CN112202637A - 一种profibus-pa总线网段设备数量的计算方法 - Google Patents

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董夏昕
高原英
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Abstract

本发明公开了一种PROFIBUS‑PA总线网段设备数量的计算方法，包括：根据网段波特率计算位时间；根据位时间计算同步时间和传输延迟时间；确定从站延迟时间的最小值和最大值；计算保险余量时间；根据不同波特率的特性，得出令牌接收器延迟时间；计算空闲时间1和空闲时间2；根据空闲时间1和空闲时间2，通过取较大者计算出空闲时间；结合上述各计算结果，计算信息循环时间，从而计算出PROFIBUS‑PA总线网段设备数量。本发明的计算方法充分考虑了位时间Tbit、同步时间Tsyn、间隙时间Tid、传输延迟时间Ttd、从站延迟时间Tsdr等信息循环时间计算中涉及的众多PPROFIBUS协议时间参数，计算的准确性高。

Description

一种PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法
技术领域
本发明涉及发电厂过程现场总线过程自动化(Process Fieldbus-ProcessAutomation，简称PROFIBUS-PA)网络通信技术领域，具体涉及一种PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法。
背景技术
PROFIBUS-PA(Process Automation)符合IEC61158-2标准，称作本质安全(简称本安)传输方式。其特点是编码采用曼彻斯特(Manchester)方式，具有固定的传输速率31.25Kbps，且采用总线向各个设备供电BP(Bus-Power)方式。即二芯电缆本身除了传输信号外，可以对各个接入现场设备进行安全供电。因此，它广泛应用在化工、石油工业等对用电设备有防爆要求的现场控制环境中。相对于PROFIBUS-DP采用的NRZ编码，PROFIBUS-PA编码中含有时间同步信息，故又称它为同步传输方式。PROFIBUS-PA专为过程控制而设计，通俗的理解就是它取代了过程控制中传统的4～20mA模拟量信号。
GB/T 36293-2018《火力发电厂分散控制系统技术条件》，条款5.5.1.1中对控制器的扫描周期有如下规定：CP处理模拟量控制的扫描周期宜不大于250ms。上述规定即指出了在使用PROFIBUS现场总线做为现场层通信的控制系统中，PROFIBUS-PA网段上的信息循环时间宜不大于250ms。一个PROFIBUS总线设备的信息循环时间分别由主站发送请求信息时间+从站延迟时间+从站发送响应信息时间这三部分组成，则整个PROFIBUS总线网段的信息循环时间为该网段所有从站设备信息循环时间的累计和。因此通过一个PROFIBUS-PA总线网段的上述三种时间的累加和，计算出该网段的信息循环时间，进而能够计算出一个PROFIBUS-PA总线网段的设备数量。
PROFIBUS协议规定每个PROFIBUS-PA网段从站设备数量最多为32个，但受消耗电流总量的限制和使用场合的影响，实际工程应用中PROFIBUS-PA网段从站设备要少于这个数目。至于网段设备数量具体多少个，目前还没有任何量化的计算方法或公式。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，该计算方法根据位时间Tbit、同步时间Tsyn、间隙时间Tid、传输延迟时间Ttd、从站延迟时间Tsdr等众多PPROFIBUS协议时间参数，计算出信息循环时间，进而计算出PROFIBUS-PA总线网段设备数量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，根据位时间Tbit、同步时间Tsyn、间隙时间Tid、传输延迟时间Ttd、从站延迟时间Tsdr众多PPROFIBUS协议时间参数，计算出信息循环时间，进而计算出PROFIBUS-PA总线网段设备数量，具体包括以下步骤：
S100：根据网段波特率计算位时间；
S200：根据位时间计算同步时间和传输延迟时间；
S300：根据不同设备所使用ASIC芯片的性能不同，参照每类从站的GSD文件得出从站延迟时间的最小值和最大值；
S400：根据PA总线确定的设定时间及建立时间，计算保险余量时间；
S500：根据不同波特率的特性，得出令牌接收器延迟时间；
S600：根据同步时间、保险余量时间、最小从站延迟时间和令牌接收器延迟时间，计算出空闲时间1；
S700：根据同步时间、保险余量时间和最大从站延迟时间，计算出空闲时间2；
S800：根据空闲时间1和空闲时间2，通过取较大者计算出空闲时间；
S900：根据传输延迟时间、最大从站延迟时间和保险余量时间，计算出间隙时间；
S1000：结合上述计算结果，计算出信息循环时间，从而计算出PROFIBUS-PA总线网段设备数量。
所述位时间Tbit基于下述公式(1)计算：
Tbit＝1/K (1)
其中，K指波特率。
所述同步时间和传输延迟时间基于下述公式(2)计算：
Tsyn＝33Tbit
Ttd＝33Tbit (2)
其中Tsyn指同步时间，Ttd指传输延迟时间，两个时间大小一致均为33Tbit。
所述从站延迟时间的最小值和最大值基于下述表1确定：
表1
Figure BDA0002710679200000041
所述保险余量时间的计算基于下述公式(3)计算：
Tsm＝2+Tset+Tqui (3)
其中Tset指PA总线确定的设定时间，Tqui指PA总线确定的建立时间。
所述令牌接收器延迟时间Tsdi基于下述表2确定：
表2
Figure BDA0002710679200000042
其中，PROFIBUS-PA总线的波特率固定为31.25kbit/s，因此令牌接收器延迟时间Tsdi取值≤80。
所述空闲时间1和空闲时间2基于下述公式(4)计算：
Tid1＝max(Tsyn+Tsm,minTsdr,Tsdi)
Tid2＝max(Tsyn+Tsm,maxTsdr) (4)
其中，Tsyn指同步时间，Tsm指保险余量时间，minTsdr指最小从站延迟时间，Tsdi指令牌接收器站延迟时间，maxTsdr指最大从站延迟时间。
所述空闲时间基于下述公式(5)计算：
Tid＝max(Tid1,Tid2) (5)
其中，Tid1为空闲时间1，Tid2为空闲时间2。
所述间隙时间基于下述公式(6)计算：
Tsl＝2×Ttd+maxTsdr+Tsm+11 (6)
其中，Ttd指传输延迟时间，maxTsdr指最大从站延迟时间，Tsm指保险余量时间。
所述PROFIBUS-PA总线网段设备数量基于下述公式(7)、(8)和(9)确定：
Tmc＝主站发送请求信息时间+Tsdr+从站发送响应信息时间 (7)
PROFIBUS报文中的每一个字节特征码均由1个起始位，1个停止位，1个校验位和8个数据位组成，DPV0数据交换报文中除了数据单元外，还有9个字节的报头和报尾，根据特征码得出信息循环时间计算公式为：
Tmc＝[Tsyn+Tsl+Tid+(2×9+输入字节数+输出字节数)×11+Tsdr]×Tbit×从站数量 (8)
其中Tsyn指同步时间，Tsl指间隙时间，Tid指空闲时间，Tsdr指从站延迟时间，Tbit指位时间。
其中，GB/T 36293-2018《火力发电厂分散控制系统技术条件》，条款5.5.1.1中对控制器的扫描周期有如下规定：CP处理模拟量控制的扫描周期宜不大于250ms，即指出了PROFIBUS-PA网段的信息循环时间Tmc≤250ms＝250000μs；
Figure BDA0002710679200000061
本发明具体如下优点：
现有技术还没有直接计算PROFIBUS-PA总线网段设备数量的方法。本发明的计算方法充分考虑了位时间Tbit、同步时间Tsyn、间隙时间Tid、传输延迟时间Ttd、从站延迟时间Tsdr等信息循环时间计算中涉及的众多PPROFIBUS协议时间参数，计算的准确性高。经过实际验证，本计算方法的PROFIBUS-PA总线网段设备数量计算结果在满足“PROFIBUS协议规定每个网段从站设备数量最多为32个”规定的同时，能够量化计算出PA网段设备的实际数量，减少设计返工，在满足技术要求的前提下尽量提高网段设备数量从而降低工程造价。本计算方法对于工程执行过程中的网段设计有着较高的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明的PROFIBUS-PA总线网段长度的计算方法流程图。
图2为PROFIBUS-PA报文传输示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图及具体实施例证进行详细描述。
本发明提供的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的技术方法用于对PROFIBUS-PA网络中的每个网段的设备数量进行计算，以评估发电厂PROFIBUS-PA网络设备数量设计是否合理。
如图1所示，本发明提供的一种PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，包括以下步骤：
S100：根据网段波特率计算位时间；
S200：根据位时间计算同步时间和传输延迟时间；
S300：根据不同设备所使用ASIC芯片的性能不同，参照每类从站的GSD文件得出从站延迟时间的最小值和最大值；
S400：根据PA总线确定的设定时间及空闲时间，计算保险余量时间；
S500：根据不同波特率的特性，得出令牌接收器延迟时间；
S600：根据同步时间、保险余量时间、最小从站延迟时间和令牌接收器延迟时间，计算出空闲时间1；
S700：根据同步时间、保险余量时间和最大从站延迟时间，计算出空闲时间2；
S800：根据空闲时间1和空闲时间2，通过取较大者计算出空闲时间；
S900：根据传输延迟时间、最大从站延迟时间和保险余量时间，计算出间隙时间；
S1000：结合上述计算结果，通过公式计算出信息循环时间，从而计算出PROFIBUS-PA总线网段设备数量。
以下参考图2对本发明上述各步骤进行详细介绍。图2描述了主从站之间的一次完整数据交换过程，涉及众多的时间参数。
根据网段波特率计算位时间。
位时间基于下述公式(1)计算：
Tbit＝1/K (1)
其中，K指波特率。
同步时间和传输延迟时间基于下述公式(2)计算：
Tsyn＝33Tbit
Ttd＝33Tbit (2)
其中Tsyn指同步时间，Ttd指传输延迟时间，两个时间大小一致都为33Tbit。
从站延迟时间的最小值和最大值基于下述表1确定：
表1
Figure BDA0002710679200000081
保险余量时间的计算基于下述公式(3)计算：
Tsm＝2+Tset+Tqui (3)
其中Tset指设定时间，Tqui指建立时间；对于PA总线，Tset＝95，Tqui＝11。令牌接收器延迟时间基于下述表2确定：
表2
Figure BDA0002710679200000082
其中，PROFIBUS-PA总线的波特率固定为31.25kbit/s，因此令牌接收器延迟时间Tsdi取值≤80。
空闲时间1和空闲时间2基于下述公式(4)计算：
Tid1＝max(Tsyn+Tsm,minTsdr,Tsdi)
Tid2＝max(Tsyn+Tsm,maxTsdr) (4)
Tsyn指同步时间，Tsm指保险余量时间，minTsdr指最小从站延迟时间，Tsdi指令牌接收器站延迟时间，maxTsdr指最大从站延迟时间。
空闲时间基于下述公式(5)计算：
Tid＝max(Tid1,Tid2) (5)
其中，Tid1指空闲时间1，Tid2指空闲时间2。
间隙时间基于下述公式(6)计算：
Tsl＝2×Ttd+maxTsdr+Tsm+11 (6)
Ttd指传输延迟时间，maxTsdr指最大从站延迟时间，Tsm指保险余量时间。
PROFIBUS-PA总线网段设备数量基于下述公式(7)、(8)和(9)确定：
Tmc＝主站发送请求信息时间+Tsdr+从站发送响应信息时间 (7)
PROFIBUS报文中的每一个字节特征码均由11位(1个起始位，1个停止位，1个校验位和8个数据位)组成。DPV0数据交换报文中除了数据单元外，还有9个字节的报头和报尾。根据特征码可得出信息循环时间计算公式为：
Tmc＝[Tsyn+Tsl+Tid+(2×9+输入字节数+输出字节数)×11+Tsdr]×Tbit×从站数量 (8)
其中Tsyn指同步时间，Tsl指间隙时间，Tid指空闲时间，Tsdr指从站延迟时间，Tbit指位时间。
GB/T 36293-2018《火力发电厂分散控制系统技术条件》，条款5.5.1.1中对控制器的扫描周期有如下规定：CP处理模拟量控制的扫描周期宜不大于250ms，即指出了PROFIBUS-PA网段的信息循环时间Tmc≤250ms＝250000μs。
Figure BDA0002710679200000101
[实施例]
本实施例中的PROFIBUS-PA总线网段，包括1个PROFIBUS-DPV0主设备节点，设定主站每次只连接1个网段。PA网段使用耦合器进行物理层转换，PA耦合器馈电压、馈电流分别为24V/1000mA。PA网段波特率为31.25kbit/s，PA从站数量为m个，每个从站有5字节的输入数据和5字节的输出数据。
位时间基于下述公式(1)计算：
Figure BDA0002710679200000102
同步时间和传输延迟时间基于下述公式(2)计算：
Tsyn＝33Tbit
Ttd＝33Tbit (2)
其中Tsyn指同步时间，Ttd指传输延迟时间，两个时间大小一致都为33Tbit
从站延迟时间的最小值和最大值基于下述表1确定：
表1
Figure BDA0002710679200000111
得出minTsdr＝11Tbit，maxTsdr＝60Tbit
保险余量时间的计算基于下述公式(3)计算：
Tsm＝2+Tset+Tqui (3)
其中Tset指设定时间，Tqui指建立时间；对于PA总线，Tset＝95，Tqui＝11。
计算得Tsm＝2+Tset+Tqui＝2+95+11＝108Tbit
令牌接收器延迟时间基于下述表2计算：
表2
Figure BDA0002710679200000112
其中，PROFIBUS-PA总线的波特率固定为31.25kbit/s，因此令牌接收器延迟时间Tsdi取值≤80。
得出Tsdi＝80Tbit
空闲时间1和空闲时间2基于下述公式(4)计算：
Tid1＝max(Tsyn+Tsm,minTsdr,Tsdi)
Tid2＝max(Tsyn+Tsm,maxTsdr) (4)
其中，Tsyn指同步时间，Tsm指保险余量时间，minTsdr指最小从站延迟时间，Tsdi指令牌接收器站延迟时间，maxTsdr指最大从站延迟时间。
计算得Tid1＝max(Tsyn+Tsm,minTsdr,Tsdi)＝max(33+108,11,80)＝141Tbit
Tid2＝max(Tsyn+Tsm,maxTsdr)＝max(33+108,60)＝141Tbit
空闲时间基于下述公式(5)计算：
Tid＝max(Tid1,Tid2)＝141Tbit (5)
其中，Tid1指空闲时间1，Tid2指空闲时间2。
间隙时间基于下述公式(6)计算：
Tsl＝2×Ttd+maxTsdr+Tsm+11 (6)
其中，Ttd指传输延迟时间，maxTsdr指最大从站延迟时间，Tsm指保险余量时间。
计算得Tsl＝2×Ttd+maxTsdr+Tsm+11＝2×33+60+108＝234Tbit
PROFIBUS-PA总线网段设备数量基于下述公式(7)、(8)和(9)确定：
Tmc＝主站发送请求信息时间+Tsdr+从站发送响应信息时间 (7)
PROFIBUS报文中的每一个字节特征码均由11位(1个起始位，1个停止位，1个校验位和8个数据位)组成。DPV0数据交换报文中除了数据单元外，还有9个字节的报头和报尾。根据特征码可得出信息循环时间计算公式为：
Tmc＝[Tsyn+Tsl+Tid+(2×9+输入字节数+输出字节数)×11+Tsdr]×Tbit×m (8)
其中，GB/T 36293-2018《火力发电厂分散控制系统技术条件》，条款5.5.1.1中对控制器的扫描周期有如下规定：CP处理模拟量控制的扫描周期宜不大于250ms，即指出了PROFIBUS-PA网段的信息循环时间Tmc≤250ms＝250000μs。
Figure BDA0002710679200000131
计算得
Figure BDA0002710679200000132
通过取整，得出本实施例中条件下，一个PA网段设备数量m应不大于10台，才能满足火力发电厂分散控制系统验收测试规程，对模拟量控制工作周期≤250ms的规定。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可做出若干适当的改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于：根据位时间Tbit、同步时间Tsyn、间隙时间Tid、传输延迟时间Ttd、从站延迟时间Tsdr众多PPROFIBUS协议时间参数，计算出信息循环时间，进而计算出PROFIBUS-PA总线网段设备数量，具体包括以下步骤：
S100：根据网段波特率计算位时间；
S200：根据位时间计算同步时间和传输延迟时间；
S300：根据不同设备所使用ASIC芯片的性能不同，参照每类从站的GSD文件得出从站延迟时间的最小值和最大值；
S400：根据PA总线确定的设定时间及建立时间，计算保险余量时间；
S500：根据不同波特率的特性，得出令牌接收器延迟时间；
S600：根据同步时间、保险余量时间、最小从站延迟时间和令牌接收器延迟时间，计算出空闲时间1；
S700：根据同步时间、保险余量时间和最大从站延迟时间，计算出空闲时间2；
S800：根据空闲时间1和空闲时间2，通过取较大者计算出空闲时间；
S900：根据传输延迟时间、最大从站延迟时间和保险余量时间，计算出间隙时间；
S1000：结合上述计算结果，计算出信息循环时间，从而计算出PROFIBUS-PA总线网段设备数量。
2.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述位时间Tbit基于下述公式(1)计算：
Tbit＝1/K (1)
其中，K指波特率。
3.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述同步时间和传输延迟时间基于下述公式(2)计算：
Tsyn＝33Tbit
Ttd＝33Tbit (2)
其中Tsyn指同步时间，Ttd指传输延迟时间，两个时间大小一致均为33Tbit。
4.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述从站延迟时间的最小值和最大值基于下述表1确定：
表1
Figure FDA0002710679190000021
5.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述保险余量时间的计算基于下述公式(3)计算：
Tsm＝2+Tset+Tqui (3)
其中Tset指PA总线确定的设定时间，Tqui指PA总线确定的建立时间。
6.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述令牌接收器延迟时间Tsdi基于下述表2确定：
表2
Figure FDA0002710679190000031
其中，PROFIBUS-PA总线的波特率固定为31.25kbit/s，因此令牌接收器延迟时间Tsdi取值≤80。
7.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述空闲时间1和空闲时间2基于下述公式(4)计算：
Tid1＝max(Tsyn+Tsm,minTsdr,Tsdi)
Tid2＝max(Tsyn+Tsm,maxTsdr) (4)
其中，Tsyn指同步时间，Tsm指保险余量时间，min Tsdr指最小从站延迟时间，Tsdi指令牌接收器站延迟时间，max Tsdr指最大从站延迟时间。
8.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述空闲时间基于下述公式(5)计算：
Tid＝max(Tid1,Tid2) (5)
其中，Tid1为空闲时间1，Tid2为空闲时间2。
9.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述间隙时间基于下述公式(6)计算：
Tsl＝2×Ttd+max Tsdr+Tsm+11 (6)
其中，Ttd指传输延迟时间，max Tsdr指最大从站延迟时间，Tsm指保险余量时间。
10.根据权利要求1所述的PROFIBUS-PA总线网段设备数量的计算方法，其特征在于，所述PROFIBUS-PA总线网段设备数量基于下述公式(7)、(8)和(9)确定：
Tmc＝主站发送请求信息时间+Tsdr+从站发送响应信息时间 (7)
PROFIBUS报文中的每一个字节特征码均由1个起始位，1个停止位，1个校验位和8个数据位组成，DPV0数据交换报文中除了数据单元外，还有9个字节的报头和报尾，根据特征码得出信息循环时间计算公式为：
Tmc＝[Tsyn+Tsl+Tid+(2×9+输入字节数+输出字节数)×11+Tsdr]×Tbit×从站数量 (8)
其中Tsyn指同步时间，Tsl指间隙时间，Tid指空闲时间，Tsdr指从站延迟时间，Tbit指位时间。
其中，GB/T 36293-2018《火力发电厂分散控制系统技术条件》，条款5.5.1.1中对控制器的扫描周期有如下规定：CP处理模拟量控制的扫描周期宜不大于250ms，即指出了PROFIBUS-PA网段的信息循环时间Tmc≤250ms＝250000μs；
Figure FDA0002710679190000041
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