1 引言
p-net現(xiàn)場總線技術由丹麥proces-dataa／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。它可以將生產(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。與傳統(tǒng)布線相比，p-net現(xiàn)場總線技術在工業(yè)控制應用中具有很大的優(yōu)勢，它將簡化設計和安裝，減少布線的數(shù)量和費用，避免各種設備故障的發(fā)生，實現(xiàn)更直接也更廣泛的使用功能。
2 網(wǎng)絡系統(tǒng)
p-net是一種多層網(wǎng)絡結構，如圖1所示。
圖1 p-net網(wǎng)絡結構圖
其特點：
（1）多層的網(wǎng)絡結構，方便系統(tǒng)組態(tài)，提高系統(tǒng)的安全性和冗余性。
（2）分散控制、集中管理的控制方式，符合現(xiàn)代控制理論。
（3）各分系統(tǒng)間彼此獨立工作，又互相協(xié)調，共享資源。
（4）較高的數(shù)據(jù)更新速度和傳輸速度，提高系統(tǒng)控制的實時性。
（5）無須建立各區(qū)段總線間的層次關系，方便了系統(tǒng)擴展，提供了系統(tǒng)的開放性。
3 系統(tǒng)結構
p-net現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構層次（layer）可以根據(jù)“開放系統(tǒng)接線參考模式”擬定并加以描述，如圖2所示。
圖2 p-net開放系統(tǒng)接線參考模式
一般來說，p-net只需建1、2、7層，但既然p-net具有多重網(wǎng)絡的結構特點，協(xié)議也應完成第3、4層的組建。
第一層用于在總線上傳輸原始字節(jié)，它可用于指定線纜，或說明總線上數(shù)字信號的含義等。
第二層用于實現(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服務器，或送回所要求的設備，或返回該信息說明某個地址未被定義。第二層上還需保留一些必要的地址，以便確定返回信息有路可循。
第四層完成兩個不同的任務。一是提供p-net服務，根據(jù)程序從內部存儲器中讀寫數(shù)據(jù)。第二項任務是記錄已發(fā)出請求正等待回應的信息數(shù)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(fā)送一個命令塊來實現(xiàn)，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(tǒng)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。
4 運行模式
p-net的電器規(guī)格以rs485標準為基礎，使用可屏蔽雙芯絞合電纜，可以直接與設備儀器相連，總線接口進行電氣隔離。
p-net是一種極為高效的總線協(xié)議。數(shù)據(jù)將以全過程值（浮點）的形式進行傳輸。在傳輸過程中，當數(shù)據(jù)的首字節(jié)一到，主機的輔助設備便啟動處理命令，而無須象傳統(tǒng)方式那樣等到所有信息都傳送到才開始執(zhí)行操作，這一特點使p-net的數(shù)據(jù)傳輸速度高達7.68×105bps，極大地提高了系統(tǒng)效率。
p-net是一種多主機總線，每段總線可容納32臺主機（master），每臺主機享有同等優(yōu)先權，并且均有相關的輔助設備（slave）。從p-net總線上訪問數(shù)據(jù)的方法相當獨特，稱為“虛擬令牌特性”。簡單地說，每一臺p-net主機都有一個設備地址（na），并包含一個“備用總線二進制周期計數(shù)器”，以二進制方式記錄總線在備用狀態(tài)下的周期數(shù)，一旦總線啟用，計數(shù)器便復位為0。每一臺主機還有一個輔助計數(shù)器，每當備用總線周期計數(shù)器的值達到40、50、60時，便進一位。當輔助計數(shù)器值（令牌）等于某一臺主機的設備地址時，該主機就滿足了“令牌”要求，被允許訪問總線。當這臺主機無訪問要求或已結束了對總線的訪問時，令牌自動轉向另一臺主機地址。“虛擬令牌特性”縮短了主機處理過程，并且盡量少占用總線容量，使p-net無須進行任何總線協(xié)調，是一種十分高效的訪問方式。
在各類現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，只有p-net允許在各部分總線間尋址定址，這是p-net協(xié)議的特征之一。也就是說，一段總線上的任何一個主機，可以毫無阻礙地訪問另一段總線的設備，而無須在主機中設置任何特殊程序。
包括主機在內的任何p-net模塊，都可隨時與總線連接，或與總線斷開，即使在系統(tǒng)運行中也可隨時更換模塊，或進行系統(tǒng)擴展，對總線系統(tǒng)其他部分無任何干擾。
此外，p-net有一些重要的輔助模塊，除了向整個系統(tǒng)提供輸入/輸出功能外，還提供從簡單的開關控制，到pid調節(jié)或編程方法等輔助處理功能，使整個系統(tǒng)構建起局部的控制環(huán)和特殊的處理方法。
5 支撐軟件
5.1 vigo現(xiàn)場總線管理系統(tǒng)
vigo是一種現(xiàn)場總線管理系統(tǒng)，它始終監(jiān)測著機組中各實際設備間以及它們與總線間的聯(lián)系，支持winscket（pc-基礎網(wǎng)絡）和p-net現(xiàn)場總線，可在windows95下運行。
5.2 pdflow數(shù)據(jù)庫程序
pdflow用于建立pd4000／340flowmeter-display的用戶數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫可為100個用戶服務，信息可向pd4000／340下載。pdflow數(shù)據(jù)庫以access2.0文件格式化的標準數(shù)據(jù)庫為基礎，使用時要求具備pd3920模塊和vigo軟件。
5.3 打印接口設計程序
用于設計pd4000／340流量計顯示器的打印接口，可為pc監(jiān)控器設計接口線路，然后下載至pd4000／340。定制的接口線路可保存在pc機硬盤中供以后使用。使用時要求具備pd3920模塊和vigo軟件。
6 應用
1998年，在由浙江省機電設計研究院總承包的“甬臺溫高速公路大溪嶺—湖霧嶺隧道機電工程”中，就將p-net現(xiàn)場總線技術用于該工程的電力監(jiān)控系統(tǒng)，取得了良好的效果。
甬臺溫高速公路大溪嶺—湖霧嶺隧道是我國首座自行設計、自行施工的高速公路第一長隧，位于臺州溫嶺大溪鎮(zhèn)與溫州樂清湖霧鎮(zhèn)之間，全長4116m。考慮到特大型公路隧道機電工程的綜合性極強，需要滿足多種基本運行條件，并要求達到較高的設計標準，整個隧道的供配電系統(tǒng)采用雙回路10kv高壓進線方式，由1#、2#配電所和北端、洞中、南端三個變電所組成供電網(wǎng)，向所有設備供電，并對關鍵設備采用在線式ups電源供電，保障了整個系統(tǒng)的安全運行。整個電力監(jiān)控系統(tǒng)的控制范圍達到5km。
電力監(jiān)控系統(tǒng)結構,如圖3所示。
圖3 大溪嶺－湖霧嶺隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)結構圖
在各變電所、高壓配電所和中央控制室之間采用冗余雙環(huán)p-net現(xiàn)場總線進行連接，雙環(huán)結構為整個隧道的電力監(jiān)控系統(tǒng)構筑了一個高可靠性的數(shù)據(jù)高速公路，即使在出現(xiàn)局部線路故障的情況下，也可保證整個系統(tǒng)的完整性和可靠性。
隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)用于采集和監(jiān)視隧道各配電所、變電所的所有電力參數(shù)及部分開關的狀態(tài)。系統(tǒng)采用的控制器為pd控制器模塊。
系統(tǒng)所用模塊分為三類：
（1）主模塊pd5015。置于中控室內，是監(jiān)測系統(tǒng)的主控制器，所有數(shù)據(jù)采集后都送到此模塊。主模塊根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行檢查，若發(fā)現(xiàn)異常，如過電流、過電壓等則發(fā)送報警信息。pd5015具有液晶顯示和輕觸鍵盤，用戶可觀察各種數(shù)據(jù)并通過鍵盤進行參數(shù)設置。主模塊與上位計算機通訊并提供所需的數(shù)據(jù)。
（2）電量采集模塊，包括pd3260和pd3221。1#配電房和南、北變電所每個變壓器都由一個pd3260模塊采集數(shù)據(jù)，中洞變電所的兩個變壓器則分別由一個pd3260和一個pd3221進行數(shù)據(jù)采集。pd3260模塊可測量系統(tǒng)的三相電壓、電流、功率、功率因素和頻率，并累計能耗。模塊有8個數(shù)字i／o通道和一個用于局部控制的可編程計數(shù)器通道，用于輸電線上同步、異步發(fā)生器的自動數(shù)據(jù)采集。pd3221模塊包括6個數(shù)字輸入通道（其中4個可作為數(shù)字輸出），2個模擬輸入通道和1個模擬輸出通道。模塊還包括一個pid調節(jié)器，一個用于局部控制的內部用戶可編程計數(shù)器通道和一個脈沖處理器。
（3）pd3280遠程通訊模塊。由于南變和中變、中變和北變之間的兩段總線較長，因此在兩段總線上均配置一個pd3280遠程通訊模塊作為中繼模塊，以實現(xiàn)系統(tǒng)總線的連續(xù)性和完整性。pd3280模塊有3個rs484p-net接口，每一接口可在1200m內進行通訊，所以整個模塊允許3600m以內的通訊。pd3280模塊在p-net現(xiàn)場總線各部分之間提供了一個透明的接口。
隧道內各配電所的主要運行參數(shù)可通過模塊現(xiàn)場采集，經(jīng)總線送至中央控制室，并可在中控室的電力模擬屏中反映出來。工作人員可時刻監(jiān)視電力系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題并立即著手解決，以防止問題進一步擴大。
“甬臺溫高速公路大溪嶺—湖霧嶺隧道機電工程”電力監(jiān)控系統(tǒng)自投入使用以來一直效果顯著、運行良好，從而反映出p-net現(xiàn)場總線技術具有很強的整體性和很高的可靠性，其優(yōu)越的性能為隧道機電工程的完成和完善提供了良好的保證。
7 結束語
如今，作為國際總線協(xié)議三大創(chuàng)始者之一的p-net協(xié)議，憑借其獨特的技術優(yōu)勢和卓越的產(chǎn)品性能，正在社會生產(chǎn)發(fā)展的各個領域發(fā)揮著重要的作用。此次在“甬臺溫高速公路大溪嶺—湖霧嶺隧道機電工程”的電力監(jiān)控系統(tǒng)中，成功地應用了這一現(xiàn)場總線技術，就是一個最好的例證。相信在今后的社會發(fā)展中，p-net現(xiàn)場總線技術也將不斷完善，創(chuàng)造出更多更好的業(yè)績。