基于PROFIBUS-DP的PLC通信

葉林勇

（三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000）

1 現場總線概述

現場總線控制系統（FCS）用數字信號取代模擬信號，以提高系統的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長信息傳輸的距離。它既是一個開放的通信網絡，又是一種全分布的控制系統，是一種新型的網絡集成自動化系統，它以現場總線為紐帶，把掛接在總線上相關的網絡節點組成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能。

FCS用“工作站－現場總線智能儀表”的二層機構完成了集散控制系統（DCS）“操作站－控制站－現場儀表”的三層結構模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統一的國際標準下可實現真正的開放式互連系統結構，是一種正在發展的很有前途的計算機控制系統。

目前最具代表性的現場總線是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開放式現場總線標準，遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構成：物理層、數據鏈路層和應用層。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域。

2 PROFIBUS-DP的特性及系統組成

2.1 PROFIBUS-DP的特性

PROFIBUS-DP使用物理層，數據鏈接層和用戶接口，用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站程序循環時間短。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定。

PROFIBUS-DP基本功能和特性如下:

（1）遠程離高速通信

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）分布式結構

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，用連接線可擴展到126個站；

（3）易于安裝，開放式的通訊網絡；

（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，完成周期性數據訪問，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據訪問，如數據讀寫、系統配置、故障診斷等，包括操作員工作站、編程器、HMI等。PROFIBUS-DP從站主要進行輸入、輸出信號采集和發送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能現場設備等。

2.2 系統組成

為便于敘述和理解，現組成一個雙主站單從站的PROFIBUS-DP網絡，如圖1所示。具體配置如下：

（1）硬件：帶Siemens CP5611卡的PC機兩臺，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；三個網絡連接器；連接線為雙絞線。

（2）軟件：用于軟件編程的STEP7-MICROWIN4.0和用于實現PROFIBUS-DP協議網絡配置的STEP7 V5.2+SP2。

3 PROFIBUS-DP主站和從站的組態

3.1 一類主站的組態

在PC1（一類主站）使用STEP7軟件來組態整個PROFIBUS-DP網絡。具體步驟如下：

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

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

設置CP5611的參數：網絡類型設為PROFIBUS，站地址為2（也可為其他值，但不能重復，其他站點地址的設定與此類同）；加上PROFIBUS-DP 總線（DP master system（1）），并把CP5611設為DP-Master（即一類主站）。導入EM277的GSD文件，在視窗右側的從站設備欄里面就可以找到EM277模塊了。將EM277圖標拖到DP總線上，站地址為設置4，V存儲器偏移量本例設置為4000，然后根據需要設定EM277的發送和接收緩沖區大小。最后將配置結果下載到模塊。結果如圖3所示：

至此，本PROFIBUS-DP網絡結構一類主站與從站的主從關系已經確立了。

3.2 二類主站的組態

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網上），并雙擊它，手動添加應用程序和CP5611，槽位隨意。將CP5611站點地址設為5，從屬于之前添加的DP網，并將CP5611屬性的工作模式設定為DP Master Class 2（即二類主站），如圖4所示：

將配置結果下載到模塊。再次點擊組態網絡圖標，可看到PC Station2掛到DP網上了。如圖5所示：

3.3 從站的組態

為了將EM277作為一個DP從站使用，必須設定與主站組態中的地址相匹配的DP端口地址。從站地址是使用EM277模塊上的旋轉開關設定的。在變動旋轉開關之后，用戶必須重新啟動CPU電源。

EM277輸出和輸入數據緩沖區駐留在S7-200CPU變量存儲器內，輸入緩沖區。

緊緊跟隨輸出緩沖器。緩沖區的大小是由DP主站組態設定的。組態后，EM277可接收從主站來的輸出數據，并將輸入數據返回給主站。

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

4 通過OPC讀寫PLC數據

OPC（OLE for Process Control）是過程控制業中的新興標準，它的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁。可以通過Siemens提供的OPC Server程序讀寫PLC中的數據。

（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即對應從站的輸入和輸出緩沖區。將M00_I和M00_Q目錄下的變量按需求添加，確認后OPC就開始運行了。如果變量的“Quality”顯示“good”，表示OPC Server程序已經通過PROFIBUS-DP總線協議和PLC建立了連接運行關系。此時不僅可以讀取PLC中的數據，還可以向PLC寫數據。

（2）二類主站PC2的數據訪問

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的輸入和輸出緩沖區，確認。PC2就可以訪問網絡中的數據了，各數據的變化同PC1中的是同步的。

要注意的是：當PC1的OPC Scout關閉的時候，PC2的OPC Scout對DP網絡的數據訪問也中斷了。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（僅能進行數據訪問）。

5 PROFIBUS-DP在水電站中的應用

目前，PROFIBIS-DP總線技術在水電站小型自動化系統中應用較多，如水電站弧門監控系統和機組輔助設備控制系統就大量用到了PROFIBUS-DP網絡。這是因為PROFIBUS-DP實時性受到系統規模影響，系統規模越大實時性越差，所以PROFIBUS-DP總線技術最適合于小型自動化系統。

通過專用的通信協議轉換器或工控機，基于PROFIBUS-DP總線的控制系統可以掛靠到工業以太網上，成為綜合控制系統的一部分。因此，雖然現在工業以太網的技術有大普及之勢，但DP網較高的性價比還是被越來越多的用戶所認可。

6 結束語

總的來說，作為國際標準之一的PROFIBUS-DP總線技術開放性強、性價比高，在水電行業的應用將越來越廣泛。

[1]吉順平.西門子PLC與工業網絡技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]楊衛華.工業控制網絡技術[M].北京：機械工業出版社，2010.