西门子模块6ES7341-1AH02-0AE0性能参数
近年来，随着工厂自动化系统的兴起，可编程控制器(PLC)和现场总线在工业控制中得到了广泛的应用。在工厂自动化系统中，一般利用PLC的高可靠性、模块化结构以及编程简单等特点，将其作为下位机完成实时采集和控制任务；利用现场总线系统的开放性、互用性以及系统结构的高度分散性来构筑自动化领域的开放互连系统。控制系统中的主从站结构是经常用到的通讯方式，不过以往的从站只能单纯的靠主站中存储的程序来运行，主站若发生故障，从站就不能继续工作，这样就使整个系统的连续工作能力下降，不利于企业效益的增长。要解决这一问题，可换用带CPU的智能化DP从站，它不仅能实现独立的PID控制，也能接收PROFIBUS的PLC主站或PC主站的控制数据，构成一个数字化、智能双向、多点的通信系统现场总线网络，实现优控制，而且DP从站具有可靠性高、抗扰能力强、、维护方便的特点，因而可以很好的解决上述问题。
1 通讯结构
CPU315-2DP是西门子生产的S7系列产品，它的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口。AriCon 211-DP是北京金自天正智能控制股份有限公司(以下简称金自天正公司)的产品，它的CPU上也集成有PROFIBUS-DP通讯接口。整个的连接结构如图1所示。
图1 系统通信结构连接框图
MPI：MPI（Multi Point Interface）数据线用来连接PC机的串口和CPU315-2DP的通讯口。它是通过一个西门子生产的PC适配器把PC机的串口转化为MPI协议的。
RS232C：RS232C(RS表示Recommended Standard，C代表RS232新定义的一个型号)是目前PC机与通信工业中应用广泛的一种串行接口。它被定义为连接数据终端设备（DTE）和数据电路设备（DCE）的电缆中的信号电特性，是一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准，采取不平衡传输方式，即单端通讯。RS232C适用于近距离传输。连接方式如图2所示。
图2 RS232串行接口连接方式
PROFIBUS-DP（Process FieldBus）：采用RS485传输技术通讯，波特率可选9.6Kbps～12Mbps，电缆的大长度就取决于所选用的波特率。线路的两端带有终端传输电阻，介质为带屏蔽的双绞电缆。在这一级，PLC通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯。
2 硬件部分
2.1 CPU315-2 DP
其主存储器的大存储量为512KB，CPU能多处理82K语句，并提供大8192个标记，512个定时器和512个计数器。同时CPU可扩充到1024DI/DO或128AI/AO。它的强大功能也可用一个集成的PROFIBUS-DP接口达到，并可作为主设备或从设备设置。多可将125个PROFIBUS-DP站连接到主设备。数据传输率为12Mbps。分布式I/O以与中央I/O完全相同的方式(即用STEP 7)进行配置和编程。它的通信协议芯片SPC3集成了DP协议中的FDL层，可以承担通信部分的微处理器负载，实现DP从站通信处理。
2.2 AriCon 211-DP
可用符合IEC61131-3标准的AriOCS对其组态编程，具有高灵活性，可以连接32个功能模块（数字I/O、模拟I/O、脉冲计数、通讯等）。具有极快的扫描周期，可连接附加的外部存储器，无需MPI适配器。大传输率为12Mbps。组态好的数据要使用RS232C下装到模块的CPU中。
3 软件部分
由PROFIBUS总线构成的现场总线控制器的软件包括：PROFIBUS总线设备的配置软件、驱动软件、组态软件和应用程序等。它们具有以下功能：主站和远程从站的参数设定，主站对从站的数据读写、图形组态、数据库建立与维护、数据统计、报表打印、故障报警，应用程序的开发、调试、运行等。其中，配置软件和驱动软件由设备厂商提供，组态软件可采用STEP7等通用型软件。
本次实验所有的软件都基于Microsoft bbbbbbs NT系统，有良好的用户界面，其功能也都相当完善和实用，使用非常方便。
3.1 编程组态软件STEP7
STEP7是西门子开发的一套SIMATIC 工业软件。它功能非常强大，不仅对开关量有完善的指令，而且在处理模拟量时也有丰富的指令系统。可以使用任何一种编程语言，如STL（语句表）、FBD（功能块图）和LAD（梯形图），可随心所欲的从一种语言切换到另一种。硬件配置工具和试验工作方式的切换设备以及指令集（存有丰富的指令），即使是非常复杂的功能也能简便地编程。地址的分配和安装模块的组态是西门子STEP7管理器的一个功能，在这里，模块作为一个实际的PROFIBUS主站系统出现。完成的工程通过串口MPI传送给CPU。
3.2 组态软件AriOCS
AriOCS是金自天正公司开发的专用于IEC1131-3 AriCon CPU21x编程组态的软件，采用IEC标准规定的五种语言。它支持在线调试修改和离线仿真，调试功能非常丰富，具有在线帮助功能。另外，它还附带了一个参数配置软件WinNCS。
3.3 GSD文件
PROFIBUS设备具有不同的性能特征，主要表现在现有功能（即I/O信号的数量和诊断信息）的不同或可能的总线参数，例如波特率和时间的监控不同。这些参数对每种设备类型和每家生产厂来说均有差别，为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件（即GSD文件）。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在一个总线系统中。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。
4 操作过程
将所有设备按照图1所示顺序连接好。
PROFIBUS通信协议将网络中通讯参与者分为主站和从站：主站首先要向从站发送通讯请求指令，从站根据请求指令中指定的内容向主站发回数据。一个主站可以向多个从站发送通讯请求，并利用从站地址（SLAVE ADDRESS）或从站识别码（SLAVE ID）来区分。
智能从站与普通从站的大区别就是带有自己的CPU，因此，它除了处理来自主站的数据外，还要处理本身的I/O数据，并且必须确保两种数据不重叠。在给主站组态的同时，也要给从站组态。
主站的CPU必须从FFh到00h记数，并且要先把来自智能从站的数据传送到主站的输出模块，然后，主站再把自己的数据传送给智能从站。从站接收到的数据必须保存在CPU外围模块的输入区域，并且通过背板总线传送给输出模块。另一方面，智能从站要从00h到FFh记数。这些数据也必须被保存到从站CPU的输出区域，然后通过PROFIBUS传送到主站，主站再传给输出模块。以此做周期性循环。
这里对以下数据进行组态：
①主站：PROFIBUS地址 1
输入区域 从10开始 字节长度：2Byte
输出区域 从20开始 字节长度：4Byte
②智能从站：PROFIBUS地址 2
输入区域 从30开始 字节长度：4Byte
输出区域 从40开始 字节长度：2Byte
参数数据 从50开始 字节长度：24Byte(固定)
诊断数据 从60开始 字节长度：6Byte(固定)
状态数据 从100开始 字节长度：2Byte(固定)
组态好的PROFIBUS地址必须与CPU模块上拨码开关设定的地址一致。
输入输出区域中的数据是映射到对方CPU中的数据：主站的输入对应于从站的输出，它们的字节长度要相等；而主站的输出则对应于从站的输入，它们的字节长度也要相等。
用STEP7给主站CPU315-2 DP组态，组态好的数据通过MPI电缆下装到主站的CPU中。在STEP7中，为主站编程，梯形图如图3所示。
图3 主站编程梯形图
其中：M0.0为中间变量，Q1.0对应于主站所带的I/O模块地址，而Q20.0则为映射到智能从站的数据，它对应着智能从站的Q30.0。
智能从站的组态采用组态软件AriOCS，组态好的数据通过RS232C传送给AriCon 211-DP。在AriOCS中，为智能从站编程，梯形图如图4所示。
图4 从站编程梯形图
其中：I30.0为映射到主站的数据，而Q2.7则对应于智能从站所带的I/O模块地址。
PROFIBUS通信协议保障了通信的高可靠性，不过这要以硬件和软件设计为基础。在通信接口连接时，必须遵循一定的规范，如信号的隔离、总线接口与收发器间避免线路过长等。这样，主从站就可以实现数据的通讯了。
5 结语
本次实验主要是实现了PLC与智能从站之间的数据通讯。使用智能从站的大好处在于，当主站出现故障停止运行时，智能从站因自身带有CPU，组态的数据都存在自己的CPU中，所以能够继续运行，而不受主站的影响，极大的提高了系统连续工作的能力，该方法值得推广应用。密集采集执行流程：设置一个采集周期如1000ms。每当开始一个新采集周期时，重新计算采集通道的优先级别。遍历所有的通道，找出目前优先级高的通道，进行采集。对通道进行分块（块中包含需要刷新的通道）。进入通讯循环（某些设备进行一次采集至少需要两次通讯所以需要通讯循环）。发送数据请求并等待回应；根据返回的信息解析出结果，并作相应处理；判断是否需要下一次采集，如果不需要跳出循环；更新通道和采集标志；继续发送线程消息启动下一次采集直到一次通讯循环结束；直到遍历完所有需采集的通道。
按需采集执行流程：循环对每个通道进行采集，保存采集成功的值，并进行后续处理。定时采集执行流程由定时器触发，采集流程与密集采集一样，但在判断没有满足采集要求的通道不进行采集。
5.2 采集点分散的动态采集算法
在现有的数据交换过程中，用户关心的数据往往只占全部信息的很小一部分，而且这些采集点分散在海量的数据中，如果不加判断的依次读取数据，有效信息与采集信息的比例很低，实时性差；如果仅采集有效信息，分配的采集粒度过小，又会造成系统效率低下，信道利用率差。针对这一问题，采取以下的解决方法：
（1）只采集用户关心的数据。如当有多个通道时，只传送当前用户只关心的通道的数据，而不关心其它的通道。保证采集尽量少的通道，为每个需要采集的通道提供更快的采集周期。从而减少通讯量。
（2）对于待采集的数据分配不同的优先级，对实时性要求高的部分数据优先采集。可以根据用户设置的数据刷新时间来改变其优先级。
（3）实现一个动态分块算法，在一个合理的粒度上对采集的信息分块传输，兼顾信道利用率与有效信息获取的实时性；实现的分块算法简述如下：在采集时判断，如果当前采集的寄存器类的激活通道可以组成一个数据请求包，则进行处理，提高一次采集的通道数。根据开发人员定义的通道优先级，找出优先级高的通道地址附近的地址连续（或紧密）的通道，这些通道形成一个通道块。重复同样的过程，将剩下的通道继续分块，直到形成的块数大于某一规定的数值比如20 或将本寄存器的所有通道分配完成。
（4）根据通讯协议的特点，在打包数据请求时尽量保证包含更多的请求，从而减少请求的总次数
一个集成控制系统，它的功能的体现取决于如何有效地组合该集成控制系统内的各个元件，取决于如何使各个元件能够协调地工作。罗克韦尔自动化意识到了这一点，意识到有效地组合各元件可以通过构成一个结构开放的网络来实现，而使各个元件协调工作则需要使各元件间通信方便，使各元件间能有效地交换各种数据。因此，网络和通信便是一个自动化系统能否发挥其功能的重要因素。罗克韦尔自动化提供了从按钮到可编程序控制器、从传感器到软件、从变频器到信息显示等一系列产品，由此所组成的自动化控制网络正发挥着重要的作用。
一、目前的网络结构及其通信
一个完整的自动化系统其控制可分为3个层次：
1、信息层
这是整个自动化网络的高层，也是对现场采集到的数据和信息进行处理和管理的一层。
2、控制层 这是操作所在的一层，它将处理器与处理器之间的信息交流、将处理器与输入/输出接口之间的信息交流集成在这一层。
3、设备层 这是面向现场设备的一层，也是整个自动化网络的低层，它可以将操作信息送到现场设备，也可以将现场设备的情况反馈到操作者。
相应地，罗克韦尔自动化A-B推出了由以太网、控制网和设备网所组成的开放型网络，如图1示。其中，以太网是以TCP/IP（传输控制协议/网际协议）作为其传输协议的开放型的网络信息层；控制网是一个开放型的现代化的控制网络，可以提供可编程序控制器、输入/输出机架、个人计算机、第三方软硬件以及相关输入/输出设备间的实时通信；设备网是一个开放型的全球化的工业标准通信网络，无需中间的输入/输出系统就可以将现场设备和可编程序控制器直接相连。 
图1 设备网网络的典型结构
设备网（DeviceNetTM）
采用设备网，只需通过一根电缆就能够将可编程序控制器直接连接到智能化设备，如传感器、按钮、马达起动器、变频器、简单的操作员接口等，省却了可编程序控制器与输入/输出网络的通信、输入/输出网络与现场设备的硬连线。正是由于设备网可以省却输入/输出网络的这一特点，它才可以使产品集成变得容易，使产品安装和连线费用降低。同时，通过采用全新的生产者/客户（producer/consumer）通信模式，又为设备网提供了强有力的故障诊断和故障查询能力。采用设备网扫描器（1771-SDN、1747-SDN），PLC、SLC500系列可编程序控制器可以连接到设备网，一方面实现了可编程序控制器到现场设备的直接通信，另一方面又可以将设备网和用户现有的AB系统集成在一起。采用1784-PCD、1770-KFD、1770-KFDG等插卡，还可以将个人计算机、工作站、笔记本电脑等接入设备网，从而可以直接在计算机上对现场设备的操作进行编程，如变频器的加速速率和减速速率。此外，设备网不仅可提供大量的数字量I/O接口，而且可以通过FF（Foundation Fieldbus）现场总线提供大量的模拟量I/O接口，因而许多应用场合都可以采用设备网来作为其解决方案。
设备网网络的典型结构，如图1所示。
控制网（ControlNetTM）
采用生产者/客户（producer/consumer）通信模式，控制网结合了输入/输出网络和点对点信息网络的功能，既可以满足对时间苛求的控制数据传输（如I/O刷新、控制器到控制器的互锁）的需要，又可以满足对时间非苛求的数据传输（如程序上载、下载、信息传送）的需要。控制网适用于实时、高信息吞吐量的应用场合，它的数据传输速率高达5M Bps。因为它的这种高速率，控制网可以支持高度分布式的自动化系统，特别是那些具有高速数字量I/O和大量模拟量I/O的系统。I/O机架和其它设备可以安放在离可编程序控制器几百米远的地方，或者，对于分布式控制系统来说，可以就将可编程序控制器放置在I/O机架中，这样，PLC可以在监视其驻留本地I/O的同时通过控制网与上一级管理控制器进行通信。
控制网能够处理在一根电缆上的所有控制数据：点对点信息传送、远程编程、故障查询、I/O刷新和PLC处理器之间的信息互锁。通过采用专利性的介质存取方法，对时间苛求的数据的传输总是拥有比对时间非苛求的数据的传输更高的优先权，因而I/O刷新和PLC之间的互锁永远比程序上载、下载和一般信息传输更为优先，这使得控制网上的数据传输具有确定性和可重复性。AB公司提供了内置控制网扫描器的C系列PLC处理器、I/O机架控制网适配器（1771-ACN、1771-ACNR、1794-ACN）、个人计算机的控制网插卡（1770-KFC、1770-KFCD、1784-KTC、1784-KTCX）等产品，使得控制网安装方便、成本低、效率高。典型的控制网网络结构,如图2示。 
图2 控制网网络的典型结构
以太网（EtherNet）
以太网以TCP/IP作为其传输协议，是一个开放型的信息网络。AB提供了具有内置以太网通信能力的PLC-5 E系列处理器和SLC 5/05处理器，并提供了以太网接口模块（1785-ENET），使PLC-5其它系列的处理器通过即插方式也能够与以太网相连。这些以太网可编程序控制器模块可以无需特殊硬件而连接到以太网上。并且，用户可以在装有以太网网卡的个人计算机上借助RSLinx软件，通过使用罗克韦尔A.I.或RSLogix5、RSLogix500系列编程软件在线修改各处理器的数据表文件和程序文件。同时，使用标准PLC-5处理器的信息传送指令，可以在以太网处理器之间实现点对点通信。因此，通过使用RSViewTM、RSLinx以及其它罗克韦尔软件，具有以太网网卡的工作站能够通过以太网网络来监控采集数据。
图3为以太网网络连接示意图。 
图3 以太网网络连接示意图
二、其它的网络及其通信
除了上面介绍的开放型的设备网、控制网和以太网之外，AB的通用远程I/O链路（相应于设备网）和DH+（增强型数据高速公路）网络（相应于控制网）已经为成千上万的用户所使用和熟悉。
它们的网络连接示意图，如图4、5示。
图4 通用远程输入/输出链路连接示意图 
图5 增强型数据高速公路网络连接示意图
1、通用远程输入/输出链路（RIO）
采用RIO，可以将远程I/O机架和其它的智能化设备如操作员接口和交、直流变频器连接到可编程序控制器，I/O机架和其它设备可以安装到远离SLC或PLC处理器10,000英尺（3048米）的地方。这是一个通用的I/O链路，它与AB的各种I/O产品和各个系列的可编程序控制器相兼容。
可编程序控制器通过处理器内置的通信口（如PLC-5处理器）或独立的扫描器模块（如SLC处理器和1747-SD扫描器模块）对RIO进行存取。I/O产品在链路上与扫描器或RIO通信口之间的通信是通过独立的适配器模块（如1771—ASB、1747—ASB、1794—ASB）或内置的适配器（如1791 Block I/O组件）进行的。如果需要对高速过程进行控制，则可以采用扩展本地I/O链路，使未放置在处理器机架上的I/O模块也能具有处理器驻留本地机架I/O的性能，从而满足应用要求。一个RIO链路多可以连接32个I/O机架或其它适配器方式的设备。
2、增强型数据高速公路（DH+网） DH+网是世界上广泛使用的工业局域网之一，它是早为可编程序控制器提供远程编程支持的控制网络。它可以在可编程序控制器（PLC-5、PLC-3、SLC 5/04）、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有RS-232-C/RS-422接口的设备之间提供点对点通信。
一个DH+网络多可以连接99个DH+链路，每个DH+链路多可以连接64个节点（智能化设备）。它采用双绞线或屏蔽同轴电缆连接，每个链路的传输速率为57.6K Bps，传输距离可达10,000英尺（3048米）。DH+网络支持从远程链路进行组态、编程以及故障查询，因此，用户可以在一台个人计算机上通过DH+网络对所有链路上的可编程序控制器进行编程。
用户也可以使用SLC和MicroLogix控制器的DH-485网对DH+网络的功能进行补充。采用SLC 5/04处理器或DH+/DH-485适配器模块（1785-KA5模块），可以将DH-485网络和DH+网络连接起来，这样，DH-485网上的SLC控制器和MicroLogix控制器与DH+网上的PLC处理器和其它自动化设备之间就能够实现信息共享。
除了以上所介绍到的各种网络，AB的可编程序控制器往往还内置有RS-232口，可以提供处理器与其它设备间的串行通信。 三、通信产品
罗克韦尔的各种通信产品提供了设备网网络（RIO链路）、控制网网络（DH+网）以及以太网网络之间的联系，这对于通信结构体系来说是非常有帮助的。
除了在前面介绍到的适配器、网络接口模块、插卡之外，罗克韦尔的硬件通信产品还有ControlLogix网关（1756系列）和以太网到DH+网网关（5820―GW4、5820―GW8），前者提供在以太网、控制网和DH+网网络之间的网桥和路由，如图3示，后者提供一个DH+网站与以太网之间的网桥和路由。
