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PROFIBUS的数据链路层

    1．数据链路层总线存取方式

    根据OSI参考模型，数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理，三种PROFIBUS (DP、FMS、PA)均使用*的总线存取协议。PROFIBUS( DP、FMS、PA)协议结构如图7- 16所示。介质存取控制MAC(Medium Access Control)是具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻都只有一个站点发送数据。

    PROFIBUS协议的设计满足介质控制的两个基本要求：

    1)在复杂的自动化系统间进行通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点有足够的时间来完成通信任务。

    2)在复杂的PLC或PC和简单的UO外围设备间通信，尽可能简单快速地完成数据的实时传输，因通信协议增加的数据传输时间应尽量少。

    PROFIBUS采用混合的总线存取控制机制实现上述目标（如图7-17所示），它包括主站( Master)之间的令牌(Token)传递方式和主站与从站(Slave)之间的主一从方式。当某主站得到令牌报文后可以与所有主站和从站通信。在总线初始化和起动阶段建立令牌环。在总线运行期间，从令牌环中去掉有故障的主动节点，将新上电的主动节点加入到令牌环中。监视传输介质和收发器是否有故障，检查站点地址是否出错，以及令牌是否丢失或有多个令牌。DP主站与DP从站间的通信基于主一从原理，DP主站按轮询表依次访问DP从站。报文循环由DP主站发出的请求帧（轮询报文）和由DP从站返回的响应帧组成。

    2．报文格式

    数据链路层的报文格式如图7-18所示，所有报文均具有海明距离(HD=4)，即在数据报文中可以检测出多3个同时出错的位。这一要求是通过使用国家标准IEC 870-5-1的规定、选择特殊的报文起始和终止标识符、使用无间隙同步以及使用奇偶校验和控制字节来实现的。它可以检测出下列类型的错误：字符格式出错（奇偶校验、溢出、帧出错）、协议出错、起始和终止分界符出错、帧校验序列字节出错和报文长度出错。出错的报文至少被自动重发一次，重发次数多可以设定为8次。

    图7-18    PROFIBUS报文结构

    除点对点的数据传输外，数据链路层还允许进行广播和群播通信的多点传输。在广播通信中，一个主站发送信息给所有其他的主站和从站。在群播通信中，一个主站发送信息给一组站（主站和从站），数据的接收不需要应答。

    服务存取点分为目的服务存取点( DSAP)和源服务存取点(SSAP)两种。网络层通过数据链路层的服务存取点( SAP)调用这些服务所有的主站和从站，允许同时使用若干个服务存取点。

    1．工业以太网

    工业以太网( Industrial Ethernet)用于工厂管理和单元层的通信系统，它符合IEEE 802.3标准，用于对时间要求不太严格，需要传送大量数据的通信场合。可以通过网关来连接远程网络。西门子的工业以太网传输速率为10Mb/s或100Mb/s，多1024个网络节点，网络的大范围为150km。

    采用交换式局域网，每个网段都能达到网络的整体性能和数据传输速率，电气交换模块与光纤交换模块将网络划分为若干个网段，在多个网段中可以同时传输多个报文。本地数据通信在本地网段进行，只有的数据包可以超出本地网段的范围。全双工模式使一个站能同时发送和接收数据，不会发生冲突。传输速率到20Mb/s和200Mb/s。可以构建环形冗余工业以太网。大的网络重构时间为0. 3s。自适应功能自动检测出信号传输速率（10Mb/s或100Mb/s）。自协商是高速以太网的配置协议，通过协商确定数据传输速率和工作方式。

    2．多点接口MPI

    MPI是多点接口(Multi-Point Interface)的简称，S7-300/400CPU都集成了MPI通信协议，MPI的物理层是RS-485，大传输速率为12Mb/s。PLC通过MPI能同时连接运行STEP 7的编程器、计算机、人机界面(HMI)及其他SIMATIC S7、M7和C7等。连接在MPI网上的CPU可以通过MPI接口实现全局数据(GD)服务，周期性地相互进行数据交换。每个CPU可以使用的MPI连接总数与CPU的型号有关，一般为6至64个。

    3．PROFIBUS

    工业现场总线PROFIBUS是用于车间级监控和现场层的通信系统，它符合IEC61158标准，具有开放性，凡是符合该标准的设备都可以接入同一网络中。S7-300/400 CPU可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上。

    带有PROFIBUS-DP主站／从站接口的CPU能够实现高速和便捷的分布式I/O控制。对于用户来说分布式I/O和集中式I/O一样，系统组态和编程的方法*相同。

    PROFIBUS的物理层是RS-485，大传输速率为12Mb/s。多可以与127个网络上的节点进行数据交换。网络中多可以串接10个中继器来延长通信距离。使用光纤作通信介质，通信距离可达90km。

    4．点对点连接

    可以连接S7 PLC和其他串口设备。使用CP340、CP341、CP440、CP441通信处理模块，或CPU31xC-2PtP集成的通信接口。接口有20mA (TTY)，RS-232C和RS-422A/RS-485。通信协议有ASCⅡ驱动器、3964 (R)和RK512（只适用于部分CPU）。使用通信软件PRODAVE和编程用的PC/MPI适配器，通过PLC的MPI编程接口，可以实现计算机与S7 -300/400的通信。

    5．AS-i网络的过程通信

    西门子SIMATIC NET网络系统（如图7- 11所示）将执行器和传感器单独分为一层，主要使用AS-i网络。AS-i是执行器，传感器接口(Actuator Sensor Interface)的简称，位于底层。AS-i每个网段只能有一个主站。AS-i所有分支电路的大总长度为lOOm，可以用中继器延长。可以用屏蔽的或非屏蔽的两芯电缆，支持总线供电。DP/AS-i网关(Gate-way)用来连接PROFIBUS-DP和AS-i网络。CP342-2多可以连接62个数字量或31个模拟量AS-i从站。多可以访问248个DI和186个DO。通过内部集成的模拟量处理程序，可以像处理数字量值那样非常容易地处理模拟量值。西门子提供各种各样的AS-i产品，西门子的“LOGO！”微型控制器可以接入AS-i网络。

    图7-11    SIMATIC NET网络结构示意图

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