基于PROFIBUS-DP总线技术的PLC与主从站间的通信

1前言目前在工业控制中大量使用的DCS系统在实际应用中逐渐显示出许多不足，工业生产过程中采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为信息孤岛，而且这些不足对DCS来讲是无法从根本上得到解决。所以有必要考虑一个全新的控制系统，以解决目前DCS系统存在的问题，而现场总线控制系统，即FCS(FieldBusControlSystem),将是最好的选择。2现场总线的优点现场总线是将智能化现场设备、自动化系统通过总线连在一起，实现互操作。它的出现，促进了现场设备的数字化和网络化，并且极大的加强了现场控制的功能，使过程控制系统具有开放性，并成为兼具测量、控制和过程诊断等综合能力的控制系统。现场总线控制系统是基于底层控制网络、开放式、数字化、多点通信的控制系统。与传统的DCS系统相比，现场总线系统主要具有以下6个特点:(1)信号传输数字化;(2)标准统一开放;(3)控制功能彻底分散;(4)系统可靠性高、可维护性好;(5)对现场环境的适应性;(6)降低了系统及工程成本。国际上现场总线标准群雄并起，说明了这一技术的先进性及其良好的发展前景。除此以外，现场总线还有如下优点:第一，一条通讯线连接N台控制设备或仪表，减少了安装费用，缩短了工程工期，易于维护，可靠性高，抗干扰能力强，精度高;第二，互换性、互操作性好，不同制造厂生产的仪表可以互连;第三，控制分散，现场控制仪表不仅有检测功能还有运算和控制功能，使控制回路彻底分散。3PLC与主站PLC是以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置，它既能改造传统的机械产品成为机电一体化新一代产品，又适用于生产过程控制，凭借其卓越的可靠性、抗干扰性和可编程性，目前已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。本文主要介绍如何通过PROFIBUS-DP适配卡CP5611完成作为一类主站PLC与二类主站PC间的通信及PLC与从站间的连接问题。PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成。主站能控制总线，当主站得到总线控制权时可以主动发送信息。主站又可分为一类主站和二类主站。一类主站是可决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息。二类主站是操作员工作站、编程器、操作员接口等，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。从站为简单的外围设备，典型的从站为传感器、执行器及变送器，它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予回答，或者主站发出请求时回送给该主站相应的信息。典型的从站包括:输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器。主站之间使用令牌环方式通信，主站与从站之间采用主－从方式通信。本文中的一类主站是指PLC，二类主站是通用PC机。其通信原理如图1所示。PROFIBUS协议基础为OSI/ISO网络参考模型，它仅使用了第一层物理层、第二层数据链路层和用户层，第三到第七层没有使用。若选用PLC作为一类主站存在两种情况:其一是处理器CPU带内置PROFIBUS接口(这种CPU通常具有一个PROFIBUS-DP和一个MPI接口);其二是PROFIBUS通信处理器(CPU不带PROFIBUS接口，需要配置PROFIBUS通信处理器模块)。PC机加PROFIBUS网卡可作为主站，这类网卡具有PROFIBUS/DP/PA/FMS接口。选择与网卡配合使用的软件包，软件功能决定PC机作一类主站还是二类主站。本文选择CP5611网卡，软件选择Step7软件包，因此PC机仅作为编程监控的二类主站。CP5611自身不带微处理器，是短PCI卡，可运行多种软件包，9针D型插头可成为PROFIBUS－DP和MPI接口。它具有以下功能:(1)DP功能PG/PC机成为一个PROFIBUS-DP一类主站，可连接DP分散型I/O设备。主站具有DP协议诸如初始化、数据库管理、故障诊断、数据传输及控制等功能。(2)S7FUNCTION实现SIMATICS7设备之间的通信。用户可使用PG/PC对SIMATICS7/S5编程。(3)支持SEND/RECEIVE功能。(4)PGFUNCTION使用STEP7PG/PC支持MPI接口。4PLC与从站4.1信息内容PLC与从站之间的数据传送由一个串行通信请求启动，发出请求的从站叫做源，接受请求的从站叫做目标，该串行通信请求设置在用户程序中，包含下列信息:(1)接收通信请求的目标或从站的标识号;(2)数据传送的方向(数据可以双向传送);(3)数据传送的目标地址;(4)数据传送的源地址;(5)传送的数据数量。4.2格式要求当源从站的用户程序启动通信请求后，上述通信请求信息被传送给通信控制，通信控制将这些信息转换成适用于串行线接口发送的适当格式，该格式有如下要求:(1)根据标准信息码，对需要的信息是进行编码还是解码;(2)根据通信协议，对通信请求信息和发送的数据文本是进行汇编还是反汇编;(3)对传送过程中出现的错误的检查方法。一旦启动了通信请求，且数据已进行了正确的格式转换，串行接口将通过串行通信线把数据发送出去。在图2中，主计算机通过启动以一个查询序列开始的通信请求来和远方从站建立通信，为保持该通信，被请求的从站必须在适当的时间确认该查询。通信建立以后，主计算机向PLC发送一个传送数据文件块所必须的标题语言，一旦PLC接收了这个标题信息，则数据文件就可以在主计算机和PLC之间进行传送。当PLC接收到数据信息以后，就按照数据传送的相反顺序对这些数据信息进行处理。首先将它们从串行方式转换为并行方式，然后从协议中抽取字符以一定的方式对它们进行处理，最后，这些数据信息通过用户程序从PLC的一个存储器送到另一个存储器。5结束语PLC与现场仪器的通信，完成了DP网络的功能，使控制分散化，降低了系统的工作风险，将在现场应用中起到不可忽视的作用。PLC在DP网络中与二类主站的通信，不仅可以满足调试和监视程序运行的功能，而且可以在二类主站上编写一段人机界面，方便工作人员更直观方便的监视现场仪器的工作状态。