现场总线设计优化指南

20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统（DCS）。在DCS中，微处理器被指定一组特定任务，通信则由一个带有附属网关的专有网络提供，网关的程序大部分都是客户编写的。现场总线为引入智能控制提供了一个开放的平台，基于现场总线的DCS——现场总线控制系统将是继DCS后的又一代控制系统。

1.Modbus通信协议

Modbus可以为美国信息交换标准码（ASCII）或（RTU）模式传输，在国内普遍采用RTU模式，这种模式的优点是：在同样的波特率下，RTU方式可以传送更多的数据。

Modbus-RTU协议在一根通信线上使用主从应答式连接（半双工），这意味着在一根单独的通信线上信号沿着相反的两个方向传输。首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备（从机），然后，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给主机。

Modbus-RTU协议只允许在主机（PC、PLC等）和终端设备之间通信，而不允许独立的终端设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通信线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。

（1）传输方式 信息传输为异步方式，并以字节为单位，在主机和终端设备之间传递的通信信息是11位格式，包含1个起始位、8个数据位（最小的有效位先发送）、无奇偶校验位、2个停止位。

（2）信息帧格式（见表15-3）。

表15-3 信息帧格式

地址码：地址码在帧的开始部分，由1字节（8位二进制码）组成，十进制为0～255，在电动机保护器中只使用1～247，其他地址保留。这些位标明了用户指定的终端设备的地址，该设备将接收来自与之相连的主机数据。每个终端设备的地址必须是唯一的，仅被寻址到的终端设备会响应包含了该地址的一切查询。当终端设备发送回一个响应，响应中的终端设备地址数据便告诉了主机是哪台终端设备正与之进行通信。

功能码：功能码告诉了被寻址到的终端设备执行何种功能。表15-4列出了该系列仪表用到的功能码，以及它们的意义和功能。

表15-4 功能码

数据区：数据区包含了终端设备执行特定功能所需要的数据或者终端设备响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者设置值。例如：功能码告诉终端设备读取一个寄存器，数据区则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，内嵌的地址和数据依照类型和终端设备之间的不同内容而有所不同。

CRC校验码：错误校验（CRC）域占用2字节，包含了一个16位的二进制值。CRC值由传输设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与CRC域中接收到的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。

生成一个CRC的流程为：

1）预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。

2）把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。

3）将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。

4）如果最低位为0，重复第3）步（下一次移位）；如果最低位为1，将CRC寄存器与一个预设的固定值（0A001H）进行异或运算。

5）重复第3）步和第4）步直到8次移位，这样处理完了一个完整的八位。

6）重复第2）步到第5）步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。

7）最终CRC寄存器的值就是CRC的值。

此外，还有一种利用预设的表格计算CRC值的方法，它的主要特点是计算速度快，但是表格需要较大的存储空间，该方法此处不再赘述，可参阅相关资料。

（3）功能码简介

1）功能码03H：读寄存器。

此功能允许用户获得设备采集与记录的数据及系统参数。主机一次请求的数据个数没有限制，但不能超出定义的地址范围。

表15-5表示的是从01号终端设备读3个采集到的基本数据（数据帧中每个地址占用2字节）其中第1个数据的地址为0000H，第2个数据的地址为0001H，第3个数据的地址为0002H。

表15-5 读寄存器

2）功能码10H：写寄存器。

功能码10H允许用户改变多个寄存器的内容，该仪表中系统参数、继电器输出状态等均可用此功能码写入。

表15-6表示的是预置地址为01的仪表输出开关量DO₂。开关量输入/输出状态指示寄存器地址为03H，第0～11位对应DI₁～DI₁₂，第12～15位分别对应DO₁～DO₄。

表15-6 写寄存器

2.Profibus现场总线(www.xing528.com)

Profibus-DP用于传感器和执行器级别的高速数据传输，传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，主站、从站采用循环数据传输方式工作。Profibus-PA用于对于安全性要求较高的场合。PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备（如压力、温度和液位变送器）连接起来，代替了4～20mA模拟信号传输技术，在现场设备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和维修等方面可节约成本约40%，并大大提高了系统功能和安全可靠性，因此PA尤其适合用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。Profibus-FMS旨在解决车间一级通用性通信任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率进行的循环的通信任务。

对于电动机保护器产品而言，Profibus-DP-V0已经能够满足通信要求了，V0包括循环的数据交换，以及站诊断、模块诊断和特定通道的诊断。各主站间为令牌传送，主站与从站间为主-从循环传送，总线上最多可挂126个从站，可以采用点对点用户数据通信、广播方式和循环主-从用户数据通信。每个从站可以传送244B的输入或输出。

（1）Profibus-DP的物理层（见图15-18、图15-19）

（2）Profibus-DP系统工作过程（见图15-20）。

图15-18 RS-485总线段的结构

图15-19 9针D形连接器的针脚分配

图15-20 Profibus-DP系统工作过程

（3）GSD文件 Profibus设备具有不同的性能特点，为达到Profibus简单的即插即用配置，Profibus设备的特性均在电子设备数据库文件（GSD）中具体说明。标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中，既简单又方便用户。

1）GSD文件的组成分为三个部分：①一般规范。这部分包括生产厂商和设备的名称，硬件和软件的版本状况，支持的波特率以可能的监视时间间隔以及总线插头的信号分配。②与DP主站有关的规范。这部分包括只运用于DP主站的各项参数（如连接从站的最多台数或上传和下载能力）。这一部分对从站没有规定。③与DP从站有关的规范。这部分包括与从站有关的一切规范（如输入/输出通道的数量和类型、中断测试的规范以及输入/输出数据一致性的信息）。

2）GSD文件格式。GSD文件是ASCII文件。可以用任何一种ASCII编辑器编辑如记事本、UltraEdit等，也可使用Profibus用户组织提供的编辑程序GSDEdit。GSD文件是由若干行组成，每行都用一个关键字开头，包括关键字及参数（无符号数或字符串）两部分。GSD文件中的关键字可以是标准关键字（在Profibus标准中定义）或自定义关键字。标准关键字可以被Profibus的任何组态工具识别，而自定义关键字只能被特定的组态工具识别。

3.DeviceNet现场总线

DeviceNet是一种低成本的通信总线。它将工业设备（如限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条码读取器、变频器、面板显示器和操作员接口）连接到网络上，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通信，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。网络结构如图15-21所示，节点电路如图15-22所示。

（1）DeviceNet两种报文：I/O报文和显示报文。

1）I/O报文。适用于实时性要求较高和面向控制的数据，它提供了在报文发送过程和多个报文接收过程之间的专用通信路径。I/O报文对传送的可靠性、送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。I/O报文的格式如图15-23所示。

I/O报文通常使用优先级高的连接标识符，通过一点或多点进行信息交换。I/O报文数据帧中的数据场不包含任何与协议相关的位，仅仅是实时的I/O数据。连接标识符提供的I/O报文的相关信息，在I/O报文利用连接标识符发送之前，报文的发送和接收设备都必须先进行设定，设定的内容包括源和目的对象的属性以及数据生成者的地址。只有当I/O报文长度大于8B（最大尺寸），需要分段形成I/O报文片段时，数据场中才有1B供报文分段协议使用。分段协议如图15-24所示。

2）显示报文。用于设备间多用途的点对点报文传递，是典型的请求-响应通信方式，常用于上传/下载程序、修改设备组态、记载数据日志，以及作趋势分析和诊断等。

（2）DeviceNet的I/O数据触发方式 DeviceNet支持多种I/O数据触发方式，如位-选通（Bit-Strobe）、轮询（Poll）、循环（Cyclic）和状态改变（ChangeofState，COS）等。

1）位-选通。在位选通方式下，利用8B的广播报文，64个二进制位的值对应着网络上64个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备。

2）轮询。位选通命令和响应报文在主站和从站之间只能传送少量I/O数据，而轮询命令和响应报文则可在主站和它的轮询从站之间传送任意数量的I/O数据。在轮询方式下，I/O报文直接依次发送到后台从站（点对点）。轮询命令是从主站发往从站的命令和输出数据。响应是从站接到主站的轮询命令后的回答。

图15-21 DeviceNet网络结构

图15-22 DeviceNet节点电路

图15-23 I/O报文的格式

图15-24 报文分段格式

3）循环。此方式适用于一些模拟设备，可以根据设备信号发生的快慢，灵活设定循环进行数据通信的时间间隔，这样就可以大大降低对网络带宽的要求。

4）状态改变。此方式用于离散的设备，使用事件触发方式，当设备状态发生改变，才发生通信，而不是由主站不断地查询来完成。

（3）设备配置和电子数据文档（EDS） EDS是电子数据文档的简写，是磁盘上的一个包括指定设备类型的配置数据的文件。

EDS文件编码要求使用DeviceNet的标准文件编码格式，而无需考虑配置工具主机平台或文件系统。单一文件必须包括完整的EDS。图15-25表示了EDS中的分区结构、区分割符和各区次序。