基于PLC和變頻器控制交流調速控制系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文-PAGEII--PAGEIII-基于PLC與變頻器的交流電機調速控制系統(tǒng)摘要隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流調速取代直流調速已成為現代電氣傳動的主要發(fā)展方向。通用變頻器以及可編程控制器以其優(yōu)越的調速和其保停性能、高效率、高功率因數和顯著的節(jié)電效果而廣泛應用于大、中型交流電機等，被公認為最有發(fā)展前途的調速控制。本課題就是針對交流電機的發(fā)展方向而設計的基于PLC和變頻器對交流電機調速控制系統(tǒng)。本文首先介紹了交流調速系統(tǒng)的發(fā)展概況、使用領域，以及交流調速系統(tǒng)的國內外研究現狀。由于PROFIBUS是一種不依賴生產廠家的開放式現場總線標準，不同廠商所生產的設備不需對其接口進行特別調整就可通信，目前它已廣泛應用于加工制造、過程和建筑自動化，并且被認為是當今運行最快的現場總線。所以本文針對PROFIBUS總線的工作原理和特點，探討了通用變頻器MM系列變頻器在調速系統(tǒng)中的應用情況，并分析了PROFIBUS-DP網絡的拓撲結構，系統(tǒng)中主站和從站的建立，變頻器GSD文件的導入，MPI網絡設置，PLC對變頻器控制的程序設計，最后給出了總線系統(tǒng)中控制字（PQW）和狀態(tài)字（PIW）的數據格式。從而最終達到通過PLC和變頻器對交流電機調速的目的。關鍵詞:通用變頻器；可編程控制器；PROFIBUS現場總線；交流電動機TheControlSystemBasingOnACCageInductionAjustsAbstractAlongwiththeelectricpowerelectronics,thetechniqueofcalculator,automaticcontroltechnicalandquickdeveolp,thealternatingcurrent,ACadjuststoreplacesoonthedirectcurrentadjustssoononeofthemaindevelopmentdirectionofhavingbecomethemodernelectricdrives,ingeneralusefrequencyconverterwithitstemperedsuperiorlytorisessoonbrakingfunction,high-efficiencyandhighpowerfactorandshowtheknotbatteryeffectoftheextensiveapplicationinstrongandmedium-sizedcageinductionmotor,squirrelcageinductionmotorthatbreezemachineetc.,itdrivegenerallyacceptedforhavemostthedevelopmentprospectadjustsooncontroller.ThisissueistothedirectionofdevelopmentofACmotordesignedforPLCandinverter-basedACmotorcontrolsystem.ThispaperfirstntroducedthegeneralsituationofACvariablefrequencyspeedsregulatingsystem,thedomainwhichused,andthestudysituation.ThePROFIBUSisakindofopentypefieldbusstandardthatdonotdependontheproductionplanthouse,differingthefactoryanequipmentforproducingdonotneedastoit'sspecialregulationinprogressininterfacecancorrespondbyletter,currentitisalreadyextensivetoappliedinprocesstheproduction,processtoautomatewithbuilding,andpassfortocirculatethequickestfieldbusnowadays.Therefore,thispaper,theprincipleofPROFIBUSbusandfeaturestheworkof.TheapplicationofMMserialinverterinthefieldbusisanalyzed,ThetoplogicalarchitectureofPROFIBUS-DP,theestablishofmasterandslavestationandaccesstoGSDdocumentofinverteraredescribledindetail,henetworkofMPI，PLCcontroloftheinverterdesign.FinallythestyleofPQWandPIWinthefieldbusisintroduced.AndultimatelytoachievethroughthePLCandfrequencyconverterforACmotorspeedcontrolpurposes.KeywordsThealternatingcurrent；PLC；thefieldbusofPROFIBUS；ACmotorPAGEII---PAGEV-目錄摘要…… =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1本論文目的和意義 11.2PLC和變頻器控制交流電機的調速的發(fā)展與現狀 11.3現場總線 21.3.1現場總線簡介 21.3.2現場總線的主要優(yōu)點 31.3.3PROFIBUS的基本特性 31.3.4現場總線的前景與發(fā)展 41.4本論文的內容安排 5第2章PROFIBUS的通訊原理 62.1協(xié)議及通訊方式 62.1.1協(xié)議結構 62.1.2通訊方式 82.1.3FDL幀的結構 112.2傳輸技術 122.2.1RS485傳輸技術 122.2.2IEC1158-2傳輸技術 132.2.3光纖傳輸技術 132.2.4S7-400、S7-300的數據交換 132..3本章小結： 14第3章硬件設計方案 153.1工業(yè)以太網簡介 153.1.1工業(yè)以太網的概念 153.2系統(tǒng)拓撲結構圖 163.2.1工業(yè)總線的網絡結構 163.2.2PROFIBUS總線結構圖 163.3系統(tǒng)配置 173.3.1PROFIBUS-DP現場總線的設備 183.3.2從站 193.3.3可編程控制器 203.3.4變頻器 203.4本章小結： 22第4章軟件的設計 234.1設備數據庫文件(GSD)的介紹 234.2STEP軟件簡介 234.3PLC程序設計 264.3.1編程原則 264.3.2PLC和存儲點的地址分配 264.4MPI網絡設置 274.5人機界面的特點及選擇 304.6部分程序及說明 314.7本章小結 39結論 40致謝 41參考文獻 42附錄 43-PAGE10--PAGE40-緒論本論文目的和意義目前，我國的能源消費僅次于美國，位列世界第二，但國民生產總值卻排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是單位產值能耗太大。我國具有各類風機約780萬臺，水泵4，000萬臺，空壓機560萬臺，這些裝置又占去了電機耗電的一半以上[1]。由于這些設備一般均采用恒速驅動，每年造成大量能源浪費。國家在十一五規(guī)劃中指出：堅持開發(fā)節(jié)約并重、節(jié)約優(yōu)先，按照減量化、再利用、資源化的原則，大力推進節(jié)能節(jié)水節(jié)地節(jié)材，加強資源綜合利用，完善再生資源回收利用體系，全面推行清潔生產，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的節(jié)約型增長方式。實行有利于資源節(jié)約的價格和財稅政策。強化節(jié)約意識，鼓勵生產和使用節(jié)能節(jié)水產品、節(jié)能環(huán)保型汽車，發(fā)展節(jié)能省地型建筑，形成健康文明、節(jié)約資源的消費模式。我國對交流變頻調速技術的研究起步較晚，到上個世紀90年代才有產品出現，采用的控制技術幾乎都還只是V/F控制，調速性能根本無法與國外產品相比。目前在中、低壓交流傳動中，變頻器的使用越來越多，而我國在研究矢量控制系統(tǒng)所需的各種硬件條件已經具備，如已出現的智能化功率器件（IPM），其電壓等級、開關頻率都有很大的提高；數字化控制元件也已出現單指令周期10ns的高速數字信號處理器（DSP）和幾乎能完成一個系統(tǒng)功能的專用集成電路[2]。變頻調速已成為電動機調速的最新潮流，有其自身的特點和優(yōu)點，隨著交流電動機變頻技術的日趨完善和推廣應用，特別是在礦用大功率高壓設備中的絞車、提升機、通風機、帶式輸送機等礦用設備上的應用效果則更加明顯。對耗電大、生產環(huán)境惡劣的煤炭行業(yè)推廣應用變頻技術更具有現實意義。本課題以PLC和變頻器控制交流調速為研究對象，設計出基于PLC和變頻器控制交流調速系統(tǒng)的實驗裝置。本論文的選題不論是從理論上還是從實踐上都有十分重要的意義[3]。PLC和變頻器控制交流電機的調速的發(fā)展與現狀隨著電力電子技術和自動控制技術的日益發(fā)展，電動機的調速已經從繼電器控制時代發(fā)展到今天的由變頻器控制調速。且在工業(yè)各個領域中得到了極為廣泛的應用。在現在的在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是由PLC控制變頻器實現電動機的調速控制。該方法主要通過程序來控制了電動機的變頻調速，從而實現了自動控制[4]。交流調速系統(tǒng)的發(fā)展與應用領域直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。在20世紀的大部分年代里，鑒于直流傳動具有優(yōu)越的調速性能，高性能可調速傳動都采用直流電動機，而約占電氣傳動總容量80%的不變速傳動則采用交流電動機，這種狀況在一段時期內已成為一種舉世公認的格局。20世紀70年代后，隨著大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展以及現代控制理論的應用，交流調速系統(tǒng)逐步具備了寬的調速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能，并且它的調速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調速節(jié)電效果明顯，而且易于實現過程自動化，在調速性能方面可以與直流電力拖動媲美[5]。目前，交流調速技術在工業(yè)發(fā)達國家已得到廣泛應用。美國有60%-65%的發(fā)電量用于電機驅動，由于有效地利用了交流調速技術，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了15%-20%的電量。而高性能電力、電子器件的應用更是推動了交流調速系統(tǒng)的發(fā)展，例如在通用變頻器方面，針對中、低壓應用領域的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的高開關頻率使得高性能的變頻器成為可能，而在以后出現的智能功率模塊（IPM），更加簡化了通用變頻器的設計。此后，交流調速系統(tǒng)主要沿用下述兩個方向發(fā)展和應用。(1)一般性能的節(jié)能調速。在過去大量的所謂不變速交流傳動中，風機、水泵等機械總容量幾乎占工業(yè)電氣傳動總容量的一半，其中有不少場合并不是不需要調速，只是因為過去交流電機本身不具備調速性能，不得不依賴擋板和閥門來調節(jié)送風或供水的流量，許多電能因而白白地浪費掉了。如果把這些設備的控制系統(tǒng)換成交流調速系統(tǒng)，就能節(jié)省消耗在擋板和閥門上的能量。根據有關計算統(tǒng)計，由于風機、水泵對調速范圍和動態(tài)性能的要求都不高，只需要一般的調速性能就已足夠，那么換成交流調速系統(tǒng)以后，每臺風機、水泵平均約可節(jié)能20%，這種節(jié)能效果是非?？捎^的。(2)高性能交流調速系統(tǒng)。許多在工藝上就需要調速的生產機械，過去多用直流傳動，鑒于交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、轉動慣量小、效率高，如果改成交流調速傳動，顯然能夠帶來不少的效益[6]。交流調速系統(tǒng)的國內外研究現狀近年來隨著電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展以及現代控制理論和計算機控制技術的應用，交流調速領域發(fā)展非常迅速，交流傳動技術取得了突破性的進展，獲得了許多創(chuàng)造性的成果。自從70年代矢量控制技術發(fā)展以來，從理論上解決了交流調速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題[7]?，F場總線1.3.1現場總線簡介現場總線是用于制造自動化和過程自動化底層的現場設備或現場儀表互連的通信網絡，是現場通信與控制系統(tǒng)的集成，現已成為當代工業(yè)自動化領域的熱點。1989年德國政府與幾個自動化設備制造商合作創(chuàng)立的PROFIBUS，是一種不依賴生產廠家的開放式現場總線標準，不同廠商所生產的設備不需對其接口進行特別調整就可通信，目前它已廣泛應用于加工制造、過程和建筑自動化，并且被認為是當今運行最快的現場總線?，F場總線的含義表現在現場通信網絡、互操作性、分散功能塊、通信線供電、開放式互連網絡[8]。PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準，是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線，是種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術?？蓪崿F現場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的新控制技術。它由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸，而PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構連在一根總線上，并有本征安全規(guī)范；PROFIBUS-FMS主要用于車間級監(jiān)控網絡，是一個令牌結構實時多主網落[9]。1.3.2現場總線的主要優(yōu)點1可靠性高。數字信號傳輸抗干擾強、精度高，無需采用抗干擾和提高精度的措施，從而減少了成本。2互換性。用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優(yōu)的現場設備，并將不同廠商的設備互連。即使某臺設備有故障，換上其他廠商的同類設備照常工作，實現即接即用。3互操作性。用戶把不同制造商的各種設備集成在一起，進行統(tǒng)一組態(tài)，構成所需的控制回路。用戶不必為集成不同廠商的產品而在硬件或軟件上花費力氣或增加額外投資。4綜合功能?，F場設備既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，實現一機多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。5分散控制。控制站功能分散在現場設備中，通過現場設備就可以構成控制回路，實現了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。6統(tǒng)一組態(tài)。由于現場設備都引入了功能塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法，這樣就使組態(tài)變的非常簡單，用戶不需要因為現場設備種類不同帶來組態(tài)方法的不同，而進行培訓或學習組態(tài)方法及編程語言。7開放式系統(tǒng)。現場為開放式互連網絡，所有技術和標準全是公開的，所有制造商都必須遵循。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網絡，既可與同層網絡互連，也可以與不同層網絡互連；另外，用戶可極其方便地共享網絡數據庫。8對惡劣環(huán)境的適應性。現場總線可以提供總線供電的本質安全，滿足在易燃易爆場合等惡劣環(huán)境下工作的要求[10]。1.3.3PROFIBUS的基本特性PROFIBUS為多主從結構，可方便地構成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng)。針對不同的控制場合，它分為3個系列：1PROFIBUS-DP它用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數據傳輸，以DIN19245的第一部分為基礎，根據所需要達到的目標對通信功能加以擴充。DP的傳輸速率可達12Mbps，一般構成單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數據傳送方式工作。這種設計主要用于設備一級的高速數據傳送，在這一級，中央控制器（如PLC／PC）通過高速串行線與分散的現場設備（如I／O、驅動器等）進行通信，與這些分散的設備進行數據交換多數是周期性的[11]。2PROFIBUS-PA對于安全性要求較高的場合，可選用PROFIBUS-PA協(xié)議，這由DIN19245的第四部分描述。PA具有本質安全特性，實現了IEC1158-2規(guī)定的通信規(guī)程。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的過程自動化解決方案。PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現場設備如壓力、溫度和液位變送器等連接起來，代替了4~20mA模擬信號傳輸技術、節(jié)約了設備成本，且大大提高了系統(tǒng)功能和安全可靠性。因此，PROFIBUS-PA特別適用于化工、石油、冶金等行業(yè)的過程自動化控制系統(tǒng)[12]。3PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS主要解決車間一級通用性通信任務，完成中等傳輸速度進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務。由于它是完成控制器與智能現場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要問題是系統(tǒng)的功能，而不是系統(tǒng)的響應時間，應用過程通常要求的是隨機的信息交換（如改變設定參數等）。FMS給用戶提供了廣泛的應用范圍和更大的靈活性，可用于大范圍和復雜的通信系統(tǒng)[13]。1.3.4現場總線的前景與發(fā)展現場總路線將成為工業(yè)控制發(fā)展的革命性飛躍，近年來，有關現場總線的報道層出不窮，其中令人關注的焦點集中在以下兩個方面：1能否出現全世界統(tǒng)一的現場總線標準。這一熱點問題涉及目前為什么會出現幾種現場總線并存，這其中除了技術上的競爭外，商業(yè)利益上的激烈競爭是其主要原因。對于現場總線形成巨大影響的自動化廠商，因為要盡可能維護自身的地位和利益而不愿放棄其已擁有的現場總線，這些總線已經有成千上萬個節(jié)點安裝在現場，成為事實上的標準[14]。比如讓Echelon公司放棄LonWork，則意味著它要失去其產品和客戶。在未來較長的一段時間內，現場總線標準之爭會越演越烈。不同的現場總線有不同的功能，各有其適用的場合，靠一種現場總線打天下的想法看來不太現實。當然，從另一方面來講，相當一部分現場總線是大同小異的，技術上非常接近，在優(yōu)勝劣汰的環(huán)境下同類總線終將趨于統(tǒng)一。因而今后幾年內很難說誰的標準能夠統(tǒng)領現場總線，而應該說誰將成為主流總線技術?？梢哉f，對于未來的工業(yè)控制系統(tǒng)，誰能統(tǒng)領現場總線標準，它在工業(yè)控制界的作用和影響將相當于微軟公司在計算機領域的地位[15]。2現場總線能否全面取代現時風靡世界的DCS系統(tǒng)?，F場總線尚處于發(fā)展階段，總體來講，工業(yè)控制系統(tǒng)將朝著現場網絡集成自動化系統(tǒng)體系結構的方向發(fā)展。由于現場總線具有巨大優(yōu)勢，所以人們都認為它取代傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)是必然趨勢。當然，就技術而言，從1975年Hneywell公司推出世界上第一套集散控制系統(tǒng)以來，DCS經歷了20多年的發(fā)展和完善，依靠其靈活方便和功能豐富的組態(tài)功能以及可靠的網絡通信能力，已在工業(yè)控制中獲得廣泛應用。就目前而言，領導世界DCS發(fā)展的幾家著名公司也在積極地改進和升級它們的產品，DCS也在朝著開放性、分散性與可互操作性方向發(fā)展。因而DCS在未來幾年里仍然是工業(yè)控制的主流[16]。本論文的內容安排此次設計為《基于PLC與變頻器的交流電機調速控制系統(tǒng)》，在設計中用到了西門子MM420系列的通用變頻器、西門子系列的PLC（S7400和S7300）和PROFIBUS-DP現場總線。其中由于S7400和S7300均帶有中央處理器，可處理數字信息，因此在本系統(tǒng)中，將S7400作為主站而將S7300作為從站，通過它們之間的數據交換來共同控制系統(tǒng)。這是該系統(tǒng)的一大特點。在論文中，第1章為概述，主要介紹了交流調速系統(tǒng)的特點及本課題的運用前景同時也介紹了PROFIBUS現場總線的基本概念和在交流調速中的運用；第2、3章主要介紹的是系統(tǒng)的組成部分且著重講的是硬件組成部分，另外還介紹了一些基本概念如：現場總線的網絡拓撲圖等。而硬件組成部分又包括了各組件的介紹及選型和主從站的建立及通信；第4章主要介紹了軟件部分，著重介紹了PLC的組成及程序的建立，同時也對編程軟件和人機界面作了一些簡單的介紹。 PROFIBUS的通訊原理協(xié)議及通訊方式2.1.1協(xié)議結構PROFIBUS協(xié)議的結構定向根據ISO7498國際標準，以開放系統(tǒng)互聯網絡OSI為參考模型，結構如圖2.1所示。FMSDPPA用戶接口層FMS設備行規(guī)DP行規(guī)PA行規(guī)DP擴展DP基本功能現場總線信息規(guī)范FMS未使用應用層表示層未使用會話層傳輸層網絡層數據鏈路層現場總線數據鏈路FDLIEC接口物理層RS-485/光纖IEC1158-2圖2-1PROFIBUS協(xié)議結構PROFIBUS－DP使用第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加以描述，這種流體型結構確保了數據傳輸的快速性和有效性，直接數據鏈路映像（DDLM,directdatalinkmapper）提供易于進入第2層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可以調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS－DP設備的設備行為，還提供了傳輸用的RS－485傳輸技術或光纖。PROFIBUS—FMS對第1、2和7層鈞加以定義，應用層包括現場總線信息規(guī)范（FMSfieldbusmessagespecification）和底層接口（LLI,lowerlayerinterface）.FMS包括了應用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務，LLI協(xié)調了不同的通信關系，并向FMS提供不依賴設備訪問第2層。第2層現場總線數據鏈路（FDL）可完成總線訪問控制和數據的可靠性，它還為PROFIBUS－FMS提供了RS485傳輸技術或光纖。PROFIBUS－PA數據傳輸采用擴展的“PROFIBUS－DP”協(xié)議，另外還使用了描述現場設備行為的行規(guī)，根據IEC1158-2標準，這種傳輸技術可確保其本質安全性，并使現場設備通過總線供電。使用分段式耦合器，PROFIBUS－PA設備能很方便地集成到PROFIBUS－DP網絡。PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。PROFIBUS可使分散式數字化控制器從現場底層到車間級網絡化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數據通信，當主站得到總線的控制權（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。主站從PROFIBUS協(xié)議講，也稱為主動站。從站為外圍設備，典型的從站包括：輸入輸出裝置、閥門、驅動器和測量發(fā)送器。它們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認，或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。從站也稱為被動站。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實施起來特別經濟。PROFIBUS的DP、FMS和PA均使用單一的總線存取協(xié)議，該協(xié)議通過OSI參考模型的第2層來實現，它包括數據的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。在PROFIBUS中，第2層稱為現場總線數據鏈路（FDL,fieldbusdatalink）.介質存取控制（MAC，mediumaccesscontrol）具體控制數據傳輸的程序，MAC必須確保在任何一個時刻只能有一個站點發(fā)送數據。PROFIBUS協(xié)議的設計旨在滿足介質存取控制的兩個基本要求：1在復雜的自動化系統(tǒng)（主站）間通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。2在復雜的程序控制器和簡單的I/O設備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數據的實時傳輸。因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。如圖2.2所示。主站PS,TN,NS令牌流動PS,TN,NS4268 4268PS,TN,NSPS,TN,NS957311957311從站圖2-2PROFIBUS總線存取協(xié)議令牌傳遞程序保證了每個主站在一個確切規(guī)定的時間框內得到總線存取權（令牌），令牌是一條特殊的電文，它在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是事先規(guī)定的，在PROFIBUS中，令牌只在各主站之間通信時使用。主從方式允許主站在得到總線存取令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或索取信息，通過這種存取方法，可以實現下列系統(tǒng)配置：純主—從系統(tǒng)（單主站）；純主—主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）；混合系統(tǒng)（多主－多從）。圖2-2中的四個主站構成令牌邏輯環(huán)，當某主站得到令牌電文后，該主站可在一定的時間內執(zhí)行主站的工作，在這段時間內，它可依照主－從關系表與所有從站通信，也可依照主－主關系表與所有主站通信。令牌環(huán)是所有主站的組織鏈，按照主站的地址構成邏輯環(huán)，在這個環(huán)中，令牌在規(guī)定的時間內按照地址的升序在各主站中依次傳遞。在總線系統(tǒng)初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)，在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中刪除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。另外，總線存取控制保證令牌按地址升序，依次在各主站間傳送，各主站的令牌具體保持時間長短取決于該令牌配置的循環(huán)時間。此外，PROFIBUS介質存取控制的特點是監(jiān)測傳輸介質及收發(fā)器是否損壞，檢查站點地址是否出錯（如地址重復），以及令牌錯誤（如多個令牌或令牌丟失）。第2層的另一個重要作用是保證數據的可靠性。PROFIBUS第2層的結構格式保證高度的數據完整性，這時所有報文的海明距離HD＝4以及使用特殊的起始和結束定界符、無間距的字節(jié)同步傳輸和每個字節(jié)的奇偶校驗來保證。PROFIBUS第2層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信（廣播及有選擇廣播）功能。2.1.2通訊方式PROFIBUS的通訊有許多種方式，如FMS、FDL、DP以及與PA的通訊等等。這里所指的通訊方式與物理連接方式無關，即無論采用上述何種物理連接方式，邏輯通訊上都可以使用FMS、FDL或DP的通訊方式。1PROFIBUS–DP總線結構三種PROFIBUS即DP、FMS、PA均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數據鏈路層）來實現的。它包括了數據可靠性技術、傳輸協(xié)議和報文處理。在PROFIBUS中，第二層為現場總線數據鏈路層，介質存取控制具體控制數據傳輸的順序，MAC必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數據。PROFIBUS總線存取協(xié)議中，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。在總線系統(tǒng)初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配，并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。數據鏈路層（FDL）的主要任務是保證數據的可靠性。PROFIBUS第二層的數據結構格式可保證數據的高度完整性,PROFIBUS第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數據傳輸外，還提供多點通信。PROFIBUS總線循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。PROFIBUS-DP的傳輸采用RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜，傳輸波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。PROFIBUS-DP主站和DP從站循環(huán)進行用戶數據傳送。各DP從站的動態(tài)激活、DP從站組態(tài)的檢查均由總線完成，同時總線還具有強大的診斷功能，可提供三級診斷信息、輸入或輸出的同步、通過總線給DP從站賦予地址、通過總線對DP主站（DPM1）進行配置等等。每個DP從站的輸入和輸出數據最大為246字節(jié)，所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行，DP從站帶看門狗定時器，對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監(jiān)視。DPM1和相關DP從站之間的用戶數據傳輸是由DPM1按照確定的遞歸順序自動進行，在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶對DP從站與DPM1的關系作出規(guī)定，確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期，哪些被排斥在外。2PROFIBUS-DP的主要特點中央控制器（主站）周期性地讀取從設備（從站）的輸入信息，并周期性地向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時間必須比中央控制器的程序循環(huán)時間短，在很多應用場合，程序循環(huán)時間約為10ms。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供強有力的組態(tài)和配置功能，數據通信是由主站和從站進行監(jiān)控的。PROFIBUS-DP的主要特點有：傳輸技術可用RS485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。總線存取方式為：各主站間為令牌傳送，主站與從站間為主－從傳送，它支持單主或多主站系統(tǒng)，總線上主、從站最多為126點通信方式：用戶數據傳送采用點對點方式，控制指令可用廣播方式。它同時支持循環(huán)主－從用戶數據傳送和非循環(huán)主－從用戶數據傳送。診斷功能：經過擴展的PROFIBUS-DP診斷功能是對故障進行快速定位，診斷信息在總體上傳輸并由主站收集，這些診斷信息分為3類：本站診斷操作，即本站設備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、電壓過低；模塊診斷操作，即一個站點的某一個I/O模塊出現故障（如8位的輸出模塊）；通道診斷操作，表示一個單獨的輸入輸出位的故障，如輸出通道7短路?？煽啃院捅Ｗo機制：所有信息的傳輸在海明距離HD=4進行，DP從站帶看門狗定時器，其輸入輸出有存取保護，DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監(jiān)視。3PROFIBUS–DP總線的實現現場總線實現的3個重要條件是：系列芯片、軟件技術和開發(fā)工具。原則上只要微處理器配有內部或外部的異步串行接口,PROFIBUS在任何微處理器上都可以實現。但是如果協(xié)議的傳輸速度超過500Kbps或與IEC1158-2傳輸技術連接時，建議使用ASIC協(xié)議芯片。至于采用何種實現方法主要取決與現場設備的復雜程度、需要的性能和功能；技術參數如表2-1所示表2-1PROFIBUS芯片技術參數芯片技術參數LSPM2SPM2SPC3SPC4ASPC2符合協(xié)議PROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPPAFMSPROFIBUS-DPFMS最大數據傳輸率/Mbps1212121212數據傳輸速度自動識別是是是是是是否需要微處理器否否是是是系統(tǒng)軟件大小不要不要6KB8~30KB80KB電源要求DC5VDC5VDC5VDC5VDC5V功耗按需求定按需求定0.5W0.6W0.8W允許環(huán)境溫度按需求定按需求定－40～850C－40～85－20～700CSPC3是一種用于從站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP協(xié)議。具有1.5Kbyte的信息報文存儲器，SPC3可獨立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，這樣可加速通信協(xié)議的執(zhí)行，而且可減少接口模板微處理器中的軟件程序?？偩€存取由硬件驅動。數據傳送來自一個1.5Kbyte的RAM。與應用對象之間通信采用數據接口，因此數據的交換獨立于總線周期。在與應用對象之間硬件連接方面，微處理了提供方便的接口。SPC4也是一種用于從站的智能通信芯片，由于該芯片具有低功耗管理系統(tǒng)，因此特別適合用于本征安全場合。SPC4用于PROFIBUS-DP從站連接時使用帶隔離的RS-485驅動。SPC4還提供了連接SIM1的同步接口。SIM1芯片用于PROFIBUS-PA單元，數據傳輸符合IEC1158-2。SPC4具有1.5Kbyte的信息報文存儲器?？商幚韴笪?、地址碼及備份數據序列，可完全按照協(xié)議，完成PROFIBUS-DP網絡上的數據通信，加快了協(xié)議的處理過程，現場設備及接口模塊中微處理器的工作也可以減輕?？偩€存取采用硬件驅動。ASPC2是一種用于主站的智能通信芯片，支持PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS協(xié)議。通過段耦合器也可接PROFIBUS-PA。這種芯片可使可編程序控制器、個人計算機、驅動控制器、人機接口等設備減輕通信任務負擔。ASPC2可完成信息報文、地址碼、備份數據序列的處理?？蓪ぶ?M字節(jié)的外部信息報文存儲器，總線存取驅動由硬件完成。SPM2和LSPM2是用于簡單從站協(xié)議芯片?？捎糜趥鞲衅鳌?zhí)行機構、開關設備、顯示設備和熱電偶測量。這兩種芯片支持PROFIBUS-DP協(xié)議。SPM2具有64I/O位接口，部分I/O可設置為輸入或輸出，具有I/O診斷位。SPM2可完全獨立處理數據而不需要外加微處理器和其它硬件。因此使用SPM2和其它一些外圍器件即可完成連接PROFIBUS-DP功能。LSPM2具有同SPM2同樣的功能，但它只有32位I/O，SPM2和LSPM2可完全獨立處理通信協(xié)議。只需將其管腳連接到I/O信號線上及總線電纜上即可。SPM2和LSPM2的操作如同PROFIBUS-DP上的一個從站。當它從主站接受到一個無錯報文后，可獨立向主站發(fā)出應答報文。2.1.3FDL幀的結構PROFIBUS協(xié)議結構中FDL幀由異步格式的字符組成,字符格式為11位,其中一個起始位,8個數據位,一個偶校驗位,一個停止位。圖2-3FDL幀的組成結構FDL幀的格式總共有三種：（1）不帶數據且長度固定的幀；它包括請求幀、應答幀、簡短應答幀。（2）帶數據且長度固定的幀；它包括發(fā)送/請求幀、響應幀。（3）數據段長度可變的幀。圖2-4兩個主站之間的連接下圖2-5中b8為Res，表示預留位；b7為幀類型，b7=1表示發(fā)送/請求幀，b7=0表示響應幀；此時b6b5作Stn類型，即表示站類型及FDL狀態(tài)，如b6b5=00，表示從站；b6b5=01表示主站未準備好；b6b5=10表示主站準備進入邏輯環(huán)；b6b5=11表示該站已是邏輯環(huán)上的主站。當b7=1時，b6b5表示FCB與FCV，FCB位為幀計數位，0/1交錯。FCV=1表示幀計數位有效。FCB位與FCV位聯合使用以防幀丟失或幀重疊。FC幀控制段，幀控制段是最關鍵的字段，其格式如下：b8b7b6b5b4b3b2b1Res幀類型FCBFCV功能碼Stn類型圖2-5PROFIBUS總線存取協(xié)議傳輸技術使用不同的傳輸技術可以決定現場總線系統(tǒng)的使用范圍。除傳輸安全性、傳輸距離和高傳輸速度等要求外，在過程自動化場合，一根公共電纜必須傳輸數據和電源。PROFIBUS提供3種傳輸方式，即用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IEC1158-2傳輸、以及光纖傳輸。PROFIBUS-DP用于現場層的告訴數據傳送，DP主站周期地讀取從站的輸入信息并向從站發(fā)送輸出信息。PROFIBUS總線循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。PROFIBUS-DP的傳輸采用RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜，傳輸波特率9.6Kbit/s到12Mbit/s。PROFIBUS-DP主站和DP從站循環(huán)進行用戶數據傳送。各DP從站的動態(tài)激活、DP從站組態(tài)的檢查均由總線完成，同時總線還具有強大的診斷功能，可提供三級診斷信息、輸入或輸出的同步、通過總線給DP從站賦予地址、通過總線對DP主站（DPM1）進行配置等等。每個DP從站的輸入和輸出數據最大為246字節(jié)，所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行，DP從站帶看門狗定時器，對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監(jiān)視。DPM1和DP從站間的數據傳送分三個階段：參數設定、組態(tài)、數據交換。在參數設定階段，每個從站將自己的實際組態(tài)數據與從DPM1 接受到的組態(tài)數據進行比較，只有當實際數據與所需的組態(tài)數據相匹配時，DP從站才進入用戶數據傳輸階段。RS485傳輸技術PROFIBUS經常使用的是RS485傳輸技術，其基本特點見表2.2。這種傳輸技術類似于IEC標準的HZ，安裝十分簡單，總線結構允許增加或移去站點，或者分步擴展系統(tǒng)而不影響其他站的工作。傳輸速率為9.6Kbps~12Mbps。一旦系統(tǒng)安裝完畢，只能選定一種傳輸速率。在一根電纜段上可以連接32個站點，如果使用中繼器，總線上最多可以掛126個站。RS485傳輸技術見表2.2表2-2RS485傳輸技術傳輸介質雙絞屏蔽電纜站點數不用中繼器時，每段最多32個站，用中繼器時，可擴展到126個站連接器對IP20用9針D型連接器對IP65/67用MR，HANBRID或西門子混合型連接器傳輸速率（bit/s）9.6-12M電纜的最大長度（M）100-1200IEC1158-2傳輸技術這種技術使用位同步協(xié)議，它被作為H1，允許通過總線向現場裝置供電。根據IEC1158-2在過程自動化中使用固定波特率31.25kBaud/s的同步傳輸，它可以應用于化工和石化工業(yè)對安全的要求。具有本質安全和采用雙線技術通過總線供電，這樣就可以用于危險區(qū)域了，其傳輸技術的主要特性見表2.3。表2-3IEC1158-2傳輸技術服務功能SDA發(fā)送數據需應答SRD發(fā)送和請求數據需應答SDN發(fā)送數據無需應答CSRD循環(huán)地發(fā)送和請求數據需應答光纖傳輸技術在電磁干擾很大的環(huán)境下應用PROFIBUS系統(tǒng)時，可使用光纖導體以增長高速傳輸的距離。一般塑料纖維導體用于距離在50m以內的場合，玻璃纖維導體用于距離在1Km以內的場合。許多廠商提供專用的總線插頭可將RS485信號轉換成光纖信號或將光纖信號轉換成RS485信號，這樣就為在同一系統(tǒng)上使用RS485和光纖傳輸技術提供了方便。三種PROFIBUS（DP、FMS和PA）均使用一致的總線存取協(xié)議，該協(xié)議是通過OSI參考模型的第2層來實現的，它包括數據的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。其總線存取協(xié)議如圖2.2所示。S7-400、S7-300的數據交換如圖2.6所示。在本系統(tǒng)的DP主站CPU412-2DP，而CPU315-2DP也是主站類型PLC，在硬件設置時要將其改為從站，此時系統(tǒng)會要求選擇和主站的數據交換方式，選擇MS方式，即主從方式，再設置相應的數據交換區(qū)間以及長度，這里的交換區(qū)間是指PI和PQ，S7-300和S7-400都有此兩個稱之為外部輸入輸出的交換區(qū)，交換數據的方式是交叉的，區(qū)間定義好了后，S7-300和S7-400的數據交換就會通過DP總線自動進行，無須編寫通訊程序。S7400PLCS7300PLC一般存儲區(qū)外部輸入存儲區(qū)一般存儲區(qū)外部輸入存儲區(qū)外部輸出存儲區(qū)一般存儲區(qū)外部輸入存儲區(qū)外部輸出存儲區(qū)圖2-6S7-400、S7-300的數據交換2..3本章小結：本章主要首先研究了PROFIBUS協(xié)議的結構和PROFIBUS–DP總線結構的通訊方式。其后介紹了FDL幀的結構組成，最后介紹了PROFIBUS提供3種傳輸方式，RS485傳輸技術IEC1158-2傳輸技術光纖傳輸技術的工作方式。中間給出了一些名詞的定義。通過本章的研究本人對PROFIBUS的通訊的基本原理和方式有了一個比較全面的了解。硬件設計方案工業(yè)以太網簡介系統(tǒng)的最上層為SIEMENS工業(yè)以太網,該網絡有兩臺計算機,分別為工程師站和操作員站,工程師站安裝有監(jiān)控軟件<<組態(tài)王>>遠行狗,負責整個監(jiān)控系統(tǒng)的遠行.西門子工業(yè)以太網其本質上與傳統(tǒng)的以太網一樣,只是其硬件都是工業(yè)級專用,如網卡、網線、鏈路模塊（HUB）等；PLC連接以太網是通過以太網通信模塊來實現，采用標準的TCP/IP通訊協(xié)議，10M帶寬。工業(yè)以太網的概念工業(yè)以太網(Ethernet)是以以太網為基礎，為工業(yè)應用而專門設計的。它是一種遵循國際標準IEEE802.3的開放式網絡，使用CSMA/CD滯沖突檢測的載波監(jiān)聽多點接入)協(xié)議。其通信速率有10/100Mbit/s兩種，通信介質有雙絞線、同軸電纜、光纖三種。西門子公司通過CP443-1通信模塊使PLC互連，并通過以太網卡將其連到上層PC機及服務器，以組成網段或網絡。CP443-1支持ISO/OSI,TCP/IP協(xié)議，帶有自身的處理器，能根據終端設備的以太網（MAC一媒體訪問控制子層)地址對數據進行過濾，保證本地數據通信在本地進行，只有目的是網絡其它部分的數據才通過模塊轉發(fā)，該功能不僅減輕了PLC的CPU的通信任務，還減輕了網絡的通信任務。通信模塊的配置驅動)也非常友好，直接在所帶軟件包的NCMS7（V3.X)下安裝。網絡（網段)的建立簡單、靈活。本系統(tǒng)的工業(yè)以太網傳輸介質采用光纖電纜，具有優(yōu)良的EMC抗電磁干擾)特性。工業(yè)以太網技術(IndustrialEthernet)的特點及應用工業(yè)以太網具有強大的通訊能力，適用于IT信息技術通訊和車間級數據通訊。工業(yè)以太網是工業(yè)通訊的系統(tǒng)解決方案具有以下特點:(1)可以從辦公通訊到工業(yè)通訊應用的進一步開發(fā)；(2)專用于惡劣現場環(huán)境的產品及標準的Sub-D插接技術和ITP電纜，用于控制室的產品及標準的RJ45插接技術和TP雙絞線電纜；(3)FastEthemet(100Mbit/s),GigabitEthernet，(1Gbit/s)；(4)Switching切換技術；(5)通訊介質冗余技術。(6)IT信息技術(Internet,Multimedia)。另外，它又是：(1)工業(yè)以太網是基于國際標準的網絡；(2)工業(yè)以太網一專為工業(yè)應用而優(yōu)化設計；(3)自動化應用中車間和單元級的網絡；(4)以太網國際標準IEEE802.3和IEEE802.3U；(5)ISO和TCP/IP標準通訊協(xié)議；(6)工業(yè)以太網是完全的工業(yè)級的通訊:所有器件都為工業(yè)應用而設計，高速的冗余功能更加確保了可靠性；(7)車間級和單元級的高性能網絡:支持100Mbit/s高速以太網，能連接更多的站點，覆蓋更廣的區(qū)域；(8)IT信息技術解決方案的基礎(9)超長的網絡距離:LAN，采用切換技術可達1300km,WAN，通過TCP/IP協(xié)議實現全球范圍的通訊。系統(tǒng)拓撲結構圖工業(yè)總線的網絡結構工業(yè)系統(tǒng)總線在工業(yè)自動化領域中常常要實現設備間的數據交換或對某設備進行遠程維護。這就提出了一個控制與通訊問題。工業(yè)的計算機通信通常采用所謂的現場總線技術?，F場總線是工業(yè)總線系統(tǒng)中的一個串行方式分支。但它在工業(yè)自動化領域將起到越來越重要的作用。實現PC、PLC、智能驅動設備等之間的相互連接，實際上就構成了一個計算機網絡，我們通常稱網絡拓撲結構。其概念是指一方面網絡成員在網絡中幾何上的排列。如點對點連接、環(huán)形結構、星形結構、樹狀結構、總線結構等；另一方面是指與幾何排列無關的邏輯順序排列。樹狀結構實際上是一般總線結構的擴展。其網絡覆蓋面比之一般的總線結構要大?？偩€的基本數據如最多成員數，最大數據傳輸率以及最大總線長度同一般總線結構一樣。對于樹狀結構當建立一個新的樹枝時使用中繼器。如目前國際上應用廣泛的PROFIBUS和CAN都可以通過中繼器做成樹狀結構，給現場總線的應用帶來了靈性?？偩€結構中所有網絡成員的通信交流是通過一條總線進行的。每一個成員是通過一較短的的分接電纜接入總線的。每一個成員只需一個接口就可以和總線上的任一成員進行通信了。這也就是為什么工業(yè)總線被廣泛采用的緣故。然而在總線上的某一時刻只能有一個成員發(fā)送信息，這就需要有一個總線訪問規(guī)約。一般說來，總線結構存在如下問題：因為總線上的數據交流帶有任意性，在每次總線信息發(fā)布的時候所有成員都要隨聽。由此隨著總線成員數目的增多，發(fā)送者的壓力也越大。由于總線的長度一般在幾百米范圍內，這與要傳送的信號波長相比已是不可忽略的了。因此在總線兩端要接終端電阻，以免出現波反射現象。此終端電阻同樣給發(fā)送者造成壓力。所以總線結構其成員的數目是有限的，同時總線長度和傳輸速率成反比。PROFIBUS總線結構圖PROFIBUS采用的是線形結構，用一根總干線從控制器連接到受控對象，總線電纜從主干電纜分支到現場設備處。如圖3-1所示為系統(tǒng)的網絡拓撲結構圖：圖3-1PROFIBUS網絡拓撲結構圖系統(tǒng)配置PROFIBUS-DP允許構成單主站和多主站系統(tǒng)，系統(tǒng)配置有多種方式。在同一總線上最多可連接126個站點（主站或從站）。系統(tǒng)配置的描述包括：站數、站地址和輸入/輸出地址的分配、輸入輸出數據的格式、診斷信息的格式以及所使用的總線參數。每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種類型的設備：1類DP主站（DPM1）：指中央控制器，它在預定的周期內與DP從站交換數據。典型的設備包括PLC、PC、CNC。2類DP主站（DPM2）：指能對系統(tǒng)編程、組態(tài)或進行診斷的設備。如編程器、診斷和管理設備。DP從站：是進行輸入或輸出、信息采集或發(fā)送的外圍設備（傳感器、執(zhí)行器）。典型的DP從站是開關量I/O設備、模擬量I/O設備等等。目前大多數DP從站只有32BYTE的輸入和32BYTE的輸出數據，允許的輸入和輸出數據最多不超過246BYTE。PROFIBUS-DP現場總線的設備用西門子公司產品構成PROFIBUS-DP網絡，可配置的設備如下：11類主站：選擇PLC做1類主站，有兩種方案：1）用PLC中CPU上集成的PROFIBUS-DP接口，如S7-300的CPU315-2DP等均有這種集成的內置DP接口，以它作主站可帶63個從站，傳輸速率9.6K~12Mbps,不帶連接器傳輸距離為100～1200m，用光纖可達23.8Km。2）CPU上無集成的DP接口可配置PROFIBUS通信處理器模板。如CP342-5通信處理器可將S7-300連接到PROFIBUS-DP上做主站（或從站），可帶125個從站，傳輸速率為9.6K~1.5Mbps，CP443-5用于S7-400，IF964-DP用于M7,CP5431FMS/DP用于S5系列PLC等。選擇PC機加網卡做1類主站PC機加PROFIBUS網卡可作為主站，這類網卡具有PROFIBUS-DP/PA/FMS接口。使用時注意選擇與網卡配合使用的軟件包。軟件功能決定PC機是做1類主站，還是只做編程監(jiān)控的2類主站。網卡有CP5411、CP5511、CP5611，自身不帶微處理器，可運行多種軟件包，9針D型插頭可成為PROFIBUS-DPMPI接口。CP5×11運行軟件包SOFTNET-DP/Windowsforprofibus具有DP功能，使PG/PC成為一個DP的1類主站，可連接DP分布式I/O設備；實現S7之間的通信及對S7編程；支持SEND/RECEIVE功能；支持MPI接口。CP5412通信處理器用于PG或AT兼容機，具有DOS、Windows、Unix操作系統(tǒng)下的驅動軟件包，支持FMS、DP、FDL（發(fā)送/接收服務）、S7Function、PGFunction，具有C語言接口（C庫或DLL）。22類主站2類主站主要用于完成系統(tǒng)各站的系統(tǒng)配置、參數設定、編程、在線檢測、數據采集與存儲等功能。如監(jiān)控站。操作站、人機界面（HMI）等。1）以PC為主機的編程終端及監(jiān)控操作站具有AT總線的PC、筆記本計算機、工業(yè)控制計算機均可配置成PROFIBUS的編程、監(jiān)控、操作工作站，即所謂2類主站。西門子公司為其自動化系統(tǒng)專門設計有編程設備，如使用CP5411/5412網卡的PG730/740/750/760/770 編程裝置。PG720/740/760是帶有集成的內置DP接口的編程裝置，都可作為2類主站。使用PG760及PC機，配置WinCC等軟件包，常作為監(jiān)控操作站使用。2）操作員面板操作員面板用于操作員控制，如設定和修改參數、設備起停；并可在線監(jiān)視設備運行狀態(tài)，如流程圖你、趨勢圖、參數顯示。故障報警、診斷信息等。西門子公司生產的操作員面板有文本型OP3、OP7,圖形OP27、OP37等。從站帶PROFIBUS接口的分布式I/O、傳感器、驅動器以及PLC均可作為從站，作為從站選擇時必須滿足現場設備對控制的需要，同時也要考慮與PROFIBUS的接口問題。如從站不具有PROFIBUS接口，可考慮通過分布式I/O設備解決，常用到的從站有：1PLC做從站――智能型I/O從站PLC自身存儲有程序，CPU可以執(zhí)行程序并按程序驅動其I/O，但作為PROFIBUS主站的一個從站，在PLC存儲器中有一段特定區(qū)域作為與主站通信的共享數據區(qū)，主站可通過通信間接控制從站PLC的I/O。在S7系列PLC中，S7-200的CPU215－2DP有集成的DP接口，CPU222、224、226通過模塊EM277可連入現場總線DP中。S7-300/400的某些CPU上有與DP相連的內置接口，可設置為主站或從站。S7-300/400均可通過通信處理器CP342-5/CP443-5連接到DP總線上。S5－95U/DP有集成的內置DP接口，使用IM308-C或CP5431的S5-115、135、155U/H的S5系列PLC也可接入DP總線。2分布式I/O做從站分布式I/O設備有多種類型：1ET200M：它是一種模板式結構的遠程I/O站，由IM153DP接口模板、電源和各種S7－300所用I/O模板組成，最多可擴展8個I/O模板，最多可提供128字節(jié)輸入和128字節(jié)輸出地址，最大傳輸速率12Mbit/s，特別適用于復雜的自動化任務，防護等級IP20。2ET200B：它是一種小型扁平固定式的I/O站。由端子板和電子板組成，端子板上安裝電子板，接線連接到端板，這樣當更換電子板時不必斷開電纜。端子板包括電源、總線連接口及接線端子。電子板由各種類型（開關量、模擬量）的I/O部分組成。ET200B具有集成的PROFIBUS-DP接口，最大數據傳輸速率12Mbit/s，防護等級IP20。主要用于I/O數量不多、安裝深度淺的場合。3ET200L/ET200L-SC/ET200L-SCIMSCET200L是一種小型固定式I/O站，由端子板和電子板組成，有集成的PROFIBUS-DP接口，可選擇多種開關量輸入/輸出模板，不可擴展，ET200系列最大數據傳輸速率1.5Mbit/s，防護等級IP20。主要用于要求較小I/O點數或只有小安裝空間的場合。ET200L-SC是可擴展的ET200L，可擴展一個TB16SC端子板，這樣可提供至多16個數字量和模擬量輸入/輸出模板通道，能獨立地對輸入和輸出信號進行混合組態(tài)，從而精確地組合出實現某個任務所需要的I/O通道數，實現更大的靈活性，從而更節(jié)省成本。ET200L-SCIMSC是一種新型智能接口模塊，PROFIBUS-DP直接連接到IMSC，它的端子板TB16IMSC和各種SC電子子模板SC，如有必要，可通過SIMATIC智能連接器在第一個端子板后接入第二個端子板進行擴展。能應用高速模擬量電子子模板和40KHz計數器的電子子模板?？删幊炭刂破骺删幊炭刂破髯鳛橄到y(tǒng)的核心控制單元，其好壞往往對整個系統(tǒng)的性能起著至關重要的作用。為系統(tǒng)選擇PLC時，要考慮以下三個方面：1系統(tǒng)的性能要求，包括控制精度，運行速度，響應時間等因素。2系統(tǒng)的通訊要求，包括通訊協(xié)議接口要求、通訊處理速度要求等。3性能價格比。在滿足性能和通訊要求的條件下，還要考慮投資代價方面的影響因素，選擇有較高性能價格比的產品。德國西門子公司是國際上較早研制和生產PLC產品的主要廠家之一，它的PLC集成技術在國際上處于領先地位，在工業(yè)控制領域中具有國際影響力。西門子公司生產的PLC以其優(yōu)越的性能價格比主導著PLC產品市場?；谝陨弦蛩氐目紤]，我們選擇西門子PLCSIMATICS7-400系列作為系統(tǒng)的主控單元。SIMTICS7-400系列PLC是目前西門子PLC產品中最高檔的系列?？删幊绦蚩刂破?，適用于中、高檔性能范圍。它采用結構化設計，模板上有總線插槽，各個功能模塊通過總線通信方式實現數據交換。功能模塊根據系統(tǒng)要求選型。因此本系統(tǒng)中選用了模板、電源模塊、CPU模塊、輸入模塊。對于CPU的型號，我們選擇了412-2DP型。這種CPU帶有兩個DP接口，可以直接連入DP網絡。在該系統(tǒng)中，PLC作為系統(tǒng)的主控單元，來控制整個系統(tǒng)的運行。在系統(tǒng)中作為主站，對其從站—變頻器發(fā)送命令并讀取變頻器的信息，同時PLC與同級主站—觸摸屏進行交換數據。另外，PLC還要承擔與上位機—工業(yè)控制計算機進行交換數據的任務。而與S7-400進行數據交換作為從站控制變頻器的S7-300選用CPU315-2DP。變頻器變頻裝置的數據通訊功能是衡量該裝置功能的重要標志之一。目前，在一般中、小型變頻調速裝置中設有以下幾種通訊功能：1硬連接輸入輸出端子。通過控制接點對輸入端子置位(復位)即能實現對變頻器的運轉控制(如正轉、反轉、停止、點動、多段轉速選擇、第二加速時間選擇等);將輸入端子中的相應模擬量輸入點與信號源相連即可實現對變頻器輸出頻率的控制；從輸出端子連接相應的指示器即可顯示變頻器的運轉狀態(tài)(如運行正常、故障、輸出頻率值等)。這類接口通訊功能是目前廣大用戶普遍采用的。2與計算機連接的RS一422(或RS-485、RS-232)串行通訊口。變頻裝置通過串行通訊口與計算機連接后，即可用計算機的用戶程序直接控制或監(jiān)視變頻運行狀態(tài)。這在一般小型分布式紙機傳動系統(tǒng)中應用較多。對應于這種通訊方式，變頻器可作為二級分布式控制系統(tǒng)的下位機，上位機由工業(yè)控制計算機PC或可編程控制器PLC來承擔。用變頻器完成工業(yè)現場的控制、監(jiān)視，上位機完成對變頻器的控制和監(jiān)視。3與可編程控制器連接的數據通訊板。在這種方式下，可以取消所有與變頻器裝置的硬連接線，而由可編程控制器的用戶程序對變頻器進行運轉控制及運行狀態(tài)監(jiān)視，并能方便的進行變頻參數的讀、寫操作，因而可以大大節(jié)省電纜(僅保留一根通訊電纜)，方便維護使用，進一步提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性。在這類大、中型分布式系統(tǒng)中，PLC與其他標準結構的PC一樣構成現場控制站，由PLC實施對變頻器等其它設備的控制。以上系統(tǒng)都屬于傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)。隨著計算機網絡的不斷發(fā)展及控制系統(tǒng)的不斷完善，出現了基于現場總線的傳動控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)正是這種系統(tǒng)。元件分配如表3.1所示：表3-1元件分配電纜遠端代號端子排號屏內元件代號高層代號編號-芯號遠端端子號X-BB1PDPD04-1131KM41:1PDPD04-2142KM41:3PDPD04-3153KM41:5PDPD04-4164QF41:2PDPD04-5175地X-BB2CZ1BB04-1SB41:31KM41:13CZ1BB04-2SB41:42KM41:14CZ1BB04-3SB42:23KM41:A1CZ1BB04-4HR4:X14KM41:6CZ1BB04-5HR4:X25KM41:A2CZ2BB05-1SB43:36X-BB2:1CZ2BB05-2SB41:47KM43:14CZ2BB05-3SB44:28KM43:A1CZ2BB05-4HR41:X19KM43:2CZ2BB05-5HR41:X210X-BB2:5X-BB3KZBB06-1X-S7C3:171XB2:24VKZBB06-2X-S7C3:22XB2:AKZBB06-3X-S7C3:63XB2:BKZBB06-4X-S7C3:44XB2:ZKZBB06-5X-S7C3:195XB2:0VKZBB06-0X-S7C3:06XB2:地西門子公司推出的系列產品MICROMASTERECO和MIDI-MASTERECO是適合風機和水泵驅動的通用變頻器;另一個系列產品MICROMASTERVector和MIDIMASTERVector(即MMV和MDV)通用變頻器則適合于過載能力大、調速范圍寬、速度精度高、響應速度快的驅動系統(tǒng)。它們的額定電壓和額定功率某本上涵蓋了國際上標準的電動機系列，極大地方便了用戶的設計、選型和設備的合理利用。因此在此次設計中我們選用S7—400PLC，CPU選用412—DP通訊方式，采用西門子PROFIBUS—DP網絡協(xié)議，其通訊速率最高可達12Mb1t。所用變頻器配用專用DP通訊卡，組成一個以S7—400為核心，以觸摸屏為操作終端的高速數字通訊網絡系統(tǒng)。本章小結：本章主要針對的是系統(tǒng)的組成部分且著重講的是硬件組成部分的研究，另外還介紹了一些基本概念如：現場總線的網絡拓撲圖和工業(yè)以太網等。而硬件組成部分又包括了各組件的介紹及選型和主從站的建立及通信。通過對本章內容的研究可以基本了解什么是工業(yè)以太網，以及工業(yè)總線網絡和PROFIBUS總線的網絡結構。還介紹了本此研究所使用設備及型號。軟件的設計設備數據庫文件(GSD)的介紹當PROFIBUS一DP從站硬件設計完成后，首先要做的就是編寫電子設備數據庫文件(GSD).不同廠家生產的Profibus產品具有不拜的性能特征，為了將不同廠家生產的Profibus產品集成在一起，生產廠家必須將這些產品的塊能參數(如I/O點數，診斷信息，波特率，時間監(jiān)視等)在GSD文件(設備數據庫文件)中給予明確說明。標準的GSD數據將通信擴大到澡作員控制級。使用根據GSD所作的組態(tài)工具PT將用廠商生產的設備集成在同一總線系統(tǒng)中。PROFIBUS主站能夠與各種從站(從簡單的I/0從站到復雜的智能從站)交換數據，為了能夠安全方便的識別種類眾多的PROFIBUS從站，它就需要得到連接從站的技術特性數據，這就是設備數據庫文件(GSD)。標準化設備數據庫文件(GSD)將通信擴大到操作員控制級，使用基于設備數據庫文件(GSD)的組態(tài)工具可將不同設備廠商生產的設備集成在同一PROFIBUS總線系統(tǒng)中，可以做到對用戶既簡單又友好。在Profibus-DP中，每一個子站和一類主站都配有GSD文件。GSD文件是一個ASCII文本文件，鑫標識符“并PROFIBUS一DP”開始。隨后指定此設備所支持豹所有參數。這些參數有四種類型;M一是必須的;0一是可選的;D一是可選的，如果此參數不存在其缺省值為0;G一在一組值中至少選一個合適的值，如波特率。所有這些參數都應由設備制造商提供并以電子設備數據單的形式交給用戶。STEP軟件簡介要對S7-400PLC進行編程，必須了解PLC的存儲區(qū)域。S7-400PLC內部的存儲區(qū)劃分為以下幾個部分:1輸入區(qū)。該數據區(qū)是專門用于外部輸入存儲的。外部輸入包括數字端子輸入、模擬口輸入、通訊輸入。通過現場總線讀取變頻器實際值就放在該區(qū)。2輸出區(qū)。該數據區(qū)專門用于外部輸出的。外部輸出包括數字端子輸出、模擬口輸出、通訊輸出。用戶通過現場總線對變頻器寫入的數據放在該區(qū)。3DB區(qū)。該區(qū)存放用戶程序的數據，屬于全局數據。用戶需要保存的數據存放于此。45變頻器從站的建立及PROFIBUS網絡參數的設置根據圖4-1所示結構,首先在上位機(IPC)中選擇STEP7V5.2編程軟件和MM420變頻器GSD文件，在STEP7編程軟件中組建Profibus-DP網：PROFIBUS（1），并定義CPU412-2DP為主站：DPMasterSystem(1)。然后導入MM420系列變頻器GSD文件，此操作使STEP7能識別MM系列變頻器并聲明數據格式。此時上位機的界面如圖4.1所示。圖4-1導入GSD文件時的界面導入變頻器GSD文件后，在從站選項中自動添加了MM4XX系列變頻器選項，此時，再將變頻器從站添加到DPMasterSystem(1)上，通過DP模塊6ES6400-1PB00上的撥碼開關定義變頻器的DP地址為：4號站。上位機上出現的畫面如圖4-2所示。系統(tǒng)自動分配通訊數據地址為：512-515也就是PIW512和PIW514；PQW512和PQW514。圖4-2變頻器從站添加到主站時的界面在PLC程序中就可以直接引用以上地址對變頻器進行操作以及監(jiān)視。變頻器在PROFIBUS總線中具體的數據格式為：1）控制字(16位)表4-116位控制字數據格式位功能位功能位00ON（斜坡上升）/OFF（斜坡下降）位08正向點動位01OFF2：按慣性自由停車位09反向點動位02OFF3：快速停車位10由PLC進行控制位03脈沖使能位11設定值反向位04斜坡函數發(fā)生器（RFG）使能位12未使用位05RFG開始位13用電動電位計（MOP）升速位06設定值使能位14用（MOP）降速位07故障確認位15本機/遠程控制2）狀態(tài)字(16位)表4-216位狀態(tài)字數據格式位功能位功能位00變頻器準備位08設定值/實際值偏差過大位01變頻器運行準備就緒位09過程數據控制位02變頻器正在運行位10已達到最大頻率位03變頻器故障位11電動機電流極限報警位04OFF2命令激活位12電動機抱閘制動投入位05OFF3命令激活位13電動機過載位06禁止ON（接通）命令位14電動機正向運行位07變頻器報警位15變頻器過載根據上述方法建立起profibus現場總線的DP主站和變頻器從站后,變頻器即可驅動交流調速負載.在本系統(tǒng)的上位機中,還安裝了運行于Window98/NT的KingView5.1組態(tài)軟件,工業(yè)控制組態(tài)軟件是可以從可編程控制器、各種數據采集卡等設備中實時采集數據，發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運行是否正常的一種軟件包，組態(tài)軟件能充分利用Windows強大的圖形編輯功能，以動畫方式顯示現場設備的運行狀態(tài)，方便地構成監(jiān)控畫面和實現控制功能，并可以生成報表、歷史數據庫等，為工業(yè)控制軟件開發(fā)提供了便利的開發(fā)平臺。TouchMAK是KingView軟件的核心部分和管理開發(fā)系統(tǒng),它的功能是建立動畫顯示窗口。通過它提供的工具箱可方便建立實時曲線圖、歷史趨勢圖和報警記錄顯示。TouchVEW是顯示TochMAK中建立的圖形窗口的運行環(huán)境.KingView5.1驅動程序通過PROFIBUS-DP網絡與變頻器從站進行通信，以獲取生產現場各工藝參數的實際值或對現場的開關量和模擬量進行控制。PLC程序設計編程原則PLC程序在很大程度上影響總線的通訊控制速率和程序的通用性。在編程時，應注意以下幾個問題：1程序結構化標準設計程序設計時應充分考慮到不同變頻器的特點。同時必須考慮到程序的可重復性使用。在算法組織上應充分考慮到速度鏈的變更、負荷分配位置/點數的變化應該做到可移植性良好。程序設計上應充分考慮到現場的調試和系統(tǒng)的擴展，在程序設計上應該考慮程序的通用性和程序的智能化?？紤]調速系統(tǒng)在故障時的變更措施。2程序高效率設計在程序設計時注意程序的效率，應能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)的功能。在編程設計時充分考慮PLC掃描周期對程序執(zhí)行速度的影響，能夠在本周期完成的任務不要拖到下一周期執(zhí)行。3操作界面簡單化設計人機界面應盡量簡單方便，一定要注意操作不能太復雜，盡量考慮到誤操作的可能，在設計上注意避免。PLC和存儲點的地址分配PLC及存儲點地址分配如表4-3所示：表4-3PLC及存儲點地址分配M4.0變頻器正轉M4.1變頻器停止M4.2變頻器反轉M4.3變頻器正轉狀態(tài)M4.4變頻器反轉狀態(tài)M4.5變頻器開環(huán)M4.6變頻器閉環(huán)M4.7ON閉環(huán)OFF開環(huán)M30.0組態(tài)王開環(huán)速度修改確認M30.1組態(tài)王閉環(huán)速度修改確認M30.2觸摸屏開環(huán)速度修改確認M30.3觸摸屏閉環(huán)速度修改確認M30.4組態(tài)王閉環(huán)參數修改確認M30.5觸摸屏閉環(huán)參數修改確認MW32組態(tài)王開環(huán)設定值MD36組態(tài)王閉環(huán)設定值MW40觸摸屏開環(huán)設定值MD42觸摸屏閉環(huán)設定值MD46組態(tài)王閉環(huán)P參數設定MD50組態(tài)王閉環(huán)I參數設定MD54組態(tài)王閉環(huán)D參數設定MD58組態(tài)王閉環(huán)TM-FAG參數設定MD62觸摸屏閉環(huán)P參數設定MD66觸摸屏閉環(huán)I參數設定MD70觸摸屏閉環(huán)D參數設定MD74觸摸屏閉環(huán)TM-FAG參數設定MPI網絡設置如圖4-3所示，首先在STEP7的硬件組態(tài)中設置通訊雙方的MPI地址，然后新建一個MPI網絡，名稱為MPI（1），并將通訊雙方都連接到該網絡上。然后通過工具欄按鈕打開【NetPro】來組態(tài)網絡。圖4-3在STEP7中設置MPI網絡圖4-4在NetPro中新建一個網絡連接在NetPro中可以看到，MPI網絡上連接了兩個站，選擇S7-400的