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1、profibus,协议分析和系统应用篇一：基于PROFIBUS的自动控制系统网络配置研究计算机网络技术B结课论文论文题目： 基于PROFIBUS的自动控制系统网络配置的研究学生所在系部： 电子工程系学生所在专业：自动化学生所在班级：B08223学 生 姓 名 ：王 芳学 生 学 号 ： 20XX4022342任课教师姓名：论 文 成 绩：基于PROFIBUS的自动控制系统网络配置研究摘要：本论文涉及的科研课题于实际工程项目的需求，分析研究了作为底层自动控制系统的网络配置，为用户进行系统构建提供了理论依据。本文以自动化工程中常用的PLC和PROFIBUS组成的单主站控制系统为研究背景，详细分析了
2、PROFIBUS总线的协议结构、通信模型以及plc单主站控制系统结构、配置等关键技术。工程案例的应用证明，网络配置分析研究有很大的工程应用价值。关键词： 网络配置 PLCPROFIBUS协议A network collocate research of the bottom mono-maSter controlsystem based on PROFIBUSAbstract：The research topic,involved in this paper,xxes from the need of actual proj paper deals with network collocate
3、 performance of the bottom mono-maSter control system， which provides basis for usersconstructing the whole control systemA typical mono-maSter control system，xxposed of PLC and PRoFIBUS，is considered aS the research background，which is used xxmonly in automatlon engineeringBased on deep analyses on
4、 several key technologies，such as the agreement structure 、xxmunicate model of PROFIBUS and the system structure 、collocation of plc mono-maSter control system . The application in the project shows that the analytical method is ofgreat value in practiceKeyword：network collocatePLCPROFIBUSagreement1
5、 引 言现场总线是应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点通信的系统也称为开放式、全数字化、多点通信的底层控制网络，是用于现场仪表与控制室之间的一种“全数字化，双向、多变量，多点多站的通信系统”其本质含义表现在以下六个方面：现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能模块和开放式互连网络。现场总线实现了全数字化通信，不同厂家产品互操作；实现了真正的分布式控制：可以传送多个过程变量的同时可将仪表标识符和简单诊断信息一并传送，可以产生最先进的现场仪表，多变量变送器；提高了测试精度；增强了系统的自治性。profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它实际上
6、指一组协议与应用规约的集合，其核心是指数据链路层上使用统一的通信协议基于Token Passing的主从轮询协议，而在其下的物理层和其上的应用层则使用不同的应用规约。不同的规约和不同的物理层组合就组成了PROFIBUS中一系列应用规范定义子集，如PROFIBUSFMS、PROFIBUSDP、PROFIBUSPA、PROFIdrive及PROFInet等，其区别主要体现在应用对象、场合、使用规范上的不同。最早的规约是现场总线报文规范PROFIBUSFMS，主要定义了主站和主站的通信功能，用于车间级监控网络，是一个令牌结构。PROFIBUSDP即分布式外围设备，是一种高速低成本通信，用于设备级控制
7、系统与分散式I0的通信，完成诸如PLC等自动控制设备与传感器、执行器间快速可靠的循环通信任务。截至目前，DP的应用占整个PROFIBUS应用的80安装实例，代表了PROFIBUS的技术精华和特点。PROFIBUS PA即过程自动化，使用了扩展的PROFIBUSDP协议进行数据传输，具有本质安全特点，能通过通信电缆向现场设备供电。主要用于防爆安全要求高、通信速度低的过程控制场合。2 关于PROFIBUS PROFIBUS的总线协议结构PROFIBUS协议结构是以ISOOSI为参考模型，所以它的协议结构符合开放性和标准化的要求，其协议结构模型如表2-l所示。表2-1 PROFIBUS总线协议的结构
8、从表2-1中可以看出，PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层。PROFIBUS规定了完整的OSI通信栈由顶至底的功能，但ISOOSI的3层并没有出现在通信栈中，这些中间层里的必需功能经过简化后，浓缩进了PROFIBUS的数据链路层和应用层中。所以我们看到的PROFIBUS只使用了ISOOSI的第1层、第2层和第7层，另外加上一个用户层，这样做大大简化了协议结构，提高了数据传输效率，符合工业自动化实时性高、数据量小等特点的要求。22总线的通信模型1 物理层：PROFIBUS通信协议中的物理
9、层定义了电气的和机械的特性，包括编码类型和传输标准。在发送端，物理层从数据链路层接收数据，对它们进行编码，必要时通过添加通信成帧信息，并将所形成的物理信号传输到物理介质上。在接收端，信号被一个或多个节点所接收，物理层先对这些数据进行译码，必要时去掉通信成帧信息，然后再把它们传输给数据链路层。但是对PROFIBUS的传输技术而言，除了要考虑普通意义上对物理层的要求外，如传输的安全、距离、速度指标等，还必须考虑到过程自动化中危险环境下的抗爆要求，以及数据和电源在同一根电缆上传输的可能性等。显而易见，单一的传输技术不可能满足所有现场对象的控制要求。2数据链路层：一个网络互联系统的数据链路层的任务是建
10、立、维持和拆除链路的连接，实现无差错传输，它的功能是评价一个网络通信系统性能的重要方面。在PROFIBUS系统中，数据链路层常被称为FDL，包括介质访问控制与逻辑链路控制。其中，MAC子层主要实现对共享总线介质的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况；LLC子层用来在站点间控制帧的发送、接收信号，同时检验传输差错。故现场总线的实时通信主要由数据链路层提供，这对评价一个工业数据通信和控制网络的性能是首先要考虑的问题。 3 应用层：现场总线应用层FAL是一种应用层通信标准，它为用户程序提供访问现场总线通信环境的手段，而且FAL的服务和协议由包含在应用进程中的应用实体提供。现场总线PROFIBUS中
11、，只有FMS定义了应用层，它由两个实体组成，FMS和LLI。其中，FMS描述通信对象、服务、并从通信伙伴的角度描述相关的模型。而低层接口是应用层的一个实体，其主要任务是将FMS和现场总线系统管理服务映象到FDL服务、连接的建立和释放、连接的管理及数据流控制。4 用户层：PROFIBUS的用户层由应用行规I和II组成，这些行规主要涉及到现场设备、控制和集成工具，它为制造商开发与行规一致的、互可操作的设备提供规范。另外，跨过若干层的模块系统包括用于设备描述和集成的功能工具及标准范围，其中系统行规更进一步地描述了系统类别，它包含主站功能、标准程序接口可能的功能和集成工具的选项。23 PROFIBUS
12、协议的设计满足介质控制的基本要求：在复杂的自动化系统 间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。在复杂的程序控制器和简单的I/O设备 间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 PROFIBUS总线存取协议：主站之间采用令牌总线机制，主站与从站之间采用主从机制。令牌总线机制：令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权 。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。主-从机制：主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。3种系统配置：纯主-从系统、 纯主-主系统 、混合系统3基于PROFIBUS D
13、P总线的单主站PLC控制系统截至目前，DP的应用占整个PROFIBUS应用的80安装实例，代表了PROFIBUS的技术精华和特点。接下来主要以基于PROFIBUS总线的单主站PLC控制系统为例来介绍。 系统网络结构PROFIBUS DP网络拓扑结构原则上可以采用总线型、树型及环型等多种拓扑结构，但是环型对于设备故障过于“敏感”，需要采用冗余结构，因此实际工程中通常采用总线型结构，以便于布线和维护。PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置组态提供了高度的灵活性。系统配置的描述包括:站点数目、站点地址和输人输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数。图3-1为线性总
14、线结构的单主站现场总线控制系统典型结构。图3-1 单主站系统典型结构图为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。我们在设计该控制系统时，要遵循一定的原则：要最大限度地满足被控对象的控制要求、要保证PLC控制系统的安全可靠、要力求简单、经济、使用及维修方便以及在考虑到生产的发展和工艺的改进时，要求在选择PLC、输入输出模块、IO点数和内存容量时应适当留有一定的裕量。这里我们选用SIMATIC S7系列构成DP网络，包括以下三种不同类型设备：1一类DP主站：控制主站，如中央可编程控制器，如PLC、PC。选用PLC作为一类主站存在两种情况：其一是带内置PROFIBUS接口的CPU；其二是
15、PROFIBUS通信处理器不带PROFIBUS接口，需配置PROFIBUS通信处理器模块)。本文选择集成PROFIBUSDP接口的S7400作为一类主站，它具有强大的处理能力。PLC程序在上位机STEP7中编制完成后下载到CPU并存储，CPU便可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有IO模块的状态字，控制相应设备，实现特定的时间内进行总线通信管理以及与从站进行数据交换。2二类DP主站：系统辅助管理主站，如可编程、可组态、可诊断的设备。 带CP5611网卡的PC机，用于系统的编程和组态。3从站：进行输入采集和输出信息发送的外围设备，主要分为三种类型。分散式IO：通常由远程IO模块组成，如ET200M，具体包括电源部分、IMl53接口以及各种IO模块组成。其中，接口模块用于与PROFIBUS DP的连接，利用STEP7组态时，接口模块的PROFIBUS站地址必须与接口模块上拨码开关所设定的硬件站地址相同。各种IO模块由主站统一编址，这样主站编程时使用分散式IO与使用主站的IO没有什么区别，而且分散IO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。最多可扩展到8个IO模块，最大数据传输速率可达12Mbits，可与
