基于Profibus-DP的PLC與PC現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

目前，石油化工行業(yè)中使用的微機(jī)發(fā)油控制系統(tǒng)大都采用自行開發(fā)的單片機(jī)系統(tǒng)控制油泵，并通過RS-485總線與PC機(jī)的串口（使用RS-232轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器）相連，依靠上位機(jī)管理軟件監(jiān)控下位機(jī)。但化工行業(yè)中的設(shè)備復(fù)雜，且RS-485總線方式抗干擾性弱，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，調(diào)試復(fù)雜。本系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，下位機(jī)為抗干擾性極強(qiáng)的PLC，上位機(jī)通過專用PROFIBUS通訊卡CP5611構(gòu)建的整套系統(tǒng)，分布性、可靠性與可擴(kuò)展性都得到了極大的提高。本文章通過結(jié)合現(xiàn)行開發(fā)的基于PROFIBUS-DP的石油化工發(fā)油控制系統(tǒng)，主要介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)，以及如何實(shí)現(xiàn)PROFIBUS總線與PLC通訊的相關(guān)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP;PLC;現(xiàn)場總線;

引言

自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了自動(dòng)化領(lǐng)域的深刻變革。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得自動(dòng)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)。現(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(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)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(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)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(huì)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(hào)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(diǎn)可分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個(gè)兼容版本。

PROFIBUS-DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號(hào)線，用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

PROFIBUS-FMS：解決車間級(jí)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(dòng)化、電氣傳動(dòng)、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(dòng)化控制。

PROFIBUS-PA：專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的本征安全的傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對(duì)安全性要求較高的場合及由總線供電的站點(diǎn)。

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(shí)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(hào)驅(qū)動(dòng)媒介。接收時(shí)物理層用來對(duì)媒介的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲(chǔ)協(xié)議，執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理出錯(cuò)檢測、出錯(cuò)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?，PROFIBUS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（Link）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(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)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(shí)刻只能有一個(gè)主站擁有令牌，直到該主站的時(shí)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(gè)主站。這樣保證每個(gè)主站在一個(gè)有限時(shí)間內(nèi)得到總線的控制權(quán)。同時(shí)主站與從站采用輪詢（Polling）存取方式，這樣系統(tǒng)配置可能實(shí)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(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論是獨(dú)立運(yùn)行還是相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。此系列PLC的CPU型號(hào)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(gè)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。

3 現(xiàn)場信號(hào)與系統(tǒng)監(jiān)控軟件之間的連接橋梁——OPC

現(xiàn)場總線作為開發(fā)的控制網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制室之間的信號(hào)通信。當(dāng)現(xiàn)場信號(hào)傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)之后，如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部各應(yīng)用程序之間的信息溝通與傳遞，即如何讓現(xiàn)場信息出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的各應(yīng)用平臺(tái)上，OPC完美地解決了此類信息傳遞問題。OPC（OLE for Process Control）是過程控制中的對(duì)象鏈接嵌入技術(shù)，建立在Windows的對(duì)象鏈接嵌入（OLE，Object Linking and Embedding）、部件對(duì)象模塊（COM，Component Object Model）、分布部件對(duì)象模塊（DCOM，Distributed Component Object Model）技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的。OPC是一個(gè)開放的接口標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范。它的作用就是為服務(wù)器/客戶的鏈接提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范。按照這種統(tǒng)一規(guī)范，各客戶/服務(wù)器之間可組成如圖1所示的鏈接方式，各客戶/服務(wù)器間形成即插即用的簡單規(guī)范鏈接關(guān)系。

圖1

有了OPC作為通用接口，就可把現(xiàn)場信號(hào)與上位機(jī)監(jiān)控、人機(jī)界面軟件方便地鏈接起來，還可以把它們與PC機(jī)的某些通用開發(fā)平臺(tái)鏈接起來，如VB,VC++,Excel等。這樣給我們開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控軟件帶來很大的方便。

4 系統(tǒng)實(shí)例簡介

在石油工業(yè)中，由于控制的復(fù)雜性、現(xiàn)場多種設(shè)備相互之間存在干擾以及系統(tǒng)可靠性要求高等特點(diǎn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)如PROFIBUS。在智能發(fā)油控制系統(tǒng)中就是采用SIMATIC S7-200 CPU224控制發(fā)油泵，并通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線由工控機(jī)（或PC機(jī)）進(jìn)行監(jiān)控。

4.1 智能發(fā)油控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是由PROFIBUS-DP構(gòu)成的單主站系統(tǒng)，具有簡單設(shè)備一級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸特性。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2

（1） 整個(gè)控制系統(tǒng)連接在兩路PROFIBUS-DP總線上，每路總線包含一個(gè)總站和20個(gè)DP從站，兩個(gè)總站和開票機(jī)構(gòu)成局域網(wǎng)，主站和從站之間為主從關(guān)系。

（2） 兩個(gè)工控機(jī)主站和發(fā)票機(jī)通過TCP/IP協(xié)議，組成局域網(wǎng)。

（3） 系統(tǒng)以SIMATIC工控機(jī)作為DP類型2主站，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5611使工控機(jī)與PROFIBUS-DP總線相連，能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能。主站上的應(yīng)用程序與CP5611的信息傳遞采用OPC通用接口服務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)。

（4） 每個(gè)從站完成對(duì)兩路發(fā)油系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模塊，通過EM 277擴(kuò)展模塊以DP從站形式接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，按主/從模式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2 智能發(fā)油控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括Windows 2000操作系統(tǒng)、SIMATIC OPC接口服務(wù)軟件、主站監(jiān)控軟件和從站編程軟件。

4.2.1 從站發(fā)油控制系統(tǒng)PLC通信接口軟件設(shè)計(jì)

從站發(fā)油控制系統(tǒng)的PLC采用了SIMATIC S7-200的配套編程工具Step7，完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理等功能。通常用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成，其中OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序的接口界面，用于控制程序運(yùn)行;FB、FC是用戶子程序;DB是用戶定義的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，在本系統(tǒng)中它是上位機(jī)監(jiān)控軟件與Step7程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)，配置與其相對(duì)應(yīng)的DB塊就可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控軟件OPC與Step7程序的數(shù)據(jù)接口。其通信接口程序如下。

CALL “DP-SEND”
CPLADDR：=W#16#170
SEND ：=P#DB1.DBX0.0 BYTE240
DONE ：=M0.0
ERROR ：=M0.1
STSTUS ：=MW1
CALL DP-RECV
CPLADDR：=W#16#170
RECV ：=P#DB2.DBX0.0 BYTE240
NDR ：=M128.0
ERROR ：=M128.1
STATUS ：=MW46
DPSTATUS：=MB120
L DB2.DBW 0
L 0 == I
JC m001
CALL FC 63
M001: NOP 0
CALL FC 64

4.2.2 主站通信接口軟件設(shè)計(jì)

工控機(jī)作為主站，是通過通訊卡CP5611與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。選擇操作系統(tǒng)控制面板的Set PG/PA Interface 選項(xiàng)，對(duì)其硬件進(jìn)行設(shè)置，可自動(dòng)完成總線各部分配置。但對(duì)于自行開發(fā)的、帶有Profibus-DP接口的從站，需要自己編寫一個(gè)＊.GSD文件加入到配置庫中。本系統(tǒng)將EM 277的GSD文件加入至OPC服務(wù)接口配置庫中，完成對(duì)總線配置后，即生成一個(gè)ldb文件供系統(tǒng)運(yùn)行使用。

4.2.3 工控機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

工控機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，即發(fā)油控制管理系統(tǒng)，以Windows 2000操作系統(tǒng)作為平臺(tái)，通過標(biāo)準(zhǔn)通訊接口OPC，采用Microsoft VC++程序設(shè)計(jì)語言編制程序，完成系統(tǒng)的控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)油庫的儲(chǔ)運(yùn)收發(fā)過程進(jìn)行監(jiān)控和管理。開票機(jī)開出發(fā)票后，通過局域網(wǎng)將信號(hào)傳給發(fā)油機(jī)，發(fā)油機(jī)則使用PROFIBUS-DP網(wǎng)通知下位機(jī)PLC，由PLC控制油泵，并檢測油量計(jì)和溫度，自動(dòng)完成發(fā)油過程。圖3為發(fā)油機(jī)主程序流程圖。圖4為PLC S7-200主程序流程圖。

圖3

圖4

5 結(jié)束語

工程實(shí)踐證明,本控制系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式控制,網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強(qiáng)，給安裝、調(diào)試和設(shè)備維護(hù)帶來方便，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。這種網(wǎng)絡(luò)體系具有較高的性能價(jià)格比，并能根據(jù)用戶要求擴(kuò)展至較大的系統(tǒng)。