PROFIBUS-DP的特性、系統(tǒng)組成及如何實(shí)現(xiàn)PLC通信設(shè)計(jì)

1、引言

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，以提高系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長(zhǎng)信息傳輸?shù)木嚯x。它既是一個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)，有時(shí)一種全分布的控制系統(tǒng)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)，它以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把掛接在總線上相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、綜合自動(dòng)化等多項(xiàng)功能。

FCS用“工作站－現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”的二層機(jī)構(gòu)完成了集散控制系統(tǒng)（DCS）“操作站－控制站－現(xiàn)場(chǎng)儀表”的三層結(jié)構(gòu)模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一種正在發(fā)展的很有前途的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

目前最具代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，1989年成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN19245，1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999年12月被接受為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的一部分。用于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的底層，即車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備對(duì)底層設(shè)備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠(yuǎn)程診斷、故障報(bào)警及數(shù)字化要求的系統(tǒng)。

PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構(gòu)成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。PROFIBUS由三部分組成，PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）、PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外圍設(shè)備）、PROFIBUS-PA（Process Automation，過(guò)程自動(dòng)化）。其中PROFIBUS-DP已廣泛適用于水電站自動(dòng)化領(lǐng)域。

2、PROFIBUS-DP的特性及系統(tǒng)組成

2.1 PROFIBUS-DP的特性

PROFIBUS-DP使用物理層，數(shù)據(jù)鏈接層和用戶接口，用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站程序循環(huán)時(shí)間短。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理及復(fù)雜設(shè)備在運(yùn)行中參數(shù)的確定。

PROFIBUS-DP基本功能和特性如下：

（1） 遠(yuǎn)程離高速通信

支持9.6Kbps到12Mbps的傳輸速率; 12Mbps時(shí)最大傳輸距離為100m，1.5Mbps時(shí)為200m，另外還可以用中繼器延長(zhǎng);

（2） 分布式結(jié)構(gòu)

各主站間令牌傳遞，主站與從站為主－從傳送;每段可有32個(gè)站，用連接線可擴(kuò)展到126個(gè)站;

（3） 易于安裝，開(kāi)放式的通訊網(wǎng)絡(luò);

（4） 可靠性高，具備自診斷功能。

PROFIBUS-DP主站分為一類主站和二類主站。一類主站完成總線通信控制與管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問(wèn)，包括PLC、PC或可做一類主站的控制器。二類主站完成非周期性數(shù)據(jù)訪問(wèn)，如數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、系統(tǒng)配置、故障診斷等，包括操作員工作站（如PC機(jī)加圖形監(jiān)控軟件）、編程器、HMI等。PROFIBUS-DP從站主要進(jìn)行輸入、輸出信號(hào)采集和發(fā)送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等。

2.2 系統(tǒng)組成

為便于敘述和理解，現(xiàn)組成一個(gè)雙主站單從站的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。具體配置如下：

（1） 硬件：帶Siemens CP5611卡的PC機(jī)兩臺(tái)，一臺(tái)配置為一類主站，另一臺(tái)配置為二類主站;從站為Siemens S7-200 系列PLC的CPU224一塊，帶Siemens EM277DP通訊模塊;三個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接器;連接線為雙絞線。

（2） 軟件：用于軟件編程的STEP7-MICROWIN3.2和用于實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)配置的SIMATIC NET6.0。

3、PROFIBUS-DP主站和從站的組態(tài)

3.1 一類主站的組態(tài)

在PC1（一類主站）使用SIMATIC net 6.0軟件來(lái)組態(tài)整個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。具體步驟如下：

（1） 使用SIMATIC程序組中的Configuration Console設(shè)定PROFIBUS的模式為Configured Mode，插槽號(hào)隨意，如圖2所示：

（2） 用PC Station Wizard進(jìn)行一系列簡(jiǎn)單的設(shè)置后新建一個(gè)工程

設(shè)置CP5611的參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)為PROFIBUS，站地址為1（也可為其他值，但不能重復(fù)，其他站點(diǎn)地址的設(shè)定與此類同）;加上PROFIBUS-DP總線（DP master system（1）），并把CP5611設(shè)為DP-Master（即一類主站）。導(dǎo)入EM277的GSD文件，在視窗右側(cè)的從站設(shè)備欄里面就可以找到EM277模塊了。將EM277圖標(biāo)拖到DP總線上，站地址為設(shè)置2，V存儲(chǔ)器偏移量本例設(shè)置為4000，然后根據(jù)需要設(shè)定EM277的發(fā)送和接收緩沖區(qū)大小。最后將配置結(jié)果下載到模塊。結(jié)果如圖3所示：

至此，本PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一類主站與從站的主從關(guān)系已經(jīng)確立了。下面接著配置二類主站。

3.2 二類主站的組態(tài)

（1） 同樣還是在PC1上，在圖3的界面中點(diǎn)擊圖標(biāo) （Configure Network），彈出如圖4的界面。添加一個(gè)SIMATIC PC Station（此時(shí)這個(gè)PC Station還沒(méi)有掛到DP網(wǎng)上），并雙擊它，彈出如圖5的窗口（此窗口與圖3類同）。手動(dòng)添加OPC Server和CP5611，槽位隨意。將CP5611站點(diǎn)地址設(shè)為3，從屬于之前添加的DP網(wǎng)，并設(shè)定為DP Master Class 2（即二類主站），將配置結(jié)果下載到模塊。再次點(diǎn)擊 ，可看到PC Station掛到DP網(wǎng)上了。

（2） 現(xiàn)在操作對(duì)象轉(zhuǎn)到PC2上。同樣運(yùn)行Configuration Console，設(shè)置也與PC1相同。打開(kāi)PC Station Wizard新建一個(gè)工程。將CP5611設(shè)為DP Master Class 2，站地址設(shè)為3，同樣要從屬于DP master system（1）。將配置結(jié)果下載到模塊。

3.3 從站的組態(tài)

為了將EM277作為一個(gè)DP從站使用，必須設(shè)定與主站組態(tài)中的地址相匹配的DP端口地址（之前設(shè)定的地址為2）。從站地址是使用EM277模塊上的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)設(shè)定的。在變動(dòng)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)之后，用戶必須重新啟動(dòng)CPU電源。

EM277輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200CPU變量存儲(chǔ)器（V存儲(chǔ)器）內(nèi)，輸入緩沖區(qū)緊緊跟隨輸出緩沖器。緩沖區(qū)的大小是由DP主站組態(tài)設(shè)定的（之前設(shè)定為8 Bytes Out/8 Bytes In）。組態(tài)后，EM277可接收從主站來(lái)的輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)返回給主站。主從站緩沖區(qū)的關(guān)系如圖6：

若EM277 PROFIBUS-DP從站模塊為I/O鏈中的第一個(gè)智能模塊，則它的狀態(tài)信息從CPU224中的SMB200到SMB249獲得;若EM277為第二個(gè)智能模塊，其狀態(tài)從SMB250到SMB299獲得。只有DP主站才可以組態(tài)運(yùn)行了DP 方式下的EM277 DP模塊，用戶不能通過(guò)改寫(xiě)有關(guān)SMB存儲(chǔ)單元來(lái)組態(tài)EM277 DP模塊的緩沖區(qū)大小或位置。

由表1中專用存儲(chǔ)器字節(jié)的說(shuō)明，不難寫(xiě)出CPU224的DP通信程序，見(jiàn)表2。

4、通過(guò)OPC讀寫(xiě)PLC數(shù)據(jù)

OPC（OLE for Process Control）是過(guò)程控制業(yè)中的新興標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁。可以通過(guò)Siemens提供的OPC Server程序讀寫(xiě)PLC中的數(shù)據(jù)。［page］

（1） 一類主站PC1讀寫(xiě)PLC

在PC1上打開(kāi)SIMATIC程序組中的OPC Scout，新建一個(gè)組名。打開(kāi)新建組的“OPC-Navigator”，在DP目錄下的Slave002就是從站CPU224，M00_I和M00_Q即對(duì)應(yīng)從站的輸入和輸出緩沖區(qū)。將M00_I和M00_Q目錄下的變量按需求添加（如圖7），確認(rèn)后OPC就開(kāi)始運(yùn)行了。如果變量的“Quality”顯示“good”，表示OPC Server程序已經(jīng)通過(guò)PROFIBUS-DP總線協(xié)議和PLC建立了連接運(yùn)行關(guān)系。此時(shí)不僅可以讀取PLC中的數(shù)據(jù)，還可以向PLC寫(xiě)數(shù)據(jù)。

（2） 二類主站PC2的數(shù)據(jù)訪問(wèn)

在PC2上同樣打開(kāi)OPC Scout，新建組名。在該組名的“OPC-Navigator”下添加二類主站相應(yīng)的輸入和輸出緩沖區(qū)，確認(rèn)。PC2就可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)了，各數(shù)據(jù)的變化同PC1中的是同步的。

要注意的是：當(dāng)PC1的OPC Scout關(guān)閉的時(shí)候，PC2的OPC Scout對(duì)DP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)也中斷了。這證明了CPU224僅僅從屬于一類主站PC1，而二類主站PC2不能控制它（僅能進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)）。

5、PROFIBUS-DP在水電站中的應(yīng)用

目前，PROFIBIS-DP總線技術(shù)在水電站小型自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用較多，如水電站弧門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)組輔助設(shè)備控制系統(tǒng)就大量用到了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)镻ROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性受到系統(tǒng)規(guī)模影響，系統(tǒng)規(guī)模越大實(shí)時(shí)性越差，所以PROFIBUS-DP總線技術(shù)最適合于小型自動(dòng)化系統(tǒng)。

不過(guò)，PROFIBUS-DP在信號(hào)的傳輸精度、可靠性和抗干擾性有不俗的表現(xiàn)，其系統(tǒng)成本低、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)調(diào)試方便且易于擴(kuò)展。而且，各類傳感器和智能設(shè)備等都有支持DP網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)通信口，硬件資源豐富;DP網(wǎng)絡(luò)本身靈活多變的主從結(jié)構(gòu)，適應(yīng)多種控制系統(tǒng);各類組態(tài)軟件也都可以和OPC Server建立數(shù)據(jù)交換，減少了監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期;通過(guò)專用的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器或工控機(jī)，基于PROFIBUS-DP總線的控制系統(tǒng)可以掛靠到工業(yè)以太網(wǎng)上，成為綜合控制系統(tǒng)的一部分。因此，雖然現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)有大普及之勢(shì)，但DP網(wǎng)較高的性價(jià)比還是被越來(lái)越多的用戶所認(rèn)可。

6、結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一的PROFIBUS-DP總線技術(shù)開(kāi)放性強(qiáng)、性價(jià)比高，在水電行業(yè)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

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