P-NET现场总线技术分析与应用

1、P-NET简介（Introduction of P-NET）
　　P-NET现场总线技术由Proces-Data A／S公司研究并开发，是一种全世界通用的开放型标准化总线。P-NET的设想出现于1983年的丹麦，比其它总线更早。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。

2、P-NET主要特点（Main characteristic）
　　P-NET是一种多主控器主从式总线（每段最多可容纳32个主控器），使用屏蔽双绞线电缆RS485，每段总线最长1200米，每段最多可联结125个设备，总线分段之间使用中继器,数据以NRZ编码异步式传输，传输速率76.8kbit/s。

　　P-NET可以将生产过程的各个部分，如过程控制计算机、传感器、执行器、I／O模块、小型可编程控制器等，通过共用一根双芯电缆加以连接，如图1所示。与传统布线相比，P-NET现场总线技术在工业控制中具有相当的优势，它大大简化了设计和安装，减少了布线的数量和费用，降低了各种设备故障发生的可能性，实现更直接也更广泛的使用功能。

　　P-NET总线只提供了一种传输速率，它可以同时应用在一个复杂工厂自动化系统的几个层次上，而各层次的传输速率保持一致。这样构成的多网络结构使各层次之间的通信不需要特殊的耦合器，几个总线分段之间可实现直接寻址。任何P-NET模块，包括主站，可以与总线联接或断开，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。

图1 P-NET总线连接图

　　P-NET总线访问采用 “虚拟令牌传递”的方式，总线访问权通过虚拟令牌在主控器之间循环传递。这种令牌传递方式是一种基于时间的循环机制，不同于采用实报文传递令牌的方式。它与报文传递令牌方式相比节省了主控器的处理时间，提高了总线的传输效率，而且它不需要任何总线仲裁的功能。

　　P-NET不采用专用芯片，它对从属器的通信程序仅需几千字节的编码。由于P-NET采用同一微处理器控制节点的主要任务和通信功能，所以它比独立芯片/微处理器结构节省了选择波特率和设置节点地址的dip开关。“小系统，低成本”是P-NET总线的主要特征。

　　P-NET系统可用于把参数和程序下装到模块，从而对过程进行控制，系统还可以自动检查现场设备和电缆的故障。与传统的DCS系统相比，它的优势在于：简化了设计与安装；降低了电缆用量与成本；减少了安装与维护成本；使将来系统的扩展更为方便；智能化P-NET传感器和执行器还提供了比传统线路更优越的诊断特性。

3、P-NET体系结构(System structure)

3、1　P-NET系统结构
　　P—NET总线系统采用OSI“开放系统互连”参考模型的第1，2，3，4，7层，并利用信道结构定义用户层。

　　第一层物理层：定义了在网络上传输原始数据位的形式，在这一层描述了系统的电气接口、波特率、线缆等。

　　第二层数据链路层：控制总线的存取；生成和识别帧界，识别节点地址；执行传输过程中的错误监测功能；用于实现多主机特性，将数据整理后送入源地址或目标地址，并进行故障检查。

　　第三层网络层：实现数据链路层与服务层的信息传输，并执行网关的功能。网络层就象是P-NET的邮局，根据源地址和目的地址接受和发送信息。一条信息可能被要求从一个P-NET网站中送出，或送入另一台P-NET服务器，或送回所要求的设备，或返回原节点。

　　第四层服务层：完成两个不同的任务，一是提供P-NET服务，根据程序从内部存储器中读写数据；二是记录已发出请求正等待回应的信息数量，当一条请求得到响应时，便被送回源地址。

　　第七层让应用程序能够访问其他设备变量，这一功能靠发送一个命令块来实现，命令块中包含一些参考消息，内有设备地址等详细资料。

3、2　P-NET网络结构
　　P-NET现场总线是一种多主站，多网络系统。总线采用分段结构，每个总线分段上可以连接多个主站，主站之间通过接口能实现网上互连。P-NET现场总线系统的多网络结构如图1所示。

图2 P-NET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。

　　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。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，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，把一个自控系统分成几个单元，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。一个独立的单元与其它单元交换数据的需求很有限，在一个单元中的一个软件或硬件错误将不影响其它单元。

　　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。

　　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。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。

4、P-NET通信原理(Principles of communication)
　　P-NET是一个多主站系统，允许多个主站在不同的时间共用一条总线。P—NET多主站系统总线访问采用的是一种“虚拟令牌”制。P—NET协议的所有主站具有相同的优先级，所有主站的总线访问权是相同的，所以虚拟令牌在主站之间依次循环传递。

　　所有的主站都有一个节点地址NA，节点地址从1到总线上主站的最大个数，总线上的主站最多不能超过32。允许访问总线的主站叫持有令牌的主站，一个主站只有当该主站具有请求要求时才允许其访问总线,并且得到一次令牌只能发送一个请求。所有的主站都要知道总线上主站的最大个数，因为在节点地址等于最后一个主站的节点地址之后，令牌将被传送给第一个主站。　

　　一个主站以循环方式得到“时间令牌”后，若该主站有发送请求的要求，则在一定的时间间隔内访问总线，访问结束后，令牌被传依次传给该主站后面的主站；若持有令牌的主站没有发送请求的要求，则经过一定的时间间隔后，将令牌传给该主站后面的主站。

　　主站请求队列实行先入先出模式。假设总线上有三个主站，某一时间主站1持有令牌，主站1获得令牌后首先发送请求A，然后将令牌传给主站2，主站2获得令牌并发送请求B，然后主站3获得令牌并在发送完请求C后，将令牌重新传给主站1，主站1这时没有请求要求，经过一个时间间隔 后，令牌传给主站2，主站2同样没请求，再经一个时间间隔 后，将令牌传给主站3，主站3获得令牌并发送请求D，这样进行下去，则访问时间顺序是：HA,HB,HC, , ,HD，……。HA，HB，HC，HD分别代表发送请求A，B，C，D所需时间，空格代表空闲位周期。

　　在多主总线访问控制中的基本控制元素是“空闲总线位周期计数器”和一个“访问计数器”。一次信息循环后令牌从一个主站传递给另一个主站需要40个位周期，所以“空闲总线位周期计数器”从40开始增加，遇到一个空闲位周期 ，则“空闲位周期计数器”增加10,遇到主站访问总线，“空闲位周期计数器”重新从40开始计。每次令牌从一个主站传给另一个主站时“访问计数器”都要加1，当访问计数器的值等于总线中主站的最大个数时，“访问计数器”重新开始计数。

　　主站在获得令牌时，首先要将本身的地址与访问计数器中的值相比对，若经过比较，“访问计数器”的值等于该主站的节点地址时，这个主站被允许在2—7个位周期的时间间隔内开始访问总线，若不相等，则主站发出“不同步”信息。

　　当从站接收到请求之后，从上一帧的最后一个字节的停止位开始计算，允许从站在11到30个位周期内开始访问总线。从站中的延时应设置的尽量的小，因为任何不必要的延时都可能降低系统的速度。在传输速度为76.8KB/S时，最大允许延时时间是390us。

5、P-NET访问控制(Control process)
　　P-NET的总线管理系统VIGO是一种OLE自动化服务器，可以很方便地与适应OLE自动化的标准应用相结合，例如：Excel和Access。VIGO现场总线管理系统是由几部分程序元素组成的集合体，它是一个开放系统，其结构如图3所示。VIGO允许附加其它销售商的网络元素，能够满足用户的不同需求。全部这些元素由VIGO处理和集成入VIGO，这些程序元素都可以无需任何转换地动态连接到现有的系统中，产生一个适用于任何现场总线数据的非常简单和明确的接口。

　　实际上，VIGO现场总线管理系统十分类似于目前流行的LINUX操作系统，它提供了一个强大的链接环境，任何用户需要的应用程序都可以通过标准接口挂接在它的平台上，P-NET这种易于扩展的特性是其他总线系统无法比拟的。此外，用户通过面向对象语言，可以将总线装置作为对象使用，并可将单独的外部测量像内部变量一样使用。同时，它还允许通过支持WINDOWS的任意网络，在工作站、PC和服务器之间传递面向对象的数据，这使得总线数据可以在整个管理系统或Intranet中显示和控制。

图3 VIGO的结构组成

　　VIGO可以使分布在工厂内的各种独立控制单元组成过程自动化管理系统，可实现一种现场总线之中或几种现场总线之间的数据通信。VIGO可以把一个实在的工厂用数据、有关的数据结构和数据位置来描述，它管理工厂内部产生的数据的安全性和完善性，跟踪工厂内的物理对象之间的关系和辅助的现场总线节点，同时还描述相关的控制程序、配置、校准参数的文件集合以及配置、备份、下载的工具等等。发送或处理同一个网络或不同网络的若干同步信息包也由VIGO来管理，这是通过一个实时通信内核实现的。当几个应用程序试图访问同一个总线系统时，在Windows的多任务环境中会出现问题，这个问题可以由VIGO解决，它可以保证通信包和报文不发生混淆。

　　VIGO与互通信PC应用程序之间的所有数据交换都是通过OLE自动化（一种微软数据交换标准）方式实现的。VIGO作为一种OLE自动化服务器，为用户应用程序提供了开放的和明确的接口。处理工厂网络中任意点的数据请求，都象是在PC机中直接实现的一样。用户无需考虑不同的通信协议、数据转换或寻址方式之间的差异。PC应用程序应当是标准应用程序，如EXCEL电子数据表，ACCESS数据库，或由Visual Basic，Delphi ,C++等语言编写的具体应用程序。

　　使用VIGO的影响是深远的，只需通过接口连接到一个系统上，而无需了解总线的类型。发展VIGO的使用工具，实用程序，例程等被视为总体目标，这就意味着，随着公司数量的增加，可以提供公共使用的包，从而缩短了开发周期。

6、结束语（Conclusion）
　　P-NET现场总线已经出现了多年，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节点的庞大系统。其典型应用领域主要有奶品厂、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、数据测量、供水系统、楼宇自动化、燃料管理系统，等等。P-NET现场总线在我国奶制品生产、农业环境控制、水产养殖等方面的应用大大提高了我国农业自动化技术的发展。相信在今后的社会发展中，P-NET现场总线技术也将不断完善，创造出更多更好的业绩。