PLC構(gòu)成PROFIBUS網(wǎng)絡原理及應用

引言

　　車站聯(lián)鎖系統(tǒng)是鐵路信號系統(tǒng)中的一個重要組成部分，它的主要任務是控制車站中的信號機和道岔，并且對信號燈狀態(tài)進行處理和對進路進行選擇等。隨著鐵路信號系統(tǒng)的信息化發(fā)展，微機聯(lián)鎖系統(tǒng)必然取代舊式的電氣聯(lián)鎖系統(tǒng)。

　　就國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，大多采用上、下位機的辦法來實現(xiàn)對車站信號的控制;有些微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，下位機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)輸出等，而把主要的聯(lián)鎖功能置于上位機，這樣一來，上位機負擔太重，一旦上位機產(chǎn)生故障，不能保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。如果能夠?qū)⒙?lián)鎖功能塊置于下位機，而且下位機安全性、可靠性比較高，那么整個系統(tǒng)的安全性、可靠性就能夠得到有效保證。

　　在以前的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，用工業(yè)控制機作為下位機，實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，但不能保證系統(tǒng)冗余，這樣就不能保證整個系統(tǒng)的安全性、可靠性。因此，就要不斷更新和研究，尋求更完善的、更可靠的硬件、軟件環(huán)境，以提高系統(tǒng)性能和安全系數(shù)。用西門子PLC完成聯(lián)鎖功能，構(gòu)成PROFIBUS-DP/MPI分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，這樣整個聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠。

　　PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是隨全數(shù)字信號系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是由德國組織開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準——PROFIBUS現(xiàn)場總線標準（DIN19254）。

　　PROFIBUS是近年來國際上最為流行的現(xiàn)場總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場總線（傳輸率可達12M波特），因此在很多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應用。它是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設(shè)備均可通過同樣的接口交換信息。

　　PROFIBUS-DP（DistributedI/OS-分布系統(tǒng)）是一種經(jīng)過優(yōu)化的模塊，有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的通信，遠程I/O系統(tǒng)尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對時間要求比較高的自動化場合。

　　筆者將以S7-400HPLC為例，結(jié)合其在鐵路信號中的應用，探討實現(xiàn)PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)絡系統(tǒng)原理和方法。

PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)的性質(zhì)和特點

　　PROFIBUS-DP適用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理等。

DP網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS定義了各種數(shù)據(jù)設(shè)備連接的串行現(xiàn)場總線的技術(shù)和功能特性，這些數(shù)據(jù)設(shè)備可以從底層（如傳感器、執(zhí)行器層）到中間層（如車間層）廣泛分布。

　　PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成。主站一般要復雜些;從站為簡單的外圍設(shè)備，典型的從站為傳感器、執(zhí)行器及變送器，它們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予回答，或者主站發(fā)出請求時回送給主站相應信息。因此，從站只需要協(xié)議的一小部分，實現(xiàn)起來非常方便。

　　PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡（OpenSystemInterconnection，OSI）作為參考模型，該模型共有7層，PROFIBUS-DP定義了其中的第一、二層和用戶接口。第3到7層未加描述。

　　圖1為ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。物理層采用EIARS-485雙絞線或光纖，連接器采用RS-485標準的9針D型插座。數(shù)據(jù)鏈路層提供了介質(zhì)存取控制功能、數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議，在PROFIBUS中稱第2層為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL）（包括介質(zhì)訪問存取控制（MAC）子層、現(xiàn)場總線鏈路控制（FLC）子層、現(xiàn)場總線管理（FMA1/2）子層），采用混合介質(zhì)存取協(xié)議，對應于DIN（E）19245，支持單主或多主系統(tǒng)，主或從設(shè)備，最大站數(shù)為126。它包括主站之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧钆骗h(huán)方式和從站之間的主-從方式。PROFIBUS第7層包括底層接口（LLI）、現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FMS）和現(xiàn)場總線管理（FMA7）。

　　圖2為PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸示意圖，即主站發(fā)送請求，訪問DP從站，其中包括幀格式;從站收到請求信息后，立即響應主站，并回送響應幀。

DP網(wǎng)的性質(zhì)及特點

　　PROFIBUS—DP采用主從方式和低層的令牌環(huán)傳遞相結(jié)合的形式進行通道分配，整個網(wǎng)絡可以將總線系統(tǒng)分割成線段，分步建立，段間用中繼器連接，每個段可以有32個網(wǎng)絡站，整個網(wǎng)絡可以達到126個網(wǎng)站。由于最大傳輸速率可達12Mbps，以及其第2層采用SRD（發(fā)送并要求回送）功能，使得輸入、輸出數(shù)據(jù)可以在一個周期內(nèi)完成，所以傳輸速度提高了，可盡可能地減少總線周期。而在單主站系統(tǒng)中只有一個主站，這種組態(tài)提供了最短的總線周期。PROFIBUS-DP開放性好，開展性強，靈活性高。