摘 要：目前钞护，石油化工行業(yè)中使用的微機發(fā)油控制系統(tǒng)大都采用自行開發(fā)的單片機系統(tǒng)控制油泵魁袜，并通過RS-485總線與PC機的串口（使用RS-232轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器）相連驶沼，依靠上位機管理軟件監(jiān)控下位機炮沐。但化工行業(yè)中的設(shè)備復(fù)雜朋暴，且RS-485總線方式抗干擾性弱，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性下降碉伙，調(diào)試復(fù)雜下抬。本系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，下位機為抗干擾性極強的PLC真译，上位機通過專用PROFIBUS通訊卡CP5611構(gòu)建的整套系統(tǒng)紧燎，分布性、可靠性與可擴展性都得到了極大的提高己倾。本文章通過結(jié)合現(xiàn)行開發(fā)的基于PROFIBUS-DP的石油化工發(fā)油控制系統(tǒng)购哺，主要介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)，以及如何實現(xiàn)PROFIBUS總線與PLC通訊的相關(guān)技術(shù)蔫迅。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP;PLC;現(xiàn)場總線;

引言

　　自動化控制、計算機芜田、通信具藐、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了自動化領(lǐng)域的深刻變革蜈沛。信息技術(shù)的飛速發(fā)展庞溜，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)”ǎ現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場流码、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)，也被稱為開放式延刘、數(shù)字化漫试、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（fieldbus control system）碘赖，是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)驾荣、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)普泡、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)播掷。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撼班，F(xiàn)oundation Fieldbus）歧匈、LonWorks、PROFIBUS砰嘁、CAN和HART等等嚎猛。其中，PROFIBUS是當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一励邓。

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

　　PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點可分為PROFIBUS-DP带超，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本妙散。

　　PROFIBUS-DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速昨宋、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)計诅慧，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線紧除，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)班聂，提高大量的通信服務(wù)竿靠，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)霍衫、樓宇自動化候引、電氣傳動、傳感器和執(zhí)行器敦跌、可編程程序控制器澄干、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)計柠傍，標準的本征安全的傳輸技術(shù)麸俘，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惧笛。

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國際標準以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型从媚。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI的第一層、第二層和第七層徐紧。物理層定義了物理特性静檬，它上接數(shù)據(jù)鏈路層，下連媒介并级。發(fā)送時物理層編碼并調(diào)制來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息拂檩，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)和解碼迈窗。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲協(xié)議夭蒜，執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理出錯檢測惑妥、出錯恢復(fù)值舌、仲裁和調(diào)度。應(yīng)用層定義了應(yīng)用功能示荠，完成信息指令的翻譯漓蜗，掌握數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和意義岳散。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螃恕、傳輸距離和高速傳輸?shù)纫竺咧螅琍ROFIBUS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）相連接膳几。

1.3 存取協(xié)議

　　PROFIBUS的DP茴审，F(xiàn)MS，和PA均使用單一的總線存取協(xié)議启疙，通過OSI參考模型的第二層實現(xiàn)躁绸，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臣嚣。任意時刻只能有一個主站擁有令牌净刮，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)路傳給下一個主站硅则。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)庭瑰。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)抢埋。

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)，各種場合中的檢測督暂、監(jiān)測及控制的自動化揪垄。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逻翁，CPU 222饥努，CPU 224，CPU 226和CPU 226XM八回。本控制系統(tǒng)采用CPU224酷愧，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電平撼烹，波特率為9.6kbit/s濒垫，19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通訊網(wǎng)絡(luò)是一個令牌傳遞網(wǎng)远燕。

　　二：MPI方式

　　S7-200可以通過內(nèi)置接口連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上久泞，波特率為19.2kbit/s，187.5kbit/s奖放。S7-200 CPU在MPI網(wǎng)絡(luò)中作為從站淡藻，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)議砚粒，與任何通訊協(xié)議公開的其它設(shè)備缔沐、控制器進行通訊贤疆。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中尊陪，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)議枫演。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)備之間躺刷、現(xiàn)場設(shè)備與控制室之間的信號通信念脯。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弯淘，即如何讓現(xiàn)場信息出現(xiàn)在計算機的各應(yīng)用平臺上绿店，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)庐橙，建立在Windows的對象鏈接嵌入（OLE假勿，Object Linking and Embedding）、部件對象模塊（COM态鳖，Component Object Model）转培、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)的浆竭。OPC是一個開放的接口標準浸须、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)一邦泄、標準的接口規(guī)范删窒。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所示的鏈接方式顺囊，各客戶/服務(wù)器間形成即插即用的簡單規(guī)范鏈接關(guān)系很撩。

　　有了OPC作為通用接口，就可把現(xiàn)場信號與上位機監(jiān)控端辛、人機界面軟件方便地鏈接起來咨只，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等希没。這樣給我們開發(fā)上位機監(jiān)控軟件帶來很大的方便械拉。

4 系統(tǒng)實例簡介

　　在石油工業(yè)中，由于控制的復(fù)雜性咖播、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驴嚣，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)油泵铣佛，并通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線由工控機（或PC機）進行監(jiān)控黔巨。

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所示预甲。

　±榭　（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從站耳鸯，兩個總站和開票機構(gòu)成局域網(wǎng)湿蛔，主站和從站之間為主從關(guān)系。

　∠嘏馈（2） 兩個工控機主站和發(fā)票機通過TCP/IP協(xié)議阳啥，組成局域網(wǎng)。

　〔圃（3） 系統(tǒng)以SIMATIC工控機作為DP類型2主站察迟，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)耳高、運行扎瓶、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)泌枪。

　「藕伞（4） 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模塊碌燕，通過EM 277擴展模塊以DP從站形式接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)误证，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)预旺、SIMATIC OPC接口服務(wù)軟件杭恩、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萤考，完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置黎撤、PLC程序編制乒柳、測試、調(diào)試和文檔處理等功能侄灭。通常用戶程序由組織塊（OB）彭铐、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成亏傅，其中OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序的接口界面摊谢，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)醉装，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)接口點辕芳，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

　　工控機作為主站记罚，是通過通訊卡CP5611與從站進行數(shù)據(jù)交換的墅诡。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)置桐智，可自動完成總線各部分配置末早。但對于自行開發(fā)的、帶有Profibus-DP接口的從站说庭，需要自己編寫一個＊.GSD文件加入到配置庫中然磷。本系統(tǒng)將EM 277的GSD文件加入至OPC服務(wù)接口配置庫中，完成對總線配置后刊驴，即生成一個ldb文件供系統(tǒng)運行使用姿搜。

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)缺脉，以Windows 2000操作系統(tǒng)作為平臺痪欲，通過標準通訊接口OPC，采用Microsoft VC++程序設(shè)計語言編制程序攻礼，完成系統(tǒng)的控制要求业踢，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)票后甚宜，通過局域網(wǎng)將信號傳給發(fā)油機种洛，發(fā)油機則使用PROFIBUS-DP網(wǎng)通知下位機PLC，由PLC控制油泵映情，并檢測油量計和溫度拔泪，自動完成發(fā)油過程。圖3為發(fā)油機主程序流程圖阱墩。圖4為PLC S7-200主程序流程圖谍臀。

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、可靠性高局该、開放性好抡杈、抗干擾能力強，給安裝涉佑、調(diào)試和設(shè)備維護帶來方便加梁，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淮超，并能根據(jù)用戶要求擴展至較大的系統(tǒng)融蹂。

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