淺談PLC的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

6) HART

HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫(xiě)。最早由Rosemout公司開(kāi)發(fā)并得到80多家著(zhù)名儀表公司的支持。HART通信模型也是由三層組成：物理層、數據鏈路層和應用層。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，數據傳輸速率為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(jiǎn)介

各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議具有各自的特點(diǎn)及應用領(lǐng)域，為進(jìn)一步說(shuō)明現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)，以下對PLC系統中應用較廣泛的PROFIBUS作一簡(jiǎn)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（數據傳輸速率9.6kbit/s~12Mbit/s）、經(jīng)濟的設備級網(wǎng)絡(luò )，主要用于現場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信，可滿(mǎn)足快速響應的時(shí)間要求；位于這一級的PLC或工業(yè)控制計算機可以通過(guò)PROFIBUS-DP同分散的現場(chǎng)設備進(jìn)行通信。

2) PROFIBUS-PA（Process Automation）：它是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化所設計的協(xié)議，可用于安全性要求較高的場(chǎng)合。

3) PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：可以用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )，FMS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功能而不是系統響應時(shí)間。FMS服務(wù)向用戶(hù)提供了廣泛的應用范圍和更大的靈活性，通常用于大范圍，復雜的通信系統。

5.2 PROFIBUS協(xié)議結構

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

PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信標準中的第一及第二層（即物理層和數據鏈路層）和用戶(hù)接口層。第三層到第七層未使用，這種的精簡(jiǎn)的結構確保高速數據傳輸。直接數據鏈路映像程序（DDLM）提供對第二層的訪(fǎng)問(wèn)。在用戶(hù)接口中規定了PROFIBUS-DP設備的應用功能，以及各類(lèi)型的系統和設備的行動(dòng)特性。這種為高速傳輸用戶(hù)數據而優(yōu)化的PROFIBUS協(xié)議特別適用于PLC與現場(chǎng)級分散的I/O設備之間的通信。

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

圖1 RS485總線(xiàn)段結構圖

圖1中兩根數據線(xiàn)通常被稱(chēng)為A線(xiàn)和B線(xiàn)，分別對應RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。根據數據線(xiàn)傳輸速率的不同，可選用雙絞線(xiàn)和光纖兩種傳輸媒體。

PROFIBUS采用了統一的介質(zhì)存取協(xié)議，由OSI參考模型的第二層來(lái)實(shí)現，并提供了兩種基本介質(zhì)存取控制方式：令牌總線(xiàn)和主從方式。其中令牌總線(xiàn)與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，主從方式的數據鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式（NRM）

HDLC中的非平衡正常響應模式的工作特點(diǎn)是：總線(xiàn)上一個(gè)主站控制著(zhù)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(Respond)，主站與從站間傳輸幀的格式如圖2所示。從站可以連續發(fā)出多個(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達到發(fā)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過(guò)程分為三個(gè)階段：數據鏈路建立、幀傳輸和數據鏈路釋放。

圖2 主站與從站之間傳輸幀的格式

對圖2的各項說(shuō)明如下。

1) F為幀標志字段（8位）

2) A為從站地址字段。

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

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

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

PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的應用層，而是自行設置了一個(gè)用戶(hù)層，即用戶(hù)接口。該層定義了DP的功能、規范與拓展要求等。

綜上所述，PROFIBUS是一種國際化的、開(kāi)放的、不依賴(lài)與設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，在制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他自動(dòng)化領(lǐng)域。特別是，PROFIBUS在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性方面有更大的特點(diǎn)，PROFIBUS-DP的實(shí)時(shí)性遠高于其他局域網(wǎng)，因而特別適用于工業(yè)現場(chǎng)。

PROFIBUS在我國的應用也較為廣泛。2001年11月，PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)成為中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T10308.3-2001。