引言

　　自動化控制,、計算機,、通信,、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了自動化領(lǐng)域的深刻變革,。信息技術(shù)的飛速發(fā)展,，使得自動化系統(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)場總線（fieldbus）正是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場,、微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式,、數(shù)字化,、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)FCS（fieldbus control system）,，是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng),、電動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)場總線的新一代控制系統(tǒng),。目前，比較具有影響力的現(xiàn)場總線有：基金會現(xiàn)場總線（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)場總線技術(shù)之一,。

　　PROFIBUS是德國90年代初制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號DIN19245,。PROFIBUS于1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999年底成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分,，已被全世界接受,。

　　PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點可分為PROFIBUS-DP" title="PROFIBUS-DP">PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS,，PROFIBUS-PA三個兼容版本,。

　　PROFIBUS-DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計,，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線，用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸,。

　　PROFIBUS-FMS：解決車間級通用性通信任務(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),、樓宇自動化、電氣傳動,、傳感器和執(zhí)行器,、可編程程序控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動化控制,。

　　PROFIBUS-PA：專為過程自動化設(shè)計,，標(biāo)準(zhǔn)的本征安全的傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程,，用于對安全性要求較高的場合及由總線供電的站點,。

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，用物理信號驅(qū)動媒介,。接收時物理層用來對媒介的信號進行解調(diào)和解碼,。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲協(xié)議，執(zhí)行總線通信規(guī)則,，處理出錯檢測,、出錯恢復(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現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理,。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,。任意時刻只能有一個主站擁有令牌，直到該主站的時間片用完或已無信息傳遞,，才將令牌按一定的環(huán)路傳給下一個主站,。這樣保證每個主站在一個有限時間內(nèi)得到總線的控制權(quán)。同時主站與從站采用輪詢（Polling）存取方式,，這樣系統(tǒng)配置可能實現(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)，各種場合中的檢測,、監(jiān)測及控制的自動化,。S7-200系列的強大功能使其無論是獨立運行還是相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。此系列PLC的CPU型號有：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12Mbit/s,。

3 現(xiàn)場信號與系統(tǒng)監(jiān)控軟件之間的連接橋梁——OPC

　　現(xiàn)場總線作為開發(fā)的控制網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間,、現(xiàn)場設(shè)備與控制室之間的信號通信,。當(dāng)現(xiàn)場信號傳至監(jiān)控計算機之后，如何實現(xiàn)計算機內(nèi)部各應(yīng)用程序之間的信息溝通與傳遞,，即如何讓現(xiàn)場信息出現(xiàn)在計算機的各應(yīng)用平臺上,，OPC完美地解決了此類信息傳遞問題。OPC（OLE for Process Control）是過程控制中的對象鏈接嵌入技術(shù),，建立在Windows的對象鏈接嵌入（OLE,，Object Linking and Embedding）、部件對象模塊（COM,，Component Object Model）、分布部件對象模塊（DCOM,，Distributed Component Object Model）技術(shù)的基礎(chǔ)上進行開發(fā)的,。OPC是一個開放的接口標(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)場信號與上位機" title="上位機">上位機監(jiān)控,、人機界面軟件方便地鏈接起來，還可以把它們與PC機的某些通用開發(fā)平臺鏈接起來,，如VB,VC++,Excel等,。這樣給我們開發(fā)上位機監(jiān)控軟件帶來很大的方便。

4 系統(tǒng)實例簡介

　　在石油工業(yè)中,，由于控制的復(fù)雜性,、現(xiàn)場多種設(shè)備相互之間存在干擾以及系統(tǒng)可靠性要求高等特點，所以在實際應(yīng)用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和現(xiàn)場總線技術(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)場總線由工控機（或PC機）進行監(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),，具有簡單設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)傳輸特性,。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2

（1） 整個控制系統(tǒng)連接在兩路PROFIBUS-DP總線上,，每路總線包含一個總站和20個DP從站,，兩個總站和開票機構(gòu)成局域網(wǎng)，主站和從站之間為主從關(guān)系,。

 

　?。?） 兩個工控機主站和發(fā)票機通過TCP/IP協(xié)議,，組成局域網(wǎng)。

　?。?） 系統(tǒng)以SIMATIC工控機作為DP類型2主站,，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5611使工控機與PROFIBUS-DP總線相連，能完成組態(tài),、運行,、操作等功能。主站上的應(yīng)用程序與CP5611的信息傳遞采用OPC通用接口服務(wù)軟件實現(xiàn),。

　?。?） 每個從站完成對兩路發(fā)油系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模塊,，通過EM 277擴展模塊以DP從站形式接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò),，按主/從模式向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　4.2 智能發(fā)油控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　軟件部分包括Windows 2000操作系統(tǒng),、SIMATIC OPC接口服務(wù)軟件,、主站監(jiān)控軟件和從站編程軟件。

　　4.2.1 從站發(fā)油控制系統(tǒng)PLC通信接口軟件設(shè)計

　　從站發(fā)油控制系統(tǒng)的PLC采用了SIMATIC S7-200的配套編程工具Step7,，完成硬件組態(tài),、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制,、測試,、調(diào)試和文檔處理等功能。通常用戶程序由組織塊（OB）,、功能塊（FB,、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成，其中OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序的接口界面,，用于控制程序運行;FB,、FC是用戶子程序;DB是用戶定義的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，在本系統(tǒng)中它是上位機監(jiān)控軟件與Step7程序的數(shù)據(jù)接口點,，配置與其相對應(yīng)的DB塊就可實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件OPC與Step7程序的數(shù)據(jù)接口,。其通信接口程序如下。

　　CALL “DP-SEND”

　　CPLADDR：=W#16#170

　　SEND ：=P#DB1.DBX0.0 BYTE240

　　DONE ：=M0.0

　　ERROR ：=M0.1

　　STSTUS ：=MW1

　　CALL DP-RECV

　　CPLADDR：=W#16#170

　　RECV ：=P#DB2.DBX0.0 BYTE240

　　NDR ：=M128.0

　　ERROR ：=M128.1

　　STATUS ：=MW46

　　DPSTATUS：=MB120

　　L DB2.DBW 0

　　L 0 == I

　　JC m001

　　CALL FC 63

　　M001: NOP 0

　　CALL FC 64

　　4.2.2 主站通信接口軟件設(shè)計

　　工控機作為主站,，是通過通訊卡CP5611與從站進行數(shù)據(jù)交換的,。選擇操作系統(tǒng)控制面板的Set PG/PA Interface 選項，對其硬件進行設(shè)置,，可自動完成總線各部分配置,。但對于自行開發(fā)的、帶有Profibus-DP接口的從站,，需要自己編寫一個＊.GSD文件加入到配置庫中,。本系統(tǒng)將EM 277的GSD文件加入至OPC服務(wù)接口配置庫中,，完成對總線配置后，即生成一個ldb文件供系統(tǒng)運行使用,。

　　4.2.3 工控機人機界面設(shè)計

　　工控機的人機界面設(shè)計,，即發(fā)油控制管理系統(tǒng)，以Windows 2000操作系統(tǒng)作為平臺,，通過標(biāo)準(zhǔn)通訊接口OPC,，采用Microsoft VC++程序設(shè)計語言編制程序，完成系統(tǒng)的控制要求,，實現(xiàn)對油庫的儲運收發(fā)過程進行監(jiān)控和管理,。開票機開出發(fā)票后，通過局域網(wǎng)將信號傳給發(fā)油機,，發(fā)油機則使用PROFIBUS-DP網(wǎng)通知下位機PLC,，由PLC控制油泵，并檢測油量計和溫度,，自動完成發(fā)油過程。圖3為發(fā)油機主程序流程圖,。圖4為PLC S7-200主程序流程圖,。

 

圖3

圖4

 

5 結(jié)束語

　　工程實踐證明,本控制系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)分布式控制,網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高,、開放性好,、抗干擾能力強，給安裝,、調(diào)試和設(shè)備維護帶來方便,，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。這種網(wǎng)絡(luò)體系具有較高的性能價格比,，并能根據(jù)用戶要求擴展至較大的系統(tǒng),。