基于Profibus-DP网络的PLC控制系统设计

李瑞峰 中铝洛铜高精度电子铜板带厂轧机室，河南 洛阳

基于Profibus-DP网络的PLC控制系统设计

李瑞峰 中铝洛铜高精度电子铜板带厂轧机室，河南 洛阳

在轧机过程控制系统应用中，由于最大传输速率的限制，在现场级（1级）和车间级（二级）之间通讯的问题十分突出。而传统高速计数模块的控制价格十分昂贵。一种新型Profibus-DP总线用于主站和远程I/O之间传输数据，较圆满地解决了数据传输问题，并具有传输可靠性和高的网络系统鲁棒性，广泛应用于工业控制领域。

Profibus协议；Profibus-DP网络；PLC控制系统

一、Profibus简介

Profibus是一个分布式周期循环系统，它对新更新做实时反映，Profibus网络中的站点通过唯一的逻辑地址被连接在总线上。站有主站和从站两种周期令牌是增计数的，并循环通过逻辑环上的站点。系统仅有一个令牌，保持令牌的主站点控制总线，主站和从站进行通讯和交换数据。从站和主站被动的通讯，在主站和从站间的通讯是按照预先定义的查询表，如果保持令牌的限定时间达到或查询表中的任务完成，下一个主站持有令牌。Profibus第二层数据链路层上的这种总线访问协议使得总线上的多个站点能够共享通信带宽，从而在一个参数可调节的预定的时间周期—令牌目标循环时间内得到访问总线、接发送数据的权力。

现场控制系统往往包括一个中央控制器和许多远程I/O设备，且由中央控制器协商，周期性的与I/O设备进行数据交换。同时对分布式系统中的许多带有智能的执行器、监控设备、可编程设备等相互间的通信来说，基于传递令牌的主从轮询协议也能保证多个访问点平等的接入控制权。

Profibus的拓扑图（图1）如下：

图1

二、Profibus协议介绍

Profibus取消了TCP/IP中的四层协议，它的协议由物理层、数据链路层和应用层组成，协议的结构（图 2）如下：

图2

三、Profibus协议中的MAC协议

Profibus协议中的MAC协议是主从循环查询协议，Profibus中令牌类总线协议的最大特点是总线上各点的地位不均等，分为主、从站点两种。主站统一管理着各个从站分时接入总线的权力，而从站不能自由的接入公共传输介质总线，通过这种方式使总线上传输冲突得以避免。

在Profibus令牌环网络中，持有令牌的主站向它所属的从站发起通信，轮询事先定义属于它的各个从站，主站采集经由从站转换和存储在其上的数据且送出控制数据、指令等给从站，以控制前端设备。这种数据交换的发起者是主站，响应者是从站。这种工作机制包括了两个环节：主站之间的令牌传递方式和主站与所属从站之间的分时轮询传输，可以保证总线上不会有多于两个点同时使用总线。这种工作机制具有分散式的管理特点，使得每一个主站和每一个从站能在一个首先可确定的最大时间内获得对总线介质的接入占有权。

Profibus网络中的主站具有对系统变化感知和管理的能力，即维持逻辑环和从站周期交换数据的同时还必须不时的探测总线上站点的变化。管理包括了对主站和从站两类站点的不同管理。其中对从站的管理为：一旦在主站的参数初始化阶段在主站上利用工具软件定义了所属从站的通讯参数，则从主站的在线或离线只影响该从站与主站的通信，当某一从站突然发生故障或离线时，主站仍会发起对它的数据交换请求指令，但收不到答复。一旦该从站恢复了正常后，即可自动加入与主站间的数据周期交换序列。而若在定义初始化参数时，从站就脱离了总线，从而不能完成主站的参数初始化过程，在主站的数据缓冲区就不能建立相应的对应空间，则主从站间通信则永久不能进行。对主站的管理为：在总线的初始化和启动阶段，主站首先 广播发出探询指令，判定总线上所有主站节点地址和从站节点地址，并将它们分别记入活动站列表。通过活动站列表，每一个主站能得知在总线上与其相邻的前后两个主站的地址。为了对逻辑环的动态变化及时监控，每一个主站负责对本站地址和下一站地址间的区间周期性的检测，看是否有新的主站加入。当一个主站得到令牌，在执行完传输任务后，且仍有令牌持有时间，即执行一个探测指令，探测主站中间的地址。若发现了在此地址段中有新的主站响应，则更新自身的活动站表，且将此地址赋予为下一个站的地址，在下一个令牌的循环中将令牌交给新的下一站地址。若探测指令无响应答复，则认为无新主站加入，就交令牌到原下一站地址。至下一次重新获得此令牌之后，在探测主站间地址。如果经过一段时间的搜查，主站间的地址均无响应，即没有新主站加入。通过这种探查方式，每一个主站能够动态探知在与本站相邻的地址是否有新的主站加入。同时，主站还能及时知道与自己相邻的下一个主站是否离线或发生故障，且更新下一站地址，从而能动态维持主站间逻辑环，使系统通信在发生意外情况时，仍能继续运行。

四、Profibus-DP

用于更为简单的组态控制和更快速的现场设备组的一组I/O对象间的高速信息通信，是优化并简化了的Profibus。Profibus-DP主要用于面向工厂现场层应用，完成针对包括诸如可编程控制器、自动控制设备、传感器、执行器间的快速可靠地循环通信任务。

五、Profibus-DP的应用

中铝洛阳铜业有限公司在2008年购买4辊粗轧机，控制系统有两级，分别是自动化一级和过程控制系统二级。自动化一级包括s7300、远程I/O，操作面板等，过程控制系统二级包括MNG、ENG和MMI站，一级的功能是检测设备状态，控制执行器并传输反馈信号及计算结果到二级。

系统分为4个Profibus-DP子网，分别由相应的通讯模块控制。当一个通讯模块拿到令牌时，其和相应的子网内的从站进行通信，从而对设备不同的控制。系统通过中断的方式来接管子网的控制权。通过这种方式，系统能够将不同性能要求的子网分级管理，以使整个系统的性能达到优化，进而整体提高系统的控制性能。

在系统的传动部分，传统方法（见图3）是主PLC采集速度信号之后，通过主站中的高速模块传送到相应的变频器中，其缺点是价格高、配置复杂。

图3

而在新的传动网络中，系统主电机和辅助电机的控制接口在Profibus网络上串联，通过Profibus-DP网络，传动系统的设定值贝传送到变频器。当设备运行时，主电机的速度信号被传送到S7 400，S7 400比较速度和设定值，并根据偏差给出新的设定值，对时间要求十分严格，Profibus-DP网络的传输速度可达1.5Mbps以上且具有高的传输可靠性，因而Profibus网络是最佳选择。经过两年的运行，控制系统完全满足设计要求。

结论

Profibus-DP适用于对时间要求非常严格的离散设备的高速数据传输，Profibus-DP是离散I/O之间通讯的一个解决方案，Profibus技术是现代通讯技术发展的结果，它的高安全性、智能检查及高效和低价使它广泛应用于自动化领域。

[1]Simatic net profibus网络手册

[2]Tovar E,Vasque F, Cyele time properties of the profobus timed-token protocol, computer connection 1999,(22): 1206-1216

[3]profibus 技术和应用 HTTP://www.profibus .com

[4]profisafe-profile for safety technology HTTP://www.profibus .com

[5]电气技术说明（EDM公司）

The Design of PLC Control System based on Profibus-DP network

At the application of the mill control system, the most important problem is the communication between the site level and workshop level, Because of the maximum speed of transmition. Using traditional method, the high speed count modules are very expensive. A new style bus, that is Profibus-DP bus, is use to transmit data between the main station and remote I/O, which solve the problem of data transmition. It prevail a lot of industries with high security and robust of network system.

Profibus protocol;Profibus-DP network;PLC control system

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.073