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摘要：现场总线是一种应用于生产现场的，在现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点的数字通信技术。与传统控制方式相比，其可靠性与互换性更高，能够大量节省硬件数量与投资成本，因此广泛用于加工制造和过程自动化领域。本文详细介绍了基于Profibus-DP协议的I/O节点设计制作过程，通过与标准Profibus总线设备互联和调试，验证了I/O节点设计方案的合理性，对设计开发类似Profibus I/O节点具有一定参考意义。
关键词：现场总线；Profibus-DP；接口电路
Abstract：Fieldbus is a kind of digital communication technology，which is applied in the field of production.It is a bidirectional，serial，multi-node between filed devices and control equipment.
Compared with the traditional control mode，its reliability and exchange is higher，and it can save a lot of hardware and investment cost，so it is widely used in the field of manufacturing and process automation.This paper introduces in detail the design of I/O nodes based on Profibus protocol of the production process，through Profibus standard equipment interconnection and debugging to verify the rationality of I/O nodes design，for the design and development of the similar Profibus I/O nodes has certain reference significance.
Keywords：Fieldbus Profibus-DP Interface circuit
0 引言
随着科技的不断进步，传统的工业控制技术已经越来越难以满足当今工业现代化的需要，智能传感、计算机、通信技术的蓬勃发展，促使现场总线技术应运而生。现场总线打破了传统控制系统的结构形式，采用了智能现场设备，控制系统的功能能够不依赖于控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成。这使得控制系统从设计、安装到生产运行及维护都体现出了优越性。其中比较有代表性的现场总线如FF总线，CAN总线，Profibus，LonWorks，HART等，应用于不同工业领域。
1 Profibus协议
Profibus是由德国SIEMENS公司等13家企业联合5家研究机构共同开发的总线标准，该总线在欧洲是市场的领导者，在世界范围内已安装使用的设备超过3，000，000 个，在制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力和其他自动化领域都能见到它的身影。
1.1 Profibus组成
Profibus协议结构符合ISO/OSI模型，由Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS三部分组成。
Profibus-DP：专为自动化制造工厂中分散的I/O设备和现场设备所需要的高速数据通信而设计，
用于传感器和执行器级的高速数据传输。
Profibus-PA：Profibus 过程自动化解决方案，将自动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送器连接起来。主要应用于对安全性要求较高的场合，如石油、化工、冶金等行业。
Profibus-FMS：旨在解决车间一级通用性通信任务，它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间，可用于大范围和复杂的通信系统。
1.2 Profibus-DP
本文旨在探讨设计基于Profibus-DP协议的I/O节点。Profibus-DP协议使用了ISO/OSI模型第1层、第2层和用户接口层，第3到7层未使用，这种精简的结构能够确保数据高速传输，特别适用于可编程控制器与现场级分散I/O设备之间的通信。
Profibus-DP总线系统包括主设备和从设备：
主设备也叫主站（Bus master），可在总线上发起信息传输；从设备也叫从站（Bus slaver），不能在总线上发起通信，只能挂接在总线上对总线信息进行接收查询。
Profibus-DP定义三种设备类型：
? DP-1类主设备：中央控制器，与分散的I/O 设备（DP-从）交换数据；允许若干个DPM1，典型设备是PLC，PC；
? DP-2类主设备：组态、监视或工程工具；用来设定网络参数，监视DP-从设备；
? DP-从设备：直接连接I/O 信号的外围设备；典型设备是I/O驱动器、阀、操作面板等；
Profibus-DP配置分为单主站和多主站系统。单主站系统中，在总线系统操作阶段只有一个活动主站；多主站系统中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统，但只有一个主站（在系统配置时指定的DPM1）可对DP从站写入输出数据；多主站循环时间要比单主站系统长。
1.3 研究内容
本文围绕“设计符合Profibus -DP协议标准的I/O从站”这个中心任务展开论述，主要内容如下：
（1）确定I/O从站设计方案。通过查阅Profibus 总线系统开发相关资料，综合考虑开发周期以及对开发技术、资金的要求，结合设计特点确定合适的I/O从站设计方案。
（2）开发Profibus从站。介绍Profibus I/O节点的设计制作过程，包括接口电路的设计与验证，节点的总体设计与电路板的设计制作过程。
（3）Profibus从站的调试。包括测试系统的组建过程，系统组态以及对调试结果的分析。
2 Profibus-DP I/O节点设计及制作
2.1 从站方案的选定
常用的Profibus-DP从站设计方案包括使用Profibus通信专用ASIC（通信协议芯片和开发软件包）和应用总线桥两种。比较开发成本、开发时间以及Profibus技术要求后，确定应用总线桥开发Profibus。
2.2 Profibus总线桥的选定
目前市场上有几家代表性总线桥生产厂商，综合考虑价格、技术服务等因素，确定中国鼎实公司的OEM2嵌入式总线桥。基于该总线桥开发Profibus从站硬件原理框图如图2.1所示。
2.3 接口电路的设计与调试
输入信号分析：输入对象为传感器，为避免输入信号互相干扰，加入光隔器件确保输入准确性。
输出信号分析：输出信号控制对象是24V电磁阀，对驱动能力要求较高，加入三极管放大输出电流可以满足对驱动能力的要求；此外，为防止断电后24V感生电动势冲击输出回路，加入二极管起到保护作用。
输入/输出接口电路如图2.2和图2.3所示。
2.4 I/O节点的设计与制作
为满足实际需要，增强可靠性，I/O节点电路加入了一些外围电路和功能模块。为使电路运行稳定，加入复位电路，每次工作之前先将电路复位为初始状态；加入支持ISP功能的PHILIP P89V52RD2单片机工作系统，可进行在线编程，晶振频率为14.7456MHz；加入系统组态时必要的Profibus地址开关以及Profibus-DP和RS-232 D型9针插座；加入RS-232驱动芯片，可将单片机TTL电平转换为计算机RS-232标准电平；加入各种信号指示灯，能更直观判断电路工作状态，包括电路板CPU 与OEM2 卡串行通信指示灯，实验板CPU 发送、接收指示灯；24V/5V电源电路以及必要的电源插座、开关等。原理图绘制完毕图创建网络表，如图2.4所示，最终生成PCB图。根据PCB图制作的电路板如图2.5所示。
3 系统调试
3.1 调试方案的选定
Profibus-DP允许构成单主站系统和多主站系统，本设计选用单主站系统，即在总线系统操作阶段，只有一个活动的主站，以获得最短的总体循环时间。
主站有两种类型：1类主站即PLC做主站；2类主站即CP5611+PC机做主站。本设计选用PLC做主站，型号为CPU 315-2DP，不必专门购置CP5611主卡从而获得同样的调试效果。
3.2 调试系统的建立
最终，由型号为CPU315-2DP的PLC主站与应用OEM2总线桥开发的Profibus从站构成了完整的Profibus调试系统，如图3.1所示。
（1）硬件安装
以PC机作S7-300的编程器，将MPI编程电缆一端连接PC机串口，另一端连接CPU 315-2DP MPI接口。设置好开发板的从站地址，通过RS-485电缆与主站连接。
（2）系统组态信息的配置
以SIMATIC STEP7为组态软件，进入硬件配置（Hardware）界面，分别进行主站与从站的配置，设置各自参数并编译下载。
图3.1 Profibus调试系统结构图
3.3 系统连通及调试
配置完成后，CPU 315-2DP上的BUSF红灯灭，OEM2接口板上PBF红灯灭，证明系统成功连通。接下来建立梯形图或变量表，通过这两种不同调试方式观察Profibus系统I/O状态，做到输入与输出状态一一对应，以此判断系统通信正常。
4 结论
目前，市场上具备现场总线通信能力的设备越来越多，然而很多企业还有老旧设备仍在维持运行，传统控制方法对现场设备信号进行点对点固定采集，敷设大量线缆传输各种信号，维护成本高昂。PROFIBUS现场总线作为一种国际化开放式的总线标准，其优势在于采用任何急于PROFIBUS总线协议下开发的从站模块，均可实现设备总线通信能力，这对企业老旧设备技术改造具有重要借鉴意义和推广价值。
参考文献：
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].2 版.北京：清华大学出版社，2008：185-190.
[2]陈梅等.Profibus-DP单主站系统实时性研究.工矿自动化.2011，1（1）：64-67.
[3]PB-OEM2-SE产品手册.北京鼎实创新科技有限公司.2006.2.
论文作者:魏琦
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/7
标签：主站论文; 总线论文; 系统论文; 设备论文; 节点论文; 电路论文; 组态论文; 《基层建设》2016年6期论文;