1、P-NET簡介(Introduction of P-NET)

　　P-NET現(xiàn)場總線技術(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準化總線。P-NET采用主從制，但有多個主站。多主站現(xiàn)場總線的第一個產(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。

　　2、P-NET主要特點(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)過程的各個部分，如過程控制計算機、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)場總線技術(shù)在工業(yè)控制中具有相當?shù)膬?yōu)勢，它大大簡化了設(shè)計和安裝，減少了布線的數(shù)量和費用，降低了各種設(shè)備故障發(fā)生的可能性，實現(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，它可以同時應(yīng)用在一個復(fù)雜工廠自動化系統(tǒng)的幾個層次上，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，幾個總線分段之間可實現(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)運行時可以互換，而且在系統(tǒng)持續(xù)運行時可以對系統(tǒng)進行擴展。

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　　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間的循環(huán)機制，不同于采用實報文傳遞令牌的方式。它與報文傳遞令牌方式相比節(jié)省了主控器的處理時間，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)點的主要任務(wù)和通信功能，所以它比獨立芯片/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，從而對過程進行控制，系統(tǒng)還可以自動檢查現(xiàn)場設(shè)備和電纜的故障。與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，它的優(yōu)勢在于：簡化了設(shè)計與安裝;降低了電纜用量與成本;減少了安裝與維護成本;使將來系統(tǒng)的擴展更為方便;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、1　P-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;生成和識別幀界，識別節(jié)點地址;執(zhí)行傳輸過程中的錯誤監(jiān)測功能;用于實現(xiàn)多主機特性，將數(shù)據(jù)整理后送入源地址或目標地址，并進行故障檢查。

　　第三層網(wǎng)絡(luò)層：實現(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P-NET網(wǎng)站中送出，或送入另一臺P-NET服務(wù)器，或送回所要求的設(shè)備，或返回原節(jié)點。

　　第四層服務(wù)層：完成兩個不同的任務(wù)，一是提供P-NET服務(wù)，根據(jù)程序從內(nèi)部存儲器中讀寫數(shù)據(jù);二是記錄已發(fā)出請求正等待回應(yīng)的信息數(shù)量，當一條請求得到響應(yīng)時，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)送一個命令塊來實現(xiàn)，命令塊中包含一些參考消息，內(nèi)有設(shè)備地址等詳細資料。

　　3、2　P-NET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　P-NET現(xiàn)場總線是一種多主站，多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。總線采用分段結(jié)構(gòu)，每個總線分段上可以連接多個主站，主站之間通過接口能實現(xiàn)網(wǎng)上互連。P-NET現(xiàn)場總線系統(tǒng)的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　圖2 P-NET多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　過去為工廠設(shè)計自動化的基本思路是：先把傳感器和執(zhí)行器用一根現(xiàn)場總線聯(lián)起來，然后將現(xiàn)場總線接到一個單元控制器上形成一個子系統(tǒng)，這樣許多相似的子系統(tǒng)再用一個高速的主干總線聯(lián)起來，送到一個強大的計算機中做為終止。所以總線原則上分兩個等級，一個由若干條低速的現(xiàn)場總線構(gòu)成，另一個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打破了這兩個不同的等級而把它們平等起來，盡量減少高速低速的等級之分。根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)，較高級上對快速數(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。它可以用于一個全廠自動控制系統(tǒng)的各個層面上，按照工廠的每一個部分，把一個自控系統(tǒng)分成幾個單元，使每個單元具有這樣的性質(zhì)：當這個單元關(guān)閉時，整個系統(tǒng)不受影響，程序的執(zhí)行可以分散地在每一個單元的一個或幾個處理器中獨立進行。一個獨立的單元與其它單元交換數(shù)據(jù)的需求很有限，在一個單元中的一個軟件或硬件錯誤將不影響其它單元。

　　在具有實分布智能的系統(tǒng)中，附加的處理能力總是可以通過附加主站的形式來實現(xiàn)，所以這樣一個系統(tǒng)是可以擴展的。在各種可行的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，只有P-NET允許在幾個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)議中一個特殊的部分，而且它可以被裝入多端口控制器的標準操作系統(tǒng)。

　　通信通過具有兩個或更多的P-NET接口的節(jié)點在不同的總線分段上直接傳輸。這意味著在一個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，而不需要在多端口主站中有特殊的程序。把一個系統(tǒng)分割為小的部分的益處是非常明顯的，因為它可以將錯誤產(chǎn)生的影響限制在一單獨的分段內(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，這使得整個系統(tǒng)具有很強的容錯性。

　　4、P-NET通信原理(Principles of communication)

　　P-NET是一個多主站系統(tǒng)，允許多個主站在不同的時間共用一條總線。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，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節(jié)點地址NA，節(jié)點地址從1到總線上主站的最大個數(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，一個主站只有當該主站具有請求要求時才允許其訪問總線,并且得到一次令牌只能發(fā)送一個請求。所有的主站都要知道總線上主站的最大個數(shù)，因為在節(jié)點地址等于最后一個主站的節(jié)點地址之后，令牌將被傳送給第一個主站。

　　一個主站以循環(huán)方式得到“時間令牌”后，若該主站有發(fā)送請求的要求，則在一定的時間間隔內(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)送請求的要求，則經(jīng)過一定的時間間隔后，將令牌傳給該主站后面的主站。

　　主站請求隊列實行先入先出模式。假設(shè)總線上有三個主站，某一時間主站1持有令牌，主站1獲得令牌后首先發(fā)送請求A，然后將令牌傳給主站2，主站2獲得令牌并發(fā)送請求B，然后主站3獲得令牌并在發(fā)送完請求C后，將令牌重新傳給主站1，主站1這時沒有請求要求，經(jīng)過一個時間間隔 后，令牌傳給主站2，主站2同樣沒請求，再經(jīng)一個時間間隔 后，將令牌傳給主站3，主站3獲得令牌并發(fā)送請求D，這樣進行下去，則訪問時間順序是：HA,HB,HC, , ,HD，……。HA，HB，HC，HD分別代表發(fā)送請求A，B，C，D所需時間，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“空閑總線位周期計數(shù)器”和一個“訪問計數(shù)器”。一次信息循環(huán)后令牌從一個主站傳遞給另一個主站需要40個位周期，所以“空閑總線位周期計數(shù)器”從40開始增加，遇到一個空閑位周期 ，則“空閑位周期計數(shù)器”增加10,遇到主站訪問總線，“空閑位周期計數(shù)器”重新從40開始計。每次令牌從一個主站傳給另一個主站時“訪問計數(shù)器”都要加1，當訪問計數(shù)器的值等于總線中主站的最大個數(shù)時，“訪問計數(shù)器”重新開始計數(shù)。

　　主站在獲得令牌時，首先要將本身的地址與訪問計數(shù)器中的值相比對，若經(jīng)過比較，“訪問計數(shù)器”的值等于該主站的節(jié)點地址時，這個主站被允許在2—7個位周期的時間間隔內(nèi)開始訪問總線，若不相等，則主站發(fā)出“不同步”信息。

　　當從站接收到請求之后，從上一幀的最后一個字節(jié)的停止位開始計算，允許從站在11到30個位周期內(nèi)開始訪問總線。從站中的延時應(yīng)設(shè)置的盡量的小，因為任何不必要的延時都可能降低系統(tǒng)的速度。在傳輸速度為76.8KB/S時，最大允許延時時間是390us。

　　5、P-NET訪問控制(Control process)

　　P-NET的總線管理系統(tǒng)VIGO是一種OLE自動化服務(wù)器，可以很方便地與適應(yīng)OLE自動化的標準應(yīng)用相結(jié)合，例如：Excel和Access。VIGO現(xiàn)場總線管理系統(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)換地動態(tài)連接到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，產(chǎn)生一個適用于任何現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的非常簡單和明確的接口。

　　實際上，VIGO現(xiàn)場總線管理系統(tǒng)十分類似于目前流行的LINUX操作系統(tǒng)，它提供了一個強大的鏈接環(huán)境，任何用戶需要的應(yīng)用程序都可以通過標準接口掛接在它的平臺上，P-NET這種易于擴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象使用，并可將單獨的外部測量像內(nèi)部變量一樣使用。同時，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)可以在整個管理系統(tǒng)或Intranet中顯示和控制。

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　　圖3 VIGO的結(jié)構(gòu)組成

　　VIGO可以使分布在工廠內(nèi)的各種獨立控制單元組成過程自動化管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)一種現(xiàn)場總線之中或幾種現(xiàn)場總線之間的數(shù)據(jù)通信。VIGO可以把一個實在的工廠用數(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)的物理對象之間的關(guān)系和輔助的現(xiàn)場總線節(jié)點，同時還描述相關(guān)的控制程序、配置、校準參數(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，這是通過一個實時通信內(nèi)核實現(xiàn)的。當幾個應(yīng)用程序試圖訪問同一個總線系統(tǒng)時，在Windows的多任務(wù)環(huán)境中會出現(xiàn)問題，這個問題可以由VIGO解決，它可以保證通信包和報文不發(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自動化(一種微軟數(shù)據(jù)交換標準)方式實現(xiàn)的。VIGO作為一種OLE自動化服務(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)中任意點的數(shù)據(jù)請求，都象是在PC機中直接實現(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)當是標準應(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的影響是深遠的，只需通過接口連接到一個系統(tǒng)上，而無需了解總線的類型。發(fā)展VIGO的使用工具，實用程序，例程等被視為總體目標，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)

　　NET現(xiàn)場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)自動化技術(shù)的發(fā)展。相信在今后的社會發(fā)展中，P-NET現(xiàn)場總線技術(shù)也將不斷完善，創(chuàng)造出更多更好的業(yè)績。