基于Profibus-DP协议现场总线的控制系统设计

目 录

摘要??????????????????????????????????1 前言??????????????????????????????????2

1.绪论??????????????????????????????3

1.1 课题来源与研究内容???????????????????????3 1.2 现场总线概念及特点???????????????????????3 1.3 典型现场总线简述????????????????????????4 1.4 现场总线的发展趋势???????????????????????5

2.Profibus现场总线概述…??????????????????????6

2.1 Profibus协议结构与OSI参考模型?????????????????6 2.2 Profibus物理层?????????????????????????7 2.3 Profibus数据链路层???????????????????????8 2.4 Profibus应用层?????????????????????????9

3. Profibus-DP协议?????????????????????????10

3.1 Profibus-DP的基本功能?????????????????????10 3.2 Profibus-DP的数据通信?????????????????????13 3.3 Profibus-DP的交叉通讯方式???????????????????14 3.4 Profibus-DP的技术优势?????????????????????15

4. 西门子PLC的Profibus总线通信实现???????????????16

4.1课题要求????????????????????????????16 4.2可编程控制器S7-300的实验系统组成????????????????16 4.3硬件组态与参数设置???????????????????????19 4.4 Profibus现场总线控制网络的组网?????????????????26

5.上位机监控软件的研究与设计???????????????????34

5.1 WinCC组态软件的功能和特点???????????????????34 5.2利用组态软件WinCC设计系统监控界面???????????????36

6. 结论与展望????????????????????????????43 致谢?????????????????????????????????44 参考文献???????????????????????????????45

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基于PROFIBUS-DP

现场总线的控制系统设计

摘要：本文分析了Profibus-DP现场总线中的物理层、数据链路层等通信模型的技术特点，对Profibus网络相关的单主、多主问题进行了论述。采用STEP7软件对已有的s7-300实验设备进行了实际组态，完成了硬件选型，程序块定义及梯形图程序编辑及仿真调试、下载，同时利用西门子公司WinCC软件实现了上位机与PLC的通讯, 完成了S7-300与S7-200的EM277之间的Profibus-DP通讯。

这一研究的目的在于实现基于Profibus-DP现场总线的 Siemens PLC S7-300控制系统设计及组态，包括PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。对于总线协议的研究可以更深入的掌握PROFIBUS的通信机制。PLC控制系统与现场总线技术的结合，实现了系统高速实时通信的目的，增强了系统的稳定性，安全性和实时性。 关键词:Profibus--DP现场总线，S7-300 PLC，WinCC

Abstract：This artical analyzes the technical features of the communications model such as Profibus-DP fieldbus physical layer, data link layer and discuss the Profibus network-related, single owner, more than on the main issues. Using STEP7 software to actual configure the existing laboratory equipment s7-300, completing the hardware selection, block definition and simulation ladder program editing and debugging, downloading;at the same time use Siemens WinCC software achieving the communication of a PC and PLC, completing the S7-300 and S7-200's EM277 communication between the Profibus-DP.

The purpose of this study is to design and configure Siemens PLC S7-300 control system based on Profibus-DP Field-Bus,which including the PLC control system design, manage and monitor PC system design. The study of bus protocol can be more in-depth master of the communication mechanism Profibus master.The Combination of PLC control system and fieldbus technology,realizing the purpose of high-speed real-time system communication, and enhance the system stability, security and real-time.

Keywords: Profibus- DP Field-Bus, S7-300 PLC, WinCC

前言：

自上世纪40年代以来，工业控制系统开始了逐步发展成熟的步伐。当时采用只具

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备简单测控功能的现场基地式仪表，即第一代过程控制系统(气动控制系统或PCS)。气动控制系统一直沿用到20世纪60年代才结束其主导地位，而目前在类似防爆等特殊场合下仍发挥着不可替代的作用。开始应用4～20mA模拟信号标准的第二代控制系统(模拟控制系统或ACS)标志着控制系统的又一次飞跃。但是由于不同的传感器和执行器信号的定义有所不同，大量仪表的信号标准难以规范，这样限制了控制系统的规模和性能，降低了系统集成度。

随着数字计算机在测量、模拟和逻辑控制领域被广泛使用，从而产生了集中控制系统，即第三代过程控制系统(CCS)。采用单片机、PLC或微机作为控制器传输数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统抗干扰能力，易于根据全局情况进行控制计算和判断。在控制方式、控制实际的选择上可以同意调度和安排。但集中式计算机控制系统存在可靠性问题，一旦作为控制中心的计算机发生故障，将导致生产全面瘫痪[1]。

为了改善CCS的缺陷，第四代过程控制系统(DCS)应运而生。它采用集中管理，分散控制的方法，有力地克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。因此DCS系统在电力、石油、化工等重要领域得到普遍应用。但是，出于垄断经营的目的各大系统集成厂商采用各自封闭的控制通信模式，不同场设设备能以实现通信与信息连接。因此，DCS成为一种封闭转用的、不具有大范围可操作性分布式控制系统。

电子信息技术的飞速发展又给自动化工业控制系统带来了深刻的变革。逐步形成了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息系统。它具有开放、数字化、容易进行数据交换的特点。它利用现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成数字式、双向传输、多分支结构网络特色的自动控制系统。这样，现场总线成为当今3C(ComPuter、Control、Communication)发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，而且是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。因此，现场总线控制系统及时一个开放的通信网络，又是一种分布式控制系统，它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为控制节点的职能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化控制系统。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化控制系统得到越来越广泛的应用[2]。

在PLC控制系统中应用现场总线技术实现PLC与现场设备、客户端、服务器间实时通信，达到分散优化综合控制是工业控制领域的热门问题。综合控制系统设计的优良直接影响着工业生产的经济性。深入研究应用PLC及现场总线控制技术会为我国在工业自动化领域的进一步发展做出有益贡献。

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工控行业领军企业的西门子的PROFIBUS与SIMATIC系列PLC控制系统提供了完善的软硬件支持和系统的解决方案。这样缩短了工控系统的开发周期，扩展了设备间的通信能力，优化了软件设计，增强了系统兼容性。因此从理论上研究PROFIBUS现场总线以及深入探讨西门子SIMATIC系列PLC能够拉近我国工业自动化与外国的差距，提升我国自动化产业的竞争力[2]。

1. 绪论

1.1课题来源与研究内容

本课题为采用自动化学科现有的西门子设备进行Profibus-DP组网技术研究的课题，来源于三峡大学电气信息学院实验室建设项目设计性课题。

本次研究的主要内容包括对Profibus-DP现场总线中的物理层、数据链路层等通信模型以及技术特点的分析；对STEP7软件的组态方法研究；采用STEP7软件对已有的S7-300试验设备进行实际组态；完成PLC300通过EM277与PLC200 DP网通讯组态以及利用WinCC软件对温度信号的监控。

首先，研究Profibus现场总线的通信协议、应用接口，及其协议架构以及与PLC和监控管理设备的互联；其次，研究 Siemens PLC S7-300的软硬件应用，研究SIMATIC应用及WinCC组态；最后，以PLC300通过EM277与PLC200通讯为例，搭建成具有一定开放系统特性的基本系统，包括PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。

1.2 现场总线概念及特点

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。主要用于：制造业、流程工业、交通、楼宇、电力方面的自动化系统中。

现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线，是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动化技术的产物，将微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信的能力。

现场总线的特点：

1） 系统的开放性。通信协议一致公开，不同厂家的设备之间可实现信息交换，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现

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场总线构筑自动化领域的开放互连系统。

2） 互可操作性与互用性。互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。

3） 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

4） 数字化通信。在系统中间层或不同层的总线设备之间（从变送器、传感器到调节阀等）均采用数字信号进行通讯。用数字信号代替模拟信号可实现一对电缆上传输多个信号，同时又为多个设备提供电源[3]。

5） 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

1.3典型现场总线简述

上世纪80年代以来，国际上的知名大公司先后推出了几种工业现场总线和现场通讯协议，目前流行的主要有FF(Fieldbus Foundation基金会现场总线)、Profibus(Process Fieldbus)、CAN(Controller Area Network用场合如下： 1） FF现场总线

基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通讯模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通讯速率。H1的传输速率为1.25kbit/s，通讯距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防暴环境。H2的传输速率为1M和2.5kbit/s两种，其通讯距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC11582标准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。主要应用在过程自动化领域，如：化工、电力、油田和废水处理等。 2） Profibus现场总线

Profibus系列由Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA等3个兼容部分组成。Profibus采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集。Profibus的传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s，最大传输距离在12Mbit/s时为100m，1.5Mbit/s时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线和光缆。主

控制器局域网)、

WorldFIP(Factory Instrumentation Protocol世界工厂仪表协议)等。其主要技术差异及适

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