聶 輝，秦實宏

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

過程現(xiàn)場總線（profibus field bus，PROFIBUS）和其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，最大的優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證［1-3］。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用上有以下特點：1）開放性，現(xiàn)場總線是開放式的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以購置不同廠家的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，把它們集成在一個控制系統(tǒng)中，并進行相互信息交換。2）智能化，控制系統(tǒng)所需要的各種信號以數(shù)字的方式傳送到控制室，并能在現(xiàn)場完成相應(yīng)的功能操作，提高了系統(tǒng)的智能化操作水平。3）相互操作性，即使設(shè)備由不同廠商提供，但在各自的廠商操作環(huán)境中可以順利實現(xiàn)其功能，并且相互之間可以通信。4）環(huán)境適應(yīng)性，該類總線可以較好地適應(yīng)各類工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境，具有較強的抗干擾能力［4-6］。

目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)已被用到加工制造、過程控制、運動控制等領(lǐng)域。如果將一個基于現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行通信的自動化工廠與一個按照傳統(tǒng)方式構(gòu)建的自動化工廠進行比較，采用現(xiàn)場總線技術(shù)在很大程度上降低了開銷，如它減少了分布式輸入/輸出設(shè)備的電纜布線［7］。由于這種技術(shù)的明顯優(yōu)勢衍生出大量的現(xiàn)場設(shè)備，為我們提供了許多選擇。

PROFIBUS-DP是PROFIBUS總線的一個組成部分。PROFIBUS-DP主要用于制造業(yè)自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信，它是一種速度高成本低的通信，特別適合PLC與現(xiàn)場級分布式I/O設(shè)備之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換［8］。DP是PROFIBUS中應(yīng)用最廣的通信方式。PROFIBUS-DP用于連接下列設(shè)備：可編程邏輯控制器（programmable logic con?troller，PLC））、PC（personal computer），人機交互設(shè)備（human-machine interaction，HMI）和分布式現(xiàn)場設(shè)備。

1 系統(tǒng)組成

主站與從站的通信實質(zhì)就是使用專門的I/O訪問命令來尋址分布式外圍模塊的I/O數(shù)據(jù)，在STEP 7中編程，通過DP主站與ET 200M標準從站的通信實現(xiàn)接觸器的控制功能。在工業(yè)現(xiàn)場，對一個液料的混合攪拌過程可以利用PLC對ET 200M之間數(shù)字輸入/輸出口的控制實現(xiàn)對遠程攪拌器的控制。A、B兩種液料按比例投放，攪拌器對A、B兩種液料進行攪拌，攪拌器內(nèi)A、B兩種液體的液位測量靠兩個內(nèi)部傳感器，當液料到達一定容量時，傳感器給ET 200M一個信號，ET 200M控制著攪拌器上A、B兩種液體的閥門開合。A、B液料裝滿后，ET 200M發(fā)出一個控制信號控制攪拌器電機轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動一定時間后攪拌器上開口閥打開卸料。

而S7-300的仿真軟件PLCSIM可以對CPU的用戶程序執(zhí)行過程和某些DP從站的故障進行仿真，但它對于通信的仿真是有限制的。大部分的通信過程需要用通信硬件模塊實驗來驗證，而本研究在沒有通信硬件的情況下，使用STEP7來練習(xí)通信網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)和編程。

CPU315-2DP是一個帶有大中型程序存儲器和PROFIBUS DP主/從接口的CPU。處理器對每條二進制指令的處理時間大約為50 ns。它在SI?MATIC S7-300中經(jīng)常被用作標準PROFIBUS DP主 站［9-11］，帶 有 PROFIBUS DP 主/從 接 口 的CPU315-2DP除了集中式I/0結(jié)構(gòu)外，還可以用來建立速度快、易操作的分布式自動化系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)中，DP主站使用Siemens PLC S7-300系列的 CPU315-2DP［12］，站地址為 2。標準從站使用ET 200M，站地址為3。ET 200M的輸入/輸出模塊連接攪拌機。PC通過CP5613模塊接入網(wǎng)絡(luò)中，作為編程和調(diào)試設(shè)備。各站之間通過PROFIBUS電纜連接，網(wǎng)絡(luò)終端插頭的終端電阻開關(guān)必須打在“ON”的位置；中間站點（ET 200M）的插頭其終端電阻開關(guān)必須打在“OFF”位置。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 Diagram of system composition

雙擊桌面上Simatic Manager圖標，進入STEP7。點擊左上角“文件”新建項目“DP_ET200”，然后在彈出來的界面中“DP_ET200”單擊右鍵，選擇“插入新站點”，并選擇“SIMATIC 300站點”。插入S7-300站，作為DP主站。

在管理器中，單擊選中對象“SIMATIC 300”站，雙擊右側(cè)出現(xiàn)的“硬件”圖標，打開HW Config界面。在“配置文件”中選擇“SIMATIC 300”，首先插入機架（RACK-300），在1號插槽插入電源 PS 307 10A，在2號插槽插入 CPU315-2DP。3號插槽留作擴展模塊，不用添加其他模塊。在4號插槽中插入需要的輸入/輸出模塊，這里選擇的是DI16/DO16×24V/0.5A。如圖2所示。

圖2 主站組態(tài)Fig.2 Configuration of master station

在插入CPU 315-2DP的時候，取消了彈窗出來PROFIBUS的組態(tài)界面。此時對“DP”進行設(shè)置，在DP屬性對話框中，“工作模式”一欄，可以看到此時默認的工作模式為“DP主站”。在“常規(guī)”選項卡里，接口類型是FROFIBUS，總站地址為2。點擊“屬性”，選擇“參數(shù)”并選擇“新建”一條PROFIBUS電纜，并在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中，設(shè)置通信速率為 1.5 Mbps，配置文件為 DP［13］。如圖 3 所示。然后“確定”，返回DP接口屬性對話框，可以看到子網(wǎng)（Subnet）中出現(xiàn)了新的“PROFIBUS（1）”子網(wǎng)。DP插槽那里引出了一條PROFIBUS（1）網(wǎng)絡(luò)。

圖3 PROFIBUS-DP配置網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram of PROFIBUS-DP configuration

ET 200M是一種分布式I/O設(shè)備。在組建系統(tǒng)時，通常需要將過程的輸入和輸出信號集中集成到該自動化系統(tǒng)中。如果輸入和輸出設(shè)備遠離可編程控制器，將需要鋪設(shè)很長的電纜，從而增加成本，并且可能因為電磁干擾而使系統(tǒng)可靠性降低。因此分布式I/O設(shè)備便是這類系統(tǒng)的理想解決方案。它的控制CPU位于中央位置，I/O設(shè)備可以在本地分布式運行，并且功能強大的PROFIBUS DP具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，可以確保CPU和I/O設(shè)備穩(wěn)定順暢地進行通訊。打開硬件目錄窗口，在“配置文件”窗口中按照路徑“/PROFIBUS DP/ET 200M”，選擇 ET 200M，并將此站拖到硬件組態(tài)窗口的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)線上，完成ET 200M與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的接入。在拖動過程中會出現(xiàn)屬性對話框，設(shè)置該DP從站地址為4，單擊“確定”按鈕。然后選中該從站，按照圖4所示，對輸入/輸出模塊進行組態(tài)。

圖4 從站輸入/輸出模塊Fig.4 I/O module of slave station

2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

在HW Config界面中，通過菜單中的“網(wǎng)絡(luò)組態(tài)”（Configure Network），打開Netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面，可以看到主站已經(jīng)與從站通過PROFIIBUS連接。

根據(jù)項目需要，需對11個輸入/輸出點進行設(shè)置，PLC的運行與停止信號，ET 200M收到從攪拌機傳來的A，B兩種液體的限位信號，及控制攪拌機A液閥門與B液閥門閉合的信號，當收到B液限位信號后，ET 200M控制攪拌機攪拌運行的信號。在SIMATIC Manager界面中，選擇“SIMATIC 300”站點［14］，在 S7 程序里面找到“符號”（Symbol）塊，進行如下軟件資源的分配，如圖5所示。

圖5 軟件資源分配表Fig.5 Table of software resources allocation

在SIMATIC Manager界面中，選擇“SIMATIC 300”站點，并在S7 程序里面找到“組織塊”（OB1），用“LAD”語言創(chuàng)建模塊，在OB1中編寫如圖6所示程序。

圖6 組織塊程序Fig.6 Organization block procedure

在OB1中，調(diào)用功能塊FC1，F(xiàn)C2。FC1主要是PLC運行狀況顯示，F(xiàn)C2主要是ET 200M對攪拌器的控制。FC1，F(xiàn)C2程序如圖7，圖8所示。

3 實驗測試

在“SIMATIC Manager”界面中，點擊“仿真器”（PLCSIM）“monitor”（監(jiān)視）按鈕，可以看到一個顯示CPU狀態(tài)的窗口S7-PLCSIM1［15］。手動插入兩個輸入變量和輸出變量。此時把“LAD/STL/FBD-OB1”框中的組織塊程序和在“HW Config”框中的硬件組態(tài)均下載到PLC中。

圖8 FC2程序Fig.8 FC2 procedure

由于仿真時，PLC的默認狀態(tài)是關(guān)閉（STOP）的，此時將PLC狀態(tài)打到運行（RUN）狀態(tài)，可以看到，當I0.0閉合時，Q0.0接通PLC啟動，Q2.0接通A液閥門開。當A液到達限制位后傳到ET 200M的I2.0信號斷開，A液閥門關(guān)，Q2.1接通B液閥門開。當B液到達限制位后傳到ET 200M的I2.1信號斷開，Q2.1斷開B液閥門關(guān)閉，同時Q2.3接通攪拌機開始工作，并按照規(guī)定時間運行2 min，I0.2接通表示攪拌機在工作。攪拌機運行2 min滿后，Q2.2接通攪拌機出口閥打開。

4 結(jié) 語

本研究介紹了基于PROFIBUS-DP的主站與從站通信的實現(xiàn)方法，通過使用STEP7從硬件和軟件方面對系統(tǒng)進行了設(shè)計，包括PLC的硬件組態(tài)、通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，給出了系統(tǒng)的部分軟件程序，在現(xiàn)有的設(shè)備上，模擬了遠程控制I/O設(shè)備的功能。

本研究模擬從站接受到傳感器發(fā)過來的信號，以及從站發(fā)出對閥門的控制信號，但是如何將從站與具體的這些傳感器、閥門，執(zhí)行器等器件相連，可以做進一步的研究，希望能將PROFIBUS-DP從站最終實現(xiàn)工程上的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展要求底層儀器儀表具有基本的智能化功能，并且能在底層設(shè)備中實現(xiàn)基本的控制規(guī)律，因此可以進一步研究將控制算法集成到從站，組成一個既有現(xiàn)場總線通信功能又有控制算法的智能從站控制單元。

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