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陳振學，趙明旺，孫  偉

近年來，隨著工廠自動化系統(tǒng)的興起，可編程控制器(PLC)和現(xiàn)場總線在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。在工廠自動化系統(tǒng)中，一般利用PLC的高可靠性、模塊化結(jié)構(gòu)以及編程簡單等特點，將其作為下位機完成實時采集和控制任務(wù)；利用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的開放性、互用性以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性來構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。控制系統(tǒng)中的主從站結(jié)構(gòu)是經(jīng)常用到的通訊方式，不過以往的從站只能單純的靠主站中存儲的程序來運行，主站若發(fā)生故障，從站就不能繼續(xù)工作，這樣就使整個系統(tǒng)的連續(xù)工作能力下降，不利于企業(yè)效益的增長。要解決這一問題，可換用帶CPU的智能化DP從站，它不僅能實現(xiàn)獨立的PID控制，也能接收PROFIBUS的PLC主站或PC主站的控制數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個數(shù)字化、智能雙向、多點的通信系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)最優(yōu)控制，而且DP從站具有可靠性高、抗擾能力強、性價比高、維護方便的特點，因而可以很好的解決上述問題。
1  通訊結(jié)構(gòu)

CPU315-2DP是西門子生產(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(以下簡稱金自天正公司)的產(chǎn)品，它的CPU上也集成有PROFIBUS-DP通訊接口。整個的連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1  系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)連接框圖

MPI：MPI（Multi Point Interface）數(shù)據(jù)線用來連接PC機的串口和CPU315-2DP的通訊口。它是通過一個西門子生產(chǎn)的PC適配器把PC機的串口轉(zhuǎn)化為MPI協(xié)議的。
RS232C：RS232C(RS表示Recommended Standard，C代表RS232最新定義的一個型號)是目前PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。它被定義為連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)電路設(shè)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，電纜的最大長度就取決于所選用的波特率。線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通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備進行通訊。
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語句，并提供最大8192個標記，512個定時器和512個計數(shù)器。同時CPU可擴充到1024DI/DO或128AI/AO。它的最強大功能也可用一個集成的PROFIBUS-DP接口達到，并可作為主設(shè)備或從設(shè)備設(shè)置。最多可將125個PROFIBUS-DP站連接到主設(shè)備。數(shù)據(jù)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，實現(xiàn)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個功能模塊（數(shù)字I/O、模擬I/O、脈沖計數(shù)、通訊等）。具有極快的掃描周期，可連接附加的外部存儲器，無需MPI適配器。最大傳輸率為12Mbps。組態(tài)好的數(shù)據(jù)要使用RS232C下裝到模塊的CPU中。
3  軟件部分
由PROFIBUS總線構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制器的軟件包括：PROFIBUS總線設(shè)備的配置軟件、驅(qū)動軟件、組態(tài)軟件和應(yīng)用程序等。它們具有以下功能：主站和遠程從站的參數(shù)設(shè)定，主站對從站的數(shù)據(jù)讀寫、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫建立與維護、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表打印、故障報警，應(yīng)用程序的開發(fā)、調(diào)試、運行等。其中，配置軟件和驅(qū)動軟件由設(shè)備廠商提供，組態(tài)軟件可采用STEP7等通用型軟件。
本次實驗所有的軟件都基于Microsoft Windows NT系統(tǒng)，有良好的用戶界面，其功能也都相當完善和實用，使用非常方便。
3.1  編程組態(tài)軟件STEP7
STEP7是西門子開發(fā)的一套SIMATIC 工業(yè)軟件。它功能非常強大，不僅對開關(guān)量有完善的指令，而且在處理模擬量時也有豐富的指令系統(tǒng)。可以使用任何一種編程語言，如STL（語句表）、FBD（功能塊圖）和LAD（梯形圖），可隨心所欲的從一種語言切換到另一種。硬件配置工具和試驗工作方式的切換設(shè)備以及指令集（存有豐富的指令），即使是非常復(fù)雜的功能也能簡便地編程。地址的分配和安裝模塊的組態(tài)是西門子STEP7管理器的一個功能，在這里，模塊作為一個實際的PROFIBUS主站系統(tǒng)出現(xiàn)。完成的工程通過串口MPI傳送給CPU。
3.2  組態(tài)軟件AriOCS
AriOCS是金自天正公司開發(fā)的專用于IEC1131-3 AriCon CPU21x編程組態(tài)的軟件，采用IEC標準規(guī)定的五種語言。它支持在線調(diào)試修改和離線仿真，調(diào)試功能非常豐富，具有在線幫助功能。另外，它還附帶了一個參數(shù)配置軟件WinNCS。
3.3  GSD文件
PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特征，主要表現(xiàn)在現(xiàn)有功能（即I/O信號的數(shù)量和診斷信息）的不同或可能的總線參數(shù)，例如波特率和時間的監(jiān)控不同。這些參數(shù)對每種設(shè)備類型和每家生產(chǎn)廠來說均有差別，為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，這些特性均在電子數(shù)據(jù)單中具體說明，有時稱為設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（即GSD文件）。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在一個總線系統(tǒng)中。GSD文件由生產(chǎn)廠商分別針對每一種設(shè)備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶，此種文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時自動使用這些信息。
4  操作過程
將所有設(shè)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(jù)請求指令中指定的內(nèi)容向主站發(fā)回數(shù)據(jù)。一個主站可以向多個從站發(fā)送通訊請求，并利用從站地址（SLAVE ADDRESS）或從站識別碼（SLAVE ID）來區(qū)分。
智能從站與普通從站的最大區(qū)別就是帶有自己的CPU，因此，它除了處理來自主站的數(shù)據(jù)外，還要處理本身的I/O數(shù)據(jù)，并且必須確保兩種數(shù)據(jù)不重疊。在給主站組態(tài)的同時，也要給從站組態(tài)。
主站的CPU必須從FFh到00h記數(shù)，并且要先把來自智能從站的數(shù)據(jù)傳送到主站的輸出模塊，然后，主站再把自己的數(shù)據(jù)傳送給智能從站。從站接收到的數(shù)據(jù)必須保存在CPU外圍模塊的輸入?yún)^(qū)域，并且通過背板總線傳送給輸出模塊。另一方面，智能從站要從00h到FFh記數(shù)。這些數(shù)據(jù)也必須被保存到從站CPU的輸出區(qū)域，然后通過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(shù)據(jù)進行組態(tài)：
①主站：PROFIBUS地址            1
輸入?yún)^(qū)域        從10開始   字節(jié)長度：2Byte
輸出區(qū)域        從20開始   字節(jié)長度：4Byte
②智能從站：PROFIBUS地址        2
輸入?yún)^(qū)域        從30開始   字節(jié)長度：4Byte
輸出區(qū)域        從40開始   字節(jié)長度：2Byte
參數(shù)數(shù)據(jù)  從50開始  字節(jié)長度：24Byte(固定)
診斷數(shù)據(jù)  從60開始  字節(jié)長度：6Byte(固定)
狀態(tài)數(shù)據(jù)  從100開始  字節(jié)長度：2Byte(固定)
組態(tài)好的PROFIBUS地址必須與CPU模塊上撥碼開關(guān)設(shè)定的地址一致。
輸入輸出區(qū)域中的數(shù)據(jù)是映射到對方CPU中的數(shù)據(jù)：主站的輸入對應(yīng)于從站的輸出，它們的字節(jié)長度要相等；而主站的輸出則對應(yīng)于從站的輸入，它們的字節(jié)長度也要相等。
用STEP7給主站CPU315-2 DP組態(tài)，組態(tài)好的數(shù)據(jù)通過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(yīng)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(shù)據(jù)，它對應(yīng)著智能從站的Q30.0。
智能從站的組態(tài)采用組態(tài)軟件AriOCS，組態(tài)好的數(shù)據(jù)通過RS232C傳送給AriCon 211-DP。在AriOCS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(shù)據(jù)，而Q2.7則對應(yīng)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，不過這要以硬件和軟件設(shè)計為基礎(chǔ)。在通信接口連接時，必須遵循一定的規(guī)范，如信號的隔離、總線接口與收發(fā)器間避免線路過長等。這樣，主從站就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊了。
5  結(jié)語
本次實驗主要是實現(xiàn)了PLC與智能從站之間的數(shù)據(jù)通訊。使用智能從站的最大好處在于，當主站出現(xiàn)故障停止運行時，智能從站因自身帶有CPU，組態(tài)的數(shù)據(jù)都存在自己的CPU中，所以能夠繼續(xù)運行，而不受主站的影響，極大的提高了系統(tǒng)連續(xù)工作的能力，該方法值得推廣應(yīng)用。
參考文獻：
[1]  米歇爾