PROFIBUS控制系统设计实例优化

实例1 5个PROFIBUS-DP从站节点应用设计

1.系统硬件配置

采用PROFIBUS-DP纯主—从方式通信，设计5个PROFIBUS-DP从站节点，分别监控系统中各个被控对象。系统主要由主站节点（1类主站）、现场智能单元（DP从站）组成一个分布式网络数据监控系统。由组网设备完成组网之后，主—从之间通过主站发送或请求数据，从站响应或确认主站发送的数据来完成PROFIBUS网络的数据传送。

在系统配置中，主站接口模块使用HMS公司的ANYBUS PROFIBUS-DP Master模块。该模块是一种嵌入式设备。它具有一类主站所有的功能，支持从9.6kbit/s～12Mbit/s之间的通信波特率，最多可以挂接124个从站。在硬件上通过2k×16的双端口RAM（DP RAM）与用户CPU接口连接，双端口RAM区中还包括系统信息区、硬件信息区以及握手标记位。它的I/O数据发送区和数据请求区最大均达到512B，还可开辟扩展缓冲区。在软件上提供邮箱报文（Mailbox Message）与用户CPU进行信息交换。

在系统中，主站节点通过与从站建立的通信关系实现对整个系统的状态监控。主站节点采用ATMEL89C52芯片作为CPU，与PROFIBUS-DP的Master接口模块共同构成PROFIBUS网络主站节点，实现对网络节点的管理。CPU、静态存储器通过数据线、地址线以及控制线与接口模块的双端口RAM进行数据交换，数据内容主要包括各个从节点的过程数据、状态信息、缓冲区配置信息等。采用带有看门狗功能的电可擦除存储器（EEPROM）存储主站节点的运行参数、现场总线网络的组网信息和节点状态信息，静态存储器（RAM）作为数据存储器存储从节点的过程数据。

图3-28 现场智能单元系统结构图

图3-29 组网软件构成的通信网络

表3-2 SYCON中从模块配置信息

系统中PROFIBUS-DP从站接口模块使用HMS公司的ANYBUS-S接口（PROFIBUS-DP）模块。与主模块相类似，它也是一种嵌入式设备。硬件上通过2k×16的双端口RAM（DP RAM）与用户CPU接口。现场智能单元以51系列的单片机为核心处理器，主要完成对PROFIBUS从模块的初始化，包括I/O映射区域的分配、映射区地址的分配、长度的设置，然后根据接口映射区的地址分配实现I/O数据的读写操作。PROFIBUS从站接口模块嵌入在现场智能单元中，接收控制命令，提供主站所需的各种系统参数，现场智能单元的结构如图3-28所示。

现场智能单元对被控对象的工作参数、状态参数进行采集处理，并向DP从模块的输入映射区写入信息和数据，供网络中的主站节点读取，进行上位机监视；同时从输出映射区读取主站节点发送的控制信息，经判断后，对被控对象作出控制决策。

2.系统的通信网构建

网络组态方式有两种方法，一种是通过对主节点编写报文信息来完成；另一种是通过PRO-FIBUS-DP组网软件来实现。本系统利用组网软件的方式来进行组网，如图3-29所示。通过连接器将主模块与PC相连，直接对主模块进行网络配置。HMS提供的组网软件HMSSYCON专门用于PROFIBUS-DP的网络配置，可以配置主站和从站，测试网络状态，直接读取主站和从站的I/O数据，设置总线数据传输速率等。在系统中，DP从站数为5，每个从模块开辟的IN区和OUT区的大小都是20B。配置时根据每个现场智能单元PROFIBUS从站开辟的IN区和OUT区的大小，在SYCON中一一对应，并将网络中所有的从站纳入到信息交换周期中，选择适当的数据通信波特率，然后将配置信息下载到主模块中去。在此系统中，SYCON中的从模块的配置信息见表3-2。

主模块按照下载的信息自动对所属的从站进行发送或索取数据；如果配置的数据与实际数据相匹配，从站便进入用户数据传输阶段，实现PROFIBUS-DP主从站之间的数据传送。需要注意的是，在网络配置完成、数据正确映射时，主模块的IN区与从模块的OUT区相对应，主模块的OUT区与从模块的IN区相对应。利用SYCON组网的PROFIBUS-DP网络有着显著的优点，它不需要任何外加的硬件设备，方法灵活、通用，可以实现离线组网，而且调整配置方便。DP主从站所具有的大容量I/O映射区完全可以满足对系统监控的要求。

实例2 8个PROFIBUS-DP从站节点应用设计

1.系统硬件配置

系统以西门子的PLC为主控制器，上位采用WEINVIEWMT500触摸屏为监控设备，采用S7-300系列PLC（CPU-315-2DP）负责通信功能，下位各个工作单元采用8个S7-200系列PLC（CPU224）组成各分站控制器，通过PROFIBUS-DP现场总线网络实现S7-300系列PLC与S7-200系列PLC以及S7-200系列PLC之间的通信，8个独立的执行机构共同组成一套完整的控制系统。系统的数据通信网络的组成如图3-30所示。其中MT500触摸屏通过MPI协议与S7-300系列PLC（CPU315-2DP）进行通信；PC通过MT5-PC编程电缆与MT500触摸屏连接起来进行通信；PC通过使用STEP7编程电缆将PC上的通信卡CP5611（适用于PC的PCI卡）的通信口与CPU315-2DP PLC的DP通信口连接起来进行通信；PC通过使用STEP7-Micro/WIN32的编程电缆将PC上的RS-232串行通信口与S7-200 PLC的RS-485通信口连接起来进行通信。

2.系统的通信网构建

图3-30 PROFIBUS-DP数据通信网络的组成

（1）PROFIBUS-DP网络专用电缆与总线插头的连接

PROFIBUS-DP网络专用电缆与总线插头的连接如图3-31所示，在首末两端将总线插头的接通终端和偏置开关置于ON位置，接通总线插头的终端和偏置；而在中间的总线插头不需要接通总线插头的终端和偏置，总线插头的接通终端和偏置开关置于OFF位置。

（2）通信模块EM277硬件地址的设置

图3-31 PROFIBUS-DP网络专用电缆 与总线插头的连接

该系统8个工作单元的通信模块EM277从站地址分别是11～18，在EM277模块左上方有两个带箭头的位置开关，又称地址开关，一个是x10的地址开关，用于设置地址的最高有效位，另一个是x1的地址开关，用于设置地址的最低有效位。设置8个工作单元的EM277从站地址时，要求和Step7中硬件组态的EM277地址一致。

（3）PROFIBUS-DP总线网络的硬件组态

根据图3-30所示的数据通信网络，利用已连接好的PROFIBUS-DP网络专用电缆与总线插头进行网络连接，并检查网络连接是否正确。S7-300系列PLC与S7-200系列PLC通过EM277进行PROFIBUS-DP通信时，在STEP7中需要对S7-300组态，而在S7-200系统中不需要对通信进行组态，只需要将进行通信的数据存放在与S7-300组态时的相对应的V存储区（EM277从站的硬件I/O地址）就可以了。

图3-32 Step7硬件组态

在STEP7中对S7-300系列PLC组态时，首先在STEP7中插入一个S7-300系列PLC站。然后在STEP7硬件组态窗口中安装EM277从站配置文件SIEM089D.GSD。安装EM277从站配置文件后，根据EM277从站通信实际需要的通信字节数，选择一种通信方式，该系统选择8B入/8B出的通信方式，并在STEP7的硬件组态窗口中设置EM277的从站地址，至此一个工作单元的EM277从站硬件组态结束。接着依次对其他各单元EM277从站进行硬件组态。该系统的硬件组态结果如图3-32所示。

该系统的硬件配置组态完成后，将硬件组态信息下载到S7-300系列PLC中，下载完成后，将EM277的拨位开关拨到与以上硬件组态的设定值一致的位置，在S7-200系列PLC（CPU224）中编写程序将进行交换的数据存放在与S7-300系列PLC（CPU-315-2DP）的外设I/O存储区PI和PQ相对应的V存储区中，打开STEP7中的变量表和STEP7 Micro/Win32的状态表，可以监控S7-300与S7-200通过EM277进行数据通信的过程。

实例3 基于S7-400H型PLC构成的多主站DP/MPI网络

1.系统结构

整个网络系统结构如图3-33所示。该网络为由两台S7-414H型PLC和ET200M组成的分布式结构。PLC通过CP5611卡与上位机通信。其中一台PLC为主站，另一台为热备。一台监控机为监控层，PLC为联锁层，I/O为控制层。

ET200M选用西门子的IM153-2，IM153-2的作用是连接I/O模板，提供PROFIBUS-DP连接。输入模块选用SM321DI32×DC24V，共需要18个模块，主模块9个，备用9个。输出模块选用SM322DO32×24V，共需要8个，主模块4个，备用4个。I/O模块都是通过DP连接的。3台上位机都是通过CP5611与PLC的CPU相连，两个CPU之间通过同步光纤连接。

图3-33 网络系统结构图

2.用户界面

每台PLC都通过CPU模块上的MPI集中编程接口和配置有MPI接口的PC相连，采用西门子的CP5611与PLC的CPU相连，PC中配置SIMATIC STEP7 V5.2编程软件。

由于是冗余系统，还需要安装西门子的冗余软件，才能做到PLC的两个CPU之间同步。3台上位机中，两台是操作员用的监控机，另一台为维修机。在整个系统中，上位机之间可以互相通信，也可以与PLC之间通信。每台PC都要安装CP5611驱动软件，才能完成功能。

3.程序结构

采用SIMATIC STEP7 V5.2编程软件，进入硬件组态状态，对各台PLC进行网络参数设置。首先，建立Project，如取名为C：＼swjtu，在该文件下选择网络Subnet为PROFIBUS，站名为SIMATIC 414H Station，然后进行硬件组态；其次是建立各站在网络的地址；最后组态3个PG/PC站，在选项窗口中选中CP5611，并分配地址，主编程站地址为0，其余两个只要地址不相同即可。(www.xing528.com)

SIMATIC S7-400H系列PLC的编程软件（STEP7）可运行在PC的Windows环境下，界面友好，提供了梯形图、语句表和块图3种形式的编程、调试、诊断等功能。本实例采用模块化程序结构，程序由几大功能块组成，每个功能块完成一系列的控制逻辑，放置在组织块OB1中的指令决定控制程序的各功能块的执行。本例中功能块FC1是微机命令处理程序，FC2是信号输入处理程序，FC3、FC4是微机状态处理程序，FC5是常量定义，FC6是信号输出处理，FC7是输出处理，FC8是信号采集。程序结构框图如图3-34所示。功能块为多层次调用，FC1在调用其他功能块，比如FC1调用FC9，FC9调用FC10，FC10调用FC11、FC12、FC13、FC14等。在STEP7中，允许功能块调用最多为16层。实例4基于PROFIBUS-DP的控制系统通信互连

图3-34 程序结构框图

图3-35 主—从通信系统配置

1.系统设计

系统采用CPU24x和CPU21x作为主站设备，S7-300和S7-200系列PLC作为从站，利用PROFIBUS-DP的主—从通信原理实现它们之间的通信，系统配置如图3-35所示。

西门子S7-300系列PLC的CPU315-2DP、CP342-5等既可做主站也可做从站。当它们做从站时，可设计为被动从站或主动从站。被动从站执行简单的DP协议功能，相当于简单从站，主动从站在总线中可以取得令牌，然后在确定的时间窗口中可以与从站通信，它除了支持简单的DP协议功能外，还支持一些其他的服务，如支持FDL服务、S7、PG等。另外，CP342-5和带CP5611卡的PC站还可实现2类DP主站、用于编程、诊断等功能。

在图3-35中，主站（CPU241 PLC）使用PROFIBUS-DP通信模块FM208连接到PROFI_- BUS-DP网络，FM208通信模块为DP主站模块，在DP网络中做DP主站。所有的西门子DP从站设备都可以作为FM208的从站连接到DP网络中，并通过使用DP通信协议实现相互间的直接数据通信。在此，S7-300、S7-200系列PLC和变频器分别通过PROFIBUS-DP通信模块CP342-5、EM277和CBP2作为主站CPU241 PLC（FM208）的从站，并实现相互通信。

2.通信编程

用于DP主站的用户程序都已集成在PROFIBUS-DP通信模块FM208中，用户只需完成以下几个方面的组态和设置即可完成主站的用户编程。

（1）DP网络组态

DP网络组态由WinNCS软件完成，组态步骤如下：

1）启动WinNCS软件，网络类型选取PROFIBUS。然后在PROFIBUS网络中插入主站，系统默认CPU24x为主站，指定其DP主站地址为2，总线网络的传输速率为1.5Mbit/s。

2）在FM208主站中插入DP从站CP342-5、EM277和CBP2，对应的DP网络地址为3、4、5。CP342-5的I/O数据选择16个字进16个字出，EM277的I/O数据模块选择8个字进8个字出，CBP2的数据类型选择PPO3。各从站的I/O数据在主站FM208中按顺序自动指定相应的地址。

3）编译并保存文件，然后下载到通信处理器FM208中。

（2）FM208配置的从站I/O数据地址在CPU241中的地址分配

FM208采用WinNCS配置从站数及设定I/O数据起始地址和长度，可以在PLC程序的数据块DB1中为其指定数据寻址地址。例如上述从站I/O起始地址都是从0开始，数据总长度各为28个字，在DB1中加入地址配置指令：

KC＝′UAT：028028；END′

在PLC用户程序中，直接根据上述设定的地址就可寻址从站的过程数据，不需要额外的通信编程。S7-300系列PLC通过CP342-5作为主站（CPU241 PLC）的DP从站，为确保数据通信的实现，需完成以下工作：

1）组态CP342-5做从站。

2）编写从站用户程序，并下载到S7系列PLC。

3）启动和调试DP从站和DP主站。

4）通信异常诊断。

CP342-5用作DP从站可以被DP主站组态为智能从站或模块化主站，做从站时可以组态为被动从站或主动从站，但不允许在组态为从站的同时组态为主站。用作主动从站时除了提供从站服务功能外，还可以提供如FDL连接服务等其他的通信服务。CP342-5的主要功能有：

1）从主站接收用于配置和组态的参数，包括过程输出数据和传递到CPU的数据。

2）从CPU的DP数据域接收输入数据，为DP主站准备数据。

3）给DP主站准备拾取和评估的诊断数据。

4）给2类主站准备读取的I/O数据。

DP主站与DP从站的数据交换采用轮循方式，使用DP数据域中的接收缓冲区与发送缓冲区来完成。DP主站启动数据交换，将数据输出到输出缓冲区，并从输入缓冲区将数据取回，其原理如图3-36所示。

CPU和CP间的数据交换是通过在CPU循环中调用S7的DP RECE和DP SEND功能来实现的。其中，DP RECV功能是接收由DP主站发送到从站CP的接收缓冲区的数据，然后把数据输出至CPU指定的DP数据域。而DP SEND则是把CPU中指定的DP数据域中需传输的数据传送至CP的发送缓冲区，然后传输到DP主站。

图3-36 在从站模式下CPU和CP数据 交换原理示意图

（3）用户程序

在S7系列PLC中，CPU中的用户数据域可以是过程映象、位寄存器以及数据块，在本用户程序中使用了数据块。在S7用户程序的Blocks目录下，定义两个数据块DB1和DB2，分别用于存放接收和发送的数据，然后在循环执行的组织块OB1中调用DP RECE和DP SEND功能。

当DP主站改变运行模式或崩溃时，操作系统通过调用从站上的某个OB作出反应。如果从站上的这些OB丢失，则CPU会立即自动地切换到STOP。为了防止这种情况，需在从站建立相关的OB。

当主站的CPU从RUN转换到STOP时，从站的组织块OB82（诊断中断）将被调用。为防止CPU由于不存在OB82而停止，需在S7-300站的Blocks文件夹中插入组织块OB82。

同理，当DP主站崩溃时，在从站上将调用组织块OB86（机架故障）。为了防止S7-300从站的CPU在这样的情况下进入STOP，需在S7-300站的Blocks文件夹中插入组织块OB86。

主站（CPU241 PLC）和从站S7-200系列PLC的CPU226之间的PROFIBUS-DP通信，是通过使用FM208模块将S7-200系列PLC的CPU226作为DP从站连入网络的。FM208为模块化的DP从站，I/O数据最大为32字。FM208通过串行总线和S7-200系列PLC的CPU226连接，通过DP通信端口连接到PROFIBUS上。其主要功能为：可运行在9.6k～12Mbit/s之间的任何速率，接收从主站来的I/O配置和参数信息，向主站发送和接收不同数量的数据，传送I/O数据，以及支持变量块的传送等。

对主站的组态包括从站地址，从站的变量存储区（V存储区）偏置以及选取I/O模块。运行时，DP主站首先建立网络，然后初始化启动DP从站，并且主站将参数赋值信息和I/O配置写入从站。主站从从站获取诊断信息，并确认从站已接收到信息后，主站就拥有了此从站的指挥权。此时网络上的其他主站可以读取该从站的数据但是不能向该从站写入数据，整个主站的组态是通过设备数据库（GSD）文件siem089d.gsd来完成的。

从站地址通过FM208模块上的硬件开关设定，此开关必须与主站软件设定的地址一致。从站I/O缓冲区驻留在S7-200的V存储区，因此要求参数赋值中必须包含V存储区的缓冲区的起始位置及I/O的数据量，以确定缓冲区的大小。FM208提供字节、字、缓冲区三种类型的数据交换。

S7-200系列PLC的CPU226的通信用户程序如下：