燕山大学工学硕士学位论文
第4章 加热炉炉温 PLC软硬件设计
4.1 控制部分的硬件组态
4.1.1 主站组态
PC、CPU315-2DP与变频器的PROFIBUS连接如图4.1所示。其中主站为S7-300CPU315-2DP PLC，从站为MasterDrives CUVC变频器+CBP2通信模板，编程装置为Pc+STEP 7 V5．4+MPI接口(MPI Adapter或CP5611卡)。装有STEP 7 V5．4的PC用于S7 CPU315—2DP的硬件组态与编程，通过MPI电缆与CPU315—2DP的MPI接口连接，用于硬件组态数据及程序的下载。CPU315-2DP的DP接口通过PROBIBUS电缆与CUVC变频器的CBP2上的DP接口连接，用于S7-300 PCL与变频器的通信[39][40]。
图4.1 炉温控制系统 PLC 硬件主站组态
在S7 200系列P1．C的CPU中，CPU22X都可以通过增加EM277 PROFIBUS DP扩展模块的方法支持PROFIBUS DP网络协议。最高传输速率可达1 2Mbps。采用PROFIBUS的系统，对于不同厂家所生产的设备不需要对接口进行特别的处理和转换，就可以通信。PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成，主站能够控制总线，当主站获得总线控制权后，可以主动发送信息。从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。它们可以接收信号并给予响应，但没有控制总线的权力。当主站发出请求时，从站回送给主站相应的信息。PROFIBUS除了支持主从模式，还支持多主一多从的模式。对于多主站的模式，在主站之问按令牌传递顺序决定对总线的控制权。取得控制权的主站，可以向从站发送、获取信息，实现点对点的通信[41]。
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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计
PROFIBUS由三个相互兼容的部分组成．即PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。①PROFIBUS-DP(Distributed Periphery，分布I/O系统)。PROFIBUS-DP是一种优化模板，是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通信的最佳方案，每秒可传输12M位。扫描1000个I/O点的时间少于1ms。它可以用于设备级的高速数据传输，远程I/O系统尤为适用。位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUS DP同分散的现场设备进行通信。②PROFIBUS—PA(Process Automation，过程自动化)。PROFIBUS-PA主要用于过程自动化的信号采集及控制，它是专为过程自动化所没计的协议，可用于安全性要求较高的场合及总线集中供电的站点。③PROFIBUS—FMS(Fieldbus Message Specification，现场总线信息规范)。FMS是为现场的通用通信功能所设计，主要用于非控制信息的传输，传输速度中等，可以用于车间级监控网络。FMS提供了大量的通信服务，用以完成以中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间，应用过程中通常要求的是随机的信息交换，如改变设定参数。FMS服务向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，通常用于大范围、复杂的通信系统。
PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础。第一层为物理层，定义了物理的传输特性；第二层为数据链路层；第三～六层PROFIBUS未使用；第七层为应用层，定义了应用的功能。PROFIBUS—DP是高效、快速的通信协议，它使用了第一层、第二层及用户接口，第三～七层未使用。这样简化了的结构确保了DP高速的数据传输。 PROFIBUS对于不同的传输技术定义了唯一的介质存取协议。①RS-485。RS-485是PROFIBUS使用最频繁的传输技术，具体论述参见前面有关章节。②IECll58-2。根据IECll58-2在过程自动化中使用固定波特率31.25Kbps的同步传输，它可以满足化工和石化工业对安全的要求，采用双线技术通过总线供电，这样PROFIBUS就可以用于危险区域了[42]。③光纤。在电磁干扰强度很高的环境和高速、远距离传输数据时，PROFIBUS可使用光纤传输技术。使用光纤传输的PROFIBUS总线段可以设计成星形或环形结构。现在在市面上已经有RS-485传输链接与光纤传输链接之间的耦合器，这样就实现了系统内RS-485和光纤传输之间的转换。
以太无源光网络 (Ethernet Passive Optical Network，EPON) 是一种与被动光纤网路架构相似的技术，它可以利用以太网路的封包 (Ethernet Packet) 在存取
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网路上同时实现并支援多样化的服务[43]。 除了 EPON 外，还有另一种 PON 技术也被全球的电信业者与网际网路服务提供者 (ISPs) 广为使用，这种技术为 GPON (Gigabit Passive Optical Network)。它能提供 Gigabit 等级的频宽给网路终端的使用者，它也是基于被动式光纤网路 (PON) 技术下的另一种先进网路技术。GPON 与 EPON 最大的不同点在于，EPON 是将网路上的资讯包装成 Ethernet格式的封包，再透过 TCP/IP 的通讯协定来传输，而 GPON 则是以 ATM 的 Cell 封包格式来传输，如果以网路效能的观点来比较，GPON 的效能会比 EPON 来得好。就 ATM Cell 封包与 Ethernet 封包的 overhead 来作比较，ATM Cell 封包在相比之下会比 Ethernet 来得小。但是，GPON 网路的建置成本会比 EPON 来的高，如同我们在之前章节所提到的，目前全世界超过百分之七十的网路是建置于以太网路的基础上，若是利用 EPON 的架构，可以很轻易地与现有的以太网路作结合，不但可以节省系统建置时间，在成本上也可以获得很大的提升[44]。
在EPON 的实体层中，EPON 使用1000-BASE 以太的PHY，同时拥有一些新的 MAC 控制指令集可以去管理、控制和作最佳化的设定。IEEE 802.11ah 规范制定了一些控制命令集去管理、控制和最佳化 ONU 与 OLT 之间即时 TMD 的资讯传输和彼此间的大量通讯。根据规范中对于 Layer 2 的一些叙述， 很清楚的说明了 EPON 使用了如全双工和以太这种很成熟的机制去掌控 TDM 的传输，由于 ONU 会在自己所分配到的时间间隔中传送资料封包，所以碰撞的问题并不会发生，那就是为什么我们不需要去建制像 CDMA/CD 那样的机制去避免这个问题。除此之外，频宽的使用率也可以达到满载。此外， EPON 本身的 MAC layer 可以提供802.1p 的机制进而达成Quality of Service (QoS) 的服务，就如同 APON 一样。IEEE 802.3ah 的标准规范提出一种叫Multi-Point Control Protocal (MPCP) 的机制，此机制主要是为了解决 EPON 中频宽分配的问题， MPCP 通讯协订会根据GATE和REPORT信息去分配或管理传输所需要的时间间隔[46]。OLT 会传送GATE message 给ONU，通知ONU 会分配那一个时间间隔给它使用。REPORT message 包含很多的资讯如频宽的需求、缓冲暂存区的容量大小、时间间隔等等协助OLT 聪明地去分配频宽给 ONU。GATE 和REPORT 的功能被明文的定义在MAC control sublayer 中。802.1p 和 802.1q 对 EPON 来说是两个很重要的标准规范，EPON 对于优先权的控制是根据 802.1p 的规范来定义的，IEEE802.1p 利用Layer 2 交换的功能可以对流量的优先顺序及动态多点广播过滤作有效的管理。优先顺序排程是在MAC 层的framing layer 下运作的，802.1p 同
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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计
时也提供多点广播流量过濾的防护机制确保这些广播资料流不会扩散到 Layer 2 的交换网路层无法处理的地步。IEEE 802.1p 是由IEEE 802.1q (VLANs tagging) 所延伸出来的一个规范，这兩种规范在EPON 中是同时运行的，802.1q 规范特别指名出802.1q 是附加在Ethernet MAC 的 frame 上，VLAN 的标签包含了VLAN ID (12-bit) 和 Prioritization (3-bit) 两部份。Prioritization 的栏位使用802.1q VLAN 的标准，而prioritization 栏位是用802.1p的规范所定义出来的。 OLT 会在每一个资料流上加上一个优先权的标签 (priority tag)，这个标签会标示出各个不同资料流本身所拥有的不同优先顺序，假设在OLT 端或是ONU 端的网路交通非常的繁忙，则拥有较高优先权的资料流会被优先传送并保证高优先权的资料流能被优先的处理
[47]
。
4.1.2 从站组态
将自动化任务划分为用多台PLC控制的若干个子任务，这些子任务分别采用不同的CPU独立有效地进行处理，处理子任务的这些CPU在DP网络中作为DP主站的智能从站。DP主站直接访问“标准”的DP从站(例如紧凑型DP从站ET 200B和模块式DP从站ET 200M)的分布式输入/输出地址区[48]。
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燕山大学工学硕士学位论文 图4.2 从站硬件组态
DP主站不是直接访问智能DP从站的输入/输出地址区，而是访问I从站CPU专门用于通信的输入/输出映像区，由智能从站的CPU处理该地址区与实际的输入/输出之间的数据交换。I从站的输入/输出映像区必须用STEP 7组态软件HW Config来定义。组态时，用于主站和从站之间交换数据而指定的输人/输出映像区不能占据I/O模块的物理地址区。主站与从站之间的数据交换是由PLC的操作系统周期性自动完成的，不需要用户编程，但是用户必须对主站和智能从站之间的通信连接和数据交换区组态。这种通信方式称为主从(Master Slave)方式，简称为MS方式。
温度传感器 STH11 测量子程序 SHTOWN：CLR EA
SETB SHTSCK ；启动传输时序 CLR SDATA ；DATA 下降沿启动传输 NOP
CLR SHTSCK NOP
SETB SHTSCK NOP
SETB SDATA ；DATA 上升沿启动结束 NOP
CLR SHTSCK ；SCK=0，准备传输命令 MOV A ， SHTWD ；发送测试温度/湿度命令 MOV R5 ， #8 WRITE8：RLC A
MOV SDATA， C ；移出一位，先高位，后低位 NOP
SETB SHTSCK ；时钟上升沿有效，写入一位数据 NOP
CLR SHTSCK DJNZ R5 ， WRITE8
SETB SDATA ；MCU 释放 DATA 总线，等待 SHT 应答
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