 从站 给 出响应 （ Ｒ ｅ － ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ） ， 配 合主站完成对数据链路的控制， 一个主站 应与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路。 从站可以发送多个帧， 直到以 下一种情况发生为止： 从站没有信息帧可发送， 未完成帧的数目已达最大 值或从站被主站停止。 ２ ． ３ Ｐ ｏ ｒ ｆ ｔ ｂ ｕ ｓ － Ｄ Ｐ 的甚本功能 Ｐ ｏ ｒ ｉ ｆ ｂ ｕ ｓ － Ｄ Ｐ 总线的基本功能如表 １ 所示：
Ａ ｂ ｓ ４ ８ ｃ ｌ ： Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ， ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｂ ｕ ｓ ｉ ｓ ｂ ｒ ｉ ｅ ｌ ｆ ｙ ｉ ｎ ｔ ｏ ｒ ｄ ｕ ｅ ｃ ｄ ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍ ｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｅ ｅ ｎ ｄ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｆ ｉ ｎ ｅ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｒ ｉ ｆ ｂ ｕ ｅ － Ｄ Ｐ ． Ｆ ｎ ａ Ｕ ｙ ， ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｉ ｌ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｐ ｍ ｉ ｆ ｂ ｕ ｓ － Ｄ Ｐ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ｇ ｉ ｓ ｄ ｅ ｍ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｎ ｅ ｘ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ． Ｋ ｅ ｙ ｗ ｔ ｏ 也： Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｂ ｕ ｓ ； Ｐ ｏ ｒ ｉ ｆ ｂ ｕ ｓ ； Ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ； Ｓ ｌ ａ ｖ ｅ
关扭词： 现场总线 ； Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ ； 主站； 从站
中圈分类号 ： Ｔ Ｍ ７ ６ ２ 文触标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ ４ 一 ０ ４ ２ ０ （ ２ ０ ０ ２ ） ０ ２ 一（ １ ０ ４ ７ 一 ０ ３
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ａ ｐ ｐ ｉ ｌ ｃ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｐ Ｒ Ｏ Ｆ Ｔ Ｂ Ｕ Ｓ Ｆ Ｓ ｅ ｌ ｄ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｙ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
且三种类型均使用统一的总线访问协议， 可以将他 们的各自系统互联起来构成三层的工厂自 动化控制 系统。一般由 Ｄ Ｐ ， Ｐ Ａ总线作为下层直接与设备连 接， 如现场仪表、 执行器等， 进行数据采集和控制， 这 两种总线之间可以通过藕合器相连。Ｆ Ｍ Ｓ 总线为车 间级总线， 对车间设备的运行进行监控。Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ 总 线的上一层是通过网间连接器接到全厂局域网， 为 全厂的管理如供应、 生产、 销售计划等各个环节提供
帧 下 ‘
１ ２ ３
帕 ｎ 乃 仙 Ｕ
圈３ 】 」 」 二 控制宇段的三种格式
万方数据
应用 ・ 交流
机床电器 ２ ０ ０ ２ Ｎ ｏ ． ２
能， 可以在需要时发出， 而不影响信息帧的交换顺 序。信息字段 Ｉ 则是由Ｐ Ｋ Ｗ ＋ Ｐ Ｚ Ｄ 的应用数据（ ｕ ｓ ｅ －
３ 基于 Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ － Ｄ Ｐ总 线 的温度 控
随着现代化工业的不断前进 ， 人们对生产过程
的控制提出了更高的要求。智能化、 数字化、 信息 化、 网络化、 微型化、 分散化代表着当今自 控技术发
展的主流方向， 而现场总线正是促使 自动化系统与 仪表顺应这一发展方向的重要技术。 现场总线是在现场设备之间实现双向串行多节 点数字通信， 被称为开放式、 数字化、 多点通信的底 层控制网络和全分布式现场控制系统。它的突出特 点在于它克服了 Ｄ Ｃ Ｓ 系统中通信由封闭的专用网
络系 统实现中 所产生的缺陷， 同时把集中与分散相
结合的 Ｄ Ｇ Ｓ 集散控制结构 ， 变成新型的全分布式结 构， 把控制功能彻底下放到现场， 依靠现场智能设备 本身实现基本控制功能。 现场总线技术是从 ８ ０年代后期诞生的网络通
信技术， 经历十几年的发展， 国际上出现了 几个有代
表性的现场总线标准： 基金会 现场总线 （ ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ ｆ ｒ ｅ ｌ ｄ ｂ ｕ ｓ ） ， Ｌ ｏ ｎ Ｗ ｏ ｒ ｋ现场总线， 控制局域 网（ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ
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圈 ｔ 甚于Ｐ ｋ ｏ ｉ ｆ ｂ ａ ｓ 的工厂三层自动化控制系统
的设计 中采用厂 Ｐ ｒ ｏ ｉ ｆ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ ， 本文将重点针对
Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ 特性， 功能及应用进行讨论。
２ Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ ，线
应用 ・ 交流
机床电器 ２ ０ ０ ２ Ｎ ｏ ． ２
Ｐ Ｒ Ｏ Ｆ Ｉ Ｂ Ｕ Ｓ 现场总线在工业控制系统中的研究与应用
魏 亮， 宋立群． 张志杰 （ 东华大学 ２ ０ ０ ０ ５ １ ） 魏本茂 （ 天水 ２ １ ３ 机床电器厂 ７ ４ １ ０ ０ １ ）
摘要： 本文对现场总线进行了 简要的概述， 着重介绍了Ｐ ｔ ｏ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ － Ｄ Ｐ 总线的通信方式， 特点和基本功能。并举例 说明了基于 Ｐ ｍ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ － Ｄ Ｐ 总线技术的典型应用。
１ ６ ０ ０ 种以上。
因为在本文所介绍的某浴缸成型温度控制系统
万方数据
机床电器 ２ ０ ０ ２ Ｎ ｏ ． ２
Ｗ际 ４联 网
应用 ・ 交流
站时， 主站ຫໍສະໝຸດ Baidu间由于在传输数据时拥有相同的总线
工厂局城 网
网间连接括
工业Ｐ Ｃ 机
Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｂ ｕ ， 一 ！ 习四
控制权， 因此必须保证在事先定义的时间间隔中一 站点有充足的时间完成通信任务， 令牌总线中的令
— ４ ８ —
平衡正常响应模式， 主站与从站之间 Ｈ Ｄ Ｌ Ｃ 传送帧 的 结构如图２ 所示。图中Ｆ 为标志字段（ ８ 位） ； Ａ 为 地址字段， 在非平衡模式下为从站地址； 控制字段 Ｃ 作为Ｈ Ｄ Ｌ Ｃ 帧的关键字段表示了帧类型、 编号、 命令 和控制信息， 控制字段 Ｃ 将Ｈ Ｄ Ｌ Ｃ的帧分成了３ 种 类型： 信息帧（ Ｉ ） 、 监控帧（ Ｓ ） 与无编号帧（ Ｕ ） ， 如图３
Ａ ｒ ｅ ａ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ） ， Ｐ ｒ ｏ ｆ ｒ ｂ ｕ ｓ 现场总线等等。
１ Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｂ ｕ ｓ 现场总线概述
Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， 现场总线是德国国家标准和欧洲国家 标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为
主的十几家德国公司、 研究所共同推出的。它采用 Ｏ Ｓ Ｉ 模型的物理层、 数据链路层。分散化的外围设
Ｗ Ｅ Ｉ Ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｓ Ｏ Ｎ Ｇ Ｌ ｉ ｑ ｕ ｎ ， Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｚ ｈ ｉ ｊ ｉ ｅ Ｄ ｏ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｙ ｔ （ ２ ０ ０ ０ ５ １ ） Ｗ Ｅ Ｉ Ｂ ｅ ｎ ｍ ａ ｏ Ｔ ｉ ａ ｎ ｓ ｈ ｕ ｉ ２ １ ３ Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ Ｔ ｏ ｏ ｌ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ Ａ ｐ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｕ ｓ Ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｙ ｒ （ ７ ４ １ ０ ０ １ ）
牌是一种特殊的电文， 它在主站之 间传递控制权。
王 亚而ｔ ｔ 厂 蔽 矛 Ｉ
Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ
巴
摇 合器
Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｐ Ａ
令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事 先规定的时间段内得到总线控制权， 在这段时间内
允许这个主站在一定的时间内执行主站工作， 这个 主站可依照与主站或从站的关系表和所有的主站或 所有的从站进行定时间内发完了所需要发送的帧 或者该主站的控制时间终了时， 它就将主站令牌传 递给下一个主站。 主 一从方式的介质存取控制与局域网标准不 同， 它符合 Ｏ Ｒ参考模型数据链路层中 Ｈ Ｄ Ｌ Ｃ的非
２ ． １ Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ 基本特性 Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ 采用了Ｏ Ｓ Ｉ 参考模型的第一层物理 层． 第二层数据链路层和用户 自己定义的用户层。 主要应用于现场级， 是一种高速（ 可达 １ ２ Ｍ ｂ ｉ ｔ ／ ｓ ） 和 便宜的通信连接， 它被设计为自 动控制系统和设备 级分散的１ ／ ０ 之间进行通信使用。Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ 是一 个主站／ 从站（ Ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ／ Ｓ ｌ ａ ｖ ｅ ） 总线系统， 主站决定总线 的数据通信， 当主站得到总线控制权时， 没有外界请 求也可以主动发送信息。主站可以是 Ｐ Ｌ Ｃ ， Ｐ Ｃ等： 从站为外围设备（ 典型的从站包括输人输出装置、 阀 门、 驱动器和测量发送器） ， 它们没有总线控制权， 仅 当接受到的信息给予确认或当主站发出请求时向它 发送信息。它可以有多种网络拓扑结构： 线形， 星 形， 环形等。 ２ ． ２ Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ的通讯原理 ２ ． ２ ． １ 物理层 Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ 的物理层与 Ｏ Ｓ 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 Ｅ ｆ Ａ Ｒ Ｓ 一 ４ ８ ５ 协议， 半双工方式， 根据最大传输速率 的不同， 可选用双绞线和光纤两种传输介质。 ２ ． ２ ． ２ 数据链路层 Ｐ ｏ ｒ ｆ ｉ ｂ ｕ ， － Ｄ Ｐ 现场总线数据链路层采用的总线存 储协议为令牌总线（ Ｔ ｏ ｋ ｅ ｎ Ｂ ｕ ｓ ） 方式和主 一 从方式的 混合存取方式。其 中， 令牌总线方式与局域 网 Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ ８ ０ ２ ． ４ 中的规约相一致， 它规定了主站间的介 质存取控制方式。当一个系统中拥有两个以上的主
所示 。
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信息字段
帕校脸 标志
字段 字段
图 ２ Ｐ ｒ ｉ ｆ ｂ －Ｄ Ｐ的 Ｈ Ｄ Ｌ Ｃ帧结构
０ １ ２ ３
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４ ５ ６７
信息帧（ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 中Ｎ （ Ｓ ） 表示当前发送数据 帧的顺序号； Ｎ （ Ｒ ） 表示该站下一接收帧的序号， Ｎ （ Ｒ ） 有捎带确认的作用， 它表示该站已正确接收序 号为【 Ｎ （ Ｒ ） 一 １ ］ 帧及以前的各帧。 下一次应接收序 号为 Ｎ （ Ｒ ） 值的帧， 信息帧中的探询／ 终止（ Ｐ ／ Ｆ ， Ｐ ｏ Ｕ ／ Ｆ ｉ ｎ ａ １ ） 位与Ｓ 和 Ｕ帧中的相同。监控帧（ Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ － ｖ ｉ ｍ ｙ ｒ ） 不带有数据信息， 只是用于实现监督控制功 能， 由Ｓ （ ２ ｂ ｉ ｔ ） 来表示。无编号帧（ Ｕ ｎ ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｅ ｒ ｄ ） 的类 型由Ｍ （ ５ ｂ ｉ ｔ ） 来表示， 用于提供附加的链路控制功
备（ Ｄ Ｐ ） 型隐去了 第３ 层至第 ７ 层． 而增加了直接数 据连接拟合作为用户接 口； 现场总线信息规范
（ Ｆ Ｍ Ｓ ） 型则只隐去第 ３至第 ６层， 采用 了应用层。 过程自 动化（ 以） 型的标准 目前还处于制定过程之
中。其最大传输速率为 １ ２ Ｍ ｂ ｐ ｓ ， 传输距离为 ｌ ｏ ｏ ｍ 和４ ０ ０ ｍ ， 传输介质可以是双绞线， 也可以 是光缆， 最 多可挂接 １ ２ ７ 个站点。Ｆ Ｍ Ｓ ， Ｄ Ｐ ， Ｐ Ａ分别适用于不 同的领域， 基本覆盖了整个工厂自 动化的被控对象，