利用PROFIBUS協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信

PROFIBUS是世界上第一個開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，目前技術(shù)已成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了從機械加工、過程控制、電力、交通到樓宇自動化的各個領(lǐng)域。PROFIBUS于1995年成為歐洲工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（EN50170），1999年成為國際標(biāo)準(zhǔn)（1EC61158-3）。
在S7-200系列PLC的CPU中，CPU22X都可以通過增加EM277PROFIBUS-DP擴展模塊的方法支持PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。采用PROFIBUS的系統(tǒng)，對于不同廠家所生產(chǎn)的設(shè)備不需要對接口進(jìn)行特別的處理和轉(zhuǎn)換，就可以通信。PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成，主站能夠控制總線，當(dāng)主站獲得總線控制權(quán)后，可以主動發(fā)送信息。從站通常為傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和變送器。它們可以接收信號并給予響應(yīng)，但沒有控制總線的權(quán)力。當(dāng)主站發(fā)出請求時，從站回送給主站相應(yīng)的信息。PRORFIBUS除了支持主／從模式，還支持多主／多從的模式。對于多主站的模式，在主站之間按令牌傳遞順序決定對總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可以向從站發(fā)送，獲取信息，實現(xiàn)點對點的通信。
西門子S7通過PROFIBUS現(xiàn)場總線構(gòu)成的系統(tǒng)，其基本特點如下：
（1）PLC、I/O模板、智能儀表及設(shè)備可通過現(xiàn)場總線連接，特別是同廠家的產(chǎn)品提供通用的功能模塊管理規(guī)范，通用性強，控制效果好。
（2）I/O模板安裝在現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器等）附近，結(jié)構(gòu)合理。
（3）信號就地處理，在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)互操作。
（4）編程仍采用組態(tài)方式，設(shè)有統(tǒng)一的設(shè)備描述語言。
（5）傳輸速率可在9.6kb／s～12Mb／s間選擇。
（6）傳輸介質(zhì)可以用金屬雙絞線或光纖。

1．PROFIBUS的組成

PROFIBUS由三個相互兼容的部分組成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及
PROFIBUS-PA。
（1）PROFIBUS-DP（DistributedPeriphery分布I/O系統(tǒng)）
PROFIBUS-DP是一種優(yōu)化模板，是制造業(yè)自動化主要應(yīng)用的協(xié)議內(nèi)容，是滿足用戶快速通信的最佳方案，每秒可傳輸12兆位。掃描1000個I/O點的時間少于lms。它可以用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)尤為適用。位于這一級的PLC或工業(yè)控制計算機可以通過PROFIBUSEDP同分散的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。
（2）PROFIBUS-PA（ProcessAutomation過程自動化）
是為PA主要用于過程自動化的信號采集及控制，它是專為過程自動化所設(shè)計的協(xié)議，可用于安全性要求較高的場合及總線集中供電的站點。
（3）PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification現(xiàn)場總線信息規(guī)范）
FMS是為現(xiàn)場的通用通信功能所設(shè)計，主要用于非控制信息的傳輸，傳輸速度中等，可以用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。FMS提供了大量的通信服務(wù)，用以完成以中等級傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信服務(wù)。對于FMS而言，它考慮的主要是系統(tǒng)功能而不是系統(tǒng)響應(yīng)時間，應(yīng)用過程中通常要求的是隨機的信息交換，如改變設(shè)定參數(shù)。FMS服務(wù)向用戶提供了廣泛的應(yīng)用范圍和更大的靈活性，通常用于大范圍、復(fù)雜的通信系統(tǒng)。

2．PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS協(xié)議以ISO／OSI參考模型為基礎(chǔ)。第一層為物理層，定義了物理的傳輸特性；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層至第六層PROFIBUS未使用；第七層為應(yīng)用層，定義了應(yīng)用的功能。PROFIBUS-DP是高效、快速的通信協(xié)議，它使用了第一層、第二層及用戶接口，第三～七層未使用。這樣簡化了的結(jié)構(gòu)確保了DP的高速的數(shù)據(jù)傳輸。

3．傳輸技術(shù)

PROFIBUS對于不同的傳輸技術(shù)定義了惟一的介質(zhì)存取協(xié)議。
（1）RS-485
RS485是PROFIBUS使用最頻繁的傳輸技術(shù)，具體論述參見前面有關(guān)章節(jié)。
（2）IECll58-2
根據(jù)IECll58-2在過程自動化中使用固定波特率31.25kb/s的同步傳輸，它可以滿足化工和石化工業(yè)對安全的要求，采用雙線技術(shù)通過總線供電，這樣PROFIBUS就可以用于危險區(qū)域了。
（3）光纖
在電磁干擾強度很高的環(huán)境和高速、遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)時，PROFIBUS可使用光纖傳輸技術(shù)。使用光纖傳輸?shù)腜ROFIBUS總線段可以設(shè)計成星型或環(huán)型結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在在市面上已經(jīng)有RS-485傳輸鏈接與光纖傳輸鏈接之間的耦合器，這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)RS-485和光纖傳輸之間的轉(zhuǎn)換。
（4）PROFIBUS介質(zhì)存取協(xié)議
PROFIBUS通信規(guī)程采用了統(tǒng)一的介質(zhì)存取協(xié)議，此協(xié)議由OSI參考模型的第二層來實現(xiàn)。在PROFIBUS協(xié)議設(shè)計時充分考慮了滿足介質(zhì)存取控制的兩個要求，即：在主站間通信時，必須保證在分配的時間間隔內(nèi)，每個主站都有足夠的時間來完成它的通信任務(wù)，在PLC與從站（PLC或其他設(shè)備）間通信時，必須快速、簡捷地完成循環(huán)，進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)傳輸。為此，PROFIBUS提供了兩種基本的介質(zhì)存取控制：令牌傳遞方式和主/從方式。
令牌傳遞方式可以保證每個主站在事先規(guī)定的時間間隔內(nèi)都能獲得總線的控制權(quán)。令牌是一種特殊的報文，它在主站之間傳遞著總線控制權(quán)，每個主站均能按次序獲得一次令牌，傳遞的次序是按地址升序進(jìn)行的。
主/從方式允許主站在獲得總線控制權(quán)時，可以與從站通信，每發(fā)送或獲得信息。
主站要發(fā)出信息，必須持有令牌。假設(shè)有一個由3個主站和7個從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)。3個主站構(gòu)成了一個令牌傳遞的邏輯環(huán)，在這個環(huán)中，令牌按照系統(tǒng)預(yù)先確定的地址升序從一個主站傳遞給下一個主站。當(dāng)一個主站得到了令牌后，它就能在一定的時間間隔內(nèi)執(zhí)行該主站的任務(wù)，可以按照主/從關(guān)系與所有從站通信，也可以按照主/主關(guān)系與所有主站通信。在總線系統(tǒng)建立的初期階段，主站的介質(zhì)存取控制(MAC)的任務(wù)是決定總線上的站點分配并建立令牌邏輯環(huán)。在總線的運行期間，損壞的或斷開的主站必須從環(huán)中撤除，新接入的主站必須加入邏輯環(huán)。MAC的其他任務(wù)是檢測傳輸介質(zhì)和收發(fā)器是否損壞，檢查站點地址是否出錯，以及令牌是否丟失或有多個令牌。
PROFIBUS的第二層按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC870-5-1的規(guī)定，通過使用特殊的起始位和結(jié)束位、無間距字節(jié)異步傳輸及奇偶校驗來保證傳輸數(shù)據(jù)的安全。PROFIBUS第二層按照非連接的模式操作，除了提供點對點通信功能外，還提供多點通信的功能，即廣播通信和有選擇的廣播、組播。所謂廣播通信，即主站向所有站點（主站和從站）發(fā)送信息，不要求回答。所謂有選擇的廣播、組播是指主站向一組站點（從站）。
5．S7-200CPU接入PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)
S7-200CPU必須通過PROFIBUS-DP模塊EM277連接到網(wǎng)絡(luò)，不能直接接入PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。EM277經(jīng)過串行I/O總線連接到S7-200CPU。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過其DP通信端口，連接到EM277模塊。這個端口支持9600b/s～12Mb/s之間的任何傳輸速率。EM277模塊在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中只能作為PROFIBUS從站出現(xiàn)。作為DP從站，EM277模塊接受從主站來的多種不同的I/O配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。這種特性使用戶能修改所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以滿足實際應(yīng)用的需要。與許多DP站不同的是，EM277模塊不僅僅傳輸FO數(shù)據(jù)。EM277能讀寫S7-200CPU中定義的變量數(shù)據(jù)塊。這樣，使用戶能與主站交換任何類型的數(shù)據(jù)。通信時，首先將數(shù)據(jù)移到S7-200CPU中的變量存儲區(qū)，就可將輸入、計數(shù)值、定時器值或其他計算值傳輸?shù)街髡?。類似地，從主站來的?shù)據(jù)存儲在S7-200CPU中的變量存儲區(qū)內(nèi)，進(jìn)而可移到其他數(shù)據(jù)區(qū)。
EM277模塊的DP端口可連接到網(wǎng)絡(luò)上的一個DP主站上，仍能作為一個MPI從站與同一網(wǎng)絡(luò)上如SIMATIC編程器或S7-300/S7-400CPU等其他主站進(jìn)行通信。為了將EM277作為一個DP從站使用，用戶必須設(shè)定與主站組態(tài)中的地址相匹配的DP端口地址。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，用戶必須重新起動CPU電源，以便使新的從站地址起作用。主站通過將其輸出區(qū)來的信息發(fā)送給從站的輸出緩沖區(qū)（稱為“接收信箱”），與每個從站交換數(shù)據(jù)。從站將其輸入緩沖區(qū)（稱為發(fā)送信箱）的數(shù)據(jù)返回給主站的輸入?yún)^(qū)，以響應(yīng)從主站來的信息。
EM277可用DP主站組態(tài)，以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。輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200CPU的變量存儲區(qū)(V存儲區(qū))內(nèi)。當(dāng)用戶組態(tài)DP主站時，應(yīng)定義V存儲區(qū)內(nèi)的字節(jié)位置。從這個位置開始為輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，它應(yīng)作為EM277的參數(shù)賦值信息的一個部分。用戶也要定義FO配置，它是寫入到S7-200CPU的輸出數(shù)據(jù)總量和從S7-200CPU返回的輸入數(shù)據(jù)總量。EM277從FO配置確定輸入和輸入緩沖區(qū)的大小。DP主站將參數(shù)賦值和I／O配置信息寫入到EM277模塊V存儲器地址和輸入及輸出數(shù)據(jù)長度傳輸給S7-200CPU。
輸入和輸出緩沖區(qū)的地址可配置在S7-200CPU的V存儲區(qū)中任何位置。輸入和輸出緩沖區(qū)器的默認(rèn)地址為VB0。輸入和輸出緩沖地址是主站寫入S7—200CPU賦值參數(shù)的一部分。用戶必須組態(tài)主站以識別所有的從站及將需要的參數(shù)和I/O配置寫入每一個從站。
一旦EM277模塊已用一個DP主站成功地進(jìn)行了組態(tài)，EM277和DP主站就進(jìn)入數(shù)據(jù)交換模式。在數(shù)據(jù)交換模式中，主站將輸出數(shù)據(jù)寫入到EM277模塊，然后，EM277模塊響應(yīng)最新的S7-200CPU輸入數(shù)據(jù)。EM277模塊不斷地更新從S7-200CPU來的輸入，以便向DP主站提供最新的輸入數(shù)據(jù)。然后，該模塊將輸出數(shù)據(jù)傳輸給S7-200CPU。從主站來的輸出數(shù)據(jù)放在V存儲區(qū)中（輸出緩沖區(qū)）由某地址開始的區(qū)域內(nèi)，而該地址是在初始化期間，由DP主站提供的。傳輸?shù)街髡镜妮斎霐?shù)據(jù)取自V存儲區(qū)存儲單元（輸入緩沖區(qū)），其地址是緊隨輸出緩沖區(qū)的。
在建立S7-200CPU用戶程序時，必須知道V存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的開始地址和緩沖區(qū)大小。從主站來的輸出數(shù)據(jù)必須通過S7—200CPU中的用戶程序，從輸出緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到其他所用的數(shù)據(jù)區(qū)。類似地，傳輸?shù)街髡镜妮斎霐?shù)據(jù)也必須通過用戶程序從各種數(shù)據(jù)區(qū)轉(zhuǎn)移到輸入緩沖區(qū)，進(jìn)而發(fā)送到DP主站。
從DP主站來的輸出數(shù)據(jù)，在執(zhí)行程序掃描后立即放置在V存儲區(qū)內(nèi)。輸入數(shù)據(jù)(傳輸?shù)街髡?從V存儲區(qū)復(fù)制到EM277中，以便同時傳輸?shù)街髡?。?dāng)主站提供新的數(shù)據(jù)時，則從主站來的輸出數(shù)據(jù)才寫入到V存儲區(qū)內(nèi)。在下次與主站交換數(shù)據(jù)時，將送到主站的輸入數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。
SMB200～SMB249提供有關(guān)EM277從站模塊的狀態(tài)信息（如果它是I/O鏈中的第一個智能模塊）。如果EM277是I/O鏈中的第二個智能模塊，那么，EM277的狀態(tài)是從SMB250一SMB299獲得的。如果DP尚未建立與主站的通信，那么，這些SM存儲單元顯示默認(rèn)值。當(dāng)主站己將參數(shù)和I/O組態(tài)寫入到EM277模塊后，這些SM存儲單元顯示DP主站的組態(tài)集。用戶應(yīng)檢查SMB224，并確保在使用SMB225～SMB229或V存儲區(qū)中的信息之前，EM277己處于與主站交換數(shù)據(jù)的工作模式。