基于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李瑞峰 中鋁洛銅高精度電子銅板帶廠軋機(jī)室，河南 洛陽(yáng)

基于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李瑞峰 中鋁洛銅高精度電子銅板帶廠軋機(jī)室，河南 洛陽(yáng)

在軋機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用中，由于最大傳輸速率的限制，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)（1級(jí)）和車(chē)間級(jí)（二級(jí)）之間通訊的問(wèn)題十分突出。而傳統(tǒng)高速計(jì)數(shù)模塊的控制價(jià)格十分昂貴。一種新型Profibus-DP總線用于主站和遠(yuǎn)程I/O之間傳輸數(shù)據(jù)，較圓滿(mǎn)地解決了數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，并具有傳輸可靠性和高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)魯棒性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

Profibus協(xié)議；Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)；PLC控制系統(tǒng)

一、Profibus簡(jiǎn)介

Profibus是一個(gè)分布式周期循環(huán)系統(tǒng)，它對(duì)新更新做實(shí)時(shí)反映，Profibus網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)通過(guò)唯一的邏輯地址被連接在總線上。站有主站和從站兩種周期令牌是增計(jì)數(shù)的，并循環(huán)通過(guò)邏輯環(huán)上的站點(diǎn)。系統(tǒng)僅有一個(gè)令牌，保持令牌的主站點(diǎn)控制總線，主站和從站進(jìn)行通訊和交換數(shù)據(jù)。從站和主站被動(dòng)的通訊，在主站和從站間的通訊是按照預(yù)先定義的查詢(xún)表，如果保持令牌的限定時(shí)間達(dá)到或查詢(xún)表中的任務(wù)完成，下一個(gè)主站持有令牌。Profibus第二層數(shù)據(jù)鏈路層上的這種總線訪問(wèn)協(xié)議使得總線上的多個(gè)站點(diǎn)能夠共享通信帶寬，從而在一個(gè)參數(shù)可調(diào)節(jié)的預(yù)定的時(shí)間周期—令牌目標(biāo)循環(huán)時(shí)間內(nèi)得到訪問(wèn)總線、接發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)力。

現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)往往包括一個(gè)中央控制器和許多遠(yuǎn)程I/O設(shè)備，且由中央控制器協(xié)商，周期性的與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)對(duì)分布式系統(tǒng)中的許多帶有智能的執(zhí)行器、監(jiān)控設(shè)備、可編程設(shè)備等相互間的通信來(lái)說(shuō)，基于傳遞令牌的主從輪詢(xún)協(xié)議也能保證多個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)平等的接入控制權(quán)。

Profibus的拓?fù)鋱D（圖1）如下：

圖1

二、Profibus協(xié)議介紹

Profibus取消了TCP/IP中的四層協(xié)議，它的協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層組成，協(xié)議的結(jié)構(gòu)（圖 2）如下：

圖2

三、Profibus協(xié)議中的MAC協(xié)議

Profibus協(xié)議中的MAC協(xié)議是主從循環(huán)查詢(xún)協(xié)議，Profibus中令牌類(lèi)總線協(xié)議的最大特點(diǎn)是總線上各點(diǎn)的地位不均等，分為主、從站點(diǎn)兩種。主站統(tǒng)一管理著各個(gè)從站分時(shí)接入總線的權(quán)力，而從站不能自由的接入公共傳輸介質(zhì)總線，通過(guò)這種方式使總線上傳輸沖突得以避免。

在Profibus令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，持有令牌的主站向它所屬的從站發(fā)起通信，輪詢(xún)事先定義屬于它的各個(gè)從站，主站采集經(jīng)由從站轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)在其上的數(shù)據(jù)且送出控制數(shù)據(jù)、指令等給從站，以控制前端設(shè)備。這種數(shù)據(jù)交換的發(fā)起者是主站，響應(yīng)者是從站。這種工作機(jī)制包括了兩個(gè)環(huán)節(jié)：主站之間的令牌傳遞方式和主站與所屬?gòu)恼局g的分時(shí)輪詢(xún)傳輸，可以保證總線上不會(huì)有多于兩個(gè)點(diǎn)同時(shí)使用總線。這種工作機(jī)制具有分散式的管理特點(diǎn)，使得每一個(gè)主站和每一個(gè)從站能在一個(gè)首先可確定的最大時(shí)間內(nèi)獲得對(duì)總線介質(zhì)的接入占有權(quán)。

Profibus網(wǎng)絡(luò)中的主站具有對(duì)系統(tǒng)變化感知和管理的能力，即維持邏輯環(huán)和從站周期交換數(shù)據(jù)的同時(shí)還必須不時(shí)的探測(cè)總線上站點(diǎn)的變化。管理包括了對(duì)主站和從站兩類(lèi)站點(diǎn)的不同管理。其中對(duì)從站的管理為：一旦在主站的參數(shù)初始化階段在主站上利用工具軟件定義了所屬?gòu)恼镜耐ㄓ崊?shù)，則從主站的在線或離線只影響該從站與主站的通信，當(dāng)某一從站突然發(fā)生故障或離線時(shí)，主站仍會(huì)發(fā)起對(duì)它的數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求指令，但收不到答復(fù)。一旦該從站恢復(fù)了正常后，即可自動(dòng)加入與主站間的數(shù)據(jù)周期交換序列。而若在定義初始化參數(shù)時(shí)，從站就脫離了總線，從而不能完成主站的參數(shù)初始化過(guò)程，在主站的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)就不能建立相應(yīng)的對(duì)應(yīng)空間，則主從站間通信則永久不能進(jìn)行。對(duì)主站的管理為：在總線的初始化和啟動(dòng)階段，主站首先 廣播發(fā)出探詢(xún)指令，判定總線上所有主站節(jié)點(diǎn)地址和從站節(jié)點(diǎn)地址，并將它們分別記入活動(dòng)站列表。通過(guò)活動(dòng)站列表，每一個(gè)主站能得知在總線上與其相鄰的前后兩個(gè)主站的地址。為了對(duì)邏輯環(huán)的動(dòng)態(tài)變化及時(shí)監(jiān)控，每一個(gè)主站負(fù)責(zé)對(duì)本站地址和下一站地址間的區(qū)間周期性的檢測(cè)，看是否有新的主站加入。當(dāng)一個(gè)主站得到令牌，在執(zhí)行完傳輸任務(wù)后，且仍有令牌持有時(shí)間，即執(zhí)行一個(gè)探測(cè)指令，探測(cè)主站中間的地址。若發(fā)現(xiàn)了在此地址段中有新的主站響應(yīng)，則更新自身的活動(dòng)站表，且將此地址賦予為下一個(gè)站的地址，在下一個(gè)令牌的循環(huán)中將令牌交給新的下一站地址。若探測(cè)指令無(wú)響應(yīng)答復(fù)，則認(rèn)為無(wú)新主站加入，就交令牌到原下一站地址。至下一次重新獲得此令牌之后，在探測(cè)主站間地址。如果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的搜查，主站間的地址均無(wú)響應(yīng)，即沒(méi)有新主站加入。通過(guò)這種探查方式，每一個(gè)主站能夠動(dòng)態(tài)探知在與本站相鄰的地址是否有新的主站加入。同時(shí)，主站還能及時(shí)知道與自己相鄰的下一個(gè)主站是否離線或發(fā)生故障，且更新下一站地址，從而能動(dòng)態(tài)維持主站間邏輯環(huán)，使系統(tǒng)通信在發(fā)生意外情況時(shí)，仍能繼續(xù)運(yùn)行。

四、Profibus-DP

用于更為簡(jiǎn)單的組態(tài)控制和更快速的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組的一組I/O對(duì)象間的高速信息通信，是優(yōu)化并簡(jiǎn)化了的Profibus。Profibus-DP主要用于面向工廠現(xiàn)場(chǎng)層應(yīng)用，完成針對(duì)包括諸如可編程控制器、自動(dòng)控制設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器間的快速可靠地循環(huán)通信任務(wù)。

五、Profibus-DP的應(yīng)用

中鋁洛陽(yáng)銅業(yè)有限公司在2008年購(gòu)買(mǎi)4輥粗軋機(jī)，控制系統(tǒng)有兩級(jí)，分別是自動(dòng)化一級(jí)和過(guò)程控制系統(tǒng)二級(jí)。自動(dòng)化一級(jí)包括s7300、遠(yuǎn)程I/O，操作面板等，過(guò)程控制系統(tǒng)二級(jí)包括MNG、ENG和MMI站，一級(jí)的功能是檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，控制執(zhí)行器并傳輸反饋信號(hào)及計(jì)算結(jié)果到二級(jí)。

系統(tǒng)分為4個(gè)Profibus-DP子網(wǎng)，分別由相應(yīng)的通訊模塊控制。當(dāng)一個(gè)通訊模塊拿到令牌時(shí)，其和相應(yīng)的子網(wǎng)內(nèi)的從站進(jìn)行通信，從而對(duì)設(shè)備不同的控制。系統(tǒng)通過(guò)中斷的方式來(lái)接管子網(wǎng)的控制權(quán)。通過(guò)這種方式，系統(tǒng)能夠?qū)⒉煌阅芤蟮淖泳W(wǎng)分級(jí)管理，以使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到優(yōu)化，進(jìn)而整體提高系統(tǒng)的控制性能。

在系統(tǒng)的傳動(dòng)部分，傳統(tǒng)方法（見(jiàn)圖3）是主PLC采集速度信號(hào)之后，通過(guò)主站中的高速模塊傳送到相應(yīng)的變頻器中，其缺點(diǎn)是價(jià)格高、配置復(fù)雜。

圖3

而在新的傳動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)主電機(jī)和輔助電機(jī)的控制接口在Profibus網(wǎng)絡(luò)上串聯(lián)，通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)定值貝傳送到變頻器。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，主電機(jī)的速度信號(hào)被傳送到S7 400，S7 400比較速度和設(shè)定值，并根據(jù)偏差給出新的設(shè)定值，對(duì)時(shí)間要求十分嚴(yán)格，Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度可達(dá)1.5Mbps以上且具有高的傳輸可靠性，因而Profibus網(wǎng)絡(luò)是最佳選擇。經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行，控制系統(tǒng)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

Profibus-DP適用于對(duì)時(shí)間要求非常嚴(yán)格的離散設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸，Profibus-DP是離散I/O之間通訊的一個(gè)解決方案，Profibus技術(shù)是現(xiàn)代通訊技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，它的高安全性、智能檢查及高效和低價(jià)使它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。

[1]Simatic net profibus網(wǎng)絡(luò)手冊(cè)

[2]Tovar E,Vasque F, Cyele time properties of the profobus timed-token protocol, computer connection 1999,(22): 1206-1216

[3]profibus 技術(shù)和應(yīng)用 HTTP://www.profibus .com

[4]profisafe-profile for safety technology HTTP://www.profibus .com

[5]電氣技術(shù)說(shuō)明（EDM公司）

The Design of PLC Control System based on Profibus-DP network

At the application of the mill control system, the most important problem is the communication between the site level and workshop level, Because of the maximum speed of transmition. Using traditional method, the high speed count modules are very expensive. A new style bus, that is Profibus-DP bus, is use to transmit data between the main station and remote I/O, which solve the problem of data transmition. It prevail a lot of industries with high security and robust of network system.

Profibus protocol;Profibus-DP network;PLC control system

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.073