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基于PROFIBUS-DP的PLC通信
基于PROFIBUS-DP的PLC通信
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)用數(shù)字信號取代模擬信號，以提高系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長信息傳輸?shù)木嚯x。它既是一個開放的通信網(wǎng)絡，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，是一種新型的網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)，它以現(xiàn)場總線為紐帶，把掛接在總線上相關的網(wǎng)絡節(jié)點組成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能。
FCS用“工作站－現(xiàn)場總線智能儀表"的二層機構(gòu)完成了集散控制系統(tǒng)(DCS)“操作站－控制站－現(xiàn)場儀表"的三層結(jié)構(gòu)模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國際標準下可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一種正在發(fā)展的很有前途的計算機控制系統(tǒng)。
目前*代表性的現(xiàn)場總線是Profibus(Process Fieldbus)。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標準，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。用于工廠自動化系統(tǒng)三級網(wǎng)絡中的底層，即車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場受控設備對底層設備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠程診斷、故障報警及數(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)鏈路層和應用層。PROFIBUS由三部分組成，PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification，現(xiàn)場總線報文規(guī)范)、PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery，分散型外圍設備)、PROFIBUS-PA(Process Automation，過程自動化)。其中PROFIBUS-DP已廣泛適用于水電站、電力、工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場自動化領域。
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?？偩€循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數(shù)的確定。
Profibus-DP基本功能和特性如下:
(1) 遠距離高速通信
支持9.6Kbps到12Mbps的傳輸速率; 12Mbps時最大傳輸距離為100m，1.5Mbps時為200m，另外還可以用中繼器延長;
(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個站，用連接線可擴展到126個站;
(3) 易于安裝，開放式的通訊網(wǎng)絡;
(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，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，如數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等，包括操作員工作站(如PC機加圖形監(jiān)控軟件)、編程器、HMI等。PROFIBUS- DP從站主要進行輸入、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(xiàn)場設備等。
2.2 系統(tǒng)組成
為便于敘述和理解，現(xiàn)組成一個雙主站單從站的Profibus-DP網(wǎng)絡，如圖1所示。具體配置如下:圖1 Profibus-DP網(wǎng)絡
(1) 硬件:帶Siemens CP5611卡的PC機兩臺，一臺配置為一類主站，另一臺配置為二類主站;從站為Siemens S7-200 系列PLC的CPU224一塊，帶Siemens EM277DP通訊模塊;三個網(wǎng)絡連接器;連接線為雙絞線。
(2) 軟件:用于軟件編程的STEP7-MICROWIN3.2和用于實現(xiàn)Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)絡配置的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軟件來組態(tài)整個Profibus-DP網(wǎng)絡。具體步驟如下:
(1) 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
(2) 用PC Station Wizard進行一系列簡單的設置后新建一個工程
設置CP5611的參數(shù):網(wǎng)絡類型設為 Profibus，站地址為1(也可為其他值，但不能重復，其他站點地址的設定與此類同);加上PROFIBUS-DP總線(DP master system(1))，并把CP5611設為DP-Master(即一類主站)。導入EM277的GSD文件，在視窗右側(cè)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(jù)需要設定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:圖3 一類主站的組態(tài)
至此，本Profibus-DP網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)一類主站與從站的主從關系已經(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的界面中點擊圖標 (Configure Network)，彈出如圖4的界面。添加一個SIMATIC PC Station(此時這個PC Station還沒有掛到DP網(wǎng)上)，并雙擊它，彈出如圖5的窗口(此窗口與圖3類同)。手動添加OPC Server和CP5611，槽位隨意。將CP5611站點地址設為3，從屬于之前添加的DP網(wǎng)，并設定為DP Master Class 2(即二類主站)，將配置結(jié)果下載到模塊。再次點擊 ，可看到PC Station掛到DP網(wǎng)上了。
圖4 Configure Network
圖5 二類主站的組態(tài)
(2) 現(xiàn)在操作對象轉(zhuǎn)到PC2上。同樣運行Configuration Console，設置也與PC1相同。打開PC Station Wizard新建一個工程。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(jié)果下載到模塊。
3.3 從站的組態(tài)
為了將EM277作為一個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(zhuǎn)開關設定的。在變動旋轉(zhuǎn)開關之后，用戶必須重新啟動CPU電源。
EM277輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200CPU變量存儲器(V存儲器)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)的關系如圖6:
圖6 主從站的緩沖區(qū)
若EM277 Profibus-DP從站模塊為I/O鏈中的第一個智能模塊，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，用戶不能通過改寫有關SMB存儲單元來組態(tài)EM277 DP模塊的緩沖區(qū)大小或位置。
由表1中專用存儲器字節(jié)的說明，不難寫出CPU224的DP通信程序，見表2。
4 通過OPC讀寫PLC數(shù)據(jù)
OPC(OLE for Process Control)是過程控制業(yè)中的新興標準，它的出現(xiàn)為基于Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁。可以通過Siemens提供的OPC Server程序讀寫PLC中的數(shù)據(jù)。
(1) 一類主站PC1讀寫PLC
在PC1 上打開SIMATIC程序組中的OPC Scout，新建一個組名。打開新建組的“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(qū)。將M00_I和M00_Q目錄下的變量按需求添加(如圖7)，確認后OPC就開始運行了。如果變量的“Quality"顯示“good"，表示OPC Server程序已經(jīng)通過Profibus-DP總線協(xié)議和PLC建立了連接運行關系。此時不僅可以讀取PLC中的數(shù)據(jù)，還可以向PLC寫數(shù)據(jù)。
(2) 二類主站PC2的數(shù)據(jù)訪問
在PC2上同樣打開OPC Scout，新建組名。在該組名的“OPC-Navigator"下添加二類主站相應的輸入和輸出緩沖區(qū)，確認。PC2就可以訪問網(wǎng)絡中的數(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PC1的OPC Scout關閉的時候，PC2的OPC Scout對DP網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)訪問也中斷了。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(僅能進行數(shù)據(jù)訪問)。
圖7 OPC-Navigator
5 Profibus-DP在水電站中的應用
目前，PROFIBIS-DP總線技術在水電站小型自動化系統(tǒng)中應用較多，如水電站弧門監(jiān)控系統(tǒng)和機組輔助設備控制系統(tǒng)就大量用到了Profibus- DP網(wǎng)絡。這是因為PROFIBUS-DP實時性受到系統(tǒng)規(guī)模影響，系統(tǒng)規(guī)模越大實時性越差，所以PROFIBUS-DP總線技術于小型自動化系統(tǒng)。
不過，Profibus-DP在信號的傳輸精度、可靠性和抗干擾性有不俗的表現(xiàn)，其系統(tǒng)成本低、安裝簡單、維護調(diào)試方便且易于擴展。而且，各類傳感器和智能設備等都有支持DP網(wǎng)絡的標準通信口，硬件資源豐富;DP網(wǎng)絡本身靈活多變的主從結(jié)構(gòu)，適應多種控制系統(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)的開發(fā)周期;通過專用的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器或工控機，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)的技術有大普及之勢，但DP網(wǎng)較高的性價比還是被越來越多的用戶所認可。