PROFIBUS单主站控制系统介绍

PROFIBUS是开放的标准，原则上该协议可以在任何处理器上实现，在处理器内部或者外部安装异步串行通信接口（UART）即可。基于上述特点，在开发PROFIBUS-DP主站时，主要有以下两种解决方案：

1）由微处理器运行完整的协议栈来实现。这种方案完全由软件来实现PROFIBUS协议，开发整个协议栈软件难度很大，大多数开发者一般都向专门的开发商购买。

2）由协议ASIC芯片外加其扩展固化程序来实现。这种实现方案是采用最多的一种，由专用的ASIC芯片实现PROFIBUS协议数据链路层的介质访问控制功能，而数据链路层的其他功能则由微处理器运行其扩展固化程序实现。目前可用于这种方案的ASIC芯片主要有西门子公司的ASPC2、M2C公司的IXI和IAM公司的PBM三种。在应用此方案实现主站时，可以有两种选择，一是向上述三个公司购买完整的开发平台，包括ASIC芯片、固化程序以及相应的硬件与开发软件；二是只购买ASIC芯片以及必要的软硬件开发工具，固化程序由自己编写实现，此法开发难度大，开发周期长。采用后者实现主站的典型例子是HMS公司，由其开发的Anybus-M主站模块采用了西门子公司的ASPC2芯片，但扩展固化程序由HMS公司自己编写，组成一个完整的模块后提供给其他开发者。

1.PLC构成的单主站系统

PROFIBUS允许构成单主站或多主站系统，在多主站配置中，主站与各自从站构成相互独立的子系统，涉及令牌的传递。而作为现场级总线系统，很多情况下是以PLC作为主站构成的单主站系统，这个系统如果不是封闭的（不与外界交换数据而独立运行），则有可能通过PROFIBUS-FMS或别的现场总线连接到车间单元级等更大规模的网络中，除此之外PLC可通过串行RS-232与上位PC（监控层）通信，如图3-20所示。

根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构通常采用线形、树形和环形三种方式。PROFIBUS采用的是线形结构，用一根总干线从控制器连接到受控对象，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有I/O站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道，实现多主式和对等式通信。

（1）系统的结构

整个系统的结构分为三个层次：

1）信息层。车间内部和同厂区其他部门进行数据交换采用标准TCP/IP以太网结构，工业控制部分采用西门子现场总线结构。这种设计可以将生产信息管理网络和工业控制网络区分开来，实现信息分流，便于根据信息管理和工业控制对网络速度及传输可靠度等性能的不同要求进行网络设置，既能满足信息管理大量数据交互的可靠性，又能保证工控信号传递的实时性和准确性。监控工作站、管理工作站、现场信息服务器、数据库及应用软件的用户之间通过TCP/IP通信协议实现信息的传输与共享。数据库中的数据只有通过服务器才能够与用户、现场设备之间进行信息的交流（监控计算机除外）。用户既可以通过Windows内建的IE浏览器实现生产现场信息的获取与交互，也可以直接与数据服务器进行信息的交流，再通过监控计算机实现对现场设备的控制。用户不直接参与控制现场设备与数据库，既保证了数据的安全性与底层设备的健壮性，也保证了人机交互界面的透明性与友好性。

2）控制层。现场控制站是以西门子S7-PLC平台为控制核心，分布在各工艺段，PLC主站之间和中央监控计算机通过PROFIBUS-FMS网络协议相连，实现控制信号的高速传输。PLC自动监测重要设备的运行状态，并对设备进行自动控制，可人工干预调整工艺参数变化。PROFIBUS-FMS使用了第1层、第2层和第7层。应用层（第7层）包括FMS（现场总线报文规范）和LLI（低层接口），FMS包含应用协议和提供的通信服务，LLI建立各种类型的通信关系，并给FMS提供不依赖于设备的对第2层的访问。FMS处理单元级（PLC和PC）的数据通信，功能强大的FMS服务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信任务提供了很大的灵活性。

3）设备层。采用PROFIBUS-DP网络连接分布于车间的传感器和执行机构，将变频器、现场分布式I/O、具有总线接口的工艺设备等直接采用总线电缆连接，实现了数字和模拟I/O信号、智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制器（PLC）之间的数据数字化传输，把I/O信号通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到最小，从而大大节省成本费用，实现了底层设备低成本、高效率的信息集成模式。PROFIBUS-DP使用了第1层、第2层和用户接口层，第3到7层未使用，这种精简的结构可确保高速数据传输。直接数据链路映象程序（DDLM）提供对第2层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议，特别适用于PLC与现场级分散的I/O设备之间的通信。

图3-20 PLC与PC通信结构图

（2）系统配置

1）上位机。采用工控机作上位机，通过CP5611接口卡使工控机与PROFIBUS-DP相连，这样IPC与现场总线就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。上位机监控软件可采用美国Intellution公司开发的基于Window组态软件或西门子公司WinCC软件，可实现动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等功能，并提供一个友好的用户界面，使用户根据实际生产需要生成相应的应用软件。

2）SIMATIC S7主站。作为DP主站，CPU位于控制中心。可选用CPU315-2DP模块化PLC，它集成了PROFIBUS-DP现场总线接口，具有强大的处理能力（具有0.3ms处理1024语句的速度）。PLC程序在上位机STEP7中编制完成后下载到CPU315并存储，CPU可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的状态字，控制相应设备。

3）操作站软件配置。操作站软件为PC S7软件，网络平台为Windows操作系统，PC S7自带数据库，并提供监控画面和PLC组态工具。PC S7内含组态软件为STEP7及西门子过程设备管理软件PDM。

操作站主要是在用户和所有系统功能之间提供一个人机界面，各类人员可通过操作站访问各自权限范围内的系统资源。例如，操作员可以调出过程显示画面，观察到过程回路的参数、状态、趋势和报警情况，实现对过程回路的操作和参数的调整。过程工程师可以组态过程、显示画面和过程控制数据库，进行其他各种组态工作。软件工程师可以进入软件开发环境，编写、调试和执行用户的应用程序。系统维护人员可观察到系统各个设备的工作状况，并对这些设备进行诊断操作。基于PROFIBUS-DP网络的控制系统主要有以下几种人机接口界面。

①信息显示画面。主要显示当前运行状态信息，如电动机的速度、变频器的运行频率以及一些故障信息。

②设备控制画面。虽然S7-300能实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，且具有一些控制算法，但复杂的控制功能仍然需要在上位机上实现人工控制，在界面中单击相应设备按钮即可对设备如变频器、变流器等进行单独控制。

③实时报警处理。对系统实时采集的数据进行判断，可根据不同的需要发出不同等级的报警，并按技术要求进行处理、自动进行相应设备控制。

④报表打印及数据曲线显示等。可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为定时打印、事件触发打印。

⑤数据管理。依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化生产过程的控制，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。

4）从站。在图3-20中，从站A为交流变频（流）器，CB1为与之配套的通信处理器。SIMOREGK6RA24为直流变流器，CB24为与之配套的通信处理器。当S7-300或S7-400作PROFIBUS-DP的主站时，可分别带这样的从站（Slave）32个，如加中继器，最多可达127个。这种交直流传动产品，可对电动机进行开、闭环控制，通过CB通信板将从DP网中接受的数据存入双向RAM中。双向RAM中的每一个字都被编址，在变频（流）器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频（流）器写入控制字、设置值或读出实际值，诊断信息等参数。

5）分布式I/OET200M。在图3-20中，从站ET200M是一种模块化的分布式I/O站，通过IM-153接口与PROFIBUS-DP现场总线连接。对于西门子STEP7开发平台，在ET200M上的分散I/O节点的地址排布与传统集中式的地址排布是一致的，所以在编程时就和编制集中式控制程序一样，而且分散I/O的模块地址可以根据用户需要而改变，以适应实际现场调试时的需要。

2.PLC与OP270构成的单主站系统

由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备之间连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的可靠性。此外，现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的设备运行信息和诊断维护信息送入人机界面，用户可以监控所有设备的运行状况，查询故障原因，并可以根据生产工艺的不同要求，设定和修改工艺参数。因此，把现场总线技术和HMI技术应用于控制系统已经成为工业生产过程自动控制的发展趋势和主流。若系统以S7-300 PLC为控制中心，则采用具有强大和丰富控制功能的西门子6SE70矢量变频器作为执行装置，OP270操作面板为操作单元组成全数字现场总线控制系统的设计方案如图3-21所示。

系统中PLC是1类主站，OP面板是2类主站，变频器和远程I/O是从站，变频器对构成的调速系统进行速度闭环控制、转矩控制、电流控制、起动环节、过电流过电压保护控制、工艺调节控制、故障检测和保护、电动机温度监视等。PLC作为主站是整个系统的控制中心，主要实现对变频器的起动、停止、爬行、运行、微升、微降、速度链和负荷分配、张力控制等功能。OP面板通过PLC实现对变频器的停止、爬行、运行、微升、微降、点动、张力给定操作和调整以及用户管理等。

（1）网络硬件组态

图3-21 控制系统方案图

PROFIBUS-DP网络的拓扑结构有纯主—从、主—主、多主—从混合系统三种。主站有PLC、PC、PG编程器、OP操作面板等；从站主要有变频器、远程I/O、PLC等设备。由图3-21可知，该控制系统是多主—从混合系统，因此整个网络的硬件组态包括主站组态、从站组态、OP面板组态三部分。

主站选用S7-300 PLC，CPU选用315-2DP，该CPU有两个DP接口，一个可设置成MPI口，用于与上位机和PG编程器的通信，另外一个DP口用于PROFIBUS-DP网络通信。OP270面板自身带有DP口可以挂在总线上，变频器通过PROFIBUS通信卡CBP2和网络相连，实现与PLC和OP面板的通信。

（2）主站组态

主站是以网络组态的方式组态的。在STEP7中创建一个新项目，插入一个S7-300站，在进行硬件组态时选择PLC的CPU型号为315-2DP，在组态PLC硬件时，当在机架中放置CPU时，产生一条总线，并设定主站地址为2，在进行网络参数组态时设置传输速率为1.5Mbit/s，行规为DP，并将其设置为主站（DP Masller）。

（3）从站组态

在PROFIBUS-DP选项中选择IM153并拖到DP网络上，地址设定为3、4，接着分配I/O地址。然后在PROFIBUS-DP选项中选择Vector Control DCUVC，拖动连接到DP网络上，并定义从站的地址为5。除组网设定地址和通信速率外，还需要组态变频器的通信区。双击变频器从站图标，进入通信接口区。选择PZD为Enterlength，通信方式根据控制系统传送数据的要求，把Master Drive的PPO类型设为PPO2，PKW的通信区起始地址为256，PZD的通信区起始地址为264。然后接着组态另一个从站，直至3个变频器从站组态完毕。

图3-22 利用STEP7编程软件组态系统图(www.xing528.com)

图3-23 数据传输的帧结构图

（4）OP面板在网络中的组态

OP面板也可以作为从站接入DP网，但是OP面板本身要求的实时性较高，数据的修改需要及时发送。如果采用从站方式，则系统数据的传送方式是主站查询方式，实时性不能满足要求，因此采用主站的方式接入网络，形成一个混合系统。OP面板在STEP7中只需要将OP面板图标拖放到PROFIBUS网络上，并设定地址缺省为1。这样整个网络系统就组态完成，如图3-22所示。

（5）PROFIBUS-DP网络的通信方式

PROFIBUS-DP网络通信包括PLC与变频器和远程I/O，PLC与OP面板之间的通信两个方面。主站之间的通信采用令牌方式，主站与从站之间采用主站顺序查询从站方式，从站不能访问主站，从站之间也不能相互访问。OP面板与变频器和远程I/O的通信通过PLC完成。

在系统中，主站通信主要是PLC与OP操作面板之间的数据传输。PLC属于1类主站，OP操作面板属于2类主站。由于采用令牌环方式，系统初始化时，PLC自动负责生成令牌，并对令牌的分配进行管理。拥有令牌的站点有权控制总线，发送或读取某个站点的数据。PLC首先将总线上的主站按站号大小排列形成一个递加的序列，再将序列的第一个站点作为最后一个站点的下一站点，这样就形成了一个逻辑环。

PLC与变频器的通信是通过变频器中插入的通信模块CBP2板来实现的，ET200M是通过接口IM153连接在PROFIBUS-DP上与主站PLC进行通信，PLC主站周期性轮询从站。PLC对ET2020M的操作与PLC本身集成的I/O口的操作一样，PLC对变频器从站读写通过调用S7-300 PLC内部的系统功能SFC14和SFC15实现。在组态时设定的PPO2有6个PZD字同时使用，用来发送控制字和电动机给定频率，接收变频器状态字和频率返回值，监视变频器的电压、电流、电动机转矩、电动机功率等参数；4个PKW字用来通过PROFIBUS-DP总线修改电动机或变频器参数。数据传输的帧结构如图3-23所示。

3.基于Anybus-M模块的单主站系统

Anybus-M模块在初始化时可以设置为DPM1和DPM2，因此主站除了实现DPMl与DP从站之间的主—从功能（包括读取DP从站的诊断信息、设置从站参数、通信接口配置检查、循环数据交换以及全局控制命令）外，还要实现DPM2与DP从站的主—从功能（包括读取从站的通信接口配置、I/O数据，设置从站地址等）。PROFIBUS-DP主站硬件电路如图3-24所示。系统硬件主要由基于PC/104总线的CPU模块SCM7020B、Any-bus-M模块、CPLD逻辑译码电路和复位电路组成。

Anybus-M主站接口模块通过一个DPRAM与外部处理器接口连接，PC/104通过对此DPRAM的访问来实现主站与从站的数据交换，以及对主站模块的访问控制。通过中断或者BUSY信号线来解决PC/104与Anybus-M主站接口模块，同时访问DPRAM的冲突问题。CPLD用于实现地址译码，产生片选信号CS和读/写控制信号。复位电路用于实现PC/104及Anybus-M模块的复位。

（1）Anybus-M主站接口模块

Anybus-M主站接口模块已具有必要的网络协议，板上自带微处理器，独立于自动化设备完成通信协议，同时支持DP和DPV1，具有4KB DP RAM，保证了最多1536B循环I/O数据的高速传输。此外，该模块可以集成在工业自动化设备中，实现与工业现场装置的通信，典型的应用包括人机界面、PLC、数控设备、机器人以及智能可视化设备等。Anybus-M主站模块内部结构简图如图3-25所示，分为应用程序接口和现场总线接口两个部分。

图3-24 PROFIBUS-DP主站硬件电路图

图3-25 Anybus-M主站模块内部结构简图

1）应用程序接口。模块与微处理器的接口为4KB DP RAM。DP RAM根据其应用被划分为以下几个区域：

①Input/Output Data Area。应用程序向Input区域写入发送给从站的数据，从Output区域读取接收的从站数据。

②Mailbox Input/Output Area。应用程序通过发送信箱命令指示模块执行某一具体操作（如初始化、读取从站诊断、设置从站地址等），同时从信箱输出区域读取模块的响应。

③Fieldbus Specific Arc。此区域存储主站和从站网络上的信息，如从站组态列表、数据传输列表、从站诊断列表、主站状态表等。

④Corltrol Register Area。此区域存储模块的版本信息、初始化参数、现场总线类型、事件通知原因等信息。

⑤Handshake Registers。用于区域的分配和回收、事件通知、发送/接收信箱命令等。

2）现场总线接口。由于该模块已完成现场总线底层协议而无需应用程序的干预，提供一个RS-485接口，通过此接口将模块连接到PROFIBUS-DP网络中。

（2）基于PC/104总线的CPU模块SGM7020B

PC/104作为一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是一种优化的小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。它体积小，结构紧凑，可嵌入到对体积和功耗要求都较高的产品中，目前在工业控制领域中应用越来越广泛。

SCMT020B是采用PC/104总线的嵌入式微处理器，它集成了10/100Base-T以太网接口和高性能图形处理器；采用x86兼容的64位第六代处理器，最高运行速度可达300MHz，其内存地址D2000～DFFF（8KB）、C8000～CFFF（32KB）空闲，可以分配给外部扩展RAM；中断IRQ5、IRQ9、IRQl0可用，可以外接其他中断源。

（3）软件设计

软件设计是整个主站设计的关键，为了提高整个系统的实时性和可靠性，在PC/104上运行广泛使用的32位实时操作系统VxWorks。软件设计主要完成VxWorks设备驱动程序的编写、网络配置的设定与下载以及Anybus-M主站模块的访问控制。

1）Vx-Works设备驱动程序的编写。应用程序通过驱动程序与硬件进行数据通信，驱动系统硬件工作是由BSP完成的，BSP中的驱动程序管理特定目标环境中的设备，对其进行控制和初始化。BSP向Vx-Works提供与硬件环境的接口，负责完成加电时硬件初始化，为Vx-Works访问硬件驱动程序提供支持，将Vx Works中与硬件相关以及与硬件无关的软件进行集成。

2）网络配置的设定与下载。网络的组态可以通过Anybus提供的Anybus Net Tool配置软件来实现，也可以通过信箱命令（Mailbox Message）来实现。

Anybus Net Tool配置软件基于Windows环境，通过拖放式操作实现对PROFIBUS网络的配置和优化。此外，该工具还具有对I/O数据的监测、修改等在线诊断功能，此独立的配置可作为Windows OCX组件集成在第三方软件中，通过Anybus-M主站模块的Configuration In_- terfacc（RS-232串行接口）可以下载配置好的结果。

发送信箱命令方式需要开发人员掌握PROFIBUS-DP通信协议的具体细节，对网络的整个组态进行配置，设置主站总线参数集、主站用户参数集、从站参数集、组态数据集、I/O地址的分配、I/O数据格式和从站用户数据单元集等，并在应用程序中通过发送信箱命令将数据库装载到模块中。

3）Anybus-M主站模块的访问控制。Anybus-M主站模块提供给应用程序一个4KB/2KB的DP RAM，应用程序通过DP RAM实现对主站模块的访问控制。应用程序分为以下几个部分。

①初始化程序模块。包括硬件初始化和软件初始化，硬件初始化包括DP RAM检查、通过信箱命令进行硬件检查。软件初始化用于设置基本操作参数，如DP RAM Input/Output长度、操作模式、DP RAM模式（4KB/2KB）等。

②中断处理程序模块。接收到中断信号时，读取握手寄存器的内容，判断产生中断的原因（如事件通知、信箱通知、模块被初始化、启动中断、区域分配响应等），根据中断原因，转入不同的中断处理程序。

③主程序模块。在主程序中循环调用信箱处理和数据交换程序，信箱处理程序负责发送信箱命令和读取响应信息，数据交换程序负责主站读/写从站数据，以及必要的控制寄存器区域访问。