陳振學(xué)，趙明旺，孫  偉

近年來(lái)，隨著(zhù)工廠(chǎng)自動(dòng)化系統的興起，可編程控制器(PLC)和現場(chǎng)總線(xiàn)在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。在工廠(chǎng)自動(dòng)化系統中，一般利用PLC的高可靠性、模塊化結構以及編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，將其作為下位機完成實(shí)時(shí)采集和控制任務(wù)；利用現場(chǎng)總線(xiàn)系統的開(kāi)放性、互用性以及系統結構的高度分散性來(lái)構筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互連系統?？刂葡到y中的主從站結構是經(jīng)常用到的通訊方式，不過(guò)以往的從站只能單純的靠主站中存儲的程序來(lái)運行，主站若發(fā)生故障，從站就不能繼續工作，這樣就使整個(gè)系統的連續工作能力下降，不利于企業(yè)效益的增長(cháng)。要解決這一問(wèn)題，可換用帶CPU的智能化DP從站，它不僅能實(shí)現獨立的PID控制，也能接收PROFIBUS的PLC主站或PC主站的控制數據，構成一個(gè)數字化、智能雙向、多點(diǎn)的通信系統現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現最優(yōu)控制，而且DP從站具有可靠性高、抗擾能力強、性?xún)r(jià)比高、維護方便的特點(diǎn)，因而可以很好的解決上述問(wèn)題。
1  通訊結構

CPU315-2DP是西門(mén)子生產(chǎn)的S7系列產(chǎn)品，它的CPU上集成有PROFIBUS-DP通訊接口。AriCon 211-DP是北京金自天正智能控制股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)金自天正公司)的產(chǎn)品，它的CPU上也集成有PROFIBUS-DP通訊接口。整個(gè)的連接結構如圖1所示。

 
圖1  系統通信結構連接框圖

MPI：MPI（Multi Point Interface）數據線(xiàn)用來(lái)連接PC機的串口和CPU315-2DP的通訊口。它是通過(guò)一個(gè)西門(mén)子生產(chǎn)的PC適配器把PC機的串口轉化為MPI協(xié)議的。
RS232C：RS232C(RS表示Recommended Standard，C代表RS232最新定義的一個(gè)型號)是目前PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。它被定義為連接數據終端設備（DTE）和數據電路設備（DCE）的電纜中的信號電特性，是一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準，采取不平衡傳輸方式，即單端通訊。RS232C適用于近距離傳輸。連接方式如圖2所示。

 
圖2  RS232串行接口連接方式

PROFIBUS-DP（Process FieldBus）：采用RS485傳輸技術(shù)通訊，波特率可選9.6Kbps～12Mbps，電纜的最大長(cháng)度就取決于所選用的波特率。線(xiàn)路的兩端帶有終端傳輸電阻，介質(zhì)為帶屏蔽的雙絞電纜。在這一級，PLC通過(guò)高速串行線(xiàn)同分散的現場(chǎng)設備進(jìn)行通訊。
2  硬件部分
2.1  CPU315-2 DP
其主存儲器的最大存儲量為512KB，CPU能最多處理82K語(yǔ)句，并提供最大8192個(gè)標記，512個(gè)定時(shí)器和512個(gè)計數器。同時(shí)CPU可擴充到1024DI/DO或128AI/AO。它的最強大功能也可用一個(gè)集成的PROFIBUS-DP接口達到，并可作為主設備或從設備設置。最多可將125個(gè)PROFIBUS-DP站連接到主設備。數據傳輸率為12Mbps。分布式I/O以與中央I/O完全相同的方式(即用STEP 7)進(jìn)行配置和編程。它的通信協(xié)議芯片SPC3集成了DP協(xié)議中的FDL層，可以承擔通信部分的微處理器負載，實(shí)現DP從站通信處理。
2.2  AriCon 211-DP
可用符合IEC61131-3標準的AriOCS對其組態(tài)編程，具有高靈活性，可以連接32個(gè)功能模塊（數字I/O、模擬I/O、脈沖計數、通訊等）。具有極快的掃描周期，可連接附加的外部存儲器，無(wú)需MPI適配器。最大傳輸率為12Mbps。組態(tài)好的數據要使用RS232C下裝到模塊的CPU中。
3  軟件部分
由PROFIBUS總線(xiàn)構成的現場(chǎng)總線(xiàn)控制器的軟件包括：PROFIBUS總線(xiàn)設備的配置軟件、驅動(dòng)軟件、組態(tài)軟件和應用程序等。它們具有以下功能：主站和遠程從站的參數設定，主站對從站的數據讀寫(xiě)、圖形組態(tài)、數據庫建立與維護、數據統計、報表打印、故障報警，應用程序的開(kāi)發(fā)、調試、運行等。其中，配置軟件和驅動(dòng)軟件由設備廠(chǎng)商提供，組態(tài)軟件可采用STEP7等通用型軟件。
本次實(shí)驗所有的軟件都基于Microsoft Windows NT系統，有良好的用戶(hù)界面，其功能也都相當完善和實(shí)用，使用非常方便。
3.1  編程組態(tài)軟件STEP7
STEP7是西門(mén)子開(kāi)發(fā)的一套SIMATIC 工業(yè)軟件。它功能非常強大，不僅對開(kāi)關(guān)量有完善的指令，而且在處理模擬量時(shí)也有豐富的指令系統?？梢允褂萌魏我环N編程語(yǔ)言，如STL（語(yǔ)句表）、FBD（功能塊圖）和LAD（梯形圖），可隨心所欲的從一種語(yǔ)言切換到另一種。硬件配置工具和試驗工作方式的切換設備以及指令集（存有豐富的指令），即使是非常復雜的功能也能簡(jiǎn)便地編程。地址的分配和安裝模塊的組態(tài)是西門(mén)子STEP7管理器的一個(gè)功能，在這里，模塊作為一個(gè)實(shí)際的PROFIBUS主站系統出現。完成的工程通過(guò)串口MPI傳送給CPU。
3.2  組態(tài)軟件AriOCS
AriOCS是金自天正公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用于IEC1131-3 AriCon CPU21x編程組態(tài)的軟件，采用IEC標準規定的五種語(yǔ)言。它支持在線(xiàn)調試修改和離線(xiàn)仿真，調試功能非常豐富，具有在線(xiàn)幫助功能。另外，它還附帶了一個(gè)參數配置軟件WinNCS。
3.3  GSD文件
PROFIBUS設備具有不同的性能特征，主要表現在現有功能（即I/O信號的數量和診斷信息）的不同或可能的總線(xiàn)參數，例如波特率和時(shí)間的監控不同。這些參數對每種設備類(lèi)型和每家生產(chǎn)廠(chǎng)來(lái)說(shuō)均有差別，為達到PROFIBUS簡(jiǎn)單的即插即用配置，這些特性均在電子數據單中具體說(shuō)明，有時(shí)稱(chēng)為設備數據庫文件（即GSD文件）。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的設備集成在一個(gè)總線(xiàn)系統中。GSD文件由生產(chǎn)廠(chǎng)商分別針對每一種設備并以設備數據庫清單的形式提供給用戶(hù)，此種文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS-DP設備的設備數據庫文件，并且在組態(tài)總線(xiàn)系統時(shí)自動(dòng)使用這些信息。
4  操作過(guò)程
將所有設備按照圖1所示順序連接好。
PROFIBUS通信協(xié)議將網(wǎng)絡(luò )中通訊參與者分為主站和從站：主站首先要向從站發(fā)送通訊請求指令，從站根據請求指令中指定的內容向主站發(fā)回數據。一個(gè)主站可以向多個(gè)從站發(fā)送通訊請求，并利用從站地址（SLAVE ADDRESS）或從站識別碼（SLAVE ID）來(lái)區分。
智能從站與普通從站的最大區別就是帶有自己的CPU，因此，它除了處理來(lái)自主站的數據外，還要處理本身的I/O數據，并且必須確保兩種數據不重疊。在給主站組態(tài)的同時(shí)，也要給從站組態(tài)。
主站的CPU必須從FFh到00h記數，并且要先把來(lái)自智能從站的數據傳送到主站的輸出模塊，然后，主站再把自己的數據傳送給智能從站。從站接收到的數據必須保存在CPU外圍模塊的輸入區域，并且通過(guò)背板總線(xiàn)傳送給輸出模塊。另一方面，智能從站要從00h到FFh記數。這些數據也必須被保存到從站CPU的輸出區域，然后通過(guò)PROFIBUS傳送到主站，主站再傳給輸出模塊。以此做周期性循環(huán)。
這里對以下數據進(jìn)行組態(tài)：
①主站：PROFIBUS地址            1
輸入區域        從10開(kāi)始   字節長(cháng)度：2Byte
輸出區域        從20開(kāi)始   字節長(cháng)度：4Byte
②智能從站：PROFIBUS地址        2
輸入區域        從30開(kāi)始   字節長(cháng)度：4Byte
輸出區域        從40開(kāi)始   字節長(cháng)度：2Byte
參數數據  從50開(kāi)始  字節長(cháng)度：24Byte(固定)
診斷數據  從60開(kāi)始  字節長(cháng)度：6Byte(固定)
狀態(tài)數據  從100開(kāi)始  字節長(cháng)度：2Byte(固定)
組態(tài)好的PROFIBUS地址必須與CPU模塊上撥碼開(kāi)關(guān)設定的地址一致。
輸入輸出區域中的數據是映射到對方CPU中的數據：主站的輸入對應于從站的輸出，它們的字節長(cháng)度要相等；而主站的輸出則對應于從站的輸入，它們的字節長(cháng)度也要相等。
用STEP7給主站CPU315-2 DP組態(tài)，組態(tài)好的數據通過(guò)MPI電纜下裝到主站的CPU中。在STEP7中，為主站編程，梯形圖如圖3所示。

 
圖3  主站編程梯形圖

其中：M0.0為中間變量，Q1.0對應于主站所帶的I/O模塊地址，而Q20.0則為映射到智能從站的數據，它對應著(zhù)智能從站的Q30.0。
智能從站的組態(tài)采用組態(tài)軟件AriOCS，組態(tài)好的數據通過(guò)RS232C傳送給AriCon 211-DP。在A(yíng)riOCS中，為智能從站編程，梯形圖如圖4所示。

 
圖4  從站編程梯形圖

其中：I30.0為映射到主站的數據，而Q2.7則對應于智能從站所帶的I/O模塊地址。
PROFIBUS通信協(xié)議保障了通信的高可靠性，不過(guò)這要以硬件和軟件設計為基礎。在通信接口連接時(shí)，必須遵循一定的規范，如信號的隔離、總線(xiàn)接口與收發(fā)器間避免線(xiàn)路過(guò)長(cháng)等。這樣，主從站就可以實(shí)現數據的通訊了。
5  結語(yǔ)
本次實(shí)驗主要是實(shí)現了PLC與智能從站之間的數據通訊。使用智能從站的最大好處在于，當主站出現故障停止運行時(shí)，智能從站因自身帶有CPU，組態(tài)的數據都存在自己的CPU中，所以能夠繼續運行，而不受主站的影響，極大的提高了系統連續工作的能力，該方法值得推廣應用。
參考文獻：
[1]  米歇爾