摘要： 文章對(duì)P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行了介紹，從P-NET的歷史談起，重點(diǎn)闡述了P-NET總線的主要特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)、通信原理和訪問控制過程，最后對(duì)P-NET進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：P-NET，現(xiàn)場(chǎng)總線，虛擬令牌
1、P-NET簡(jiǎn)介（Introduction of P-NET）
P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)由Proces-Data A／S公司研究并開發(fā)，是一種全世界通用的開放型標(biāo)準(zhǔn)化總線。P-NET的設(shè)想出現(xiàn)于1983年的丹麥，比其它總線更早。由于P-NET采用通用的硬件和軟件，所以它的改進(jìn)與升級(jí)都比較快，其中有些性能超過了Profibus，例如虛擬令牌傳遞比Profibus的實(shí)際報(bào)文信息傳遞節(jié)省很多信道容量。
P-NET采用主從制，但有多個(gè)主站。多主站現(xiàn)場(chǎng)總線的第一個(gè)產(chǎn)品在1984年開發(fā)出來，多網(wǎng)絡(luò)和多端口功能于1986年增加到協(xié)議范圍中，第一個(gè)運(yùn)行的P-NET多端口產(chǎn)品生產(chǎn)于1987年，P-NET標(biāo)準(zhǔn)在1989年成為一個(gè)開放和完整的標(biāo)準(zhǔn)適用于各個(gè)國家。由于用戶對(duì)P-NET的興趣不斷增加，國際P-NET用戶組織在一年后成立。而現(xiàn)在的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170第一卷是P-NET，第二卷是Profibus，第三卷是WorldFIP。
2、P-NET主要特點(diǎn)（Main characteristic）
P-NET是一種多主控器主從式總線（每段最多可容納32個(gè)主控器），使用屏蔽雙絞線電纜RS485，每段總線最長1200米，每段最多可聯(lián)結(jié)125個(gè)設(shè)備，總線分段之間使用中繼器,數(shù)據(jù)以NRZ編碼異步式傳輸，傳輸速率76.8kbit/s。
P-NET可以將生產(chǎn)過程的各個(gè)部分，如過程控制計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行器、I／O模塊、小型可編程控制器等，通過共用一根雙芯電纜加以連接，如圖1所示。與傳統(tǒng)布線相比，P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)控制中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，它大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和安裝，減少了布線的數(shù)量和費(fèi)用，降低了各種設(shè)備故障發(fā)生的可能性，實(shí)現(xiàn)更直接也更廣泛的使用功能。
P-NET總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時(shí)應(yīng)用在一個(gè)復(fù)雜工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的幾個(gè)層次上，而各層次的傳輸速率保持一致。這樣構(gòu)成的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使各層次之間的通信不需要特殊的耦合器，幾個(gè)總線分段之間可實(shí)現(xiàn)直接尋址。任何P-NET模塊，包括主站，可以與總線聯(lián)接或斷開，而不影響總線的其它部分。這樣一來，模塊在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以互換，而且在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。
圖1 P-NET總線連接圖
P-NET總線訪問采用 “虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權(quán)通過虛擬令牌在主控器之間循環(huán)傳遞。這種令牌傳遞方式是一種基于時(shí)間的循環(huán)機(jī)制，不同于采用實(shí)報(bào)文傳遞令牌的方式。它與報(bào)文傳遞令牌方式相比節(jié)省了主控器的處理時(shí)間，提高了總線的傳輸效率，而且它不需要任何總線仲裁的功能。
P-NET不采用專用芯片，它對(duì)從屬器的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼。由于P-NET采用同一微處理器控制節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)和通信功能，所以它比獨(dú)立芯片/微處理器結(jié)構(gòu)節(jié)省了選擇波特率和設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址的dip開關(guān)。“小系統(tǒng)，低成本”是P-NET總線的主要特征。
P-NET系統(tǒng)可用于把參數(shù)和程序下裝到模塊，從而對(duì)過程進(jìn)行控制，系統(tǒng)還可以自動(dòng)檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和電纜的故障。與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，它的優(yōu)勢(shì)在于：簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)與安裝；降低了電纜用量與成本；減少了安裝與維護(hù)成本；使將來系統(tǒng)的擴(kuò)展更為方便；智能化P-NET傳感器和執(zhí)行器還提供了比傳統(tǒng)線路更優(yōu)越的診斷特性。
3、P-NET體系結(jié)構(gòu)(System structure)
3、1P-NET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
P—NET總線系統(tǒng)采用OSI“開放系統(tǒng)互連”參考模型的第1，2，3，4，7層，并利用信道結(jié)構(gòu)定義用戶層。
第一層物理層：定義了在網(wǎng)絡(luò)上傳輸原始數(shù)據(jù)位的形式，在這一層描述了系統(tǒng)的電氣接口、波特率、線纜等。
第二層數(shù)據(jù)鏈路層：控制總線的存取；生成和識(shí)別幀界，識(shí)別節(jié)點(diǎn)地址；執(zhí)行傳輸過程中的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)功能；用于實(shí)現(xiàn)多主機(jī)特性，將數(shù)據(jù)整理后送入源地址或目標(biāo)地址，并進(jìn)行故障檢查。
第三層網(wǎng)絡(luò)層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層與服務(wù)層的信息傳輸，并執(zhí)行網(wǎng)關(guān)的功能。網(wǎng)絡(luò)層就象是P-NET的郵局，根據(jù)源地址和目的地址接受和發(fā)送信息。一條信息可能被要求從一個(gè)P-NET網(wǎng)站中送出，或送入另一臺(tái)P-NET服務(wù)器，或送回所要求的設(shè)備，或返回原節(jié)點(diǎn)。
第四層服務(wù)層：完成兩個(gè)不同的任務(wù)，一是提供P-NET服務(wù)，根據(jù)程序從內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀寫數(shù)據(jù)；二是記錄已發(fā)出請(qǐng)求正等待回應(yīng)的信息數(shù)量，當(dāng)一條請(qǐng)求得到響應(yīng)時(shí)，便被送回源地址。
第七層讓應(yīng)用程序能夠訪問其他設(shè)備變量，這一功能靠發(fā)送一個(gè)命令塊來實(shí)現(xiàn)，命令塊中包含一些參考消息，內(nèi)有設(shè)備地址等詳細(xì)資料。
P-NET還具有一些通道結(jié)構(gòu)，可視作系統(tǒng)的第八層。在P-NET中，對(duì)相關(guān)變量的采集和對(duì)單個(gè)過程信號(hào)的處理，可一起被視作一個(gè)過程對(duì)象，這就是所謂的通道。
3、2P-NET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線是一種多主站，多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？偩€采用分段結(jié)構(gòu)，每個(gè)總線分段上可以連接多個(gè)主站，主站之間通過接口能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上互連。P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 P-NET多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
過去為工廠設(shè)計(jì)自動(dòng)化的基本思路是：先把傳感器和執(zhí)行器用一根現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)起來，然后將現(xiàn)場(chǎng)總線接到一個(gè)單元控制器上形成一個(gè)子系統(tǒng)，這樣許多相似的子系統(tǒng)再用一個(gè)高速的主干總線聯(lián)起來，送到一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)中做為終止。所以總線原則上分兩個(gè)等級(jí)，一個(gè)由若干條低速的現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成，另一個(gè)由高速總線把低速總線聯(lián)起來，高速和低速總線的技術(shù)和結(jié)構(gòu)都是不同的。
P-NET打破了這兩個(gè)不同的等級(jí)而把它們平等起來，盡量減少高速低速的等級(jí)之分。根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)，較高級(jí)上對(duì)快速數(shù)據(jù)傳輸速率的要求已經(jīng)減少，更多的智能被分散了，采取將信息處理分散化的更加明智的辦法，就是P-NET的特點(diǎn)。它可以用于一個(gè)全廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)層面上，按照工廠的每一個(gè)部分，把一個(gè)自控系統(tǒng)分成幾個(gè)單元，使每個(gè)單元具有這樣的性質(zhì)：當(dāng)這個(gè)單元關(guān)閉時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)不受影響，程序的執(zhí)行可以分散地在每一個(gè)單元的一個(gè)或幾個(gè)處理器中獨(dú)立進(jìn)行。一個(gè)獨(dú)立的單元與其它單元交換數(shù)據(jù)的需求很有限，在一個(gè)單元中的一個(gè)軟件或硬件錯(cuò)誤將不影響其它單元。
在具有實(shí)分布智能的系統(tǒng)中，附加的處理能力總是可以通過附加主站的形式來實(shí)現(xiàn)，所以這樣一個(gè)系統(tǒng)是可以擴(kuò)展的。在各種可行的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，只有P-NET允許在幾個(gè)總線分段上直接尋址，這又稱為多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種特性是P-NET協(xié)議中一個(gè)特殊的部分，而且它可以被裝入多端口控制器的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。
通信通過具有兩個(gè)或更多的P-NET接口的節(jié)點(diǎn)在不同的總線分段上直接傳輸。這意味著在一個(gè)總線分段上的任何主站可以“透明”地訪問任何其它分段上的任何節(jié)點(diǎn)，而不需要在多端口主站中有特殊的程序。把一個(gè)系統(tǒng)分割為小的部分的益處是非常明顯的，因?yàn)樗梢詫㈠e(cuò)誤產(chǎn)生的影響限制在一單獨(dú)的分段內(nèi)，從而保證更高的系統(tǒng)安全性。不僅如此，這些多網(wǎng)絡(luò)的特性提供了一種自然的冗余，這使得整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性。
4、P-NET通信原理(Principles of communication)
P-NET是一個(gè)多主站系統(tǒng)，允許多個(gè)主站在不同的時(shí)間共用一條總線。P—NET多主站系統(tǒng)總線訪問采用的是一種“虛擬令牌”制。P—NET協(xié)議的所有主站具有相同的優(yōu)先級(jí)，所有主站的總線訪問權(quán)是相同的，所以虛擬令牌在主站之間依次循環(huán)傳遞。
所有的主站都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址NA，節(jié)點(diǎn)地址從1到總線上主站的最大個(gè)數(shù)，總線上的主站最多不能超過32。允許訪問總線的主站叫持有令牌的主站，一個(gè)主站只有當(dāng)該主站具有請(qǐng)求要求時(shí)才允許其訪問總線,并且得到一次令牌只能發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求。所有的主站都要知道總線上主站的最大個(gè)數(shù)，因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)地址等于最后一個(gè)主站的節(jié)點(diǎn)地址之后，令牌將被傳送給第一個(gè)主站。
一個(gè)主站以循環(huán)方式得到“時(shí)間令牌”后，若該主站有發(fā)送請(qǐng)求的要求，則在一定的時(shí)間間隔內(nèi)訪問總線，訪問結(jié)束后，令牌被傳依次傳給該主站后面的主站；若持有令牌的主站沒有發(fā)送請(qǐng)求的要求，則經(jīng)過一定的時(shí)間間隔后，將令牌傳給該主站后面的主站。
主站請(qǐng)求隊(duì)列實(shí)行先入先出模式。假設(shè)總線上有三個(gè)主站，某一時(shí)間主站1持有令牌，主站1獲得令牌后首先發(fā)送請(qǐng)求A，然后將令牌傳給主站2，主站2獲得令牌并發(fā)送請(qǐng)求B，然后主站3獲得令牌并在發(fā)送完請(qǐng)求C后，將令牌重新傳給主站1，主站1這時(shí)沒有請(qǐng)求要求，經(jīng)過一個(gè)時(shí)間間隔 后，令牌傳給主站2，主站2同樣沒請(qǐng)求，再經(jīng)一個(gè)時(shí)間間隔 后，將令牌傳給主站3，主站3獲得令牌并發(fā)送請(qǐng)求D，這樣進(jìn)行下去，則訪問時(shí)間順序是：HA,HB,HC, , ,HD，……。HA，HB，HC，HD分別代表發(fā)送請(qǐng)求A，B，C，D所需時(shí)間，空格代表空閑位周期。
在多主總線訪問控制中的基本控制元素是“空閑總線位周期計(jì)數(shù)器”和一個(gè)“訪問計(jì)數(shù)器”。一次信息循環(huán)后令牌從一個(gè)主站傳遞給另一個(gè)主站需要40個(gè)位周期，所以“空閑總線位周期計(jì)數(shù)器”從40開始增加，遇到一個(gè)空閑位周期 ，則“空閑位周期計(jì)數(shù)器”增加10,遇到主站訪問總線，“空閑位周期計(jì)數(shù)器”重新從40開始計(jì)。每次令牌從一個(gè)主站傳給另一個(gè)主站時(shí)“訪問計(jì)數(shù)器”都要加1，當(dāng)訪問計(jì)數(shù)器的值等于總線中主站的最大個(gè)數(shù)時(shí)，“訪問計(jì)數(shù)器”重新開始計(jì)數(shù)。
主站在獲得令牌時(shí)，首先要將本身的地址與訪問計(jì)數(shù)器中的值相比對(duì)，若經(jīng)過比較，“訪問計(jì)數(shù)器”的值等于該主站的節(jié)點(diǎn)地址時(shí)，這個(gè)主站被允許在2—7個(gè)位周期的時(shí)間間隔內(nèi)開始訪問總線，若不相等，則主站發(fā)出“不同步”信息。
當(dāng)從站接收到請(qǐng)求之后，從上一幀的最后一個(gè)字節(jié)的停止位開始計(jì)算，允許從站在11到30個(gè)位周期內(nèi)開始訪問總線。從站中的延時(shí)應(yīng)設(shè)置的盡量的小，因?yàn)槿魏尾槐匾难訒r(shí)都可能降低系統(tǒng)的速度。在傳輸速度為76.8KB/S時(shí)，最大允許延時(shí)時(shí)間是390us。
這種令牌傳遞方式是一種基于時(shí)間的循環(huán)機(jī)制，不同于采用實(shí)報(bào)文傳遞令牌的方式。它與報(bào)文傳遞令牌方式相比節(jié)省了主控器的處理時(shí)間，提高了總線的傳輸效率，而且它不需要任何總線仲裁的功能。
5、P-NET訪問控制(Control process)
P-NET的總線管理系統(tǒng)VIGO是一種OLE自動(dòng)化服務(wù)器，可以很方便地與適應(yīng)OLE自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用相結(jié)合，例如：Excel和Access。VIGO現(xiàn)場(chǎng)總線管理系統(tǒng)是由幾部分程序元素組成的集合體，它是一個(gè)開放系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。VIGO允許附加其它銷售商的網(wǎng)絡(luò)元素，能夠滿足用戶的不同需求。全部這些元素由VIGO處理和集成入VIGO，這些程序元素都可以無需任何轉(zhuǎn)換地動(dòng)態(tài)連接到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，產(chǎn)生一個(gè)適用于任何現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)的非常簡(jiǎn)單和明確的接口。
實(shí)際上，VIGO現(xiàn)場(chǎng)總線管理系統(tǒng)十分類似于目前流行的LINUX操作系統(tǒng)，它提供了一個(gè)強(qiáng)大的鏈接環(huán)境，任何用戶需要的應(yīng)用程序都可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口掛接在它的平臺(tái)上，P-NET這種易于擴(kuò)展的特性是其他總線系統(tǒng)無法比擬的。此外，用戶通過面向?qū)ο笳Z言，可以將總線裝置作為對(duì)象使用，并可將單獨(dú)的外部測(cè)量像內(nèi)部變量一樣使用。同時(shí)，它還允許通過支持WINDOWS的任意網(wǎng)絡(luò)，在工作站、PC和服務(wù)器之間傳遞面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)，這使得總線數(shù)據(jù)可以在整個(gè)管理系統(tǒng)或Intranet中顯示和控制。
圖3 VIGO的結(jié)構(gòu)組成
VIGO可以使分布在工廠內(nèi)的各種獨(dú)立控制單元組成過程自動(dòng)化管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)一種現(xiàn)場(chǎng)總線之中或幾種現(xiàn)場(chǎng)總線之間的數(shù)據(jù)通信。VIGO可以把一個(gè)實(shí)在的工廠用數(shù)據(jù)、有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)位置來描述，它管理工廠內(nèi)部產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的安全性和完善性，跟蹤工廠內(nèi)的物理對(duì)象之間的關(guān)系和輔助的現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還描述相關(guān)的控制程序、配置、校準(zhǔn)參數(shù)的文件集合以及配置、備份、下載的工具等等。發(fā)送或處理同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或不同網(wǎng)絡(luò)的若干同步信息包也由VIGO來管理，這是通過一個(gè)實(shí)時(shí)通信內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)幾個(gè)應(yīng)用程序試圖訪問同一個(gè)總線系統(tǒng)時(shí)，在Windows的多任務(wù)環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)問題，這個(gè)問題可以由VIGO解決，它可以保證通信包和報(bào)文不發(fā)生混淆。
VIGO與互通信PC應(yīng)用程序之間的所有數(shù)據(jù)交換都是通過OLE自動(dòng)化（一種微軟數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）方式實(shí)現(xiàn)的。VIGO作為一種OLE自動(dòng)化服務(wù)器，為用戶應(yīng)用程序提供了開放的和明確的接口。處理工廠網(wǎng)絡(luò)中任意點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，都象是在PC機(jī)中直接實(shí)現(xiàn)的一樣。用戶無需考慮不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或?qū)ぶ贩绞街g的差異。PC應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)是標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序，如EXCEL電子數(shù)據(jù)表，ACCESS數(shù)據(jù)庫，或由Visual Basic，Delphi ,C++等語言編寫的具體應(yīng)用程序。
使用VIGO的影響是深遠(yuǎn)的，只需通過接口連接到一個(gè)系統(tǒng)上，而無需了解總線的類型。發(fā)展VIGO的使用工具，實(shí)用程序，例程等被視為總體目標(biāo)，這就意味著，隨著公司數(shù)量的增加，可以提供公共使用的包，從而縮短了開發(fā)周期。
6、結(jié)束語（Conclusion）
P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)出現(xiàn)了多年，在世界范圍內(nèi)有5000種以上的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用范圍從只有簡(jiǎn)單的幾個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)的設(shè)備到有幾千個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)的龐大系統(tǒng)。其典型應(yīng)用領(lǐng)域主要有奶品廠、啤酒廠、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制、動(dòng)物飼養(yǎng)系統(tǒng)、瀝青和水泥生產(chǎn)、發(fā)電廠、太陽能電站、塑料成型、船舶發(fā)動(dòng)機(jī)控制、油罐管理/報(bào)警、數(shù)據(jù)測(cè)量、供水系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化、燃料管理系統(tǒng)，等等。P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線在我國奶制品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制、水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面的應(yīng)用大大提高了我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。相信在今后的社會(huì)發(fā)展中，P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也將不斷完善，創(chuàng)造出更多更好的業(yè)績。
參考文獻(xiàn)：
李曉春蘇嘉華，P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用，機(jī)電工程
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吳志揚(yáng)，P-NET：VIGO軟件介紹性描述
zhangcuil，P—NET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)分析
作者簡(jiǎn)介：
馮金光（1978-），男，碩士生．研究領(lǐng)域：模式識(shí)別與智能系統(tǒng)，機(jī)器人控制．
周華平（1970-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師．研究領(lǐng)域：自動(dòng)控制理論及應(yīng)用，機(jī)器人控制，智能系統(tǒng)．
