第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年PROFIBUS协议的观察Peter Drahovich，Igor Bélai控制与工业信息研究所，电气工程与信息技术学院，斯洛伐克共和国布拉迪斯拉发布拉迪斯拉发斯洛伐克理工大学（电子邮件：peter. stuba.sk，igor. stuba.sk）翻译后摘要：PROFIBUS是一个非常复杂的协议，创建在3层的参考通信模型。本文展示了实验的方法来解释正常流量和诊断事件下的总线上的设备的行为。本文论述了两个通信实验上相同的设备上的总线。对于PROFIBUS DP物理层的测量，使用专业测试仪。它提供总线上信号状况的概览，并检测总线上每个设备的信号质量。一个通用的PROFIBUS协议分析工具，可以进行在线总线流量监测。它能够检测和分析PROFIBUS帧，用于教育和诊断目的。关键词：PROFIBUS，协议分析器，诊断，总线流量。1. 介绍PROFIBUS是国际标准IEC 61158和IEC 61784支持的全球协议，并在几本书和许多手册中进行了描述。PROFIBUS是一个非常复杂的协议，在ISO/OSI参考模型的3层中创建。该诊断工具不仅适用于通信错误检测，而且适用于根据协议观察物理层、数据链路层和整个总线流量。本文展示了如何使PROFIBUS协议透明的实验程序，如何解释正常流量和诊断事件下总线上设备的行为，如何准备总线和设备进行可靠的通信，但简要描述了PROFIBUS诊断和通信的练习。本文论述了两个通信实验的基础上相同的设备在总线上，执行的物理层和其他更高层次的协议。测试仪PB-T3-Softing的诊断工具-用于PROFIBUS物理层的测量。它提供了信号状况的概述，并检测总线上每个设备的信号质量。用于外部诊断的协议分析工具BC450 Softing用于PROFIBUS流量观察。该工具对总线通信进行了深入的分析。它检测总线上的所有设备，评估总线定时，分析传输的电报，并计算通信错误和诊断消息。测试仪和总线检查工具都使用快速FPGA（现场可编程门阵列）集成电路进行通信分析，并适用于跨协议层的观察。这两种工具既不影响信号电平，也不影响公共汽车交通。2. PROFIBUS DPPROFIBUS提供四种不同版本的物理层。我们工作场所使用的所有诊断工具都只能在RS485接口上使用PROFIBUSDP协议，这是最常用的传输技术。它使用屏蔽双绞线电缆，传输速率从9.6 kbit/sec到12 Mbit/sec。在一个总线结构中，最多可在单个段中连接32个站点。允许的最大线路长度取决于传输速率。每个段的开始和结束都配有一个有源总线终结器。两个总线终端都有一个永久电源，以确保无错误操作。总线终结器通常内置在设备或连接器中。电缆屏蔽应接地。如果超过32个站点，或者需要扩展网络区域，则应使用中继器来互连各个总线段。2.1 测试网络测试通信网络如图1所示。该网络由五个PROFIBUS DP主站I类（“M”站，5个PLC）、六个PROFIBUS DP从站（“S”站）和一个硬件错误发生器（错误）组成。测量在几个测量点完成。测量点位于PROFIBUS地址为2、22、32、52和56的站点上（图1）。实验中使用了1.5 Mbit/s的传输速率PROFIBUS物理层错误通过简单的电子电路和接线图进行模拟（图2）。该电路连接在M32站和S56站之间（图1）。①的人。2.2 PROFIBUS物理层诊断质量评估是基于几个信号参数：A和B线之间的差分电压的水平，边缘© 2012 IFAC 258 10.3182/20120619-3-RU-2024.000582012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会259质量水平M不S S M2 4 3 12S13S M1460.4米22M324.7 nFS S M56 53 52不测量点：M2测量点：M52520.8 nsM2S4S S S SM MErrorS S M312131422 3256 53 52TT0.5 m 0.4 m9 m0.5米6米22米5米17米1米1 mPB-T3Fig. 1.测试的PROFIBUS DP网络图2.误差模拟器方案陡度、过冲和下冲以及水平倾斜。所有这些特征都概括在质量水平值中。质量测量的结果显示在条形图上（图3）。从左数第一个条形图显示在PROFIBUS地址为2的站点测量的所有站点的信号质量（图1）;第二个条形图在32号站点上测量，第三个条形图在52号站点上测量。在0 - 5000的范围内评估质量，可接受的信号质量在2500 - 5000的范围内。除了信号质量测量外，测试仪还记录相关帧的信号波形的特征部分，并将其显示在应用软件的示波器上。基于信号波形，可以揭示各种电缆问题。测试仪PB-T3还可确定上升沿和下降沿的边沿陡度。上升时间和下降时间以所用波特率的1/16分辨率确定，并显示为0/16和16/16之间的值。此值指定相关帧的最慢上升沿和下降沿。在至少两个测量点上进行的测量评估允许披露大多数PROFIBUS物理层错误。3. 总线上选择性通信故障的症状在本节中，演示了五种PROFIBUS物理层错误的症状和定位原理。3.1 增加线路容量该误差通过数据线之间的附加电容来模拟。实际上，这种错误可能是由于电缆使用不当造成的。测量在三个测量点进行-在PROFIBUS地址为2、22和52的站点上;结果如图3所示。信号质量的条形图给出了关于误差定位的估计信息。它位于巴士的右端（由车站52表示）附近。通过示波器显示在站点2上测量的站点2信号证实了这一假设（参见图3中的左图，其中可以看到具有520.8 ns延迟的反射）。这意味着反射点位于距离站2约60 m处（该距离是针对信号传播速度230.106 m/s计算的）。在52站测得的反射信号的幅度较大，而它们的时间延迟很短（见图1中的右幅曲线图）3）。质量水平质量水平图三.所有台站的信号质量条形图，以及2号和52号台站的示波器显示的线路容量增加误差2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会260质量水平110R不256T测量点：M52测量点：M525253322214131234MSSMMSSMSSM质量水平质量水平见图4。所有台站的信号质量条形图和台站32和56误差的原因可以从反射的形状中揭示出来，并且可能是由于增加的电容。3.2 高过渡电阻通过连接到总线的附加电阻模拟高过渡电阻误差。该错误可能是由PROFIBUS连接器端子腐蚀引起的。测量在三个测量点进行-在PROFIBUS地址为2、22和52的站点上，测量结果见图。四、信号质量的条形图给出了误差定位的准确信息。在我们的情况下，它位于32和56站之间。这种假设的原因如下：站2从站2-32接收高质量信号，而从站53-52接收差质量信号。站52接收来自站53- 52的高质量信号和来自站2-32的差质量信号。错误的特征由故障图中的症状决定。上升沿和下降沿的高质量边沿陡度表明电容没有问题。信号的反射和阻尼反映了线路参数的变化。综上所述，错误的原因表明线路电阻增加的问题。3.3 换行符公交线路A、B在56站附近开通。信号质量的条形图给出了关于误差定位的估计信息。误差的类型和更精确的定位可以从在站32和56处测量的磁迹图中区分出来。在站32（离误差更远的站）捕获的示波图的特征在于强反射，在站56（更接近误差的位置）具有小得多的反射。3.4 开启管线在网络安装过程中或新设备连接到网络时，最后一个总线设备上的终结器可能未连接或断开。线路端部是开放的，并且发生典型的反射。应该首先排除打开的线路的问题。3.5 线路导线此错误表示当一个额外的（通常被遗忘）终端电阻连接到总线时的情况。信号质量的条形图既没有给出关于定位的准确信息，也没有给出错误的类型。因此，需要对示波器屏幕进行评估。示波波形显示的第一件事是总线空闲水平降低。这种情况可能有两个原因。第一个原因是连接到总线上某个站点的附加端接电阻;第二个原因是总线一端未提供终结器。误差可以通过信号的边缘陡度来定位。上一节已经介绍了一些PROFIBUS物理层错误的诊断实验。表1总结了模拟错误的症状。有些错误表现为典型的症状，并且可以清楚地识别错误。这类误差的例子有：线路容量增加时的反相反射、PROFIBUS连接器中过渡电阻增加引起的电压不平衡，或线路导线之间连接附加电阻时的总线空载电压降。然而，另一方面，由线路断开或线路打开引起的错误通常可从2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会261主IMaster II Master I Master IMaster IMaster I4DPPA5253DPDPDrive2公司简介Drive1里奥斯里奥斯56143133222122 10PLC6PLC4PLC3PLC2ES2PLC1令牌表1.模拟错误误差站群信号质量空载母线电压电压不平衡边缘（斜坡）思考高容量辍学好没有降解锯齿高电阻减少好是的好是的换行符辍学好没有好是的开启管线辍学好没有好是的附加电阻器减少下降没有好是的信号反射的形状及其定位只能通过不同测量点的信号评估来实现。所提供的实验仅证明了PROFIBUS物理层的一些问题;通信错误的其他可能原因是，例如，线路上的站点太多，总线上的变送器的不正确（高）速率和低输出电压等。4. 巴士交通观察PROFIBUS DP在PROFIBUS数据链路层（DLL）中使用两种传输服务： 监控已配置从站的响应时间（包括报文重复）SRD数据在一个消息周期内发送和接收。奴隶奴隶奴隶奴隶奴隶奴隶SDN数据链路层有多种报文类型：SD 1SD 2它用于SRD服务。SD 3SD 4在2个激活的公交车站之间发送电报，用于发布公交车访问授权。请求_FDL_状态，SD1。此报文始终由活动站点在GAP时间到期后发送，以便在总线上搜索新的活动站点。每个活动站负责在它自己的站地址（TS =本站）和下一个站的地址区（NS =下一站）之间的地址区中检测新站。市场上的ASIC自动支持此功能。在没有用户PROFIBUS DP主站的任务是： 为了控制令牌处理，SD4 要在总线上包括新的活动站点，请添加和删除站点，SD 1 与已配置的从机SD 2或SD 3进行数据交换 检测具有定义的服务接入点（SAP）的 监控定义的总线时间图五.被测PROFIBUSDP网络在多主机系统中，第一个PROFIBUS主机任务是令牌处理 。 持 有 令 牌 的 活 动 站 能 够 轮 询 所 分 配 的 从 站 。PROFIBUS主站PLC 1轮询从站DP/PA和RIOS（例如地址4和3）。令牌在虚拟环中从主设备中继到主设备（图5）。令牌的传输在表2中可见。该表显示了在一个总线周期内的时间窗口中记录的电报。该表显示源地址和目的地址（“地址”）、使用的协议、报文类型（“帧”）、原语和通信服务以及数据报文中的数据。5. 多主网络与循环数据交换图5中示出了经测试的实验通信网络。多主网络由五个PROFIBUS Master Class I设备组成（PLC 1至PLC 6-五个可编程逻辑控制器SIMATIC S7-300），一个PROFIBUSMaster Class II（ES 2-工程站），五个PROFIBUS从站，一个DP/PA链路，两个远程IO系统（RIOS）ET 200 M，两 个 电 驱 动 器 ： 驱 动 器 1 = 微 主 机 420 ， 驱 动 器 2 =SinoMaster G120。基本连接类型是主机类1和从机之间的循环数据交换。实验中有4个典型从机的循环主从通信（图5）：1. 2个远程IO系统（RIOS），ET200M（PROFIBUS地址3和13）2. DP/PA连接器-耦合器（PROFIBUS地址4）连接到带有3个智能传感器2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会2623. 2个变频器（PROFIBUS地址14和53）4. DP/DP耦合器（PROFIBUS地址56）。与高优先级响应报文的当前数据交换。因此，在下一个总线周期中，主设备请求表2.一个公交车周期号地址帧类型原始服务数据交换（D_E）/总线访问/通知6182 -> 3SD2请求D_E00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 006192 - 3SD2响应D_EFF EA 7F FF BD 2E 37 FE 0C 00 7F A0 00 00 006202 -> 4SD2请求D_E6212 - 4SD2响应D_E41 C5 00 F68D_ 40 9E 0B 1880_ 41 BC 25 2E8D封装3个设备PROFIBUS PA：数据和状态6222 -> 9SD1请求FDL_S FDL状态=搜索新的活动工作站6232 -> 10SD4请求令牌下一个活动站62410 -> 11岁SD1请求FDL_S FDL状态=搜索新的活动工作站62510 -> 12岁SD4请求令牌下一个活动站62612 -> 13岁SD2请求D_E00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0062712 - 13SD2响应D_E00 00 00 00 00 00 00 00 00 C9 00 54 07 4C 00 0062812 -> 14岁SD2请求D_E00 00_ 00 00控制字_主设定点629十二到十四岁SD2响应D_EFB 41_ 00 00状态字_main实际值63012 -> 22岁SD4请求令牌下一个活动站63122 -> 56岁SD2请求D_E00 0063222 - 56SD2响应D_E00 0063322 -> 26岁SD1请求FDL_S FDL状态=搜索新的活动工作站63422 -> 32岁SD4请求令牌下一个活动站63532 -> 52岁SD4请求令牌下一个活动站63652 -> 53SD2请求D_E04 7F_ 20 00控制字_主设定点637五十二至五十三SD2响应D_EEB 37_ 1F FF状态字_ main实际值63852 -> 115SD1请求FDL_S FDL状态=搜索新的活动工作站63952 -> 2SD4请求令牌下一个活动站FDL远程IO系统（从机地址3）包含一个模块，带有2个4- 20mA HART输入。该模块将模拟信号和HART协议转换为PROFIBUS DP协议，并将两个输入打包成DP帧。第二个远程IO系统（从机地址13）使用一个带有增量编码器信号计数器的功能模块。PA设备的循环数据被打包到DP侧的单个DP帧中（在表2中的行621中示出了从设备4的响应中的数据），并且必须由DP主设备再次选择。PA段上有3个智能传感器测量值（4个字节）和状态（1个字节）表示现场设备中的监测和诊断的一个结果。PROFIBUS PA数据的示例如表2第621行所示。一个字节的状态信号被分配给测量值，并包含有关测量值质量的信息。在诊断事件的情况下，从站不能自行开始通信。为此目的，从设备使用状态向主设备发送关于过程值的故障或有效性的任何症状。一旦从机需要诊断消息，从机就在2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会263从该从站的诊断，而不是正常的数据交换。总线上的所有主站都可以从每个 从站请求诊断数据-这被称为PROFIBUS的内部诊断。主设备和变频器之间传输的数据结构包含控制/状态字和参考（设定点）/实际值，并通过PROFIdrive配置文件与驱动器进行循环通信。在表2的行628、629、636、637中捕获了去往/来自驱动器的传输数据的结构。6.基于PROFIBUS DP的教育通信与控制与工业信息研究所教授两门专注于工业通信的课程：工业通信系统和工业现场总线。它们是应用信息学和工业信息学学士学位课程的科目。PROFIBUS是这两个主题的部分材料。提供给学生的信息不仅是描述性的和理论性的，而且学生还可以在实际的实验室练习两个练习是2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会264致力于上述PROFIBUS诊断和总线业务的问题。通过这些练习，学生可以了解PROFIBUS DP和RS485接口的设备互连原理，识别物理层错误的基本类型，了解PROFIBUS DP网络的数据传输机制。为了实现上述目标，我们有这些资源：1. 一个有六个工作场所的实验室，其中包括个人电脑，用于离线工作和测量数据。2. 一个物理层测试仪和一个总线流量测试仪，永久性地位于其中一个工作场所。此工作区包含与测试人员一起工作的软件。3. 选定物理层错误的完整测量（在多个测量点测量）和PROFIBUS DP网络上的通信记录。教学分为两个练习：第一个-PROFIBUS DP物理层诊断，第二个-PROFIBUS DP通信分析。学生们轮流在工作场所与测试人员一起工作，而其他人则离线处理测量数据。以下任务在配备PROFIBUS测试仪的工作场所进行：1. 测量和记录物理层错误的选定症状，从一个测量点测量（PB-T3测试仪）。2. 检查总线定时和通信（BC 450测试仪）。离线工作的任务1. 从测量和记录的数据中分析物理层错误。2. 针对总线上设备的不同操作条件进行数据流量审查和分析。学生将以书面报告的形式处理测量结果和离线数据，并记录测量结果，并就选定的总线错误诊断得出自己的结论。此外，在包括PROFIBUS问题的书面测试中检查了这些问题的知识。7. 结论所提出的诊断工具适用于物理层、数据链路层和整个总线流量的教学和培训。在同一PROFIBUS网络中使用6个主站和6个从站的实验表明了所有协议层、令牌处理、循环数据交换和物理层可靠运行的基本原理。层.几个例子演示了如何解释正常流量和诊断事件下总线上设备的行为，以及如何准备总线和设备进行可靠的通信。对于PROFIBUS物理层的测量，使用诊断测试仪。它提供信号状况的概览，并检测总线上每个设备的信号质量。用于PROFIBUS网络分析的通用工具“总线检查”可以执行在线总线流量监控，并能够检测和分析用于教育和诊断目的的PROFIBUS帧。使用诊断工具是了解工业通信协议的一种方法。鸣谢：该项目在控制和工业信息研究所FEI STU布拉迪斯拉发实现，并得到PROFIBUS SK协会和VEGA 1/0690/09赠款的支持。引用贝莱岛Drahovich，P.（2012）. 自动化通信系统斯洛伐克共和国布拉迪斯拉发STU。迪特里希， CH.; 班格曼， 日 （2007年）。PROFIBUS PA.Oldenbourg Industrieverlag，慕尼黑，德国.Franeková ， M. ， Kállay ， F. ， Peniak ， P. ，Vestenickeland ， P. （ 2007 ） .Komunikačnábezpečnospriemyselnch sietí （ 工 业 网 络 的 通 信 安全）。Slovak Republic.PNO。 （2002年）的报告。 Profibus 技术 和应用PROFIBUS Nutzerorganisation e.V.，德国Popp，M.（2003年）的报告。 PROFIBUS DP的快速实现新方法PROFIBUS Nutzerorganisation e.V.，德国软化。（2008年）。PROFIBUS协议分析仪BC-400-PB，BC-450-PB，用户手册。Softing AG，德国www. profibus.sk
