1、第6章 Profibus 的通信协技术及DP-V0/V1PROFIBUS的通信协议模型让我们再回顾一下PROFIBUS的通信协议模型PROFIBUS DP的基本概念 3.基本特点PROFIBUS DP有如下基本特点：网络中所有从站具有同样的优先权；网络可以是单主站或多主站结构；可以进行循环和非循环通信。第一类主站和从站间的通信是循环的、不间断的；非循环数据通信可以通过DP-V1来实现；为了安全原因，只能有一个主站对相应的从站进行控制（写入数据）；一类主站和二类主站均可以读取从站的数据；每个从站可以有多达244字节的输入和输出数据；传输速率可以高达12Mbps。26.1数据链路层6.1.1介质访
2、问控制方式4.总线存取过程PROFIBUS DP的总线存取过程遵循以下原则：各主站之间采用令牌（Token）交换的规则，按序交换令牌。令牌相当于一种权力，谁握有令牌，谁就有对总线的使用权力，没有令牌的一方只有等待。令牌只有一个，所以同一时间内只能有一个主站拥有令牌，这就避免了多人发布命令而造成的混乱。在拥有令牌的时间内，该主站必须完成它应该完成的任务。从站只能接受主站的请求而产生响应，它不能向主站提出请求。每个主站都有它自己所控制的从站，它不能控制其他主站的从站，但它可以读取其他从站的数据。第二类主站可以对任何从站进行读取操作，但这种操作是非循环的。5.1 PROFIBUS DP的基本概念 4
3、.总线存取过程6.1数据链路层6.1.2数据传输服务1.传输服务数据链路层中包含了对数据传输报文的一般结构描述、安全机制设置以及可能提供的服务。IEC61158中定义的PROFIBUS传输服务包括：1）SDA（Send Data with Acknowlege） 该服务只在FMS中使用。数据传输给主站或从站，然后发送一个确认信息作为响应。2）SRD（ Send and Request Data with Acknowlege ）在一个信息循环内完成数据发送和接收。3）SDN （Send Data with No Acknowlege） 用于广播传送和多点传送的报文中。6.1数据链路层6.1.2
4、数据传输服务2.字符和位组结构1）异步传输数据链路层的数据由一定数量的异步传输特征码（字符）组成。每个PROFIBUS的特征码按UAR/T（Universal Asynchronous Receive/Transmit）格式编码，每个特征码由11位组成，即1个起始位，8个数据位，1个校验位，1个停止位。6.1数据链路层6.1.2数据传输服务3.字符和位组结构1）同步步传输数据链路层数据的每个字节用8位位组，即和原字节相同。6.1数据链路层6.1.2数据传输服务3.数据链路层的报文的一般结构1）异步传输时SD（Start Deliniter）:报头LE（Net Data Length）：数据长度
5、DA（Destination Address）：目标地址SA（Source Address）：源地址FC（Founction Code）：功能码DU（Protocal Data Unit ）：协议数据单元FCS（Frame Check Sequence）：校验码ED（End Delimiter）：报尾6.1数据链路层6.1.2数据传输服务2.数据链路层的报文的一般结构1）同步传输时CRC：循环冗余校验码 和异步相比： 同步传输每个字节都是8位位组，异步传输是每个字节都表示成11位的字符； 同步传输报文中没有ED； 两者的差错检查机制也不一样。 其他相同。6.1数据链路层6.1.2数据传输服务6
6、.报文种类不同的报头内容反映了报文的类别1）SD1=0 x10请求FDL状态，寻找一个新的活动站点，报文固定长度，没有数据单元2）SD2=0 x68用于SRD服务，报文中有不同的长度3）SD3=0 xA2数据单元长度固定的报文4）SD4=0 xDC托肯报文，用于两主站之间发送总线通道授权6.1数据链路层6.1.2数据传输服务5.功能码的含义功能码FC字节用来说明报文的性质、站的类型和状态，以及在请求和相应情况下报文的功能。b7常为零b6: 值为1时，请求报文；值为0时，响应报文b4、5： b6=1，b5=FCB，b4=FCV b6=0，b5、b4组合（00，01，10，11）表示站点类型和 状
7、态6.2应用层6.2.1应用关系：协调AP现场总线应用层（FAL）是一种应用层通信标准，为用户程序提供访问现场总线通信环境的手段。FAL的服务和协议由包含在应用进程中的应用实体（AE）来提供AE由ASE和LME组成ASE：面向对象的一组应用服务元素，提供一组有关的应用进程对象（APO）类别上操作的通信服务LME：管理AE的层管理实体AP：现场总线应用进程。使用应用关系端点（AREP）进行访问通信6.2应用层6.2.1应用关系PROFIBUS 提供了多种AR类型：1）MS0：一个或多个主站（2类）的AP与所有有关DP从站的AP之间的应用关系；可选的一个或多个DP从站的AP与所有有关DP从站的AP
8、之间的应用关系；2）MS1：一个主站（1类）的AP与一个有关DP从站的AP之间的应用关系；2）MS2：一个主站（2类）的AP与一个有关DP从站的AP之间的面向连接的应用关系；3）MS3：一个主站的AP与一组有关DP从站的AP之间的无连接的应用关系，用于时间的同步；4）MM1：一台组态设备（2类主站）的AP与一台有关控制设备（1类主站）的AP之间的无连接的应用关系；5）MM2：一台组态设备（2类主站）的AP与一组有关控制设备（1类主站）的AP之间的无连接的应用关系；6.7 PROFIBUS标本的发展PROFIBUS-DP从DP-V0到DP-V1、DP-V2随着PROFIBUS-DP应用领域的不断
9、扩大，它的版本也在不断地更新改造，不然就不能更好地适合新领域的具体要求。PI保证PROFIBUS的新版本100%地向后兼容，例如DP-V0的从站设备也可以在主站版本是DP-V1的系统中使用，只不过该从站没有DP-V1的功能；DP-V1的从站也可以在主站版本是DP-V0的系统中使用，只不过该从站的DP-V1功能不能使用而已。146.7 PROFIBUS标本的发展156.7 PROFIBUS标本的发展PROFIBUS-DP从DP-V0到DP-V1、DP-V2DP-V0 DP-V0是PROFIBUS-DP的最基本的版本，它只能完成主站和从站之间的循环数据交换，不能适应过程控制系统中的报警处理和参数设
10、置等功能的要求，也不能适应运动控制系统中的同步、等时控制的要求DP-V1DP-V1是专门针对PROFIBUS在过程控制领域的使用而开发的，PROFIBUS-PA使用的就是DP-V1。和DP-V0相比，最大的区别就是DP-V1增加了非循环数据交换，使其能完成过程控制中的一些非实时性的数据交换。DP-V2DP-V2是为PROFIBUS在运动控制和对实时性、精确性要求更高的场合使用而开发的。PROFIDrive使用的就是DP-V2。它主要增加的功能有：从站之间的通信、等时模式、同步模式、上载和下载和冗余功能。166.7 PROFIBUS标本的发展173.DP-V1通信协议的特点DP-V1通信协议的特
11、点主要有：总线存取 主站之间采用托肯传递方式，主站和从站之间采用轮询方式。通信 实现功能系统安全保证 6.2 PA的通信协议4.DP-V1的组成它是DP-V0的扩展版本。DP-V1包括循环数据交换和专为过程控制而设计的非循环数据交换，非循环数据主要指过程参数的上下限和报警范围，以及制造商的一些特殊数据。典型的DP-V1的总线循环周期如下图所示6.2 PA的通信协议4.DP-V1的组成在非循环数据交换中，1类主站和从站之间的通信称为MS1通信；2类主站和从站之间的通信称为MS2通讯。所以DP-V1的通信由循环通信MS0和非循环通信MS1、MS2组成。6.7 PROFIBUS标本的发展2.DP-V
12、2从站之间的通信DXB（Data eXchange Broadcast）该功能可以使从站之间使用广播方式而不需要绕道通过主站来进行直接而省时的通信，该通信方式也称为“旁路通信”方式。使用该功能时，这些从站扮演为“生产者”（publisher）的角色，使从站响应不通过协调的主站而直接到包含在此序列中的被称为“消费者”（subscriber）的其他从站。这样，从站就可以从其他从站直接读取数据，并将这些数据作为自己的输入，使响应时间减少了90左右，所以它适合于实时性要求非常高的场合。 206.7 PROFIBUS标本的发展2.DP-V2从站之间的通信DXB（Data eXchange Broadca
13、st）举例：需要光栅位置传感器数据的驱动器可以直接从光栅从站读取数据，以完成分布式的多轴驱动控制。 216.7 PROFIBUS标本的发展2.DP-V2等时同步模式（Isochronous Mode）此功能可实现主站和从站中的时钟同步控制，循环周期时间的长短与总线负载无关，从而实现高精度定位控制。等时同步模式中的时钟误差可以达到小于1s。该模式是使用“全局控制”（GC，Global Control）来使所有参加的设备循环与总线主循环同步的。 226.7 PROFIBUS标本的发展2.DP-V2等时同步模式（Isochronous Mode）举例：3个驱动器从站和主站组成的高精度位置控制系统。
14、236.7 PROFIBUS标本的发展2.DP-V2时钟控制该功能中，主站通过一种新的无连接的服务MS3实时地向所有从站发送时间标签（time stamp），使所有的从站与系统时间同步（其时钟误差小于1ms）。这个功能允许系统精确地跟踪事件，在对故障诊断结果即事件的顺序编制方面非常有用。 上载和下载此功能允许用少许命令在现场设备中装载任意大小的数据区，这使得更新程序和更换设备变得容易和简单。从站冗余在一些应用中需要具备冗余通信功能的现场总线设备，为此，PROFIBUS制定了从站冗余机制的规范。从站的冗余提高了系统的可靠性和容错能力。245.4 DP主站和从站的工作过程 主站工作过程当主站从组态
15、工程工具（2类主站）接收到它的参数配置后，它就开始同属于它的从站进行通信了。主站的参数配置包括参数化/组态数据，以及它所控制和联系的从站地址。主站正是通过参数化和组态这两个报文认识属于它的从站的，主站只和它自己的从站进行联系。上电时，主站先和从站联系检查它们的时基（波特率），主站通过组态报文把波特率送给从站，ASICs使从站自动适应主站所设置的波特率。从站监控它所接收到的每一个报文，一旦发现任何不正确的通信结果或现象，主站立即通过诊断报文得到消息，从站会自动将它的输出设置到安全状态。随后主站会重新对从站进行参数化和组态。上电或复位后，主站和它的从站的通信顺序按地址号从小到大进行，主站之间的令牌
16、传递也是按地址号从小到大进行的。：4种离线模式：无通信；停止模式：主站在总线上，但是不调用从站；清除模式：从站处理器被激活，但输出处于安全状态；操作模式：读输入，写输出。5.4 DP主站和从站的工作过程2.从站工作过程从站的状态机构集成在ASICs的硬件中，用户不能对它进行干预。 从站工作过程从站工作过程5.4 DP主站和从站的工作过程 2.从站工作过程Power_On 在上电时，从站可以从2类主站接收“设置从站地址”（Set-Slave-Address）报文，改变从站地址。也只有在上电时从站才能改变地址。Wait_Parameterization 在最初的内部起动后，进入等待参数化（Wait
17、_Prm）阶段，这时从站可以接收诊断请求报文或参数化报文，但不能接收其他任何报文。参数化报文中包含许多标准化的信息，如是否支持同步/锁定（Sync/Freeze）方式、主站地址以及其他用户定义的功能。Wait_Configuration 接下来进入等待组态（Wait_Cfg）阶段，组态报文主要定义数据交换中输入/输出字节的数量，从站会核查该组态是否适合自己，并把结果报告给主站。 对每个主站来说，它可以在从站的任何状态下得到“获取组态”（Get_Cfg）报文。Data_Exchange 如果参数化报文和组态报文都被从站接受的话，说明对该从站成功完成了组态。接下来主站和从站就可以自动进入数据交换阶
18、段了。6.5 DP主站和从站的工作过程 2.从站工作过程Diagnosis 诊断报文有高的优先级，从站状态机构的状态、参数化/组态的正确与否，以及用户所设定的诊断内容都包含在诊断报文中，从站在任何状态下都可以响应主站诊断报文的请求。在从站初始化时，从站可能会发送回一个错误信息或状态信息。Watchdog 看门狗是每个计算机控制系统中的一项重要功能，它能监控系统工作过程的正常与否，防止死机或死循环的出现。PROFIBUS中，从站利用看门狗功能监控总线的通信情况，保证主站处于激活状态，保证通信及过程数据一直处于更新状态。看门狗的时间是在参数配置报文中确定的。在每一次正常的通信回合后，它都能被复位。
19、如果有意外发生，看门狗时间溢出，则从站状态机构自动返回到Wait_Prm状态，并把输出设置到安全状态（根据是否设置安全状态而定）。6.6 DP各站的功能及通信 功能主站（主要指1类主站） 把输出数据送往从站，如果需要的话也可以得到从站的输入数据。它的主要功能（基本功能包含在DP-V0版本中，扩展基本功能包含在DP-V1/V2版本中）有：控制托肯（令牌）的传递；负责把新的站点放入总线中；和组态好的从站进行数据交换；检测失败的从站；监测定义好的总线时间；监测组态从站的响应时间（包括重复传送报文）；建立托肯传递站点之间的联系。2类主站：负责系统组态，收集用于或来自于1 类主站的诊断数据从站：基本功能
20、包含在DP-V0版本中，扩展基本功能包含在DP-V1/V2版本中6.6 DP各站的功能及通信2.PROFIBUS DP的通信形式PROFIBUS DP 系统的通信形式主要有： 1类主站和从站之间；2类主站和从站之间； 1类主站和2类主站之间。5.2 DP各站的功能及通信2.PROFIBUS DP的通信形式主/从通信时实现的功能 5.2 DP各站的功能及通信2.PROFIBUS DP的通信形式主/主通信时实现的功能 各设备相互作用关系和各设备相互作用关系和使用的报文种类示意图使用的报文种类示意图主站主站1从站从站主站主站25.3 DP报文格式 DP报文格式标准的DP报文格式SAP的作用因为同时使
21、用FROFIBUS数据链路层FDL的可能不只有DP（可能还有FMS），为了保证DP的报文区别于其他报文，所以DP的报文加上了2个特殊字节：一个是目标服务存取点DSAP（Destination Service Access Point），另一个是SSAP（Source Service Access Point）。 DSAP和SSAP指明了具体的服务类型，它们能告诉别人这个本文的具体含义。但有一个特殊情况，即“数据交换”的报文中采用“Default-SAP”（缺省SAP，或不使用SAP）格式，因为规定FMS不能使用这种方式，所以仍能保证正确区分各自的报文。总之ASICs通过SAP保证了报文的准确接
22、收。5.3 DP报文格式2.服务点服务类型主站和从站之间5.3 DP报文格式2.服务点服务类型主站主站之间通信的服务点比较特殊：DSAP 和SSAP 均为36（54）。只有当从站支持该项功能时，从站37h（55）才有效。在DP报文中的目标地址和源地址，即DA和SA，它们分别为一个字节，其中低7位（2620）表示设备地址，而27位是非常重要的位，当该位为0时，表示在该报文中，没有使用DSAP/SSAP；当该位为1时，表示在该报文中，有DSAP/SSAP来指定相应的服务，这时的DA/SA在报文为1。但在使用分析软件时，一般还显示正常的地址，对这一点，大家一定要注意！5.3 DP报文格式3.举例1类
23、主站和从站之间（主站地址为1，从站地址为10）5.3 DP报文格式3.举例2类主站和从站之间（主站地址为0，从站地址为10）6.8 DP-V0报文详解 概述PROFIBUS DP-V0指的是1类主站和从站之间的循环数据通信，包括MS0和MM1。和从站进行通信时，在开始阶段主站是按下面的次序进行通信的：改变从站地址（该步可选，并不是每次上电都要进行的。如有需要，则该功能由2类主站完成）；诊断请求；从站参数设置；从站组态；诊断请求（为了保证开始阶段所有设定值的完全正确，在进入数据交换阶段之前需要再次进行诊断检查）；数据交换；全局控制（可选）。在正常通信的过程中，诊断报文、重新参数设置报文、重新组态
24、报文和全局控制报文可以根据需要自发传递。如果报文发送正确的话，从站将保持在数据交换状态。 5.8 简单PROFIBUS DP系统的组成系统软件主站使用的软件是Softing的PROFIBUS OPC Server，它集成有数据存取的行规（V2.05），可以对PROFIBUS DP-V0和DP-V1的变量进行读写操作，可以对OPC和PROFIBUS的通讯过程进行监测。本软件不能编程对控制对象进行控制，如果要编程，则必须再购置其他软件，如Softing的OPC Data Client Control。该软件的使用必须有PROFIcard -2卡（对笔记本电脑）和适配器。现在的PROFIBUS分析软
25、件有几种，最新的是荷兰PCC推出的ProfiTrace V1.3.1和Softing的Mobile PROFIBUS Analyzer V1.3。这些软件用来监测（listening）总线系统而对总线系统不产生任何影响，总线系统的通讯仍保持原来的状态。除了监测和分析信息交换外，它还可以完成一些其他分析功能。该软件的使用必须有硬卡。我们使用的是ProfiTrace V1.3.1，该软件功能强大，可以完成各种分析任务。 5.8 简单PROFIBUS DP系统的组成2.系统结构#10 Wiedmuller 24DI/8DO #11 Wiedmuller 3AI/1AO #12 Siemens ET2
26、00B 8RO #13 Siemens ET200S 10DI/20DO #14 Fraba encoder Rack 1 Master 1 Master 2 #20 Siemens ET200L-SC #21 Horner HMI #22 Bartec 4DO/8DI #23 ET200M (IM153-1) #24 Brad Harrison 16DI Rack 2 #30 PMA KS800 #31 Siemens ET200X #32 WAGO 752-323 #33 Siemens ET200L Rack 3 Master 4 Instructor CP5611 #1, CP5412 #0, CP5511 CP5611 #2, CP5412 CP5611 #4, CP5412 #34 Brad Harrison 16DI T #42 WAGO 752-323 #41 Nova Weigh Weighscale #43 Control Techniques Commander SE #40 WAGO 750-303 Rack 4 #44 Brad Harrison 16DI Master 3 CP5611 #3, CP5412 T 5.8 简单PROFIBUS DP系统的组成
