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陳振學，趙明旺，孫  偉

近年來，隨著工廠自動化系統的興起，可編程控制器(PLC)和現場總線在工業控制中得到了廣泛的應用。在工廠自動化系統中，一般利用PLC的高可靠性、模塊化結構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；利用現場總線系統的開放性、互用性以及系統結構的高度分散性來構筑自動化領域的開放互連系統。控制系統中的主從站結構是經常用到的通訊方式，不過以往的從站只能單純的靠主站中存儲的程序來運行，主站若發生故障，從站就不能繼續工作，這樣就使整個系統的連續工作能力下降，不利于企業效益的增長。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，構成一個數字化、智能雙向、多點的通信系統現場總線網絡，實現最優控制，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  通訊結構

CPU315-2DP是西門子生產的S7系列產品，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)的產品，它的CPU上也集成有PROFIBUS-DP通訊接口。整個的連接結構如圖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的PC適配器把PC機的串口轉化為MPI協議的。
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場設備進行通訊。
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，并可作為主設備或從設備設置。最多可將125個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)進行配置和編程。它的通信協議芯片SPC3集成了DP協議中的FDL層，可以承擔通信部分的微處理器負載，實現DP從站通信處理。
2.2  AriCon 211-DP
可用符合IEC61131-3標準的AriOCS對其組態編程，具有高靈活性，可以連接32個功能模塊（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，無需MPI適配器。最大傳輸率為12Mbps。組態好的數據要使用RS232C下裝到模塊的CPU中。
3  軟件部分
由PROFIBUS總線構成的現場總線控制器的軟件包括：PROFIBUS總線設備的配置軟件、驅動軟件、組態軟件和應用程序等。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、圖形組態、數據庫建立與維護、數據統計、報表打印、故障報警，應用程序的開發、調試、運行等。其中，配置軟件和驅動軟件由設備廠商提供，組態軟件可采用STEP7等通用型軟件。
本次實驗所有的軟件都基于Microsoft Windows NT系統，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  編程組態軟件STEP7
STEP7是西門子開發的一套SIMATIC 工業軟件。它功能非常強大，不僅對開關量有完善的指令，而且在處理模擬量時也有豐富的指令系統。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便地編程。地址的分配和安裝模塊的組態是西門子STEP7管理器的一個功能，在這里，模塊作為一個實際的PROFIBUS主站系統出現。完成的工程通過串口MPI傳送給CPU。
3.2  組態軟件AriOCS
AriOCS是金自天正公司開發的專用于IEC1131-3 AriCon CPU21x編程組態的軟件，采用IEC標準規定的五種語言。它支持在線調試修改和離線仿真，調試功能非常豐富，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參數，例如波特率和時間的監控不同。這些參數對每種設備類型和每家生產廠來說均有差別，為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，這些特性均在電子數據單中具體說明，有時稱為設備數據庫文件（即GSD文件）。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在一個總線系統中。GSD文件由生產廠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，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，并且在組態總線系統時自動使用這些信息。
4  操作過程
將所有設備按照圖1所示順序連接好。
PROFIBUS通信協議將網絡中通訊參與者分為主站和從站：主站首先要向從站發送通訊請求指令，從站根據請求指令中指定的內容向主站發回數據。一個主站可以向多個從站發送通訊請求，并利用從站地址（SLAVE ADDRESS）或從站識別碼（SLAVE ID）來區分。
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。在給主站組態的同時，也要給從站組態。
主站的CPU必須從FFh到00h記數，并且要先把來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。這些數據也必須被保存到從站CPU的輸出區域，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。
這里對以下數據進行組態：
①主站：PROFIBUS地址            1
輸入區域        從10開始   字節長度：2Byte
輸出區域        從20開始   字節長度：4Byte
②智能從站：PROFIBUS地址        2
輸入區域        從30開始   字節長度：4Byte
輸出區域        從40開始   字節長度：2Byte
參數數據  從50開始  字節長度：24Byte(固定)
診斷數據  從60開始  字節長度：6Byte(固定)
狀態數據  從100開始  字節長度：2Byte(固定)
組態好的PROFIBUS地址必須與CPU模塊上撥碼開關設定的地址一致。
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，它們的字節長度也要相等。
用STEP7給主站CPU315-2 DP組態，組態好的數據通過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，它對應著智能從站的Q30.0。
智能從站的組態采用組態軟件AriOCS，組態好的數據通過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通信協議保障了通信的高可靠性，不過這要以硬件和軟件設計為基礎。在通信接口連接時，必須遵循一定的規范，如信號的隔離、總線接口與收發器間避免線路過長等。這樣，主從站就可以實現數據的通訊了。
5  結語
本次實驗主要是實現了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，智能從站因自身帶有CPU，組態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