基于串口通讯的PROFIBUS性能分析诊断软件

日期:2016-08-07 16:34:06编辑作者:申博亚洲
随着越来越多工业控制系统采用了PROFIBUS现场总线技术,对这些控制系统进行具体的、直观的和实时的在线分析与诊断成为了最基本的要求,要想完成这样的任务,就需要有相应的工程分析诊断工具。

  由于在PRIFBUS传输报文可以反映出总线性能的很多参数,包括各种故障状态。比如:从参数化报文可以看出主站和从站的关系,从站的操作方式,包括通道参数、功能设定、装置参数和ID号等。从组态报文可以看出从站I/0类型及性质,以及模块的I/O性质及数据类型等。从诊断报文可以看出从站各种参数设置错误,各种组态错误,以及装置模块错误类型。

本文作者就是在对PROFIBUS-DP报文进行详尽分析的基础上,采用VC++ 6.0开发了一款基于串口通讯的PROFIBUS性能分析诊断软件。

  1 PROFIBUS工作机理

  1.1 PROFIBUS-DP编码技术

  PROFIBUS-DP交换数据使用异步传输技术和NRZ编码。NRZ编码的二进制信号“0”或“1”的信号电平在信号持续期间维持不变。图1 所示为NRZ码信号图。

非归零码信号

图1 非归零码信号

  每个数据链路层协议数据单元应由一定数量的字符组成,每个字符都是一个用于异步传输的起——停字符。

  每个字符由11个比特组成,包括1个总是为二进制“0”的起始比特(ST),8个可以是二进制数“0”亦可以是二进制数“1”的信息比特,1个可以是二进制“1”也可以是二进制数“0”的偶校验比特(P),1个总是为二进制数“1”的停止比特,如图2所示。

单个字符格式

图2单个字符格式

  接收器的比特同步总是从起始比特的下降沿开始,也就是说,在从二进制“1”转换到二进制数“0”时开始。在比特时间的中间应扫描起始比特和所有后继的比特。在比特时间的中间,起始比特应是二进制数“0”,否则认为同步失败并停止同步过程。以二进制“1”的停止比特来结束字符的同步,如果此时出现二进制数“0”来代替此停止比特,则应认为并报告一个同步差错或字符差错,并应等待下一个起始比特的前导沿。1.2 报文格式

  如图3所示,PRFIBUS-DP有以下5种报文格式。其中,SYN为同步周期,它是一个最小的时间间隔,在此时间间隔内,每个站在它可以接收发送/请求报文帧或令牌起始部分之前,应从传输介质接收空闲状态(idle state)(idle=二进制“1”)。同步周期最小为33个线空闲比特;SD为起始定界符,DA是目的地址,SA是源地址,FC是控制帧;FCS是帧校验和,ED为结束定界符,值为16h,L是信息字段长度,其中SD1= 10h,用于请求FDL状态,寻找一个新的活动的站点,报文长度固定,没有数据单元;SD2= 68h,用于SRD服务,报文的数据长度可变;SD3 = A2h,数据单元长度固定(L总为8字节);SD4 = DCh,表示该报文为令牌报文;SC =E5h, 短确认报文。

PROFIBUS

图3 PROFIBUS—DP链路层报文格式

  2 报文诊断软件的实现

  2.1   实验平台

  图4为作者组建的PROFIBUS-DP网络实验系统结构图。在网络系统中,1类主站为SIEMENS公司的CPU315-2DP PLC,PC工控机作为2 类主站,通过现场总线接口卡CP5611与DP 总线相连, WAGO公司的750-333、BECKHOFF公司的BK3120、SIEMENS公司的ET200-L及和利时公司的LM3107 PLC等PLC设备作为从站连接到DP网络中。

PROFIBUS-DP网络实验系统结构图

图4 PROFIBUS-DP网络实验系统结构图

   2.2   软件开发环境

  软件开发工具为VC++6.0,通过计算机标准串口通信,将PROFIBUS—DP报文采集到上位机进行处理。PROFIBUS-DP系统作为实验平台,采用RS485/RS232通信电缆将其RS485的一端接入PROFIBUS-DP网络连接器的背插接口,RS232一端直接接入到PC机的串口。

  2.3   软件系统基本程序框图

  软件系统的程序基本架构流程图

  整个系统软件包括如下几个模块:

  1)程序主控模块:负责实现程序逻辑与主界面,调用串口通信模块和接收显示模块。

   2)串口通信模块:负责实现串口通信任务,PROFIBUS-DP报文数据采集及串口参数设置。

  3)数据处理模块:根据PROFIBUS-DP协议报文格式,将采集上来的数据按报文格式进行处理,并存入临时缓冲区。

  4)接收显示模块:负责实现接收数据的处理与显示。

  5)数据库模块及数据查询模块,用来实现对采集到报文的历史数据的分析和查询。 2.4关键技术

  该软件主要是实现对PROFIBUS报文进行提取,实现在线采集PROFIBUS-DP报文数据,从数据链路层角度对各种报文进行分析,完成各种类型报文的显示,完成对报文种类、服务类型、地址、数据长度及数据单元等信息的提取显示,并对诊断报文、参数化报文及组态报文等的数据单元进行详细的分析,得出总线性能的各种参数及故障原因,将分析过的数据存储进数据库,存入临时缓冲区,根据需要将分析过的报文信息存入数据库,实现历史查询。

  如何实现报文帧的提取是本软件设计的一个关键问题。由于PROFIBUS报文格式有很多种,而且包括数据长度不固定的可变报文。虽然各种报文都具有固定的报头、报尾,但是存在的问题是报头报尾并不是特定的字符,有可能和报文中数据单元内容一样,所以这里利用报头报尾进行报文的提取是不可行的。作者在这里利用各种报文帧前的同步字符进行报文提取,也就是说,在每个完整报文帧传输之前,其前面都有一个不小于33bit的同步时间,在报文帧中间是没有任何间隔的,利用这一同步时间,在VC++中利用超时函数,对报文帧进行了完整地提取。

  另外,由于通信数据量很大,速度较快,这里采用了WINDOWS多线程技术。一个线程为监视线程,监视串口通讯,一个为数据处理主线程,另外一个为定时刷新数据库线程。当监视线程监视到串口中有数据到达时,就触发一个消息通知数据处理主线程,数据处理主线程就去串口缓冲区中取出数据,并进行数据处理。定时器线程定时刷新数据库显示,以实现实时显示功能。

  作者在程序编写的过程中,出现数据库不能实时刷新的情况,后来发现问题出在WINDOWS的WM_TIMER定时器上,由于该定时器消息优先级较低,可能造成WM_TIMER消息的丢失,所以不能实现数据库的实时刷新。解决的方法是采用WINDOWS的多媒体定时器。在使用多媒体定时器的过程中,定时间隔的选取又是一个关键的问题,定时间隔选取太小,将会耗费大量的CPU内存,造成系统“死机”, 定时间隔选取太大,又不能完成“实时”显示功能。这里又涉及到PROFIBUS总线信息循环时间的问题,总线信息循环时间与总线传输的波特率、从站的数量、I/O数据的数量、从站需要的延迟时间以及主站的空闲时间等有关。作者通过了大量的计算和多次实验调试,寻找到一个合适的定时器间隔。

  2.5显示界面

  该PROFIBUS-DP报文分析软件的程序界面包括主界面、串口配置界面、报文过滤界面、报文查询界面、数据库存储界面以及历史查询界面等。

  PROFIBUS-DP分析诊断软件的运行主界面如图6,窗口左上部分“当前profibus报文”组框内存放最近采集到的PROFIBUS- DP报文信息,并可通过工具栏上的记录移动按钮滚动察看记录;右上方“信息面板”是用来显示所有查看报文的详细信息。窗口下半部分以网格形式显示 PROFIBUS-DP历史信息。

   若需要打开串口,开始接收PROFIBUS报文信息,则可选择“命令”菜单下的“开始接收”项;若需停止接收PROFIBUS报文信息,则可选择“命令”菜单下的“停止接收”项;若需要配置串口参数,则可选择“命令”菜单下的“串口配置”项,此时将弹出“串口配置对话框”,若需清除当前所有记录,可选择“记录”菜单下的“清除所有记录项”命令,如果需要分类查看各种报文,可以选择“查看”命令菜单下的“报文查询”,此时将弹出“报文查询对话框”,可根据需要进行报文分类查看。

软件运行主界面

图6 软件运行主界面

  该软件经过作者在PROFIBUS网络实验系统上的反复运行调试,结果表明该软件能够实现对几种PROFIBUS报文进行分析,能够完成采集、显示、分析、存储和查询等功能,为以后的研究开发奠定了基础,同时具有一定的实用价值。

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