基于PROFIBUS-DP的PLC通信

1  引言
    现场总线控制系统（FCS）用数字信号取代模拟信号，以提高系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，并延长信息传输的距离。它既是一个开放的通信网络，有时一种全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化系统，它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能。
FCS用“工作站－现场总线智能仪表”的二层机构完成了集散控制系统（DCS）“操作站－控制站－现场仪表”的三层结构模式，降低了成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构，是一种正在发展的很有前途的计算机控制系统。
    目前最具代表性的现场总线是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一种开放式现场总线标准，1989年成为德国标准DIN19245，1996年成为欧洲标准EN50170，1999年12月被接受为国际标准IEC61158的一部分。用于工厂自动化系统三级网络中的底层，即车间级监控和现场设备层数据通信与控制;使用于分散的、具有通讯接口的现场受控设备对底层设备有较高的数据集成和远程诊断、故障报警及数字化要求的系统。  
    PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层。PROFIBUS由三部分组成，PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，现场总线报文规范）、PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外围设备）、PROFIBUS-PA（Process Automation，过程自动化）。其中PROFIBUS-DP已广泛适用于水电站自动化领域。  
    2  PROFIBUS-DP的特性及系统组成
    2.1  PROFIBUS-DP的特性
    PROFIBUS-DP使用物理层，数据链接层和用户接口，用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站地输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。此外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定。
    PROFIBUS-DP基本功能和特性如下:
    （1） 远程离高速通信
    支持9.6Kbps到12Mbps的传输速率; 12Mbps时最大传输距离为100m，1.5Mbps时为200m，另外还可以用中继器延长;
    （2） 分布式结构
    各主站间令牌传递，主站与从站为主－从传送;每段可有32个站，用连接线可扩展到126个站;
    （3） 易于安装，开放式的通讯网络;
    （4） 可靠性高，具备自诊断功能。 
    PROFIBUS-DP主站分为一类主站和二类主站。一类主站完成总线通信控制与管理，完成周期性数据访问，包括PLC、PC或可做一类主站的控制器。二类主站完成非周期性数据访问，如数据读写、系统配置、故障诊断等，包括操作员工作站（如PC机加图形监控软件）、编程器、HMI等。PROFIBUS-DP从站主要进行输入、输出信号采集和发送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能现场设备等。
  
    2.2  系统组成
    为便于叙述和理解，现组成一个双主站单从站的PROFIBUS-DP网络，如图1所示。具体配置如下:
    
    图1     PROFIBUS-DP网络  
    （1） 硬件:带Siemens CP5611卡的PC机两台，一台配置为一类主站，另一台配置为二类主站;从站为Siemens S7-200 系列PLC的CPU224一块，带Siemens EM277DP通讯模块;三个网络连接器;连接线为双绞线。
    （2） 软件:用于软件编程的STEP7-MICROWIN3.2和用于实现PROFIBUS-DP协议网络配置的SIMATIC NET6.0。  
    3  PROFIBUS-DP主站和从站的组态
    3.1  一类主站的组态
    在PC1（一类主站）使用SIMATIC net 6.0软件来组态整个PROFIBUS-DP网络。具体步骤如下:
    （1） 使用SIMATIC程序组中的Configuration Console设定PROFIBUS的模式为Configured Mode，插槽号随意，如图2所示:  
    
    图2     Configuration Console  
    （2） 用PC Station Wizard进行一系列简单的设置后新建一个工程
设置CP5611的参数:网络类型设为PROFIBUS，站地址为1（也可为其他值，但不能重复，其他站点地址的设定与此类同）;加上PROFIBUS-DP总线（DP master system（1）），并把CP5611设为DP-Master（即一类主站）。导入EM277的GSD文件，在视窗右侧的从站设备栏里面就可以找到EM277模块了。将EM277图标拖到DP总线上，站地址为设置2，V存储器偏移量本例设置为4000，然后根据需要设定EM277的发送和接收缓冲区大小。最后将配置结果下载到模块。结果如图3所示: 
    
    图3     一类主站的组态  
    至此，本PROFIBUS-DP网络结构一类主站与从站的主从关系已经确立了。下面接着配置二类主站。[page]
  
    3.2  二类主站的组态
    （1） 同样还是在PC1上，在图3的界面中点击图标 （Configure Network），弹出如图4的界面。添加一个SIMATIC PC Station（此时这个PC Station还没有挂到DP网上），并双击它，弹出如图5的窗口（此窗口与图3类同）。手动添加OPC Server和CP5611，槽位随意。将CP5611站点地址设为3，从属于之前添加的DP网，并设定为DP Master Class 2（即二类主站），将配置结果下载到模块。再次点击 ，可看到PC Station挂到DP网上了。
    
    图4     Configure Network 
    
    图5     二类主站的组态  
    （2） 现在操作对象转到PC2上。同样运行Configuration Console，设置也与PC1相同。打开PC Station Wizard新建一个工程。将CP5611设为DP Master Class 2，站地址设为3，同样要从属于DP master system（1）。将配置结果下载到模块。
    3.3  从站的组态
    为了将EM277作为一个DP从站使用，必须设定与主站组态中的地址相匹配的DP端口地址（之前设定的地址为2）。从站地址是使用EM277模块上的旋转开关设定的。在变动旋转开关之后，用户必须重新启动CPU电源。
    EM277输出和输入数据缓冲区驻留在S7-200CPU变量存储器（V存储器）内，输入缓冲区紧紧跟随输出缓冲器。缓冲区的大小是由DP主站组态设定的（之前设定为8 Bytes Out/8 Bytes In）。组态后，EM277可接收从主站来的输出数据，并将输入数据返回给主站。主从站缓冲区的关系如图6:  
    
    图6     主从站的缓冲区
    若EM277 PROFIBUS-DP从站模块为I/O链中的第一个智能模块，则它的状态信息从CPU224中的SMB200到SMB249获得;若EM277为第二个智能模块，其状态从SMB250到SMB299获得。只有DP主站才可以组态运行了DP 方式下的EM277 DP模块，用户不能通过改写有关SMB存储单元来组态EM277 DP模块的缓冲区大小或位置。
    由表1中专用存储器字节的说明，不难写出CPU224的DP通信程序，见表2。
    
    
    4  通过OPC读写PLC数据
    OPC（OLE for Process Control）是过程控制业中的新兴标准，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。可以通过Siemens提供的OPC Server程序读写PLC中的数据。[page]
    （1） 一类主站PC1读写PLC
    在PC1上打开SIMATIC程序组中的OPC Scout，新建一个组名。打开新建组的“OPC-Navigator”，在DP目录下的Slave002就是从站CPU224，M00_I和M00_Q即对应从站的输入和输出缓冲区。将M00_I和M00_Q目录下的变量按需求添加（如图7），确认后OPC就开始运行了。如果变量的“Quality”显示“good”，表示OPC Server程序已经通过PROFIBUS-DP总线协议和PLC建立了连接运行关系。此时不仅可以读取PLC中的数据，还可以向PLC写数据。
    （2） 二类主站PC2的数据访问
    在PC2上同样打开OPC Scout，新建组名。在该组名的“OPC-Navigator”下添加二类主站相应的输入和输出缓冲区，确认。PC2就可以访问网络中的数据了，各数据的变化同PC1中的是同步的。
    要注意的是:当PC1的OPC Scout关闭的时候，PC2的OPC Scout对DP网络的数据访问也中断了。这证明了CPU224仅仅从属于一类主站PC1，而二类主站PC2不能控制它（仅能进行数据访问）。  
    
    图7     OPC-Navigator  
    5  PROFIBUS-DP在水电站中的应用
    目前，PROFIBIS-DP总线技术在水电站小型自动化系统中应用较多，如水电站弧门监控系统和机组辅助设备控制系统就大量用到了PROFIBUS-DP网络。这是因为PROFIBUS-DP实时性受到系统规模影响，系统规模越大实时性越差，所以PROFIBUS-DP总线技术最适合于小型自动化系统。
    不过，PROFIBUS-DP在信号的传输精度、可靠性和抗干扰性有不俗的表现，其系统成本低、安装简单、维护调试方便且易于扩展。而且，各类传感器和智能设备等都有支持DP网络的标准通信口，硬件资源丰富;DP网络本身灵活多变的主从结构，适应多种控制系统;各类组态软件也都可以和OPC Server建立数据交换，减少了监控系统的开发周期;通过专用的通信协议转换器或工控机，基于PROFIBUS-DP总线的控制系统可以挂靠到工业以太网上，成为综合控制系统的一部分。因此，虽然现在工业以太网的技术有大普及之势，但DP网较高的性价比还是被越来越多的用户所认可。  
6  结束语
    总的来说，作为国际标准之一的PROFIBUS-DP总线技术开放性强、性价比高，在水电行业的应用将越来越广泛。