發布日期：2022-04-27 點擊率：66
摘要： 文章對P-NET現場總線進行了介紹，從P-NET的歷史談起，重點闡述了P-NET總線的主要特點、體系結構、通信原理和訪問控制過程，最后對P-NET進行了總結并對其發展前景進行了展望。
關鍵詞：P-NET，現場總線，虛擬令牌
1、P-NET簡介（Introduction of P-NET）
P-NET現場總線技術由Proces-Data A／S公司研究并開發，是一種全世界通用的開放型標準化總線。P-NET的設想出現于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，所以它的改進與升級都比較快，其中有些性能超過了Profibus，例如虛擬令牌傳遞比Profibus的實際報文信息傳遞節省很多信道容量。
P-NET采用主從制，但有多個主站。多主站現場總線的第一個產品在1984年開發出來，多網絡和多端口功能于1986年增加到協議范圍中，第一個運行的P-NET多端口產品生產于1987年，P-NET標準在1989年成為一個開放和完整的標準適用于各個國家。由于用戶對P-NET的興趣不斷增加，國際P-NET用戶組織在一年后成立。而現在的歐洲標準EN50170第一卷是P-NET，第二卷是Profibus，第三卷是WorldFIP。
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，每段最多可聯結125個設備，總線分段之間使用中繼器,數據以NRZ編碼異步式傳輸，傳輸速率76.8kbit/s。
P-NET可以將生產過程的各個部分，如過程控制計算機、傳感器、執行器、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。與傳統布線相比，P-NET現場總線技術在工業控制中具有相當的優勢，它大大簡化了設計和安裝，減少了布線的數量和費用，降低了各種設備故障發生的可能性，實現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，它可以同時應用在一個復雜工廠自動化系統的幾個層次上，而各層次的傳輸速率保持一致。這樣構成的多網絡結構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直接尋址。任何P-NET模塊，包括主站，可以與總線聯接或斷開，而不影響總線的其它部分。這樣一來，模塊在系統運行時可以互換，而且在系統持續運行時可以對系統進行擴展。
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，總線訪問權通過虛擬令牌在主控器之間循環傳遞。這種令牌傳遞方式是一種基于時間的循環機制，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的編碼。由于P-NET采用同一微處理器控制節點的主要任務和通信功能，所以它比獨立芯片/微處理器結構節省了選擇波特率和設置節點地址的dip開關?！靶∠到y，低成本”是P-NET總線的主要特征。
P-NET系統可用于把參數和程序下裝到模塊，從而對過程進行控制，系統還可以自動檢查現場設備和電纜的故障。與傳統的DCS系統相比，它的優勢在于：簡化了設計與安裝；降低了電纜用量與成本；減少了安裝與維護成本；使將來系統的擴展更為方便；智能化P-NET傳感器和執行器還提供了比傳統線路更優越的診斷特性。
3、P-NET體系結構(System structure)
3、1P-NET系統結構
P—NET總線系統采用OSI“開放系統互連”參考模型的第1，2，3，4，7層，并利用信道結構定義用戶層。
第一層物理層：定義了在網絡上傳輸原始數據位的形式，在這一層描述了系統的電氣接口、波特率、線纜等。
第二層數據鏈路層：控制總線的存取；生成和識別幀界，識別節點地址；執行傳輸過程中的錯誤監測功能；用于實現多主機特性，將數據整理后送入源地址或目標地址，并進行故障檢查。
第三層網絡層：實現數據鏈路層與服務層的信息傳輸，并執行網關的功能。網絡層就象是P-NET的郵局，根據源地址和目的地址接受和發送信息。一條信息可能被要求從一個P-NET網站中送出，或送入另一臺P-NET服務器，或送回所要求的設備，或返回原節點。
第四層服務層：完成兩個不同的任務，一是提供P-NET服務，根據程序從內部存儲器中讀寫數據；二是記錄已發出請求正等待回應的信息數量，當一條請求得到響應時，便被送回源地址。
第七層讓應用程序能夠訪問其他設備變量，這一功能靠發送一個命令塊來實現，命令塊中包含一些參考消息，內有設備地址等詳細資料。
P-NET還具有一些通道結構，可視作系統的第八層。在P-NET中，對相關變量的采集和對單個過程信號的處理，可一起被視作一個過程對象，這就是所謂的通道。
3、2P-NET網絡結構
P-NET現場總線是一種多主站，多網絡系統?？偩€采用分段結構，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網上互連。P-NET現場總線系統的多網絡結構如圖2所示。
圖2 P-NET多網絡結構
過去為工廠設計自動化的基本思路是：先把傳感器和執行器用一根現場總線聯起來，然后將現場總線接到一個單元控制器上形成一個子系統，這樣許多相似的子系統再用一個高速的主干總線聯起來，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場總線構成，另一個由高速總線把低速總線聯起來，高速和低速總線的技術和結構都是不同的。
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。根據現在的技術，較高級上對快速數據傳輸速率的要求已經減少，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的各個層面上，按照工廠的每一個部分，把一個自控系統分成幾個單元，使每個單元具有這樣的性質：當這個單元關閉時，整個系統不受影響，程序的執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據的需求很有限，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中，附加的處理能力總是可以通過附加主站的形式來實現，所以這樣一個系統是可以擴展的。在各種可行的現場總線系統中，只有P-NET允許在幾個總線分段上直接尋址，這又稱為多網絡結構。這種特性是P-NET協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。
通信通過具有兩個或更多的P-NET接口的節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點，而不需要在多端口主站中有特殊的程序。把一個系統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生的影響限制在一單獨的分段內，從而保證更高的系統安全性。不僅如此，這些多網絡的特性提供了一種自然的冗余，這使得整個系統具有很強的容錯性。
4、P-NET通信原理(Principles of communication)
P-NET是一個多主站系統，允許多個主站在不同的時間共用一條總線。P—NET多主站系統總線訪問采用的是一種“虛擬令牌”制。P—NET協議的所有主站具有相同的優先級，所有主站的總線訪問權是相同的，所以虛擬令牌在主站之間依次循環傳遞。
所有的主站都有一個節點地址NA，節點地址從1到總線上主站的最大個數，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送一個請求。所有的主站都要知道總線上主站的最大個數，因為在節點地址等于最后一個主站的節點地址之后，令牌將被傳送給第一個主站。
一個主站以循環方式得到“時間令牌”后，若該主站有發送請求的要求，則在一定的時間間隔內訪問總線，訪問結束后，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送請求的要求，則經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獲得令牌后首先發送請求A，然后將令牌傳給主站2，主站2獲得令牌并發送請求B，然后主站3獲得令牌并在發送完請求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，再經一個時間間隔 后，將令牌傳給主站3，主站3獲得令牌并發送請求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器”和一個“訪問計數器”。一次信息循環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器”從40開始增加，遇到一個空閑位周期 ，則“空閑位周期計數器”增加10,遇到主站訪問總線，“空閑位周期計數器”重新從40開始計。每次令牌從一個主站傳給另一個主站時“訪問計數器”都要加1，當訪問計數器的值等于總線中主站的最大個數時，“訪問計數器”重新開始計數。
主站在獲得令牌時，首先要將本身的地址與訪問計數器中的值相比對，若經過比較，“訪問計數器”的值等于該主站的節點地址時，這個主站被允許在2—7個位周期的時間間隔內開始訪問總線，若不相等，則主站發出“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的停止位開始計算，允許從站在11到30個位周期內開始訪問總線。從站中的延時應設置的盡量的小，因為任何不必要的延時都可能降低系統的速度。在傳輸速度為76.8KB/S時，最大允許延時時間是390us。
這種令牌傳遞方式是一種基于時間的循環機制，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。
5、P-NET訪問控制(Control process)
P-NET的總線管理系統VIGO是一種OLE自動化服務器，可以很方便地與適應OLE自動化的標準應用相結合，例如：Excel和Access。VIGO現場總線管理系統是由幾部分程序元素組成的集合體，它是一個開放系統，其結構如圖3所示。VIGO允許附加其它銷售商的網絡元素，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換地動態連接到現有的系統中，產生一個適用于任何現場總線數據的非常簡單和明確的接口。
實際上，VIGO現場總線管理系統十分類似于目前流行的LINUX操作系統，它提供了一個強大的鏈接環境，任何用戶需要的應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無法比擬的。此外，用戶通過面向對象語言，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部變量一樣使用。同時，它還允許通過支持WINDOWS的任意網絡，在工作站、PC和服務器之間傳遞面向對象的數據，這使得總線數據可以在整個管理系統或Intranet中顯示和控制。
圖3 VIGO的結構組成
VIGO可以使分布在工廠內的各種獨立控制單元組成過程自動化管理系統，可實現一種現場總線之中或幾種現場總線之間的數據通信。VIGO可以把一個實在的工廠用數據、有關的數據結構和數據位置來描述，它管理工廠內部產生的數據的安全性和完善性，跟蹤工廠內的物理對象之間的關系和輔助的現場總線節點，同時還描述相關的控制程序、配置、校準參數的文件集合以及配置、備份、下載的工具等等。發送或處理同一個網絡或不同網絡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核實現的。當幾個應用程序試圖訪問同一個總線系統時，在Windows的多任務環境中會出現問題，這個問題可以由VIGO解決，它可以保證通信包和報文不發生混淆。
VIGO與互通信PC應用程序之間的所有數據交換都是通過OLE自動化（一種微軟數據交換標準）方式實現的。VIGO作為一種OLE自動化服務器，為用戶應用程序提供了開放的和明確的接口。處理工廠網絡中任意點的數據請求，都象是在PC機中直接實現的一樣。用戶無需考慮不同的通信協議、數據轉換或尋址方式之間的差異。PC應用程序應當是標準應用程序，如EXCEL電子數據表，ACCESS數據庫，或由Visual Basic，Delphi ,C++等語言編寫的具體應用程序。
使用VIGO的影響是深遠的，只需通過接口連接到一個系統上，而無需了解總線的類型。發展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，隨著公司數量的增加，可以提供公共使用的包，從而縮短了開發周期。
6、結束語（Conclusion）
P-NET現場總線已經出現了多年，在世界范圍內有5000種以上的實際應用，應用范圍從只有簡單的幾個I/O節點的設備到有幾千個I/O節點的龐大系統。其典型應用領域主要有奶品廠、啤酒廠、農業環境控制、動物飼養系統、瀝青和水泥生產、發電廠、太陽能電站、塑料成型、船舶發動機控制、油罐管理/報警、數據測量、供水系統、樓宇自動化、燃料管理系統，等等。P-NET現場總線在我國奶制品生產、農業環境控制、水產養殖等方面的應用大大提高了我國農業自動化技術的發展。相信在今后的社會發展中，P-NET現場總線技術也將不斷完善，創造出更多更好的業績。
參考文獻：
李曉春蘇嘉華，P-NET現場總線技術及其應用，機電工程
梅恪，現場總線P-NET
吳志揚，P-NET：VIGO軟件介紹性描述
zhangcuil，P—NET現場總線技術分析
作者簡介：
馮金光（1978-），男，碩士生．研究領域：模式識別與智能系統，機器人控制．
周華平（1970-），男，博士，副教授，碩士生導師．研究領域：自動控制理論及應用，機器人控制，智能系統．
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