PROFIBUS-DP 通讯 一 PROFIBUS-DP 的基本知识 1. 概念 PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一, 它以其独特的技术特点 严格的认证规范 开放的标准 众多厂商的支持, 已被纳入现场总线的国际标准 IEC61158 PROFIBUS 于 2006 年月 10 月成为我国首个现场总线国家标准 PROFIBUS 是不赖生产厂家的 开放式的现场总线, 各种各样的自动化设备均可以通过同样的接口交换信息 PROFIBUS 用于分布式 I/O 设备 传动装置 PLC 和基于 PC 的自动化系统 PROFIBUS 提供了 3 种通信协议 :PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA 和 PROFIBUS-FMS (1)PROFIBUS-DP DP 是 Decentralized Periphery 的缩写 PROFIBUS-DP 主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信, 特别适合于 PLC 与现场级分布式 I/O 设备之间的通信 DP 是 PROFIBUS 中应用最广的通信方式 PROFIBUS-DP 用于连接下列设备 :PLC,PC 和 HMI 设备 ; 分布式现场设备, 例如 SIMATIC ET200 和变频器等设备 作为 PLC 硬件组态的一部分, 分布式 I/O 用 STEP7 来组态, 通过供货方提供分 GSD 文件, 可以用 STEP7 将其他制造商生产的从站设备组态到网络中 STEP7 用户程序访问分布式 I/O 就像访问 PLC 的中央机架中的 IO 模块一样 主站之间的通信为令牌方式, 主站和从站之间为主从方式, 以及这两种方式的组合 部分 S7-300/400 CPU 配置有集成的 DP 接口,S7-200//300/400 也可以通过通信处理器 (CP) 连接到 PROFIBUS-DP (2)PROFIBUS-PA PA 是 Process Automation( 过程自动化 ) 的缩写,PROFIBUS PA 是用于 PLC 与过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输, 特别适用于过程工业 PROFIBUS-PA 功能集成在起动执行器, 电磁阀和测量变送器等现场设备中 (3)PROFIBUS-FMS FMS 是 Field Message Specification( 现场总线报文规范 ) 的缩写, 是现场总线报文规范, 用于系统级和车间级的不同供应上的自动化系统之间传输数据, 处理单元级的多主站数据通信, 为解决复杂的通信任务提供了很大的灵活性 第 1 页共 11 页
2.PROFIBUS 的物理层 ISO/OSI 互连参考模型的物理层是第一层,PROFIBUS 可以使用多种通信媒体 传输速率为 9.6Kbit/s-12Mbit/s, 在一个有 32 个站点的系统中, 假设 PROFIBUS-DP 对所有站点传输 512 点输入和 512 点输出, 在 12Mbit/s 时只需要 1ms, 每个 DP 从站的输入数据和输出数据最大为 244B 使用屏蔽双绞线电缆时最大通信距离为 9.6Km, 使用光缆时最长 96Km, 最多可以接 127 个从站 PROFIBUS 的站地址空间为 0-127, 其中的 127 为广播用的地址,0-126 为单站地址, 所以最多能连接 127 个站点 一个总线段最多连接 32 个站, 超过了必须分段, 段与段之间用中继器连接, 中继器没有站地址, 但是被计算在每段的最大站数中 每个网段的电缆最大长度与传输速率有关传输速率 /(kbit/s) 9.6-187.5 500 1500 3000-12000 总线长度 /m 1000 400 200 100 如果使用屏蔽编织线和屏蔽箔, 应在两端与保护接地连接 3.PROFIBUS-DP 的设备分类 PROFIBUS 网络的硬件由主站, 从站, 网络部件和网络组态与诊断工具组成 网络部件包括通信媒体 ( 电缆 ), 总线连接器, 中继器, 耦合器, 以及用于连接穿行通信, 以太网,AS-I,EIB 等网络系统的网络转接器 PROFIBUS-DP 网络中的设备类型有 3 种 : (1)1 类主站 :(DPM1) 它是 DP 网络中的主角,DPM1 在预定的周期内与分布式的站 ( 例如 DP 从站 ) 循环地交换信息, 并对总线通信进行控制和管理 DPM1 可以发送参数给 DP 从站, 读取从站的诊断信息, 用全局控制命令将它的运行状态告知给各从站 此外, 它可以将控制命令发送给个别从站和从站组, 以实现输出数据和输入数据的同步 它可以是具备 DP 通信接口的 PLC 插入 DP 主站板卡的 IPC 等 (2)2 类主站 :(DPM2) 它负责对 DP 系统进行组态, 对网络进行诊断等 DPM2 除了具有 1 类主站的功能外, 在与 1 类 DP 主站进行数据通信的同时, 可以读取 DP 从站的输入 / 输出数据和当前的组态数据, 可以给 DP 从站分配新的总线地址 它一般是装有通信卡和工程软件的上位机, 操作员面板 / 触摸屏等 (3) 从站 : 从站是更接近于底层的现场设备, 它们负责执行主站的输出命令, 并向主站提供从现场传感器采集到的输入信号或其他输入信号 它们可以是远程 I/O PLC 驱动器和阀等设备 4.GSD 文件 GSD(General Station Description, 常规站说明 ) 文件是可读的 ASCII 码文本文件, 第 2 页共 11 页
包括通用的和设备有关的通信的技术规范 为了将不同厂家生产的 PROFIBUS 产品集成在一起, 生产厂家必须以 GSD 文件的方式提供这些产品的功能参数, 例如 I/O 点数, 诊断信息, 传输速率, 时间监视等 GSD 文件分为 3 个部分 : (1) 总规范 : 包括生产厂商和设备名称, 硬件和软件版本, 传输速率, 监视时间间隔, 总线连接器的信号分配等 (2) 主站规范 : 包括适用于主站的各项参数, 例如最大可以连接的从站个数和上载 / 下载的选项 (3) 与 DP 从站有关的规范 : 例如 I/O 通道个数, 类型和诊断数据等 在 STEP7 的 SIMATIC 管理器中打开硬件组态工具 HW Config, 如果硬件目录窗口中没有需要组态的 DP 从站, 应安装制造商提供的 GSD 文件 在硬件组态工具中, 执行菜单命令 选项 -> 安装新 GSD 文件, 在出现的对话框中点击 浏览 按钮, 打开 GSD 文件所在的文件夹, 安装 GSD 文件 第 3 页共 11 页
安装成功后, 在硬件目录窗口的 \PROFIBUS-DP 文件夹中, 可以找到刚安装了 GSD 文件的 DP 从站, 并将它用于组态 STEP7 将 GSD 文件存储在 \Siemens\Step7\S7 DATA\GSD 文件夹中 GSD 文件可以在制造商的网站下载, 例如在西门子中文网站的下载中心, 可以下载 西门子自动化产品 GSD 文件大全 二 EM277 简介 EM277 模块是一种智能扩展模块, 是 PLC S7-200 专用通信模块, 用于将 S7-200 CPU 连接到 PROFIBUS-DP 网络, 支持 MPI/PROFIBUS 通信, 只能作为从站, 不能作为主站 1. 分布式外围设备 (DP) 的标准通信 PROFIBUS--DP 是由欧洲标准 EN 50170 定义的远程 I/O 协议 即使各个设备由不同的公司制造, 只要满足该标准便相互兼容 DP 表示分布式外围设备, 亦即远程 I/O PROFIBUS 表示过程现场总线 在下列通讯协议标准中,EM 277 PROFIBUS--DP 模块将作为从站设备来实现 DP 标准协议 : _ EN 50170 (PROFIBUS) 描述总线访问和传送协议, 并规定数据传送介质的性能 _ EN 50170 (DP 标准 ) 描述 DP 主站和 DP 从站之间的高速循环交换数据 这个标准规定组态和参数赋值过程, 解释具有分布式 I/O 功能的循环数据如何进行交换, 并列出支持的诊断选择 一个 DP 主站组态应包含地址, 从站类型以及从站所需要的任何参数赋值信息 还应告诉主站由从站 ( 输入 ) 读入的数据应放置何处, 以及从何处获得写入从站 ( 输出 ) 的数据 DP 主站建立网络, 然后初始化其 DP 从站 主站将参数赋值信息和 I/O 组态写入到从站 然后, 主站从从站那里读出诊断信息, 并验证 DP 从站已接受参数和 I/O 组态 然后, 主站开始与从站交换 I/O 数据 每次对从站的数据交换为写输出和读输入 这种数据交换方式无限期地继续下去 如果有意外情况发生, 从站设备可以通知主站, 而主站就会读取来自从站的诊断信息 一旦 DP 主站已将参数和 I/O 组态写入到 DP 从站, 而且从站已从主站那里接收到参数和组态, 则主站就拥有那个从站 从站只能接收来自其主站的写请求 网络上的其它主站可以读取该从站的输入和输出, 但是它们不能向该从站写入任何信息 2. 使用 EM 277 将 S7-200 CPU 作为 DP 从站连接到网络通过 EM 277 PROFIBUS-DP 扩展从站模块, 可将 S7-200 CPU 连接到 PROFIBUS-DP 网络 EM277 经过串行 I/O 总线连接到 S7-200 CPU PROFIBUS 网络经过其 DP 通信端口, 连 第 4 页共 11 页
接到 EM 277PROFIBUS-DP 模块 这个端口可运行于 9600 波特和 12M 波特之间的任何 PROFIBUS 波特率 关于 EM 277 PROFIBUS-DP 模块支持的波特率, 可参见该模块的规范 作为 DP 从站,EM 277 模块接受从主站来的多种不同的 I/O 组态, 向主站发送和接收不 同数量的数据 这种特性使用户能修改所传输的数据量, 以满足实际应用的需要 与许 多 DP 站不同的是,EM277 模块不仅仅是传输 I/O 数据 EM 277 能读写 S7-200 CPU 中定义 的变量数据块 这样, 使用户能与主站交换任何类型的数据 首先将数据移到 S7-200 CPU 中的变量存储器, 就可将输入 计数值 定时器值或其它计算值送到主站 类似地, 从 主站来的数据存储在 S7-200 CPU 中的变量存储器内, 也可移到其它数据区 EM 277 PROFIBUS-DP 模块的 DP 端口可连接到网络上的一个 DP 主站上, 但仍能作为 一个 MPI 从站与同一网络上如 SIMATIC 编程器或 S7-300/S7-400 CPU 等其它主站进行通 信 3. 组态 为了将 EM 277 作为一个 DP 从站使用, 用户必须设定与主站组态中的地址相匹配的 DP 端口地址 从站地址是使用 EM 277 模块上的旋转开关设定的 在为新的从站地址按照 顺序进行了开关改变以后, 若要使改变生效, 必须对 CPU 循环上电 主站通过将其输出区来的信息发送给从站的输出缓冲区 ( 称为 接收信箱 ), 与其 每个从站交换数据 从站将其输入缓冲区 ( 称为 发送信箱 ) 的数据返回给主站的 输入区, 以响应从主站来的消息 EM 277 可用 DP 主站组态, 以接收从主站来的输出数据, 并将输入数据返回给主站 输出和输入数据缓冲区驻留在 S7-200 CPU 的变量存储器 (V 存储器 ) 内 当组态 DP 主站时, 将 V 存储器中输出数据缓冲区的起始字节位置定义为 EM 277 参数分配信息的组成部分 此外, 还将 I/O 组态定义为要写入 S7-200 CPU 的输出数据量和要从 S7-200 CPU 返回的输入 数据量 EM 277 从 I/O 组态确定输入和输出缓冲区的大小 DP 主站将参数赋值和 I/O 组态 信息写入到 EM 277 PROFIBUS-DP 模块 然后,EM 277 将 V 存储器地址和输入及输出数据 长度传送给 S7-200 CPU 4.EM 277 PROFIBUS--DP 模块地址开关及 LED 指示灯 (1)EM277 PROFIBUS-DP 的前视图 : 地址开关 : X10= 设置地址的最高有效位 X1= 设置地址的最低有效位 第 5 页共 11 页
DP 从站端口连接器 (2)LED 灯 EM 277 PROFIBUS--DP 模块在前面的面板上有四个状态 LED, 用来指示 DP 端口的运行状态 : _ S7--200 上电后,DX MODE LED 一直熄灭直到 DP 通讯开始 _ 当 DP 的通讯成功地初始化后 (EM 277 PROFIBUS--DP 模块进入和主站交换数据的状态时 ),DX MODE LED 变绿直到数据交换状态结束 _ 如果 DP 通讯中断, 强制 EM 277 模块退出数据交换模式, 此时,DX MODE LED 熄灭而 DP ERROR LED 变红 此状态一直保持到 S7--200 CPU 断电或数据交换重新开始 _ 如果主站写入 EM 277 模块的 I/O 组态或参数信息错误, 则 DP ERROR LED 将呈红色闪烁 _ 如果没有 24 VDC 供电,POWER ( 电源 ) LED 将熄灭 下表总结了 EM 277 状态 LED 的各种状态 LED OFF 红色红色闪烁绿色 CPU 故 模块良好 内部模块故障 障 POWER 没有 24VDC 用户电 源 24VDC 用户电源良 好 DP 没有错误脱离数据交换模式参数化 / 组态错误 第 6 页共 11 页
ERROR DX MODE 不在数据交换模式 在数据交换模式 三 PROFIBUS-DP 网络设备通信组态 1. 通信概况 PROFIBUS-DP 可以构成单主站或多主站系统, 系统配置包括网络结构配置和参数配置, 主要内容有站点数目 地址和输入 / 输出数据的格式 诊断信息格式等 一个 PROFIBUS 网络中最多只能有 126 个设备 ( 包括主站和从站 ), 如果距离过长或某一处的从站设备过多, 就需要把 DP 网络分成若干个网段 (Segment), 在同一个网络段中, 最多只能有 32 个设备 如果一上网络中的设备数量多于 32 个或由于受距离以及设备性质的限制, 那就必须划分出多个网络段 网络段之间的连接可以使用中继器或耦合器, 他们的作用是增加网络的长度, 提供段与段之间的信号隔离和缓冲 符合 PROFIBUS-DP 标准的第三方设备可以作为 DP 网络的主站或从站, 第三方设备作为主站时, 组态软件由第三方提供 第三方设备作为从站时, 需要在从站中安装 GSD 文件, 这样才能在硬件目录窗口中看到 EM277+ S7200 CPU 作为第三方设备 2. 配置过程 (1) 安装 EM277 的 GSD 文件 GSD 文件是一个可读的, 包括该 PROFIBUS 设备一般的和制造商指定的通信参数的文本文件, 制造商的名字 设备支持的波特率 I/O 模块情况以及其他必须和可选的参数都必须在 GSD 文件中体现出来 每个 PROFIBUS 设备都必须有相应的 GSD 文件, 这样才能被组态时加入到 PROFIBUS 网络中 PROFIBUS-DP 从站模块 EM277 用于将 S7-200CPU 连接到 PROFIBUS-DP 网络中, EM277 接收来自主站的 I/O 组态, 向主站发送和接收数据 主站可以读写 S7-200 的 V 存储区, 每次可以与 EM277 交换 1~128B 的信息,EM277 只能作从站, 不需要在 S7-200 一侧对 PROFIBUS-DP 通信组态和编程 (2) 组态 S7-300 站 S7-300 与 S7-200 通过 EM277 进行 PROFIBUS-DP 通信, 需要在 STEP7 中对 S7-300 和 EM277 组态 在 S7-200 中, 只需将待发送的数据传送到组态时指定的 V 存储器区, 或者在组态时指定的 V 存储区中读取接收的数据就可以了 具体步骤为 : 在 STEP7 的 SIMATIC 管理器中, 生成一个项目,CPU 模块型号为 CPU315-2DP, 其它组件按实验要求选择 选中该站后, 打开硬件配置窗口, 双击 DP 第 7 页共 11 页
所在的行 点击打开的对话框的 常规 选项卡中的 属性 按钮, 在出现的对话框的 参 数 选项卡中设置站地址默认的站地址为 2 点击 新建 按钮, 设置通信参数选择如下图 : 第 8 页共 11 页
正确设置后, 点击 确定 按钮返回 HW config 窗口, 生成一条 PROFIBUS-DP 网络 (3) 组态 EM277 从站在硬件配置窗口右侧选件列表中, 展开 PROFIBUS DP, Additional Field Device, PLC, SIMATIC, 双击 EM277 PROFIBUS-DP 图标 : 在打开的接口属性对话框中, 设置 EM277 的站地址为 5 EM277 模块上的拨码开关设置的站地址应与 STEP7 中设置的站地址相同 根据通讯数据区域的大小, 选择合适的数据交换长度, 插入到窗口下方的 EM277 第 9 页共 11 页
具体描述中 ( 本例选择的是 2Bytes Out/2Bytes In, 分配的输入 输出字节地址为 IB4-IB5 和 QB4-QB5) 双击 EM277 从站, 点击 Parameter Assignment 选项卡, 设置 I/O Offset in the V-memory (V 存储区中的 I/O 偏移量 ) 为 2 即用 S7-200 的 VB2~VB3 对应 S7-300 的 QB4~QB5 区. S7-200 的 VB4~VB5 对应 S7-300 的 IB4~IB5 区. 第 10 页共 11 页
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