Profibus DP 从站冗余技术及其在智能电动执行机构中的应用（上）

发布：2018-12-18 | 点击：人次

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针对市场上对高可靠性ProfibusDP控制系统需求，研究了相关国际标准，采用DPC31链路层控制器作为核心芯片，进行软硬件协同设计，开发出符合PNO标准〈SpecificationSlaveRedundancyV1.2>要求的从站冗余协议栈，并在自仪股份的智能电动执行机构中得到应用。

1引言

近年来，随着信息技术和自动化技术的发展，控制系统发生了新的变革。现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点在控制系统中得到日益广泛的应用并成为当前自动化技术的热点之一，其中以Profibus现场总线应用zui为广泛。

Profibus现场总线通过串行通信方式，解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备同控制系统之间的信息传递问题，但是其系统可靠性却由此受到制约。在发电及能源输配(石油，天然气，电力)，采矿，环境工程，纸浆造纸，钢铁冶金，交通，航空等行业对系统可靠性存在非常高的要求，一旦串行链路出现故障或者通信端口故障，那么整个生产过程的控制必将受到严重影响，甚至出现事故。

针对此类问题,Profibus国际组织在2004年底提出了<SpecificationSlaveRedundancyVI.2>，该标准的制订确立了PmfibusDP现场总线控制系统的从站冗余规范。在Profibus控制系统中，通过控制系统冗余的方式，将发生故障的单元或者串行链路自动切换到备用单元或者串行链路的方法实现系统无扰动切换，满足系统不停机的高可用性要求。

国内尚无厂家有符合该规范的冗余从站产品面世，仅国外自动化巨头如Siemens等拥有符合从站冗余规范的产品。而冗余电动执行机构国内没有厂家推出此类产品。因此，开发符合<SpecificationSlaveRedundancyVI.2>标准的冗余从站设备及电动执行机构具有迫切的现实意义。

2ProfibusDP冗余技术分类及框图

ProfibusDP冗余技术主要有三种形式：主站冗余，介质冗余，从站冗余

主站冗余:Profibus主站是整个Profibus现场总线系统中zui关键的部分，主站的稳定性和可靠性是保证整个系统正常运行的关键，因此，主站冗余非常重要。

冗余的Profibus主站具有两个独立的Profibus协议栈，同时还提供一个对冗余数据进行处理的冗余处理模块。两个协议栈相对独立的运行，分别接收两条总线上的消息并进行处理，然后提交给冗余处理模块，冗余处理模块一定的法则对两路冗余数据进行判决，将有效数据提交给上层应用，对于上层应用程序而言，冗余链路是透明的。对于下行数据，从上层应用程序传来的数据经过冗余模块处理后分别传给两个ProfibusDP接口模块，经进一步处理后发送到两路Profibus网络。冗余主站的两个Profibus接口模块在正常工作时同时运行，可以对出于工作状态的冗余从站发送来的状态信息进行诊断,通过增加冗余切换命令，可以在冗余从站出错的情况下主动进行从站切换。

目前可以通过软冗余的方式实现S7-300系统的主站冗余，也可以通过硬冗余方式直接采用S7-400H系统的主站冗余。

介质冗余:主要是对Profibus系统中传输介质进行冗余，在工业现场，传输介质zui容易出现故障。采用介质冗余模式，两条冗余总线同时工作，同时传输输入输出数据，由冗余连接模块将两路冗余数据整合为一路后送入终端站点。这样当一路介质出现问题时,Pmfibus系统中各节点仍然可以通过另一路介质进行正常通信。

从站冗余：冗余从站是整个冗余系统的一个重要部分。根据PNO的国际标准<SpecificationSlaveRedun-dancyV1.2>中定义，一个冗余从站必须满足下列条件：

1)至少两个Profibus总线接口；

2)两个独立的Profibus从站协议栈；

3)一个在两个协议栈之间进行数据与状态信息交换的冗余通道；

正常工作时，一个从站接口作为*从站工作，另一个从站接口作为备用从站工作。两个从站接口之间不断交换数据及状态信息，保证两个从站接口的输入输出数据实时一致，备用从站的状态信息通过*从站的诊断报文传递给*主站。

在工程应用中，主站冗余，介质冗余和从站冗余根据需要组合使用。

3ProfibusDP从站冗余技术基本原理实际使用时，根据冗余系统的可靠性要求，可以选择FlyingRedundancy或者SystemRedundancy•下面简要介绍两种冗余结构。

在FlyingRedundancy(FR)模式下：

1)*从站地址不同于备用从站地址；

2)只需要按*从站地址组态；

3)主站永远不会通过MS0或者MSI同备用从站通信(即使存在MS0通信也是出于监控目的)。

在SystemRedundancy(SR)模式下：

1)*从站地址等于备用从站地址；

2)*从站和备用从站同时组态；

3)主站可以通过MS0(不是MSI)同备用从站通信；

4)*从站的确定不一定要依靠主站的切换命令；在正常工作中，主站同冗余从站之间通过MS0，

MS1,MS2服务进行通信：

MS0(周期性数据交换*从站使用周期性通信发送和接收过程变量，此外*从站还发送包括自己和备用从站在内的诊断信息。

备用从站同样通过MS0服务发送和接收数据，但是这些数据是不相关的，并且也会被备用从站丢弃。

MSI(非周期数据交换》仅*从站会通过MSI服务接收和发送数据。当备用从站接收到MSI服务时，给出错误响应。

MS2(非周期数据交换*从站和备用从站都可以接收MS2服务。一旦一个从站接口接收到MS2服务提供的数据，将通过冗余通道传递给另一个从站接口。

正常情况下，如果主站支持从站冗余,那么在检测到与*从站之间的通信失效后，主站会发送一条命令给备用从站，由备用从站执行一次冗余切换。在其他情况如仅*从站接收线或发送线断开弓I起通信失效，主站也会检测到并发送切换命令给从站。当然，对于主站不支持从站冗余的情况，*从站也会监测接收并且在内部看门狗溢出时执行冗余切换。正常运行时,*从站也会检测内部软件及硬件运行情况，一旦发现不适合作为*从站运行的因素，将启动冗余切换。

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