西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8参数说明
一、现场总线技术的兴起和市场动力
七十年代,微处理器技术的进步以及“集中管理、分散控制”的风险控制策略促成了基于微处理器芯片的集散控制系统开始进入市场,也将用于控制器之间和控制器与上位机之间的数据通讯的计算机通讯网络技术引入了工业自动化领域。但此时由于各自动化厂商的控制系统自成一体,网络通讯只是其系统的内部功能之一,无需与外界进行数据交换。八十年代以后,随着微处理器芯片应用的不断渗透,“智能化”的传感器、开关、执行机构等工业现场控制器件不断涌现，但各厂商根据所生产的元器件的特点而开发的数据通讯协议也是五花八门、种类繁多,单个的元器件似乎充满了“智能”,但与控制系统集成时仍然只能沿用传统的电缆接线一对一接入I/O接口板,并不能真正体现其“智能化”的优点。要将这些众多不同厂商的“智能化”现场控制元器件集成为一个完全数字化的集散控制系统,公共开放的网络通讯协议标准就显得非常必要。在这一市场动力的推动下,各控制系统（包括PLC和DCS）的生产厂商基于其原先内部专用的网络通讯技术纷纷提出了各种各样开放程度不同的现场总线通讯协议标准,并随着技术的进步不断补充和完善。
二、现场总线技术标准化的现状
从上世纪八十年代开始,美国仪表协会（ISA）和国际电工委员会（IEC）即已设立专门的机构来研究和提出现场总线技术标准。由于种种原因,经过长达十多年的努力,终于在2000年颁布的IEC61158却是一份让所有自动化领域相关人员感到困惑和尴尬的标准,因为它包含八种互不兼容的总线协议。随着IT技术不断向工业领域渗透,以太网（Ethernet）作为新的现场总线技术让很多人充满了期望，但2003年第三版的lEC61158标准的颁布,在新版本中增加了三种基于以太网技术的新协议,将总线协议的标准增加到十一种,还有更多的基于以太网技术的新协议正积极努力加入到标准的协议集内。
三、现场总线技术标准化进程的分析思考
分析用户的需求，我们大致可以将用户对现场总线的技术要求和期望分为以下三个层次:
1） 智能元器件与控制器（站）之间的互连互通,主要目的是替代传统的I/O电缆。其要求是能传送传统的I/O数据,并附加传送一些智能元件特有的告警和故障诊断信息。
2） 在传送以上实时监控数据的基础,用户的要求是希望通过网络来进行集中的工程设计组态、程序动态修改下载以及元器件的远程诊断和校准等。
3） 在互连互通的基础上,用户希望能够在各种情况下“重构”系统,如在元器件损坏更换、系统改扩建以及系统升级或部分升级等情况下,要求能够无障碍地接入第三方的元件或新技术条件下的升级产品。
从以上用户的需求上可以看出,用户是希望通过现场总线技术,利用网络数据通讯的手段实现各种智能元器件与控制器（站）之间的“互连”、“互通”、“互换”,但并没有要求说所有这些功的必须在一个“单一”的统一网络来实现。正如在Internet网络上用户希望实现电子邮件、文件下载、网络浏览、网上游戏等服务,但这并没有要求Internet网络必须是一个“单一”的“同构”网络。
从通讯协议的构筑模型上看,目前几乎所有的通讯协议一般来说都是参照OSI的七层模型,但绝大多数协议都是从物理层开始“自底向上”自成一体地构筑一个“垂直一体化”的协议栈,使得八种标准协议之间在任何层次上都很难“互连”、“互通”,更谈不上“互换”功能。事实上制定OSI分层模型的目的是让涵盖不同技术元素不同发展变化速度的通讯实体分为相互独立的层次,以使各层次既能够相互结合成为一个端对端完整的协议栈,又能够相互独立发展而不互相制约。比如在我们熟悉的Internet网络协议簇中,因特网之能够如此成功,就是以TCP/IP协议栈为核心,对上可以服务众多不同的应用层协议（WWW、FTP、电子邮件等）,向下则可在众多不同的局域网（Ethernet、FDDI等）、广域网（拨号网络、X.25等）平台上实现。
从某种意义上来说,现场总线技术的标准化进程出现目前困境的原因很大程度上可能是当初一开始就将“单一的垂直一体化的同构网络”这一过于“理想”的期望设定为技术标准的目标,结果不但不能达到目的,反而适得其反,出现了“群雄纷争,互不兼容”的局面。
四、CIP协议架构的启发
CIP协议规范是叠加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet这三种完全不同的网络技术平台之上的“与网络硬件技术无关”的公共的“网络传输层、应用层、用户层”协议规范,也就是说它可以实现“异构网络”下的系统的“互连”、“互通”,直至“互换”功能。按照OSI七层通讯模型,CIP协议架构下的协议栈结构如下图所示。
由以上示意图可以看到,与其它现场总线技术通讯协议一个很大的不同就是有一个具有“网络传输层”功能的“CIP Messaging”协议规范。其中核心的部分就是将应用对象之间通讯关系抽象为“连接（Connection）”,并与之相应制定了应用对象的逻辑地址规范,从而使CIP协议可以不依赖于某一具体的网络硬件技术,而是用逻辑对象地址来定义“连接（Connection）”关系。
并将某一种具体的网络技术平台抽象为与网络接口相关的“物理链路对象（bbbb bbbbbb）”,这样使得CIP协议在不同的网络技术平台上具体实现时唯一需要的接口就是与该网络平台相对应的“物理链路对象（bbbb bbbbbb）”,如“DeviceNet bbbb bbbbbb”、“ControlNet bbbb bbbbbb”和“Ethernet bbbb bbbbbb”等等,而其上层的协议都可不受影响并保持一致,这也就为在跨平台的“异构网络”条件下实现系统的“互连”、“互通”,直至“互换”功能奠定了基础。
更与其它众多“自底向上”构筑“垂直一体化”通讯协议的现场总线技术不同,它不是根据物理层和数据链路层所能提供的通讯服务原语来定义“连接（Connection）”关系,而是“自顶向上”,根据来自“用户层和应用层”的用户和具体应用领域的实际数据通讯需求, 将“连接（Connection）”关系又细分定义为以下三种类型:
I/O Connection:主要是针对传送用于监视、控制等有一定的实时性要求的数据时的通讯关系,其中绝大部分应该是传送传统上用于实时监控的I/O数据,故以此命名。这种“连接（Connection）”关系的特点是必须预先通过配置工具逐一对与该“连接（Connection）”相关联的应用对象及整个数据链路上的各个节点进行配置和分配固定的资源后才能建立起来,其优势就是一旦建立起这一“连接（Connection）”,则所有加入这一通讯关系的应用对象之间已经对数据内容达成共识,所有传送数据均为“元数据”,无需对数据类型或数据本身作任何标识说明或功能描述,传输效率高,整个数据链路已预分配资源,传输可靠性也高,可以满足“实时”控制数据的传送要求。
Explicit Message Connection:主要是针对传送用于工程设计组态、集中管理维护、故障诊断调试等过程中所需传送的非实时信息。它通常是通过点对点的报文传送在两个应用对象之间以相互交互的方式传送,由于报文中的数据内容会随着双方的状态变化和交互过程而变化,报文本身必须携带对传送数据的类型标识和功能描述,将其命名为“显式报文连接（Explicit Message Connection）。这种“连接（Connection）”关系的特点是通讯双方的任何一方应用对象均可应自身的信息传送需求动态发起和建立这种“连接（Connection）”关系,是“点对点”的“双工”通讯模式,非常便于应用对象之间的“交互式对话”。通讯过程结束后即拆除“连接（Connection）”并回收资源,这一模式对“阵发式”信息类数据传送是非常合适的。
Bridged Connection:由于在任何一个较大规模的系统中都不可能或不会将所有的控制元器件集中在一个物理网段中,即一般都可能配置成多个网段互连,可能是“同构网段”,也可能是“异构网段”。而当若有数据需从某一个网段传送到另一网段时,不论是I/O数据还是Explicit Message,则其所要经过的跨网段的中间节点（Bridge）必须承担路由所需的“连接（Connection）”关系,实际上即是该节点必须在其内部分别创建与每个网段“bbbb bbbbbb”相应的“背靠背”的“连接（Connection）”对象。
纵观整个CIP协议规范,其中具特色的是其“Connection”这一抽象对象,以及非常符合“控制和信息”传送需求的“Connection”分类模型:“I/O Connection”、“Explicit Message Connection”、“Bridged Connection”。这使得CIP协议真正成为一个“与网络硬件无关的具有路由功能的跨网络的网络通讯协议”,也使得它成为在“异构网络”环境下实现系统的“互连”、“互通”,直至“互换”功能的核心技术规范。
五、结论
通过对目前各种现场总线技术通讯协议的研究分析认为，现场总线技术的标准不应该设定为一个从物理层/数据链路层直至应用层和用户层的“垂直一体化”的单一标准,而应该是按照技术元素发展变化的特点,分层次构筑各层次的既相互配合又相互独立的技术标准,这样既允许多种技术协议并存竞争,又能促进实现标准化进程的“互连”、“互通”,直至“互换”的目标。其核心部分或许可以放在与TCP/IP协议功能相当的“网络传输层”,CIP协议规范中“连接（Connection）”这一模型是一个很好的范例。
一、前言
AS-Interface总线技术是一种用单根电缆将传感器和执行器连接到控制器并传输数据、提供电源的智能网络，可用于较为恶劣的工业环境，能为较少I/O点的设备提高一种低成本的解决方案。在残极洗涤堆垛机组中，AS-Interface总线的许多优异特性和作用得到了充分发挥。
二、AS-Interface 总线技术特点
AS-Interface（Actuator-Sensor-Interface）是执行器－传感器－接口的缩写，ASI现场总线能够直接连接二进制执行器和传感器，形成自动化底层控制系统，是属于现场总线（FIELDBUS）下层设备层的监控网络系统。
AS-Interface总线体系为主从结构，AS-Interface主机和控制器（IPC、PLC、DC）总称为系统主站（MASTER）。从站（SLAVE）有两种，一种是带有AS-Interface通信芯片的智能传感器/执行器，另一种是分离型I/O 模块连接普通的传感器/执行器。主从站之间使用非屏蔽非绞接的两芯电缆，其中使用的标准AS-Interface扁平电缆使用专利的穿刺安装方法，连接简单可靠。在2芯电缆上除传输信号外，还传输网络电源。
AS-Interface总线系统是一个开放的系统，它通过主站中的网关可以和多种现场总线（如FF、Profibus、DeviceNet、Ethernet等）相连接。AS-Interface主站作为上层现场总线的一个节点，又可以完全分散地挂接一定量的AS-Interface从站。 AS-Interface总线系统的基本技术特性如下：
（1） 传输数据量：在一个周期内，每个从站与主站的数据交换程度为4个输入位和4个输出位；
（2） 传输介质：简单的非屏蔽2芯电缆或PEC导线，提供传送数据的并提供电源；
（3）通信周期：一个标准的ASI系统多有31个从站，轮询周期为5/10ms；一个扩展的ASI系统，多有62个从站轮询周期为10ms。
（4）网络拓扑结构：总线型、星型、树型等各种拓扑结构；
表一：连接从站
三、ASI传输机制
ASI的消耗调制采用交变脉冲调制方式（APM），是一种基频进行调制的串行通讯方式。
主站发出的请求信号经过编码转换为可以执行相位变换的位序列，从而产生了相应的传输电流。当传输电流通过电感元件时会产生电压突变，就产生了请求信号电压，每一个增加的电流产生一贯负电压脉冲，每一个减小的电流产生一贯正电压脉冲，通过这种方法得到请求信号。从站接受ASI电缆上的请求信号电压并转化为初始的位序列，就完成了一次主站向从站请求信号的转换过程。
四、残极洗涤堆垛机组的ASI系统构成
1、系统结构
系统结构上采用分布式控制，主控制器采用美国AB Controllogix-5000的大型PLC，向下以DEVICENET总线联接 DeviceNET/ AS-Interface网关，构成2条ASI总线ASI1.1和.ASI1.2，通过高度灵活分散的AS-Interface输入/输出模块将分布在现场的I/O接入到系统中，见图2。ASI总线网关和输入/输出模块以及电源都使用德国公司IFM爱福门公司产品。
2、系统功能
ASI总线通过各种模块连接现场设备，使残极洗涤堆垛机组具有操作设备功能，显示设备运行状态和故障报警，以及执行生产设备要求等功能。
数字量输入模块：按钮、传感器包括光电开关、接近开关、限位和光栅以及安全继电器等
数字量输出模块：指示灯和执行器包括继电器、电磁阀等
模拟量输入模块：液位、温度、压力等
五、结束语
ASI现场总线于1994年问世以前，每一个信号都需要通过一条独立的电缆并列布线的方式连接到送往高层控制器，这就在生产现场有大量的电缆，产生巨大的成本支出（电缆和布线成本），系统运行期间潜在的失效和停机事故的数量与接点的数量成正比。AS-Interface总线技术是用单根电缆将传感器和执行器连接到控制器，并传输数据，提供电源的智能网络，从而取代常规的高成本的并列布线，实现自动化站点的互连。
ASI现场总线具有自动分配地址的功能，当从站出现故障时，将新模块连接到ASI总线上后，其地址自动分配为故障从站的地址，这个功能有利于系统的维修和维护，方便快捷。
ASI现场总线的连接方式采用模块化技术，电缆采用绝缘穿刺技术连接，在实际安装中工作简单，不会出错。
关键词:现场总线; Profibus; 主站; 从站; 变频器
1 引言
现场总线技术的开发目标是打破 DCS系统孤立、开放程度低的现状 ,建立起不依赖任何厂商的开放式控制系统 ,并建立统一的工厂底层信息网络 ,任何遵守相同标准的不同厂家生产的设备均可与之连接 ,实现信息交换和互可操作 ,实现设备即插即用。现场总线作为一门新兴的控制技术 ,目前正处于发展阶段 ,技术还不成熟。当前在国际上有影响的现场总线标准很多（单是 1999 年 IEC 组织投票通过的现场总线IEC61158就有八九种） 。协议的不统一 ,给现场总线控制系统的集成带来了很大困难 ,无法实现互可替换和互可操作 ,并严重阻碍了现场总线控制系统的推广和应用。对此 ,本文针对不同厂商生产的现场总线设备 ,采用在国际上有很大影响力的 Profibus现场总线的相互连接和通信进行研究 , 并结合贵州水钢焦化厂鼓风机高压变频调速系统的项目介绍采用 Profibus - DP现场总线技术的变频器通讯原理及实现方法。
2 Profibus 通讯原理
2.1 总线拓扑结构
Profibus系统有 3 种总线拓扑结构: RS485、光纤和符合IEC1158- 2（Profibus - PA）的总线拓扑。DPΠFMS采用 RS485 连接 ,通信介质采用屏蔽双绞线或光缆 ,通信距离从 100～1200m,速率范围为96kbps～12Mbps。系统中大站点数为127个 ,当系统中需连接的站多于 时 使用中继器相连接。使用中继器可32 ,以实现树型和星型总线结构。 采用PA IEC1158 - 2连接技术。
2.2 通信实现原理
Profibus使用混合的总线存取控制机制来实现 Profibus通信 ,通信分主站和从站。主站间的通信采用逻辑令牌传递方式 ,拥有令牌的主站在确定的时间窗口内拥有总线控制权 ,决定系统的通信 ,它采用主 - 从原理以轮循方式与从站通信 ,采用循环或非循环报文实现主 - 主通信。系统可以配置为单主 -从、多主多从或前两者的混合系统。系统中相应地使用令牌总线程序和主 - 从完成数据通信。
（1）令牌总线程序 连接到 Profibus网络上的主站按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环。在逻辑令牌环中主站是一个接一个地排列的 ,控制令牌总按这个顺序从一个站传递到下一个站。令牌提供存取传输介质的权力 ,并用特殊的令牌帧在主站间传递。具有总线地址 HAS（高站地址）的站点例外 ,它只传递令牌给具有低总线地址的站点 ,以使逻辑令牌环闭合。在总线初始化和启动阶段 ,总线存取控制通过辨认主动节点来建立令牌环。为了管理控制令牌 ,MAC程序自动地判定总线上所有主动节点的地址 ,并将这些节点及它们的节点地址都记录在LAS（主动站表）中。对于令牌管理而言 ,使用了两个地址概念: PS节点（前一站）的地址 ,即下一站是从此站接收到令牌的;NS节点（下一站）的地址 ,即令牌传递给此站。在运行期间 ,为了从令牌环中去掉有故障的主动节点或增加新的主动节点到令牌环中而不影响总线上的数据通信 ,也需要LAS。
（2）主 - 从程序 在主 - 从系统中 ,主站与从站采用主 - 从程序实现通信。主 - 从系统允许主站当前有权发送、存取指定给它的从站设备 ,这些从站是被动节点。主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。典型的 Profibus - DP总线配置是以主- 从总线存取程序为基础的 ,DP主站循环地与 DP从站交换数据 。
3 通信互连设计
3.1 系统结构及设计
该系统以 Siemens公司和ABB公司的相关产品阐述全数字交流调速系统在 Profibus- DP网中的通讯及控制机理 。图 1 为Profibus- DP网的一种典型配置 ,本系统为主从、多厂商设备的DP通讯系统 ,从站设备有简单从站直至功能较强大的智能从站 ,如变频器、S7 - 200PLC,等 ,主站为 Siemens公司的 SIMATICS7- 315 - 2DP,带 CP5611 的 PC站可做二类 DP主站 ,用于编程、诊断等功能。交流变频器为 ACS627型 ,NPBA - 12为与之配套的通讯适配器 ,上位机中装有 STEP 7 软件 ,用于对 S7 - 300 PLC编程和对 Profibus- DP网进行组态和通讯设置。Profibus系统配置相当灵活 ,网络允许单子网或多子网配置 ,既允许单主 - 从系统运作 ,也允许多主站系统构成的多主 - 从系统运作。
（1）由 PC站、S7 - 300PLC、变频器和远程 IΠOS7 - 200组成的主 - 从系统 智能前端设备 ACS627 型变频器与 NPBA - 12 通讯适配器模块相连 ,接入 Profibus- DP网中作为从站 ,接受从主站SIMATIC S7 - 315 - 2DP来的控制。NPBA - 12 通讯适配器模块将从 Profibus- DP网中接收到的过程数据存入双向 RAM中 ,双向 RAM中的每一个字都被编址 ,在变频器端的双向 RAM可通过被编址参数排序 ,向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量 。
（2）远程 IOS7 - 200 作为简单从站也挂在主站 CPU315 -Π2DP上 ,完成高压开关部分的连锁控制。
（3）PC站作监控站 ,也作为二类主站 ,完成 S7 - 300 系统的组态、下载和诊断功能。现场过程对象的控制由 S7 -300PLC来完成。
3.2 通信编程
（1） 利用 GSD 文件完成开放式组态 设备数据库文件（GSD）描述了 Profibus设备的功能、特性及总线参数。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成到一个总线系统中 ,不同的厂商为其DP设备提供有相应的 DP网络配置及 GSD组态工具。
（2）编程实例 就该系统中 PLC（主站）与 ABB 变频器（从站）通讯来考虑 ,实质上是一个过程数据互连的问题。过程数据互连为连接设定值和控制位到 NPBA - 12 的双端口 RAM寄存器 ,包括设定值通道主站到变频器过程数据互连、变频器到实际值通道的过程数据互连和过程数据监视 。当所用的控制位及设定值、状态字和实际值被连接到双端口 RAM 时 ,被传送的过程数据才是有效的。在 S7 - 315 - 2DP与变频器通讯时 ,因为连接驱动装置从站的数据是一个整体 ,如果数据多于4个字节 ,它们会成为连续数据 ,而 S7系统中 ,数据类型大是双字（4 个字节） ,只有当它们被分开后才能被读出 ,需要在主程序中调用两个功能块 SFC14 和 SFC15 来读写这些数据 ,实现对变频器的通信控制。
主站S7 - 315 - 2DP和从站S7 - 200（CPU224）之间的 Profibus- DP通信通过 EM277模块将 S7 - 224作为DP从站连入网络来实现通信。主站 S7 - 315 - 2DP的网络配置使用 STEP7 - 5.1 来完成 ,从站 S7 - 200 的 DP 通信编程在软件 STEP7 Micro/WIN32V3.1完成 ,使用输入和输出缓冲区。该缓冲区驻留在 S7- 200的变量存储区（V存储区） ,要求参数赋值中必须包含V存储区的缓冲区的起始位置及输入输出的数据量 ,以确定缓冲区的大小 。
4 结论
从以上的讨论可知 ,Profibus - DP网只有三层结构 ,是一种低级的工业局域网 ,而使用了主 - 从方式的介质存取控制方式 ,使得该网的实时性远远高于其它局域网 ,特别适合用于工业现场。该网在本项目的运用中效果良好 ,从站 ABB 变频器、S7 - 200与主站 S7 - 300进行有效、可靠的信号传输。但在实际使用时 ,也存在一定的缺陷 ,如若向网中增加或删减站点时 ,就要重新初始化整个网络 ,并对各站重新排序 ,这一过程实现起来是比较麻烦的。但与以前的集散型控制技术 （DCS）相比 ,Profibus- DP网有着无可比拟的优点 。 ,在 DCS系统中 ,仪表是非智能化的设备 ,它只是简单地测量外部信息并转化成模拟信号进行传输.而 FCS系统则将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用 ,具有智能化的特点 ; ,将现场仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析 ,从而实现了“危险分散”,增加了整个系统的可靠性; ,采用了开放式的结构和统一的 ,网络可采用多种拓朴结构和不同厂家的硬软件和通信规程 ,即兼顾了产品的兼容性。后 ,Profibus- DP网络传输速度高、抗干扰能力强 ,是一种性能优良的现场总线控制网络。