基于Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統

1 引言

現場(chǎng)總線(xiàn)是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現，是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。因其具有數字化、開(kāi)放性、分散性以及對現場(chǎng)環(huán)境的適應性等特點(diǎn)而獲得了非常廣泛的應用。目前，已逐漸成熟并對工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響的主要有Profibus，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS總線(xiàn)是最為流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動(dòng)化領(lǐng)域。它是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，是一種國際化、開(kāi)發(fā)式、不依賴(lài)于生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)。根據應用特點(diǎn)可分為三個(gè)兼容版本：（1）PROFIBUS-DP以其較快的傳輸速度和強抗干擾能力而應用于設備級控制系統與分散式I/O之間的通訊；（2）PROFIBUS-FMS 主要解決車(chē)間級的通用型通信任務(wù)，可以提供靈活而大量的通信服務(wù)；（3）PROFIBUS-PA則專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，它直接和現場(chǎng)的傳感器或執行器連接，并可通過(guò)DP/PA接口與DP總線(xiàn)連接，使用于安全性要求較高以及由總線(xiàn)供電的場(chǎng)合[1]。

2 系統拓撲結構及配置[3]

根據現場(chǎng)設備到控制器的連接方式，現場(chǎng)總線(xiàn)的拓撲結構通常采用以下三種方式：線(xiàn)形、樹(shù)形和環(huán)形。Profibus采用的是線(xiàn)形結構，用一根總干線(xiàn)從控制器連接到受控對象，總線(xiàn)電纜從主干電纜分支到現場(chǎng)設備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道，實(shí)現多主式和對等式通信。本文著(zhù)重介紹PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的設計。

2.1 上位機

　　 本系統采用研華工控機作上位機，通過(guò)CP5611接口卡使工控機與Profibus-DP 相連，這樣IPC與現場(chǎng)總線(xiàn)就連接成能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò )系統。上位機監控軟件可采用美國Intellution 公司開(kāi)發(fā)的基于Window9xNT組態(tài)軟件或SIEMENS公司W(wǎng)INCC軟件，可實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò )通信等功能，并提供一個(gè)友好的用戶(hù)界面，使用戶(hù)根據實(shí)際生產(chǎn)需要生成相應的應用軟件。

2.2 SIMATIC S7主站

　　 作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統選用CPU315-2DP模塊化PLC，它集成了Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)接口裝置，具有強大的處理能力（具有0.3ms處理1024語(yǔ)句的速度）。PLC程序在上位機STEP 7中編制完成后下載到CPU315并存儲，CPU可自動(dòng)運行該程序，根據程序內容讀取總線(xiàn)上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制相應設備。

2.3 從站（Slave A，B）

　　 從站A中，SIMOVERT Master drives為交流變頻器，CB1為與之配套的通信處理器。SIMOREG K 6RA24為直流變流器，CB24為與之配套的通信處理器。當S7-300或S7-400作Profibus-DP網(wǎng)的主站時(shí)，可分別帶這樣的從站（SLAVE）32個(gè)，如加中繼器，最多可達127個(gè)。這種交直流傳動(dòng)產(chǎn)品，可對電機進(jìn)行開(kāi)、閉環(huán)控制，通過(guò)CB通訊板將從DP網(wǎng)中接受的數據存入雙向RAM中。雙向RAM中的每一個(gè)字都被編址，在變頻（流）器端的雙向RAM可通過(guò)被編址參數排序，向變頻（流）器寫(xiě)入控制字、設置值或讀出實(shí)際值，診斷信息等參數[4]。

2.4 分布式I/O ET200M

　　 ET200M是一種模塊化的分布式I/O站，通過(guò)IM-153接口與Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)連接。對于SIEMENS STEP7開(kāi)發(fā)平臺，在ET200M上的分散I/O節點(diǎn)的地址排布與傳統集中式的地址排布是一致的，所以在編程時(shí)就和編制集中式控制程序一樣，而且分散I/O的模塊地址可以根據用戶(hù)需要而改變，以適應實(shí)際現場(chǎng)調試時(shí)的需要。

3 Profibus-DP通訊功能[1,2]

　　 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )使用了物理層、數據鏈路層以及自己的用戶(hù)層，其中物理層采用ETA RS485傳輸技術(shù)，采用屏蔽雙絞銅線(xiàn)或光纖兩種傳輸電纜。在總線(xiàn)的兩端為了防止浪涌，接有終端電阻，實(shí)際使用時(shí)，應注意將位于中間節點(diǎn)的接頭終端電阻置于OFF位置。

　　 數據鏈路層又稱(chēng)現場(chǎng)總線(xiàn)數據鏈路層（Fieldbus Data Link. FDL）一般有兩種介質(zhì)存取方式：令牌總線(xiàn)（Token Bus，令牌總線(xiàn)協(xié)議符合IEEE802.4）和主從方式。

　　 令牌是一種特殊的電文，它在主站之間傳遞控制權，令牌總線(xiàn)方式使得某個(gè)得到令牌的主站可在一個(gè)事先規定的時(shí)間段內得到總線(xiàn)控制權，在這段時(shí)間內允許這個(gè)主站執行主站的工作，這個(gè)主站可依照與主站或從站的關(guān)系表和所有主站或所有從站進(jìn)行通信。若該主站沒(méi)有需要發(fā)送的幀或在規定時(shí)間內發(fā)送完了所需發(fā)送的幀，或者該主站的控制時(shí)間終了時(shí)它就將主站令牌傳遞給下一個(gè)主站，這樣就保證了即使在重載下，每個(gè)主站都可以在確定的時(shí)間內得到總線(xiàn)使用權，避免了在以太網(wǎng)中重載下容易阻塞的缺點(diǎn)，保留了總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、自由增減站點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

　　 主從方式的數據鏈協(xié)議與局域網(wǎng)標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式（NRM），該模式的工作特點(diǎn)是 ：總線(xiàn)上一個(gè)主站可以控制多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路，主站發(fā)出命令，從站給出響應；從站可以連續發(fā)送多個(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達到發(fā)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過(guò)程分為三個(gè)階段：數據鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。