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,、設備量較大的現(xiàn)場控制層使用,其適應面大,、經濟性好,,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)議結構和通信原理,,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。
關鍵詞:PROFIBUS—DP,;協(xié)議結構;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設備的高速數(shù)據傳輸,它以DIN19245的第一部分為基礎,,一般構成單主站系統(tǒng),,主從站之間采用循環(huán)數(shù)據傳送方式工作,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備量又很大,往往有幾百臺設備,,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絡,。
分散控制系統(tǒng)(DCS)經歷了2O多年的發(fā)展已經發(fā)生了很大的變化,。大部分DCS在現(xiàn)場級采用開放的網絡協(xié)議標準,如現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網,。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濟效益,。
1 PROFIBUS—DP的協(xié)議結構
PROFIBUS—DP的通信協(xié)議分為3層:物理層、數(shù)據鏈路層和用戶接口,。精通PROFIBUS—DP的協(xié)議結構和通信原理是實現(xiàn)PROFIBUS—DP協(xié)議的關鍵,。
1.1 物理層
該層規(guī)定了PROFIBUS—DP的總線介質、網絡拓撲,、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設備和有總線控制功能的復雜設備,。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)據鏈路層
數(shù)據鏈路層主要實現(xiàn)兩個功能:介質存取控制(MAC)和現(xiàn)場總線數(shù)據鏈路(FDL)服務,。MAC描述了連接到傳輸介質的總線存取方式,它采用一種混合訪問方法。PROFIBus—DP規(guī)定,,在同一時刻,,只能有一個設備在傳輸數(shù)據,所以在多主站系統(tǒng)中,,各主設備之間用令牌總線方式;在主設備和從設備之間用循環(huán)查詢的主一從方式,。
PROFIBUS中提供了4種數(shù)據傳輸服務:SDA(發(fā)送數(shù)據要應答)、SRD(發(fā)送和請求回答的數(shù)據),、SDN(發(fā)送數(shù)據不需應答)、CSRD(循環(huán)性發(fā)送和請求回答的數(shù)據),。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,同時向遠程站點請求數(shù)據,。該服務也允許本地用戶只向遠程站點請求數(shù)據,但并不發(fā)送數(shù)據(即數(shù)據發(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。本地用戶在數(shù)據傳送結束時會收到確認,,但在數(shù)據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)以及不同設備可以調用的應用功能并詳細說明了各種不同PROFIBUS—DP設備的設備行為,,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如何用于應用領域,利用行規(guī)可使不同廠商所生產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備的要求,,例如過程自動化的現(xiàn)場設備,、智能化操作設備和變頻器等,這些設備的參數(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)據傳輸中發(fā)生沖突而導致數(shù)據丟失,,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為目的服務存取點,;SSAP為源服務存取點,。PROFIBUS—DP中定義了9種SAP(服務訪問點)服務,分別為54(用于主一主通信),、55(用于二類主站對從站設定站地址),、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)據交換,。啟動階段主要完成對DP設備的參數(shù)設定,,這一步是DP網絡能否安全、高速,、穩(wěn)定工作的關鍵,。需要設定的參數(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。設置參數(shù)的依據來自于設備數(shù)據庫文件(GSD),,該文件以一種準確定義的格式給出每種DP設備特性的全面描述,,由生產商以設備數(shù)據庫清單的形式提供給用戶,。DP設備一旦投入使用,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,。在網絡中,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容進行處理,而是繼續(xù)進行對從站的參數(shù)化和設置,。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)據交換,,主站要有合法的從站參數(shù)數(shù)據庫,,此數(shù)據庫由參數(shù)和組態(tài)數(shù)據組成。每組數(shù)據對應于一個從站,,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)出通信服務請求,其相應的從站接收到后,,若需要返還數(shù)據,,則將提前處理好的數(shù)據發(fā)給主站,若無數(shù)據請求,,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,,每個數(shù)據包之間至少要插入33位空閑位,,以避免數(shù)據沖突和丟失。而從站在接收到主站的數(shù)據后,,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節(jié)儀,,監(jiān)視部分的數(shù)據采集系統(tǒng)(DAS)采用了EDPF一1000微機數(shù)據采集系統(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),,其體系結構如圖2所示:
其中,,最基層的控制網絡由PROFIBUS—DP構成,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)據傳送服務,。每個現(xiàn)場控制站主要由主控單元和I/O模件構成,,此外還包括系統(tǒng)電源、現(xiàn)場電源,、通信單元和控制網絡等,。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)場總線結構,傳輸速率為1.5~12 Mbps,。傳輸介質為雙絞線,,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,,CPU為奔騰233,采用8 M 電子盤工作,,操作系統(tǒng)為實時多任務操作系統(tǒng)QNX,,DP主卡可以達到通道級診斷,,硬件設計上有看門狗回路,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)場總線網絡,,輕易地與其他現(xiàn)場總線儀表或設備相連接,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)結構,,節(jié)省安裝工期,,調試也更加簡單。柳州發(fā)電廠由于是老機組改造,,電纜基本上已經到了集控室,,本次改造采取的是機柜安裝方式。現(xiàn)場控制站根據組態(tài)數(shù)據庫和算法完成信號采集,、數(shù)據轉換、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,。MACS控制系統(tǒng)高效地完成了控制任務,達到了預期的效果,。
4 結束語
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)有影響力的自控設備供應商的支持。現(xiàn)場總線是智能化儀表和計算機網絡相結合的新一代底層控制網絡?,F(xiàn)場總線出現(xiàn)以后,,DCS的I/O控制站將向分布式結構發(fā)展,其控制功能將進一步分散到現(xiàn)場設備上,。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,。
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