基于Profibus-DP的控制系統(tǒng)通信互連

摘    要：本文介紹了一種采用Profibus-DP實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)通信的方法，并成功地實(shí)現(xiàn)了和利時(shí)公司CPU24x和CPU21x 系列PLC系統(tǒng)和西門子公司S7 -300/200 PLC系統(tǒng)的相互通信。
關(guān)鍵詞：PLC；Profibus-DP

引言
當(dāng)前在國(guó)際上有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)很多，其中，Profibus-DP主要用于中央處理器與分散外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)通信，解決自動(dòng)控制系統(tǒng)(如PLC、PC等)通過(guò)高速串行總線與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(I／O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等)之間的通信問(wèn)題。本文采用Profibus-DP實(shí)現(xiàn)了西門子公司S7系列的PLC系統(tǒng)和和利時(shí)公司的CPU24x和CPU21x系列PLC的通訊互連。

圖1 主-從通信系統(tǒng)配置

圖2  在從站模式下CPU和CP數(shù)據(jù)交換原理示意圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
和利時(shí)的CPU24x和CPU21x一般作為主站設(shè)備，而西門子S7-300 PLC的CPU 315-2DP、CP342-5等既可做主站也可做從站。當(dāng)它們做從站時(shí)，可設(shè)計(jì)為被動(dòng)從站或主動(dòng)從站。被動(dòng)從站執(zhí)行簡(jiǎn)單的DP協(xié)議功能，相當(dāng)于簡(jiǎn)單從站；主動(dòng)從站在總線中可以取得令牌，然后在確定的時(shí)間窗口中可以與從站通信，它除了支持簡(jiǎn)單的DP協(xié)議功能外，還支持一些其它的服務(wù)，如支持FDL服務(wù)、S7、PG等。另外，CP342-5和帶CP5611卡的PC站還可實(shí)現(xiàn)二類DP主站、用于編程、診斷等功能。
因和利時(shí)公司的CPU24x和CPU21x的 PLC為主站設(shè)備，在系統(tǒng)中只能做主站，因此本設(shè)計(jì)把西門子的設(shè)備S7-300和S7-200 PLC作為從站，利用Profibus-DP的主-從通信原理實(shí)現(xiàn)他們的通信。系統(tǒng)配置如圖1所示。
在圖1中，和利時(shí) PLC使用Profibus-DP通信模塊FM208連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)M208通信模塊為DP主站模塊，在DP網(wǎng)絡(luò)中做DP主站。所有的西門子DP從站設(shè)備都可以作為FM208的從站連接到DP網(wǎng)絡(luò)中，并通過(guò)使用DP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互間的直接數(shù)據(jù)通信。在此，西門子的S7-300、S7-200 PLC和變頻器分別通過(guò)Profibus-DP通信模塊CP 342-5、EM 277和CBP2做為和利時(shí)PLC的FM208的從站，并實(shí)現(xiàn)相互通信。

通信編程
用于DP主站的用戶程序
用于DP主站的用戶程序都已集成在Profibus-DP通信模塊FM208中，用戶只需完成以下幾個(gè)方面的組態(tài)及設(shè)置即可完成主站的用戶編程。
(1) DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，用WinNCS軟件完成。
① 啟動(dòng)WinNCS軟件，網(wǎng)絡(luò)類型選取Profibus。然后在Profibus網(wǎng)絡(luò)中插入主站，系統(tǒng)默認(rèn)CPU24x為主站，指定其DP主站地址為2，總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為1.5Mbps。
② 在FM208主站中插入DP從站CP342-5、EM277和CBP2，對(duì)應(yīng)的DP網(wǎng)絡(luò)地址為3、4、5。CP342-5的I/O數(shù)據(jù)選擇16個(gè)字進(jìn)16個(gè)字出，EM277的I/O數(shù)據(jù)模塊選擇8個(gè)字進(jìn)8個(gè)字出，CBP2的數(shù)據(jù)類型選擇PPO3。各從站的I/O數(shù)據(jù)在主站FM208中按順序自動(dòng)指定相應(yīng)的地址。
③ 編譯并保存文件，然后下載到通信處理器FM208中。
(2)FM208配置的從站I/O數(shù)據(jù)地址在CPU241中的地址分配。
根據(jù)用WinNCS配置的從站數(shù)及設(shè)定的I/O數(shù)據(jù)起始地址和長(zhǎng)度，可以在PLC程序的數(shù)據(jù)塊DB1中為其指定數(shù)據(jù)尋址地址。例如上述從站I/O起始地址都是從0開(kāi)始，數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度各為28個(gè)字，在DB1中加入地址配置指令：
KC='UAT: 0 28 0 28 ;END'
在PLC用戶程序中，直接根據(jù)上述設(shè)定的地址就可尋址從站的過(guò)程數(shù)據(jù)，不需要額外的通信編程。
用于DP從站S7-300的用戶程序
S7-300 PLC通過(guò)CP342-5作為主站和利時(shí)PLC的從站，為確保數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)，需完成以下工作。
① 組態(tài)CP342-5做從站。
② 編寫(xiě)從站用戶程序，并下載到S7 PLC。
③ 啟動(dòng)和調(diào)試DP從站和DP主站。
④ 通信異常診斷。
(1)CP功能
CP342-5用作DP從站可以被DP主站組態(tài)為智能從站或模塊化主站，做從站時(shí)可以組態(tài)為被動(dòng)從站或主動(dòng)從站，但不允許在組態(tài)為從站的同時(shí)組態(tài)為主站。用作主動(dòng)從站時(shí)除了提供從站服務(wù)功能外，還可以提供如FDL連接服務(wù)等其它的通信服務(wù)。CP342-5的主要功能有：
① 從主站接收用于配置和組態(tài)的參數(shù)，包括過(guò)程輸出數(shù)據(jù)和傳遞到CPU的數(shù)據(jù)。
② 從CPU的DP數(shù)據(jù)域接收輸入數(shù)據(jù)，為DP主站準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。
③ 給DP主站準(zhǔn)備拾取和評(píng)估的診斷數(shù)據(jù)。
④ 給2類主站準(zhǔn)備讀取的I/O數(shù)據(jù)。
(2)數(shù)據(jù)交換原理
DP主站與DP從站的數(shù)據(jù)交換采用輪循方式，使用DP數(shù)據(jù)域中的接收緩沖區(qū)與發(fā)送緩沖區(qū)來(lái)完成。DP主站啟動(dòng)數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)輸出到輸出緩沖區(qū)，并從輸入緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)取回，其原理如圖2所示。
CPU和CP間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)在CPU循環(huán)中調(diào)用S7的DP_RECE和DP_SEND功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，DP_RECE功能是接收由DP主站發(fā)送到從站CP的接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)輸出至CPU指定的DP數(shù)據(jù)域。而DP_SEND則是把CPU中指定的DP數(shù)據(jù)域中需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳送至CP的發(fā)送緩沖區(qū)，然后傳輸?shù)紻P主站。
(3)用戶程序
在S7 PLC中，CPU中的用戶數(shù)據(jù)域可以為過(guò)程映像、位寄存器以及數(shù)據(jù)塊，在本用戶程序中使用了數(shù)據(jù)塊。在S7用戶程序的Blocks目錄下，定義兩個(gè)數(shù)據(jù)塊DB1和DB2，分別用于存放接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后在循環(huán)執(zhí)行的組織塊OB1中調(diào)用DP_RECE和DP_SEND功能。
當(dāng)DP主站改變運(yùn)行模式或崩潰時(shí)，操作系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用從站上的某個(gè)OB作出反應(yīng)。如果從站上的這些OB丟失，則CPU會(huì)立即自動(dòng)地切換到STOP。因此為了防止這種情況，需在從站建立相關(guān)的OB。
當(dāng)主站的CPU從RUN轉(zhuǎn)換到STOP時(shí)，在從站的組織塊OB82(診斷中斷)將被調(diào)用。為防止CPU由于不存在OB82而停止，需在S7-300站的Blocks文件夾中插入組織塊OB82。
同理，當(dāng)DP主站崩潰時(shí)，在從站上將調(diào)用組織塊OB86(機(jī)架故障)。為了防止S7-300從站的CPU在這樣的情況下進(jìn)入STOP，需在S7-300站的Blocks文件夾中插入組織塊OB86。
用于DP從站S7-200的用戶程序
主站和利時(shí)PLC和從站S7-200 CPU226之間的Profibus-DP通信是通過(guò)使用FM208模塊將S7-200 CPU226作為DP從站連入網(wǎng)絡(luò)的。FM208為模塊化的DP從站，I/O數(shù)據(jù)最大為32字。FM208通過(guò)串行總線和S7-200 CPU226連接，通過(guò)DP通信端口連接到Profibus上。其主要功能為：可運(yùn)行在9.6kbps-12Mbps之間的任何速率；接收從主站來(lái)的I/O配置和參數(shù)信息；向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)；傳送I/O數(shù)據(jù)，以及支持變量塊的傳送等。
對(duì)主站的組態(tài)包括從站地址，從站的變量存儲(chǔ)區(qū)(V存儲(chǔ)區(qū))偏置以及選取I/O模塊。
運(yùn)行時(shí)，DP主站首先建立網(wǎng)絡(luò)，然后初始化啟動(dòng)DP從站，并且主站將參數(shù)賦值信息和I/O配置寫(xiě)入到從站。然后主站從從站獲取診斷信息，在確認(rèn)從站已接收到信息后，主站就擁有了此從站的指揮權(quán)。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的其它主站可以讀取該從站的數(shù)據(jù)但是不能向該從站寫(xiě)入數(shù)據(jù)。整個(gè)主站的組態(tài)是通過(guò)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)(GSD)文件siem089d.gsd來(lái)完成的。
從站地址通過(guò)FM208模塊上的硬件開(kāi)關(guān)設(shè)定，此開(kāi)關(guān)必須與主站軟件設(shè)定的地址一致。從站I/O緩沖區(qū)駐留在S7-200的V存儲(chǔ)區(qū)，因此要求參數(shù)賦值中必須包含V存儲(chǔ)區(qū)的緩沖區(qū)的起始位置及I/O的數(shù)據(jù)量，以確定緩沖區(qū)的大小。FM208提供字節(jié)、字、緩沖區(qū)三種類型的數(shù)據(jù)交換。
S7-200 CPU226 PLC的通信用戶程序如下：
NETWORK 1      
//計(jì)算輸出數(shù)據(jù)指針到V寄存器
LDB= SMB224，2
MOVD     &VB0,VD1000
ITD      SMW226,AC0
+D       AC0,VD1000
NETWORK 2     
// 計(jì)算輸入數(shù)據(jù)指針到V寄存器
LDB  =SMB224，2
MOVD     VD1000，VD1004
BTI      SMB228，AC0
ITD      AC0，ACO
+D       AC0, VD1004
NETWORK 3       
//設(shè)置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量
LDB  =SMB224，2
MOVB     SMB228，VB1008
MOVB     SMB229，VB1009
NETWORK 4        //傳輸數(shù)據(jù)
LDB  =SMB224，2
BMB    *VD1000，QB0，VB1008
BMB    IB0，*VD1004，VB1009

結(jié)語(yǔ)
采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，不需做復(fù)雜的通信編程，就能方便地實(shí)現(xiàn)不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在一個(gè)系統(tǒng)中的集成，而且數(shù)據(jù)傳輸可靠、組態(tài)靈活、可以真正的實(shí)現(xiàn)即插即用功能。而且集成方法簡(jiǎn)單，通信可靠、快速，很適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制的要求。在目前廠家為其提供的通信產(chǎn)品和通信服務(wù)功能由于不夠豐富而存在的一些通信問(wèn)題，通過(guò)靈活配置完全可以解決?！?/P>