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6.PROFIBUS技术(西门子s7-300授课资料,拿来大家共享!)


PROFIBUS现场总线技术 现场总线技术 现场总线
刘美俊

现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线, 是一种串行的数字数据通信链路,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.按照国际电工委员会IEC61158的标准定 义,现场总线是"安装在制造和过程区域的现场装置与控制 室内的自动化控制装置之间的数字式,串行,多点通信的数 据总线".

现场总线是在生产现场,测控设备之间形成开放 型测控网络的新技术,现场总线控制系统既是一个 开放式通信网络,又是一种全分布式控制系统.它 作为智能设备的联系纽带,把挂接在总线上,作为 网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构 成自动化系统,实现基本控制,补偿计算,参数修 改,报警,显示,监控,优化及控管一体化的综合 自动化功能.

典型现场总线

自80年代以来,有几种现场总线技术逐渐形成其影响, 并在一些特定的应用领域显示了自己的优势.它们具有各 自的特点,也显示了较强的生命力,对现场总线技术的发 展已经发挥并将继续发挥较大的作用.

1 ,PROFIBUS 2, FF 3, Lonworks , 4,CAN , 5,HART ,

现场总线在自动化系统中的位置

PROFIBUS现场总线概述
(1) PROFIBUS是一种国际化,开放式,不依赖于设 备生产商的现场总线标准.广泛适用于制造业自动 化,流程工业自动化和楼宇,交通,电力等其他领 域自动化. (2) PROFIBUS PROFIBUS由三个兼容部分组成,即 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery), PROFIBUS-PA(Process Automation), PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification).

(3) PROFIBUS-DP:是一种高速低成本通信,用于设备级控制 系统与分散式I/O的通信.使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC 或4-20mA信号传输. (4) PROFIBUS-PA:专为过程自动化设计,可使传感器和执 行机构联在一根总线上,并有本征安全规范. (5) PROFIBUS-FMS:用于车间级监控网络,是一个令牌结构, 实时多主网络. 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.可实现现场设备层到车 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.

PROFIBUS传输技术

PROFIBUS提供了三种数据传输类型: 用于DP和FMS的RS485传输. 用于PA的IEC1158-2传输. 光纤

用于DP/FMS的RS485传输技术 由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术 和统一的总线访问协议,因而,这两套系统可 在同一根电缆上同时操作. RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传 输技术.这种技术通常称之为H2.采用的电缆 是屏蔽双绞铜线.

RS-485传输技术基本特征
网络拓扑:线性总线,两端有有源的总线终端电阻. 传输速率:9.6K bit/s~12M bit/s 介质:屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决 于环境条件(EMC). 站点数:每分段32个站(不带中继),可多 到127个站(带中继). 插头连接:最好使用9针D型插头.

RS-485传输设备安装要点
(1) 全部设备均与总线连接. (2) 每个分段上最多可接32个站(主站或从 站). (3) 每段的头和尾各有一个总线终端电阻, 确保操作运行不发生误差.两个总线终端电阻 必须永远有电源. (4) 当分段站超过32个时,必须使用中继器 用以连接各总线段.串联的中继器一般不超过3 个.如图所示:

每个分段上最多可接32个站(主站或从站)

(5) 电缆最大长度取决于传输速率.如使用A型电缆,则传
输速率与长度如下表

波特率(K bit/s)

9.6

19.2

93.75

187.5

500

1500

12000

距离/段(M)

1200

1200

1200

1000

400

200

100

(6) RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型 插头. (7) 当连接各站时,应确保数据线不要拧绞,系统在高电 磁发射环境(如汽车制造业)下运行应使用带屛蔽的电缆, 屏蔽可提高电磁兼容性(EMC). (8) 如用屏蔽编织线和屏蔽箔,应在两端与保护接地连接, 并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖,以保持良好的传 导性.另外建议数据线必须与高压线隔离. (9) 超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段, 应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与 插头连接,而且总线插头可在任何时候接通或断开而并不 中断其它站的数据通信.

用于PA的IEC1158-2传输技术
(1) 数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA,能满 足化工和石油化工业的要求.它可保持其本征安全性,并 通过总线对现场设备供电. (2) IEC1158-2是一种位同步协议,通常称为H1. (3) IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA: 每段只有一个电源作为供电装置. 当站收发信息时,不向总线供电. 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流. 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置. 主总线两端起无源终端线作用. 允许使用线性,树型和星型网络. 为提高可靠性,设计时可采用冗余的总线段.

IEC1158-2传输技术特性
传输速率:31.25K bit/s,电压式. 电缆:双绞线,屏蔽式或非屏蔽式. 远程电源供电:可选附件,通过数据线. 防爆型:能进行本征及非本征安全操作. 拓扑:线型或树型,或两者相结合. 站数:每段最多32个,总数最多为126个. 中继器:最多可扩展至4台.

IEC1158传输设备安装要点 (1) 分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与 RS-485传输技术总线段连接.藕合器使RS-485 信号与IEC1158-2信号相适配.它们为现场设备 的远程电源供电,供电装置可限制IEC1158-2总 线的电流和电压. (2) PROFIBUS-PA的网络拓扑有树型和线型结 构,或是两种拓扑的混合

光纤传输技术
(1) PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用 时,可使用光纤导体,以增加高速传输的距离. (2) 可使用两种光纤导体,一是价格低廉的塑料 纤维导体,供距离小于50米情况下使用.另一种 是玻璃纤维导体,供距离大于1公里情况下使用. (3) 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号 转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成 RS-485信号.

PROFIBUS总线存取协议
(1) 三种PROFIBUS(DP,FMS,PA)均使用 一致的总线存取协议.该协议是通过OSI参考 模型第二层(数据链路层)来实现的.它包括 了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理. (2) 在PROFIBUS中,第二层称之为现场总线 数据链路层(Fieldbus Data Link-FDL).介质 存取控制(Medium Access Control-MAC)具体 控制数据传输的程序,MAC必须确保在任何一 个时刻只有一个站点发送数据.

(3) PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个 基本要求: 在复杂的自动化系统(主站)间的通信,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. 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.

PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模 型的关系

PROFIBUS协议结构

PROFIBUS总线存取协议,主站之间采用令牌 传送方式,主站与从站之间采用主从方式. (4) 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规 定的时间内得到总线存取权(令牌).在 PROFIBUS中,令牌传递仅在各主站之间进行. (5) 主站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读取信息.

.

令令令 令令令令

.

M3
轮轮

M5

M6

M8

S1

S2

S4

S7

S9

S10

M:Masteractive stations) 主主 ( S:Slave (passive stations) 主 从
.

.

在图中,PROFIBUS总线上的主设备M3获得 令牌,即获得了总线控制权,此时,主设备 M3与M5进行数据传递,同时M3也可以与从 设备S1,S2,S3等进行通信,M3对从设备进 行循环查询.当M3主站没有需要发送的帧或 在规定时间内发送完了所需发送的帧,或者 M3的控制时间终了时,它就将主站令牌传递 给下一个主站M5.以后,令牌在M5-M6-M8M3之间进行传递.

PROFIBUS-DP系统配置和设备类型
PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统.在同
一总线上最多可连接126个站点.系统配置的描述包 括:站数,站地址,输入/输出地址,输入/输出数据 格式,诊断信息格式及所使用的总线参数.每个 PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备: (1) 一级DP主站(DPM1):一级DP主站是中央 控制器,它在预定的信息周期内与分散的站(如DP 从站)交换信息.典型的DPM1如PLC或PC

(2) 二级DP主站(DPM2):二级DP主站是编 程器,组态设备或操作面板,在DP系统组态操 作时使用,完成系统操作和监视目的. (3) DP从站:DP从站是进行输入和输出信息采 集和发送的外围设备(I/O设备,驱动器,HMI, 阀门等). (4) 单主站系统:在总线系统的运行阶段,只 有一个活动主站.

电子设备数据文件(GSD)
为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在 一起,生产厂家必须以GSD文件(电子设备数 据库文件)方式提供这些产品的功能参数(如 I/O点数,诊断信息,波特率,时间监视等). 标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级. 使用根据GSD文件所作的组态工具可将不同厂 商生产的设备集成在同一总线系统中.

GSD文件可分为三个部分: (1) 总规范:包括了生产厂商和设备名称,硬 件和软件版本,波特率,监视时间间隔,总线 插头指定信号. (2) 与DP有关的规范:包括适用于主站的各项 参数,如允许从站个数,上装/下装能力. (3) 与DP从站有关的规范:包括了与从站有关 的一切规范,如输入/输出通道数,类型,诊断 数据等.

网络结构
操作员站

以太网 412-2DP

工程师站

编程站

Profibus-DP总线

315-2DP

ET200

变频器

软启动

触摸屏

DP/ASI网 关

各控制对象
LOGO 4I/4O
光电开关

ASI总线
接近开关

LOGO

控制对象

最上一层为SIEMENS工业以太网,该网络上有 两台计算机,分别为工程师站和操作员站,工 程师站安装有监控软件《组态王》运行狗,负 责整个监控系统的运行;同时作为OPC服务器, 负责与Profibus主站---西门子S7400系列可编程 CPU412-2DP交换数据,使《组态王》的变量 与PLC中的各个控制点关联起来

工程师站,操作员站,CPU412-2DP是通过 SIEMENS工业以太网电气链路模块(相当于HUB) 6GV1 105-3AA0互相连接通讯;其中工程师站和操 作员站分别装有SIEMENS专用工业以太网卡 CP1612;而CPU412-2DP则是通过CP443-1工业以 太通讯模块连接.(该模块的作用相当于PLC的以 太网卡),同时CPU412-2DP是OPC客户端.在以 太网中是通过各站点的IP地址来标识身份的,本系 统的IP地址分别为:工程师站:140.80.0.10操作员 站:140.80.0.11 CP443-1:140.80.0.3

第二层为Profibus-DP现场总线网,各站点是通 过DP地址来标识身份的,本系统的各站点地址 分别为:主站CPU412-2DP其DP地址为2,挂在 DP总线上的各从站点分别:CPU315-2DP其DP: 3 远程I/O ET200M其DP:4,变频器其DP:5, DP/ASI网关其DP地址为:6,CP5613其DP:0 (系统规定,一般不允许更改),触摸屏其DP: 1(系统规定,一般不允许更改)

第三层为ASI现场总线网,通过DP/ASI网关(IM153)与DP 网相连,该网关同时作为ASI主站,ASI总线的特点是结构 简单,两线信号即是电源回路也是信号回路(类似于两线制 传感器的工作方式),可连接31个ASI从站,每站点最大传 输点为4I/4O,比较适合于一些简单的检测器件和执行机构 的组态,本系统中的ASI从站有以下几个:带ASI接口模块 的西门子LOGO两块,4I/4O模块一块,带ASI接口的光电开 关和接近开关各一只;一个LOGO用于控制挖土机,另一个 用于控制天车;ASI各从站的地址通过专用的ASI手持编址 器进行设定.

西门子工业以太网
西门子工业以太网其本质上与传统的以太 网一样,只是其硬件都是工业级专用,如 网卡,网线,链路模块(HUB)等;PLC 连接以太网是通过以太网通讯模块来实现 (如上所述),采用标准的TCP/IP通讯协 议,10M带宽,硬件结构见下图:

PC Station 1 CP1612

PC Station 2 CP1612

S7400PLC 以太网通讯模 块CP443-1

Profibus-DP

链路模块(HUB) 6GV1 105-3AA0

名称 PLC PLC 远程I/O 远程I/O 变频器 网关 DP Interfa ce OP

型号 CPU412-2DP CPU315-2DP ET200M ET200M MM420 IM-153 CP5613 MP270B

备注 自带DP口 自带DP口 自带DP口 自带DP口 外置DP通讯模块 自带DP口 自带DP口 自带DP口

地址 2 3 4 7 5 6 0 1

西门子CPU412-2DP和CPU315-2DP都带有两个通讯口, 一个为MPI另一个为DP,在出厂时,新的PLC其MPI 地址和DP地址都为2,因此在CPU首次使用时,若系 统中DP总线上有两个以上的CPU就必须先对每个CPU 进行单独DP地址设置,否则系统将报错,地址重复. CP5613 CP5613既可设置为DP也可设置为MPI,先将CP5613设 DP MPI CP5613 置为MPI方式,然后用一根两端装有总线接头的DP电 缆(注:电缆和总线接头MPI和DP是一样的)一端插 在CP5613上,另一端插在PLC的MPI口上,通过 STEP7就可以和PLC连接上了,此时通讯占用MPI口, DP口被自由释放,可以修改地址.

本系统就是通过此方式将CPU412-2DP的DP地址设 置为2,CPU315-2DP的DP地址设置为3,ET200M, 变频器的DP地址通过其自身拨码开关设置,网关和 触摸屏可通过其设置按键设置.一般情况下,为保 证系统的通讯可靠,修改DP的地址,DP的通讯速率 DP DP 等参数均采用系统的默认值(1.5Mbps),这样一致 性好,且不会出错.

当硬件连接好后,主要是通过STEP7软件中的 管理器来组态各硬件之间的关系.首先在管理 器中建立各个站(这里主要是指建立各类型主 站),本系统各类型主站分别为:S7300 Station,S7400 Station,PC Station (5613),PC Station 1 (1612) PC Station 2 (1612) (1612),PC (1612),然后再 分别对每个站进行硬件配置,此处必须与实物 对应,包括具体的槽位,各组件的产品序列号 等,当配置PLC的CPU时,系统会自动提示网 络选择.

注意:本系统的DP主站CPU412-2DP,而 CPU315-2DP也是主站类型PLC,在硬件设置 时要将其改为从站,此时系统会要求你选择和 主站的数据交换方式,选择MS方式,即主从 方式,再设置相应的数据交换区间以及长度, 这里的交换区间是指PI和PQ,S7300和S7400都 有此两个称之为外部输入输出的交换区,交换 数据的方式是交叉的,区间定义好了后, S7300和S7400的数据交换就会通过DP总线自 动进行,无须编写通讯程序,如下图所示: S7300和S7400通过DP的主从方式交换数据:

S7400PLC 一般存储区 I,Q,M等 外部输入存储 区 PI 外部输出存储 区 PQ

S7300PLC 一般存储 区I,Q, M等 外部输入 存储区 PI 外部输出 存储区 PQ

例如: 当设置了S7300的PQW100与S7400的PIW100交 换数据 S7400的PQW100与S7300的PIW100交换数据 在S7300中PQW100的状态会自动同步反应在 S7400的PIW100上,在S7400中对PQW100的操 作将自动同步反应在S7300的PIW100中,也就 是说在主站S7400中通过PI反应从站的状态, 通过PQ操作从站.

ASI工业现场总线
DP/ASI网关其实就是一个通讯适配模块,它负 责DP与ASI的通讯,同时做为ASI主站管理ASI 总线上的各个站;网关上有几个用于显示状态 的双色指示灯和设置按钮,能反映网关自身的 工作状态以及各站的状态,通过设置按钮可设 置网关的DP地址以及查看各个站.

建立一个S7-300硬件组态实例操作


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