PROFIBUS-DP总线及在烟草设备上的应用

一、前言

　　PROFIBUS是 Process Fieldbus 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即EN50170欧洲标准。根据应用特点将PROFIBUS分为以下三个兼容版本：

　　1. PROFIBUS-DP：一般应用于工厂自动化，经过优化的高速、廉价的通讯连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通讯设计，可取代价格昂贵的24V或0—20MA并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。

　　2. PROFIBUS-FMS：一般应用于通用性自动化，解决车间级通用性通讯任务，提供大量的通讯服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务。

　　3. PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。

　　目前世界上近300家自动化技术生产厂家为它们生产的近5000种产品提供PROFIBUS接口，在烟草行业，随着技术改造的逐步深人，PROFIBUS产品应用日益增加，特别是带PROFIBUS-DP接口的产品，广泛应用在滤嘴成型、卷接、卷烟/滤棒储存输送等设备的自动控制系统、传感器、人机界面（HMI）及驱动器件上，大大简化和方便了设备安装、检修及维护，提高了设备的可靠性及有效作业率。

二、PROFIBUS-DP总线的主要特点

　　1. 传输简单、安全、快捷：其传输技术如图一所示采用一种两端有终端的总线拓扑，可确保在运行期间接入和断开一个或多个站而不影响其它站。

　　PROFIBUS-DP总线允许选择RS485或光纤两种不同的物理层，一般设备级现场总线采用RS485，传输介质采用屏蔽双绞铜线电缆，其传输速度在9.6kb/s—12Mb/s间可选，通过中继器可将输送距离延长到10公里，在不带中继器的情况下，电缆的最大长度取决于传输速度，如表一所示：

　　2. 系统培置高度灵活：PROFIBUS-DP总线可根据需要构成单主站和多主站系统：

　　单主站系统只有一个活动主站，可获得最短的总体循环时间。

　　多主配置中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统或作为网上附加配置和诊断设备，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（系统配置时指定的DPM1）写入输出数据。

　　PROFIBUS-DP总线最多允许127个站点，其输入和输出报文最多包含246个字节的信息量。

　　3. 诊断功能强大：诊断信息分成本站诊断、模块诊断和通道诊断三类，经过扩展的PROFIBUS-DP可对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站收集。

　　4. 同步功能严格、保护机制可靠：PROFIBUS-DP总线在控制指令中允许输入输出的同步，并由同步模式和锁定模式确保数据传输的同步操作。

　　PROFIBUS-DP总线通过以下四项保护措施保证数据的可靠传输和接收：

　　①.所有信息传输以海明距离HD=4进行;

　　②.DP从站带有看门狗定时器;

　　③.DP从站输入输出从站保护;

　　④.DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。

　　5. PROFIBUS-DP总线产品互换性强、使用简单：由于PROFIBUS行规对系统行为进行详细的规定，因而保证了同类产品严格互换，另外PROFIBUS-DP总线产品的不同性能特征均在数据库文件（GSD）中具体说明，使用基于GSD文件的组态工具可将不同厂商的产品集成，从而达到使用简单、连接方便的效果。

　　6. PROFIBUS-DP总线产品性价比高：相对于控制系统，采用PROFIBUS-DP总线产品的系统安装成本可降低40%，功能强大的工具减少了组态和维护费用，用成本低廉的双绞电缆便可替代PLC/PC与I/O之间成本昂贵的电缆线，全分散性控制系统的体系结构简化了系统结构，提高了可靠性，系统的智能化、数字化提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。

三、PROFIBUS-DP总线的协议结构

　　PROFIBUS-DP协议的结构定向根据ISO7498国际标准以开放系统互连网络OSI为参考模型，如图二所示：

　　PROFIBUS-DP使用第1层，第2层和用户接口，第3层到第7曾未加以描述，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（DDLM）提供易于进入第2层的用户接口，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，还提供传输用的RS485传输技术或光纤。[page]

四、PROFIBUS-DP的总线存取协议

　　1. 三种PROFIBUS（DP.FMS.PA）均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。

　　2. 在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link - FDL）。介质存取控制（Medium Access Control - MAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。

　　3.PROFIBUS协议的设计要满足介质控制的两个基本要求：

　　①. 在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

　　②. 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

　　为了满足以上设计要求，PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。

　　4.令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，可能有以下三种系统配置：

　　①.纯主-从系统

　　②.纯主-主系统

　　③.混合系统

　　如图三所示，以一个由3个主站.7个从站构成的PROFIBUS系统为例。3个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主-从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主-主通讯关系表与所有主站通信。

　　5. 在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。

　　在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。

　　6. 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。

　　7. PROFIBUS在第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及选择广播功能.

　　8. PROFIBUS-DP用户数据的接受和发送一般通过现场总线数据链路（FDL）采用带应答的数据发送和请求（SRD）服务方式完成，其报文格式如下：

　　SRD请求：

　　SRD响应：

　　SYN—同步位：每个握手报文前必须保持33位长的空闲状态（二进制“1”信号）。

　　SD2—启动符：规定报文类型。

　　SD1：不带数据域的信息域长度固定格式

　　SD2：信息域长度可变格式

　　SD3：带数据域的信息域长度固定格式

　　SD4：令牌报文

　　SD5：短确认

　　LE­—报文长度

　　LEr—重复报文长度

　　DA—目的地址

　　SA—源地址

　　FC—功能码（帧控制）：定义报文类型。

　　UD（UNIT DATD）—数据域

　　FCS—校验字节（帧校验序列）。

　　ED—终止字节[page]

五、GSD文件

　　每一个PROFIBUS-DP主站、从站可能是不同厂商的产品，在组建系统时需要有设备描述数据库文件，这就是GSD文件。GSD文件是用特定格式描述现场设备技术参数的ASCⅡ文件，它是专门软件环境下编辑生成的。详情可参见参考文件[2]。使用根据GSD文件所做的组态工具可以将不同厂商的设备集成在同一总线系统中。这些是PROFIBUS-DP智能芯片工作的环境，一旦含有PROFIBUS-DP智能芯片的DP从站生成GSD文件后，相当于该从站持有一个通用的“身份证”，则这个从站可在任一DP主站下组建系统。

六、PROFIBUS-DP总线在烟草设备上的应用

　　1.PROFIBUS-DP芯片SPC3在YJ17/YJ27卷接机组（7000支/分钟）上的应用

　　SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER）集成了完整的DP协议，包含方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器、各种缓冲器指针和缓冲区等。它有8根数据线及11根地址线，其中低8位地址线与数据线复用，可外接80C32、80C116、80C165、HC11、HC16、HC196等单片机。

　　YJ17/YJ27卷接机组是中烟机械集团公司于上世纪90年代中期从德国HUANI公司引进的技术，相当于PROTOS70。其生产原料是烟丝、滤棒、盘纸、水松纸、胶等，产品是卷制好的一支支香烟。在高速运行的过程中，烟丝与滤棒的进料、盘纸与水松纸的拼接等等一系列动作都影响烟支的质量。YJ17/YJ27卷接机组及PROTOS70其传统的参数调节主要靠机械和电气的各种开关、手柄、按纽、继电器来控制，繁琐而不精确。我们通过PROFIBUS-DP组建控制系统，操作工根据机器状态在触摸屏上很容易地精确设置，调节生产过程中的各项参数。

　　YJ17/YJ27卷接机组电控系统原理框图见图四。在每个DP从站上都带有SPC3芯片及其相关的硬件电路。主站上可以设置各种参数，如：机器运行速度、进料情况、烟支数量、烟支稀释度上下限、烟支重量上下限等等。从站参照这些设定值控制机器正常运转;而机器动态、静态的各种参数由每个从站搜集整理并在主站上可一览无余。中间数据传输就是PROFIBUS-DP的功劳了。每个模块（主、从站）的功能实施靠软件设计人员来完成。

　　2.带PROFIBUS-DP接口的成型产品在滤棒成型机、卷烟/滤棒储存输送系统等产品上的应用

　　滤棒成型机生产原料是丝束、盘纸、塑化剂、胶等，产品是卷制好的一支支滤棒，在高速运行的过程中，丝束进料、塑化、拉伸以及盘纸的拼接等等一系列动作都影响滤棒的质量。卷烟/滤棒储存输送系统是将卷制好的卷烟/滤棒从卷接机组/成型机输送到包装机/发射机，考虑到上下游机的速度匹配，卷烟/滤棒储存输送系统还应具有一定中间缓冲能力，以保证整条生产线连续可靠的运行。

　　随着FCS（FIELD CONTROL SYSTEM）不断发展，采用PROFIBUS-DP总线接口的成型产品愈来愈多，其应用也越来越广。由于PROFIBUS-DP总线前面所述的种种优点，我们在对滤棒成型机、卷烟/滤棒储存输送系统等产品的电控系统进行设计时，一般采用带PROFIBUS-DP接口的PLC、工控机、触摸屏、驱动系统、I/O模块等器件构成PROFIBUS总线网络，其一般配置如图五所示。

七、结论

　　从以上的讨论可知，PROFIBUS-DP网只有三层结构，是一种低级的工业局域网，而使用了主-从方式的介质存取控制方式，使该网的实时性远远高于其它局域网，因而特别适合用于工业现场。该总线在上述实例中应用效果良好，从站与主站之间进行有效的、可靠的信号传输，但在实际应用中，也存在一定的缺陷，如若向网中增加或删除站点时，不能真正实现“即插即用”，而要重新初始化整个网络，并对各站重新排序，这一过程实现起来比较麻烦。但与以前烟草设备上应用的分散性控制技术（DCS）相比，PROFIBUS-DP网有着无可比拟的优点。首先，在DCS系统中，仪表是非智能化的设备，它只是简单地测量外部信号并转化成模拟信号进行传输，而FCS系统则将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用，因而具有智能化的特点;其次，将获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析，从而实现了“危险分散”，增加了整个系统的可靠性;再者，采用开方式的结构和同一的国际标准，网络可采用多种拓扑结构及不同厂家的软硬件和通讯规程，即兼顾了产品的兼容性,最后，PROFIBUS-DP网络传输速度高，抗干扰能力强，是一种性能优良的现场总线控制网络。

参考文献：

　　[1] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1999.9.

　　[2] Device Description Data Files GSD SIEMENS 1999.

　　[3] SPSC3 User Description SIEMENS 1996.

　　[4] 惠敦炎. PROFIBUS-DP之扩展功能，自动化博览2002年第1期.