主站與遠程I/O站之間通信研修設備開發

盛繼華，黃清鋒

（金華市技師學院，浙江金華，321017）

0 引言

PROFIBUS主要包括FMS、DP、PA三部分，在任意有嚴格控制穩定性、可靠性、時間要求通信任務中。引入本文的PROFIBUS-DP作為現場總線系統中的組成，能夠應用于現場設備控制，實時性較高，可以實現由幾百微妙至幾百秒，經RS485傳輸對主站與從站間傳輸數據，形成雙向智能化、數字化、多點現場總線通信網[1]。通過運用PROFIBUS-DP不僅能夠有效解決單獨使用微處理器開發協議較大操作難度這一缺點，僅需外部接入物理芯片，既可實現以太網接通DP主站實現集成化控制，充分發揮DP主站現場設備控制優勢同時，還可以在市場管理網絡中靈活化嵌入控制網絡，從真正意義上實現現場控制管理。

1 主/從站通信狀態機制

在PROFIBUS-DP的主站與從站通信過程中，具體可以劃分為多階段，第一階段為主站首次診斷從站，對從站參數化處理與組態配置，轉二次診斷從站，實現主從兩站之間數據參數循環交換。為了進一步確保總線控制中可以正確傳輸幀，PROFIBUS-DP嚴格規定了報文幀結構，與主從站設備的具體控制時序關系，并對12個參數進行界定，用于對各幀之時間和可允許等待時長最大化的具體限定[2]。在主從站數據控制中，發出每一幀之前，應當有同步期TSYN，發送每幀控制報文之前，都要加入總線休息時間，固定每幀發送時長在33TB/T時間。TSYN之后控制指令發起方，會發出REQUEST幀至從站側，接收方由請求接受至數據響應，具體定義TSDR，根據TSDR的具體參數，可以反映響應方從站的具體能力與資源情況。部分站點并未應用專用通信ASIC芯片，所致通信控制的反應用時較長。在通信發起方一側，由主站發送請求幀至最后Bit收到相應幀首個BIt的用時，定義SLot_Time，這也作為通信控制系統所達到實時性能優劣程度的真實反映。并且在本次主從站通信設計中，還定義關鍵參數TSL，該參數可以允許SLot_Time最大化，假若通信控制的發起方一旦超出參數TSL，依然未能成功響應接收方，那么則代表通信系統發生通信錯誤，或者需要重新發送請求幀，向FDL層上交錯誤指令，由上層軟件負責處理。

2 系統設計

2.1 硬件設計

主站與遠程I/O站之間建立通信，從本質上作為運用專門I/O訪問命令尋址分布式外圍模塊I/O數據，設計控制編程平臺選用STEP 7，經PROFIBUS-DP主站和ET 200M標準從站通信，即可控制接觸器設備。應用于工業現場控制，以混合攪拌液料的過程為例，便可運用PLC控制ET200M數字輸入/輸出，從而遠程控制攪拌器的操作過程[3]。A、B兩類液料均根據既定投放比例，用攪拌器攪拌A、B兩類液料，根據兩個內部傳感器來測量攪拌器內的兩種液料所在位，在測量結果達到既定容量，傳感器會向ET200發送信號，從而控制攪拌器內兩種液體閥門開合情況。在裝滿A、B兩類液料之后，ET 200會發出攪拌器電機控制指令，在轉動攪拌器電機一定時間之后，打開攪拌器開口閥門便可卸料。

在ST 300的仿真軟件PLCSIM能夠執行CPU控制程序，與DP從站故障仿真，可是在實際仿真應用中大部分情況存在局限。多數通信過程均需要通信硬件模塊驗證，本文使用STEP7進行通信網絡組態及編程，由協議ASIC芯片ASPC2外加擴展固化程序實現，該協議芯片在應用中能夠基于PROFIBUS協議數據鏈路層介質訪問控制功能，方便連接微處理器。S3C4510芯片能夠在32位ARM與16位Thumb態工作，執行管理協議并提供以太網控制器。選擇RTL8019與RTL8210、S3C4510片內以太網控制器相連接，提供10M與100M網絡通信速率，可以適用于不同網絡。

本次通信設備設計選用ASPC2，用于主站智能通信芯片，可支持DP/FMS協議，經端耦合器與PA相連接，滿足12Mbit/s的最大化傳輸速率。能夠支持識別（用Ident代表）、請求FDL狀態（用Requent_FDL_Status代表）、發送數據無應答（用SDN代表）；發送數據有應答（用SDA代表）；發送接收數據有應答（用SRD代表）。該通信芯片可以支持8/16位數據總線，選用引腳XB8/B16接地，設計16位數據模式，通信總線能夠在Motorola、Intel中選擇工作總線形式，DINT/MOT引腳接地。選擇Intel總線形式，均與低位數據總線相連接，高位數據總線連接輸入且內部上拉電阻，共享RAL或選用雙口RAM均可實現芯片和CPU二者數據交換，結合本文通信設計選用共享RAM，是因為這樣能夠級聯多個ASPC2芯片，利用處理器保持功能均經外部總線交換具體信息。S3C4510B的運行工作頻率高達50MHz，包括各類通用接口除外還具備強大獨立控制功能，將此以太網控制器可以用于控制難度較大，通信控制較復雜的嵌入式以太網系統。設計半雙工控制模式，控制器執行CSMA/CD協議，支持IEEE802.3MAC控制層協議，在RS485工作模式中即可傳輸數據信息，并且為了確保系統安全可靠性，以EN50.170標準為參照，隔離總線和內部電路，這一步是基于光耦HCPL701基礎上實現的。

2.2 軟件設計

本次通信軟件設計選用CPU315-2DP為帶有大中型程序存儲器及PROFIBUS DP主/從接口CPU，該處理器能夠在50ns左右成功處理一條二進制指令，經常被用于SIMATIC S7-300中作為標準PROFIBUS-DP主站。帶有PROFIBUS-DP主站、從站接口，不僅可以用于集中式通信控制I/O結構，還能夠用于操作簡單、迅速便捷的分布式自動化控制系統中。該通信控制系統設計，PROFIBUS-DP主站均選用CPU315-2DP，站地址為2，ET 200M為標準從站，站地址為3。從站輸入/輸出模塊與攪拌機相連接，經CP5613模塊接入PC網絡，用于設備編程與功能調試，各站間均經PROFIBUS電纜相連接，網絡終端插頭終端電阻開關需要打開“ON”位置，中間從站插頭終端電阻開關必須打在“OFF”位置。（見圖1）為系統組成圖。

圖1 系統構成

管理器內雙擊桌面Simatic Manager圖標，即可進入 STEP7，選擇新建“文件—DP_ET200”，之后根據彈出界面“DP_ET200”右鍵點擊后插入“新站點”，建立新站點“SIMATIC300”，成功插入S7-300為DP主站。管理器內點擊對象“SIMATIC 300”站，雙擊右側“硬件”圖標，將 HW Cofig界面成功打開后，選擇“SIMATIC 300配置文件”，將RACK-300插入后，將電源PS307 10A插入1號插槽內，將CPU315-2DP插入2號插槽，3號插槽用于功能拓展無需添加其他模塊。4號插槽插至所需輸入/輸出模塊，選用DI16/DO16×24V/0.5A（見圖2）。

圖2 主站組態

插入CPU 315-2DP將PROFIBUS彈窗組態界面取消，并設置“DP”屬性對話框，設計“工作模式”該功能欄，用于對默認DP主站的實時查看。在“常規”選項中設計FROFIBUS接口，主站地址2。選擇“屬性-參數-新建”，即可成功建立PROFIBUS電纜，網絡設計內設置1.5Mbps通信速率，同樣配置DP主站，成功設置后即可“確定”并返至屬性功能框，選擇插入DP站新的“PROFIBUS（1）”子網。

ET200M作為分布式I/O設備，建立主從站通信系統中一般應當在自動化系統中集成輸入、輸出信號。假若輸入、輸出設備與PLC控制器距離較遠，則需要鋪設較長電纜，這樣的話就會造成成本加大，并且可能會由于出現電磁干擾降低系統可靠性。所以分布式I/O設備的使用，便可以有效解決該問題，能夠在中央位控制CPU，在本地分布運行I/O設備，PROFIBUS DP有著強大的高速數據傳輸能力，能夠保證CPU與I/O設備順暢通訊。打開通信硬件功能窗口，選擇PROFIBUS DP/ET 200M配置文件，成功選定 ET 200M窗口路徑，之后拖動該通信組件至PROFIBUS網絡組態窗口，即可接入ET 200M與PROFIBUS網絡。拖動中能夠出現屬性對話框，從站地址4，之后確定選定從站，完成輸入/輸出模塊組態。

2.3 網絡組態

HW Config菜單界面內可以點擊“網絡組態”，將Netpro網絡組態界面打開后，能夠發現PROFIIBUS已經成功連接主站總站，結合通信控制項目所需，設計11個輸入/輸出通信點，包括PLC停止、運行，ET200接收液體攪拌限位信號，兩類液體閥門控制閉合信號，其中B液限位后ET 200控制攪拌機運行信號。SIMATIC Manager界面內，選擇SIMATIC 300站點，S7程序內尋找Symbol符號即可分配資源，并尋找OBI組織塊，創建LAD語言模塊，編寫OBI程序，負責調用兩大功能塊分別為FC1與FC2，其中FC1用于顯示PLC控制器運行狀況，FC2用于顯示ET 200攪拌器控制情況。

3 實驗測試

本次仿真設計選擇SIMATIC Manager界面內，選擇“PLCSIM仿真器”進行監視，能夠根據界面顯示看到CPU狀態窗口S7-PLCSIM1，將輸入/輸出共計兩個變量成功手動插入后，在PLC內下載LAD/STL/FDB/OBI組塊程序，還有下載HW Config通信硬件組態。仿真中因為默認關閉PLC狀態，需要提前打開PLC保持“RUN”狀態，能夠看到關閉I0.0情況下，Q0.0與PLC接通啟動，Q2.0則與打開A液閥門相接通。在A液位上限即可斷開ET 200M的I2.0信號，關閉A液閥門，Q2.1與B液閥門相連接，在B液位上限即可斷開ET200M的I2.1信號，成功斷開Q2.1之后，即可關閉B液閥門，之后正式開啟Q2.3攪拌機運作，依據有關規定攪拌機正式運行時間達2min，接通I0.2就表明攪拌機處于正常工作狀態下，直至滿足2min運行時長，Q2.2與攪拌機相接通打開出口閥。

其中采用ISD2500語音芯片用于語音控制和錄放電路的數字化錄音組件，可以達到60s左右的錄放音時間，能夠連續錄放并且根據A0～A9地址線，選擇性分段完成語音控制錄放。選擇在ISD2500片選23腳作為低脈沖時啟動放音周期，CE信號下降沿啟動錄音周期，R/R（27腳）輸入端作為高電平與低電平情況下，分別選定為放音和錄音周期。警報器電話被用戶成功撥通之后，需要播放已經根據段完成錄制的警報信號，經ARM7的I/O口對ISD2500第27腳成功控制，利用uc/os軟件定時器成功確定語音芯片的播放時間。

4 結語

在本次主站與遠程IO站之間通信研修設備開發設計中，通過選用PROFIBUS-DP主站應用嵌入式開發技術，綜合考慮該通信控制組件應用于不同復雜環境中，具備良好的性能可拓展性與智能化特點。與PROFIBUS通信原理相結合，設計PROFIBUS-DP主從站現場總線通信，能夠達到上下12Mbit/s通信速率，并建立PLC與ET 200M硬件組態，用于設計實現通信的軟件基礎，并進行網絡組態優化資源分配。通過對本次設計通信設備控制效果進行仿真驗證，證明了本文上位機控制主站和遠程I/O通信的可行性，基本滿足了應用于工業制造領域遠程設備控制要求，并且有效減少在布設電纜方面的成本投入，極大的提升了控制系統的可擴充性。