1、 引言

PROFIBUS是一种国际性、开放式的现场总线，符合EN50170 欧洲标准，广泛用于离散型、流程型自动化系统以及楼宇、交通、电力等自动化领域。PROFIBUS现场总线分为报文规范PROFIBUS-FMS、分布设备PROFIBUS-DP、过程自动化PROFIBUS-PA三个相互兼容的版本。本文探讨了在柔性制造系统中如何利用现场总线PROFIBUS-DP组建数据通信网络，实现数据通信。

2 、PROFIBUS-DP总线的通讯原理

PROFIBUS-DP总线采用了OSI 参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层和用户自己定义的用户层来实现通信的。

2. 1 物理层

PROFIBUS-DP的物理层与OSI参考模型的第一层相同，主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，透明地传送比特流，它采用EIA RS-485协议，半双工通信方式，根据最大传输速率的不同，可选用双绞线和光纤等传输介质。在该柔性制造系统中物理传输介质采用的是PROFIBUS-DP总线专用的通信电缆。

2. 2 数据链路层

PROFIBUS-DP现场总线数据链路层采用的总线存储协议为令牌总线(TokenBus) 方式和主-从方式的混合存取方式。

令牌总线方式与LAN的IEEE802.4的规约一致，它规定了主站之间的介质存取控制方式。当系统中有两个以上的主站时，各主站在传输数据时拥有相同的总线控制权，因此必须保证在事先定义的时间间隔中某主站有充足的时间完成通信任务。令牌是在主站之间传递总线控制权的一种特殊报文。当某个主站得到令牌时，它将在一个规定的时间段内获得总线控制权，在这段时间内该主站可依照与主站或从站的关系表和所有的主站或从站发送所需要发送的帧，当该主站的控制时间结束时，它就将令牌传递给下一个主站。

主-从方式符合高级数据链路协议HDLC的非平衡正常响应模式，主站与从站之间采用HDLC帧的格式进行数据传送。在主-从方式下，一个主站控制多个从站，主站发出命令( Command)，从站给出响应( Response)，配合主站完成对数据链路的控制，一个主站应与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路。从站可以发送多个帧，直到从站没有信息帧可发送或未完成帧的数目已达最大值或从站被主站停止为止。

2.3 用户层

用户层由用户自己定义，该层主要定义了DP的功能、行规及扩展功能，其中包括用户系统和各种设备可以调用的应用功能以及各种PROFIBUS-DP设备的行为等。

3 柔性制造系统中PROFIBUS-DP总线的数据通信

3.1 柔性制造系统的ROFIBUS-DP数据通信网络的组成

图1  柔性制造系统的ROFIBUS-DP数据通信网络的组成

该柔性制造系统由8个工作单元组成：储料单元、翻转送料单元、尺寸检测单元、材质检测单元、机械手送料单元、加工单元、搬运单元、立体仓储单元。本系统是以西门子的可编程控制器为主控制器，上位采用台湾WEIN VIEW MT500触摸屏为监控设备，中间采用S7-300 PLC（CPU-315-2DP）负责通信功能，下位各个工作单元采用8个S7-200 PLC（CPU 224）组成各分站控制器，通过PROFIBUS-DP现场总线网络实现S7-300 PLC与S7-200 PLC以及S7-200 PLC之间的通信，8个独立的执行机构共同组成一套完整的控制系统，用于控制实际生产中的流水线工艺。在柔性制造系统中数据通信网络的结构组成如图1所示。其中MT500触摸屏通过MPI协议与S7-300 PLC（CPU 315-2DP）进行通信；PC机通过MT5-PC编程电缆与MT500触摸屏连接起来进行通信；PC机通过使用STEP7编程电缆将PC机上的通信卡CP5611（适用于PC机的PCI卡）的通信口与CPU 315-2DP PLC的DP通信口连接起来进行通信；PC机通过使用STEP7-Micro/WIN 32的编程电缆将PC机上的RS-232串行通信口与CPU 224 PLC的RS-485通信口连接起来进行通信。上述PC机与各设备之间的通信实现起来比较简单，下面主要探讨如何通过PROFIBUS-DP现场总线网络来实现S7-300 PLC与S7-200 PLC以及S7-200 PLC之间的通信。

3.2 基于现场总线PROFIBUS-DP数据通信网络的组建

3.2.1  PROFIBUS-DP总线网络的硬件连接

 1、PROFIBUS-DP网络专用线缆与总线插头的连接

采用专用剥线钳按图2所示制作专用线缆与总线插头。在首末两端将总线插头的接通终端和偏置的开关置于ON位置，接通总线插头的终端和偏置；而在中间的总线插头不需要接通总线插头的终端和偏置，总线插头的接通终端和偏置的开关置于OFF位置。

图2  PROFIBUS-DP网络专用线缆与总线插头的制作

2、通信模块EM277硬件地址的设置

该系统8个工作单元的通信模块EM277从站地址分别是11、12～18。在EM277模块左上方有两个带箭头的位置开关又称地址开关，一个是x10的地址开关，用于设置地址的最高有效位，另一个为x1的地址开关，用于设置地址的最低有效位。设置的8个工作单元的EM277从站地址时要求和STEP 7中硬件组态的EM277地址一致。

3.2.2、PROFIBUS-DP总线网络的硬件组态

图3  STEP 7硬件组态

根据图1所示柔性制造系统的数据通信网络的组成，利用已连接好的PROFIBUS-DP网络专用线缆与总线插头，采用总线拓扑结构进行网络连接，并检查网络连接是否正确，然后给系统送电。S7-300 PLC与S7-200 PLC通过EM277进行PROFIBUS-DP通讯时，在STEP7中需要对S7-300站组态，而在S7-200系统中不需要对通讯进行组态，只需要将进行通讯的数据存放在与S7-300组态时的EM277从站的硬件I/O地址相对应的V存储区就可以了。

在STEP7中对S7-300 PLC站组态时，首先在STEP7中插入一个S7-300 PLC的站。然后在STEP7硬件组态窗口中安装EM277从站配置文件SIEM089D.GSD文件。安装EM277从站配置文件后，根据EM277从站通讯实际需要的通讯字节数，选择一种通讯方式，该系统选择8字节入/8字节出的通讯方式，并在STEP 7的硬件组态窗口中设置EM277的从站地址，至此一个工作单元的EM277从站硬件组态结束。接着依次将其它各单元EM277从站进行硬件组态。该系统的硬件组态结果如图3所示。

3.3、基于现场总线PROFIBUS-DP网络的通信

该系统的硬件配置组态完成后，将硬件组态信息下载到S7-300的PLC当中，下载完成后，将EM277的拨位开关拨到与以上硬件组态的设定值一致的位置，在S7-200 PLC（CPU224）中编写程序将进行交换的数据存放在与S7-300 PLC（CPU-315-2DP）的外设输入/输出存储区PI和PQ相对应的V存储区中，打开STEP7中的变量表和STEP7 Micro/Win32的状态表可以监控S7-300与S7-200通过EM277进行的数据通信。

4、结束语

基于PROFIBUS-DP总线网络的数据通信很好地解决了柔性制造系统中涉及的数据通信问题，并能够可靠、准确地完成控制操作。PROFIBUS-DP以其成功的开放式现场总线，有广泛的安装基础，适用于多种应用场合，基于PROFIBUS-DP总线的自动控制系统是现代工业控制中比较先进的控制方案，应用前景将会十分广泛。

本文创新点：利于PROFIBUS-DP现场总线的组建的数据通信网络很好地解决了柔性制造监控系统中涉及的数据通信问题，并能够可靠、准确地完成柔性制造系统控制操作。

参考文献

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