基于Profibus-DP协议现场总线的控制系统设计.doc

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目录

摘要…………………………………………………………………………………………1

前言…………………………………………………………………………………………2

1.绪论………………………………………………………………………………3

1.1课题来源与研究内容……………………………………………………………3

1.2现场总线概念及特点……………………………………………………………3

1.3典型现场总线简述………………………………………………………………4

1.4现场总线的发展趋势……………………………………………………………5

2.Profibus现场总线概述……………………………………………………………6

2.1Profibus协议结构与OSI参考模型……………………………………………6

2.2Profibus物理层…………………………………………………………………7

2.3Profibus数据链路层……………………………………………………………8

2.4Profibus应用层…………………………………………………………………9

3.Profibus-DP协议…………………………………………………………………10

3.1Profibus-DP的基本功能………………………………………………………10

3.2Profibus-DP的数据通信………………………………………………………13

3.3Profibus-DP的交叉通讯方式…………………………………………………14

3.4Profibus-DP的技术优势………………………………………………………15

4.西门子PLC的Profibus总线通信实现………………………………………16

4.1课题要求…………………………………………………………………………16

4.2可编程控制器S7-300的实验系统组成…………………………………………16

4.3硬件组态与参数设置……………………………………………………………19

4.4Profibus现场总线控制网络的组网……………………………………………26

5.上位机监控软件的研究与设计…………………………………………………34

5.1WinCC组态软件的功能和特点…………………………………………………34

5.2利用组态软件WinCC设计系统监控界面………………………………………36

6.结论与展望…………………………………………………………………………43

致谢………………………………………………………………………………………44

参考文献…………………………………………………………………………………45

基于PROFIBUS-DP

现场总线的控制系统设计

摘要：

本文分析了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，WinCC

Abstract：

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,WinCC

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。

1.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，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（Fieldbus Foundation基金会现场总线）、Profibus（Process Fieldbus）、CAN（Controller Area Network控制器局域网）、WorldFIP（Factory Instrumentation Protocol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78K bit/s～1.25M bit/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

WorldFIP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31.25K bit/s、1M bit/s、2.5M bit/s、25M bit/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。

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。

2）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。

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