PROFIBUS-DP與PLC通信
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現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）用數字信號取代模擬信號，以提高系統的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長(cháng)信息傳輸的距離。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，是一種新型的網(wǎng)絡(luò )集成自動(dòng)化系統，它以現場(chǎng)總線(xiàn)為紐帶，把掛接在總線(xiàn)上相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成自動(dòng)化系統，實(shí)現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、綜合自動(dòng)化等多項功能。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/329030.htmFCS用“工作站－現場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表”的二層機構完成了集散控制系統（DCS）“操作站－控制站－現場(chǎng)儀表”的三層結構模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統一的國際標準下可實(shí)現真正的開(kāi)放式互連系統結構，是一種正在發(fā)展的很有前途的計算機控制系統。
目前最具代表性的現場(chǎng)總線(xiàn)是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準，1989年成為德國標準DIN19245，1996年成為歐洲標準EN50170，1999年12月被接受為國際標準IEC61158的一部分。用于工廠(chǎng)自動(dòng)化系統三級網(wǎng)絡(luò )中的底層，即車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現場(chǎng)受控設備對底層設備有較高的數據集成和遠程診斷、故障報警及數字化要求的系統。
PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構成:物理層、數據鏈路層和應用層。PROFIBUS由三部分組成，PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，現場(chǎng)總線(xiàn)報文規范）、PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外圍設備）、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的特性及系統組成
2.1 PROFIBUS-DP的特性
PROFIBUS-DP使用物理層，數據鏈接層和用戶(hù)接口，用于現場(chǎng)層的高速數據傳送。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?？偩€(xiàn)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還提供智能化現場(chǎng)設備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定。
PROFIBUS-DP基本功能和特性如下:
?。?） 遠程離高速通信
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(cháng);
?。?） 分布式結構
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(xiàn)可擴展到126個(gè)站;
?。?） 易于安裝，開(kāi)放式的通訊網(wǎng)絡(luò );
?。?） 可靠性高，具備自診斷功能。
PROFIBUS-DP主站分為一類(lèi)主站和二類(lèi)主站。一類(lèi)主站完成總線(xiàn)通信控制與管理，完成周期性數據訪(fǎng)問(wèn)，包括PLC、PC或可做一類(lèi)主站的控制器。二類(lèi)主站完成非周期性數據訪(fǎng)問(wèn)，如數據讀寫(xiě)、系統配置、故障診斷等，包括操作員工作站（如PC機加圖形監控軟件）、編程器、HMI等。PROFIBUS-DP從站主要進(jìn)行輸入、輸出信號采集和發(fā)送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能現場(chǎng)設備等。
2.2 系統組成
為便于敘述和理解，現組成一個(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:
圖1 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )
?。?） 硬件:帶Siemens CP5611卡的PC機兩臺，一臺配置為一類(lèi)主站，另一臺配置為二類(lèi)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(xiàn)為雙絞線(xiàn)。
?。?） 軟件:用于軟件編程的STEP7-MICROWIN3.2和用于實(shí)現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(lèi)主站的組態(tài)
在PC1（一類(lèi)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:
?。?） 使用SIMATIC程序組中的Configuration Console設定PROFIBUS的模式為Configured Mode，插槽號隨意，如圖2所示:
圖2 Configuration Console
?。?） 用PC Station Wizard進(jìn)行一系列簡(jiǎn)單的設置后新建一個(gè)工程
設置CP5611的參數:網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型設為PROFIBUS，站地址為1（也可為其他值，但不能重復，其他站點(diǎn)地址的設定與此類(lèi)同）;加上PROFIBUS-DP總線(xiàn)（DP master system（1）），并把CP5611設為DP-Master（即一類(lèi)主站）。導入EM277的GSD文件，在視窗右側的從站設備欄里面就可以找到EM277模塊了。將EM277圖標拖到DP總線(xiàn)上，站地址為設置2，V存儲器偏移量本例設置為4000，然后根據需要設定EM277的發(fā)送和接收緩沖區大小。最后將配置結果下載到模塊。結果如圖3所示:
圖3 一類(lèi)主站的組態(tài)
至此，本PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )結構一類(lèi)主站與從站的主從關(guān)系已經(jīng)確立了。下面接著(zhù)配置二類(lèi)主站。
3.2 二類(lèi)主站的組態(tài)
?。?） 同樣還是在PC1上，在圖3的界面中點(diǎn)擊圖標 （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(lèi)同）。手動(dòng)添加OPCServer和CP5611，槽位隨意。將CP5611站點(diǎn)地址設為3，從屬于之前添加的DP網(wǎng)，并設定為DP Master Class 2（即二類(lèi)主站），將配置結果下載到模塊。再次點(diǎn)擊 ，可看到PC Station掛到DP網(wǎng)上了。
圖4 Configure Network
圖5 二類(lèi)主站的組態(tài)
?。?） 現在操作對象轉到PC2上。同樣運行Configuration Console，設置也與PC1相同。打開(kāi)PC Station Wizard新建一個(gè)工程。將CP5611設為DP Master Class 2，站地址設為3，同樣要從屬于DP master system（1）。將配置結果下載到模塊。
3.3 從站的組態(tài)
為了將EM277作為一個(gè)DP從站使用，必須設定與主站組態(tài)中的地址相匹配的DP端口地址（之前設定的地址為2）。從站地址是使用EM277模塊上的旋轉開(kāi)關(guān)設定的。在變動(dòng)旋轉開(kāi)關(guān)之后，用戶(hù)必須重新啟動(dòng)CPU電源。
EM277輸出和輸入數據緩沖區駐留在S7-200CPU變量存儲器（V存儲器）內，輸入緩沖區緊緊跟隨輸出緩沖器。緩沖區的大小是由DP主站組態(tài)設定的（之前設定為8 Bytes Out/8 Bytes In）。組態(tài)后，EM277可接收從主站來(lái)的輸出數據，并將輸入數據返回給主站。主從站緩沖區的關(guān)系如圖6:
圖6 主從站的緩沖區
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)運行了DP 方式下的EM277 DP模塊，用戶(hù)不能通過(guò)改寫(xiě)有關(guān)SMB存儲單元來(lái)組態(tài)EM277 DP模塊的緩沖區大小或位置。
由表1中專(zhuān)用存儲器字節的說(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數據
OPC（OLE for Process Control）是過(guò)程控制業(yè)中的新興標準，它的出現為基于Windows的應用程序和現場(chǎng)過(guò)程控制應用建立了橋梁?？梢酝ㄟ^(guò)Siemens提供的OPC Server程序讀寫(xiě)PLC中的數據。
?。?） 一類(lèi)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即對應從站的輸入和輸出緩沖區。將M00_I和M00_Q目錄下的變量按需求添加（如圖7），確認后OPC就開(kāi)始運行了。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(xiàn)協(xié)議和PLC建立了連接運行關(guān)系。此時(shí)不僅可以讀取PLC中的數據，還可以向PLC寫(xiě)數據。
?。?） 二類(lèi)主站PC2的數據訪(fǎng)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(lèi)主站相應的輸入和輸出緩沖區，確認。PC2就可以訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )中的數據了，各數據的變化同PC1中的是同步的。
要注意的是:當PC1的OPC Scout關(guān)閉的時(shí)候，PC2的OPC Scout對DP網(wǎng)絡(luò )的數據訪(fǎng)問(wèn)也中斷了。這證明了CPU224僅僅從屬于一類(lèi)主站PC1，而二類(lèi)主站PC2不能控制它（僅能進(jìn)行數據訪(fǎng)問(wèn)）。
圖7 OPC-Navigator
5 PROFIBUS-DP在水電站中的應用
目前，PROFIBIS-DP總線(xiàn)技術(shù)在水電站小型自動(dòng)化系統中應用較多，如水電站弧門(mén)監控系統和機組輔助設備控制系統就大量用到了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )。這是因為PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性受到系統規模影響，系統規模越大實(shí)時(shí)性越差，所以PROFIBUS-DP總線(xiàn)技術(shù)最適合于小型自動(dòng)化系統。
不過(guò)，PROFIBUS-DP在信號的傳輸精度、可靠性和抗干擾性有不俗的表現，其系統成本低、安裝簡(jiǎn)單、維護調試方便且易于擴展。而且，各類(lèi)傳感器和智能設備等都有支持DP網(wǎng)絡(luò )的標準通信口，硬件資源豐富;DP網(wǎng)絡(luò )本身靈活多變的主從結構，適應多種控制系統;各類(lèi)組態(tài)軟件也都可以和OPC Server建立數據交換，減少了監控系統的開(kāi)發(fā)周期;通過(guò)專(zhuān)用的通信協(xié)議轉換器或工控機，基于PROFIBUS-DP總線(xiàn)的控制系統可以?huà)炜康?strong>工業(yè)以太網(wǎng)上，成為綜合控制系統的一部分。因此，雖然現在工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)有大普及之勢，但DP網(wǎng)較高的性?xún)r(jià)比還是被越來(lái)越多的用戶(hù)所認可。
6 結束語(yǔ)
總的來(lái)說(shuō)，作為國際標準之一的PROFIBUS-DP總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)放性強、性?xún)r(jià)比高，在水電行業(yè)的應用將越來(lái)越廣泛。
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