西门子6GK7243-1GX00-0XE0全年质保

profibus的大优点在于具有稳定的en50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通等领域。

profibus由3个兼容部分组成，即profibus-dp（decentralized periphery，分布i/o系统）、profibus-pa（process automation，信息规范）和profibus-fms（fieldbus message specification，过程自动化）。

profibus-dp是一种高速、低成本通信，专门用于设备级控制系统与分散式i/o的通信。使用profibus-dp可取代24v dc或4~20ma信号传输。porfibus-pa专为过程自动化设计，可使和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。profibus-fms用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。

1．profibus的协议结构

profibus协议结构是根据iso7498，以osi作为参考模型的。profibus-dp定义了第1、2层和用户接口。第3到7层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同profibus-dp设备的设备行为。profibus-fms定义了第1、2、7层，应用层包括现场总线信息规范（fms）和低层接口（lli）。fms包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务；lli协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第2层访问接口。profibus-pa的数据传输采用扩展的profibus-dp协议。另外，pa还描述了现场设备行为的pa行规。根据iec1157-2标准，pa的传输技术可确保其本质安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在dp上扩展pa网络。

2．profibus的传输技术

profibus提供了三种数据传输型式：rs-485传输、iec1157-2传输和光纤传输。

（1) rs-485传输技术

rs-485传输是profibus常用的一种传输技术，通常称之为h2。rs-485传输技术用于profibus-dp与profibus-fms。

rs-485传输技术基本特征是：网络拓扑为线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率为9.6kbps~12mbps；介质为屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件；不带中继时每分段可连接32个站，带中继时可多到127个站。

rs-485传输设备安装要点：全部设备均与总线连接；每个分段上多可接32个站（主站或从站）；每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差；两个总线终端电阻必须一直有；当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段，串联的中继器一般不超过4个；传输速率可选用9.6kbps~12mbps，一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速率。电缆大长度取决于传输速率。

采用rs-485传输技术的profibus网络好使用9针d型插头。当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境下运行应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性（emc）。如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。

（2）iec1157-2传输技术

iec1l57-2的传输技术用于profibus-pa，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电。iec1157-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为h1。

（3）光纤传输技术

profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体：一种是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50m情况下使用；另一种是玻璃纤维导体，供距离小于1km情况下使用。

许多厂商提供专用总线插头可将rs-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成rs-485信号。

3. profibus总线存取控制技术

profibus-dp、fms、pa均采用一样的总线存取控制技术，它是通过osi参考模型第2层（数据链路层）来实现的，它包括保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。在profibus中，第2层称之为现场总线数据链路层（fdl，fieldbus data bbbb）。介质存取控制（m a c，medium access control）具体控制数据传输的程序，mac必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。profibus协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：

1）在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

2）在复杂的程序控制器和简单的i/o设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

因此profibus主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌），令牌在所有主站中循环一周的长时间是事先规定的。在profibus中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存取令牌时可依照主-从通信关系表与所有从站通信，向从站发送或读取信息，也可依照主-主通信关系表与所有主站通信。所以可能有3种系统配置：纯主-从系统、纯主-主系统和混合系统。

在总线系统初建时，主站介质存取控制mac的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。

第2层的另一重要工作任务是保证数据的高度完整性。profibus在第2层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，包括广播和选择广播功能。

4．profibus-dp基本功能

profibus-dp用于现场设备级的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，profibus-dp还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

（1）profibus-dp基本特征

采用rs-485双绞线、双线电缆或光缆传输，传输速率从9.6kbps到12mbps。各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送。支持单主或多主系统，总线上多站点（主-从设备）数为126。采用点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）通信。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。控制指令允许输入和输出同步。同步模式为输出同步；锁定模式为输入同步。

dp主站和dp从站间的循环用户有数据传送。各dp从站的动态激活和可激活。dp从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输人或输出的同步。通过总线给dp从站赋予地址。通过总线对dp主站（dpm1）进行配置，每dp从站的输入和输出数据大为246字节。所有信息的传输按海明距离hd=4进行。dp从站带看门狗定时器（watchdog timer）。对dp从站的输入/输出进行存取保护。dp主站上带可变定时器的用户数据传送监视。

每个profibus-dp系统包括3种类型设备：类dp主站（dpm1）、第二类dp主站（dpm2）和dp从站。dpm1是是中央控制器，它在预定的周期内与分散的站（如dp从站）交换信息。典型的dpm1如plc、pc等；dpm2是编程器、组态设备或操作面板，在dp系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的；dp从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，是带二进制值或模拟量输入输出的i/o设备、驱动器、阀门等。

经过扩展的profibus-dp诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分3级：本站诊断操作，即本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低；模块诊断操作，即一个站点的某具体i/o模块故障；通道诊断操作，即一个单独输人/输出位的故障。

（2）profibus-dp允许构成单主站或多主站系统

在同一总线上多可连接126个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。

profibus-dp单主站系统中，在总线系统运行阶段，只有一个活动主站。如图1所示为profibus-dp单主站系统，plc作为主站。

图1 profibus-dp单主站系统

profibus-dp多主站系统中总线上连有多个主站。总线上的主站与各自从站构成相互独立的子系统。如图2所示，任何一个主站均可读取dp从站的输入／输出映像，但只有一个dp主站允许对dp从站写入数据。

图2 profibus－dp多主站系统

（3）profibus-dp系统行为

profibus-dp系统行为主要取决于dpm1的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控制，主要有运行、清除和停止3种状态。在运行状态下，dpm1处于输入和输出数据的循环传输，dpm1从dp从站读取输入信息并向dp从站写入输出信息；在清除状态下，dpm1读取dp从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态；在停止状态下，dpm1和dp从站之间没有数据传输。

dpm1设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的dp从站。如果在dpm1的数据传输阶段中发生错误，dpm1将所有相关的dp从站的输出数据立即转入清除状态，而dp从站将不再发送用户数据。在此之后，dpm1转入清除状态。

（4）dpm1和dp从站间的循环数据传输

dpm1和相关dp从站之间的用户数据传输是由dpm1按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对dp从站与dpm1的关系作出规定，确定哪些dp从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。

dmpi和dp从站之间的数据传送分为参数设定、组态和数据交换3个阶段。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从dpm1接受到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，dp从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长度以及输入/输出数量必须与实际组态一致。

（5）dpm1和系统组态设备间的循环数据传输

除主-从功能外，profibus-dp允许主-主之间的，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。

（6）同步和锁定模式

除dpm1设备自动执行的用户数据循环传输外，dp主站设备也可向单独的dp从站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开dp从站的同级锁定模式，用于dp从站的事件控制同步。

主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。

锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。

（7）保护机制

5. profibus控制系统的几种形式

根据现场设备是否具备profibus接口，控制系统的配置有总线接口型、单一总线型、混合型3种形式。

（1）总线接口型现场设备不具备profibus接口，采用分散式i/o作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点。

（2）单一总线型现场设备都具备profibus接口，这是一种理想情况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的的利益。新建项目若能具有这种条件，就目前来看，这种方案设备成本会较高。

（3）混合型现场设备部分具备profibus接口，这将是一种相当普遍的情况。这时应采用profibus现场设备加分散式i/o混合使用的办法。无论是旧设备改造还是新建项目，希望全部使用具备profibus接口现场设备的场合可能不多，分散式i/o可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。

根据实际应用需要及经费情况，通常有以下6种结构类型：

（1）结构类型1以plc或控制器做1类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种结构类型，plc或控制器完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。

（2）结构类型2以plc或控制器做1类主站，监控站通过串口与plc一对一的连接。这种结构类型，监控站不在profibus网上，不是2类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能从plc控制器中读取。

（3）结构类型3以plc或其它控制器做1类主站，监控站（2类主站）连接profibus总线上。这种结构类型，监控站在profibus网上作为2类主站，可完成远程编程、参数化及在线监控功能。

（4）结构类型4使用pc机加profibus网卡做1类主站，监控站与1类主站一体化。这是一个低成本方案，但pc机应选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级pc机。对于这种结构类型，pc机故障将导致整个系统瘫痪。另外，通信厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制、从站控制程序、监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会较大。

（5）结构类型5坚固式pc机（omopact computer）＋profibus网卡十softplc的结构形式。由于采用坚固式pc机（comopact computer），系统可靠性将大大增强，足以使用户信服。但这是一台监控站与1类主站一体化控制器工作站，要求它的软件完成如下功能：主站应用程序的开发、编辑、调试，执行应用程序，从站远程参数化设置，主/从站故障报警及记录，监控程序的开发、调试，设备在线图形监控、数据存储及统计、报表等。

近来出现一种称为softplc的软件产品，是将通用型pc机改造成一台由软件（软逻辑）实现的plc。这种软件将plc的编程（iecll31）及应用程序运行功能和操作员监控站的图形监控开发、在线监控功能集成到一台坚固式pc机上，形成一个plc与监控站一体的控制器工作站。

（6）结构类型6使用两级网络结构，这种方案充分考虑了未来扩展需要，比如要增加几条生产线即扩展出几条dp网络，车间监控要增加几个监控站等，都可以方便进行扩展。采用了两级网络结构形式，充分考虑了扩展余地。

控制器局域网（can）属于的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。它是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其通信速率高、工作可靠、调试方便、使用灵活和等优点，己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用，被公认为几种有前途的总线之一，其协议也发展为重要的。

随着can总线在各个行业和领域的广泛应用，其通信性能也越来越受到人们的关注。目前，已有很多学者对can总线通信性能进行分析研究。文中在分析can总线通信控制协议的基础上，在matlab/sinubbbb软件stateflow仿真环境下，利用有限状态机理论对can总线通信系统进行了形式化建模。通过此仿真模型，分析了can总线通信系统中负载率的变化对网络吞吐量、平均信息时延、通信冲突率、网络利用率、网络效率以及负载完成率的影响。

1 can总线通信控制协议

根据iso11898（1993）标准，can从结构上分为物理层和数据链路层，数据链路层又包括逻辑链路层控制子层（llc）和介质访问控制子层（mac）。在can总线系统中，节点间通过公共传输介质传输数据，因而数据链路层是总线的核心部分。can总线数据链路层的通信介质访问控制方式为事件触发，采用csma/cd.只要总线空闲，网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，节点在请求发送信息时，首先侦听总线状态，若总线空闲（或等待至总线空闲）则开始发送。当多个节点同时发送产生冲突时，采用非破坏性位仲裁机制，即借助id标识符及逐位仲裁规则，低优先级节点主动停止发送，高优先级节点不受影响继续发送，从而避免总线冲突，避免信息和时间发生损失。在发送过程中，发送节点对发送信息进行校验，完成发送后释放总线。can总线系统通过使用这种非破坏性的逐位线仲裁技术来处理多个节点同时访问网络的冲突，后优先级高的节点能够立即发送数据，满足了高优先级节点实时性的相关需要。

2 can总线系统仿真模型

文章在matlab/simubbbb软件stateflow仿真环境中建立了16节点的can总线通信系统仿真模型。节点1-16的结构是相同的，节点模块如图1所示。

图1 节点模块

节点模块包括发送、缓存、数据采集3个部分。因为本次仿真主要研究can总线的通信性能，所以建立节点模型时，只考虑了其通信活动所涉及的部分，没有加入节点计算控制活动部分和数据接收部分。数据采集用于采集simubbbb中输入的数据，数据长度服从随机平均分布，在状态“有数据”中，数据被组装成can标准短帧。在实际系统中，数据可能是节点本身采集的现场检测数据，或是节点控制器输出的数据。“缓存”代表节点的缓冲器，这里假设容量为1.包括两个状态：“空”和“非空”.数据被采集并组装成can标准短帧后，触发由“空”到“非空”的转换，将节点信息放在等待发送的缓冲器中，发送完成后，返回“空”状态，等待下一次触发。“发送”代表节点发送部分，当缓冲器有数据等待传输时，触发由“停止”到“等待”的转换，进入等待状态；当总线仲裁允许本节点发送时，触发由“等待”到“传送”的转换，开始发送数据；当缓冲器的数据传送完成时，触发由“传送”到“停止”的转换，等待下一次发送。

图2 通信调度模块

通信调度模块，如图2所示。包括总线活动模块fieldbus和仲裁判断函数compete.fieldbus模块包括3个状态：“空闲”、“忙碌”、“帧间隔”.开始总线在“空闲”状态下，当有节点要发送信息时，用compete函数对待发节点进行仲裁，并触发由“空闲”到“忙碌”的转换；节点发送数据完成后，以“返回”事件触发由“忙碌”到“帧间隔”的转换；经过一个“帧间隔”后，回到“空闲”状态，等待下一次传输。compete函数对各节点的仲裁符合can仲裁机制，通过比较各待发节点的优先级，实现“线与”功能，将发送权给优先级高的节点。

以上所述的仿真平台简洁直观地解释了can网络的控制机理，并能动态地仿真其通信活动。

3 网络性能

3.1 性能指标

我们先介绍总线网络相关性能指标的相关定义。

网络负载率：单位时间内发出访问网络的节点数（需要传送的报文数）与网络大容量的比率。

吞吐量：单位时间内系统成功发送信息数量的均值。

平均信息时延：从信息发出传输请求到被成功地传输到目的节点所需要的平均时间。

通信冲突率：节点遭受通信冲突的概率。

网络利用率：单位时间内通道传送信息号的时间比率，即是通道处于忙碌状态的概率，它反映了通道被利用的情况。

网络效率：单位时间内通道成功传送的信息与通道发送信息的时间比率，即吞吐量与通道利用率两者间的比率。

负载完成率：所有节点运行完成后成功向总线上发送的报文帧的总个数与所有节点请求发送的报文帧的总个数的比率。

3.2 性能分析

仿真设定can总线传输速率为200kbit/s,总的运行时间为t=2s,并假设每一帧报文的数据长度为100bit,可以得知，can总线满负载时传输4000帧数据，表示为n=4000帧，即满负载时传输的数据帧的总长度为400kbit,表示为s=400kbit.通过设定各节点的发送周期，来调整负载率的大小。

can总线仿真模型中，输出参数含义分别为：u代表通道处于忙碌状态的总时间；thout代表所有节点发送的所有数据帧的总长度；fz代表所有节点产生的所有数据帧的总长度；b1-b16分别代表第1-16个节点每次运行完成后成功向总线上发送的数据帧的个数；p1-p16分别代表第1-16节点每次请求发送的数据帧的个数。

所以，吞吐量的计算公式为：

平均信息时延的计算公式为：

式中i表示节点编号（i=1~16）。

通信冲突率的计算公式为：

网络利用率的计算公式为：

网络效率的计算公式为：

负载完成率的计算公式为：

式中i表示节点编号（1~16）。

经过运行仿真模型，得到系统在负载分别为16%、33%、50%、81.5%、、125%、150%、175%、200%、230%、250%、280%、310%时的一系列仿真结果。

依据公式（1）-（6），我们分析了负载率从0.02到3.1的情况下，can总线通信系统中负载率的变化对网络吞吐量、平均信息时延、通信冲突率、网络利用率、网络效率以及负载完成率的影响。结果如图3-8中所示。

图3-8的变化趋势都是由can总线通信控制协议决定的，即总线空闲时，任一节点都有发起通信的权力，当多个节点同时发送产生冲突时，采用非破坏性位仲裁机制，低优先级节点停止发送，高优先级节点不受影响继续发送，从而可以避免总线冲突。

图3中，由于当负载率较低时，低优先级的信息可以竞争到总线权得以发送，随着负载率的增加，网络利用率提高，所以，吞吐量也随之增加，当负载率增加到一定程度时，只有高优先级的信息得以发送，此时吞吐量趋于饱和。

图3 吞吐量与负载率的关系

图4中，由于随着负载率的增加，信道主要用来发送高优先级的信息，而低优先级的信息却被长时间延迟甚至造成数据丢失，所以平均信息时延随着负载率的增加几乎呈线性增加。

图4 平均信息时延与负载率的关系

图5中，由于随着负载率增加，吞吐量增加，即单位时间内需要处理的信息量增加，信息发生冲突的机会也增加。而且随着负载率的增加，当吞吐量增加到趋于饱和后，信息发生冲突的机会也增加的较为缓和，即通信吞吐率增加的较为缓和。

图5 通信冲突率与负载率的关系

图6中，由于随着负载率增加，吞吐量随之增加，则单位时间内需要处理的信息量增加，从而使得通道的利用率增加。同时，通道由“忙碌”到“空闲”状态所用的帧间隔时间也增加，使得通道不可能连续不断地传输信号，这样随着吞吐量增加并趋于饱和时，网络利用率也随之增加并趋于1,但不会达到1。

图6 网络利用率与负载率的关系

图7中，由于随着负载率的而增加，吞吐量增加，而通道处于“忙碌”状态的总时间也在增加，并且在吞吐量达到饱和时，通道处于“忙碌”状态的时间也趋于稳定，所以，单位时间内通道成功传送的信息与通道发送信息的时间比率几乎不随着负载率变化而变化，基本在一个恒值附近微小变化。

图7 网络效率与负载率的关系

图8中，由于在负载率较低时，各优先级的信息都可以竞争到总线权得以发送，所有节点成功向总线上发送的数据帧的个数与请求发送的数据帧的个数相等或相差很小，但是随着负载率的增加，低优先级信息得不到发送，只有高优先级信息才得以发送，导致所有节点成功向总线上发送的数据帧的个数远小于请求发送的数据帧的个数。所以，负载完成率随着负载率的增加而减小，并且在负载较小时，负载完成率很大，几乎接近于1。

图8 负载完成率与负载率的关系

以上分析结果验证了can总线通信控制协议的特点。

4 结束语

运用matlab软件中stateflow工具箱来对can总线通信系统建模仿真切实可行，是现场总线协议分析与研究的又一途径。仿真模型能够完全描述协议的复杂逻辑关系，而且形象直观贴近实际系统，易于理解，也便于修改调试。

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