基于Profibus-DP协议的控制系统综合设计

("目录摘要…………………………………………………………………………………………1前言…………………………………………………………………………………………21.绪论………………………………………………………………………………31.1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……………………………………………………………62.1Profibus协议结构与OSI参考模型……………………………………………62.2Profibus物理层…………………………………………………………………72.3Profibus数据链路层……………………………………………………………82.4Profibus应用层…………………………………………………………………93.Profibus-DP协议…………………………………………………………………103.1Profibus-DP的基本功能………………………………………………………103.2Profibus-DP的数据通信………………………………………………………133.3Profibus-DP的交叉通讯方式…………………………………………………143.4Profibus-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……………………………………………………………194.4Profibus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…………………………………………………345.1WinCC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………………………………………36466.结论与展望…………………………………………………………………………43致谢………………………………………………………………………………………44参考文献…………………………………………………………………………………45基于现场总线PROFIBUS-DP的控制系统设计摘要：文章分析了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SiemensPLCS7-300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，S7-300PLC，WinCCAbstract：ThisarticalanalyzesthetechnicalfeaturesofthecommunicationsmodelsuchasProfibus-DPfieldbusphysicallayer,datalinklayeranddiscusstheProfibusnetwork-related,singleowner,morethanonthemainissues.UsingSTEP7softwaretoactualconfiguretheexistinglaboratoryequipments7-300,completingthehardwareselection,blockdefinitionandsimulationladderprogrameditinganddebugging,downloading;atthesametimeuseSiemensWinCCsoftwareachievingthecommunicationofaPCandPLC,completingtheS7-300andS7-200'sEM277communicationbetweentheProfibus-DP.ThepurposeofthisstudyistodesignandconfigureSiemensPLCS7-300controlsystembasedonProfibus-DPField-Bus,whichincludingthePLCcontrolsystemdesign,manageandmonitorPCsystemdesign.Thestudyofbusprotocolcanbemorein-depthmasterofthecommunicationmechanismProfibusmaster.TheCombinationofPLCcontrolsystemandfieldbustechnology,realizingthepurposeofhigh-speedreal-timesystemcommunication,andenhancethesystemstability,securityandreal-time.Keywords:Profibus-DPField-Bus,S7-300PLC,WinCC146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4～20mA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。2461.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PLC200DP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SiemensPLCS7-300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。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。5）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，346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(FieldbusFoundation基金会现场总线)、Profibus(ProcessFieldbus)、CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域网)、WorldFIP(FactoryInstrumentationProtocol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。Profibus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/s～12Mbit/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78Kbit/s～1.25Mbit/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446WorldFIP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31.25Kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s、25Mbit/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。1.4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。2.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。2.1Profibus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（OpenSystemInterconnection-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EIARS485[8]、国际标准IEC870-5-1[3]和欧洲标准EN60870-5-1[4]。总线存取程序数据传输和管理服务基于DIN19241[5]标准的第1到3部分和IEC955[6]标准。管理功能（FMA7）采用ISODIS7498-4（管理框架）的概念。546图2.1Profibus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）Profibus－DP：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PROFIBUS－DP设备的设备行为。2）Profibus－FMS：定义了第一．二．七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口(LowerLayerInterface－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）Profibus－PA：PA的数据传输采用扩展的Profibus－DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158－2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。2.2Profibus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9.6kbs~12Mbps，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。6462)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。2.3Profibus数据链路层在Profibus中，第2层称为现场总线数据链路层（FDL,fieldbusdatalink）。介质存取控制（MAC,mediumaccesscontrol）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）3）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。746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。2.4Profibus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]。846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:DefaultSAP: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。3.1Profibus-DP的基本功能1)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：946(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；(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1046图3.1单主站系统图3.2多主站系统3.2Profibus-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11462）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。图3.5从站初始化阶段的主要顺序3.3Profibus-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SIMATICS7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。1246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SIMATICS7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。3.7交叉通信间的从从关系3.4Profibus-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。3）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1346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。4.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4-1PLC控制系统示意图1)电源模块PS307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10A3种。电源模块安装在DIN导轨上的插槽1。2)CPU模块S7-300CPU的分类：（1）紧凑型CPU：CPU312C，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。1446（2）标准型CPU：CPU312，CPU313，314，315，315-2DP和316-2DP。（3）户外型CPU：CPU312IFM，314IFM，314户外型和315-2DP。在恶劣的环境下使用。（4）高端CPU：317-2DP和CPU318-2DP。（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1～999，定时器的定时范围为10ms～9990s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①数字量输入（DI）模块SM321②数字量输出（DO）模块SM322③数字量输入/输出（DI/DO）模块SM323(2)模拟量输入输出（AI/AO）模块①模拟量输入（AI）模块SM331②模拟量输出（AO）模块M332③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19.2Kbit/s~1.5Mbit/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”→“SettingthePG/PCInterface”,打开“SettingthePG/PCInterface”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/RemoveInterface”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PLC通信的参数。1546图4-2适配器通信参数2)STEP7的硬件组态与诊断功能(1)硬件组态Configuring一般被翻译为“组态”。硬件组态工具用于对自动化工程中使用的硬件进行配置和参数设置。①系统组态。从目录中选择硬件机架，并将所选模块分配给机架中希望的插槽。分布式I/O的配置与集中式IO的配置方式相同。②CPU的参数设置。可以设置CPU模块的多种属性，例如启动特性、扫描监视时间等，输入的数据存储在CPU的系统数据块中。③模块的参数设置。用户可以在屏幕上定义所有硬件模块的可调整参数，包括功能模块（FM）与通信模块（CP），不必通过DIP开关来设置。在参数设置屏幕中，有的参数由系统提供若干个选项，有的参数只能在允许的范围输入，因此可以防止输入错误的数据。(2)通信组态通信的组态包括以下几项:①连接的组态和显示。②设置用MPI或Profibus—DP连接的设备之间的周期性数据传送的参数，选择通信的参与者，在表中输入数据源和数据目的地后，通信数据的生成和传送均是自动完成的。③设置用MPI、Profibus或工业以太网实现的时间驱动的数据传输，包括定义通信链路。从集成块库中选择通信块（CFB），用通用的编程语言（例如梯形图）对所选的通信块进行参数设置。(3)系统诊断系统诊断为用户提供自动化系统的状态，可以通过两种方式显示。1646①快速浏览CPU的数据和用户编写的程序在运行中的故障原因。②用图形方式显示硬件配置，例如显示模块的一般信息和模块的状态；显示模块故障例如集中I/O和DP子站的通道故障；显示诊断缓冲区的信息等。CPU可以显示更多的信息，例如显示循环周期；显示已占用和未占用的存储区；显示通信的容量和利用率；显示性能数据，例如可能的输入输出点数、位存储器、计数器、定时器和块的数量等。4.3硬件组态与参数设置1）创建S7项目创建项目时，首先双击桌面上的STEP7图标，进入SIMATICManager(管理器)窗口，在SIMATICManager(管理器)窗口中执行菜单命令File→New，弹出新项目窗口，在用户项目选项卡的Name区域输入项目名称cpu-314，选择项目类型为Project。在Storagelocation区域输入项目保存的路径目录，或者单击【Browse】按钮选择一个目录：D:\\siemens.最后点击【OK】按钮完成新项目创建，并返回到SIMATIC管理器。2）插入SIMATIC300工作站在项目中，工作站代表了PLC的硬件结构，并包含有用于组态和给各个模块进行参数分配的数据。使用菜单命令Insert→Station→SIMATIC300Station插入一个SIMATIC300工作站。图4-3建立新的工作站3）硬件组态硬件组态，就是使用STEP7对SIMATIC工作站进行硬件配置和参数分配。所配置的数据可以通过“下载”传送到PLC。组态步骤如下：在项目窗口内点击工作站图标【SIMATIC300】，然后在右视窗内双击硬件配置图标【Hardware】，则自动打开硬件配置（HWConfig）窗口。1746在窗口右侧硬件目录中点击SIMATIC300左侧的“+”符号展开目录，并双击RACK-300子目录下的【Rail】图标插入一个S7-300的机架。（1）插入电源模块在机架中选中槽号1，然后在硬件目录内展开PS-300子目录，双击PS30710A图标插入电源模块，如图所示，根据模块安装规则，1号槽位只能放电源模块。（2）插入CPU模块并设置参数选中槽号2，然后在硬件目录内展开CPU-300子目录下的CPU314C-2PtP子目录，双击6ES7314-6BF02-0AB0图标插入V2.0版本的CPU314C-2PtP模块。2号槽位只能放置CPU模块，且CPU的型号及订货号必须与实际所选择的CPU相一致，否则将无法下载程序及硬件配置。在模块列表内双击CPU314C-2PtP可打开CPU属性窗口，如图所示。选中General选项卡，在Name区域可输入CPU的名称，此处的名称就为CPU314C-2PtP；在Interface区域点击Properties按钮可打开CPU接口属性对话框，如图所示。点击new按钮新建MPI链接，MPI子网名为MPI（1），此处设置子网地址为4，设置通信波特率为19.2kbit/s.在Address区域可重设MPI子网地址，最高子网地址为31；在Transmissionrate区域可设置通信波特率。图4-4MPI参数设置此CPU模块为紧凑型CPU系列，它集成有数字量输入/输出模块（DI16/D016DC24V）和模拟量输入/输出模块（AI5/A0212Bit）。3号槽位是用来放置接口模块(IM)的，在本次实验中不需要扩展机架，所以此处保持空缺，不需要插入模块。（3）插入通信处理模块CP343-1CP343-1是为实现S7-300系列PLC到工业以太网的全双工串行通信模块，通信速率为10Mbit/s。该模块能在工业以太网上独立处理数据通信，拥有自己的处理器。通过S7-300系列PLC，可以与编程器、计算机、人机界面装置和其他S7和S5系列PLC进1846行通信。选中槽号4，然后在硬件目录中展开CP-300子目录下的IndustrialEthernet子目录，双击6GK7343-1G﹡21-0XE0图标，插入通信处理模块。在4～11号槽位可以放置数字量输入模块，也可以放置其他信号模块、通信处理器或功能模块。具体放置什么模块必须与实际模块的安装顺序一致，且所放置的模块型号及订货号必须与实际模块相同，否则同样会出现下载错误。（4）插入组态模拟模块SM374模拟模块SM374可用于三种模式中：作为16通道数字量输入模块；作为16通道数字量输出模块；作为带8个输入和8个输出的混合数字量输入/输出模块。如果把SM374用作为一个16通道输入模块，则在STEP7中组态一个16通道输入模块–可以使用：SM321:6ES7321-1BH01-0AA0，如果把SM374用作为一个16通道输出模块，则在STEP7中组态一个16通道输出模块–可以使用：SM322:6ES7322-1BH01-0AA0，如果把SM374用作为一个混合输入/输出模块，则在STEP7中组态一个混合输入/输出模块(8个输入／8个输出)–可以使用：SM323:6ES7323-1BH01-0AA0[12]。选中槽号5，然后在硬件目录中展开SM-300子目录下的DI/DO-300子目录，双击6ES7323-1BH01-0AA0图标，插入数字量输入/输出模块。此处SM323数字量输入∕输出模块的地址分配：输入地址为I4.0至I4.7，输出地址为Q4.0至Q4.74）编译硬件组态硬件配置完成后，在硬件配置环境下使用菜单命令Station→ConsistencyCheck可以检查硬件配置是否存在组态错误。若没有出现组态错误，可单击“SaveandCompile”按钮保存并编译硬件配置结果。如果编译能够通过，系统会自动在当前工作站SIMATIC300（1）上插入一个名称为S7Program（1）的程序文件夹，如图所示。图4-5自动生成的S7Program（1）的程序文件夹19465)编辑符号表在STEP7程序设计过程中，为了增加程序的可读性，常用与设备或操作相关的用户自定义字符串（如KM、SB1、SB2等）来表示并关联到PLC的单元对象（如：I/O信号存储位、计数器、定时器、数据块和功能块等），这些字符串在STEP7中被称为符号或符号地址，STEP7编译时会自动将符号地址转换成所需的绝对地址。通过选择LADSTLFBD编辑器中的菜单命令Options→SymbolTable可打开符号表编辑器（SymbolEditor），如图所示。也可以在项目管理器的S7Program（1）文件夹内，双击Symbol图标，打开符号表编辑器。图4-6符号表编辑器内参数6）在OB1中创建程序OB1为CPU的主循环组织块，如果PLC用户程序比较简单，可以在OB1内编辑整个程序。如果程序比较多，需要调用程序块（如FB、FC、SFB、SFC等）。在程序编辑窗口内可以使用梯形图（LAD）、语句表（STL）或功能块图（FBD）等编程语言完成程序块的编写，并且可以相互转换。在项目管理器的Blocks文件夹内双击OB1图标打开OB1编辑窗口，然后使用菜单命令View→LAD切换到梯形图语言环境。在OB1的程序块标题区输入：“主循环组织块”，在OB1的程序说明区输入：“用梯形图（LAD）编写电动机启停控制程序”，编写程序并保存。7）下载和调试程序为了测试前面所完成的PLC设计项目，必须将程序和模块信息下载到PLC的CPU模块。要实现编程设备与PLC之间的数据传送，首先应正确安装PLC硬件模块，然后用编程电缆（如USB-MPI电缆、PROFIBUS总线电缆）将PLC与PGPC连接起来，并打开PS307电源开关。STEP7可以将用户程序（OB、FC、FB、和DB）及硬件组态信息（SDB）等下载到PLC的CPU中。但是要完成下载必须要满足下列要求：2046●需要下载的程序已经完成了编译，且没有任何错误；●CPU必须处于允许进行下载的工作模式下（STOP或RUN-P）。下载前应将CPU中的用户存储器复位。可以用模式选择开关复位，CPU进入STOP模式，再用菜单命令“PLC→Clear/Reset”复位存储器，清除PLC内存。如图所示图4-7清除PLC内存然后单击下载按钮或者使用菜单命令PLC→Download实现程序的下载。程序下载成功时，适配器上有个灯在闪烁。如果程序下载不成功，一般需要注意以下几点：▼查看硬件组态是否正确；▼查看MPI地址设置（需要多次测试）和通信速率是否正确；▼查看适配器通信速率设置，拨码开关打的位置。8）在线连接的建立与在线操作（1）建立在线连接通过硬件接口连接计算机和PLC，然后通过在线的项目窗口访问PLC。管理器中执行菜单命令“View→Online”进入在线状态、“View→Offline”进入离线状态。在线窗口显示的是PLC中的内容，离线窗口显示的是计算机中的内容。如果PLC与STEP7中的程序和组态数据是一致的，在线窗口显示的是PLC与STEP7中的数据的组合。（2）在线操作进入在线状态后，执行菜单命令“PLC→Diagnostics/Settings”中不同的子命令。2146图4-8在线诊断将开关I4.0打开，Q0.0灯亮，表明有输出，证明PLC和PC机通讯正常。图4-9程序运行4.4Profibus现场总线控制网络的组网4.4.1温度模拟量的采集参照对CPU314C-2PtP的硬件组态和参数设置，现对CPU315-2DP进行硬件组态和参数设置。2246将PG/PC接口设置为CP5613A2(Profibus),DP的通讯地址设置为1，通讯速率设置为1.5Mbit/s，如图所示：图4-10PG/PC接口的DP参数设置对模拟量输入模块进行参数设置：图4-11模拟量输入模块参数设置1）PLC300和电阻温度计的接线和连接接线方式有4线制、3线制、2线制连接，本次设计采用4线制连接；对设备进行接线和连接时需要将IC+和M+连接，IC﹣和M-连接。此处一定要将IC+、M+、IC﹣、M-线路直接连接到电阻温度计上。还要从电源模块引出两根线将24V电压加在此模块上，其中L+接正极，M接负极。在端口IC+和IC﹣处，模块可为电流测量提供恒定电流，恒定电流流经电阻，以2346测量其电压。恒定电流电缆必须直接接线到电阻温度计上[15]。图4-12电阻温度计与电隔离模拟输入的4线连接2）功能块的选择和参数的设定：工程数值换算功能FC105用来将一个输入的整型值（例如模拟量I/O格式的整型值）转换为实型值，在工程中具有广泛的应用。表1FC105输入输出参数关系参数I/O类型数据类型存储器类型说明EN输入输入BOOLI、Q、M、D、L使能输入端，信号状态为1时激活该功能ENO输出输出BOOLI、Q、M、D、L如果该功能的执行无错误，该使能输出端信号状态为1IN输入输入INTI、Q、M、D、L、P、常数欲转换为以工程单位表示的实型值的输入值HI_LIM输入输入REALI、Q、M、D、L、P、常数以工程单位表示的上限值LO_LIM输入输入REALI、Q、M、D、L、P、常数以工程单位表示的下限值BIPOLAR输入输入BOOLI、Q、M、D、L信号状态为1表示输入值为双极性，信号状态0表示输入值为单极性OUT输出输出REALI、Q、M、D、L、P数据转换的结果RET_VAL输出输出WORDWORDI、Q、M、D、L、P如果该指令的执行没有错误，将返回值W#16#0000；若有错则返回相应出错数值注：数据来源于教学课件。FC105的数值换算公式为：OUT=((FLOAT)IN-K1)/(K2-K1)(HI_LIM-LO_LIM)+LO_LIM对双极性，输入值范围为-27648到27648，对应K1=-27648，K2=+27648，2446对单极性，输入值范围为0到27648，对应K1=0，K2=+27648。本设计中用FC105进行室温温度转换的参数设置如下：采用单极性，即BIPOLAR=0因此K1=0，K2=+2764.80程序中设定HI_LIM=276.48，LO_LLM=0PI为外部输入寄存器，用户可以通过外部输入寄存器直接访问模拟量输入模块，以便接收来自现场的模拟量输入信号。外部输入字PIW的寻址范围为：0～65534，本设计模块的输入地址为：336～351.所以输入设置为：PIW336.输入信号IN来自SM331模块的模拟量输入第1通道，为铂电阻输入信号，采样的是环境温度值，数值为2386，通过FC105变换后，得到实际温度值为23.86℃。3）实际操作：从标准库里直接调用FC105模块并按照以上分析将相关参数填上：图4-13FC105模块的调用和参数的设置下载程序并监控（Moniter），将开关打到开的位置，程序开始运行：2546图4-14温度的采集4.4.2S7-300与S7-200的EM277之间的PROFIBUSDP通讯1）通信网络组态与参数设置（1）网络配置本设计把带集成DP口的S7-300CPU315C-2DP为DP主站，以S7-200CPU226+EM277接口模块作为DP从站，构成一个单主从系统，其中采用带CP5613A2的PC作为编程和监控机。系统网络结构如图所示：图4-15网络配置（2）硬件和软件要求①硬件2646DP主站：CPU315C-2DPDP从站：CPU226DP从站接口模块：EM277主站编程接口：MPI网卡CP5613A2或PC适配器从站编程接口：PC/PPI编程/通讯电缆Profibus总线连接器及电缆②软件主站编程软件：STEP75.4从站编程软件：STEP7MicroWIN4.0（3）网络组态与参数设置S7-300与S7-200通过EM277进行Profibus-DP通讯，需要在STEP7中进行S7-300站组态，在S7-200系统中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要进行通讯的数据整理存放在V存储区与S7-300的组态EM277从站时的硬件I/O地址相对应就可以了。①组态主站在STEP75.4中新建一个S7项目，依次插入机架、电源和CPU315C-2DP，配置Profibus-DP网络，将主站DP地址设置为2，模拟量输入/输出地址取系统默认值IB336～IB351和QB336～QB351。②配置从站打开主站硬件组态窗口，然后选中STEP7的硬件组态窗口中的菜单Option\uf0e0InstallnewGSD，导入SIEM089D.GSD文件，安装EM277从站配置文件，如下图：图4-16SIEM089D.GSD文件的安装在d盘study文件夹中找到EM277的GSD文件并进行安装：2746图4-17SIEM089D.GSD文件安装成功导入GSD文件后，在右侧的设备选择列表中找到EM277从站，PROFIBUSDP\uf0e0AdditionalFieldDevices\uf0e0PLC\uf0e0SIMATIC\uf0e0EM277,从站DP地址设置为8，并且根据通讯字节数，选择一种通讯方式，本设计中选择了8字节入/8字节出的方式。图4-18EM277的配置设置完成后主-从通信接口的对应关系如下：S7-300主站S7-200从站PQB0～PQB7------------------→VB0～VB7PIB8～PIB15←-----------------VB8～VB152）软件编程主站侧通讯程序的任务是实现对外设输入/输出区（PQ/PI区）的读写。对于按字2846节单元或子单元传送的数据，可简单地采用装载、传送指令完成。对于3个字节或4个以上字节的连续性数据（一致性数据），需在OB1中调用系统功能SFC14、SFC15来完成。本设计采用连续性数据传送，其中，SFC14读取存放在输入借口区的数据包，解包后存放到指定的数据区。而SFC15将存放在指定数据区中的数据打包，并经由通讯接口区发送出去。程序如下：网络1：网络2：组态完系统的硬件配置后，将硬件信息下载到S7-300的PLC当中。S7-300的硬件下载完成后，PLC200与PC通讯正常，如图4-19。打开STEP7中的变量表和STEP7MicroWin32的状态表进行监控，它们的数据交换结果如图4-20和图4-21。2946图4-19PC与PLC-200通讯成功图4-20STEP7中的变量表中数据交换结果3046图4-21STEP7MicroWin32的状态表中数据交换结果5.上位机监控软件的研究与设计5.1WINCC组态软件的功能和特点1）SIMATICWINCC应用广泛，成绩斐然适用于所有工业和技术领域的解决方案WinCC最引人注目之处还是其广泛的应用范围。独立于工艺技术和行业的基本系统设计，模块化的结构，以及灵活的扩展方式，使其不但可以用于机械工程中的单用户应用，而且还可以用于复杂的多用户解决方案，甚至是工业和楼宇技术中包含有几个服务器和客户机的分布式系统。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业己证明，包括:·汽车工业·化工和制药行业·印刷行业·能源供应和分配·贸易和服务行业·塑料和橡胶行业·机械和设备成套工程金属加工业·食品、饮料和烟草行业·造纸和纸品加工·钢铁行业·运输行业·水处理和污水净化2）SIMATICWinCC内置所有SCADA功能集成用户管理使用WinCC用户管理器，可以分配和控制组态和运行时的访问权限。你还可作为系统管理员，随时(包括在运行时)建立最多128个用户组(每组最多包含128个单独的用户)，并为他们分配相应的访问WiCnC功能的权限[18]。报表和记录系统WinCC有一个集成的记录系统，可用它打印来自WiCnC或其它应用程序的数据。该系统还可打印运行时获得的数据，这些数据的布局可以组态。可使用不同的记录类3146型:从消息序列一记录、系统消息记录和操作员记录，直至用户报表。3）SIMATICWinCC组态简便、高效在自动化解决方案的寿命周期内，工程成本要占到总成本的50%以上。如要显著地降低这种成本，就必须要有简单和高效的组态工具，以及直观、友好系统。WinCC再一次指明了这一道路。你日积月累的PC应用技能可以应用于你的工业过程,这就是SIMATICWinCC隐藏的设计思想。其结果就是在面向对象的多语言工程与组态环境下提供方便组态的用户界面、工具提示以及范围广泛的在线帮助和应用实例。4）SIMATICWinCC采用开放性标准，集成更简便从面世伊始，由于一贯地支持Microsoft技术，SIMATICWinCC就始终代表着开放性和集成性的最高水平。MicrosoftWindwos2000/XP一不折不扣的现代主流操作系统WinCC是市场上运行于MicrosoftWindwos95/NT4.0环境、采用32位软件技术的第一个过程可视化系统。今天，Windows2000(Advaneed)Server和WindowsXPProfessional代表WinCC服务器和客户机或单用户系统的开放性标准平台。MicrosoftSQLServer2000一高性能的实时数据库MicrosoftSQLServer2000集成在的WinCC基本系统内一自然也就继承了其实时响应，高性能和工业标准。在任何场合，可在压缩的基础上每秒最大存储10，000个测量值或100条消息，然后用WinCC内置工具进行分析。通过各种开放性接口(SQL，ODBC，OLE-DB和OPCHDA)，可以随时随地使用喜爱的外部工具进一步处理归档数据。ActiveX控件一对应用模块开放利用OEL，可将其它应用程序集成到过程画面内并交换有关的数据[19]。5.2利用组态软件WinCC设计系统监控界面5.2.1WinCC与PLC之间的通信的实现1)通信实现的条件WinCC为各种PLC提供驱动软件，因此使PLC与上位计算机的联接变得非常容易。本文把WinCC与STEP7合用，结果更是大幅度降低了工程时间，因为在STEP7中配置的变量表可以在与WinCC的联接时直接使用，本文正是利用了这一特点。通过WinCC可以访问在PLC中的过程标签。在对视窗控制中心的过程驱动软件连接进行配置以前，应确保下列条件满足:(1)PLC配备有一个通讯接口。WinCC使用通讯驱动程序来支持该通讯接口。(2)PLC的通讯接口必须适当配置，以便使控制程序能够借助于通讯调用功能来访问该接口。通讯硬件配置参数应正确。(3)WinCC所要访问的标签地址必须正确(取决于所使用的PLC)。(4)在上位机系统内必须安装相应的通讯硬件[19]。另外，为了能够在运行方式下能访问标签，PLC必须与过程取得连接，并与WinCC系统的物理连接安装完好。2)WinCC与PLC的通信原理在视窗控制中，WinCC和PLC之间的过程通讯构成如图5.1所示。访问外部标签，必须为远程PLC通讯安装通讯驱动程序。通讯驱动程序应包括一个或多个通道单元，通过操作系统接口和硬件驱动程序，通道单元就可以支持通讯所需的硬件。通道单元是通讯驱动程序的一部分，必须用它来与通讯硬件的操作系统接口进行通讯。通过通3246道单元操作逻辑连接，逻辑连接提供了访问标签的方法。WinCC通道是作为WindowsDLL实现的，并与系统动态地链接。各个WinCC通道代表了对带指定协议的连接参数的访问。WinCC数据管理通过逻辑连接来访问远程PLC中的过程值。通道单元通过指定通道的连接访问过程值所需要的通讯步骤，由此为WinCC数据管理提供了过程值。所读入的数据作为过程值映象存储在计算机的RAM中，所有WinCC的组态单元均可访问该过程映象。图5.1WinCC与PLC之间的过程通讯图3）WinCC与S7-300连接实现步骤（1）添加驱动程序和设置系统参数打开WinCC工程，右击浏览窗口中的“变量管理”，再快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”，在打开的对话框中选择SIMATICS7ProtocolSuite.Chn，并单击“打开”按钮，所选择的驱动程序将显示在变量管理的子目录下。3346图5.2添加SIMATICS7ProtocolSuite.Chn驱动程序（2）在TagManagement-->SIMATICS7PROTOCOLSUITE->PROFIBUS右键单击PROFIBUS，在弹出菜单中点击SystemParameter，弹出SystemParameter-PROFIBUS对话框，选择Unit标签，查看Logicdevicename（逻辑设备名称）。默认安装后，逻辑设备名为CP_L2_1:，如图5.3所示：图5.3选择逻辑设备名（3）设置SetPG/PCInterface进入Windows操作系统下的控制面板，双击SetPG/PCInterface图标，在AccessPointoftheApplication:的下拉列表中选择CP_L2_1:,而后在InterfaceParameterAssignmentUsed:的列表中，点击CP5613A2(PROFIBUS)，而后3446在AccessPointoftheApplication:的下拉列表中显示：CP_L2_1:\uf0b0CP5613A2(PROFIBUS)，如图5.4所示。图5.4设置SetPG/PCInterface（4）点击Properties按钮，设置CP5613A2的通讯参数，然后诊断PROFIBUS网络，点击Diagnostic按钮，进入诊断对话框。如下图所示：Test按钮点击后，显示OK表示CP5613A2工作正常。点击Read按钮后，将显示所有接入PROFIBUS网络中的设备的站地址，如果只能读到自己的站地址，此时，需要查看PROFIBUS网络和硬件连接设置，只有成功读取到CPU的站点地址，才能进行以下的步骤，否则，不可能建立通讯。本次设计中PC的站地址设置值为1，CPU的站点地址为5。图5.5读取站点地址（5）添加通道与连接设置3546添加驱动连接，设置参数。打开WinCC工程在TagManagement-->SIMATICS7PROTOCOLSUITE->PROFIBUS，右键单击PROFIBUS，在下拉菜单中，点击NewDriverConnection，在弹出的Connectionproperties对话框中点击Properties按钮，弹出Connectionparameters-PROFIBUS属性对话框，填入参数，如图5.6所示。图5.6连接参数的设定连接测试与通讯诊断通过WinCC工具中的通道诊断程序WinCCChannelDiagnosis即可测试通讯是否建立。注意：此时PLC必须处于运行状态，老版本的PLC必须处于RUN-P或者RUN状态，WinCC必须激活运行，进入通道诊断工具，检测通讯是否成功建立。如图5.7所示，绿色的“√”表示通讯已经成功建立。图5.7成功建立通讯至此WINCC使用CP5611通讯卡通过PROFIBUS连接PLC的过程完毕。5.2.2监控界面的制作36461）新建一个项目，项目名为“MyProject”；2）在Profibus新建连接中新建变量，数据类型为：浮点数32位，地址中数据为：位内存，地址设置为：MD40。图5.8设置变量参数3）在图形编辑器中新建画面，点击右键，在属性菜单中可以设置画面大小；在“视图→库”中添加热电炉、电阻温度计、PLC模拟量输入模块；在智能对象中添加“输入输出域”并连接变量NewTag，设置为输出，更新设置为根据变化。3746图5.9连接变量4）保存设置，激活运行系统，测得此刻温度为24.32℃。图5.10实现温度监控38466.结论与展望现场总线是一种应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化最底层现场设备或仪表互连的全数字化、双向、多站式通信网络。它将位于生产现场具有信号输入、输出、运算、控制和通信功能的数字通信仪表或设备，通过双绞线连接成网络，采用标准的通信协议，使位于生产现场的设备与设备之间，以及设备与控制站之间实现数据交换与信息共享，是现场通信网络与控制系统的集成。这项以控制技术、智能仪表技术、计算机网络技术以及数字通信技术为支撑的综合技术，己成为世界范围内工业自动化领域广为关注的热点，并将成为该领域的发展方向。本文主要进行了以下几方面的研究工作:(l)查阅大量国内外关于现场总线的资料、规范和文献，对现场总线的概念、产生、技术特点、应用现状以及发展趋势具有一定的理解，特别是详细分析和研究了Profibus现场总线的技术特点、协议模型等内容。(2)在深入研究Profibus现场总线的通信机制、协议模型和技术特点，以及深入研究SIMATICS7-300系列可编程序控制器(PLC)的原理和应用的基础上，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与PC的通讯，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。(3)以现有实验室西门子设备为研究对象，采用Profibus-DP现场总线技术，详细研究Profibus-DP的网络组态、主站与从站之间的数据通信、以及系统人机监控界面的设计与开发，从而完成基于Profibus-DP的主从结构控制系统的设计与开发。基于Profibus-DP现场总线的PLC控制系统实现高速串行通信同时又提高了系统得稳定性和可靠性。PLC作为系统的主要控制单元担负现场数字输入输出点的逻辑控制以及模拟量处理。这样集中体现总操作台与现场设备控制逻辑，并且可以面对HMI对设备发出命令给出定义，实现项目要达到集中监控的目的。经过调试整个系统完成了本设计的基本要求和目的，能够高速可靠运行。但是系统很多部分依然是依靠PLC集中控制实现控制的。系统的进一步改进还可以在Profibus-DP总线的基础上通过应用设计各种总线控制设备进一步提升系统的总线化程度，使得现场完全实现分散现场级控制和高速及时通信。致谢本论文是在蒋冰华老师的指导下完成的，从开始到完成，蒋老师给了我莫大的帮助，老师的讲解让我更清楚的了解本课题的设计思想，另外在查找文献资料方面和论3946文细节处理上老师也给了很多建议，促使了我整个设计的圆满完成。在此，我衷心的感谢蒋老师。在本次毕业设计过程中，和同学们的讨论学习也对我完成毕业设计论文起到了不少帮助。在此，我也要对所有帮助和支持过本次设计的老师和同学表示衷心的感谢。参考文献[1]刘美俊.现场总线概述.中华纸业，2004,5（7）：58~61.[2]钟文涛，时国平.基于现场总线控制技术的特点与应用.科技广场，2005.12：83~85.[3]徐春玲，凌志浩.Profibus现场总线概述及发展趋势.科技广场，2005.12：117~119.[4]沈航，徐红泉，等.工业以太网和现场总线工业仪表与自动化装置，2005，(1)：6~9.[5]程晓琳，徐用懋.现场总线控制网络模型与网络集成测控技术2000，19（10）：35～37.[6]王虎峰.Profibus和AS2I总线在气动加载系统中的应用[J].自动化与仪表,2001,(1):33235[7]张志学,肖志怀,李朝晖.PROFIBUS总线技术介绍[J].电站系统工程,2001,17(5):318-320.[8]阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京:清华大学出版社,1999.[9]李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2006.4046[10]李正军.现场总线技术及其应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.[11]冯地斌,吴波.PROFIBUS现场总线技术[J].自动化与仪器仪表,2002(2):1-4.[12]胡健.西门子S7-300PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社,2005.[13]刘美俊.PROFIBUS总线技术[J].机床电器,2005(3):5-8.[14]西门子S7_300及工控组态软件WinCC的应用.pdf[15]300模块数据.pdf[16]S7_300_400与S7_200之间的PROFIBUS_DP通信的实现.pdf[17]WINCC连接SiemensPLC的常用方式.doc[18]wincc使用.pdf[19]深入浅出WINCC.pdf[20]ImplementationandperformanceevaluationofProfibusintheautomationsystemsSeungHoHong;KiAmKim;FactoryCommunicationSystems,1997.Proceedings.1997IEEEInternationalWorkshopon1-3Oct.1997Page(s):187–192[21]Guaranteeingreal-timemessagedeadlinesinPROFIBUSnetworksTovar,E.;Vasques,F.;Real-TimeSystems,1998.Proceedings.10thEuromicroWorkshopon17-19June1998Page(s):79–8641",)