葉林勇

（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

1 現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）用數(shù)字信號取代模擬信號，以提高系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長信息傳輸?shù)木嚯x。它既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)，它以現(xiàn)場總線為紐帶，把掛接在總線上相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、綜合自動化等多項(xiàng)功能。

FCS用“工作站－現(xiàn)場總線智能儀表”的二層機(jī)構(gòu)完成了集散控制系統(tǒng)（DCS）“操作站－控制站－現(xiàn)場儀表”的三層結(jié)構(gòu)模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一種正在發(fā)展的很有前途的計算機(jī)控制系統(tǒng)。

目前最具代表性的現(xiàn)場總線是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構(gòu)成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。PROFIBUS由三部分組成 ，PROFIBUS -FMS、PROFIBUS -DP、PROFIBUS-PA。其中PROFIBUS-DP已廣泛適用于水電站自動化領(lǐng)域。

2 PROFIBUS-DP的特性及系統(tǒng)組成

2.1 PROFIBUS-DP的特性

PROFIBUS-DP使用物理層，數(shù)據(jù)鏈接層和用戶接口，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?？偩€循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短。此外，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(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理及復(fù)雜設(shè)備在運(yùn)行中參數(shù)的確定。

PROFIBUS-DP基本功能和特性如下:

（1）遠(yuǎn)程離高速通信

支持9.6Kbps到12Mbps的傳輸速率；12Mbps時最大傳輸距離為 100m，1.5Mbps時為200m，另外還可以用中繼器延長；

（2）分布式結(jié)構(gòu)

各主站間令牌傳遞，主站與從站為主－從傳送；每段可有32個站，用連接線可擴(kuò)展到126個站；

（3）易于安裝，開放式的通訊網(wǎng)絡(luò)；

（4）可靠性高，具備自診斷功能。

PROFIBUS-DP主站分為一類主站和二類主站。一類主站完成總線通信控制與管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問，包括PLC、PC或可做一類主站的控制器。二類主站完成非周期性數(shù)據(jù)訪問，如數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等，包括操作員工作站、編程器、HMI等。PROFIBUS-DP從站主要進(jìn)行輸入、輸出信號采集和發(fā)送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能現(xiàn)場設(shè)備等。

2.2 系統(tǒng)組成

為便于敘述和理解，現(xiàn)組成一個雙主站單從站的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。具體配置如下：

（1）硬件：帶Siemens CP5611卡的PC機(jī)兩臺，一臺配置為一類主站，另一臺配置為二類主站；從站為Siemens S7-200系列PLC的CPU224一塊，帶Siemens EM277 DP通訊模塊；三個網(wǎng)絡(luò)連接器；連接線為雙絞線。

（2）軟件：用于軟件編程的STEP7-MICROWIN4.0和用于實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)配置的STEP7 V5.2+SP2。

3 PROFIBUS-DP主站和從站的組態(tài)

3.1 一類主站的組態(tài)

在PC1（一類主站）使用STEP7軟件來組態(tài)整個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。具體步驟如下：

（1）在STEP7中新建工程em277，插入PC站點(diǎn)和CP5611模塊，如圖2所示：

（2）用PC Station Wizard進(jìn)行一系列簡單的設(shè)置后新建一個工程

設(shè)置CP5611的參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)為PROFIBUS，站地址為2（也可為其他值，但不能重復(fù)，其他站點(diǎn)地址的設(shè)定與此類同）；加上PROFIBUS-DP 總線（DP master system（1）），并把CP5611設(shè)為DP-Master（即一類主站）。導(dǎo)入EM277的GSD文件，在視窗右側(cè)的從站設(shè)備欄里面就可以找到EM277模塊了。將EM277圖標(biāo)拖到DP總線上，站地址為設(shè)置4，V存儲器偏移量本例設(shè)置為4000，然后根據(jù)需要設(shè)定EM277的發(fā)送和接收緩沖區(qū)大小。最后將配置結(jié)果下載到模塊。結(jié)果如圖3所示：

至此，本PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一類主站與從站的主從關(guān)系已經(jīng)確立了。

3.2 二類主站的組態(tài)

同樣還是在PC1上，添加一個SIMATIC PC Station（此時這個PC Station還沒有掛到DP網(wǎng)上），并雙擊它，手動添加應(yīng)用程序和CP5611，槽位隨意。將CP5611站點(diǎn)地址設(shè)為5，從屬于之前添加的DP網(wǎng)，并將CP5611屬性的工作模式設(shè)定為DP Master Class 2（即二類主站），如圖4所示：

將配置結(jié)果下載到模塊。再次點(diǎn)擊組態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)，可看到PC Station2掛到DP網(wǎng)上了。如圖5所示：

3.3 從站的組態(tài)

為了將EM277作為一個DP從站使用，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，用戶必須重新啟動CPU電源。

EM277輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200CPU變量存儲器內(nèi)，輸入緩沖區(qū)。

緊緊跟隨輸出緩沖器。緩沖區(qū)的大小是由DP主站組態(tài)設(shè)定的。組態(tài)后，EM277可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。

若EM277 PROFIBUS-DP從站模塊為I/O鏈中的第一個智能模塊，則它的狀態(tài)信息從CPU224中的SMB200到SMB249獲得；若EM277為第二個智能模塊，其狀態(tài)從SMB250到SMB299獲得。只有DP主站才可以組態(tài)運(yùn)行了DP方式下的EM277 DP模塊，用戶不能通過改寫有關(guān)SMB存儲單元來組態(tài)EM277 DP模塊的緩沖區(qū)大小或位置。

4 通過OPC讀寫PLC數(shù)據(jù)

OPC（OLE for Process Control）是過程控制業(yè)中的新興標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。可以通過Siemens提供的OPC Server程序讀寫PLC中的數(shù)據(jù)。

（1）一類主站PC1讀寫PLC

在PC1上打開SIMATIC程序組中的OPC Scout，新建一個組名。打開新建組的“OPCNavigator”，在DP目錄下的Slave002就是從站CPU224，M00_I和M00_Q即對應(yīng)從站的輸入和輸出緩沖區(qū)。將M00_I和M00_Q目錄下的變量按需求添加，確認(rèn)后OPC就開始運(yùn)行了。如果變量的“Quality”顯示“good”，表示OPC Server程序已經(jīng)通過PROFIBUS-DP總線協(xié)議和PLC建立了連接運(yùn)行關(guān)系。此時不僅可以讀取PLC中的數(shù)據(jù)，還可以向PLC寫數(shù)據(jù)。

（2）二類主站PC2的數(shù)據(jù)訪問

在PC2上同樣打開OPC Scout，新建組名。在該組名的“OPC-Navigator”下添加二類主站相應(yīng)的輸入和輸出緩沖區(qū)，確認(rèn)。PC2就可以訪問網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)了，各數(shù)據(jù)的變化同PC1中的是同步的。

要注意的是：當(dāng)PC1的OPC Scout關(guān)閉的時候，PC2的OPC Scout對DP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)訪問也中斷了。這證明了CPU224僅僅從屬于一類主站PC1，而二類主站PC2不能控制它（僅能進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問）。

5 PROFIBUS-DP在水電站中的應(yīng)用

目前，PROFIBIS-DP總線技術(shù)在水電站小型自動化系統(tǒng)中應(yīng)用較多，如水電站弧門監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)組輔助設(shè)備控制系統(tǒng)就大量用到了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)镻ROFIBUS-DP實(shí)時性受到系統(tǒng)規(guī)模影響，系統(tǒng)規(guī)模越大實(shí)時性越差，所以PROFIBUS-DP總線技術(shù)最適合于小型自動化系統(tǒng)。

通過專用的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器或工控機(jī)，基于PROFIBUS-DP總線的控制系統(tǒng)可以掛靠到工業(yè)以太網(wǎng)上，成為綜合控制系統(tǒng)的一部分。因此，雖然現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)有大普及之勢，但DP網(wǎng)較高的性價比還是被越來越多的用戶所認(rèn)可。

6 結(jié)束語

總的來說，作為國際標(biāo)準(zhǔn)之一的PROFIBUS-DP總線技術(shù)開放性強(qiáng)、性價比高，在水電行業(yè)的應(yīng)用將越來越廣泛。

[1]吉順平.西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]楊衛(wèi)華.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.