PROFIBUS-DP主站和從站通訊的設計與實現(xiàn)

摘要：本文介紹了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術的特點并結合SIEMENS公司的S7-300 PLC、通訊模塊CP342-5 及ET200M等相關產品組建PROFIBUS-DP網(wǎng)絡。討論了該網(wǎng)絡的組態(tài)、STEP 7程序的編制以及現(xiàn)場設備GSD文件的建立方法，并詳細討論了PROFIBUS-DP主從站數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)方法。

關鍵詞：PROFIBUS-DP網(wǎng)絡;通訊;可編程序控制器;網(wǎng)絡組態(tài)

1 引言

PROFIBUS是近年來國際上最為流行的現(xiàn)場總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場總線（傳輸率可達12Mbit/s），因此在很多領域內得到了廣泛的應用。它由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。其中，PROFIBUS-DP在數(shù)據(jù)傳輸速率、效率和低連接成本方面特別適用于自動化系統(tǒng)與分散外圍設備之間的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24V（DC）或4～20mA信號傳輸。

PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場的快速數(shù)據(jù)交換時，以中央自動化設備（如PLC/PC或過程控制系統(tǒng)）為主站，通過串行連接與分散的現(xiàn)場設備（如I/O、驅動器和閥門及測量變送器）組成通信網(wǎng)絡。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息，也可利用PROFIBUS-DP提供擴展的非循環(huán)通信服務，用于智能現(xiàn)場設備的參數(shù)化、診斷、操作監(jiān)控和報警處理等，通信方式靈活方便。

2 基于PROFIBUS-DP的主站和從站的通訊

2.1 硬件部分

在綜合分析PROFIBUS-DP網(wǎng)絡各種典型配置后，本文構建的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡如下：以研華工控機（插有SIEMENS公司的CP5613通訊卡）作為上位機及一類主站;以S7-300 PLC作為智能從站，為具典型性兩個從站選用不同的配置，從站1的CPU為CPU315-2DP（帶集成的DP接口）不需要DP通訊模塊，從站2的CPU為CPU314（不帶DP接口）需要通訊模塊CP342-5 ;以ET200M作為從站1的遠程I/O從站（選用IM153-1接口模塊），用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。以上設備通過PROFIBUS專用電纜連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡上。PROFIBUS總線連接器上帶有終端電阻，在網(wǎng)絡的終端站點需要將終端電阻開關設置為“ON”，網(wǎng)絡的中間站點需要將終端電阻開關設置為“OFF”。

2.2 軟件部分

2.2.1 網(wǎng)絡組態(tài)

使用STEP 7或PROFIBUS專用組態(tài)軟件COM PROFIBUS均能方便實現(xiàn)網(wǎng)絡的組態(tài)，但只有STEP 7能對PLC模塊編程，因此在較為復雜的應用系統(tǒng)中推薦使用STEP 7軟件。上位機中裝有SIMATIC STEP 7 及SIMATIC NET 軟件。SIMATIC NET用于驅動CP5613通訊卡，設置OPC接口，并組態(tài)及監(jiān)控網(wǎng)絡。

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡的配置相當靈活，網(wǎng)絡允許單子網(wǎng)或多子網(wǎng)配置，既可以單主-從網(wǎng)絡，又可多主-從網(wǎng)絡。用STEP 7進行網(wǎng)絡組態(tài)時，首先要把設備的GSD文件安裝到STEP 7硬件庫中，然后才能夠在STEP 7的硬件目錄中找到該設備，從而實現(xiàn)對其進行組態(tài)。因此，掌握GSD文件的編寫是非常重要的。

GSD文件是設備數(shù)據(jù)庫文件，為了將不同廠家的PROFIBUS產品集成在一起，必須以GSD文件方式提供這些產品的功能參數(shù)。GSD文件包括三個部分：總體說明（廠商和設備名稱、軟硬件版本、支持的波特率等）、DP主設備相關的規(guī)范（如可連接從設備的最多臺數(shù)或卸載能力）、從設備相關的規(guī)范（如I/O通道的數(shù)量和類型、診斷測試的規(guī)格及I/O數(shù)據(jù)的一致性信息）。編寫GSD文件既可以使用PROFIBUS專用的GSD文件編輯軟件，也可以直接在一般的文檔編輯軟件（如Windows附件中的寫字板）中編寫。下面介紹的示例有利于讀者掌握GSD文件的編寫，其中“;”后面為注釋語句。

#Profibus_DP ;DP設備的GSD文件均以此關鍵字開頭

GSD_Revision=1 ;GSD文件版本號

Vendor_Name=“SIEMENS” ;設備制造商

Model_Name=“Modular I/O Station” ;DP設備名稱

Revision=“V1.0” ;DP設備版本號

Ident_Number=0x0032 ; DP設備識別號

Protocol_Ident=0 ;協(xié)議類型（0表示DP協(xié)議）

Station_Type=0 ;站類型（0表示DP從站，1表示DP主站）

FMS_Supp=0 ;不支持FMS，純DP從站

Hardware_Release=“V1.0” ; DP設備硬件版本

Software_Release=“V1.0” ; DP設備軟件版本

9.6_Supp=1 ;設備所支持的波特率，1為支持

19.2_Supp=1

MaxTsdr_9.6=60 ; 9.6kbps波特率時的最大從站延遲時間（單位ms）

MaxTsdr_19.2=60

Redundancy=0 ;是否支持冗余傳輸方式，0為不支持

Implementation_Type=“Software Solution” ; DP設備的實現(xiàn)方案

Freeze_Mode_Supp=1 ;是否支持鎖定模式，1為支持

Syn_Mode_Supp=1 ;是否支持同步模式，1為支持

Auto_Baud_Supp=0 ;是否支持自動識別波特率，0為不支持

Max_User_Prm_Data Len=5 ;用戶參數(shù)數(shù)據(jù)最大長度（0-237）

Min_Slave_Intervall=10 ;最小從站輪詢時間，10表示最小輪詢時間為1ms

Modular_Station=1 ;DP設備的類型，0為緊湊型，1為模塊型

Max_Diag_Data_Len=10 ;診斷信息的最大長度（6-244）

Slave_Family=3 ;從站類型，3為I/O型

Module=“2 Byte In， 2 Byte Out”0x11，0x21 ;DP站的輸入輸出接口描述

EndModule

本系統(tǒng)由SIEMENS公司STEP 7軟件組成的網(wǎng)絡配置如圖1。系統(tǒng)具體配置過程如下：

1） 通過STEP 7組態(tài)網(wǎng)絡，設置網(wǎng)絡波特率、主從站地址，給從站模塊在主站內存區(qū)分配映射緩沖區(qū)，確定映射區(qū)起始地址及大小。

2）注意組態(tài)ET200M接口模塊IM153-1的站地址必須與IM153-1上撥碼開關設定的站地址相同。

3） 在“Set PG/PC Interface”中將CP5613的MPI改為PROFIBUS接口，并設置CP5613的傳輸速率與已組態(tài)的PROFIBUS網(wǎng)絡的傳輸速率一致。

4） 在STEP 7軟件診斷模式下測試整個網(wǎng)絡，查看從站激活情況。

5） 硬件組態(tài)完成后下載至CPU中。

2.2.2 通訊編程

對網(wǎng)絡編程主要目的是配置數(shù)據(jù)輸入/輸出通道緩沖區(qū)，建立CPU與現(xiàn)場設備之間的聯(lián)系通道。SIMATIC 300系列CPU提供的數(shù)據(jù)存貯區(qū)域有3類：位存儲區(qū)、過程映像區(qū)和數(shù)據(jù)塊區(qū)。在數(shù)據(jù)流量較小的場合使用位存儲區(qū)和輸入/輸出映像區(qū)能夠建立CPU與外設的直接快速連接;當數(shù)據(jù)流量較大時，使用數(shù)據(jù)塊存儲區(qū)可以保證數(shù)據(jù)流通不紊亂。

PROFIBUS-DP主站建立網(wǎng)絡，經(jīng)初始化啟動PROFIBUS-DP從站，主站將參數(shù)賦值信息和I/O配置寫入到從站，然后主站從從站讀取診斷信息，并驗證從站已接收參數(shù)和I/O配置，接著主站開始與從站交換I/O數(shù)據(jù)。如有例外事件，從站會通知主站，然后主站從從站讀取診斷信息。

對于從站1（使用CPU上集成的DP接口），對應的通信接口區(qū)是主站的I區(qū)和Q區(qū)，需要調用SFC14“DPRD_DAT”來讀取PROFIBUS從站的數(shù)據(jù)，調用SFC15“DPWR_DAT”將數(shù)據(jù)寫入PROFIBUS從站。SFC14及SFC15程序如下，其中“;”后面為注釋語句。

CALL"DPRD_DAT"

LADDR： = W#16#0 ;輸入?yún)^(qū)起始地址

RET_VAL： = MW2 ;狀態(tài)字

RECORD： = P# I0.0 BYTE 10 ;輸入數(shù)據(jù)區(qū)，最大240字節(jié)

CALL"DPWR_DAT"

LADDR： = W#16#0 ;輸出區(qū)起始地址

RECORD： = P# Q0.0 BYTE 10 ;輸出數(shù)據(jù)區(qū)，最大240字節(jié)

RET_VAL： = MW4 ;狀態(tài)字

對于從站2（使用CP342-5通訊模塊），它與CPU上集成的DP接口不一樣，對應的通信接口區(qū)不是主站的I區(qū)和Q區(qū)，而是主站的虛擬通信區(qū)，須調用FC1“DP_SEND”來發(fā)送數(shù)據(jù)，調用FC2“DP_RECV”接收數(shù)據(jù)。FC1及FC2程序如下，其中“;”后面為注釋語句。

CALL"DP_SEND"

CPLADDR： = W#16#100 ;CP模塊的起始地址

SEND： = P# M10.0 BYTE 10 ;發(fā)送數(shù)據(jù)存儲區(qū)

DONE： = M1.0 ;發(fā)送完成一次產生一個脈沖

ERROR： = M1.1 ;錯誤位

STATUS： = MW2 ;調用FC1時產生的狀態(tài)字

CALL"DP_RECV"

CPLADDR： = W#16#100 ;CP模塊的起始地址

RECV： = P# M50.0 BYTE 10 ;接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)

NDR： = M1.2 ;接收完成一次產生一個脈沖

ERROR： = M1.3 ;錯誤位

STATUS： = MW4 ;調用FC2時產生的狀態(tài)字

DPSTATUS： = MB6 ;PROFIBUS-DP的狀態(tài)字節(jié)

FC1（對于從站1為SFC15）用于將數(shù)據(jù)從DP主站傳送到DP從站，F(xiàn)C2（對于從站1為SFC14）用于將數(shù)據(jù)從DP從站傳送到DP主站。在編制程序時，必須保證在每個主程序循環(huán)（OB1）中FC1和FC2至少被調用一次，以保證程序正確執(zhí)行。程序結構如圖2所示。

將整個項目分別下載到主站和從站的CPU中，系統(tǒng)正常啟動后，可以進行DP主站和從站的通訊。

3 結束語

本文結合具體的實驗系統(tǒng)介紹了實現(xiàn)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡主從通訊的具體方法，并已通過實驗證明該系統(tǒng)通信穩(wěn)定、可靠，取得了良好的控制效果。在本文所論述方法的基礎上，通過修改應用程序可以很好的滿足實際工程中主從站數(shù)據(jù)通訊及主站對從站的監(jiān)控等要求，具有廣泛的通用性和實用參考價值。由于PROFIBUS-DP的協(xié)議開放、實時性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，可靠性高，符合現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢，必將在未來一段時間內得到廣泛的應用。

本文作者創(chuàng)新點：本文根據(jù)目前工業(yè)實際生產中PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通訊采用的各種實現(xiàn)方法，總結出了一套實現(xiàn)起來方便快捷、簡單易行的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通訊方法。本文深入淺出、條理清晰、內容完整并配有例圖與程序，詳細敘述了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通訊的設計與實現(xiàn)方法。同時在本文所論述方法的基礎上，只需修改應用程序就可以很好的滿足實際工程的需要，具有廣泛的通用性和實用參考價值。

參考文獻

[1] 崔堅，西門子工業(yè)網(wǎng)絡通訊指南，機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 潘笑，潘婧，基于PC的PROFIBUS-DP監(jiān)控系統(tǒng)設計，微計算機信息，2005年第21卷第9-1期17-18頁.

[3] SIEMENS Device Description Data Files GSD，2002.

[4] SIEMENS Corporation.Fieldbus Technology Handbook on PROFIBUS-DP[M]，1999.

Biography：

Wangyichao， 1984， male， han， engineer， Engage in the electricity automation technique .

作者簡介：

王沂超（1984—）男，漢，工程師。主要從事電氣自動化技術工作