Profibus-DP的PLC與PC現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
引言
自動化控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了自動化領(lǐng)域的深刻變革。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐步形成全分布式網(wǎng)絡(luò)集成自控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線(fieldbus)正是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbus control system)，是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的基于現(xiàn)場總線的新一代控制系統(tǒng)。目前，比較具有影響力的現(xiàn)場總線有：基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一。
PROFIBUS是德國90年代初制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號DIN19245。PROFIBUS于1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999年底成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分，已被全世界接受。
PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點可分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。
PROFIBUS-DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線，用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。
PROFIBUS-FMS：解決車間級通用性通信任務(wù)，提高大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于紡織工業(yè)、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執(zhí)行器、可編程程序控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動化控制。
PROFIBUS-PA：專為過程自動化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的本征安全的傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求較高的場合及由總線供電的站點。
1 PROFIBUS 基本特性
1.1 協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI的第一層、第二層和第七層。物理層定義了物理特性，它上接數(shù)據(jù)鏈路層，下連媒介。發(fā)送時物理層編碼并調(diào)制來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，用物理信號驅(qū)動媒介。接收時物理層用來對媒介的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲協(xié)議，執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理出錯檢測、出錯恢復(fù)、仲裁和調(diào)度。應(yīng)用層定義了應(yīng)用功能，完成信息指令的翻譯，掌握數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和意義。用戶層是數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件。
1.2 傳輸技術(shù)
由于單一的傳輸技術(shù)不可能兼顧傳輸可靠性、傳輸距離和高速傳輸?shù)纫螅琍ROFIBUS提供三種類型：DP和FMS的RS485傳輸;PA的IEC1158-2傳輸;光纖(FO)傳輸。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之間可通過DP/PA耦合器(Coupler)或鏈接器(bbbb)相連接。
1.3 存取協(xié)議
PROFIBUS的DP，F(xiàn)MS，和PA均使用單一的總線存取協(xié)議，通過OSI參考模型的第二層實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和從站之間的主從方式。任意時刻只能有一個主站擁有令牌，直到該主站的時間片用完或已無信息傳遞，才將令牌按一定的環(huán)路傳給下一個主站。這樣保證每個主站在一個有限時間內(nèi)得到總線的控制權(quán)。同時主站與從站采用輪詢(Polling)存取方式，這樣系統(tǒng)配置可能實現(xiàn)下列三種：純主-從系統(tǒng);純主-主系統(tǒng);混合系統(tǒng)。
2 SIMATIC S7-200系列PLC的基本通信方式
SIMATIC S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論是獨立運行還是相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。此系列PLC的CPU型號有：CPU 221，CPU 222，CPU 224，CPU 226和CPU 226XM。本控制系統(tǒng)采用CPU224，它具有四種通訊方式：
一：PPI方式
PPI通訊協(xié)議是通過普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，物理上采用RS485電平，波特率為9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通訊網(wǎng)絡(luò)是一個令牌傳遞網(wǎng)。
二：MPI方式
S7-200可以通過內(nèi)置接口連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上，波特率為19.2kbit/s，187.5kbit/s。S7-200 CPU在MPI網(wǎng)絡(luò)中作為從站，它們彼此間不能通訊。
三：自由通訊方式
S7-200可以由用戶自己定義通訊協(xié)議，與任何通訊協(xié)議公開的其它設(shè)備、控制器進(jìn)行通訊。波特率最高為38.4kbit/s(可調(diào)整)。
四：PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)
在S7-200系列的CPU中，都可以通過增加EM277擴(kuò)展模塊的方法支持PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。
自動化控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了自動化領(lǐng)域的深刻變革。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐步形成全分布式網(wǎng)絡(luò)集成自控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線(fieldbus)正是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbus control system)，是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的基于現(xiàn)場總線的新一代控制系統(tǒng)。目前，比較具有影響力的現(xiàn)場總線有：基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一。
PROFIBUS是德國90年代初制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號DIN19245。PROFIBUS于1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999年底成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分，已被全世界接受。
PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點可分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。
PROFIBUS-DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線，用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。
PROFIBUS-FMS：解決車間級通用性通信任務(wù)，提高大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于紡織工業(yè)、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執(zhí)行器、可編程程序控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動化控制。
PROFIBUS-PA：專為過程自動化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的本征安全的傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求較高的場合及由總線供電的站點。
1 PROFIBUS 基本特性
1.1 協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI的第一層、第二層和第七層。物理層定義了物理特性，它上接數(shù)據(jù)鏈路層，下連媒介。發(fā)送時物理層編碼并調(diào)制來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，用物理信號驅(qū)動媒介。接收時物理層用來對媒介的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲協(xié)議，執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理出錯檢測、出錯恢復(fù)、仲裁和調(diào)度。應(yīng)用層定義了應(yīng)用功能，完成信息指令的翻譯，掌握數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和意義。用戶層是數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件。
1.2 傳輸技術(shù)
由于單一的傳輸技術(shù)不可能兼顧傳輸可靠性、傳輸距離和高速傳輸?shù)纫螅琍ROFIBUS提供三種類型：DP和FMS的RS485傳輸;PA的IEC1158-2傳輸;光纖(FO)傳輸。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之間可通過DP/PA耦合器(Coupler)或鏈接器(bbbb)相連接。
1.3 存取協(xié)議
PROFIBUS的DP，F(xiàn)MS，和PA均使用單一的總線存取協(xié)議，通過OSI參考模型的第二層實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和從站之間的主從方式。任意時刻只能有一個主站擁有令牌，直到該主站的時間片用完或已無信息傳遞，才將令牌按一定的環(huán)路傳給下一個主站。這樣保證每個主站在一個有限時間內(nèi)得到總線的控制權(quán)。同時主站與從站采用輪詢(Polling)存取方式，這樣系統(tǒng)配置可能實現(xiàn)下列三種：純主-從系統(tǒng);純主-主系統(tǒng);混合系統(tǒng)。
2 SIMATIC S7-200系列PLC的基本通信方式
SIMATIC S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論是獨立運行還是相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。此系列PLC的CPU型號有：CPU 221，CPU 222，CPU 224，CPU 226和CPU 226XM。本控制系統(tǒng)采用CPU224，它具有四種通訊方式：
一：PPI方式
PPI通訊協(xié)議是通過普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，物理上采用RS485電平，波特率為9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通訊網(wǎng)絡(luò)是一個令牌傳遞網(wǎng)。
二：MPI方式
S7-200可以通過內(nèi)置接口連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上，波特率為19.2kbit/s，187.5kbit/s。S7-200 CPU在MPI網(wǎng)絡(luò)中作為從站，它們彼此間不能通訊。
三：自由通訊方式
S7-200可以由用戶自己定義通訊協(xié)議，與任何通訊協(xié)議公開的其它設(shè)備、控制器進(jìn)行通訊。波特率最高為38.4kbit/s(可調(diào)整)。
四：PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)
在S7-200系列的CPU中，都可以通過增加EM277擴(kuò)展模塊的方法支持PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。
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