1、引言

現場總線控制系統（FCS）用數字信號取代模擬信號，以提高系統的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長信息傳輸的距離。它既是一個開放的通信網絡，有時一種全分布的控制系統，是一種新型的網絡集成自動化系統，它以現場總線為紐帶，把掛接在總線上相關的網絡節點組成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能。

FCS用“工作站－現場總線智能儀表”的二層機構完成了集散控制系統（DCS）“操作站－控制站－現場儀表”的三層結構模式，降低了成本，提高了可靠性，且在統一的國際標準下可實現真正的開放式互連系統結構，是一種正在發展的很有前途的計算機控制系統。

目前最具代表性的現場總線是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一種開放式現場總線標準，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三級網絡中的底層，即車間級監控和現場設備層數據通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現場受控設備對底層設備有較高的數據集成和遠程診斷、故障報警及數字化要求的系統。

PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構成：物理層、數據鏈路層和應用層。PROFIBUS由三部分組成，PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，現場總線報文規范）、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的特性及系統組成

2.1 PROFIBUS-DP的特性

PROFIBUS-DP使用物理層，數據鏈接層和用戶接口，用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站程序循環時間短。此外，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、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定。

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） 分布式結構

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，完成周期性數據訪問，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據訪問，如數據讀寫、系統配置、故障診斷等，包括操作員工作站（如PC機加圖形監控軟件）、編程器、HMI等。PROFIBUS-DP從站主要進行輸入、輸出信號采集和發送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能現場設備等。

2.2 系統組成

為便于敘述和理解，現組成一個雙主站單從站的PROFIBUS-DP網絡，如圖1所示。具體配置如下：

（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PROFIBUS-DP協議網絡配置的SIMATIC NET6.0。

3、PROFIBUS-DP主站和從站的組態

3.1 一類主站的組態

在PC1（一類主站）使用SIMATIC net 6.0軟件來組態整個PROFIBUS-DP網絡。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：

（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：網絡類型設為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，然后根據需要設定EM277的發送和接收緩沖區大小。最后將配置結果下載到模塊。結果如圖3所示：

至此，本PROFIBUS-DP網絡結構一類主站與從站的主從關系已經確立了。下面接著配置二類主站。

3.2 二類主站的組態

（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，并設定為DP Master Class 2（即二類主站），將配置結果下載到模塊。再次點擊 ，可看到PC Station掛到DP網上了。

（2） 現在操作對象轉到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）。將配置結果下載到模塊。

3.3 從站的組態

為了將EM277作為一個DP從站使用，必須設定與主站組態中的地址相匹配的DP端口地址（之前設定的地址為2）。從站地址是使用EM277模塊上的旋轉開關設定的。在變動旋轉開關之后，用戶必須重新啟動CPU電源。

EM277輸出和輸入數據緩沖區駐留在S7-200CPU變量存儲器（V存儲器）內，輸入緩沖區緊緊跟隨輸出緩沖器。緩沖區的大小是由DP主站組態設定的（之前設定為8 Bytes Out/8 Bytes In）。組態后，EM277可接收從主站來的輸出數據，并將輸入數據返回給主站。主從站緩沖區的關系如圖6：

若EM277 PROFIBUS-DP從站模塊為I/O鏈中的第一個智能模塊，則它的狀態信息從CPU224中的SMB200到SMB249獲得;若EM277為第二個智能模塊，其狀態從SMB250到SMB299獲得。只有DP主站才可以組態運行了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EM277 DP模塊的緩沖區大小或位置。

由表1中專用存儲器字節的說明，不難寫出CPU224的DP通信程序，見表2。

4、通過OPC讀寫PLC數據

OPC（OLE for Process Control）是過程控制業中的新興標準，它的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁。可以通過Siemens提供的OPC Server程序讀寫PLC中的數據。［page］

（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。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程序已經通過PROFIBUS-DP總線協議和PLC建立了連接運行關系。此時不僅可以讀取PLC中的數據，還可以向PLC寫數據。

（2） 二類主站PC2的數據訪問

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，確認。PC2就可以訪問網絡中的數據了，各數據的變化同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網絡的數據訪問也中斷了。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（僅能進行數據訪問）。

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中應用較多，如水電站弧門監控系統和機組輔助設備控制系統就大量用到了PROFIBUS-DP網絡。這是因為PROFIBUS-DP實時性受到系統規模影響，系統規模越大實時性越差，所以PROFIBUS-DP總線技術最適合于小型自動化系統。

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，其系統成本低、安裝簡單、維護調試方便且易于擴展。而且，各類傳感器和智能設備等都有支持DP網絡的標準通信口，硬件資源豐富;DP網絡本身靈活多變的主從結構，適應多種控制系統;各類組態軟件也都可以和OPC Server建立數據交換，減少了監控系統的開發周期;通過專用的通信協議轉換器或工控機，基于PROFIBUS-DP總線的控制系統可以掛靠到工業以太網上，成為綜合控制系統的一部分。因此，雖然現在工業以太網的技術有大普及之勢，但DP網較高的性價比還是被越來越多的用戶所認可。

6、結束語

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，在水電行業的應用將越來越廣泛。

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