基于Profibus協(xié)議主從通訊的研究
摘 要：本文介紹了Siemens CP342-5模塊在聚攏水泥廠回轉(zhuǎn)窯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了CP342-5模塊與P+F Encoder絕對值型編碼器基于PROFIBUS協(xié)議的通訊的實(shí)現(xiàn)方法，并對傳統(tǒng)的基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)的弊端和基于現(xiàn)場總線的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。最后給出了Siemens CP342-5模塊與多個(gè)智能編碼器P+F Encoder主從式通信的實(shí)現(xiàn)程序。
關(guān)鍵詞：CP342-5;倍加福編碼器;Profibus;可編程序控制器;主從通訊
Abstract: The application of CP342-5 , which is used in rotary kiln supervisory control system of the Ju-long cement plant, is introduced in this paper. A method for the communication between the Siemens CP342-5 and the P+F absolute Encoder is provided. And an analysis on the distributed automation monitoring & Information integration system based on the PC, PLC, DCS products is given thoroughly .Then communication program is given between Siemens CP342-5 and multi intellect P+F encoders on Profibus Protocol.
Keywords: CP342-5, P+F Encoder, Profibus , PLC, M/S communication
0 引言
在聚攏水泥廠回轉(zhuǎn)窯監(jiān)測系統(tǒng)中，用到了高性能的Siemens S7-300 PLC，為了能夠?qū)⒕幋a器的參數(shù)讀入到Siemens PLC中，采用了Siemens 公司的PROFIBUS通信處理器CP342-5，該模塊集成了一個(gè)DP端口，通過PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)讀取編碼器中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。編碼器采用德國倍加福的絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器,它們均提供PROFIBUS-DP通訊接口，采用PROFIBUS協(xié)議以主從方式通訊。
傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)，主要特點(diǎn)之一是現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個(gè)I/O點(diǎn)對設(shè)備的一個(gè)測控點(diǎn)），所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。信息集成能力不強(qiáng)、系統(tǒng)不開放、可集成性差、可靠性不易保證、可維護(hù)性不高。
PROFIBUS 是一種已有很多現(xiàn)場安裝基礎(chǔ)的目前世界上最成功的開放式現(xiàn)場總線,可使用一條通信電纜將所有的自動(dòng)化設(shè)備（PLC、帶有通信接口的智能儀表、傳感器與執(zhí)行器等）連接起來，彼此交換數(shù)據(jù)和進(jìn)行通信。PROFIBUS現(xiàn)場總線用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。智能編碼器是工業(yè)控制中最常用的智能儀表之一，其主要是針對某一特定的參數(shù)（如液位、行程、高度等），采用先進(jìn)的控制算法（如fast技術(shù)）來達(dá)到精確控制被控參數(shù)的目的，具有專業(yè)性強(qiáng)、智能化高、控制算法先進(jìn)、使用方便等特點(diǎn)。可編程邏輯控制器（簡稱PLC）以其運(yùn)行可靠、集成度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)而在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，而且各個(gè)PLC生產(chǎn)廠家提供了多種通訊模塊，如工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet模塊，Profibus DP現(xiàn)場總線模塊，AS-I模塊，點(diǎn)到點(diǎn)串行通訊模塊等。因此可以利用PLC的通訊模塊讀取智能編碼器中的數(shù)據(jù)，然后通過PLC中的工業(yè)以太網(wǎng)模塊、現(xiàn)場總線模塊連接到企業(yè)SCADA HMI系統(tǒng)中。[1]
1 通訊構(gòu)成及通信協(xié)議
1.1 通訊構(gòu)成
聚攏水泥廠窯爐監(jiān)測系統(tǒng)中，使用CP342-5模塊和5臺倍加福編碼器通訊，在空間上分成三部分：燒成窯尾、燒成窯中和燒成窯頭。燒成窯尾到燒成窯頭相距大約50米。通訊在硬件連接上采用PROFIBUS屏蔽雙絞線。在軟件上，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)，用最少的信號線來完成通訊任務(wù)。在本自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)中，要求將5臺倍加福絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器PVM 58（P+F Absolute Rotary Encoder PVM 58）通過CP342-5通訊模塊讀取到PLC中，其網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
下面給出了CP342-5模塊、P+F Absolute Encoder PVM 58的參數(shù)設(shè)置，并詳細(xì)介紹了通訊處理器CP342-5、倍加福編碼器之間進(jìn)行通訊所用到的PROFIBUS-DP協(xié)議。
1.2 通信處理器-CP342-5
Siemens CP342-5是一種基于PROFIBUS的通訊模塊，提供了串行通訊的低成本解決方案。它可以在S7-300中使用，可以作為PROFIBUS-DP 的主站也可以作為從站，但不能同時(shí)作主站和從站，而且只能在S7-300 的中央機(jī)架上使用，不能放在分布式從站上使用。CP342-5 作為DP 主站和從站不一樣，它對應(yīng)的通訊接口區(qū)不是I 區(qū)和Q 區(qū)，而是虛擬通訊區(qū)，需要調(diào)用FC1 和FC2 建立接口區(qū)?？稍赟TEP 7硬件配置的進(jìn)程中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要包括通訊協(xié)議、通訊模式、接口方式、地址和波特率。對于同倍加福旋轉(zhuǎn)編碼器P+F Rotary Encoder PVM 58的通訊，本設(shè)計(jì)中可以設(shè)置為：
a、通訊協(xié)議：PROFIBUS-DP
b、通訊模式：DP Master
c、接口方式：Profibus
d、地址和波特率：2、19.2Kbps
e、其余的設(shè)置為默認(rèn)方式。
1.3 通信協(xié)議-PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP （Decentralized Periphery）是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信, 由于PROFIBUS-DP 的開放性,它可以連接不同制造廠商的標(biāo)準(zhǔn)部件。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。它具備節(jié)能，成本低，配置方便簡單、生產(chǎn)中的高度靈活性，可靠和確實(shí)的診斷數(shù)據(jù)，可靠的數(shù)字傳輸技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。
PROFIBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection-OSI）作為參考模型的。PROFIBUS-DP定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。
典型的DP配置可以是單主站結(jié)構(gòu)，也可以是多主站結(jié)構(gòu)。各主站間為令牌傳送，主站和從站間為主從循環(huán)傳送，總線上最多126個(gè)站。對于主從通訊方式，主站（PLC，CP或過程控制系統(tǒng)）與從站（分布式現(xiàn)場設(shè)備，例如I/O閥門、編碼器、變送器和分析儀等）之間進(jìn)行快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，主站發(fā)出請求報(bào)文，從站收到后返回響應(yīng)報(bào)文。
當(dāng)組建的網(wǎng)絡(luò)是用于二進(jìn)制輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等小數(shù)量級的快速循環(huán)通信的話,可以考慮將網(wǎng)絡(luò)配置成為ROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率最大可以為12Mbit/s。
1.4 P+F Absolute Rotary Encoder通訊參數(shù)設(shè)置
1.4.1安裝GSD文件
GSD文件為電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件，是可讀的ASCII碼文件。不同廠家的PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)，例如I/O點(diǎn)數(shù)、診斷信息、傳輸速率、時(shí)間監(jiān)視等。在Step 7 的SIMATIC 管理器中打開硬件組態(tài)工具HW Config ，安裝GSD后，在右邊的硬件目錄PROFIBUS DP→Additional Field Devices→Encoders→ENCODER將會出現(xiàn)剛剛安裝的P+F Rotary Encoder。其數(shù)據(jù)傳輸原理如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)傳輸原理圖
1.4.2 組態(tài)通訊參數(shù)
在Step 7硬件配置窗口中，雙擊P+F Rotary Encoder 圖標(biāo)，打開編碼器（DP Slave）的參數(shù)設(shè)置窗口，如圖3所示。結(jié)合筆者工程實(shí)際，在此窗口中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：
圖3 編碼器參數(shù)設(shè)置窗口
a、 代碼順序（Code Sequence）：計(jì)數(shù)方向， CW（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，代碼增加）,CCW（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，代碼增加）;
b、 標(biāo)定功能控制（Scaling function control）:只有設(shè)置成Enable ，下面c、d和e的設(shè)置才會生效;
c、 單圈分辨率（Measuring units per revolution）:8192;
d、 測量范圍高位（Total measuring range（units）hi）: 512;
e、 測量范圍低位 （Total measuring range（units）lo）: 0;
f、 其它參數(shù)采用默認(rèn)值。
注：1、由c可以計(jì)算出編碼器每圈產(chǎn)生 （=8192）個(gè)二進(jìn)制碼，即單圈精度為13位。
2、由d和e可以計(jì)算出編碼器最大可以轉(zhuǎn) （=512×65536+0）圈，即多圈精度為12位。
2 軟件的實(shí)現(xiàn)方法
2.1 數(shù)據(jù)流交換機(jī)制
CP342-5和集成DP口的S7-300 CPU與DP從站通訊時(shí)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)流交換機(jī)制是有區(qū)別的。集成DP口的S7-300 CPU可以像訪問自己的I/O模塊一樣來訪問DP從站，不必用戶專門編程。雖然智能從站提供給主站的輸入/輸出區(qū)域不是實(shí)際的I/O模塊使用的I/O區(qū)域，但簡單組態(tài)后，主從站之間的數(shù)據(jù)交換也是自動(dòng)進(jìn)行的，不需要專門編程。
CP342-5和DP從設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須調(diào)用FC1（DP_SEND），F(xiàn)C2（DP_RCV）訪問從站地址，否則CP342-5的PROFIBUS狀態(tài)燈“BUSF”將閃爍。FC1（DP_SEND）和FC2（DP_RCV）是SIMATIC_NET_CP標(biāo)準(zhǔn)庫中功能塊，安裝NCM S7后，就會Step 7編輯器左邊的指令樹中出現(xiàn)該函數(shù)庫。
用CP342-5 作為DP 主站和從站不一樣，它對應(yīng)的通訊接口區(qū)不是I 區(qū)和Q 區(qū)，而是虛擬通訊區(qū)，需要調(diào)用FC1 和FC2 建立接口區(qū)。需要為每個(gè)P+F Rotary Encoder定義虛擬通訊區(qū)，虛擬通訊區(qū)可以是位存儲區(qū)（M區(qū)）、數(shù)據(jù)塊存儲區(qū)（DB區(qū)）。
2.2 虛擬通訊區(qū)的建立
在具體處理每塊旋轉(zhuǎn)編碼器
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