一套profibus-dp工业现场总线控制系统设计论文(编辑修改稿)

一套profibus-dp工业现场总线控制系统设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

存入 I/O映象区中的相应单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段，在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变，因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入， S7200将物理输入点上的状态复制到输入过程映象寄存器中。 ●执行逻辑控制程序： S7200执行程序指令并将数据存储在各种存储区中， PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。 在扫描每一条梯形图时，并按先左后右、先 上后下的顺序进行逻辑运算，逻辑运算的结果存于映象区。 上面的逻辑运算其运算结果会对下面的逻辑运算起作用；相反，下面的逻辑运算其运算结果只能到下一个扫描周期才能对上面的逻辑运算起作用。 ●写输出：即输出刷新阶段，在输出过程映象寄存器中存储的数据被复制到物理输出点，当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段，在此期间， CPU按照存在 I/O映象区的运算结果，刷新所有对应的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 这时，才是 PLC的真正输出。 编程语言 S7200 的编程软件可以提供梯形图、功能块图（国 内很少有人使用）、语句表三种编程语言。 语句表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计复杂的开关量控制程序时一般使用梯形图语言。 梯形图程序中输入信号与 输出信号之间的逻辑关系一目了然，易于理解，与继电器电路图的表达方式极为相似，梯形图中功能块对应的语句只占一行的位置，还可以为每一条语句加上注释，便于复杂程序的阅读。 因此选用梯形图语言进行编程。 青岛大学本科生毕业论文（设计） 控制程序设计方法 经验法，本质是借助典型的控制电路，通过反复的调试及修改来完成系统的设计 ,没有固定的步骤可遵循，且有很大的试探性和随意性。 对于各种不同的控制系 统，设计者需重复设计。 特别是在设计复杂系统的梯形图时 ，需要大量的中间单元来完成记忆、连锁、互锁等功能，考虑的因素较多，它们往往又交织在一起，分析起来比较困难，很容易遗漏一些应考虑的问题。 且修改某一局部电路时，经常是 “牵一发而动全身 ”，对控制系统其他部分产生意想不到的影响。 另外，用经验法设计出的梯形图往往比较复杂，程序维护人员很难读懂，给 PLC 控制系统的维护和改进带来很大困难。 顺序控制设计法，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有 秩序地进行操作 ,顺序控制设计法最基本的思想是将一个连贯的过程分解成若干顺序相连的不同阶段，这些阶段称为步，并用编程元件（ M， S）来代表各步。 步是根据输出量的状态的变化来划分的，在任何一步之内，各输出量状态不变，但是相邻两步输出量的状态是不同的。 步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。 使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件，可以是外部输入信号，也可以是 PLC 内部产生的信号（定时器，计数器）。 顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序 变化，然后用代表各步的编程元件去控制 PLC 的各输出位 Q。 M 与 Q之间具有简单的逻辑关系，输出电路的设计极为简单。 任何复杂系统的代表步的 M 存储位的控制电路，其设计方法都是相同的，并且很容易掌握，由于 M 是依次顺序变为 ON/OFF状态的，实际上已经基本解决了经验设计法中的记忆、连锁等问题，所以顺序控制设计法具有简单、规范、通用的优点。 通过对以上两种设计法的分析比较，我们自然采用顺序控制法进行程序编写。 基于现场总线的 PLC 控制系统的构成 PLC 全称 Programmable Logic Controller，即可 编程逻辑控制器，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。 它具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。 据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。 PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存贮器，用于其内部存贮程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程，可编程控 制器具备高可靠性、编程方便、易于使用、环境要求低、与其他装置配置连接方便的特点。 随着计算机硬件和软件技术的发展，自动化产品呈现出小型化、网络化、 PC 化、开放式和低成本的发展趋势， 作为一个控制系统， 如何对其进行有效的管理和应用，而又不必有过多的投入，充分利用现代计算机技术的应用和发展，减小一些硬件的投入，通过软件青岛大学本科生毕业论文（设计） 实现硬件的功能，这就产生了 “组态 ”这种技术，它充分的利用了计算机技术，又对硬件进行了有效的管理。 同时也减小了一些硬件的投入。 以这种 “组态 ”技术为依托，人们发明了 “组态 ”软件。 组态软件构成的网络可以联 网，它的兼容性比较强，不像专业 PLC 构 成的网络，组态软件可以充分利用电脑的资源。 在立体仓库的设计中，为了实现较好的监控功能，建立完善的人机交互界面，组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分 青岛大学本科生毕业论文（设计） 第 4 章 PROFIBUS 现场总线的 PLC 通信 在工业控制中 ,可编程控制器 (简称 PLC ,下同 )作为工业控制装置已得到广泛的应用。 由于控制的复杂程度增加和规模扩大 ,单台 PLC 已难以满足生产对自动控制的要求。 根据生产工艺的特点、控制对象的分布等因素适当地配置若干台 PLC 就能较好 地解决这一问题。 工业生产本身的系统性决定了各台 PLC 之间必然有各种信息要进行交换 ,因而 PLC 除了完成各自的控制任务之外 ,还要进行彼此之间的通信。 采用高度实时性、高可靠性的 PLC 通信技术 ,就成为构成性能优异的自动控制系统的关键所在。 串行通信与并行通信 PLC 联网通信在数据传输方式上有两种基本方式 ,即并行通信和串行通信。 并行通信传输速度快 ,能保证传输的实时性和可靠性 ,常用于近距离的通信 ,在远距离传输的情况下 ,并行通信会导致通信线路复杂 ,硬件成本提高。 串行通信则恰好相反。 串行通信发展到目前其通 信 的实时性、可靠性、稳定性有了明显的提高。 因此实际上目前各类 PLC 的联网通信主要采用的是串行通信 ,并行通信一般仅发生在 PLC 的内部 ,例如模块式 PLC 中的 CPU 单元与各种工作模块之间的通信。 简单协议与复杂协议 这里所说的通信协议的 “简单 ”与 “复杂 ”是相对 OSI/ RM 模型而言的。 图 4 中对一台西门子小型 PLC(S7 —200) 利用自由口方式与一台 IPC 进行串行通信。 在 IPC 一方 ,利用 VB 中的 Msm 控件完成对其串口的读写。 VB 程序中 Msm. setting =“9600 ,N ,8 ,1”就是一种 “简单协议 ”的规定 (即波特率是 9 600 ,无奇偶校验 ,8 位数据位 ,1 位停止位 )。 这种 “简单协议 ”通信能适应单主站 —单从站的通信需要 ,能实现较为单一的功能 ,如果通信的情形复杂了就有很大的局限性。 例如在 RS485 上可以增加 PLC ,但所有的 PLC 都是通信从站 ,因为“简单协议 ”决定了这里只允许存在一个通信主站 (即 IPC) ,而且所有的通信从站要想互通信息只有通过主站中转才能实现。 “复杂协议 ”(如现场总线技术中的通信协议 ) 是以 OSI/ RM模型为基础的。 通过多层次的协议 ,能够解 决诸如总线控制、冲突检测、链路维护等问题。 通信中可无 “主、从 ”之分或允许 “多主 (多个主站 ) ”存在。 显然本文所述的 PLC 通信就属于“多主 ”或 “对等 ”的通信。 图 4 所示为基于 “简单协议 ”的通信网络。 青岛大学本科生毕业论文（设计） 图 4 基于 “ 简单协议 ” 的通信网络 专用协议与开放协议 专用协议是 PLC 开发商提供的本厂商特定的通信协议。 其特点是通信协议不公开 ,必须使用该厂商提供的支持相应协议的硬、软件。 如西门子公司 S7 —200 系列 PLC 的 PPI 协议和 AB 公司 DH + 网络中的协议等。 专用协议是封闭的 ,各厂商在通信 方面从硬件到软件都是自成体系 ,不能互连在一起 ,难以实现互换与互操作。 开放协议是基于公开化、标准化 ,即各厂商、各种产品、各种硬软件都必须遵守同一协议规范。 现场总线技术中的通信协议就是以 OSI/ RM 模型为基础 ,以开放、互联为目的。 20xx 年 1 月公布的现场总线国际标准IEC61158 虽然包括了八种类型的现场总线而非单一标准 ,但它们都是开放的 ,通信的功能及参数都是规范化的。 用户可按自己的需要和考虑把不同的厂商的产品组成遵循同一协议的通信系统 ,不会为在系统中不兼容的协议、接口而一筹莫展 ,这样自动控制系统的构 建、扩展的主动权就掌握在用户手中。 P LC 通信的实现 根据上述的方案选择 , 构成基于现场总线的 PLC 控制系统如图 5 所示。 图中 PLC 采用德国西门子公司的 S7 300 型 (CPU315 2DP) ,PLC 均通过西门子 CP343 5 通信模块与PROFIBUS 现场总线相连。 IPC 采用台湾研华公司的工控机 (P2 型 ) 并通过西门子CP5412A 通信适配卡与 PROFIBUS 现场总线相连。 另外各 PLC 通过其 CPU 上集成的PROFIBUS—DP 接口连接若干个远程 I/ O 从 站 (西门子 ET200)。 青岛大学本科生毕业论文（设计） 图 5 基于现场总线的 PLC 控制系统的构成 PROFIBUS 是 Process Fieldbus 的缩写。 它是一种串行的、开放的工业现场总线 , 符合国际标准 ( IEC61158 TYPE3 )。 针对不同的范围和功能 ,PROFIBUS 又分为三个兼容的组成部分。 其中 PROFIBUS —FMS 主要解决车间级的通用型通信任务 , 它可以提供灵活而大量的通信服务。 PROFIBUS —DP 以其较快的传输速度和较强的抗干扰能力 ,广泛应用于设备级控制系统与分散式 I/ O之间的通信。 PROFIBUS —PA 专为过程自动化设计 ,它可实现总线供电并且符合本征安全规范。 PROFIBUS 通信协议根据 ISO7498 国际标准以开放式系统互联网络 (OSI) 作为参考模型。 在总线访问协议上 PROFIBUS 在数据链路层采用了混合介质存取方式 ,即主站间按令牌方式、主站和从站间按主从方式工作。 得到令牌的主站可在一定的时间内 执行本站的工作。 这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点收发数据 ,并且任一主站在一个特定的时间片内都可以得到总线控制权 ,这就完全避免了冲突。 利用这种方式可以实现 :纯主从 (一主多从 ) 、纯主站 (多主 ) 和混合方式 (多主多从 )。 PROFIBUS 现场总线功能十分强大 ,一旦图 5所示的系统构成后 ,仅就 PLC 之间的通信而言就有四种方式可以实现 ,即 S7 通信 (功能 ) 、 FDL 连接、 DP方式、 FMS 方式等。 综合系统开发成本和功能适用性等多方面指标和要求 ,选用 FDL 连接方式进行 PLC 之间的通信。 FDL ( fieldbus data link 现场数据链接 ) 由 PROFIBUS 的第二层协议实现。 适合于工业中等容量的通信任务 (240 字节 )。 实际应用 FDL 方式时主要进行组态和编程二 个步骤。 FDL 编程比较简单 ,因为 PLC 通信的功能已经在软件程序上集成为二个功能模块 FC5 和FC6 ,即 AGSEND(FC5) 和 AGRECV ( FC6)。 AGSEND 功能是发送数据 ,即将数据从 PLC 指定的发送缓冲区传送至通信方。 发送缓冲区的指针可以指向一个过程映像区、一个位存储器区或一个数据块。 要发送的数据长度不能超过 240 字节。 ASRECV 功能为接收数据 ,即从通信方接收的数据传送到 PLC 指定的接收缓冲区。 接收缓冲区可以是一个过程映像区、一个位存储器区或一个数据块。 接收缓冲区应 有足够的长度。 实际应用时可根据控制任务采取各种方法调用 FC5 和 FC6。 图 6为 PLC1 和 PLC3 通信调用的示意图。 青岛大学本科生毕业论文（设计） 图 6 PLC1 和 PLC3 的通信示意图 应用 FDL 方式的关键是通信的组态。 运行 PROFIBUS NCM S7 组态软件后 ,在 STEP7 (PLC 的标准工具软件 ) 中进行硬件组态 (CP343 5) 和通信组态 (FDL 连接 )。 PLC1 的组态参数 (与 PLC3 通信 ) 如下 : Local ID : (HEX) 0002 A000 Partner ID : (HEX) 0001 A000 Local Module : SIMATIC 300(1) / CPU315 2 DP Partner Module : SIMATIC 300(3) / CPU315 2 DP Connection Type : FDL Connection Connection Name : FDL Connection 3 Partner L。