主站与远程I/O站之间通信研修设备开发

盛继华，黄清锋

（金华市技师学院，浙江金华，321017）

0 引言

PROFIBUS主要包括FMS、DP、PA三部分，在任意有严格控制稳定性、可靠性、时间要求通信任务中。引入本文的PROFIBUS-DP作为现场总线系统中的组成，能够应用于现场设备控制，实时性较高，可以实现由几百微妙至几百秒，经RS485传输对主站与从站间传输数据，形成双向智能化、数字化、多点现场总线通信网[1]。通过运用PROFIBUS-DP不仅能够有效解决单独使用微处理器开发协议较大操作难度这一缺点，仅需外部接入物理芯片，既可实现以太网接通DP主站实现集成化控制，充分发挥DP主站现场设备控制优势同时，还可以在市场管理网络中灵活化嵌入控制网络，从真正意义上实现现场控制管理。

1 主/从站通信状态机制

在PROFIBUS-DP的主站与从站通信过程中，具体可以划分为多阶段，第一阶段为主站首次诊断从站，对从站参数化处理与组态配置，转二次诊断从站，实现主从两站之间数据参数循环交换。为了进一步确保总线控制中可以正确传输帧，PROFIBUS-DP严格规定了报文帧结构，与主从站设备的具体控制时序关系，并对12个参数进行界定，用于对各帧之时间和可允许等待时长最大化的具体限定[2]。在主从站数据控制中，发出每一帧之前，应当有同步期TSYN，发送每帧控制报文之前，都要加入总线休息时间，固定每帧发送时长在33TB/T时间。TSYN之后控制指令发起方，会发出REQUEST帧至从站侧，接收方由请求接受至数据响应，具体定义TSDR，根据TSDR的具体参数，可以反映响应方从站的具体能力与资源情况。部分站点并未应用专用通信ASIC芯片，所致通信控制的反应用时较长。在通信发起方一侧，由主站发送请求帧至最后Bit收到相应帧首个BIt的用时，定义SLot_Time，这也作为通信控制系统所达到实时性能优劣程度的真实反映。并且在本次主从站通信设计中，还定义关键参数TSL，该参数可以允许SLot_Time最大化，假若通信控制的发起方一旦超出参数TSL，依然未能成功响应接收方，那么则代表通信系统发生通信错误，或者需要重新发送请求帧，向FDL层上交错误指令，由上层软件负责处理。

2 系统设计

2.1 硬件设计

主站与远程I/O站之间建立通信，从本质上作为运用专门I/O访问命令寻址分布式外围模块I/O数据，设计控制编程平台选用STEP 7，经PROFIBUS-DP主站和ET 200M标准从站通信，即可控制接触器设备。应用于工业现场控制，以混合搅拌液料的过程为例，便可运用PLC控制ET200M数字输入/输出，从而远程控制搅拌器的操作过程[3]。A、B两类液料均根据既定投放比例，用搅拌器搅拌A、B两类液料，根据两个内部传感器来测量搅拌器内的两种液料所在位，在测量结果达到既定容量，传感器会向ET200发送信号，从而控制搅拌器内两种液体阀门开合情况。在装满A、B两类液料之后，ET 200会发出搅拌器电机控制指令，在转动搅拌器电机一定时间之后，打开搅拌器开口阀门便可卸料。

在ST 300的仿真软件PLCSIM能够执行CPU控制程序，与DP从站故障仿真，可是在实际仿真应用中大部分情况存在局限。多数通信过程均需要通信硬件模块验证，本文使用STEP7进行通信网络组态及编程，由协议ASIC芯片ASPC2外加扩展固化程序实现，该协议芯片在应用中能够基于PROFIBUS协议数据链路层介质访问控制功能，方便连接微处理器。S3C4510芯片能够在32位ARM与16位Thumb态工作，执行管理协议并提供以太网控制器。选择RTL8019与RTL8210、S3C4510片内以太网控制器相连接，提供10M与100M网络通信速率，可以适用于不同网络。

本次通信设备设计选用ASPC2，用于主站智能通信芯片，可支持DP/FMS协议，经端耦合器与PA相连接，满足12Mbit/s的最大化传输速率。能够支持识别（用Ident代表）、请求FDL状态（用Requent_FDL_Status代表）、发送数据无应答（用SDN代表）；发送数据有应答（用SDA代表）；发送接收数据有应答（用SRD代表）。该通信芯片可以支持8/16位数据总线，选用引脚XB8/B16接地，设计16位数据模式，通信总线能够在Motorola、Intel中选择工作总线形式，DINT/MOT引脚接地。选择Intel总线形式，均与低位数据总线相连接，高位数据总线连接输入且内部上拉电阻，共享RAL或选用双口RAM均可实现芯片和CPU二者数据交换，结合本文通信设计选用共享RAM，是因为这样能够级联多个ASPC2芯片，利用处理器保持功能均经外部总线交换具体信息。S3C4510B的运行工作频率高达50MHz，包括各类通用接口除外还具备强大独立控制功能，将此以太网控制器可以用于控制难度较大，通信控制较复杂的嵌入式以太网系统。设计半双工控制模式，控制器执行CSMA/CD协议，支持IEEE802.3MAC控制层协议，在RS485工作模式中即可传输数据信息，并且为了确保系统安全可靠性，以EN50.170标准为参照，隔离总线和内部电路，这一步是基于光耦HCPL701基础上实现的。

2.2 软件设计

本次通信软件设计选用CPU315-2DP为带有大中型程序存储器及PROFIBUS DP主/从接口CPU，该处理器能够在50ns左右成功处理一条二进制指令，经常被用于SIMATIC S7-300中作为标准PROFIBUS-DP主站。带有PROFIBUS-DP主站、从站接口，不仅可以用于集中式通信控制I/O结构，还能够用于操作简单、迅速便捷的分布式自动化控制系统中。该通信控制系统设计，PROFIBUS-DP主站均选用CPU315-2DP，站地址为2，ET 200M为标准从站，站地址为3。从站输入/输出模块与搅拌机相连接，经CP5613模块接入PC网络，用于设备编程与功能调试，各站间均经PROFIBUS电缆相连接，网络终端插头终端电阻开关需要打开“ON”位置，中间从站插头终端电阻开关必须打在“OFF”位置。（见图1）为系统组成图。

图1 系统构成

管理器内双击桌面Simatic Manager图标，即可进入 STEP7，选择新建“文件—DP_ET200”，之后根据弹出界面“DP_ET200”右键点击后插入“新站点”，建立新站点“SIMATIC300”，成功插入S7-300为DP主站。管理器内点击对象“SIMATIC 300”站，双击右侧“硬件”图标，将 HW Cofig界面成功打开后，选择“SIMATIC 300配置文件”，将RACK-300插入后，将电源PS307 10A插入1号插槽内，将CPU315-2DP插入2号插槽，3号插槽用于功能拓展无需添加其他模块。4号插槽插至所需输入/输出模块，选用DI16/DO16×24V/0.5A（见图2）。

图2 主站组态

插入CPU 315-2DP将PROFIBUS弹窗组态界面取消，并设置“DP”属性对话框，设计“工作模式”该功能栏，用于对默认DP主站的实时查看。在“常规”选项中设计FROFIBUS接口，主站地址2。选择“属性-参数-新建”，即可成功建立PROFIBUS电缆，网络设计内设置1.5Mbps通信速率，同样配置DP主站，成功设置后即可“确定”并返至属性功能框，选择插入DP站新的“PROFIBUS（1）”子网。

ET200M作为分布式I/O设备，建立主从站通信系统中一般应当在自动化系统中集成输入、输出信号。假若输入、输出设备与PLC控制器距离较远，则需要铺设较长电缆，这样的话就会造成成本加大，并且可能会由于出现电磁干扰降低系统可靠性。所以分布式I/O设备的使用，便可以有效解决该问题，能够在中央位控制CPU，在本地分布运行I/O设备，PROFIBUS DP有着强大的高速数据传输能力，能够保证CPU与I/O设备顺畅通讯。打开通信硬件功能窗口，选择PROFIBUS DP/ET 200M配置文件，成功选定 ET 200M窗口路径，之后拖动该通信组件至PROFIBUS网络组态窗口，即可接入ET 200M与PROFIBUS网络。拖动中能够出现属性对话框，从站地址4，之后确定选定从站，完成输入/输出模块组态。

2.3 网络组态

HW Config菜单界面内可以点击“网络组态”，将Netpro网络组态界面打开后，能够发现PROFIIBUS已经成功连接主站总站，结合通信控制项目所需，设计11个输入/输出通信点，包括PLC停止、运行，ET200接收液体搅拌限位信号，两类液体阀门控制闭合信号，其中B液限位后ET 200控制搅拌机运行信号。SIMATIC Manager界面内，选择SIMATIC 300站点，S7程序内寻找Symbol符号即可分配资源，并寻找OBI组织块，创建LAD语言模块，编写OBI程序，负责调用两大功能块分别为FC1与FC2，其中FC1用于显示PLC控制器运行状况，FC2用于显示ET 200搅拌器控制情况。

3 实验测试

本次仿真设计选择SIMATIC Manager界面内，选择“PLCSIM仿真器”进行监视，能够根据界面显示看到CPU状态窗口S7-PLCSIM1，将输入/输出共计两个变量成功手动插入后，在PLC内下载LAD/STL/FDB/OBI组块程序，还有下载HW Config通信硬件组态。仿真中因为默认关闭PLC状态，需要提前打开PLC保持“RUN”状态，能够看到关闭I0.0情况下，Q0.0与PLC接通启动，Q2.0则与打开A液阀门相接通。在A液位上限即可断开ET 200M的I2.0信号，关闭A液阀门，Q2.1与B液阀门相连接，在B液位上限即可断开ET200M的I2.1信号，成功断开Q2.1之后，即可关闭B液阀门，之后正式开启Q2.3搅拌机运作，依据有关规定搅拌机正式运行时间达2min，接通I0.2就表明搅拌机处于正常工作状态下，直至满足2min运行时长，Q2.2与搅拌机相接通打开出口阀。

其中采用ISD2500语音芯片用于语音控制和录放电路的数字化录音组件，可以达到60s左右的录放音时间，能够连续录放并且根据A0～A9地址线，选择性分段完成语音控制录放。选择在ISD2500片选23脚作为低脉冲时启动放音周期，CE信号下降沿启动录音周期，R/R（27脚）输入端作为高电平与低电平情况下，分别选定为放音和录音周期。警报器电话被用户成功拨通之后，需要播放已经根据段完成录制的警报信号，经ARM7的I/O口对ISD2500第27脚成功控制，利用uc/os软件定时器成功确定语音芯片的播放时间。

4 结语

在本次主站与远程IO站之间通信研修设备开发设计中，通过选用PROFIBUS-DP主站应用嵌入式开发技术，综合考虑该通信控制组件应用于不同复杂环境中，具备良好的性能可拓展性与智能化特点。与PROFIBUS通信原理相结合，设计PROFIBUS-DP主从站现场总线通信，能够达到上下12Mbit/s通信速率，并建立PLC与ET 200M硬件组态，用于设计实现通信的软件基础，并进行网络组态优化资源分配。通过对本次设计通信设备控制效果进行仿真验证，证明了本文上位机控制主站和远程I/O通信的可行性，基本满足了应用于工业制造领域远程设备控制要求，并且有效减少在布设电缆方面的成本投入，极大的提升了控制系统的可扩充性。