PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統性能研究及診斷軟件開(kāi)發(fā)

　　隨著(zhù)越來(lái)越多工業(yè)控制系統采用了Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，對這些控制系統進(jìn)行具體的、直觀(guān)的和實(shí)時(shí)的在線(xiàn)分析與診斷成為了最基本的要求，要想完成這樣的任務(wù)，就需要有相應的工程分析診斷工具。國內外目前所研究的這些總線(xiàn)性能分析診斷工程工具存在著(zhù)功能不夠全面、界面不夠完善、價(jià)格昂貴、不適合中國國情等問(wèn)題。開(kāi)發(fā)一款能夠對總線(xiàn)系統進(jìn)行分析和診斷，方便的、性能價(jià)格比高的分析診斷工程工具必將成為急需的產(chǎn)品。

　　由于在PRIFBUS傳輸報文可以反映出總線(xiàn)性能的很多參數，包括各種故障狀態(tài)。比如：從參數化報文可以看出主站和從站的關(guān)系，從站的操作方式，包括通道參數、功能設定、裝置參數和ID號等。從組態(tài)報文可以看出從站I/0類(lèi)型及性質(zhì)，以及模塊的I/O性質(zhì)及數據類(lèi)型等。從診斷報文可以看出從站各種參數設置錯誤，各種組態(tài)錯誤，以及裝置模塊錯誤類(lèi)型。所以，本文作者就是在對Profibus-DP報文進(jìn)行詳盡分析的基礎上，采用VC++ 6.0開(kāi)發(fā)了一款基于串口通訊的Profibus性能分析診斷軟件。

　　1 Profibus工作機理

　　1.1 Profibus-DP編碼技術(shù)

　　PROFIBUS-DP交換數據使用異步傳輸技術(shù)和NRZ編碼。NRZ編碼的二進(jìn)制信號“0”或“1”的信號電平在信號持續期間維持不變。圖1所示為NRZ碼信號圖?！　?/p>

　　圖1 非歸零碼信號

　　每個(gè)數據鏈路層協(xié)議數據單元應由一定數量的字符組成，每個(gè)字符都是一個(gè)用于異步傳輸的起——停字符。

　　每個(gè)字符由11個(gè)比特組成，包括1個(gè)總是為二進(jìn)制“0”的起始比特(ST)，8個(gè)可以是二進(jìn)制數“0”亦可以是二進(jìn)制數“1”的信息比特，1個(gè)可以是二進(jìn)制“1”也可以是二進(jìn)制數“0”的偶校驗比特(P)，1個(gè)總是為二進(jìn)制數“1”的停止比特，如圖2所示?！?/p>

　　圖2 單個(gè)字符格式

　　接收器的比特同步總是從起始比特的下降沿開(kāi)始，也就是說(shuō)，在從二進(jìn)制“1”轉換到二進(jìn)制數“0”時(shí)開(kāi)始。在比特時(shí)間的中間應掃描起始比特和所有后繼的比特。在比特時(shí)間的中間，起始比特應是二進(jìn)制數“0”，否則認為同步失敗并停止同步過(guò)程。以二進(jìn)制“1”的停止比特來(lái)結束字符的同步，如果此時(shí)出現二進(jìn)制數“0”來(lái)代替此停止比特，則應認為并報告一個(gè)同步差錯或字符差錯，并應等待下一個(gè)起始比特的前導沿。

　　1.2 報文格式

　　如圖3所示，PRFIBUS-DP有以下5種報文格式。其中，SYN為同步周期，它是一個(gè)最小的時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內，每個(gè)站在它可以接收發(fā)送/請求報文幀或令牌起始部分之前，應從傳輸介質(zhì)接收空閑狀態(tài)(idle state)(idle=二進(jìn)制“1”)。同步周期最小為33個(gè)線(xiàn)空閑比特;SD為起始定界符，DA是目的地址，SA是源地址，FC是控制幀;FCS是幀校驗和，ED為結束定界符，值為16h，L是信息字段長(cháng)度，其中SD1= 10h，用于請求FDL狀態(tài)，尋找一個(gè)新的活動(dòng)的站點(diǎn)，報文長(cháng)度固定，沒(méi)有數據單元;SD2= 68h，用于SRD服務(wù)，報文的數據長(cháng)度可變;SD3 = A2h，數據單元長(cháng)度固定(L總為8字節);SD4 = DCh，表示該報文為令牌報文;SC =E5h, 短確認報文?！?/p>

　　圖3 PROFIBUS—DP鏈路層報文格式

　　2 報文診斷軟件的實(shí)現

　　2.1 實(shí)驗平臺

　　圖4為作者組建的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗系統結構圖。在網(wǎng)絡(luò )系統中，1類(lèi)主站為SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC，PC工控機作為2 類(lèi)主站，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡CP5611與DP 總線(xiàn)相連， WAGO公司的750-333、BECKHOFF公司的BK3120、SIEMENS公司的ET200-L及和利時(shí)公司的LM3107 PLC等PLC設備作為從站連接到DP網(wǎng)絡(luò )中?！　?/p>

　　圖4 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗系統結構圖

　　2.2 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　軟件開(kāi)發(fā)工具為VC++6.0，通過(guò)計算機標準串口通信，將PROFIBUS—DP報文采集到上位機進(jìn)行處理。PROFIBUS-DP系統作為實(shí)驗平臺，采用RS485/RS232通信電纜將其RS485的一端接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )連接器的背插接口，RS232一端直接接入到PC機的串口。

　　2.3 軟件系統基本程序框圖

　　軟件系統的程序基本架構流程圖如圖5所示?！?/p>

　　圖5基本程序框架流程圖

　　整個(gè)系統軟件包括如下幾個(gè)模塊：

　　1)程序主控模塊：負責實(shí)現程序邏輯與主界面，調用串口通信模塊和接收顯示模塊。

　　2)串口通信模塊：負責實(shí)現串口通信任務(wù)，PROFIBUS-DP報文數據采集及串口參數設置。

　　3)數據處理模塊：根據PROFIBUS-DP協(xié)議報文格式，將采集上來(lái)的數據按報文格式進(jìn)行處理，并存入臨時(shí)緩沖區。

　　4)接收顯示模塊：負責實(shí)現接收數據的處理與顯示。

　　5)數據庫模塊及數據查詢(xún)模塊，用來(lái)實(shí)現對采集到報文的歷史數據的分析和查詢(xún)。

　　2.4 關(guān)鍵技術(shù)

　　該軟件主要是實(shí)現對PROFIBUS報文進(jìn)行提取，實(shí)現在線(xiàn)采集PROFIBUS-DP報文數據，從數據鏈路層角度對各種報文進(jìn)行分析，完成各種類(lèi)型報文的顯示，完成對報文種類(lèi)、服務(wù)類(lèi)型、地址、數據長(cháng)度及數據單元等信息的提取顯示，并對診斷報文、參數化報文及組態(tài)報文等的數據單元進(jìn)行詳細的分析，得出總線(xiàn)性能的各種參數及故障原因，將分析過(guò)的數據存儲進(jìn)數據庫，存入臨時(shí)緩沖區，根據需要將分析過(guò)的報文信息存入數據庫，實(shí)現歷史查詢(xún)。

　　如何實(shí)現報文幀的提取是本軟件設計的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于PROFIBUS報文格式有很多種，而且包括數據長(cháng)度不固定的可變報文。雖然各種報文都具有固定的報頭、報尾，但是存在的問(wèn)題是報頭報尾并不是特定的字符，有可能和報文中數據單元內容一樣，所以這里利用報頭報尾進(jìn)行報文的提取是不可行的。作者在這里利用各種報文幀前的同步字符進(jìn)行報文提取，也就是說(shuō)，在每個(gè)完整報文幀傳輸之前，其前面都有一個(gè)不小于33bit的同步時(shí)間，在報文幀中間是沒(méi)有任何間隔的，利用這一同步時(shí)間，在VC++中利用超時(shí)函數，對報文幀進(jìn)行了完整地提取。

　　另外，由于通信數據量很大，速度較快，這里采用了WINDOWS多線(xiàn)程技術(shù)。一個(gè)線(xiàn)程為監視線(xiàn)程，監視串口通訊，一個(gè)為數據處理主線(xiàn)程，另外一個(gè)為定時(shí)刷新數據庫線(xiàn)程。當監視線(xiàn)程監視到串口中有數據到達時(shí)，就觸發(fā)一個(gè)消息通知數據處理主線(xiàn)程，數據處理主線(xiàn)程就去串口緩沖區中取出數據，并進(jìn)行數據處理。定時(shí)器線(xiàn)程定時(shí)刷新數據庫顯示，以實(shí)現實(shí)時(shí)顯示功能。

　　作者在程序編寫(xiě)的過(guò)程中，出現數據庫不能實(shí)時(shí)刷新的情況，后來(lái)發(fā)現問(wèn)題出在WINDOWS的WM_TIMER定時(shí)器上，由于該定時(shí)器消息優(yōu)先級較低，可能造成WM_TIMER消息的丟失，所以不能實(shí)現數據庫的實(shí)時(shí)刷新。解決的方法是采用WINDOWS的多媒體定時(shí)器。在使用多媒體定時(shí)器的過(guò)程中，定時(shí)間隔的選取又是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，定時(shí)間隔選取太小，將會(huì )耗費大量的CPU內存，造成系統“死機”, 定時(shí)間隔選取太大，又不能完成“實(shí)時(shí)”顯示功能。這里又涉及到PROFIBUS總線(xiàn)信息循環(huán)時(shí)間的問(wèn)題，總線(xiàn)信息循環(huán)時(shí)間與總線(xiàn)傳輸的波特率、從站的數量、I/O數據的數量、從站需要的延遲時(shí)間以及主站的空閑時(shí)間等有關(guān)。作者通過(guò)了大量的計算和多次實(shí)驗調試，尋找到一個(gè)合適的定時(shí)器間隔。

　　2.5 顯示界面

　　該PROFIBUS-DP報文分析軟件的程序界面包括主界面、串口配置界面、報文過(guò)濾界面、報文查詢(xún)界面、數據庫存儲界面以及歷史查詢(xún)界面等。

　　PROFIBUS-DP分析診斷軟件的運行主界面如圖6，窗口左上部分“當前profibus報文”組框內存放最近采集到的PROFIBUS-DP報文信息，并可通過(guò)工具欄上的記錄移動(dòng)按鈕滾動(dòng)察看記錄;右上方“信息面板”是用來(lái)顯示所有查看報文的詳細信息。窗口下半部分以網(wǎng)格形式顯示PROFIBUS-DP歷史信息。

　　若需要打開(kāi)串口，開(kāi)始接收PROFIBUS報文信息，則可選擇“命令”菜單下的“開(kāi)始接收”項;若需停止接收PROFIBUS報文信息，則可選擇“命令”菜單下的“停止接收”項;若需要配置串口參數，則可選擇“命令”菜單下的“串口配置”項，此時(shí)將彈出“串口配置對話(huà)框”，若需清除當前所有記錄，可選擇“記錄”菜單下的“清除所有記錄項”命令，如果需要分類(lèi)查看各種報文，可以選擇“查看”命令菜單下的“報文查詢(xún)”，此時(shí)將彈出“報文查詢(xún)對話(huà)框”，可根據需要進(jìn)行報文分類(lèi)查看?！　?/p>

　　圖6 軟件運行主界面