基于PROFIBUS-DP主站與從站的通信

聶 輝，秦實(shí)宏

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線（profibus field bus，PROFIBUS）和其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證［1-3］?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用上有以下特點(diǎn)：1）開(kāi)放性，現(xiàn)場(chǎng)總線是開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以購(gòu)置不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，把它們集成在一個(gè)控制系統(tǒng)中，并進(jìn)行相互信息交換。2）智能化，控制系統(tǒng)所需要的各種信號(hào)以數(shù)字的方式傳送到控制室，并能在現(xiàn)場(chǎng)完成相應(yīng)的功能操作，提高了系統(tǒng)的智能化操作水平。3）相互操作性，即使設(shè)備由不同廠商提供，但在各自的廠商操作環(huán)境中可以順利實(shí)現(xiàn)其功能，并且相互之間可以通信。4）環(huán)境適應(yīng)性，該類總線可以較好地適應(yīng)各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境，具有較強(qiáng)的抗干擾能力［4-6］。

目前現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)已被用到加工制造、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域。如果將一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行通信的自動(dòng)化工廠與一個(gè)按照傳統(tǒng)方式構(gòu)建的自動(dòng)化工廠進(jìn)行比較，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在很大程度上降低了開(kāi)銷，如它減少了分布式輸入/輸出設(shè)備的電纜布線［7］。由于這種技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)衍生出大量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，為我們提供了許多選擇。

PROFIBUS-DP是PROFIBUS總線的一個(gè)組成部分。PROFIBUS-DP主要用于制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信，它是一種速度高成本低的通信，特別適合PLC與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分布式I/O設(shè)備之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換［8］。DP是PROFIBUS中應(yīng)用最廣的通信方式。PROFIBUS-DP用于連接下列設(shè)備：可編程邏輯控制器（programmable logic con?troller，PLC））、PC（personal computer），人機(jī)交互設(shè)備（human-machine interaction，HMI）和分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

1 系統(tǒng)組成

主站與從站的通信實(shí)質(zhì)就是使用專門的I/O訪問(wèn)命令來(lái)尋址分布式外圍模塊的I/O數(shù)據(jù)，在STEP 7中編程，通過(guò)DP主站與ET 200M標(biāo)準(zhǔn)從站的通信實(shí)現(xiàn)接觸器的控制功能。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)一個(gè)液料的混合攪拌過(guò)程可以利用PLC對(duì)ET 200M之間數(shù)字輸入/輸出口的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程攪拌器的控制。A、B兩種液料按比例投放，攪拌器對(duì)A、B兩種液料進(jìn)行攪拌，攪拌器內(nèi)A、B兩種液體的液位測(cè)量靠?jī)蓚€(gè)內(nèi)部傳感器，當(dāng)液料到達(dá)一定容量時(shí)，傳感器給ET 200M一個(gè)信號(hào)，ET 200M控制著攪拌器上A、B兩種液體的閥門開(kāi)合。A、B液料裝滿后，ET 200M發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)控制攪拌器電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間后攪拌器上開(kāi)口閥打開(kāi)卸料。

而S7-300的仿真軟件PLCSIM可以對(duì)CPU的用戶程序執(zhí)行過(guò)程和某些DP從站的故障進(jìn)行仿真，但它對(duì)于通信的仿真是有限制的。大部分的通信過(guò)程需要用通信硬件模塊實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，而本研究在沒(méi)有通信硬件的情況下，使用STEP7來(lái)練習(xí)通信網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)和編程。

CPU315-2DP是一個(gè)帶有大中型程序存儲(chǔ)器和PROFIBUS DP主/從接口的CPU。處理器對(duì)每條二進(jìn)制指令的處理時(shí)間大約為50 ns。它在SI?MATIC S7-300中經(jīng)常被用作標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS DP主 站［9-11］，帶 有 PROFIBUS DP 主/從 接 口 的CPU315-2DP除了集中式I/0結(jié)構(gòu)外，還可以用來(lái)建立速度快、易操作的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)中，DP主站使用Siemens PLC S7-300系列的 CPU315-2DP［12］，站地址為 2。標(biāo)準(zhǔn)從站使用ET 200M，站地址為3。ET 200M的輸入/輸出模塊連接攪拌機(jī)。PC通過(guò)CP5613模塊接入網(wǎng)絡(luò)中，作為編程和調(diào)試設(shè)備。各站之間通過(guò)PROFIBUS電纜連接，網(wǎng)絡(luò)終端插頭的終端電阻開(kāi)關(guān)必須打在“ON”的位置；中間站點(diǎn)（ET 200M）的插頭其終端電阻開(kāi)關(guān)必須打在“OFF”位置。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 Diagram of system composition

雙擊桌面上Simatic Manager圖標(biāo)，進(jìn)入STEP7。點(diǎn)擊左上角“文件”新建項(xiàng)目“DP_ET200”，然后在彈出來(lái)的界面中“DP_ET200”單擊右鍵，選擇“插入新站點(diǎn)”，并選擇“SIMATIC 300站點(diǎn)”。插入S7-300站，作為DP主站。

在管理器中，單擊選中對(duì)象“SIMATIC 300”站，雙擊右側(cè)出現(xiàn)的“硬件”圖標(biāo)，打開(kāi)HW Config界面。在“配置文件”中選擇“SIMATIC 300”，首先插入機(jī)架（RACK-300），在1號(hào)插槽插入電源 PS 307 10A，在2號(hào)插槽插入 CPU315-2DP。3號(hào)插槽留作擴(kuò)展模塊，不用添加其他模塊。在4號(hào)插槽中插入需要的輸入/輸出模塊，這里選擇的是DI16/DO16×24V/0.5A。如圖2所示。

圖2 主站組態(tài)Fig.2 Configuration of master station

在插入CPU 315-2DP的時(shí)候，取消了彈窗出來(lái)PROFIBUS的組態(tài)界面。此時(shí)對(duì)“DP”進(jìn)行設(shè)置，在DP屬性對(duì)話框中，“工作模式”一欄，可以看到此時(shí)默認(rèn)的工作模式為“DP主站”。在“常規(guī)”選項(xiàng)卡里，接口類型是FROFIBUS，總站地址為2。點(diǎn)擊“屬性”，選擇“參數(shù)”并選擇“新建”一條PROFIBUS電纜，并在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中，設(shè)置通信速率為 1.5 Mbps，配置文件為 DP［13］。如圖 3 所示。然后“確定”，返回DP接口屬性對(duì)話框，可以看到子網(wǎng)（Subnet）中出現(xiàn)了新的“PROFIBUS（1）”子網(wǎng)。DP插槽那里引出了一條PROFIBUS（1）網(wǎng)絡(luò)。

圖3 PROFIBUS-DP配置網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram of PROFIBUS-DP configuration

ET 200M是一種分布式I/O設(shè)備。在組建系統(tǒng)時(shí)，通常需要將過(guò)程的輸入和輸出信號(hào)集中集成到該自動(dòng)化系統(tǒng)中。如果輸入和輸出設(shè)備遠(yuǎn)離可編程控制器，將需要鋪設(shè)很長(zhǎng)的電纜，從而增加成本，并且可能因?yàn)殡姶鸥蓴_而使系統(tǒng)可靠性降低。因此分布式I/O設(shè)備便是這類系統(tǒng)的理想解決方案。它的控制CPU位于中央位置，I/O設(shè)備可以在本地分布式運(yùn)行，并且功能強(qiáng)大的PROFIBUS DP具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，可以確保CPU和I/O設(shè)備穩(wěn)定順暢地進(jìn)行通訊。打開(kāi)硬件目錄窗口，在“配置文件”窗口中按照路徑“/PROFIBUS DP/ET 200M”，選擇 ET 200M，并將此站拖到硬件組態(tài)窗口的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)線上，完成ET 200M與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的接入。在拖動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)屬性對(duì)話框，設(shè)置該DP從站地址為4，單擊“確定”按鈕。然后選中該從站，按照?qǐng)D4所示，對(duì)輸入/輸出模塊進(jìn)行組態(tài)。

圖4 從站輸入/輸出模塊Fig.4 I/O module of slave station

2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

在HW Config界面中，通過(guò)菜單中的“網(wǎng)絡(luò)組態(tài)”（Configure Network），打開(kāi)Netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面，可以看到主站已經(jīng)與從站通過(guò)PROFIIBUS連接。

根據(jù)項(xiàng)目需要，需對(duì)11個(gè)輸入/輸出點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，PLC的運(yùn)行與停止信號(hào)，ET 200M收到從攪拌機(jī)傳來(lái)的A，B兩種液體的限位信號(hào)，及控制攪拌機(jī)A液閥門與B液閥門閉合的信號(hào)，當(dāng)收到B液限位信號(hào)后，ET 200M控制攪拌機(jī)攪拌運(yùn)行的信號(hào)。在SIMATIC Manager界面中，選擇“SIMATIC 300”站點(diǎn)［14］，在 S7 程序里面找到“符號(hào)”（Symbol）塊，進(jìn)行如下軟件資源的分配，如圖5所示。

圖5 軟件資源分配表Fig.5 Table of software resources allocation

在SIMATIC Manager界面中，選擇“SIMATIC 300”站點(diǎn)，并在S7 程序里面找到“組織塊”（OB1），用“LAD”語(yǔ)言創(chuàng)建模塊，在OB1中編寫如圖6所示程序。

圖6 組織塊程序Fig.6 Organization block procedure

在OB1中，調(diào)用功能塊FC1，F(xiàn)C2。FC1主要是PLC運(yùn)行狀況顯示，F(xiàn)C2主要是ET 200M對(duì)攪拌器的控制。FC1，F(xiàn)C2程序如圖7，圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在“SIMATIC Manager”界面中，點(diǎn)擊“仿真器”（PLCSIM）“monitor”（監(jiān)視）按鈕，可以看到一個(gè)顯示CPU狀態(tài)的窗口S7-PLCSIM1［15］。手動(dòng)插入兩個(gè)輸入變量和輸出變量。此時(shí)把“LAD/STL/FBD-OB1”框中的組織塊程序和在“HW Config”框中的硬件組態(tài)均下載到PLC中。

圖8 FC2程序Fig.8 FC2 procedure

由于仿真時(shí)，PLC的默認(rèn)狀態(tài)是關(guān)閉（STOP）的，此時(shí)將PLC狀態(tài)打到運(yùn)行（RUN）狀態(tài)，可以看到，當(dāng)I0.0閉合時(shí)，Q0.0接通PLC啟動(dòng)，Q2.0接通A液閥門開(kāi)。當(dāng)A液到達(dá)限制位后傳到ET 200M的I2.0信號(hào)斷開(kāi)，A液閥門關(guān)，Q2.1接通B液閥門開(kāi)。當(dāng)B液到達(dá)限制位后傳到ET 200M的I2.1信號(hào)斷開(kāi)，Q2.1斷開(kāi)B液閥門關(guān)閉，同時(shí)Q2.3接通攪拌機(jī)開(kāi)始工作，并按照規(guī)定時(shí)間運(yùn)行2 min，I0.2接通表示攪拌機(jī)在工作。攪拌機(jī)運(yùn)行2 min滿后，Q2.2接通攪拌機(jī)出口閥打開(kāi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究介紹了基于PROFIBUS-DP的主站與從站通信的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)使用STEP7從硬件和軟件方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括PLC的硬件組態(tài)、通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的部分軟件程序，在現(xiàn)有的設(shè)備上，模擬了遠(yuǎn)程控制I/O設(shè)備的功能。

本研究模擬從站接受到傳感器發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)，以及從站發(fā)出對(duì)閥門的控制信號(hào)，但是如何將從站與具體的這些傳感器、閥門，執(zhí)行器等器件相連，可以做進(jìn)一步的研究，希望能將PROFIBUS-DP從站最終實(shí)現(xiàn)工程上的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展要求底層儀器儀表具有基本的智能化功能，并且能在底層設(shè)備中實(shí)現(xiàn)基本的控制規(guī)律，因此可以進(jìn)一步研究將控制算法集成到從站，組成一個(gè)既有現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能又有控制算法的智能從站控制單元。

［1］ 陳德池，廖國(guó)華.微處理器與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2003.

［2］ 李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［4］ 趙文宏，曹李民，施一明.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展概況［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（2）：166-170.

［5］ 楊家強(qiáng)，馮曉升，張翠蓮.PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)淺析［J］. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2002，34（3）：29-32.

［6］ 周益民.PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信研究及智能從站設(shè)計(jì)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

［7］ 畢琳娜.基于PROFIBUS-DP的現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009.

［8］ 朱靜.ET200M分布式I/O在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用研究［J］. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011（18）：280-281.

［9］ 胡敏.深入淺出西門子 S7-300 PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［10］ 武智瑛，陸琳琳，鄭習(xí)龍，等.西門子S7-300/400現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用雜談［J］.甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，23（3）：56-59.

［11］ 武昆，馬文明.基于Profibus-DP的4400/600紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.中國(guó)造紙，2017，36（9）：60-65.

［12］ 席英杰，劉文麗.簡(jiǎn)述西門子S7-300/400的通訊功能及工業(yè)應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2007（11）：37-40.

［13］ 徐愛(ài)明.基于PLC的智能家居控制系統(tǒng)［J］.電子測(cè)試，2016（6）：11-15.

［14］ 何國(guó)西.現(xiàn)場(chǎng)總線在PLC和工控機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用方案比較［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2003，16（2）：35-36.

［15］ 羅萍.西門子S7-300/400 PLC工程實(shí)例詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2011.