主站與遠程I/O站之間通信研修設(shè)備開發(fā)

盛繼華，黃清鋒

（金華市技師學院，浙江金華，321017）

0 引言

PROFIBUS主要包括FMS、DP、PA三部分，在任意有嚴格控制穩(wěn)定性、可靠性、時間要求通信任務(wù)中。引入本文的PROFIBUS-DP作為現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的組成，能夠應用于現(xiàn)場設(shè)備控制，實時性較高，可以實現(xiàn)由幾百微妙至幾百秒，經(jīng)RS485傳輸對主站與從站間傳輸數(shù)據(jù)，形成雙向智能化、數(shù)字化、多點現(xiàn)場總線通信網(wǎng)[1]。通過運用PROFIBUS-DP不僅能夠有效解決單獨使用微處理器開發(fā)協(xié)議較大操作難度這一缺點，僅需外部接入物理芯片，既可實現(xiàn)以太網(wǎng)接通DP主站實現(xiàn)集成化控制，充分發(fā)揮DP主站現(xiàn)場設(shè)備控制優(yōu)勢同時，還可以在市場管理網(wǎng)絡(luò)中靈活化嵌入控制網(wǎng)絡(luò)，從真正意義上實現(xiàn)現(xiàn)場控制管理。

1 主/從站通信狀態(tài)機制

在PROFIBUS-DP的主站與從站通信過程中，具體可以劃分為多階段，第一階段為主站首次診斷從站，對從站參數(shù)化處理與組態(tài)配置，轉(zhuǎn)二次診斷從站，實現(xiàn)主從兩站之間數(shù)據(jù)參數(shù)循環(huán)交換。為了進一步確?？偩€控制中可以正確傳輸幀，PROFIBUS-DP嚴格規(guī)定了報文幀結(jié)構(gòu)，與主從站設(shè)備的具體控制時序關(guān)系，并對12個參數(shù)進行界定，用于對各幀之時間和可允許等待時長最大化的具體限定[2]。在主從站數(shù)據(jù)控制中，發(fā)出每一幀之前，應當有同步期TSYN，發(fā)送每幀控制報文之前，都要加入總線休息時間，固定每幀發(fā)送時長在33TB/T時間。TSYN之后控制指令發(fā)起方，會發(fā)出REQUEST幀至從站側(cè)，接收方由請求接受至數(shù)據(jù)響應，具體定義TSDR，根據(jù)TSDR的具體參數(shù)，可以反映響應方從站的具體能力與資源情況。部分站點并未應用專用通信ASIC芯片，所致通信控制的反應用時較長。在通信發(fā)起方一側(cè)，由主站發(fā)送請求幀至最后Bit收到相應幀首個BIt的用時，定義SLot_Time，這也作為通信控制系統(tǒng)所達到實時性能優(yōu)劣程度的真實反映。并且在本次主從站通信設(shè)計中，還定義關(guān)鍵參數(shù)TSL，該參數(shù)可以允許SLot_Time最大化，假若通信控制的發(fā)起方一旦超出參數(shù)TSL，依然未能成功響應接收方，那么則代表通信系統(tǒng)發(fā)生通信錯誤，或者需要重新發(fā)送請求幀，向FDL層上交錯誤指令，由上層軟件負責處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

主站與遠程I/O站之間建立通信，從本質(zhì)上作為運用專門I/O訪問命令尋址分布式外圍模塊I/O數(shù)據(jù)，設(shè)計控制編程平臺選用STEP 7，經(jīng)PROFIBUS-DP主站和ET 200M標準從站通信，即可控制接觸器設(shè)備。應用于工業(yè)現(xiàn)場控制，以混合攪拌液料的過程為例，便可運用PLC控制ET200M數(shù)字輸入/輸出，從而遠程控制攪拌器的操作過程[3]。A、B兩類液料均根據(jù)既定投放比例，用攪拌器攪拌A、B兩類液料，根據(jù)兩個內(nèi)部傳感器來測量攪拌器內(nèi)的兩種液料所在位，在測量結(jié)果達到既定容量，傳感器會向ET200發(fā)送信號，從而控制攪拌器內(nèi)兩種液體閥門開合情況。在裝滿A、B兩類液料之后，ET 200會發(fā)出攪拌器電機控制指令，在轉(zhuǎn)動攪拌器電機一定時間之后，打開攪拌器開口閥門便可卸料。

在ST 300的仿真軟件PLCSIM能夠執(zhí)行CPU控制程序，與DP從站故障仿真，可是在實際仿真應用中大部分情況存在局限。多數(shù)通信過程均需要通信硬件模塊驗證，本文使用STEP7進行通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及編程，由協(xié)議ASIC芯片ASPC2外加擴展固化程序?qū)崿F(xiàn)，該協(xié)議芯片在應用中能夠基于PROFIBUS協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問控制功能，方便連接微處理器。S3C4510芯片能夠在32位ARM與16位Thumb態(tài)工作，執(zhí)行管理協(xié)議并提供以太網(wǎng)控制器。選擇RTL8019與RTL8210、S3C4510片內(nèi)以太網(wǎng)控制器相連接，提供10M與100M網(wǎng)絡(luò)通信速率，可以適用于不同網(wǎng)絡(luò)。

本次通信設(shè)備設(shè)計選用ASPC2，用于主站智能通信芯片，可支持DP/FMS協(xié)議，經(jīng)端耦合器與PA相連接，滿足12Mbit/s的最大化傳輸速率。能夠支持識別（用Ident代表）、請求FDL狀態(tài)（用Requent_FDL_Status代表）、發(fā)送數(shù)據(jù)無應答（用SDN代表）；發(fā)送數(shù)據(jù)有應答（用SDA代表）；發(fā)送接收數(shù)據(jù)有應答（用SRD代表）。該通信芯片可以支持8/16位數(shù)據(jù)總線，選用引腳XB8/B16接地，設(shè)計16位數(shù)據(jù)模式，通信總線能夠在Motorola、Intel中選擇工作總線形式，DINT/MOT引腳接地。選擇Intel總線形式，均與低位數(shù)據(jù)總線相連接，高位數(shù)據(jù)總線連接輸入且內(nèi)部上拉電阻，共享RAL或選用雙口RAM均可實現(xiàn)芯片和CPU二者數(shù)據(jù)交換，結(jié)合本文通信設(shè)計選用共享RAM，是因為這樣能夠級聯(lián)多個ASPC2芯片，利用處理器保持功能均經(jīng)外部總線交換具體信息。S3C4510B的運行工作頻率高達50MHz，包括各類通用接口除外還具備強大獨立控制功能，將此以太網(wǎng)控制器可以用于控制難度較大，通信控制較復雜的嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)。設(shè)計半雙工控制模式，控制器執(zhí)行CSMA/CD協(xié)議，支持IEEE802.3MAC控制層協(xié)議，在RS485工作模式中即可傳輸數(shù)據(jù)信息，并且為了確保系統(tǒng)安全可靠性，以EN50.170標準為參照，隔離總線和內(nèi)部電路，這一步是基于光耦HCPL701基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

2.2 軟件設(shè)計

本次通信軟件設(shè)計選用CPU315-2DP為帶有大中型程序存儲器及PROFIBUS DP主/從接口CPU，該處理器能夠在50ns左右成功處理一條二進制指令，經(jīng)常被用于SIMATIC S7-300中作為標準PROFIBUS-DP主站。帶有PROFIBUS-DP主站、從站接口，不僅可以用于集中式通信控制I/O結(jié)構(gòu)，還能夠用于操作簡單、迅速便捷的分布式自動化控制系統(tǒng)中。該通信控制系統(tǒng)設(shè)計，PROFIBUS-DP主站均選用CPU315-2DP，站地址為2，ET 200M為標準從站，站地址為3。從站輸入/輸出模塊與攪拌機相連接，經(jīng)CP5613模塊接入PC網(wǎng)絡(luò)，用于設(shè)備編程與功能調(diào)試，各站間均經(jīng)PROFIBUS電纜相連接，網(wǎng)絡(luò)終端插頭終端電阻開關(guān)需要打開“ON”位置，中間從站插頭終端電阻開關(guān)必須打在“OFF”位置。（見圖1）為系統(tǒng)組成圖。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

管理器內(nèi)雙擊桌面Simatic Manager圖標，即可進入 STEP7，選擇新建“文件—DP_ET200”，之后根據(jù)彈出界面“DP_ET200”右鍵點擊后插入“新站點”，建立新站點“SIMATIC300”，成功插入S7-300為DP主站。管理器內(nèi)點擊對象“SIMATIC 300”站，雙擊右側(cè)“硬件”圖標，將 HW Cofig界面成功打開后，選擇“SIMATIC 300配置文件”，將RACK-300插入后，將電源PS307 10A插入1號插槽內(nèi)，將CPU315-2DP插入2號插槽，3號插槽用于功能拓展無需添加其他模塊。4號插槽插至所需輸入/輸出模塊，選用DI16/DO16×24V/0.5A（見圖2）。

圖2 主站組態(tài)

插入CPU 315-2DP將PROFIBUS彈窗組態(tài)界面取消，并設(shè)置“DP”屬性對話框，設(shè)計“工作模式”該功能欄，用于對默認DP主站的實時查看。在“常規(guī)”選項中設(shè)計FROFIBUS接口，主站地址2。選擇“屬性-參數(shù)-新建”，即可成功建立PROFIBUS電纜，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計內(nèi)設(shè)置1.5Mbps通信速率，同樣配置DP主站，成功設(shè)置后即可“確定”并返至屬性功能框，選擇插入DP站新的“PROFIBUS（1）”子網(wǎng)。

ET200M作為分布式I/O設(shè)備，建立主從站通信系統(tǒng)中一般應當在自動化系統(tǒng)中集成輸入、輸出信號。假若輸入、輸出設(shè)備與PLC控制器距離較遠，則需要鋪設(shè)較長電纜，這樣的話就會造成成本加大，并且可能會由于出現(xiàn)電磁干擾降低系統(tǒng)可靠性。所以分布式I/O設(shè)備的使用，便可以有效解決該問題，能夠在中央位控制CPU，在本地分布運行I/O設(shè)備，PROFIBUS DP有著強大的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠保證CPU與I/O設(shè)備順暢通訊。打開通信硬件功能窗口，選擇PROFIBUS DP/ET 200M配置文件，成功選定 ET 200M窗口路徑，之后拖動該通信組件至PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)窗口，即可接入ET 200M與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。拖動中能夠出現(xiàn)屬性對話框，從站地址4，之后確定選定從站，完成輸入/輸出模塊組態(tài)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

HW Config菜單界面內(nèi)可以點擊“網(wǎng)絡(luò)組態(tài)”，將Netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面打開后，能夠發(fā)現(xiàn)PROFIIBUS已經(jīng)成功連接主站總站，結(jié)合通信控制項目所需，設(shè)計11個輸入/輸出通信點，包括PLC停止、運行，ET200接收液體攪拌限位信號，兩類液體閥門控制閉合信號，其中B液限位后ET 200控制攪拌機運行信號。SIMATIC Manager界面內(nèi)，選擇SIMATIC 300站點，S7程序內(nèi)尋找Symbol符號即可分配資源，并尋找OBI組織塊，創(chuàng)建LAD語言模塊，編寫OBI程序，負責調(diào)用兩大功能塊分別為FC1與FC2，其中FC1用于顯示PLC控制器運行狀況，F(xiàn)C2用于顯示ET 200攪拌器控制情況。

3 實驗測試

本次仿真設(shè)計選擇SIMATIC Manager界面內(nèi)，選擇“PLCSIM仿真器”進行監(jiān)視，能夠根據(jù)界面顯示看到CPU狀態(tài)窗口S7-PLCSIM1，將輸入/輸出共計兩個變量成功手動插入后，在PLC內(nèi)下載LAD/STL/FDB/OBI組塊程序，還有下載HW Config通信硬件組態(tài)。仿真中因為默認關(guān)閉PLC狀態(tài)，需要提前打開PLC保持“RUN”狀態(tài)，能夠看到關(guān)閉I0.0情況下，Q0.0與PLC接通啟動，Q2.0則與打開A液閥門相接通。在A液位上限即可斷開ET 200M的I2.0信號，關(guān)閉A液閥門，Q2.1與B液閥門相連接，在B液位上限即可斷開ET200M的I2.1信號，成功斷開Q2.1之后，即可關(guān)閉B液閥門，之后正式開啟Q2.3攪拌機運作，依據(jù)有關(guān)規(guī)定攪拌機正式運行時間達2min，接通I0.2就表明攪拌機處于正常工作狀態(tài)下，直至滿足2min運行時長，Q2.2與攪拌機相接通打開出口閥。

其中采用ISD2500語音芯片用于語音控制和錄放電路的數(shù)字化錄音組件，可以達到60s左右的錄放音時間，能夠連續(xù)錄放并且根據(jù)A0～A9地址線，選擇性分段完成語音控制錄放。選擇在ISD2500片選23腳作為低脈沖時啟動放音周期，CE信號下降沿啟動錄音周期，R/R（27腳）輸入端作為高電平與低電平情況下，分別選定為放音和錄音周期。警報器電話被用戶成功撥通之后，需要播放已經(jīng)根據(jù)段完成錄制的警報信號，經(jīng)ARM7的I/O口對ISD2500第27腳成功控制，利用uc/os軟件定時器成功確定語音芯片的播放時間。

4 結(jié)語

在本次主站與遠程IO站之間通信研修設(shè)備開發(fā)設(shè)計中，通過選用PROFIBUS-DP主站應用嵌入式開發(fā)技術(shù)，綜合考慮該通信控制組件應用于不同復雜環(huán)境中，具備良好的性能可拓展性與智能化特點。與PROFIBUS通信原理相結(jié)合，設(shè)計PROFIBUS-DP主從站現(xiàn)場總線通信，能夠達到上下12Mbit/s通信速率，并建立PLC與ET 200M硬件組態(tài)，用于設(shè)計實現(xiàn)通信的軟件基礎(chǔ)，并進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)優(yōu)化資源分配。通過對本次設(shè)計通信設(shè)備控制效果進行仿真驗證，證明了本文上位機控制主站和遠程I/O通信的可行性，基本滿足了應用于工業(yè)制造領(lǐng)域遠程設(shè)備控制要求，并且有效減少在布設(shè)電纜方面的成本投入，極大的提升了控制系統(tǒng)的可擴充性。