PROFIBUS-DP及其在柳州发电厂的应用

　　自1984年开始研制以来，PROFIBUS以其良好的实时性能，灵活的系统配置，方便的实现方法等优势成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，其应用范围更是覆盖了加工制造，过程自动化和建筑自动化等领域。PROFIBUS已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准。PROFIBUS—DP主要用于现场级分散I／O设备的高速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基础，一般构成单主站系统，主从站之间采用循环数据传送方式工作，其最高通信速率可达12Mbps。由于现场控制层对通信量的要求较低，而一般工厂底层的设备量又很大，往往有几百台设备，在这种环境下采用PROFIBUS—DP现场总线可以节省大量投资，把控制功能彻底下放到现场，实现开放的全分布式底层控制网络。
　　分散控制系统（DCS）经历了2O多年的发展已经发生了很大的变化。大部分DCS在现场级采用开放的网络协议标准，如现场总线或工业以太网。和利时公司的MACSTM系统使用PROFIBUS—DP现场总线连接分散I／O设备。2000年，使用MACS系统对柳州发电厂2号机组的热工控制系统进行改造，取得了较好的控制效果和经济效益。
1 PROFIBUS—DP的协议结构
　　PROFIBUS—DP的通信协议分为3层：物理层、数据链路层和用户接口。精通PROFIBUS—DP的协议结构和通信原理是实现PROFIBUS—DP协议的关键。
1．1 物理层
　　该层规定了PROFIBUS—DP的总线介质、网络拓扑、传输距离、传输速率、站点数以及总线接口。该层同时支持无总线控制功能的简单现场I／O设备和有总线控制功能的复杂设备。物理层通过采用差分电压输出的RS485实现电流连接，其基本传输特性如表1所示。

1．2 数据链路层
　　数据链路层主要实现两个功能：介质存取控制（MAC）和现场总线数据链路（FDL）服务。MAC描述了连接到传输介质的总线存取方式，它采用一种混合访问方法。PROFIBus—DP规定，在同一时刻，只能有一个设备在传输数据，所以在多主站系统中，各主设备之间用令牌总线方式；在主设备和从设备之间用循环查询的主一从方式。
　　PROFIBUS中提供了4种数据传输服务：SDA（发送数据要应答）、SRD（发送和请求回答的数据）、SDN（发送数据不需应答）、CSRD（循环性发送和请求回答的数据）。在DP中主要用到SRD和SDN。其中SRD允许本地用户向单个远程站点传送数据，同时向远程站点请求数据。该服务也允许本地用户只向远程站点请求数据，但并不发送数据（即数据发送单元为空）。若在传输中出现错误，则重复上述过程。SDN则用于本地用户同时向单个、多个或全部远程站点传送数据。本地用户在数据传送结束时会收到确认，但在数据传送过程中并无任何确认。
1．3 用户接口
　　DP中没有用到ISO／0SI中规定的应用层，而是使用自己定义的用户接口。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能并详细说明了各种不同PROFIBUS—DP设备的设备行为，还定义了DP的各种行规及扩展功能。行规对用户数据的含义做了具体说明，并且具体规定了PROF1B1JS—DP如何用于应用领域，利用行规可使不同厂商所生产的不同零部件互换使用。PROFIBUS—DP行规主要有以下几种：NC／RC行规、编码器行规、变速传动行规、操作员控制和过程监视行规。
　　DP的扩展功能允许非循环的读写功能并中断并行于循环数据的传输应答，另外，对从站参数和测量值的非循环存取可用于某些诊断或操作员控制站（二类主机，DPM2）。有了这些扩展功能，PROFIBUS—DP可以满足某些复杂设备的要求，例如过程自动化的现场设备、智能化操作设备和变频器等，这些设备的参数往往在运行期间才能确定，而且与循环性测量值相比很少有变化。因此，与高速周期性用户数据传送相比，这些参数的传送具有低优先级。DP的扩展功能可选，与DP基本功能兼容，通常采用软件更新的办法实现DP扩展功能。
2 PROFIBUS—DP的通信原理
2．1 报文格式
　　PROFIBUS—DP数据编码采用异步不归零制，传输线的空载电平为“1”。为了避免数据传输中发生冲突而导致数据丢失，在每个请求报文发送前必须保证至少．33位（同步时间）的空载状态。在单个字符间所有数据传送时没有间隙，即无缝。报文的格式如图1所示。
　　其中，SD为启动字节，用于区分报文的内容：
　　SD1—1OH，用于寻找GAP（到时间后，总线上有无新的活动站）；SD2—68H，用于可变长度的报文；SD3一A2H，用于固定数据长度的报文；SD4=DCH，表示该报文为令牌报文；SD5一E5H，短确认。[page]

　　DA：目的地址。
　　SA：源地址。
　　FC：控制字节，它定义报文类型，例如SDN，SDA和SRD分别作为握手报文和响应报文。该字节还包括防止信息丢失或重复的控制信息。CSRD不能通过总线辨识（对应于SRD）。
　　DU：数据单元。
　　FCS：校验字节，为DA，SA，FC，DSAP，SS—AP和DU的算数和，不考虑进位。
　　ED=16H，为终止字节。
　　另外，在SD2类报文中，LE为数据长度，包括DA，SA，FC，DSAP，SSAP和DU 的长度总和；LEr为长度重复；DSAP为目的服务存取点；SSAP为源服务存取点。PROFIBUS—DP中定义了9种SAP（服务访问点）服务，分别为54（用于主一主通信）、55（用于二类主站对从站设定站地址）、56（读输入）、57（读输出）、58（全局控制）、59（读组态）、60（读诊断信息）、61（传送参数）、62（校核组态）。
2．2 通信过程
　　PROFIBUs—DP的数据通信分为4个阶段：启动、初始化主站、配置及诊断从站、数据交换。启动阶段主要完成对DP设备的参数设定，这一步是DP网络能否安全、高速、稳定工作的关键。需要设定的参数主要有站点的地址、波特率、总线定时、站点的扩展功能以及SAP的激活。设置参数的依据来自于设备数据库文件（GSD），该文件以一种准确定义的格式给出每种DP设备特性的全面描述，由生产商以设备数据库清单的形式提供给用户。DP设备一旦投入使用，一般不会再改变，若有特殊情况要改变，要停止设备的运行，重新进行组态。
　　接下来要对主站进行初始化。此阶段主站要进行本站诊断，并对从站进行初步诊断。在进行本站诊断时，主站首先要检测本站及其下属从站地址，在DP中，每个站点的地址是唯一的，可用的地址范围为0～127，其中127为广播地址，未被指定地址的从站默认值为126。在网络中，一类主站的地址不能为126，也不能同地址为126的从站进行通信。检测地址无误后，主站对从站发送初步诊断报文。主站收到从站的响应后，并不对从站返回的内容进行处理，而是继续进行对从站的参数化和设置。若从站不响应主站，主站将连续查询从站，超过最大查询次数后，确认该从站不存在，在地址列表中删除该从站。
　　确认从站在线后，主站对其进行配置，包括对从站的参数化和组态。为了进行数据交换，主站要有合法的从站参数数据库，此数据库由参数和组态数据组成。每组数据对应于一个从站，包括描述一个从站的所有的信息，还包括总线参数和地址列表。主站发送参数报文和组态报文后都会收到从站的短确认响应。配置完毕后，主站要对从站进行二次诊断，以确保对从站的配置的正确性。此次主站要对从站返回的内容进行处理，查看对从站的配置是否正确，若诊断无误，则进入数据交换状态。以上阶段所传输的诊断及检测信息，均按照SD2类报文格式传输。
　　各个站点配置和诊断完毕后，进入数据交换状态。在PROFIBUs中，称消息请求的发起站为请求站，目标站为响应站或接收站。DP系统主要为单主系统。发起站总为主站，同级站点之间没有通信。在单主系统中，只存在主一从通信。主站只能和它所配置的从站进行通信，从站也只能和配置它的主站进行通信。通信时，由主站发出通信服务请求，其相应的从站接收到后，若需要返还数据，则将提前处理好的数据发给主站，若无数据请求，则发给主站一个短确认报文，用以确认。主站不能连续发送数据，每个数据包之间至少要插入33位空闲位，以避免数据冲突和丢失。而从站在接收到主站的数据后，不必等待33位空闲位，但要在最小延迟时间过后再响应主站，一般最小延迟时间为11 tBrr（1 tBIT一1／波特率）。在数据交换过程中，若从站有诊断信息要上报到主站，则该信息拥有较高的优先级，主站收到该信息后，会优先处理并给以回应。
3 ROFIBUS—DP在柳州发电厂的应用
　　广西柳州发电厂2号机组于1995年10月投入运行。机组的热工控制系统锅炉部分采用的是分立式的YS一80单回路调节器和JKDT数字组装仪表，汽机部分采用的是气动基地式调节仪，监视部分的数据采集系统（DAS）采用了EDPF一1000微机数据采集系统，以及大量的模拟仪表和巡测仪等；机组的保护联锁采用继电器及硬接线实现。这样的配置在当时属于中等水平，在生产运行中发挥了应有的作用，但同时也存在许多根本无法解决的问题，如协调控制无法投入，机组适应负荷变化的能力很差，无法快速响应电网的要求，自动化水平低，运行人员劳动强度大，保护可靠性低等。为了解决上述问题，该厂于2000年开始对2号机组的热工控制系统进行改造。[page]
　　经过比较和选择，该厂决定使用北京和利时公司的MACSTM分散控制系统。该系统是基于PROFIBUS—DP现场总线的新型控制系统，其体系结构如图2所示：

　　其中，最基层的控制网络由PROFIBUS—DP构成，在现场控制站中。主要用于与现场控制站主控单元和I／O模件通信，完成实时输入、输出数据传送服务。每个现场控制站主要由主控单元和I／O模件构成，此外还包括系统电源、现场电源、通信单元和控制网络等。主控单元和I／O模件之间的连接采用的是PROFIBUS—DP协议现场总线结构，传输速率为1．5～12 Mbps。传输介质为双绞线，主控单元作为PROFIBUS—DP总线的主站；I／O模件作为PROFIBUS—DP总线的从站。每个I／O站采用了2台冗余主控单元执行控制任务，CPU为奔腾233，采用8 M 电子盘工作，操作系统为实时多任务操作系统QNX，DP主卡可以达到通道级诊断，硬件设计上有看门狗回路，在发生意外死机情况下可以自动切换到备用主控单元工作，从而使得主控单元具有极高的可靠性。I／O模件采用FOCS（Filedbus Open Control System）紧凑型开放控制系统硬件，适用于现场工作环境，可以带电插拔，用拨码开关指定地址，可以确保工作的准确性。PROFIBUS—DP协议不仅是国际上通用的一种协议，开放性好，可兼容CAN、FF等多种现场总线网络，轻易地与其他现场总线仪表或设备相连接，系统扩展十分方便，而且可以安装到现场，节省大量电缆，简化系统结构，节省安装工期，调试也更加简单。柳州发电厂由于是老机组改造，电缆基本上已经到了集控室，本次改造采取的是机柜安装方式。现场控制站根据组态数据库和算法完成信号采集、数据转换、控制和联锁运算、现场信号输出等功能。
　　目前，2号机组改造工作已完成，投入正常运行。MACSM系统的运行情况基本达到了设计的功能，自动投入率达到了100。PROFIBUS—DP的运用使现场控制站能够快速、稳定、可靠地采集、传输和处理数据。MACS控制系统高效地完成了控制任务，达到了预期的效果。
4 结束语
　　PROFIBUS—DP是开放的、功能完善的国际现场总线标准之一。其协议芯片实现简单、价格低廉、易于推广，并得到世界上大多数有影响力的自控设备供应商的支持。现场总线是智能化仪表和计算机网络相结合的新一代底层控制网络。现场总线出现以后，DCS的I／O控制站将向分布式结构发展，其控制功能将进一步分散到现场设备上。因此，使用PROFIBUS—DP现场总线更新升级目前的DCS系统可以实现高智能化控制和高效率化管理，对于提高我国的自动化水平具有重要意义。
参考文献
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