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摘要：介绍了一种基于SIEMENS PROFIBUS-DP网络的控制系统的设计方法，详细分析了该网络的拓扑结构、硬件配置及主从通信方式的工作机理, 说明了这是一种先进的控制技术。
关键词：PROFIBUS-DP；网络；控制系统；通讯机理
1 引言
现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现，是自动化技术发展的热点之一。因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了非常广泛的应用。目前，已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS总线是最为流行的现场总线技术之一，其产品广泛应用于工业、电力、能源、交通等自动化领域。它是德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170的现场总线标准，是一种国际化、开发式、不依赖于生产商的现场总线。根据应用特点可分为三个兼容版本：
（1）PROFIBUS-DP以其较快的传输速度和强抗干扰能力而应用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯；
（2）PROFIBUS-FMS 主要解决车间级的通用型通信任务，可以提供灵活而大量的通信服务；
（3）PROFIBUS-PA则专为过程自动化设计，它直接和现场的传感器或执行器连接，并可通过DP/PA接口与DP总线连接，使用于安全性要求较高以及由总线供电的场合[1]。
2 系统拓扑结构及配置[3]
根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构通常采用以下三种方式：线形、树形和环形。PROFIBUS采用的是线形结构，用一根总干线从控制器连接到受控对象，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有I/O站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道，实现多主式和对等式通信。本文着重介绍PROFIBUS-DP现场总线控制系统的设计，其拓扑结构如图1所示。
2.1 上位机
本系统采用研华工控机作上位机，通过CP5611接口卡使工控机与PROFIBUS-DP 相连，这样IPC与现场总线就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。上位机监控软件可采用美国Intellution 公司开发的基于Window9x&NT组态软件或SIEMENS公司WINCC软件，可实现动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等功能，并提供一个友好的用户界面，使用户根据实际生产需要生成相应的应用软件。
2.2 SIMATIC S7主站
作为DP主站，CPU位于控制中心。本系统选用CPU315-2DP模块化PLC，它集成了PROFIBUS-DP现场总线接口装置，具有强大的处理能力（具有0.3ms处理1024语句的速度）。PLC程序在上位机STEP 7中编制完成后下载到CPU315并存储，CPU可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的状态字，控制相应设备。
2.3 从站（Slave A，B）
从站A中，SIMOVERT Master drives为交流变频器，CB1为与之配套的通信处理器。SIMOREG K 6RA24为直流变流器，CB24为与之配套的通信处理器。当S7-300或S7-400作PROFIBUS-DP网的主站时，可分别带这样的从站（SLAVE）32个，如加中继器，最多可达127个。这种交直流传动产品，可对电机进行开、闭环控制，通过CB通讯板将从DP网中接受的数据存入双向RAM中。双向RAM中的每一个字都被编址，在变频（流）器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频（流）器写入控制字、设置值或读出实际值，诊断信息等参数[4]。
2.4 分布式I/O ET200M
ET200M是一种模块化的分布式I/O站，通过IM-153接口与PROFIBUS-DP现场总线连接。对于SIEMENS STEP7开发平台，在ET200M上的分散I/O节点的地址排布与传统集中式的地址排布是一致的，所以在编程时就和编制集中式控制程序一样，而且分散I/O的模块地址可以根据用户需要而改变，以适应实际现场调试时的需要。
3 PROFIBUS-DP通讯功能[1,2]
PROFIBUS-DP网络使用了物理层、数据链路层以及自己的用户层，其中物理层采用ETA RS485传输技术，采用屏蔽双绞铜线或光纤两种传输电缆。在总线的两端为了防止浪涌，接有终端电阻，实际使用时，应注意将位于中间节点的接头终端电阻置于OFF位置。
数据链路层又称现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link. FDL）一般有两种介质存取方式：令牌总线（Token Bus，令牌总线协议符合IEEE802.4）和主从方式。
令牌是一种特殊的电文，它在主站之间传递控制权，令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权，在这段时间内允许这个主站执行主站的工作，这个主站可依照与主站或从站的关系表和所有主站或所有从站进行通信。若该主站没有需要发送的帧或在规定时间内发送完了所需发送的帧，或者该主站的控制时间终了时它就将主站令牌传递给下一个主站，这样就保证了即使在重载下，每个主站都可以在确定的时间内得到总线使用权，避免了在以太网中重载下容易阻塞的缺点，保留了总线型网络结构简单、自由增减站点的优点。
主从方式的数据链协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM），该模式的工作特点是 ：总线上一个主站可以控制多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路，主站发出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和链路释放。
图中U表示HDLC的无编号帧，U：A，SNRM，P表示在SNRM模式上选择从站A，P为探询位；U：A，UA，F表示用U帧的无编号确认命令UA作为响应主站建立数据链，F为终止位。I表示HDLC的信息帧，N（S）=0表示编号，N（R）=0表示未接收到A的从站帧，N（S）=1， N（R）=0和N（S）=2，N（R）=0表示第2，3个从主站连续发送的信息帧，第3帧中使用了探询位P表示从站也有信息帧要发送。N（R）=3表示从站A已正确接收序号为2及以前的I帧，终止符F表示从站只有一帧发送。最后当主、从站都没有信息帧要发送、或主站将与其他从站建立数据链时，主站使用U释放连接命令DISC，从站A从U帧的UA予以确认，链路传输过程结束。
4 用户界面开发
基于PROFIBUS-DP网络的控制系统主要有以下几种人机接口界面。
（1）信息显示画面：主要显示当前运行状态信息，如电机的速度、变频器的运行频率以及一些故障信息；
（2）设备控制画面：虽然S7-300能实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，且具有一些控制算法，但复杂的控制功能仍然需要在上位机上实现人工控制，在界面中点击相应设备按钮即可对设备如变频器、变流器等进行单独控制；
（3）实时报警处理：对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，并按技术要求进行处理、自动进行相应设备控制；
（4）报表打印及数据曲线显示等。
5 结束语
PROFIBUS现场总线是一种数字通信网络。在系统中间层或不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信，由于用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息）同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要A/D，D/A转换部件，这样大量减少了导线和连接附件，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。因此，这种总线控制系统几乎所有的工业控制系统以及楼宇自动化系统都可以应用，并且它还是“全集成自动化”的系统总线[1]。它使用了将控制逻辑分散到整个系统的全新理念，大大提高了工业自动化水平，最大限度地提高了生产效率，实现了工厂管理与控制一体化。它以其自身的特点和优势必将成为自动控制领域的主流方向。
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关键词：PROFIBUS-DP；网络；控制系统；通讯机理
1 引言
现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现，是自动化技术发展的热点之一。因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了非常广泛的应用。目前，已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS总线是最为流行的现场总线技术之一，其产品广泛应用于工业、电力、能源、交通等自动化领域。它是德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170的现场总线标准，是一种国际化、开发式、不依赖于生产商的现场总线。根据应用特点可分为三个兼容版本：
（1）PROFIBUS-DP以其较快的传输速度和强抗干扰能力而应用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯；
（2）PROFIBUS-FMS 主要解决车间级的通用型通信任务，可以提供灵活而大量的通信服务；
（3）PROFIBUS-PA则专为过程自动化设计，它直接和现场的传感器或执行器连接，并可通过DP/PA接口与DP总线连接，使用于安全性要求较高以及由总线供电的场合[1]。
2 系统拓扑结构及配置[3]
根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构通常采用以下三种方式：线形、树形和环形。PROFIBUS采用的是线形结构，用一根总干线从控制器连接到受控对象，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有I/O站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道，实现多主式和对等式通信。本文着重介绍PROFIBUS-DP现场总线控制系统的设计，其拓扑结构如图1所示。
2.1 上位机
本系统采用研华工控机作上位机，通过CP5611接口卡使工控机与PROFIBUS-DP 相连，这样IPC与现场总线就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。上位机监控软件可采用美国Intellution 公司开发的基于Window9x&NT组态软件或SIEMENS公司WINCC软件，可实现动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等功能，并提供一个友好的用户界面，使用户根据实际生产需要生成相应的应用软件。
2.2 SIMATIC S7主站
作为DP主站，CPU位于控制中心。本系统选用CPU315-2DP模块化PLC，它集成了PROFIBUS-DP现场总线接口装置，具有强大的处理能力（具有0.3ms处理1024语句的速度）。PLC程序在上位机STEP 7中编制完成后下载到CPU315并存储，CPU可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的状态字，控制相应设备。
2.3 从站（Slave A，B）
从站A中，SIMOVERT Master drives为交流变频器，CB1为与之配套的通信处理器。SIMOREG K 6RA24为直流变流器，CB24为与之配套的通信处理器。当S7-300或S7-400作PROFIBUS-DP网的主站时，可分别带这样的从站（SLAVE）32个，如加中继器，最多可达127个。这种交直流传动产品，可对电机进行开、闭环控制，通过CB通讯板将从DP网中接受的数据存入双向RAM中。双向RAM中的每一个字都被编址，在变频（流）器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频（流）器写入控制字、设置值或读出实际值，诊断信息等参数[4]。
2.4 分布式I/O ET200M
ET200M是一种模块化的分布式I/O站，通过IM-153接口与PROFIBUS-DP现场总线连接。对于SIEMENS STEP7开发平台，在ET200M上的分散I/O节点的地址排布与传统集中式的地址排布是一致的，所以在编程时就和编制集中式控制程序一样，而且分散I/O的模块地址可以根据用户需要而改变，以适应实际现场调试时的需要。
3 PROFIBUS-DP通讯功能[1,2]
PROFIBUS-DP网络使用了物理层、数据链路层以及自己的用户层，其中物理层采用ETA RS485传输技术，采用屏蔽双绞铜线或光纤两种传输电缆。在总线的两端为了防止浪涌，接有终端电阻，实际使用时，应注意将位于中间节点的接头终端电阻置于OFF位置。
数据链路层又称现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link. FDL）一般有两种介质存取方式：令牌总线（Token Bus，令牌总线协议符合IEEE802.4）和主从方式。
令牌是一种特殊的电文，它在主站之间传递控制权，令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权，在这段时间内允许这个主站执行主站的工作，这个主站可依照与主站或从站的关系表和所有主站或所有从站进行通信。若该主站没有需要发送的帧或在规定时间内发送完了所需发送的帧，或者该主站的控制时间终了时它就将主站令牌传递给下一个主站，这样就保证了即使在重载下，每个主站都可以在确定的时间内得到总线使用权，避免了在以太网中重载下容易阻塞的缺点，保留了总线型网络结构简单、自由增减站点的优点。
主从方式的数据链协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM），该模式的工作特点是 ：总线上一个主站可以控制多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路，主站发出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和链路释放。
图中U表示HDLC的无编号帧，U：A，SNRM，P表示在SNRM模式上选择从站A，P为探询位；U：A，UA，F表示用U帧的无编号确认命令UA作为响应主站建立数据链，F为终止位。I表示HDLC的信息帧，N（S）=0表示编号，N（R）=0表示未接收到A的从站帧，N（S）=1， N（R）=0和N（S）=2，N（R）=0表示第2，3个从主站连续发送的信息帧，第3帧中使用了探询位P表示从站也有信息帧要发送。N（R）=3表示从站A已正确接收序号为2及以前的I帧，终止符F表示从站只有一帧发送。最后当主、从站都没有信息帧要发送、或主站将与其他从站建立数据链时，主站使用U释放连接命令DISC，从站A从U帧的UA予以确认，链路传输过程结束。
4 用户界面开发
基于PROFIBUS-DP网络的控制系统主要有以下几种人机接口界面。
（1）信息显示画面：主要显示当前运行状态信息，如电机的速度、变频器的运行频率以及一些故障信息；
（2）设备控制画面：虽然S7-300能实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，且具有一些控制算法，但复杂的控制功能仍然需要在上位机上实现人工控制，在界面中点击相应设备按钮即可对设备如变频器、变流器等进行单独控制；
（3）实时报警处理：对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，并按技术要求进行处理、自动进行相应设备控制；
（4）报表打印及数据曲线显示等。
5 结束语
PROFIBUS现场总线是一种数字通信网络。在系统中间层或不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信，由于用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息）同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要A/D，D/A转换部件，这样大量减少了导线和连接附件，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。因此，这种总线控制系统几乎所有的工业控制系统以及楼宇自动化系统都可以应用，并且它还是“全集成自动化”的系统总线[1]。它使用了将控制逻辑分散到整个系统的全新理念，大大提高了工业自动化水平，最大限度地提高了生产效率，实现了工厂管理与控制一体化。它以其自身的特点和优势必将成为自动控制领域的主流方向。