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西門子S7-400HPLC在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用

文中用西門子S7-400HPLC完成聯(lián)鎖功能，構(gòu)成PROFIBUS-DP/MPI分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠。通過介紹DP/MPI網(wǎng)的概念和實(shí)現(xiàn)，結(jié)合唐山鋼鐵公司焦化站聯(lián)鎖實(shí)例，著重闡明用PLC實(shí)現(xiàn)DP/MPI網(wǎng)絡(luò)，以解決該聯(lián)鎖系統(tǒng)中分布式輸入輸出等。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試、安裝，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，安全可靠地實(shí)現(xiàn)和完成車站信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的聯(lián)鎖功能，應(yīng)用前景很好。

引言

車站聯(lián)鎖系統(tǒng)是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的主要任務(wù)是控制車站中的信號(hào)機(jī)和道岔，并且對(duì)信號(hào)燈狀態(tài)進(jìn)行處理和對(duì)進(jìn)路進(jìn)行選擇等。隨著鐵路信號(hào)系統(tǒng)的信息化發(fā)展，微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)必然取代舊式的電氣聯(lián)鎖系統(tǒng)。

就國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，大多采用上、下位機(jī)的辦法來實(shí)現(xiàn)對(duì)車站信號(hào)的控制；有些微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)輸出等，而把主要的聯(lián)鎖功能置于上位機(jī)，這樣一來，上位機(jī)負(fù)擔(dān)太重，一旦上位機(jī)產(chǎn)生故障，不能保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。如果能夠?qū)⒙?lián)鎖功能塊置于下位機(jī)，而且下位機(jī)安全性、可靠性比較高，那么整個(gè)系統(tǒng)

的安全性、可靠性就能夠得到有效保證。

在以前的微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，用工業(yè)控制機(jī)作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能，但不能保證系統(tǒng)冗余，這樣就不能保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性。因此，就要不斷更新和研究，尋求更完善的、更可靠的硬件、軟件環(huán)境，以提高系統(tǒng)性能和安全系數(shù)。用西門子PLC完成聯(lián)鎖功能，構(gòu)成PROFIBUS-DP/MPI分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠。

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是隨全數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是由德國組織開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)——PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)(DIN19254)。

PROFIBUS是近年來上為流行的現(xiàn)場總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率快的一種現(xiàn)場總線(傳輸率可達(dá)12M波特)，因此在很多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。它是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備均可通過同樣的接換信息。

PROFIBUS-DP(DistributedI/OS-分布系統(tǒng))是一種經(jīng)過優(yōu)化的模塊，有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的通信，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對(duì)時(shí)間要求比較高的自動(dòng)化場合。

筆者將以S7-400HPLC為例，結(jié)合其在鐵路信號(hào)中的應(yīng)用，探討實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理和方法。

PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)的性質(zhì)和特點(diǎn)

PROFIBUS-DP適用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理等。

DP網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS定義了各種數(shù)據(jù)設(shè)備連接的串行現(xiàn)場總線的技術(shù)和功能特性，這些數(shù)據(jù)設(shè)備可以從底層(如傳感器、執(zhí)行器層)到中間層(如車間層)廣泛分布。

PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成。主站一般要復(fù)雜些；從站為簡單的外圍設(shè)備，典型的從站為傳感器、執(zhí)行器及變送器，它們沒有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予回答，或者主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)回送給主站相應(yīng)信息。因此，從站只需要協(xié)議的一小部分，實(shí)現(xiàn)起來非常方便。

PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Open System Interconnection，OSI)作為參考模型，該模型共有7層，PROFIBUS-DP定義了其中的、二層和用戶接口。第3到7層未加描述。

圖1為ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。物理層采用EIARS-485雙絞線或光纖，連接器采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)的9針D型插座。數(shù)據(jù)鏈路層提供了介質(zhì)存取控制功能、數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議，在PROFIBUS中稱第2層為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(FDL)(包括介質(zhì)訪問存取控制(MAC)子層、現(xiàn)場總線鏈路控制(FLC)子層、現(xiàn)場總線管理(FMA1/2)子層)，采用混合介質(zhì)存取協(xié)議，對(duì)應(yīng)于DIN(E)19245，支持單主或多主系統(tǒng)，主或從設(shè)備，大站數(shù)為126。它包括主站之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧钆骗h(huán)方式和從站之間的主-從方式。PROFIBUS第7層包括底層接口(LLI)、現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS)和現(xiàn)場總線管理(FMA7)。

圖1　ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較

圖2為PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸示意圖，即主站發(fā)送請(qǐng)求，訪問DP從站，其中包括幀格式；從站收到請(qǐng)求信息后，立即響應(yīng)主站，并回送響應(yīng)幀。

圖2　PROFIBUS-DP用戶數(shù)據(jù)傳輸

S7-1200和S7-1500指令的比較

下圖是博途的STEP7 V12幫助中的指令概覽。可以看出，S7-1200和S7-1500的指令是兼容的，S7-1200的指令是S7-1500的指令的子集。可以認(rèn)為S7-1200是精簡版的S7-1500。如果暫時(shí)沒有條件使用S7-1500，可以先使用S7-1200，為今后使用S7-1500打下基礎(chǔ)。

1．可用的編程語言

S7-1500和S7-1200都能使用梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和結(jié)構(gòu)化控制語言（SCL）語言。為了和S7-300/400兼容，S7-1500還可以使用STL語言。

2．指令的比較

1）S7-1500的基本指令比S7-1200多9條指令。

2）擴(kuò)展指令中只有S7-1500有PROFIenergy（使用 PROFINET 進(jìn)行能源管理）指令。此外S7-1500比S7-1200多11條指令。

3）“技術(shù)”類指令S7-1500比S7-1200多5條高速計(jì)數(shù)器指令。

4）“通信”類指令S7-1200比S7-1500多3條發(fā)送電子郵件的指令。

S7-1200 間接尋址指令的應(yīng)用

S7-1200的間接尋址需要通過數(shù)據(jù)塊中的數(shù)組來實(shí)現(xiàn)。指令FieldRead通過索引（又稱為下標(biāo)）變量從數(shù)組中讀取數(shù)值，指令FieldWrite 通過索引變量向數(shù)組中寫數(shù)值，使用這兩條指令可以實(shí)現(xiàn)間接尋址。

索引變量是間接尋址中的地址指針，它的值是要讀寫的數(shù)組元素的索引值。地址指針就像收音機(jī)調(diào)臺(tái)的指針，改變指針的位置，指針指向不同電臺(tái)。改變地址指針中的索引值，指針“指向”數(shù)組不同的元素。間接尋址的優(yōu)點(diǎn)是可以在程序處理期間，通過改變指針的值動(dòng)態(tài)地修改指令中的地址。

首先生成一個(gè)名為“數(shù)據(jù)塊1”的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB2，在數(shù)據(jù)塊中生成名為“數(shù)組1”的數(shù)組Array[1..10] of Int，其元素的數(shù)據(jù)類型為Int。

這兩條指令沒有列入指令列表和指令列表，編程時(shí)將收藏夾中的空邏輯框插入程序，點(diǎn)擊其中紅色的“??”，打開下拉式列表框，可以看到列表框底部的指令FieldWrite或FieldRead。點(diǎn)擊生成的指令框中的“???”，用列表設(shè)置要寫入或讀取的數(shù)據(jù)類型為Int（見下圖）。兩條指令的參數(shù)MEMBER的實(shí)參必須是數(shù)組的個(gè)元素“數(shù)據(jù)塊1”.數(shù)組1[1]。

指令的輸入?yún)?shù)索引值“INDEX”是要讀寫的數(shù)組中的元素的下標(biāo)，數(shù)據(jù)類型為DINT（雙整數(shù)）。參數(shù)“VALUE”是要寫入數(shù)組元素的值或要讀取的數(shù)組元素的值。

下圖中的FieldWrite指令將常數(shù)25寫入數(shù)組1中的元素“數(shù)組1[3]”。FieldRead指令讀取數(shù)組元素“數(shù)組1[3]”的值，將它保存到MW20。改變INDEX的值，可以讀寫別的數(shù)組元素的值。

注意：S120支持兩個(gè)周期性通訊接口IF1和IF2，分別通過CU參數(shù)P8839.0和P8839.1來定義IF1和IF2的通訊方式，在默認(rèn)情況下P8839.0= P8839.1=99，就激活了這兩個(gè)接口的自動(dòng)模式，如下表所示：

在這種方式下無法實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP和PROFINET IO的并行通訊，因此為了實(shí)現(xiàn)其并行通訊，需要按如下方式設(shè)置：
? P8839[0]=1和P8839[1]=2：PROFIBUS DP 用于同步，PROFINET IO用于周期性通訊
? P8839[0]=2和P8839[1]=1：PROFINET IO用于同步，PROFIBUS DP用于周期性通訊（本例中的設(shè)置）

兩個(gè)周期性通訊接口IF1和IF2的特性如上表所示：
注意：IF2不支持TM41,TM15,TM17,TM/TB,CU與CPU之間的通訊。