基于Profibus現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)

1 引言

現(xiàn)場總線是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現(xiàn)，是自動化技術(shù)發(fā)展的熱點之一。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點而獲得了非常廣泛的應(yīng)用。目前，已逐漸成熟并對工業(yè)自動化進程形成影響的主要有Profibus，HART，LONWORKS，F(xiàn)F等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領(lǐng)域。它是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現(xiàn)場總線標準，是一種國際化、開發(fā)式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線。根據(jù)應(yīng)用特點可分為三個兼容版本：（1）PROFIBUS-DP以其較快的傳輸速度和強抗干擾能力而應(yīng)用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通訊；（2）PROFIBUS-FMS 主要解決車間級的通用型通信任務(wù)，可以提供靈活而大量的通信服務(wù)；（3）PROFIBUS-PA則專為過程自動化設(shè)計，它直接和現(xiàn)場的傳感器或執(zhí)行器連接，并可通過DP/PA接口與DP總線連接，使用于安全性要求較高以及由總線供電的場合[1]。

2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及配置[3]

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備到控制器的連接方式，現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)通常采用以下三種方式：線形、樹形和環(huán)形。Profibus采用的是線形結(jié)構(gòu)，用一根總干線從控制器連接到受控對象，總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場設(shè)備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時還可發(fā)送信息到輸出通道，實現(xiàn)多主式和對等式通信。本文著重介紹PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 上位機

　　 本系統(tǒng)采用研華工控機作上位機，通過CP5611接口卡使工控機與Profibus-DP 相連，這樣IPC與現(xiàn)場總線就連接成能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。上位機監(jiān)控軟件可采用美國Intellution 公司開發(fā)的基于Window9xNT組態(tài)軟件或SIEMENS公司W(wǎng)INCC軟件，可實現(xiàn)動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等功能，并提供一個友好的用戶界面，使用戶根據(jù)實際生產(chǎn)需要生成相應(yīng)的應(yīng)用軟件。

2.2 SIMATIC S7主站

　　 作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統(tǒng)選用CPU315-2DP模塊化PLC，它集成了Profibus-DP現(xiàn)場總線接口裝置，具有強大的處理能力（具有0.3ms處理1024語句的速度）。PLC程序在上位機STEP 7中編制完成后下載到CPU315并存儲，CPU可自動運行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制相應(yīng)設(shè)備。

2.3 從站（Slave A，B）

　　 從站A中，SIMOVERT Master drives為交流變頻器，CB1為與之配套的通信處理器。SIMOREG K 6RA24為直流變流器，CB24為與之配套的通信處理器。當S7-300或S7-400作Profibus-DP網(wǎng)的主站時，可分別帶這樣的從站（SLAVE）32個，如加中繼器，最多可達127個。這種交直流傳動產(chǎn)品，可對電機進行開、閉環(huán)控制，通過CB通訊板將從DP網(wǎng)中接受的數(shù)據(jù)存入雙向RAM中。雙向RAM中的每一個字都被編址，在變頻（流）器端的雙向RAM可通過被編址參數(shù)排序，向變頻（流）器寫入控制字、設(shè)置值或讀出實際值，診斷信息等參數(shù)[4]。

2.4 分布式I/O ET200M

　　 ET200M是一種模塊化的分布式I/O站，通過IM-153接口與Profibus-DP現(xiàn)場總線連接。對于SIEMENS STEP7開發(fā)平臺，在ET200M上的分散I/O節(jié)點的地址排布與傳統(tǒng)集中式的地址排布是一致的，所以在編程時就和編制集中式控制程序一樣，而且分散I/O的模塊地址可以根據(jù)用戶需要而改變，以適應(yīng)實際現(xiàn)場調(diào)試時的需要。

3 Profibus-DP通訊功能[1,2]

　　 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)使用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及自己的用戶層，其中物理層采用ETA RS485傳輸技術(shù)，采用屏蔽雙絞銅線或光纖兩種傳輸電纜。在總線的兩端為了防止浪涌，接有終端電阻，實際使用時，應(yīng)注意將位于中間節(jié)點的接頭終端電阻置于OFF位置。

　　 數(shù)據(jù)鏈路層又稱現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link. FDL）一般有兩種介質(zhì)存取方式：令牌總線（Token Bus，令牌總線協(xié)議符合IEEE802.4）和主從方式。

　　 令牌是一種特殊的電文，它在主站之間傳遞控制權(quán)，令牌總線方式使得某個得到令牌的主站可在一個事先規(guī)定的時間段內(nèi)得到總線控制權(quán)，在這段時間內(nèi)允許這個主站執(zhí)行主站的工作，這個主站可依照與主站或從站的關(guān)系表和所有主站或所有從站進行通信。若該主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)送完了所需發(fā)送的幀，或者該主站的控制時間終了時它就將主站令牌傳遞給下一個主站，這樣就保證了即使在重載下，每個主站都可以在確定的時間內(nèi)得到總線使用權(quán)，避免了在以太網(wǎng)中重載下容易阻塞的缺點，保留了總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、自由增減站點的優(yōu)點。

　　 主從方式的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議與局域網(wǎng)標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式（NRM），該模式的工作特點是 ：總線上一個主站可以控制多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路，主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)；從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。