万方数据应用・交流机床电器２００２ Ｎｏ．２ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线在工业控制系统中的研究与应用魏亮，宋立群．张志杰（东华大学２０００５１）魏本茂（天水２１３机床电器厂７４１００１） 摘要：本文对现场总线进行了简要的概述，着重介绍了Ｐｔｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线的通信方式，特点和基本功能。并举例说明了基于Ｐｍｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线技术的典型应用。关扭词：现场总线； Ｐｒｏｆｉｂｕｓ；主站；从站中圈分类号： ＴＭ７６２文触标识码：Ｂ文章编号：１００４一０４２０（２００２）０２一（１０４７一０３Ｒｅ ｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＲＯＦＴＢＵＳ ＦＳｅｌｄｂｕｓ ｉｎ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＷＥＩ Ｌｉａｎｇ， ＳＯＮＧ Ｌｉｑｕｎ， ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉｊｉｅ Ｄｏｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ（２０００５１）ＷＥＩ Ｂｅｎｍａｏ Ｔｉａｎｓｈｕｉ ２１３ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆａｃｔｏｙｒ（７４１００１） Ａｂｓ４８ｃｌ： Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｉｓ ｂｒｉｅｌｆｙ ｉｎｔｏｒｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｅｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｂａｓｉｃ ｆｉｎｅｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐｒｏｉｆｂｕｅ－ＤＰ． ＦｎａＵｙ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｍｆｉｂｕｓ－ＤＰ ｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ．Ｋｅ ｙｗｏｔ也：Ｆｉｅｌｄｂｕｓ； Ｐｒｏｉｆｂｕｓ； Ｍａｓｔｅｒ； Ｓｌａｖｅ随着现代化工业的不断前进，人们对生产过程 备（ＤＰ）型隐去了第３层至第７层．而增加了直接数的控制提出了更高的要求。智能化、数字化、信息据连接拟合作为用户接口；现场总线信息规范化、网络化、微型化、分散化代表着当今自控技术发（ＦＭＳ）型则只隐去第３至第６层，采用了应用层。展的主流方向，而现场总线正是促使自动化系统与过程自动化（以）型的标准目前还处于制定过程之仪表顺应这一发展方向的重要技术。中。其最大传输速率为１２Ｍｂｐｓ，传输距离为ｌｏｏｍ现场总线是在现场设备之间实现双向串行多节 和４００ｍ，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最点数字通信，被称为开放式、数字化、多点通信的底多可挂接１２７个站点。ＦＭＳ， ＤＰ， ＰＡ分别适用于不层控制网络和全分布式现场控制系统。它的突出特同的领域，基本覆盖了整个工厂自动化的被控对象，点在于它克服了ＤＣＳ系统中通信由封闭的专用网且三种类型均使用统一的总线访问协议，可以将他络系统实现中所产生的缺陷，同时把集中与分散相们的各自系统互联起来构成三层的工厂自动化控制结合的ＤＧＳ集散控制结构，变成新型的全分布式结系统。一般由ＤＰ， ＰＡ总线作为下层直接与设备连构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备接，如现场仪表、执行器等，进行数据采集和控制，这本身实现基本控制功能。两种总线之间可以通过藕合器相连。ＦＭＳ总线为车现场总线技术是从８０年代后期诞生的网络通 间级总线，对车间设备的运行进行监控。Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总信技术，经历十几年的发展，国际上出现了几个有代线的上一层是通过网间连接器接到全厂局域网，为表性的现场总线标准：基金会现场总线（ｆｕｎｄａｉｔｏｎ全厂的管理如供应、生产、销售计划等各个环节提供ｆｒｅｌｄｂｕｓ），Ｌｏｎ Ｗｏｒｋ现场总线，控制局域网（ Ｃｏｎｔｒｏｌ数据支持。另外该局域网可接人Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，通过国际Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）， Ｐｒｏｆｒｂｕｓ现场总线等等。互联网对现场设备运行情况进行远程访问，如图１１ Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线概述所示。作为一种成熟的商品化产品，近年来，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线以每年２０一３０％的惊人速度发展。截 Ｐｒｏｆｉｂｕ，现场总线是德国国家标准和欧洲国家止１９９８年６月，全世界Ｐｒｏｆｉｂｕｓ设备安装总数已达标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为２００万台，由２００多家企业生产的Ｐｒｏｉｆｂｕｓ产品已达主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用１６００种以上。ＯＳＩ模型的物理层、数据链路层。分散化的外围设因为在本文所介绍的某浴缸成型温度控制系统 万方数据机床电器２００２ Ｎｏ．２Ｗ际４联网工厂局城网网间连接括工业ＰＣ机Ｐｒｏｆｉｂｕ，一！习四王亚而ｔｔ厂蔽矛Ｉ蔽矛巴Ｐｒｏｆｉｂｕ，－ＤＰ摇合器Ｐｒｏｆｉｂｕ，－ＰＡ进１ ８兰！进互竺」兰旦ＪＬ垫ｔｒｉｓ圈ｔ甚于Ｐｋ ｏｆｉｂａｓ的工厂三层自动化控制系统的设计中采用厂Ｐｒｏｉｆｂｕ，－ＤＰ，本文将重点针对Ｐｒｏｆｉｂｕ，－ＤＰ特性，功能及应用进行讨论。２ Ｐｒｏｆｉｂｕ，－ＤＰ ，线 ２．１ Ｐｒｏｆｉｂｕ，－ＤＰ基本特性Ｐｒ ｏｆｉｂｕ，－ＤＰ采用了ＯＳＩ参考模型的第一层物理层．第二层数据链路层和用户自己定义的用户层。主要应用于现场级，是一种高速（可达１２Ｍｂｉｔ／ｓ）和便宜的通信连接，它被设计为自动控制系统和设备级分散的１／０之间进行通信使用。Ｐｒｏｆｉｂｕ，－ＤＰ是一个主站／从站（Ｍａｓｔｅｒ／Ｓｌａｖｅ）总线系统，主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息。主站可以是ＰＬＣ， ＰＣ等：从站为外围设备（典型的从站包括输人输出装置、阀门、驱动器和测量发送器），它们没有总线控制权，仅当接受到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。它可以有多种网络拓扑结构：线形，星形，环形等。２． ２ Ｐｒｏｆｉｂｕ，－ＤＰ的通讯原理２． ２．１物理层Ｐｒ ｏｆｉｂｕ，－ＤＰ的物理层与ＯＳＩ参考模型的第１层相同，其主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以透明地传送比特流，它采用ＥｆＡＲＳ一４８５协议，半双工方式，根据最大传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质。２． ２．２数据链路层Ｐｒ ｏｆｉｂｕ，－ＤＰ现场总线数据链路层采用的总线存储协议为令牌总线（ＴｏｋｅｎＢｕｓ）方式和主一从方式的混合存取方式。其中，令牌总线方式与局域网ＩＥＥＥ８０２．４中的规约相一致，它规定了主站间的介质存取控制方式。当一个系统中拥有两个以上的主— ４８—应用・交流站时，主站之间由于在传输数据时拥有相同的总线控制权，因此必须保证在事先定义的时间间隔中一站点有充足的时间完成通信任务，令牌总线中的令牌是一种特殊的电文，它在主站之间传递控制权。令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权，在这段时间内允许这个主站在一定的时间内执行主站工作，这个主站可依照与主站或从站的关系表和所有的主站或所有的从站进行定时间内发完了所需要发送的帧或者该主站的控制时间终了时，它就将主站令牌传递给下一个主站。主一从方式的介质存取控制与局域网标准不 同，它符合ＯＲ参考模型数据链路层中ＨＤＬＣ的非平衡正常响应模式，主站与从站之间ＨＤＬＣ传送帧的结构如图２所示。图中Ｆ为标志字段（８位）；Ａ为地址字段，在非平衡模式下为从站地址；控制字段Ｃ作为ＨＤＬＣ帧的关键字段表示了帧类型、编号、命令和控制信息，控制字段Ｃ将ＨＤＬＣ的帧分成了３种类型：信息帧（Ｉ）、监控帧（Ｓ）与无编号帧（Ｕ），如图３所示。擎霞Ａ＊－ｋ＆Ｐ１｝１信息字段帕校脸标志字段字段图２ Ｐｒ ｉｆｂ－ＤＰ的ＨＤＬＣ帧结构０ １２３下‘帧斋１ ２３ ４５６７ｎ乃帕Ｕ仙圈３】」」二控制宇段的三种格式 信息帧（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）中Ｎ（Ｓ）表示当前发送数据帧的顺序号；Ｎ（Ｒ）表示该站下一接收帧的序号，Ｎ（Ｒ）有捎带确认的作用，它表示该站已正确接收序号为【Ｎ（Ｒ）一１］帧及以前的各帧。下一次应接收序号为Ｎ（Ｒ）值的帧，信息帧中的探询／终止（Ｐ／Ｆ，ＰｏＵ／Ｆｉｎａ１）位与Ｓ和Ｕ帧中的相同。监控帧（Ｓｕｐｅｒ－ｖｉｍｒｙ）不带有数据信息，只是用于实现监督控制功能，由Ｓ（２ｂｉｔ）来表示。无编号帧（Ｕｎｎｕｍｂｅｅｒｄ）的类型由Ｍ（５ｂｉｔ）来表示，用于提供附加的链路控制功万方数据应用・交流能，可以在需要时发出，而不影响信息帧的交换顺序。信息字段Ｉ则是由ＰＫＷ ＋ＰＺＤ的应用数据（ ｕｓｅ－ｆｕｌｄａｔａ）构成，其中ＰＫＷ字段用于写人或读出参数值，如写人控制字或读出状态字等特性参数，一般为４个字长。Ｆ＇ＣＳ为帧校验字段，它可对整个帧的内容，即地址、控制和信息等作循环冗余校验。在主一从方式下， 由一个主站控制着多个从站，主站发出命令（Ｃｏｎｍｉａｎｄ ），从站给出响应（Ｒｅ－ｓｐｏｎｓｅ），配合主站完成对数据链路的控制，一个主站应与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路。从站可以发送多个帧，直到以下一种情况发生为止：从站没有信息帧可发送，未完成帧的数目已达最大值或从站被主站停止。２． ３ Ｐｏｒｆｔｂｕｓ－ＤＰ的甚本功能Ｐｒ ｏｉｆｂｕｓ－ＤＰ总线的基本功能如表１所示：衰１ Ｐｒｏｉｆｌｗｓ－ＤＰ的基本功能传枯技术ＯＲＳ一叨５双纹线或电缆；２）波特率９．６ｋＮｓ－１２ＭＮｓＤ各主站之间是令牌方式，主从站之间是主从方式； ２）支持单主或多主系统寻３）总线上最多有１２７个站点１）点对点或广播；通讯２）循环主一从用户数据传送和非循环主一主数据传愉 １）运行：输人输出数据循环传送；运行模式２）清除：翰入读取，翰出保持为故障一安全状态； ３）停止只能进行主一主数据传送１）控制指令允许拍人和输出数据的循环传同步送； ２）同步棋式：抽出同步；３）锁定模式：输入同步１） ＤＰ主站和ＤＰ从站间的循环用户数据传送； ２）各ＤＰ从站的动态激活和可激活；３）ＤＰ从站组态的检查；功能４）强大的诊断功能，三级诊断信息；５）物人和愉出的同步；６）通过总线给ＤＰ从站斌予地址；７）通过总线对ＤＰ主站进行配ｆ；８）每个ＤＰ从站最多为２４６个字节的输人输出数据 １）所有的信息传抽在海明距离ＨＤ二４进行；可靠性｝３）ＤＰ从站的轴外了物出存取保护；２） ＤＰ从站带Ｗａｔｃｌｄｏｇｕｎｍｒ；４）ＤＰ主站上带可变定时器的用户数据传送监视 机床电器２００２ Ｎｏ．２３ 基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线的温度控制系统 本文所介绍的浴缸成型温度控制系统由两层结构构成：监控管理层和现场测控层。在Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线上，采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｓ７３００系列的ＰＬＣ作为主站，从站包括分布式的模拟输人模块，数字输人模块和数字输出模块，它们构成了现场测控层。监控管理层采用基于Ｐｕｌ的高性能工业ＰＣ机，操作平台是ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ，组态软件是ＷｉｎＣＣ，ＰＬＣ编程软件是Ｓｔｅｐ７。工业ＰＣ机和作为主站的ＰＬＣ通过点对点进行连接，结构如图４所示。Ｉｌｋｐｃ＃ｌ上－Ｎ，Ｐ节 ＭａｓｔｅｒＳ７－３００ＰＬＣＳｇｌＥａｓｖｌｅ ｆＯ Ｐ｝ｒ．ｏｇｆｌｉｓｋｂｕ ？ｓ－ＤＰＳｙｆｌ｝ａｖ ｌｅｒｔ｝｝［ｉ｝ｔＳｌａｖｅ｝橄字怡出模块图４浴缸成型盆度控制系统结构图系统中各层所完成的功能如下： ３． １现场总线 现场总线是这个系统的重要且关键的组件它提供监控层（工业ＰＣ）与控制层（ＰＬＣ）之间完善的数据通讯，通信协议采用现场总线协议。３． ２现场测控层主要完成对生产过程中的分散的模拟量和开关 量的数据采集与处理，并为监控层提供可靠的数据。３． ３监控管理层工业ＰＣ机同时具有控制器， 工程师站和操作员站的功能。通过Ｓｔｅｐ７软件，对控制结构的模板进行组态和参数化。所谓“组态”，即对组件支架，组件，接口模板和仪表的配置。“参数化”即调整集中Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ的总线参数和Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ主从站的参数。利用组态软件Ｗｉ ｎＣＣ实现人机接口。借助Ｅｄ－ｉｔｏｒ工具的Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ来设计监控界面ＰＤＬ图：Ｔａｇ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ来管理内部标签和外部标签．其中外部标签可作为和ＰＬＣ进行数据交换的过程变量，并将数据送人后台数据库以进行下一步处理；用八ｌａｍ－ ＩＤＯ－ｇ功能来实现报警。最后通过对对象进行编程，使得现场数据和状态可以在ＰＤＬ图上显示出来，可以进行控制模式的转换等功能。该控制系统已经在某浴缸厂正式投人使用， 证万方数据机床电器２００２ Ｎｏ．２应用・交流单级单开关不连续导电模式功率因数校正电路新方案周林，张代润（四川大学电气信息学院６１００６５）雷绍兰（重庆大学电气工程学院４００（１１４） 摘要：分析了几种单级单开关不连续导电、带输出电压隔离的功率因数校正电路，分别讨论了其优缺点，并提出了一种新的功率因数校正电路。关健词：单级单开关； 不连续导电模式；功率因数校正中圈分类号： ＴＭ１３３文献标识码：Ｂ文章编号：：１００４一０４２０（２００２）０２一《）Ｕ５０一０４Ｎｅｗ Ｐｒｅｃｅｐｔ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ Ｓｉｎｇｌｅ－ｓｗｉｔｃｈＩ）ｌ－，ｎｔｉｎｕｏｕｓ（＇－ｄｕｒｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ＣｉｒｃｕｉｔＺＨＯＪＬｉｎ，ＺＨＡＮＧ ＤａｉｍｎＤＥｌｅｃｔｉｒｃａｌ ＩｎｆｏｍｔａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＳｉＳｔｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ（６１ ００５４）ＬＥＩ ＳｈｗｌａｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｙｔ（４０００４４） Ａｂｓｈ＇ａｃｔ： １１ｔｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｓｉｎｇｌｅ． ｓｔａｇｅ ｓｉｎ目ｅ－ｓ ｉｔｃｈ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｏｕｔｐｕｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｓｏｌａｉｔｏｎ ａｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ａ ｎｅｗ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｗｉｔｃｈ ｐｗｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓｍｅｎｔｉｏｎｅｄＫｅ ｙｗｏｒｄｓ： Ｓｉｎｇｌｅ－．ｔａｇｓ‘】－ｉｔｃｈ； Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｎｄｕｃｉｔｏｎ ｍｏｄｅ； Ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ０前言要谐波污染源，在电力电子设备内部采取有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）技术，从根本上消除谐波源，提高 随着功率半导体器件的发展，电力电子设备在功率因数，是一种行之有效的方法。传统功率因数电力系统中得到广泛的应用，但存在功率因数低（＜校正电路采取两级方案（特别是在大功率电力电子０．６７）和谐波总量大等缺点。为了抑制电网谐波和设备），它的优点是：单位功率因数，容易设计，储能进行无功补偿，人们提出了有源电力滤波（ＡＰＦ）技电容电压易于控制在４５０Ｖ以下，但其成本高，体积术，但其成本高，了这种技术的广泛的应用。中大，效率低（能量被处理两次），不适用于中小功率电小功率电力电子设备数量多而且分散，是电网的主力电子设备。近年来，人们提出许多适用于中小功．‘．门与自．自．口州．，．，口，．．．．．．．，。．．．泊切．，八甲．．．，．口．．曲．声．．．‘．．侧．．舀．．．司．巴Ｊ．ａ＂￣口．州明了该系统性能的稳定可靠，并取得了良好的经济９－吻ｅｘａｇｇｅｒａｔｅｄ［Ｉ］．ＩｎＴｅｃｈ．１９９７，（川：３６一３９．效益。匡Ｏｃｈｓｍｒ Ｍ， Ｓｃｈａｊｅｒ Ｍ． Ｔｏ ｉｆｅｌｄｂｕｓ ｏｒ ｎｏｔ ｔｏ ｉｆ８ｄｂｍ ［Ｉ］． ＩｎＴｅｃｈ．１９９７．００ ：４４一４８－４ 结束语叹（美）史达林斯Ｗ．计算机局部网络导论【Ｍ］北京：清 Ｐｍｆｉｂｕｓ－ＤＰ是一种经过优化的高速和廉价的通华大学出版社，１９８７信连接，是专门为自动控制系统与分散的ｖｏ设备］４［阳惠宪．现场总线技术及其应用【Ｍ］清华大学出版之间进行通信而设计的。与以前的分散控制技术社．（ＦＣＳ＞相比，Ｐｍｆｔｂｕｓ－ＤＰ有着无可比拟的优点，如开图ＳＩＭＡ７７Ｃ ＳＴＥＰ？程序设计手册ＳＩＥＭＥＮＳ ＡＧ，１９９６］ｅ［ＷｉｎＣＣ４．０ Ｃｏｎｔｏｒｌ ｒｏｎｔｅｒ（Ｃｅｔｔｉｎｇ Ｓｔａｒｔｅｄ）， ＳＩＥＭＥＮＳ ＡＧ．放性，实时性好，系统简单，节省成本，可靠性高等。１９９８．现场总线（ＦＣＳ）是当今控制系统发展的方向，将会得到越来越广泛的应用。收稿日期：２００２一０１一ｍ参考文献作者简介：魏亮男，１９７８年８月生，２０００年毕业于合肥工业大学电气学院自动化专业，现为东华大学信息学院自动化系汇１ ］ Ｈｏｄ＂ Ｗ Ｒ． Ｆｉｅｌｄｂｕｅ ｔｏ ｗｅｈｃ ＤＣＳ ｏｒｌｅ， ｂｕｔ ｄｅａｔｈ ｒｅｐｏｍ硕士研究生，研究方向为Ｐｒｏ６６ｕｓ现场总线。
