基于現場總線的控制系統

 摘要：介紹了一種基于SIEMENS PROFIBUS-DP網絡的控制系統的設計方法，詳細分析了該網絡的拓撲結構、硬件配置及主從通信方式的工作機理, 說明了這是一種先進的控制技術。
　　 關鍵詞：PROFIBUS-DP；網絡；控制系統；通訊機理

1 引言
　　 現場總線是信息技術、網絡技術的發(fā)展在控制領域的體現，是自動化技術發(fā)展的熱點之一。因其具有數字化、開放性、分散性以及對現場環(huán)境的適應性等特點而獲得了非常廣泛的應用。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，FF等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現場總線技術之一，其產品廣泛應用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領域。它是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現場總線標準，是一種國際化、開發(fā)式、不依賴于生產商的現場總線。根據應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用于設備級控制系統與分散式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，可以提供靈活而大量的通信服務；（3）PROFIBUS-PA則專為過程自動化設計，它直接和現場的傳感器或執(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 系統拓撲結構及配置[3]
根據現場設備到控制器的連接方式，現場總線的拓撲結構通常采用以下三種方式：線形、樹形和環(huán)形。PROFIBUS采用的是線形結構，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場設備處，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，實現多主式和對等式通信。本文著重介紹PROFIBUS-DP現場總線控制系統的設計，其拓撲結構如圖1所示。
　　 2.1 上位機
　　 本系統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絡系統。上位機監(jiān)控軟件可采用美國Intellution 公司開發(fā)的基于Window9x&NT組態(tài)軟件或SIEMENS公司WINCC軟件，可實現動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網絡通信等功能，并提供一個友好的用戶界面，使用戶根據實際生產需要生成相應的應用軟件。
　　 2.2 SIMATIC S7主站
　　 作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統選用CPU315-2DP模塊化PLC，它集成了PROFIBUS-DP現場總線接口裝置，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，根據程序內容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制相應設備。
　　 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。這種交直流傳動產品，可對電機進行開、閉環(huán)控制，通過CB通訊板將從DP網中接受的數據存入雙向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可通過被編址參數排序，向變頻（流）器寫入控制字、設置值或讀出實際值，診斷信息等參數[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用戶需要而改變，以適應實際現場調試時的需要。
3 PROFIBUS-DP通訊功能[1,2]
　　 PROFIBUS-DP網絡使用了物理層、數據鏈路層以及自己的用戶層，其中物理層采用ETA RS485傳輸技術，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，應注意將位于中間節(jié)點的接頭終端電阻置于OFF位置。
　　 數據鏈路層又稱現場總線數據鏈路層（Fieldbus Data Link. FDL）一般有兩種介質存取方式：令牌總線（Token Bus，令牌總線協議符合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，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)定的時間段內得到總線控制權，在這段時間內允許這個主站執(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得到總線使用權，避免了在以太網中重載下容易阻塞的缺點，保留了總線型網絡結構簡單、自由增減站點的優(yōu)點。
　　 主從方式的數據鏈協議與局域網標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式（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；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)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數據鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。
　　 圖中U表示HDLC的無編號幀，U：A，SNRM，P表示在SNRM模式上選擇從站A，P為探詢位；U：A，UA，F表示用U幀的無編號確認命令UA作為響應主站建立數據鏈，F為終止位。I表示HDLC的信息幀，N（S）=0表示編號，N（R）=0表示未接收到A的從站幀，N（S）=1， N（R）=0和N（S）=2，N（R）=0表示第2，3個從主站連續(xù)發(fā)送的信息幀，第3幀中使用了探詢位P表示從站也有信息幀要發(fā)送。N（R）=3表示從站A已正確接收序號為2及以前的I幀，終止符F表示從站只有一幀發(fā)送。最后當主、從站都沒有信息幀要發(fā)送、或主站將與其他從站建立數據鏈時，主站使用U釋放連接命令DISC，從站A從U幀的UA予以確認，鏈路傳輸過程結束。
4 用戶界面開發(fā)
　　 基于PROFIBUS-DP網絡的控制系統主要有以下幾種人機接口界面。
　　 （1）信息顯示畫面：主要顯示當前運行狀態(tài)信息，如電機的速度、變頻器的運行頻率以及一些故障信息；
　　 （2）設備控制畫面：雖然S7-300能實現在現場總線上的數據采集和控制信號的輸出，且具有一些控制算法，但復雜的控制功能仍然需要在上位機上實現人工控制，在界面中點擊相應設備按鈕即可對設備如變頻器、變流器等進行單獨控制；
　　 （3）實時報警處理：對系統實時采集的數據進行判斷，發(fā)出報警信號，并按技術要求進行處理、自動進行相應設備控制；
　　 （4）報表打印及數據曲線顯示等。
5 結束語
　　 PROFIBUS現場總線是一種數字通信網絡。在系統中間層或不同層的總線設備之間均采用數字信號進行通信，由于用數字信號替代模擬信號，因而可實現一對電線上傳輸多個信號（包括多個運行參數值、多個設備狀態(tài)、故障信息）同時又為多個設備提供電源，現場設備以外不再需要A/D，D/A轉換部件，這樣大量減少了導線和連接附件，提高了系統的可靠性和抗干擾能力。因此，這種總線控制系統幾乎所有的工業(yè)控制系統以及樓宇自動化系統都可以應用，并且它還是“全集成自動化”的系統總線[1]。它使用了將控制邏輯分散到整個系統的全新理念，大大提高了工業(yè)自動化水平，最大限度地提高了生產效率，實現了工廠管理與控制一體化。它以其自身的特點和優(yōu)勢必將成為自動控制領域的主流方向。

參考文獻：
　　 [1] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社,1999.
　　 [2] 潘曉寧,等. PROFIBUS-DP工控網的通訊原理[J].電氣傳動,1999（5）：25-28.
　　 [3] SCHICKHUBER. Mccarthy Distributed Fieldbus and Control Network System[J]. Computing & Control Engineering Journal[J]. 1997,8(1): 53-55.
　　 [4] 趙德安,等. 一類基于PLC和Profibus-DP總線的張力自適應控制系統[J]. 信息與控制, 2002,31(2）：122-126.