基于Profibus協議主從通訊的研究
摘 要：本文介紹了Siemens CP342-5模塊在聚攏水泥廠回轉窯監(jiān)測系統中的應用，給出了CP342-5模塊與P+F Encoder絕對值型編碼器基于PROFIBUS協議的通訊的實現方法，并對傳統的基于PC、PLC、DCS產品的分布式控制系統的弊端和基于現場總線的自動化監(jiān)控及信息集成系統的優(yōu)點進行了分析。最后給出了Siemens CP342-5模塊與多個智能編碼器P+F Encoder主從式通信的實現程序。
關鍵詞：CP342-5;倍加福編碼器;Profibus;可編程序控制器;主從通訊
Abstract: The application of CP342-5 , which is used in rotary kiln supervisory control system of the Ju-long cement plant, is introduced in this paper. A method for the communication between the Siemens CP342-5 and the P+F absolute Encoder is provided. And an analysis on the distributed automation monitoring & Information integration system based on the PC, PLC, DCS products is given thoroughly .Then communication program is given between Siemens CP342-5 and multi intellect P+F encoders on Profibus Protocol.
Keywords: CP342-5, P+F Encoder, Profibus , PLC, M/S communication
0 引言
在聚攏水泥廠回轉窯監(jiān)測系統中，用到了高性能的Siemens S7-300 PLC，為了能夠將編碼器的參數讀入到Siemens PLC中，采用了Siemens 公司的PROFIBUS通信處理器CP342-5，該模塊集成了一個DP端口，通過PROFIBUS-DP總線網絡讀取編碼器中的二進制數據。編碼器采用德國倍加福的絕對值旋轉編碼器,它們均提供PROFIBUS-DP通訊接口，采用PROFIBUS協議以主從方式通訊。
傳統的現場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統，主要特點之一是現場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點），所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。信息集成能力不強、系統不開放、可集成性差、可靠性不易保證、可維護性不高。
PROFIBUS 是一種已有很多現場安裝基礎的目前世界上最成功的開放式現場總線,可使用一條通信電纜將所有的自動化設備（PLC、帶有通信接口的智能儀表、傳感器與執(zhí)行器等）連接起來，彼此交換數據和進行通信。PROFIBUS現場總線用數字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現場設備控制、監(jiān)測、遠程參數化等功能。智能編碼器是工業(yè)控制中最常用的智能儀表之一，其主要是針對某一特定的參數（如液位、行程、高度等），采用先進的控制算法（如fast技術）來達到精確控制被控參數的目的，具有專業(yè)性強、智能化高、控制算法先進、使用方便等特點。可編程邏輯控制器（簡稱PLC）以其運行可靠、集成度高、可擴展性強而在工業(yè)控制中得到廣泛的應用，而且各個PLC生產廠家提供了多種通訊模塊，如工業(yè)以太網Ethernet模塊，Profibus DP現場總線模塊，AS-I模塊，點到點串行通訊模塊等。因此可以利用PLC的通訊模塊讀取智能編碼器中的數據，然后通過PLC中的工業(yè)以太網模塊、現場總線模塊連接到企業(yè)SCADA HMI系統中。[1]
1 通訊構成及通信協議
1.1 通訊構成
聚攏水泥廠窯爐監(jiān)測系統中，使用CP342-5模塊和5臺倍加福編碼器通訊，在空間上分成三部分：燒成窯尾、燒成窯中和燒成窯頭。燒成窯尾到燒成窯頭相距大約50米。通訊在硬件連接上采用PROFIBUS屏蔽雙絞線。在軟件上，采用PROFIBUS-DP現場總線通訊網絡，用最少的信號線來完成通訊任務。在本自動化監(jiān)測系統中，要求將5臺倍加福絕對值旋轉編碼器PVM 58（P+F Absolute Rotary Encoder PVM 58）通過CP342-5通訊模塊讀取到PLC中，其網絡的結構如圖1所示
圖1 系統網絡結構圖
下面給出了CP342-5模塊、P+F Absolute Encoder PVM 58的參數設置，并詳細介紹了通訊處理器CP342-5、倍加福編碼器之間進行通訊所用到的PROFIBUS-DP協議。
1.2 通信處理器-CP342-5
Siemens CP342-5是一種基于PROFIBUS的通訊模塊，提供了串行通訊的低成本解決方案。它可以在S7-300中使用，可以作為PROFIBUS-DP 的主站也可以作為從站，但不能同時作主站和從站，而且只能在S7-300 的中央機架上使用，不能放在分布式從站上使用。CP342-5 作為DP 主站和從站不一樣，它對應的通訊接口區(qū)不是I 區(qū)和Q 區(qū)，而是虛擬通訊區(qū)，需要調用FC1 和FC2 建立接口區(qū)。可在STEP 7硬件配置的進程中進行參數設置，主要包括通訊協議、通訊模式、接口方式、地址和波特率。對于同倍加福旋轉編碼器P+F Rotary Encoder PVM 58的通訊，本設計中可以設置為：
a、通訊協議：PROFIBUS-DP
b、通訊模式：DP Master
c、接口方式：Profibus
d、地址和波特率：2、19.2Kbps
e、其余的設置為默認方式。
1.3 通信協議-PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP （Decentralized Periphery）是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信, 由于PROFIBUS-DP 的開放性,它可以連接不同制造廠商的標準部件。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。它具備節(jié)能，成本低，配置方便簡單、生產中的高度靈活性，可靠和確實的診斷數據，可靠的數字傳輸技術等優(yōu)點。
PROFIBUS-DP協議結構是根據ISO7498國際標準，以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection-OSI）作為參考模型的。PROFIBUS-DP定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。
典型的DP配置可以是單主站結構，也可以是多主站結構。各主站間為令牌傳送，主站和從站間為主從循環(huán)傳送，總線上最多126個站。對于主從通訊方式，主站（PLC，CP或過程控制系統）與從站（分布式現場設備，例如I/O閥門、編碼器、變送器和分析儀等）之間進行快速循環(huán)數據交換，主站發(fā)出請求報文，從站收到后返回響應報文。
當組建的網絡是用于二進制輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等小數量級的快速循環(huán)通信的話,可以考慮將網絡配置成為ROFIBUS DP 網絡,該網絡數據傳輸率最大可以為12Mbit/s。
1.4 P+F Absolute Rotary Encoder通訊參數設置
1.4.1安裝GSD文件
GSD文件為電子設備數據庫文件，是可讀的ASCII碼文件。不同廠家的PROFIBUS產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件方式提供這些產品的功能參數，例如I/O點數、診斷信息、傳輸速率、時間監(jiān)視等。在Step 7 的SIMATIC 管理器中打開硬件組態(tài)工具HW Config ，安裝GSD后，在右邊的硬件目錄PROFIBUS DP→Additional Field Devices→Encoders→ENCODER將會出現剛剛安裝的P+F Rotary Encoder。其數據傳輸原理如圖2所示。
圖2 數據傳輸原理圖
1.4.2 組態(tài)通訊參數
在Step 7硬件配置窗口中，雙擊P+F Rotary Encoder 圖標，打開編碼器（DP Slave）的參數設置窗口，如圖3所示。結合筆者工程實際，在此窗口中進行參數設置：
圖3 編碼器參數設置窗口
a、 代碼順序（Code Sequence）：計數方向， CW（順時針旋轉，代碼增加）,CCW（逆時針旋轉，代碼增加）;
b、 標定功能控制（Scaling function control）:只有設置成Enable ，下面c、d和e的設置才會生效;
c、 單圈分辨率（Measuring units per revolution）:8192;
d、 測量范圍高位（Total measuring range（units）hi）: 512;
e、 測量范圍低位 （Total measuring range（units）lo）: 0;
f、 其它參數采用默認值。
注：1、由c可以計算出編碼器每圈產生 （=8192）個二進制碼，即單圈精度為13位。
2、由d和e可以計算出編碼器最大可以轉 （=512×65536+0）圈，即多圈精度為12位。
2 軟件的實現方法
2.1 數據流交換機制
CP342-5和集成DP口的S7-300 CPU與DP從站通訊時所進行的數據流交換機制是有區(qū)別的。集成DP口的S7-300 CPU可以像訪問自己的I/O模塊一樣來訪問DP從站，不必用戶專門編程。雖然智能從站提供給主站的輸入/輸出區(qū)域不是實際的I/O模塊使用的I/O區(qū)域，但簡單組態(tài)后，主從站之間的數據交換也是自動進行的，不需要專門編程。
CP342-5和DP從設備之間進行數據交換，必須調用FC1（DP_SEND），FC2（DP_RCV）訪問從站地址，否則CP342-5的PROFIBUS狀態(tài)燈“BUSF”將閃爍。FC1（DP_SEND）和FC2（DP_RCV）是SIMATIC_NET_CP標準庫中功能塊，安裝NCM S7后，就會Step 7編輯器左邊的指令樹中出現該函數庫。
用CP342-5 作為DP 主站和從站不一樣，它對應的通訊接口區(qū)不是I 區(qū)和Q 區(qū)，而是虛擬通訊區(qū)，需要調用FC1 和FC2 建立接口區(qū)。需要為每個P+F Rotary Encoder定義虛擬通訊區(qū)，虛擬通訊區(qū)可以是位存儲區(qū)（M區(qū)）、數據塊存儲區(qū)（DB區(qū)）。
2.2 虛擬通訊區(qū)的建立
在具體處理每塊旋轉編碼器
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