叶林勇

（三峡电力职业学院，湖北 宜昌 443000）

1 现场总线概述

现场总线控制系统（FCS）用数字信号取代模拟信号，以提高系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，并延长信息传输的距离。它既是一个开放的通信网络，又是一种全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化系统，它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能。

FCS用“工作站－现场总线智能仪表”的二层机构完成了集散控制系统（DCS）“操作站－控制站－现场仪表”的三层结构模式，降低了成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构，是一种正在发展的很有前途的计算机控制系统。

目前最具代表性的现场总线是PROFIBUS（Process Fieldbus）。PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一种开放式现场总线标准，遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三层构成：物理层、数据链路层和应用层。PROFIBUS由三部分组成 ，PROFIBUS -FMS、PROFIBUS -DP、PROFIBUS-PA。其中PROFIBUS-DP已广泛适用于水电站自动化领域。

2 PROFIBUS-DP的特性及系统组成

2.1 PROFIBUS-DP的特性

PROFIBUS-DP使用物理层，数据链接层和用户接口，用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。此外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定。

PROFIBUS-DP基本功能和特性如下:

（1）远程离高速通信

支持9.6Kbps到12Mbps的传输速率；12Mbps时最大传输距离为 100m，1.5Mbps时为200m，另外还可以用中继器延长；

（2）分布式结构

各主站间令牌传递，主站与从站为主－从传送；每段可有32个站，用连接线可扩展到126个站；

（3）易于安装，开放式的通讯网络；

（4）可靠性高，具备自诊断功能。

PROFIBUS-DP主站分为一类主站和二类主站。一类主站完成总线通信控制与管理，完成周期性数据访问，包括PLC、PC或可做一类主站的控制器。二类主站完成非周期性数据访问，如数据读写、系统配置、故障诊断等，包括操作员工作站、编程器、HMI等。PROFIBUS-DP从站主要进行输入、输出信号采集和发送，包括PLC或其他控制器、分散式I/O、智能现场设备等。

2.2 系统组成

为便于叙述和理解，现组成一个双主站单从站的PROFIBUS-DP网络，如图1所示。具体配置如下：

（1）硬件：带Siemens CP5611卡的PC机两台，一台配置为一类主站，另一台配置为二类主站；从站为Siemens S7-200系列PLC的CPU224一块，带Siemens EM277 DP通讯模块；三个网络连接器；连接线为双绞线。

（2）软件：用于软件编程的STEP7-MICROWIN4.0和用于实现PROFIBUS-DP协议网络配置的STEP7 V5.2+SP2。

3 PROFIBUS-DP主站和从站的组态

3.1 一类主站的组态

在PC1（一类主站）使用STEP7软件来组态整个PROFIBUS-DP网络。具体步骤如下：

（1）在STEP7中新建工程em277，插入PC站点和CP5611模块，如图2所示：

（2）用PC Station Wizard进行一系列简单的设置后新建一个工程

设置CP5611的参数：网络类型设为PROFIBUS，站地址为2（也可为其他值，但不能重复，其他站点地址的设定与此类同）；加上PROFIBUS-DP 总线（DP master system（1）），并把CP5611设为DP-Master（即一类主站）。导入EM277的GSD文件，在视窗右侧的从站设备栏里面就可以找到EM277模块了。将EM277图标拖到DP总线上，站地址为设置4，V存储器偏移量本例设置为4000，然后根据需要设定EM277的发送和接收缓冲区大小。最后将配置结果下载到模块。结果如图3所示：

至此，本PROFIBUS-DP网络结构一类主站与从站的主从关系已经确立了。

3.2 二类主站的组态

同样还是在PC1上，添加一个SIMATIC PC Station（此时这个PC Station还没有挂到DP网上），并双击它，手动添加应用程序和CP5611，槽位随意。将CP5611站点地址设为5，从属于之前添加的DP网，并将CP5611属性的工作模式设定为DP Master Class 2（即二类主站），如图4所示：

将配置结果下载到模块。再次点击组态网络图标，可看到PC Station2挂到DP网上了。如图5所示：

3.3 从站的组态

为了将EM277作为一个DP从站使用，必须设定与主站组态中的地址相匹配的DP端口地址。从站地址是使用EM277模块上的旋转开关设定的。在变动旋转开关之后，用户必须重新启动CPU电源。

EM277输出和输入数据缓冲区驻留在S7-200CPU变量存储器内，输入缓冲区。

紧紧跟随输出缓冲器。缓冲区的大小是由DP主站组态设定的。组态后，EM277可接收从主站来的输出数据，并将输入数据返回给主站。

若EM277 PROFIBUS-DP从站模块为I/O链中的第一个智能模块，则它的状态信息从CPU224中的SMB200到SMB249获得；若EM277为第二个智能模块，其状态从SMB250到SMB299获得。只有DP主站才可以组态运行了DP方式下的EM277 DP模块，用户不能通过改写有关SMB存储单元来组态EM277 DP模块的缓冲区大小或位置。

4 通过OPC读写PLC数据

OPC（OLE for Process Control）是过程控制业中的新兴标准，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。可以通过Siemens提供的OPC Server程序读写PLC中的数据。

（1）一类主站PC1读写PLC

在PC1上打开SIMATIC程序组中的OPC Scout，新建一个组名。打开新建组的“OPCNavigator”，在DP目录下的Slave002就是从站CPU224，M00_I和M00_Q即对应从站的输入和输出缓冲区。将M00_I和M00_Q目录下的变量按需求添加，确认后OPC就开始运行了。如果变量的“Quality”显示“good”，表示OPC Server程序已经通过PROFIBUS-DP总线协议和PLC建立了连接运行关系。此时不仅可以读取PLC中的数据，还可以向PLC写数据。

（2）二类主站PC2的数据访问

在PC2上同样打开OPC Scout，新建组名。在该组名的“OPC-Navigator”下添加二类主站相应的输入和输出缓冲区，确认。PC2就可以访问网络中的数据了，各数据的变化同PC1中的是同步的。

要注意的是：当PC1的OPC Scout关闭的时候，PC2的OPC Scout对DP网络的数据访问也中断了。这证明了CPU224仅仅从属于一类主站PC1，而二类主站PC2不能控制它（仅能进行数据访问）。

5 PROFIBUS-DP在水电站中的应用

目前，PROFIBIS-DP总线技术在水电站小型自动化系统中应用较多，如水电站弧门监控系统和机组辅助设备控制系统就大量用到了PROFIBUS-DP网络。这是因为PROFIBUS-DP实时性受到系统规模影响，系统规模越大实时性越差，所以PROFIBUS-DP总线技术最适合于小型自动化系统。

通过专用的通信协议转换器或工控机，基于PROFIBUS-DP总线的控制系统可以挂靠到工业以太网上，成为综合控制系统的一部分。因此，虽然现在工业以太网的技术有大普及之势，但DP网较高的性价比还是被越来越多的用户所认可。

6 结束语

总的来说，作为国际标准之一的PROFIBUS-DP总线技术开放性强、性价比高，在水电行业的应用将越来越广泛。

[1]吉顺平.西门子PLC与工业网络技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]杨卫华.工业控制网络技术[M].北京：机械工业出版社，2010.