1 引言 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）用數(shù)字信號取代模擬信號，以提高系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長信息傳輸?shù)木嚯x。它既是一個開放的通信網(wǎng)絡，有時一種全分布的控制系統(tǒng)，是一種新型的網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)，它以現(xiàn)場總線為紐帶，把掛接在總線上相關的網(wǎng)絡節(jié)點組成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能。 FCS用“工作站－現(xiàn)場總線智能儀表”的二層機構(gòu)完成了集散控制系統(tǒng)（DCS）“操作站－控制站－現(xiàn)場儀表”的三層結(jié)構(gòu)模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國際標準下可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一種正在發(fā)展的很有前途的計算機控制系統(tǒng)。 目前最具代表性的現(xiàn)場總線是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標準，1989年成為德國標準DIN19245，1996年成為歐洲標準EN50170，1999年12月被接受為國際標準IEC61158的一部分。用于工廠自動化系統(tǒng)三級網(wǎng)絡中的底層，即車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場受控設備對底層設備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠程診斷、故障報警及數(shù)字化要求的系統(tǒng)。 PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構(gòu)成:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。PROFIBUS由三部分組成，PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，現(xiàn)場總線報文規(guī)范）、PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外圍設備）、PROFIBUS-PA（Process Automation，過程自動化）。其中PROFIBUS-DP已廣泛適用于水電站自動化領域。 2 PROFIBUS-DP的特性及系統(tǒng)組成 2.1 PROFIBUS-DP的特性 PROFIBUS-DP使用物理層，數(shù)據(jù)鏈接層和用戶接口，用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數(shù)的確定。 PROFIBUS-DP基本功能和特性如下: （1） 遠程離高速通信 支持9.6Kbps到12Mbps的傳輸速率; 12Mbps時最大傳輸距離為100m，1.5Mbps時為200m，另外還可以用中繼器延長; （2） 分布式結(jié)構(gòu) 各主站間令牌傳遞，主站與從站為主－從傳送;每段可有32個站，用連接線可擴展到126個站; （3） 易于安裝，開放式的通訊網(wǎng)絡; （4） 可靠性高，具備自診斷功能。 PROFIBUS-DP主站分為一類主站和二類主站。一類主站完成總線通信控制與管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問，包括PLC、PC或可做一類主站的控制器。二類主站完成非周期性數(shù)據(jù)訪問，如數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等，包括操作員工作站（如PC機加圖形監(jiān)控軟件）、編程器、HMI等。PROFIBUS-DP從站主要進行輸入、輸出信號采集和發(fā)送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能現(xiàn)場設備等。 2.2 系統(tǒng)組成 為便于敘述和理解，現(xiàn)組成一個雙主站單從站的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，如圖1所示。具體配置如下: 圖1 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡 （1） 硬件:帶Siemens CP5611卡的PC機兩臺，一臺配置為一類主站，另一臺配置為二類主站;從站為Siemens S7-200 系列PLC的CPU224一塊，帶Siemens EM277DP通訊模塊;三個網(wǎng)絡連接器;連接線為雙絞線。 （2） 軟件:用于軟件編程的STEP7-MICROWIN3.2和用于實現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議網(wǎng)絡配置的SIMATIC NET6.0。 3 PROFIBUS-DP主站和從站的組態(tài) 3.1 一類主站的組態(tài) 在PC1（一類主站）使用SIMATIC net 6.0軟件來組態(tài)整個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡。具體步驟如下: （1） 使用SIMATIC程序組中的Configuration Console設定PROFIBUS的模式為Configured Mode，插槽號隨意，如圖2所示: 圖2 Configuration Console （2） 用PC Station Wizard進行一系列簡單的設置后新建一個工程 設置CP5611的參數(shù):網(wǎng)絡類型設為PROFIBUS，站地址為1（也可為其他值，但不能重復，其他站點地址的設定與此類同）;加上PROFIBUS-DP總線（DP master system（1）），并把CP5611設為DP-Master（即一類主站）。導入EM277的GSD文件，在視窗右側(cè)的從站設備欄里面就可以找到EM277模塊了。將EM277圖標拖到DP總線上，站地址為設置2，V存儲器偏移量本例設置為4000，然后根據(jù)需要設定EM277的發(fā)送和接收緩沖區(qū)大小。最后將配置結(jié)果下載到模塊。結(jié)果如圖3所示: 圖3 一類主站的組態(tài) 至此，本PROFIBUS-DP網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)一類主站與從站的主從關系已經(jīng)確立了。下面接著配置二類主站。 3.2 二類主站的組態(tài) （1） 同樣還是在PC1上，在圖3的界面中點擊圖標 （Configure Network），彈出如圖4的界面。添加一個SIMATIC PC Station（此時這個PC Station還沒有掛到DP網(wǎng)上），并雙擊它，彈出如圖5的窗口（此窗口與圖3類同）。手動添加OPC Server和CP5611，槽位隨意。將CP5611站點地址設為3，從屬于之前添加的DP網(wǎng)，并設定為DP Master Class 2（即二類主站），將配置結(jié)果下載到模塊。再次點擊 ，可看到PC Station掛到DP網(wǎng)上了。 圖4 Configure Network 圖5 二類主站的組態(tài) （2） 現(xiàn)在操作對象轉(zhuǎn)到PC2上。同樣運行Configuration Console，設置也與PC1相同。打開PC Station Wizard新建一個工程。將CP5611設為DP Master Class 2，站地址設為3，同樣要從屬于DP master system（1）。將配置結(jié)果下載到模塊。 3.3 從站的組態(tài) 為了將EM277作為一個DP從站使用，必須設定與主站組態(tài)中的地址相匹配的DP端口地址（之前設定的地址為2）。從站地址是使用EM277模塊上的旋轉(zhuǎn)開關設定的。在變動旋轉(zhuǎn)開關之后，用戶必須重新啟動CPU電源。 EM277輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200CPU變量存儲器（V存儲器）內(nèi)，輸入緩沖區(qū)緊緊跟隨輸出緩沖器。緩沖區(qū)的大小是由DP主站組態(tài)設定的（之前設定為8 Bytes Out/8 Bytes In）。組態(tài)后，EM277可接收從主站來的輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)返回給主站。主從站緩沖區(qū)的關系如圖6: 圖6 主從站的緩沖區(qū) 若EM277 PROFIBUS-DP從站模塊為I/O鏈中的第一個智能模塊，則它的狀態(tài)信息從CPU224中的SMB200到SMB249獲得;若EM277為第二個智能模塊，其狀態(tài)從SMB250到SMB299獲得。只有DP主站才可以組態(tài)運行了DP 方式下的EM277 DP模塊，用戶不能通過改寫有關SMB存儲單元來組態(tài)EM277 DP模塊的緩沖區(qū)大小或位置。 由表1中專用存儲器字節(jié)的說明，不難寫出CPU224的DP通信程序，見表2。 4 通過OPC讀寫PLC數(shù)據(jù) OPC（OLE for Process Control）是過程控制業(yè)中的新興標準，它的出現(xiàn)為基于Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁?？梢酝ㄟ^Siemens提供的OPC Server程序讀寫PLC中的數(shù)據(jù)。 （1） 一類主站PC1讀寫PLC 在PC1上打開SIMATIC程序組中的OPC Scout，新建一個組名。打開新建組的“OPC-Navigator”，在DP目錄下的Slave002就是從站CPU224，M00_I和M00_Q即對應從站的輸入和輸出緩沖區(qū)。將M00_I和M00_Q目錄下的變量按需求添加（如圖7），確認后OPC就開始運行了。如果變量的“Quality”顯示“good”，表示OPC Server程序已經(jīng)通過PROFIBUS-DP總線協(xié)議和PLC建立了連接運行關系。此時不僅可以讀取PLC中的數(shù)據(jù)，還可以向PLC寫數(shù)據(jù)。 （2） 二類主站PC2的數(shù)據(jù)訪問 在PC2上同樣打開OPC Scout，新建組名。在該組名的“OPC-Navigator”下添加二類主站相應的輸入和輸出緩沖區(qū)，確認。PC2就可以訪問網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)了，各數(shù)據(jù)的變化同PC1中的是同步的。 要注意的是:當PC1的OPC Scout關閉的時候，PC2的OPC Scout對DP網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)訪問也中斷了。這證明了CPU224僅僅從屬于一類主站PC1，而二類主站PC2不能控制它（僅能進行數(shù)據(jù)訪問）。 圖7 OPC-Navigator 5 PROFIBUS-DP在水電站中的應用 目前，PROFIBIS-DP總線技術在水電站小型自動化系統(tǒng)中應用較多，如水電站弧門監(jiān)控系統(tǒng)和機組輔助設備控制系統(tǒng)就大量用到了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡。這是因為PROFIBUS-DP實時性受到系統(tǒng)規(guī)模影響，系統(tǒng)規(guī)模越大實時性越差，所以PROFIBUS-DP總線技術最適合于小型自動化系統(tǒng)。 不過，PROFIBUS-DP在信號的傳輸精度、可靠性和抗干擾性有不俗的表現(xiàn)，其系統(tǒng)成本低、安裝簡單、維護調(diào)試方便且易于擴展。而且，各類傳感器和智能設備等都有支持DP網(wǎng)絡的標準通信口，硬件資源豐富;DP網(wǎng)絡本身靈活多變的主從結(jié)構(gòu)，適應多種控制系統(tǒng);各類組態(tài)軟件也都可以和OPC Server建立數(shù)據(jù)交換，減少了監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)周期;通過專用的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器或工控機，基于PROFIBUS-DP總線的控制系統(tǒng)可以掛靠到工業(yè)以太網(wǎng)上，成為綜合控制系統(tǒng)的一部分。因此，雖然現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)的技術有大普及之勢，但DP網(wǎng)較高的性價比還是被越來越多的用戶所認可。 6 結(jié)束語 總的來說，作為國際標準之一的PROFIBUS-DP總線技術開放性強、性價比高，在水電行業(yè)的應用將越來越廣泛。