基于PROFIBUS-DP的S7-300通讯及网络组态

随着工厂智能化和网络化的不断发展，具有实现生产制造IT化的高速高精度的数控系统越来越受到行业界的重视。新一代数控系统，作为实现纳米级(10 m)的高速高精度的机械加工控制，被称为纳米级数控系统 。以通常的Ixm为单位输入数控指令，以纳米为单位进行精密的位置计算，输出控制各伺服轴运动的位置指令的“纳米级插补器” 和执行该指令的高速高响应的伺服控制器。该控制器使用了高速CPU和最新的伺服电机及精密的位置测量与反馈元件，实现纳米级进给。纳米级数控系统是实现机床极为平滑和高速高精度进给及实现高性能、高品质加工所必需的关键技术。然而随着工艺水平和控制要求的不断提高，这些控制系统的性能不仅取决于PLC的CPU，还取决于PLC所处的扩展环境，即网络环境的影响。
    采用现场总线技术的分布式系统，将控制模块安置在工业现场，通过总线传输数据，比传统的控制系统更具有灵活性，同时可以节省大量的布线，以及降低成本。西门子SIMATIC s7—300集成了PROFIBUS分布式系统的组态功能。这就为智能化纳米级数控系统在网络化方面提供了技术上的保证。
    基于PROFIBUS的分布式I／O是实现全集成自动化(TIA)的技术关键。通过组态可以方便地由主站PLC中获取整个监控系统的状态参数及运行数据。可以实时监测各个现场数据、报警状态；显示与打印测量数据等各种曲线及报表，并将数据存人实时数据库中。
1 PROFIBUS—DP简介
    PROFIBUS是一种具有国际化、开放化以及不依赖生产商的现场总线标准，它广泛应用于全集成自动化的工业，是目前世界上最成功的现场总线之一。
    按照RS485／光纤和IEC61 158-2的定义，PROFIBUS协议分为三类，分别是PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA。其中PROFIBUS-DP主要用于生产自动化，满足自动化工厂中分布式I／O与现场设备之间所需要的高速数据通讯，可满足系统快速响应的要求:PROFIBUS—FMS是用于一般自动化，主要解决车间级通讯问题，完成中等速度传输的循环或非循环的数据交换任务；PROFIBUS—PA主要用于过程自动化，提供本质安全特性，适用于安全性要求比较高及总线供电的场合。

    基于PROFIBUS—DP的分布式I／O系统包括3种不同类型的设备:
(1)DP-1类主设备
    它是PROFIBUS—DP应用的核心部件，在一个信息周期内，PC机与分布式从站(DP从站)交换信息。主站中的中断确认保证由DP从站来的中断传输
的可靠性。
(2)DP-2类主设备
    这种类型的设备，如PLC可编程序控制器、组态设备或操作设备，主要用于DP系统的启动、组态或正常运行过程(如诊断)中的系统操作。这种主
站可以读取由设备来的输入、输出、诊断和组态数据。
(3)DP-从设备
    一个DP从站是一个I／O设备，它读取输入信息并向I／O提供输出信息，输入和输出信息取决于设备类型。
SIMATIC S7-300系列PLC可通过PROFIBUS—DP通讯接口接入PROFIBUS现场总线网络。通过总线的通讯能力，大大扩展了PLC的控制能力和范围，网络结构如图1所示。
 
2 拓扑结构
    PROFIBUS网络上的站点，按照地址顺序组成一个逻辑拓扑环。令牌只在主站(Masters)之间顺序传递。获得令牌的主站可以在拥有令牌期间对属于它的从站(Slavers)进行发送或读取数据的操作。PROFIBUS．DP网络就是基于这种存取机制。在一个PROFIBUS网络上的逻辑令牌环上只有一个主站和若干从站，则构成了单主站的主、从系统。其拓扑结构 如图2所示。
 
3 网络连接
    可利用PLC站的集成DP口或通讯处理CP的DP口，上位机插卡CP5411／CP5511／CP5611／CP5613进行数据交换。PROFIBUS接口为RS485接口。连接电缆为PROFIBUS电缆(屏蔽双绞线)，接头为PROFIBUS接头并带有终端电阻，其网络扩展有PROFIBUS电气网络、光电混合网络、无线网络等。
4 通讯方式
PROFIBUS的通讯有多种方式，如现场总线报文规范FMS、数据链路层FDL、分布式主从系统DP等。PROFIBUS—DP是为满足自动化工厂中分布式I／O与现场设备之间所需要的高速数据通讯的需求而设计。DP通讯可以通过连接集成在CPU上的DP口、CP342-5或CP443-5 Extend模块来完成。其通讯分为集成DP口之间的主从通讯、集成DP口与CP分别做主站／从站的通讯、CP之间的主从通讯。
5 案例
在SIMATIC STEP 7中组态2个$7-300站，其中以集成DP口作为主站、CP342-5作为从站。如图3所示，进行硬件组态。硬件组态完成后，主站调用SIMATIC STEP 7-300系统功能SFC14 “DPRD—DAT”来读取数据，调用SFC15 “DPW R— DAT”发送数据。从站调用系统功能FC1 “DP_ SEND”来发送数据，FC2“DP—RECV” 接受数据。
 
最后将整个项目分别下载到主站和从站的CPU中，系统正常启动后，可以进行DP主／从站的通讯。
6 结论
随着纳米数控技术、工艺水平和控制要求的不断发展，控制系统的性能已经不仅仅取决于PLC的CPU，还受到PLC所处的网络环境的影响。基于PROFIBUS-DP的SIMATIC s7-300通讯和网络组态，以其通讯速度高、协议开放等优点，成为现场级网络这种中等规模的标志性网络解决方案。本文的研究为现代网络化、网格制造提供了新的技术解决思路。利用本文的研究可极大提高数据的通讯能力。