基于Profibus-DP的控制系統通信互連

摘    要：本文介紹了一種采用Profibus-DP實(shí)現控制系統通信的方法，并成功地實(shí)現了和利時(shí)公司CPU24x和CPU21x 系列PLC系統和西門(mén)子公司S7 -300/200 PLC系統的相互通信。
關(guān)鍵詞：PLC；Profibus-DP

引言
當前在國際上有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)標準很多，其中，Profibus-DP主要用于中央處理器與分散外圍設備之間的高速數據通信，解決自動(dòng)控制系統(如PLC、PC等)通過(guò)高速串行總線(xiàn)與分散的現場(chǎng)設備(I／O、驅動(dòng)器、閥門(mén)等)之間的通信問(wèn)題。本文采用Profibus-DP實(shí)現了西門(mén)子公司S7系列的PLC系統和和利時(shí)公司的CPU24x和CPU21x系列PLC的通訊互連。

圖1 主-從通信系統配置

圖2  在從站模式下CPU和CP數據交換原理示意圖

系統設計
和利時(shí)的CPU24x和CPU21x一般作為主站設備，而西門(mén)子S7-300 PLC的CPU 315-2DP、CP342-5等既可做主站也可做從站。當它們做從站時(shí)，可設計為被動(dòng)從站或主動(dòng)從站。被動(dòng)從站執行簡(jiǎn)單的DP協(xié)議功能，相當于簡(jiǎn)單從站；主動(dòng)從站在總線(xiàn)中可以取得令牌，然后在確定的時(shí)間窗口中可以與從站通信，它除了支持簡(jiǎn)單的DP協(xié)議功能外，還支持一些其它的服務(wù)，如支持FDL服務(wù)、S7、PG等。另外，CP342-5和帶CP5611卡的PC站還可實(shí)現二類(lèi)DP主站、用于編程、診斷等功能。
因和利時(shí)公司的CPU24x和CPU21x的 PLC為主站設備，在系統中只能做主站，因此本設計把西門(mén)子的設備S7-300和S7-200 PLC作為從站，利用Profibus-DP的主-從通信原理實(shí)現他們的通信。系統配置如圖1所示。
在圖1中，和利時(shí) PLC使用Profibus-DP通信模塊FM208連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )，FM208通信模塊為DP主站模塊，在DP網(wǎng)絡(luò )中做DP主站。所有的西門(mén)子DP從站設備都可以作為FM208的從站連接到DP網(wǎng)絡(luò )中，并通過(guò)使用DP通信協(xié)議實(shí)現相互間的直接數據通信。在此，西門(mén)子的S7-300、S7-200 PLC和變頻器分別通過(guò)Profibus-DP通信模塊CP 342-5、EM 277和CBP2做為和利時(shí)PLC的FM208的從站，并實(shí)現相互通信。

通信編程
用于DP主站的用戶(hù)程序
用于DP主站的用戶(hù)程序都已集成在Profibus-DP通信模塊FM208中，用戶(hù)只需完成以下幾個(gè)方面的組態(tài)及設置即可完成主站的用戶(hù)編程。
(1) DP網(wǎng)絡(luò )組態(tài)，用WinNCS軟件完成。
① 啟動(dòng)WinNCS軟件，網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型選取Profibus。然后在Profibus網(wǎng)絡(luò )中插入主站，系統默認CPU24x為主站，指定其DP主站地址為2，總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸速率為1.5Mbps。
② 在FM208主站中插入DP從站CP342-5、EM277和CBP2，對應的DP網(wǎng)絡(luò )地址為3、4、5。CP342-5的I/O數據選擇16個(gè)字進(jìn)16個(gè)字出，EM277的I/O數據模塊選擇8個(gè)字進(jìn)8個(gè)字出，CBP2的數據類(lèi)型選擇PPO3。各從站的I/O數據在主站FM208中按順序自動(dòng)指定相應的地址。
③ 編譯并保存文件，然后下載到通信處理器FM208中。
(2)FM208配置的從站I/O數據地址在CPU241中的地址分配。
根據用WinNCS配置的從站數及設定的I/O數據起始地址和長(cháng)度，可以在PLC程序的數據塊DB1中為其指定數據尋址地址。例如上述從站I/O起始地址都是從0開(kāi)始，數據總長(cháng)度各為28個(gè)字，在DB1中加入地址配置指令：
KC='UAT: 0 28 0 28 ;END'
在PLC用戶(hù)程序中，直接根據上述設定的地址就可尋址從站的過(guò)程數據，不需要額外的通信編程。
用于DP從站S7-300的用戶(hù)程序
S7-300 PLC通過(guò)CP342-5作為主站和利時(shí)PLC的從站，為確保數據通信的實(shí)現，需完成以下工作。
① 組態(tài)CP342-5做從站。
② 編寫(xiě)從站用戶(hù)程序，并下載到S7 PLC。
③ 啟動(dòng)和調試DP從站和DP主站。
④ 通信異常診斷。
(1)CP功能
CP342-5用作DP從站可以被DP主站組態(tài)為智能從站或模塊化主站，做從站時(shí)可以組態(tài)為被動(dòng)從站或主動(dòng)從站，但不允許在組態(tài)為從站的同時(shí)組態(tài)為主站。用作主動(dòng)從站時(shí)除了提供從站服務(wù)功能外，還可以提供如FDL連接服務(wù)等其它的通信服務(wù)。CP342-5的主要功能有：
① 從主站接收用于配置和組態(tài)的參數，包括過(guò)程輸出數據和傳遞到CPU的數據。
② 從CPU的DP數據域接收輸入數據，為DP主站準備數據。
③ 給DP主站準備拾取和評估的診斷數據。
④ 給2類(lèi)主站準備讀取的I/O數據。
(2)數據交換原理
DP主站與DP從站的數據交換采用輪循方式，使用DP數據域中的接收緩沖區與發(fā)送緩沖區來(lái)完成。DP主站啟動(dòng)數據交換，將數據輸出到輸出緩沖區，并從輸入緩沖區將數據取回，其原理如圖2所示。
CPU和CP間的數據交換是通過(guò)在CPU循環(huán)中調用S7的DP_RECE和DP_SEND功能來(lái)實(shí)現的。其中，DP_RECE功能是接收由DP主站發(fā)送到從站CP的接收緩沖區的數據，然后把數據輸出至CPU指定的DP數據域。而DP_SEND則是把CPU中指定的DP數據域中需傳輸的數據傳送至CP的發(fā)送緩沖區，然后傳輸到DP主站。
(3)用戶(hù)程序
在S7 PLC中，CPU中的用戶(hù)數據域可以為過(guò)程映像、位寄存器以及數據塊，在本用戶(hù)程序中使用了數據塊。在S7用戶(hù)程序的Blocks目錄下，定義兩個(gè)數據塊DB1和DB2，分別用于存放接收和發(fā)送的數據，然后在循環(huán)執行的組織塊OB1中調用DP_RECE和DP_SEND功能。
當DP主站改變運行模式或崩潰時(shí)，操作系統通過(guò)調用從站上的某個(gè)OB作出反應。如果從站上的這些OB丟失，則CPU會(huì )立即自動(dòng)地切換到STOP。因此為了防止這種情況，需在從站建立相關(guān)的OB。
當主站的CPU從RUN轉換到STOP時(shí)，在從站的組織塊OB82(診斷中斷)將被調用。為防止CPU由于不存在OB82而停止，需在S7-300站的Blocks文件夾中插入組織塊OB82。
同理，當DP主站崩潰時(shí)，在從站上將調用組織塊OB86(機架故障)。為了防止S7-300從站的CPU在這樣的情況下進(jìn)入STOP，需在S7-300站的Blocks文件夾中插入組織塊OB86。
用于DP從站S7-200的用戶(hù)程序
主站和利時(shí)PLC和從站S7-200 CPU226之間的Profibus-DP通信是通過(guò)使用FM208模塊將S7-200 CPU226作為DP從站連入網(wǎng)絡(luò )的。FM208為模塊化的DP從站，I/O數據最大為32字。FM208通過(guò)串行總線(xiàn)和S7-200 CPU226連接，通過(guò)DP通信端口連接到Profibus上。其主要功能為：可運行在9.6kbps-12Mbps之間的任何速率；接收從主站來(lái)的I/O配置和參數信息；向主站發(fā)送和接收不同數量的數據；傳送I/O數據，以及支持變量塊的傳送等。
對主站的組態(tài)包括從站地址，從站的變量存儲區(V存儲區)偏置以及選取I/O模塊。
運行時(shí)，DP主站首先建立網(wǎng)絡(luò )，然后初始化啟動(dòng)DP從站，并且主站將參數賦值信息和I/O配置寫(xiě)入到從站。然后主站從從站獲取診斷信息，在確認從站已接收到信息后，主站就擁有了此從站的指揮權。此時(shí)網(wǎng)絡(luò )上的其它主站可以讀取該從站的數據但是不能向該從站寫(xiě)入數據。整個(gè)主站的組態(tài)是通過(guò)設備數據庫(GSD)文件siem089d.gsd來(lái)完成的。
從站地址通過(guò)FM208模塊上的硬件開(kāi)關(guān)設定，此開(kāi)關(guān)必須與主站軟件設定的地址一致。從站I/O緩沖區駐留在S7-200的V存儲區，因此要求參數賦值中必須包含V存儲區的緩沖區的起始位置及I/O的數據量，以確定緩沖區的大小。FM208提供字節、字、緩沖區三種類(lèi)型的數據交換。
S7-200 CPU226 PLC的通信用戶(hù)程序如下：
NETWORK 1      
//計算輸出數據指針到V寄存器
LDB= SMB224，2
MOVD     &VB0,VD1000
ITD      SMW226,AC0
+D       AC0,VD1000
NETWORK 2     
// 計算輸入數據指針到V寄存器
LDB  =SMB224，2
MOVD     VD1000，VD1004
BTI      SMB228，AC0
ITD      AC0，ACO
+D       AC0, VD1004
NETWORK 3       
//設置傳輸的數據量
LDB  =SMB224，2
MOVB     SMB228，VB1008
MOVB     SMB229，VB1009
NETWORK 4        //傳輸數據
LDB  =SMB224，2
BMB    *VD1000，QB0，VB1008
BMB    IB0，*VD1004，VB1009

結語(yǔ)
采用Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)，不需做復雜的通信編程，就能方便地實(shí)現不同廠(chǎng)商的現場(chǎng)總線(xiàn)設備在一個(gè)系統中的集成，而且數據傳輸可靠、組態(tài)靈活、可以真正的實(shí)現即插即用功能。而且集成方法簡(jiǎn)單，通信可靠、快速，很適合實(shí)時(shí)系統控制的要求。在目前廠(chǎng)家為其提供的通信產(chǎn)品和通信服務(wù)功能由于不夠豐富而存在的一些通信問(wèn)題，通過(guò)靈活配置完全可以解決?！?/P>