基于PROFIBUS-DP现场总线的机械手控制系统毕业设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目 录摘要1 前言21.绪论3 1.1 课题来源与研究内容31.2 现场总线概念及特点31.3 典型现场总线简述41.4 现场总线的发展趋势52.Profibus现场总线概述62.1 Profibus协议结构与 OSI参考模型62.2 Profibus物理层72.3 Profibus数据链路层82.4 Profibus应用层93. Profibus-DP协议103.1 Profibus-DP的基本功能103.2 Profibus-DP的数据通信133.3 Profibus-DP的交叉通讯方式143.4 Profibus-DP的技术优势154. 西门子 PLC的 Profibus总线通信实现164.1课题要求164.2可编程控制器 S7-300的实验系统组成164.3硬件组态与参数设置194.4 Profibus现场总线控制网络的组网265.上位机监控软件的研究与设计345.1 WinCC 组态软件的功能和特点345.2利用组态软件 WinCC设计系统监控界面366. 结论与展望43 46 1致谢44参考文献45基于 PROFIBUS-DP现场总线的控制系统设计摘要：本文分析了 Profibus-DP现场总线中的物理层、数据链路层等通信模型的技术特点，对 Profibus网络相关的单主、多主问题进行了论述。采用 STEP7软件对已有的 s7-300实验设备进行了实际组态，完成了硬件选型，程序块定义及梯形图程序编辑及仿真调试、下载，同时利用西门子公司 WinCC软件实现了上位机与 PLC的通讯, 完成了 S7-300与 S7-200的 EM277之间的 Profibus-DP通讯。这一研究的目的在于实现基于 Profibus-DP现场总线的 Siemens PLC S7-300控制系统设计及组态，包括 PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。对于总线协议的研究可以更深入的掌握 PROFIBUS的通信机制。PLC 控制系统与现场总线技术的结合，实现了系统高速实时通信的目的，增强了系统的稳定性，安全性和实时性。关键词:Profibus-DP 现场总线，S7-300 PLC，WinCCAbstract：This artical analyzes the technical features of the communications model such as Profibus-DP fieldbus physical layer, data link layer and discuss the Profibus network-related, single owner, more than on the main issues. Using STEP7 software to actual configure the existing laboratory equipment s7-300, completing the hardware selection, block definition and simulation ladder program editing and debugging, downloading;at the same time use Siemens WinCC software achieving the communication of a PC and PLC, completing the S7-300 and S7-200s EM277 communication between the Profibus-DP.The purpose of this study is to design and configure Siemens PLC S7-300 control system based on Profibus-DP Field-Bus,which including the PLC control system design, manage and monitor PC system design. The study of bus protocol can be more in-depth master of the communication mechanism Profibus master.The Combination of PLC control system and fieldbus technology,realizing the purpose of high-speed real-time system communication, and enhance the system stability, security and real-time.Keywords: Profibus- DP Field-Bus, S7-300 PLC, WinCC 46 2前言：自上世纪 40 年代以来，工业控制系统开始了逐步发展成熟的步伐。当时采用只具备简单测控功能的现场基地式仪表，即第一代过程控制系统(气动控制系统或 PCS)。气动控制系统一直沿用到 20 世纪 60 年代才结束其主导地位，而目前在类似防爆等特殊场合下仍发挥着不可替代的作用。开始应用 420mA 模拟信号标准的第二代控制系统( 模拟控制系统或 ACS)标志着控制系统的又一次飞跃。但是由于不同的传感器和执行器信号的定义有所不同，大量仪表的信号标准难以规范，这样限制了控制系统的规模和性能，降低了系统集成度。随着数字计算机在测量、模拟和逻辑控制领域被广泛使用，从而产生了集中控制系统，即第三代过程控制系统(CCS)。采用单片机、 PLC 或微机作为控制器传输数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统抗干扰能力，易于根据全局情况进行控制计算和判断。在控制方式、控制实际的选择上可以同意调度和安排。但集中式计算机控制系统存在可靠性问题，一旦作为控制中心的计算机发生故障，将导致生产全面瘫痪 1。为了改善 CCS 的缺陷，第四代过程控制系统(DCS)应运而生。它采用集中管理，分散控制的方法，有力地克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。因此 DCS 系统在电力、石油、化工等重要领域得到普遍应用。但是，出于垄断经营的目的各大系统集成厂商采用各自封闭的控制通信模式，不同场设设备能以实现通信与信息连接。因此，DCS 成为一种封闭转用的、不具有大范围可操作性分布式控制系统。电子信息技术的飞速发展又给自动化工业控制系统带来了深刻的变革。逐步形成了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息系统。它具有开放、数字化、容易进行数据交换的特点。它利用现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成数字式、双向传输、多分支结构网络特色的自动控制系统。这样，现场总线成为当今3C(ComPuter、Control、Communication) 发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，而且是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。因此，现场总线控制系统及时一个开放的通信网络，又是一种分布式控制系统，它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为控制节点的职能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化控制系统。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化控制系统得到越来越广泛的应用 2。在 PLC 控制系统中应用现场总线技术实现 PLC 与现场设备、客户端、服务器间 46 3实时通信，达到分散优化综合控制是工业控制领域的热门问题。综合控制系统设计的优良直接影响着工业生产的经济性。深入研究应用 PLC 及现场总线控制技术会为我国在工业自动化领域的进一步发展做出有益贡献。工控行业领军企业的西门子的 PROFIBUS 与 SIMATIC 系列 PLC 控制系统提供了完善的软硬件支持和系统的解决方案。这样缩短了工控系统的开发周期，扩展了设备间的通信能力，优化了软件设计，增强了系统兼容性。因此从理论上研究 PROFIBUS现场总线以及深入探讨西门子 SIMATIC 系列 PLC 能够拉近我国工业自动化与外国的差距，提升我国自动化产业的竞争力 。21. 绪论1.1 课题来源与研究内容本课题为采用自动化学科现有的西门子设备进行 Profibus-DP组网技术研究的课题，来源于三峡大学电气信息学院实验室建设项目设计性课题。本次研究的主要内容包括对Profibus-DP现场总线中的物理层、数据链路层等通信模型以及技术特点的分析；对STEP7软件的组态方法研究；采用STEP7软件对已有的S7-300试验设备进行实际组态；完成 PLC300通过 EM277与PLC200 DP网通讯组态以及利用WinCC软件对温度信号的监控。首先，研究 Profibus 现场总线的通信协议、应用接口，及其协议架构以及与 PLC和监控管理设备的互联；其次，研究 Siemens PLC S7-300 的软硬件应用，研究SIMATIC 应用及 WinCC 组态；最后，以 PLC300 通过 EM277 与 PLC200 通讯为例，搭建成具有一定开放系统特性的基本系统，包括 PLC 控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。1.2 现场总线概念及特点现场总线是 连 接 智 能 现 场 设 备 和 自 动 化 系 统 的 全 数 字 、 双 向 、 多 站 的 通 信 系 统 。主 要 解 决 工 业 现 场 的 智 能 化 仪 器 仪 表 、 控 制 器 、 执 行 机 构 等 现 场 设 备 间 的 数 字 通 信以 及 这 些 现 场 控 制 设 备 和 高 级 控 制 系 统 之 间 的 信 息 传 递 问 题 。 主 要 用 于 ： 制 造 业 、流 程 工 业 、 交 通 、 楼 宇 、 电 力 方 面 的 自 动 化 系 统 中 。现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线，是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动化技术的产物，将微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信的能力。 46 4现场总线的特点：1） 系统的开放性。通信协议一致公开，不同厂家的设备之间可实现信息交换，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。2） 互可操作性与互用性。互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。3） 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。4） 数字化通信。在系统中间层或不同层的总线设备之间（从变送器、传感器到调节阀等）均采用数字信号进行通讯。用数字信号代替模拟信号可实现一对电缆上传输多个信号，同时又为多个设备提供电源 。35） 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。1.3典型现场总线简述上世纪 80 年代以来，国际上的知名大公司先后推出了几种工业现场总线和现场通讯协议，目前流行的主要有 FF(Fieldbus Foundation 基金会现场总线)、Profibus(Process Fieldbus)、CAN(Controller Area Network 控制器局域网)、WorldFIP(Factory Instrumentation Protocol 世界工厂仪表协议)等。其主要技术差异及适用场合如下： 1） FF 现场总线 基金会现场总线以 ISO/OSI 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 FF 通讯模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。FF 分低速 H1 和高速 H2 两种通讯速率。H1 的传输速率为 1.25kbit/s，通讯距离可达 1900m(可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本质安全防暴环境。H2 的传输速率为 1M 和 2.5kbit/s两种，其通讯距离分别为 750m 和 500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合 IEC11582 标准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。主要应用在过程自动化领域，如：化工、电力、油田和废水处理等。 2） Profibus 现场总线 Profibus 系列由 Profibus-DP、Profibus-FMS 和 Profibus-PA 等 3 个兼容部分组成。 46 5Profibus 采用了 OSI 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集。Profibus 的传输速率为 9.6kbit/s12Mbit/s，最大传输距离在 12Mbit/s 时为100m，1.5Mbit/s 时为 400m，可用中继器延长至 10km。其传输介质可以是双绞线和光缆。主要应用领域有：DP 型适合于加工自动化领域的应用，如制药、水泥、食品、电力、发电、输配电；FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化制造业自动化；PA 型则是用于过程自动化的总线类型。 3） CAN 现场总线 CAN 的网络设计采用了符合 ISO/OSI 网络标准模型的三层结构模型：即物理层、数据链路层和应用层，网络的物理层和链路层的功能由 CAN 接口器件完成，而应用层的功能由处理器来完成。通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性；采用短帧结构，传输时间短，抗干扰；节点分不同优先级，可满足不同的实时性要求。其传输介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤等，通讯速率最高可达 1Mbit/s(40m)，直接传输距离最远可达 10km(5kbit/s)。主要应用领域有：汽车制造、机器人、液压系统、分散性I/O、工具机床、医疗器械。 4）Lonworks 现场总线 LonWorks 采用了与 OSI 参考模型相似的 7 层协议结构， LonWorks 技术的核心是具备通信和控制功能的 Neuron 芯片。Neuron 芯片实现完整的 LonWorks 的 LonTalk通信协议，节点间可以对等通信。LonWorks 通信速率为 78K bit/s1.25M bit/s，支持多种物理介质，有双绞线、光纤、同轴电缆、电力线载波及无线通信等；并支持多种拓扑结构，组网灵活。主要应用领域有：工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA 系统等，在组建分布式监控网络方面有优越的性能。 5）WorldFIP 现场总线 WorldFIP 现场总线体系结构分为过程级、控制级和监控级等 3 级，其协议由物理层、数据链路层和应用层组成。其通信速率有31.25K bit/s、1M bit/s、2.5M bit/s、25M bit/s。传输介质采用屏蔽双绞线和光纤。它能满足用户的各种需要，适合于集中型、分散型和主站从站型等多种类型的应用结构。用单一的 WorldFIP 总线可满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统的需要。主要应用领域有：电力工业、铁路、交通、工业控制、楼宇 。41.4 现场总线的发展趋势现场总线按不同的标准可以划分成几种不同的类型：按照控制范围来分，可以分为设备级总线、车间级总线、工厂级总线；按照控制任务来分，可以分为过程现场总线和自动化现场总线；按照应用领域来分，又可以分成楼宇控制、交通控制、电厂控 46 6制、加工制造控制等等。在设计一个复杂的大系统时，需要根据各个部分的要求，选择不同的现场总线，最后又将这几种现场总线整合在一起，进行监控和维护。这样的系统设计不仅成本高，而且管理维护相当困难。现场总线的发展趋势是扁平化，一体化，即用一根总线就可以实现各种功能。工业以太网就是将来的发展趋势。工业以太网能够实现一网到底，把设备级总线设备、车间级总线设备、工厂级总线设备都挂接在工业以太网上，按照不同设备完成不同控制要求。由于采用了一线制，施工设计的周期短了，投资也比以前节省了，管理维护也方便了。工业以太网给我们带来的好处是不言而喻的 。52. Profibus现场总线概述Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场级到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。2.1 Profibus协议结构与 OSI参考模型Profibus协议结构是根据 ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层。从下图可以看出 ，PROFIBUS 协议采用了 ISO/OSI 模型中的第 1 层、第 2 层以及必要时还采用了第 7 层。第 1 层和第 2 层的导线和传输协议依据美国标准 EIA RS4858、国际标准 IEC 870-5-13和欧洲标准 EN 60870-5-14。总线存取程序、数据传输和管理服务基于 DIN192415标准的第 1 到 3 部分和 IEC 9556标准。管理功能（FMA7）采用 ISO DIS 7498-4（管理框架）的概念。 46 7图 2.1 Profibus 协议结构从用户的角度看，PROFIBUS 提供了三种通信协议类型：DP，FMS 和 PA。1）ProfibusDP：定义了第一二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUSDP 设备的设备行为。2）ProfibusFMS：定义了第一二七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低层接口(Lower Layer Interface LLI)。FMS 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。3） ProfibusPA：PA 的数据传输采用扩展的 ProfibusDP 协议。另外，PA 还描述了现场设备行为的 PA行规。根据 IEC11582 标准，PA 的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在 DP上扩展 PA网络。注：第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三六层末使用，第七层为应用层 。62.2 Profibus物理层现场总线系统的应用既要考虑传输距离以及传输速度，又必须经济、可靠，为了满足复杂的工业应用的实际要求，PROFIBUS 提供了 DP和 FMS的 RS485传输、PA 的IEC1158-2传输以及光纤传输。1) DP和 FMS的 RS-485传输RS-485 通常称为 H2，传输速度可选用 9.6kbs12Mbps，是 Profibus 最常采用的一种传输类型。它采用屏蔽双绞线电缆，共用一根导线对，电缆的最大长度取决于传 46 8输速度；网络拓扑为线形总线，两端有有源总线终端电阻；不带转发器，每段 32 个站，带转发器最多可达 127 个站；采用 9 针 D 副插头连接器。RS-485 标 准 是 半 双 工 通 信 协 议 ， RS-485 适 用 于 收 发 双 方 共 享 一 对 线 进 行 通信 ， 也 适 用 于 多 个 点 之 间 共 享 一 对 线 路 进 行 总 线 方 式 联 网 ， 但 通 信 只 能 是 半 双 工的 。2) 用于 PA 的 IEC1158-2 传输技术IEC1158-2 传输技术通常称为 H1，用于 PROFIBUS-PA，能满足化工和石化工业的要求，可保持其本质安全并使现场设备通过总线供电，是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输。IEC1158-2 采用屏蔽或非屏蔽双绞线，传输速度为 31.25kbps；拓扑类型为线形或树形，或两者结合：不带转发器，每段 32 个站，可扩展至 4 台转发器，最多可达 126 个站。本质安全，总线供电。耦合器可将 RS485 信号与 IEC1158-2信号相适配，从而实现 IEC1158-2 传输技术的总线段与 RS485 传输技术的总线段的连接。3) 光纤传输技术在电磁干扰很大的环境下，可使用光纤以增长高速传物的最大距离，降低干扰 。72.3 Profibus 数据链路层在 Profibus 中，第 2 层称为现场总线数据链路层（ FDL,fieldbus data link） 。介质存取控制（MAC,medium access control）控制数据传输的程序，MAC 必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。Profibus 协议的设计要满足介质存取控制的基本要求。1) 在复杂的自动化系统（主站）间通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。2) 在复杂的程序控制器和简单的 I/O 设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。因此，Profibus 总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。令牌程序保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权（令牌） ，令牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的，在 Profibus 中，令牌只在各主站之间通信时使用。主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息，通过该方法可实现以下几种系统配置方式：1）纯主站一从站系统（主一从机制）2）纯主站一主站系统（令牌传递机制） 46 93）混合系统纯主站一从站系统中配有多个从站，而只有一个主站。主站享有控制权，可以发送信息给从站，并且可以从从站获取信息。由三个主站和四个从站构成的纯主站一主站系统配置如图 2.2 所示。三个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌电文后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内，它可依照主一从关系表与所有从站通信，也可依照主一主关系表与所有主站通信。图 2.2 纯主站主站系统令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定的时间内安装地址的升序在各主站中依次传递。在总线系统初建时，MAC 的主要任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。此外，MAC 保证令牌按地址升序依次在各主站间传送，各主站的令牌具体保持时间长短取决于该令牌配置的循环时间。MAC 的特点是监测传输介质及收发器是否损坏，检查站点地址是否出错以及令牌错误。数据链路层的另一个重要任务是保证数据的完整性，这是依靠所有电文的海明间距 HD 为 4，按照国际标准 IEC870-5-1 制定的使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节同步传输及每个字节的奇偶校验保证的。数据链路层按照非连续的模式操作，除提供点一点逻辑数据传输外，还提供多点通信（广播及有选择广播）功能 。82.4 Profibus 应用层Profibus 的应用层各不相同，在这里只说明 Profibus-DP 的应用层。报文有效数据最多为 244 字节，有效的站地址为 126(不含 126，126 是投运时总线监视器的默认地址，并不可更改)，支持组播和广播。组播是将报文发送到预先选择的一组站点，广播将报文发送到所有的站。广播报文的目的地址是 127，所有的从 46 10站均接收此报文。在组播报文发送前由一帧特定报文将要接收该报文的组号(组态时可以将从站分组)发送，然后发送组播报文，于是其被特定的组接收。所有的从站具有相同的优先权。某一主站在接收其主站参数记录后，该主站即开始和指定的从站交换数据，主站参数记录包括参数化/ 组态数据、连接从站的地址配置表和总线参数。在启动时，主站设定通信连接和监视连接的时间，每次收到一有效的报文时，从站也触发其监视时一间。该监视时间由主站设定，通信中如有错误，则参与的从站能立即检测并用诊断报文报告，同时从站设定输出为一特殊状态(State)，必须有主站对其进行参数化和组态才能重新传输数据。为了保证数据的安全，主站只能对它已经参数化和组态过的从站写入数据。参数化报文和组态报文保证主站知道从站的组态和功能。如需新增加一个从站到总线上，用户应对新增的从站组态，使主站知道有新的从站加入到总线上。也可应用己经存在的组态作为基础，主站能够自动地检测一个新的活动的站。要交换的输入数据和输出数据的长度应由用户在组态报文时规定，每一次数据交换时，均需监视报文是否符合规定的数据长度 8。每一个报文含有一个 SSAP(源服务存取点) 和一个 DSAP(目的服务存取点以指示要执行的服务。基于检测 SAP，每个站都能清楚地辨认出什么数据已被请求和需要提供什么样的响应数据。Profibus-DP 有以下 SAP:Default SAP:数据交换;SAP54:主一主通信;SAP55:改变站地址;SAP56:读输入;SAP57:读输出;SAP58:到 DP 从站的控制命令;SAP59:读组态;SAP60:读诊断信息;SAP61:传送参数;SAP62:校核组态。3.Profibus-DP协议PROFIBUS-DP用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线与分散的现场设备（如阀门、驱动器等）进行通信，大部分数据交换是周期性的，此外，智能现场设备还需要非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处理。3.1 Profibus-DP的基本功能 46 111) 功能DP 主站和 DP 从站间的循环用户数据传送。各 DP 从站的动态激活和撤销。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线为 DP 从站赋予地址。通过总线对 DP 主站进行配置。每个 DP 从站最大为 246 字节的输入和输出数据。2) 传输技术RS485 双绞线双线电缆或光缆。波特率 9.6kbps-12Mbps。3) 总线存取各主站间令牌传送，主站与从站间数据传送。支持单主或多主系统。主一从设备，总线上最多站点数为 126。4) 设备类型一类 DP 主站（DPMI ）：中央可编程控制器，如 PLC,PC 等。二类 DP 主站（DPM2 ）：可编程、可组态、可诊断的设备。DP 从站：带二进制或模拟输入输出的驱动器、阀门等。DP 主站的主要任务有：(1) 启动时初始化主站系统，通过读取诊断数据检查 DP 从站是否准备就绪，检查其它主站是否组态、配置了该从站，然后进行从站配置；(2) 检查从站组态是否与主站组态一致，一致则开始循环数据传输，否则，读取诊断信息，并报告错误信息；(3) 与 DP 从站进行循环数据传输；(4) 对 DP 从站的监侧：(5) 采集诊断信息：(6) 处理控制请求，包括输入输出同步控制，DP 从站起停控制等：(7) 读取共享输入输出数据；(8) 当 DP 主站停止或故障时，系统进入安全状态。DP 从站的主要任务有：(1) 接收来自主站的信息，包括组态参数、配置参数等； 46 12(2) 提供过程数据；(3) 提供诊断数据；(4) 提供输入输出数据等。Profibus-DP 允许构成单主站或多主站系统，典型的 DP 配置是单主站结构如图3.1 所示，在单主站系统中，在总线系统操作阶段，只有一个活动主站，从站被主站按轮循环表一次访问。单主站系统可获得最短的总体循环时间。多主站配置中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统，如图 3.2 所示。任何一个主站均可读取 DP 从站的输入输出映像，但只有一个主站可对 DP 从站写入输出数据，多主站系统的循环时间要比单主站系统长。5) 运行模式运行：输入和输出数据的循环传送。第一类 DP 主站由 DP 从站读取输入信息并向 DP 从站写入输出信息。清除：第一类 DP 主站读取 DP 从站的输入信息并使输出信息保持为故障-安全状态；停止：只能进行主一主数据传送，第一类 DP 主站和 DP 从站之间没有数据传送。6) 通信点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）循环主一从用户数据传送和非循环主一主数据传送7) 同步控制指令允许输入和输出同步同步模式：输出同步锁定模式：输入同步图 3.1 单主站系统 46 13图 3.2 多主站系统3.2 Profibus-DP的数据通信1）DP 主站之间的通信DP 主站之间采用令牌环方式进行通信，主站按地址的升序依次排列，控制令牌按顺序一次在主站之间进行传递，获得令牌的站具有控制权，可发送数据，令牌的工作传递过程如图 3.3 所示。如主站 1 需向主站 3 发送数据，当令牌传递到主站 1 时，主站 1 将要发送的数据按图 3.4 所示的格式发往主站 2，主站 2 将本站的地址与接受到的帧信息中的目的地址进行比较，两者不同，则主站 2 将帧信息继续传递后到达主站 3。此时，主站 3 将本站的地址与接受到的帧信息中的目的地址进行比较，比较相同后，主站 3 对帧信息进行差错校验，并将校验结果以肯定或否定应答填入 ACK 段中，把该帧信息复制之后将其继续向下传递给主站 1。主站 1 将本站的地址与源地址进行比较，比较相同后检查 ACK 是否为肯定应答，若检查到已为肯定应答，则去除帧信息，将令牌交出继续在环内传递。如果 ACK 的检查结果为否定应答，则主站 1需重新发送。图 3.3 逻辑令牌环图 3.4 帧结构2）DP 主站一从站之间的通信(1) DP 通信关系和 DP 数据交换通信作业的发起方为请求方，通信的另一则为响应方。一类 DP 主站的请求报文使用第 2 层(数据链路层) 的 “高优先权”报文服务级别。而 DP 从站发出的响应则以第 2 层中的“低优先权”报文服务级别处理。DP 从站将当前出现的诊断中断或状态 46 14事件通知给 DP 主站，仅在此刻，可通过将 Data-Exchange 的响应报文服务级别从“低优先权”改变为“高优先权”来实现。(2) 初始化阶段、再启动和用户数据通信DP 从站初始化阶段的主要顺序如图 3.5 所示。DP 主站首先检查从站是否在总线上，如果检查到 DP 从站己在总线上，则 DP 主站通过请求从站的诊断数据来检查 DP从站的准备情况。检查到 DP 从站己准备就绪之后，DP 主站装在参数集和组态数据。然后 DP 主站再请求从站的诊断数据以判断从站是否准备好进行数据交换，进行完上述工作一切就绪之后，DP 主站才开始循环地与 DP 从站进行用户数据通信 。9图 3.5 从站初始化阶段的主要顺序3.3 Profibus-DP的交叉通讯方式PROFIBUS-DP 的另一种数据交换方式为交叉通信方式，也称为“直接通信”方式。这种通信方式常被西门子公司的 SIMATIC S7 系列 PLC 采用。在交叉通信时，DP 从站不用一对一的报文响应 DP 主站，而是用特殊的一对多的报文响应。1）交叉通信间的主一主关系某个多主站系统的主一从关系如图 3.6 所示，系统中有两个 DP 主站、三个 DP 从站。如图所示，主站 Y 制定从站 2 和从站 3，主站 X 制定从站 1，同时主站 X 可以接受从站 2 和从站 3 的输入数据。 46 15图 3.6 交叉通信间的主从关系2）交叉通信的从一从关系采用交叉通信的另一种数据交换类型为从一从关系，如图 3.7 所示，其中使用智能从站，如 SIMATIC S7 系列 PLC 中的 CPU315-2DP。在这种通信方式中，智能从站可以接受其它 DP 从站的输入数据 。103.7 交叉通信间的从从关系3.4 Profibus-DP的技术优势1）总线存取协议PROFIBUS 的三种协议 DP,PA 和 FMS 采用一致的总线存取协议，数据链路层采用混合介质存取方式，包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。得到令牌的主站可在一定时间内执行本站的工作，保证了每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权，避免冲突。较其它一些总线标准采用冲突碰撞检测的方式来避免冲突，PROFIBUS 的总线存取协议能保证较快的传输速度。2）灵活的配置根据具体对象的不同，可以灵活的选择不同的系统配置，如单主站系统、多主站系统或者采用 PROFIBUS-DP 与 PROFIBUS-FMS 相结合的混合系统，来实现复杂系统的高速数据传输，它们可在同一根电缆上同时运行。 46 163）本质安全目前，就世界范围内被普遍接受的电气设备防爆技术有：隔爆（Exd） 、增安（Exe） ,本质安全（Exi） 、正压（Exp ）和封浇（Exm）等。对于自动化仪表，最理想的保护技术是以抑制电火花和热效应能量为防爆手段的本质安全技术。其实质就是，要保证电气设备在正常工作和规定故障状态下产生的电火花和热效应不足以引起潜在的爆炸性混合物的爆炸。PROFIBUS-PA 通过总线给现场设备供电，实现本质安全。4）功能强大的 FMS 服务FMS 用于处理单元级（PLC,PC）的数据通信，FMS 提供大量的管理和通信服务，主要包括：各种管理服务、程序调用服务、变量存取服务等，以满足不同设备对通信提出的广泛要求 。14.西门子 PLC的 Profibus总线通信4.1课题要求1）采用 STEP7软件对已有的 S7-300实验设备进行实际组态，掌握其组态过程、方法；2）实现 PC机与 S7-300的通讯。3）实现对 Pt100热电阻的模拟量采集，并在上位机 WinCC中监控。4）建立 Profibus-Dp网，通过 EM277实现 S7-300与 S7-200的通讯。4.2可编程控制器 S7-300的实验系统组成4.2.1系统硬件：S7-300/400 属于模块式 PLC，主要由机架、电源模块、 CPU 模块、接口模块、信号模块、功能模块、通信处理器和编程设备组成。图 4-1 PLC 控制系统示意图1) 电源模块PS 307电源模块将120/230V交流电压转换为24V直流电压，为 S7-300/400、传感器和执行器供电。输出电流有2A、5A或10A 3种。电源模块安装在DIN导轨上的插槽 46 171。2) CPU 模块S7-300 CPU 的分类：（1）紧凑型CPU：CPU 312C，313C，313C-PtP ，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有I/O。（2）标准型CPU：CPU 312，CPU 313，314，315 ，315-2DP和316-2DP。（3）户外型CPU：CPU 312 IFM，314 IFM，314户外型和 315-2DP。在恶劣的环境下使用。（4）高端CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。（5）故障安全型CPU：CPU315F。功能最强的CPU的RAM为512KB，最大8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最大65536，模拟量通道最大为4096。有350多条指令。计数器的计数范围为1999，定时器的定时范围为10ms9990s只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的IM365接口模块对。数字量模块从0号机架的4号槽开始，每个槽位分配4个字节的地址，32个I/O点。模拟量模块一个通道占一个字地址。从 IB256开始，给每一个模拟量模块分配8个字。3) 信号模块（SM ）(1) 数字量输入 /输出（DI/DO ）模块 数字量输入（DI）模块 SM321 数字量输出（DO）模块 SM322 数字量输入/输出（DI/DO）模块 SM323(2) 模拟量输入输出（ AI/AO）模块 模拟量输入（AI）模块 SM331 模拟量输出（AO）模块 M332 模拟量输入输出（AI/AO）模块 SM3344) 功能（ FM）模块5) 接口（ IM）模块4.2.2编程软件 STEP71) STEP7 的硬件接口PC/MPI 适配器用于连接装有 STEP7 的计算机的 RS-232C 接口和 PLC 的 MPI 接口，计算机一侧的通信速率为 19.2Kbit/s 或 38.4Kbit/s，PLC 一侧的通信速率为 46 1819.2Kbit/s1.5Mbit/s。除了 PC 适配器，还需要一根标准的 RS-232C 通信电缆 12。使用计算机的通信卡 CP5611（PCI 卡） 、CP5511 或 CP5512（PCMCIA 卡） ，可以将计算机连接到 MPI 或 Profibus 网络，通过网络实现计算机与 PLC 的通信。也可以使用计算机的工业以太网卡 CP1512（PCMCIA 卡）或 CP1612（PCI 卡） ，通过工业以太网实现计算机与 PLC 的通信。在计算机上安装好了 STEP7 后，在管理器中执行菜单命令“Option ”“Setting the PG/PC Interface”,打开“Setting the PG/PC Interface”对话框。在中间的选择框中，选择实际使用的硬件接口。点击【Select】按钮，打开“Install/Remove Interface”对话框，可以安装上述选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。点击【Properties】按钮，可以设置计算机与