淺談PLC的現(xiàn)場總線技術(shù)

6) HART

HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持。HART通信模型也是由三層組成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用了FSK（Frequency Shift Keying）技術(shù)，在4~20mA模擬信號上疊加一個(gè)頻率信號，數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bit/s，邏輯“0”的信號頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號傳輸頻率為1200Hz。

5 PROFIBUS簡介

各類現(xiàn)場總線協(xié)議具有各自的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，為進(jìn)一步說明現(xiàn)場總線技術(shù)的特點(diǎn)，以下對PLC系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的PROFIBUS作一簡要介紹。

5.1 PROFIBUS的組成

PROFIBUS主要由三個(gè)相互兼容的部分：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP組成。

1) PROFIBUS-DP（Distrbuted Periphery）：一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s~12Mbit/s）、經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足快速響應(yīng)的時(shí)間要求；位于這一級的PLC或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可以通過PROFIBUS-DP同分散的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。

2) PROFIBUS-PA（Process Automation）：它是專為過程自動化所設(shè)計(jì)的協(xié)議，可用于安全性要求較高的場合。

3) PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：可以用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)MS提供大量的通信服務(wù)，用以完成中等級傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信服務(wù)。對于FMS而言，它考慮的主要是系統(tǒng)功能而不是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。FMS服務(wù)向用戶提供了廣泛的應(yīng)用范圍和更大的靈活性，通常用于大范圍，復(fù)雜的通信系統(tǒng)。

5.2 PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS協(xié)議以ISO/OSI參考模型為基礎(chǔ)，第一層為物理層，定義了物理的傳輸特性；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層至第六層PROFIBUS未使用；第七層為應(yīng)用層，定義了應(yīng)用的功能。

PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信標(biāo)準(zhǔn)中的第一及第二層（即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口層。第三層到第七層未使用，這種的精簡的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序（DDLM）提供對第二層的訪問。在用戶接口中規(guī)定了PROFIBUS-DP設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行動特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS協(xié)議特別適用于PLC與現(xiàn)場級分散的I/O設(shè)備之間的通信。

PROFIBUS-DP物理層與ISO/OSI參數(shù)模型的第一層相同，采用EIA-RS485協(xié)議，如圖1所示。

圖1 RS485總線段結(jié)構(gòu)圖

圖1中兩根數(shù)據(jù)線通常被稱為A線和B線，分別對應(yīng)RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。根據(jù)數(shù)據(jù)線傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸媒體。

PROFIBUS采用了統(tǒng)一的介質(zhì)存取協(xié)議，由OSI參考模型的第二層來實(shí)現(xiàn)，并提供了兩種基本介質(zhì)存取控制方式：令牌總線和主從方式。其中令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式（NRM）

HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式的工作特點(diǎn)是：總線上一個(gè)主站控制著多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路：主站發(fā)出命令（Command），從展給出響應(yīng)(Respond)，主站與從站間傳輸幀的格式如圖2所示。從站可以連續(xù)發(fā)出多個(gè)幀，直到無信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個(gè)階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和數(shù)據(jù)鏈路釋放。

圖2 主站與從站之間傳輸幀的格式

對圖2的各項(xiàng)說明如下。

1) F為幀標(biāo)志字段（8位）

2) A為從站地址字段。

3) C為控制字段，表示幀類型、編號、命令和控制信息。該字段將HDLC幀分為3種類型：信息幀（I）、監(jiān)控幀（S）、和無編號幀（U）。其中信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)（Useful Date）的傳輸并捎帶應(yīng)答；監(jiān)控幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態(tài)做出各種響應(yīng)（如認(rèn)可幀、請求重傳或暫停等）；無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式，釋放鏈路及報(bào)告特殊情況等

4) 信息字段由PKW和PZD兩部分構(gòu)成。PKW（Parameter ID）用于讀寫參數(shù)值，如寫入控制字或讀出狀態(tài)字等，一般為4Byte長；而PZD（Process Date）用于存放控制器的具體控制值，設(shè)置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為2~10Byte長。

5) FCS是幀校驗(yàn)字段，它對整個(gè)幀的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗(yàn)。該HDLC幀最長可達(dá)24Byte。

PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的應(yīng)用層，而是自行設(shè)置了一個(gè)用戶層，即用戶接口。該層定義了DP的功能、規(guī)范與拓展要求等。

綜上所述，PROFIBUS是一種國際化的、開放的、不依賴與設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他自動化領(lǐng)域。特別是，PROFIBUS在滿足實(shí)時(shí)性方面有更大的特點(diǎn)，PROFIBUS-DP的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)高于其他局域網(wǎng)，因而特別適用于工業(yè)現(xiàn)場。

PROFIBUS在我國的應(yīng)用也較為廣泛。2001年11月，PROFIBUS現(xiàn)場總線成為中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3-2001。