基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)

 摘要：介紹了一種基于SIEMENS PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件配置及主從通信方式的工作機(jī)理, 說明了這是一種先進(jìn)的控制技術(shù)。
　　 關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP；網(wǎng)絡(luò)；控制系統(tǒng)；通訊機(jī)理

1 引言
　　 現(xiàn)場總線是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現(xiàn)，是自動化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)而獲得了非常廣泛的應(yīng)用。目前，已逐漸成熟并對工業(yè)自動化進(jìn)程形成影響的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，F(xiàn)F等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領(lǐng)域。它是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種國際化、開發(fā)式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可分為三個(gè)兼容版本：（1）PROFIBUS-DP以其較快的傳輸速度和強(qiáng)抗干擾能力而應(yīng)用于設(shè)備級控制系統(tǒng)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(wù)，可以提供靈活而大量的通信服務(wù)；（3）PROFIBUS-PA則專為過程自動化設(shè)計(jì)，它直接和現(xiàn)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(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及配置[3]
根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備到控制器的連接方式，現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)場設(shè)備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道，實(shí)現(xiàn)多主式和對等式通信。本文著重介紹PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　 2.1 上位機(jī)
　　 本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作上位機(jī)，通過CP5611接口卡使工控機(jī)與PROFIBUS-DP 相連，這樣IPC與現(xiàn)場總線就連接成能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。上位機(jī)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W(wǎng)INCC軟件，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示、報(bào)警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等功能，并提供一個(gè)友好的用戶界面，使用戶根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要生成相應(yīng)的應(yīng)用軟件。
　　 2.2 SIMATIC S7主站
　　 作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統(tǒng)選用CPU315-2DP模塊化PLC，它集成了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線接口裝置，具有強(qiáng)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(jī)STEP 7中編制完成后下載到CPU315并存儲，CPU可自動運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制相應(yīng)設(shè)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(dāng)S7-300或S7-400作PROFIBUS-DP網(wǎng)的主站時(shí)，可分別帶這樣的從站（SLAVE）32個(gè)，如加中繼器，最多可達(dá)127個(gè)。這種交直流傳動產(chǎn)品，可對電機(jī)進(jìn)行開、閉環(huán)控制，通過CB通訊板將從DP網(wǎng)中接受的數(shù)據(jù)存入雙向RAM中。雙向RAM中的每一個(gè)字都被編址，在變頻（流）器端的雙向RAM可通過被編址參數(shù)排序，向變頻（流）器寫入控制字、設(shè)置值或讀出實(shí)際值，診斷信息等參數(shù)[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(xiàn)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(diǎn)的地址排布與傳統(tǒng)集中式的地址排布是一致的，所以在編程時(shí)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(jù)用戶需要而改變，以適應(yīng)實(shí)際現(xiàn)場調(diào)試時(shí)的需要。
3 PROFIBUS-DP通訊功能[1,2]
　　 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)使用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及自己的用戶層，其中物理層采用ETA RS485傳輸技術(shù)，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(shí)際使用時(shí)，應(yīng)注意將位于中間節(jié)點(diǎn)的接頭終端電阻置于OFF位置。
　　 數(shù)據(jù)鏈路層又稱現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link. FDL）一般有兩種介質(zhì)存取方式：令牌總線（Token Bus，令牌總線協(xié)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(quán)，令牌總線方式使得某個(gè)得到令牌的主站可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)得到總線控制權(quán)，在這段時(shí)間內(nèi)允許這個(gè)主站執(zhí)行主站的工作，這個(gè)主站可依照與主站或從站的關(guān)系表和所有主站或所有從站進(jìn)行通信。若該主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送完了所需發(fā)送的幀，或者該主站的控制時(shí)間終了時(shí)它就將主站令牌傳遞給下一個(gè)主站，這樣就保證了即使在重載下，每個(gè)主站都可以在確定的時(shí)間內(nèi)得到總線使用權(quán)，避免了在以太網(wǎng)中重載下容易阻塞的缺點(diǎn)，保留了總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、自由增減站點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
　　 主從方式的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式（NRM），該模式的工作特點(diǎn)是 ：總線上一個(gè)主站可以控制多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路，主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)；從站可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀，直到無信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個(gè)階段：數(shù)據(jù)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(xiàn)表示用U幀的無編號確認(rèn)命令UA作為響應(yīng)主站建立數(shù)據(jù)鏈，F(xiàn)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(gè)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(dāng)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(shù)據(jù)鏈時(shí)，主站使用U釋放連接命令DISC，從站A從U幀的UA予以確認(rèn)，鏈路傳輸過程結(jié)束。
4 用戶界面開發(fā)
　　 基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)主要有以下幾種人機(jī)接口界面。
　　 （1）信息顯示畫面：主要顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息，如電機(jī)的速度、變頻器的運(yùn)行頻率以及一些故障信息；
　　 （2）設(shè)備控制畫面：雖然S7-300能實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)采集和控制信號的輸出，且具有一些控制算法，但復(fù)雜的控制功能仍然需要在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)人工控制，在界面中點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備按鈕即可對設(shè)備如變頻器、變流器等進(jìn)行單獨(dú)控制；
　　 （3）實(shí)時(shí)報(bào)警處理：對系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，發(fā)出報(bào)警信號，并按技術(shù)要求進(jìn)行處理、自動進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備控制；
　　 （4）報(bào)表打印及數(shù)據(jù)曲線顯示等。
5 結(jié)束語
　　 PROFIBUS現(xiàn)場總線是一種數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)中間層或不同層的總線設(shè)備之間均采用數(shù)字信號進(jìn)行通信，由于用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實(shí)現(xiàn)一對電線上傳輸多個(gè)信號（包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息）同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源，現(xiàn)場設(shè)備以外不再需要A/D，D/A轉(zhuǎn)換部件，這樣大量減少了導(dǎo)線和連接附件，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。因此，這種總線控制系統(tǒng)幾乎所有的工業(yè)控制系統(tǒng)以及樓宇自動化系統(tǒng)都可以應(yīng)用，并且它還是“全集成自動化”的系統(tǒng)總線[1]。它使用了將控制邏輯分散到整個(gè)系統(tǒng)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(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了工廠管理與控制一體化。它以其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢必將成為自動控制領(lǐng)域的主流方向。

參考文獻(xiàn)：
　　 [1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,1999.
　　 [2] 潘曉寧,等. PROFIBUS-DP工控網(wǎng)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(yīng)控制系統(tǒng)[J]. 信息與控制, 2002,31(2）：122-126.