现场总线P-NET 梅恪 一、 引言 P-NET是现场总线的一种，它不同于其它总线的特点是：（1）安装简单；（2）成本较低；（3）用户开发方便，可在Windows NT平台上用高级语言开发；（4）整个系统的硬件都采用标准的商品芯片，所以改进较快（其它的现场总线都用专门设计的芯片，不易改动）；（5）P-NET较之其它总线有许多实际上的优点，特别适合于食品、饲养、农业方面的应用。 二、P-NET的历史与应用领域 P-NET的设想出现于1983年的丹麦，比其它总线更早（Profibus出现于1984年，WorldFIP出现于1987年，FF统一于1994年）。由于P-NET采用通用的硬件和软件，所以它的改进与升级都比较快，其中有些性能超过了Profibus。例如虚拟令牌传递比Profibus的实际报文信息传递节省很多信道容量。 P-NET采用主从制，但有多个主站。多主站现场总线的第一个产品在1984年开发出来，多网络和多端口功能于1986年增加到协议范围中。第一个运行的P-NET多端口产品生产于1987年。P-NET标准在1989年成为一个开放和完整的标准以适用于各个国家。由于用户对P-NET的兴趣不断增加，国际P-NET用户组织在一年后成立。而现在的欧洲标准EN50170第一卷是P-NET，第二卷是Profibus，第三卷是WorldFIP。 P-NET现场总线已经应用了多年，在世界范围内有5000种以上的实际应用。应用范围从只有简单的几个I/O节点的设备到有几千个I/O节点的庞大复杂的系统。 P-NET可以用在生产过程和独立设备中。由以下典型的P-NET应用实例可看出它目前所安装和运行的地方：奶品厂、啤酒厂、农业环境控制、动物饲养系统、沥青和水泥生产、发电厂、太阳能电站、塑料成型、船舶发动机控制、油罐管理/报警系统（由德国劳埃德协会，Bureau Veritas,Norske Veritas，劳埃德般舶注册等认证）、数据测量、供水系统、楼宇自动化、燃料管理系统（由PTB，NMI，NWML等认证同意销售）。典型的P-NET应用要求响应时间以毫秒计，总线长度最长可达1km或更长一些。 有些领域要求微秒的响应时间，这对P-NET是不合适的。然而在啤酒、食品、农业、饲养业中不需要这么快的响应时间，所以P-NET完全适用。 三、P-NET的基本原理 P-NET的电气规范基于RS485标准，使用屏蔽双绞线电缆，1200m内不需要中断站。数据以NRZ编码异步传输，每段总线最多可联接125个设备。 P-NET是一个非常高效的协议。每秒最多可处理来自300个不同地址的300个确认的数据记录，数据可以用完全过程化的值（浮点）来传递，如压力、温度、电流、电压等，或者可以用指示阀状态或开关位置的32个独立的二进制信号块来传递。 这样在整个系统中从任何地点每秒都可存取9600个二进制信号。 这种完全响应数据的高速率传输的实现是由于P-NET的从站能并行处理数据并接收或传输帧。从站收到第一个数据字节后立即对一个请求进行处理，这与专用芯片的解决方案比较，后者是全帧到达后才开始处理。采用这种方法，P-NET标准中76,800bit/s的数据传输速率并不是运行的极限值。这个运行机制可以与数据传输速率为500,000bit/s的系统相比。 P-NET是一种多主站总线，每段最多可接受32个主站。所有的通信都基于这样的原理：主站输出一个请求，编址的从站就立即返回一个响应。请示可以是读是写。 主站与从站见图1（略）。 在总线上转换的数据可以是简单类型也可以是复杂类型，用以满足测量与控制的需要。简单类型包括布尔数、字节、字符、字、整形数、长整形数、实型、长实型和定时标记，复杂类型包括数组、字符串、记录与缓冲。 数据格式是P-NET标准的一部分。访问总线的权利是通过一个令牌从一个主站传递到下一个主站，P-NET采用一种称为“虚拟令牌传递”的方法。当一个主站完成对总线的访问时，通过一种基于时间的循环机制，令牌自动传递到下一个主站。这种用在P-NET中的方法不同于其它多主站系统。其它的现场总线，例如Profibus，使用实报文电报来传递令牌。这导致增加主站处理时间和降低总线的能力。 四、P-NET的结构特点——多网络结构 过去为工厂设计自动化的基本思路是：先把传感器和执行器用一根现场总线联起来，然后将现场总线接到一个单元控制器上形成一个子系统，这样许多相似的子系统再用一个高速的主干总线联起来，送到一个强大的计算机中做为终止。所以总线原则上分两个等级，一个由若干条低速的现场总线构成，另一个由高速总线把低速总线联起来。高速和低速总线的技术和结构都是不同的。目前的FF、Profibus等都是采取这个思路。 P-NET打破了这两个不同的等级而把它们平等起来，尽量减少高速低速的等级之分，因为根据现在的技术，较高级上对快速数据传输速率的要求已经减少，因为更多的智能被分散了，采取将信息处理分散化的更加明智的办法，就是P-NET的特点。它可以用于一个全厂自动控制系统的各个层面上，按照工厂的每一个部分（Section），把一个自控系统分成几个单元（Cell），使每个单元具有这样的性质：当这个单元关闭时，整个系统不受影响，程序的执行可以分散地在每一个单元的一个或几个处理器中独立进行。在一个单元中的一个软件或硬件错误将不影响其它单元。一个独立的单元与其它单元交换数据的需求很有限。例如启动或停止处理、装载配方、传送生产的数据等等。 在具有实分布智能的系统中，附加的处理能力总是可以通过附加主站的形式来实现，所以这样一个系统是可以扩展的。在各种可行的现场总线系统中，只有P-NET允许在几个总线分段上直接寻址，这又称为多网络结构。这种特性是P-NET协议中一个特殊的部分，而且它可以被装入多端口控制器的标准操作系统。一个多网络结构示于图2（略）。 通信通过具有两个或更多的P-NET接口的节点在不同的总线分段上直接传输。这意味着在一个总线分段上的任何主站可以“透明”地访问任何其它分段上的任何节点，而不需要在多端口主站中有特殊的程序。见图3（略）。把一个系统分割为小的部分的益处是非常明显的，因为它可以将错误产生的影响限制在一单独的分段内，从而保证更高的系统安全性。不仅如此，这些多网络的特性提供了一种自然的冗余，这使得整个系统具有很强的容错性。P-NET协议的一个重要优点是对总线分段没有分层结构的要求。这对于要扩展已有的P-NET设备时和与其它网络耦合提供了极大的便利。若试图在一个节点上联接两个分段而采用没有这种多网络功能的总线，需要在该节点装载一个特殊程序。这个程序需要从一个分段上的全部设备采集全部数据，使得它对另一分段也可用，这被称为建立“过程图象”。当今的智能节点上能获取大量的数据，所以要更新和维护一个完整总线分段上的一个“过程映象”几乎是不可能的。这样一个过程将占用总线容量的很大百分比并要求很大内存，而且建立和检查每个段联接的专用程序也是花费很大的。P-NET不需要建立这样复杂的“过程映象”。 五、P-NET通讯协议的优点 所有符合P-NET标准的节点都可以直接与总线联接，而且可以立即互相通信，因为P-NET只采用一种数据传输速率，而且对每一通信层只有一种选择。这一点与其它标准不同，后者允许每层有很多变化。导致许多变量不能互相通讯。任何P-NET模块，包括主站，可以被关闭电源或与总线联接或断开，而不影响总线的其它部分。这样一来，模块在系统运行时可以互换，而且在系统持续运行时可以对系统进行扩展。在P-NET中，对通信参数组态的需要与其它系统相比大大降低。在从站模块中，P-NET系统集成器（管理员）只须设置节点地址，在主站模块中，只须定义节点地址和主站数量。所以，培训也可以减少，并且任何一个称职的技术员都可以理解和安装P-NET系统。由从站测量的结果以SI工程单位制米制的预处理过的形式送到主站。这一优点是十分明显的，因为不需要主站进行重复定标或转换，所以处理功率可以节省。例如，温度测量值可以通过从站转换为浮点值（IEEE754标准），并将数据表现在所有需要摄氏度单位形式的主站。用于存取网络上物理变量的标识符，通过一个“软联接”表来映象。这个表在应用程序被编译时产生。所以，不需要实时的翻译，这可使数据存取非常快。为了保证实时数据采集，网络上传输的每一帧被限制为56位。假如所需的数据长度大于56位，则自动地分割成几个连续的帧进行传输。 六、P-NET的智能模块 典型的P-NET从站模块不仅仅能给系统管理员提供输入/输出功能，它们通常还包括附加的面向过程的功能，从简单的限制开关监测到PID调节器或程序通道，从而许系统集成器（管理员）配置当地控制环或指定工艺步骤。在这个例子中，模块的内部处理功能用于温度和液面控制以及灌注控制。只需要从一个P-NET主站获得温度与液面位置的设置点。 另外一个从站模块的实例是称重变送器，这时来自一个负载单元的模拟量被连续地变换、定标和存储在从站的内存中。当从一个主站处收到请求时，从站立即用最新存入的结果做出响应。错误检查也是在从站中连续执行，在发生错误时用响应报文的编码给主站提示——如果对从站有些要求的话。 七、通过PC访问P-NET PC机在P-NET的设施中常用作主站的一种，PC与P-NET的联接一般通过卡上的插头。一种名为VIGO的产品已经开发出来用于P-NE