基于Profibus-DP的PLC與PC現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)-工業(yè)控制
基于Profibus-DP的PLC與PC現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 2011-05-26 08:46:57來源:互聯(lián)網(wǎng)
引言
自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展,導(dǎo)致了自動(dòng)化領(lǐng)域的深刻變革。信息技術(shù)的飛速發(fā)展,使得自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐步形成全分布式網(wǎng)絡(luò)集成自控系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus)正是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來的新技術(shù)?,F(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?,F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbus control system),是繼基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的新一代控制系統(tǒng)。目前,比較具有影響力的現(xiàn)場(chǎng)總線有:基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF,F(xiàn)oundation Fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中,PROFIBUS是當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一。
PROFIBUS是德國(guó)90年代初制定的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號(hào)DIN19245。PROFIBUS于1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170,1999年底成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分,已被全世界接受。
PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可分為PROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA三個(gè)兼容版本。
PROFIBUS-DP:經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接,專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì),使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0~20mA并行信號(hào)線,用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。
PROFIBUS-FMS:解決車間級(jí)通用性通信任務(wù),提高大量的通信服務(wù),完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù),用于紡織工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、傳感器和執(zhí)行器、可編程程序控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動(dòng)化控制。
PROFIBUS-PA:專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì),標(biāo)準(zhǔn)的本征安全的傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程,用于對(duì)安全性要求較高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。
1 PROFIBUS 基本特性
1.1 協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI的第一層、第二層和第七層。物理層定義了物理特性,它上接數(shù)據(jù)鏈路層,下連媒介。發(fā)送時(shí)物理層編碼并調(diào)制來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息,用物理信號(hào)驅(qū)動(dòng)媒介。接收時(shí)物理層用來對(duì)媒介的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲(chǔ)協(xié)議,執(zhí)行總線通信規(guī)則,處理出錯(cuò)檢測(cè)、出錯(cuò)恢復(fù)、仲裁和調(diào)度。應(yīng)用層定義了應(yīng)用功能,完成信息指令的翻譯,掌握數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和意義。用戶層是數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件。
1.2 傳輸技術(shù)
由于單一的傳輸技術(shù)不可能兼顧傳輸可靠性、傳輸距離和高速傳輸?shù)纫?,PROFIBUS提供三種類型:DP和FMS的RS485傳輸;PA的IEC1158-2傳輸;光纖(FO)傳輸。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之間可通過DP/PA耦合器(Coupler)或鏈接器(Link)相連接。
1.3 存取協(xié)議
PROFIBUS的DP,F(xiàn)MS,和PA均使用單一的總線存取協(xié)議,通過OSI參考模型的第二層實(shí)現(xiàn),包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理。PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和從站之間的主從方式。任意時(shí)刻只能有一個(gè)主站擁有令牌,直到該主站的時(shí)間片用完或已無信息傳遞,才將令牌按一定的環(huán)路傳給下一個(gè)主站。這樣保證每個(gè)主站在一個(gè)有限時(shí)間內(nèi)得到總線的控制權(quán)。同時(shí)主站與從站采用輪詢(Polling)存取方式,這樣系統(tǒng)配置可能實(shí)現(xiàn)下列三種:純主-從系統(tǒng);純主-主系統(tǒng);混合系統(tǒng)。
2 SIMATIC S7-200系列PLC的基本通信方式
SIMATIC S7-200系列PLC適用于各行各業(yè),各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論是獨(dú)立運(yùn)行還是相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。此系列PLC的CPU型號(hào)有:CPU 221,CPU 222,CPU 224,CPU 226和CPU 226XM。本控制系統(tǒng)采用CPU224,它具有四種通訊方式:
一:PPI方式
PPI通訊協(xié)議是通過普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),物理上采用RS485電平,波特率為9.6kbit/s,19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通訊網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)令牌傳遞網(wǎng)。
二:MPI方式
S7-200可以通過內(nèi)置接口連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上,波特率為19.2kbit/s,187.5kbit/s。S7-200 CPU在MPI網(wǎng)絡(luò)中作為從站,它們彼此間不能通訊。
三:自由通訊方式
S7-200可以由用戶自己定義通訊協(xié)議,與任何通訊協(xié)議公開的其它設(shè)備、控制器進(jìn)行通訊。波特率最高為38.4kbit/s(可調(diào)整)。
四:PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)
在S7-200系列的CPU中,都可以通過增加EM277擴(kuò)展模塊的方法支持PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。
3 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與系統(tǒng)監(jiān)控軟件之間的連接橋梁——OPC
現(xiàn)場(chǎng)總線作為開發(fā)的控制網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室之間的信號(hào)通信。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)之后,如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部各應(yīng)用程序之間的信息溝通與傳遞,即如何讓現(xiàn)場(chǎng)信息出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的各應(yīng)用平臺(tái)上,OPC完美地解決了此類信息傳遞問題。OPC(OLE for Process Control)是過程控制中的對(duì)象鏈接嵌入技術(shù),建立在Windows的對(duì)象鏈接嵌入(OLE,Object Linking and Embedding)、部件對(duì)象模塊(COM,Component Object Model)、分布部件對(duì)象模塊(DCOM,
Distributed Component Object Model)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的。OPC是一個(gè)開放的接口標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范。它的作用就是為服務(wù)器/客戶的鏈接提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范。按照這種統(tǒng)一規(guī)范,各客戶/服務(wù)器之間可組成如圖1所示的鏈接方式,各客戶/服務(wù)器間形成即插即用的簡(jiǎn)單規(guī)范鏈接關(guān)系。
圖1
有了OPC作為通用接口,就可把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與上位機(jī)監(jiān)控、人機(jī)界面軟件方便地鏈接起來,還可以把它們與PC機(jī)的某些通用開發(fā)平臺(tái)鏈接起來,如VB,VC++,Excel等。這樣給我們開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控軟件帶來很大的方便。
4 系統(tǒng)實(shí)例簡(jiǎn)介
在石油工業(yè)中,由于控制的復(fù)雜性、現(xiàn)場(chǎng)多種設(shè)備相互之間存在干擾以及系統(tǒng)可靠性要求高等特點(diǎn),所以在實(shí)際應(yīng)用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)如PROFIBUS。在智能發(fā)油控制系統(tǒng)中就是采用SIMATIC S7-200 CPU224控制發(fā)油泵,并通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線由工控機(jī)(或PC機(jī))進(jìn)行監(jiān)控。
4.1 智能發(fā)油控制系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)是由PROFIBUS-DP構(gòu)成的單主站系統(tǒng),具有簡(jiǎn)單設(shè)備一級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸特性。系統(tǒng)組成如圖2所示。
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