您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
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(luò),，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)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(guān)的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn),，1989年成為德國標(biāo)準(zhǔn)DIN19245,，1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999年12月被接受為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的一部分,。用于工廠自動化系統(tǒng)三級網(wǎng)絡(luò)中的底層,，即車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)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(shè)備對底層設(shè)備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠(yuǎn)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(yīng)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(shè)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(lǐng)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(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài),、診斷和報警處理及復(fù)雜設(shè)備在運行中參數(shù)的確定,。
Profibus-DP基本功能和特性如下:
(1) 遠(yuǎn)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(luò);
(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(jìn)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(shè)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(luò),，如圖1所示,。具體配置如下:圖1 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)
(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(luò)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(luò)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(luò),。具體步驟如下:
(1) 使用SIMATIC程序組中的Configuration Console設(shè)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(jìn)行一系列簡單的設(shè)置后新建一個工程
設(shè)置CP5611的參數(shù):網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)為 Profibus,，站地址為1(也可為其他值，但不能重復(fù),，其他站點地址的設(shè)定與此類同);加上PROFIBUS-DP總線(DP master system(1)),，并把CP5611設(shè)為DP-Master(即一類主站)。導(dǎo)入EM277的GSD文件,，在視窗右側(cè)的從站設(shè)備欄里面就可以找到 EM277模塊了,。將EM277圖標(biāo)拖到DP總線上，站地址為設(shè)置2,，V存儲器偏移量本例設(shè)置為4000,，然后根據(jù)需要設(shè)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(luò)結(jié)構(gòu)一類主站與從站的主從關(guān)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(biāo) (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(shè)為3，從屬于之前添加的DP網(wǎng),，并設(shè)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(shè)置也與PC1相同,。打開PC Station Wizard新建一個工程。將CP5611設(shè)為DP Master Class 2,，站地址設(shè)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(shè)定與主站組態(tài)中的地址相匹配的DP端口地址(之前設(shè)定的地址為2)。從站地址是使用EM277模塊上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)設(shè)定的,。在變動旋轉(zhuǎn)開關(guān)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(shè)定的 (之前設(shè)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(guān)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁,?？梢酝ㄟ^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(yīng)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(rèn)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(guān)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(yīng)的輸入和輸出緩沖區(qū),，確認(rèn)。PC2就可以訪問網(wǎng)絡(luò)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(dāng)PC1的OPC Scout關(guān)閉的時候，PC2的OPC Scout對DP網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行數(shù)據(jù)訪問)。
圖7 OPC-Navigator
5 Profibus-DP在水電站中的應(yīng)用
目前,，PROFIBIS-DP總線技術(shù)在水電站小型自動化系統(tǒng)中應(yīng)用較多,，如水電站弧門監(jiān)控系統(tǒng)和機組輔助設(shè)備控制系統(tǒng)就大量用到了Profibus- DP網(wǎng)絡(luò)。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(shù)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(hù)調(diào)試方便且易于擴展。而且,，各類傳感器和智能設(shè)備等都有支持DP網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)通信口,，硬件資源豐富;DP網(wǎng)絡(luò)本身靈活多變的主從結(jié)構(gòu)，適應(yīng)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(shù)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(rèn)可。