基于PROFIBUS—DP的串口設備群的集成方案與實現(xiàn)

引言

PROFIBUS是市場占有率最高的一種現(xiàn)場總線技術，它包括用于制造業(yè)自動化的PROFIBUS—DP和用于流程工業(yè)領域的PROFIBUS—PA，它是目前我國唯一的現(xiàn)場總線國家標準。現(xiàn)在越來越多的工業(yè)控制系統(tǒng)采用了PROFIBuS現(xiàn)場總線技術，還有很多企業(yè)希望在原有設備的基礎上改造成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。這樣一來，許多舊的不PROFIBUS—DP接口的串口設備，要實現(xiàn)總線控制系統(tǒng)就比較困難，如果都將其更換為具有DP接口的控制設備，將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟負擔。那么如何把現(xiàn)存的不帶DP接口的串口設備連接到總線上組成DP網(wǎng)絡就成為一個亟待解決的問題。

解決該問題的方法有很多種，一種方法是將每一個控制設備都增加一個由其相應廠家生產(chǎn)的DP接口模塊，使用這種方法一方面會增加很多硬件成本，另一方面有些生產(chǎn)串口設備的廠家根本就不能提供與這些舊型號相匹配的DP接口模塊；另外一種方法是設計局部的底層小網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡的主站可以是基于PLC的，也可以是基于其他智能設備的，然后集中通過一個DP接口掛接到DP網(wǎng)絡中。本文介紹的是基于PROFIBUS爪S485總線橋實現(xiàn)串口設備群和DP網(wǎng)絡互聯(lián)的方法，它屬于后者。使用本文介紹的組網(wǎng)方法，不但硬件成本比較低，安裝方便，而且編程簡單，PROFlBUS—DP主站可以直接對各個串口設備進行控制，傳輸速率較快，有很好的實用性和可行性。

1 系統(tǒng)構成

PROFIBUS／485總線橋的PROFlBUS通信接口為標準的DP驅動接口，波特率自適應，最大波特率為6Mbps。其通信協(xié)議符合DP—V0，其串口設備接口為標準的485接口，通信波特率最大可達57．6Kbps，傳輸速率為2400bit/s～57．6Kbit／s。根據(jù)通信速度的要求，建議所掛串口設備數(shù)量不宜太多。本實驗中，利用總線橋作為串口設備網(wǎng)絡的主站與串口設備群實現(xiàn)485通信，同時總線橋作為PROFIBUS的從站，實現(xiàn)與現(xiàn)場總線系統(tǒng)的通信功能。

實驗系統(tǒng)采用CPU3 15．2DP作為DP系統(tǒng)的主站，總線橋作為現(xiàn)場總線系統(tǒng)的一個DP從站，與DP主站進行通信，同時總線橋作為串口設備網(wǎng)絡的一個主站，與它下面掛接的串口設備群進行通信。在本系統(tǒng)中采用幾個S7—200 PLC作為模擬的串口設備群，系統(tǒng)結構如圖1所示。當然，系統(tǒng)中也可以連接其他的串口設備，其實現(xiàn)方法大致相同。

圖1 系統(tǒng)構成示意圖

2 PROFIBUS/RS485總線橋的工作原理

總線橋工作原理是：一方面，CPU通過對PROFIBUS通信協(xié)議芯片的控制實現(xiàn)PROFIBUS的通信，在I認M中建立PROFIBUS通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；另一方面，通過RS485接口實現(xiàn)和外部現(xiàn)場設備的通信，同樣在RAM中建立RS485通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。CPU通過兩個通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)PROFIBUS到RS485的通信。

由于總線橋自身不具備控制功能，必須通過DP主站進行控制。DP主站通過對其控制字的設置，來控制總線橋作為RS485網(wǎng)絡主站對其各從站的發(fā)送接收模式，通過監(jiān)控其狀態(tài)字來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)發(fā)送接收狀態(tài)的監(jiān)控。PROFIBUS數(shù)據(jù)區(qū)與RS485數(shù)據(jù)報文格式對照關系如表1所示。

表1 PROFIBus數(shù)據(jù)區(qū)與RS485接收報文對照表

總線橋的輸入輸出數(shù)據(jù)緩沖單元可由用戶在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡組態(tài)中自行設定，最大輸入單元不得超過224個字節(jié)，最大輸出單元也不得超過224個字節(jié)，輸入和輸出單元之和最大不得超過232個字節(jié)。由于總線橋在PROFIBUS配置中預留2字節(jié)輸入作為“接收長度”和“通信狀態(tài)字”，2字節(jié)輸出作為“發(fā)送長度”和“控制字”，因此對于總線橋來說最大輸入報文長度不得超過222個字節(jié)，最大輸出報文長度也不得超過222個字節(jié)，輸入和輸出報文長度之和最大不得超過230個字節(jié)。

由表1可知，總線橋在PROFIBuS中預留字節(jié)中IBl為通信狀態(tài)字，其各位(D7～D0)所代表的含義為：D0為l時表示接口處于“接收完畢／發(fā)送允許”狀態(tài)，為0時表示接口處于“等待接收”狀態(tài)；D1為1表示接口正在發(fā)送數(shù)據(jù)中，為0表示接口不在發(fā)送數(shù)據(jù)中；D2為l表示接口正在接收數(shù)據(jù)中，為0表示接口不在接收數(shù)據(jù)中；D3、D4、D5、D6位未定義；D7為1表示接收數(shù)據(jù)字符奇偶校驗錯，為0表示無接收數(shù)據(jù)字符奇偶校驗錯。QB1字節(jié)為通信控制字，其各位(D7～DO)所代表的含義為：DO位為1時表示在自動發(fā)送模式時，主站按照設定的時間間隔，自動連續(xù)發(fā)送，該位需和QB1的Dl位配合使用，D0為0時表示在觸發(fā)發(fā)送模式時，當該位由0變1(上升沿)時，觸發(fā)發(fā)送一次；D1為l表示主站處于自動定時發(fā)送模式，為0時表示總線橋處于觸發(fā)發(fā)送模式；D2為1時表示接收模式為按長度接收，按照用戶給定的接收報文長度控制

接收結束，為0時表示接收模式為按字符間隔接收，當接收到一個字符后連續(xù)3．5個字符時間沒有收到下一個字符時，認為報文結束；D3、D4、D5位未定義；D6位為1時表示主站處于強制等待接收，為O時無效；D7位為1時表示主站處于強置允許發(fā)送狀態(tài)，為0時無效。

本實驗系統(tǒng)中涉及的狀態(tài)位和控制位有11．0、Q0．0和Q0．1位。

3 通信系統(tǒng)程序設計

3．1 PROFIBUS-DP主站通信方案及程序框圖

總線橋設備作為一個DP從站，其組態(tài)過程和其他DP從站一樣，首先將其相應的GSD文件添加到STEP7中，找到相應的設備添加到DP網(wǎng)絡中。然后根據(jù)需要配置好輸入輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)即可。本實驗系統(tǒng)輸入輸出的配置為：除系統(tǒng)自動預留的2字節(jié)輸入和2字節(jié)輸出作為“接收報文長度”、“通信狀態(tài)字”、“發(fā)送報文長度”和“控制字”外，配置了6字節(jié)的輸入和6字節(jié)的輸出。所以發(fā)送和接收報文的長度都不能超過6個字節(jié)。此時主站PLC上帶有的其他輸入輸出模塊，其輸入輸出地址均是從IB8和QB8開始的。

串口設備的通信過程必須是有應答的。通過實驗可知，在主程序中通過檢測I1．0(接收完成／發(fā)送允許)的狀態(tài)位來實現(xiàn)對串口設備從站輪流控制是不可行的。由于通信速度較快，在主程序中有時無法準確捕捉I1．0的上升沿，鑒于該情況便考慮到了采用S7—300的I／O中斷方式實現(xiàn)，通過I1．0(接收完成／發(fā)送允許)狀態(tài)位產(chǎn)生中斷，對從站輪流發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對從站的控制。但總線橋11．0狀態(tài)位既不是作為S7300主站一個輸入點，也不是總線橋作為DP從站的一個輸入點，所以既無法采用硬件中斷，也無發(fā)采用分布式I／O觸發(fā)主站的硬件中斷。

經(jīng)過驗證，最后采用基于時間的控制方式，即自動定時發(fā)送模式，由主站程序控制對各個從站的輪流控制發(fā)送和接收。定時間隔從50ms到10s可由用戶自行設定。本實驗系統(tǒng)的定時間隔為1s，其程序流程圖如圖2所示(以對2個串口設備控制為例)。