基于PROFIBUS清花工序纺织设备数据采集系统方案

. . 轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目基于PROFIBUS的清花工序纺织设备数据采集系统学生专业班级 电气工程与其自动化07-2班 学 号院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 完成时间 2011年06月05日轻工业学院电气信息工程学院本科毕业设计任务书题目基于PROFIBUS的清花工序纺织设备数据采集系统专业电气工程与其自动化 学号主要容、基本要求、主要参考资料等：一、主要工作容1. 深入学习PLC与总线技术的基础知识和应用为完成设计奠定基础。2. 了解有关纺织设备数据采集系统的发展，完成数据采集系统的设计。3. 根据要求，完成系统中相应程序的编写与调试。4. 进行系统的调试并撰写毕业论文。二、基本要求1. 翻译与设计有关的英文资料3000字以上。2. 查阅与课题有关的资料，完成设计方案，方案应具有实用性和经济性；编写3000字以上文献综述一份；写出开题报告。3. 进行系统的硬件设计和软件设计。4. 在系统设计的基础上撰写毕业论文。三、主要参考资料1王永华,A.Verwer.现场总线技术与应用教程M.:机械工业,2006,12.2益霖.西门子S7-300PLC应用技术M.:电子工业,2007.3边春元,任双艳,满永奎等.S7-300/400PLC使用开发指南M.:机械工业,2007.完 成 期 限：2011.03 2011.06指导教师签名：专业负责人签名：2011 年3月1日目录摘要ABSTRACT1 绪论11.1 课题的研究背景11.1.1 国外纺织厂信息集成技术的现状11.1.2 纺织行业对信息集成技术的要求11.1.3 总线技术在纺织信息采集中的应用21.2 课题研究的目的和意义31.3 课题研究的主要容32 系统总体方案设计42.1 清花工序的介绍42.2 宏业纺织厂的设备现状42.3 基于总线技术对清花工序中主要设备参数的采集42.3.1 清花工序总体技术方案设计42.3.2 清花工序网络配置的具体方案52.3.3 系统网络结构的设计63 系统主要硬件的介绍83.1 EM277 PROFIBUSDP模块83.1.1 EM277的介绍83.1.2 EM277在数据采集中的作用93.2 RS485/DP模块103.2.1 RS485/DP模块的介绍103.2.2 RS485/DP模块在数据采集中的作用123.3 中继器133.3.1 中继器的介绍133.3.2 中继器在信号传递中的作用154 软件设计164.1 运用STEP7对整个系统硬件进行组态164.2 EM277与S7-300PLC通信程序的设计204.3 RS485/DP模块与S7-300PLC通信程序的设计204.4 系统信息采集程序的设计225 上位机系统275.1 上位机监控功能和智能管理功能的介绍275.2 主要画面的介绍276 结论与展望296.1 全文总结296.2 纺织信息采集系统的进一步发展29致30参考文献31附录3237 / 44基于PROFIBUS的纺织设备数据采集系统摘要目前，在纺织生产过程中，设备的单机控制、传统的生产和管理方法等还在广泛使用，这大大制约着纺织企业信息化管理的发展。本课题把现场总线技术应用在传统的纺织生产过程中，完成海量数据的实时采集和处理，全面提高了工厂的生产效率和管理效能，使传统产业实现了较好的生产管理的信息化。本系统关键问题是解决单个设备的联网问题，对于采用S7-200 PLC控制的设备，可运用EM277 PROFIBUS DP扩展模块，将其作为从站连接到DP网络中；配置RS-485通讯接口的控制设备，则选择使用RS485/DP协议转换模块连接到DP网络中。最后由DP主站通过以太网通讯模块（CP343-1）连接到以太网。上位机系统主要用于监控和智能管理，其图形界面按照生产线工艺流程布置，具有生产线关键设备运行状态显示、工艺参数和设备参数的实时显示；重要参数的设定值、实际值实时显示等功能。关键词数据采集系统PROFIBUS总线技术纺织设备工业以太网技术PROFIBUS-BASEDDATAACQUISITIONSYSTEMOF TEXTILE EQUIPMENTSABSTRACTAt present, in the process of domestic textile production, equipments with individual control system, traditional method of production and management are widely adopting, which greatly restricted the development of textile enterprisesinformation management. In the system, fieldbus has been used in the traditional textile production, the mass data has been acquisition and disposedreal-timely, the factorys production efficiency and the management performancehave enhanced comprehensively, a better management of information technology will be achieved in the traditional industry.The key issue to this system is a single device networking. S7-200 PLC for the use of control equipmentsas a DP slave connected to the network, with using the EM277 PROFIBUS DP expansion module; To RS-485 communication interface configuration of control devices, Choosing to use RS485/DP protocol conversion module connected to the DP network. At last, by the DP master via Ethernet communication module (CP343-1) connected to the Ethernet.Superior machine system is mainly used for monitoring and intelligent management,and its graphical interface layout according to the production line process, with a production line operating status display of key equipment, process parameters and equipment parameters in real time display;important parameter settings, the actual value of the real-time display and so on.KEY WORDSDataacquisition systemPROFIBUStechnologyTextile equipmentsIndustry Ethernet1绪论1.1课题的研究背景1.1.1国外纺织厂信息集成技术的现状我国纺织工业是一种粗放型经营方式，高水平的生产能力不足，而低水平的生产能力过剩。目前处于生产状态的设备有25%属于即将被淘汰的落后设备，而先进的设备严重不足。以自动络筒机为例，现在世界上平均比重已达到24%以上，发达国家已超过了80%，而我国只有5%1-2。随着全球经济一体化的发展，我国纺织行业这种劳动密集型的生产已经不能适应国际竞争，主要体现在以下几个方面：（1）现场设备分散，缺少整体网络的控制。（2）生产者和管理者之间没有建立有效的连接导致资源优化调度不能顺利进行。（3）落后的设备，强大的劳动强度，市场竞争中处于劣势。将信息技术与企业的管理、业务、生产、发展过程紧密结合起来，增强纺织企业竞争力，无论是ERP还是FCS、DCS，都是实现企业信息化的一种手段，都代表着一种先进的自动化方案与管理理念。确保它们的成功实施，就需要企业拥有最基本的生产自动化系统，亦需要企业改革现有的阻碍发展的管理理念。在国外，由于机电一体化程度比较高，在纺、织、络筒等棉纺生产的工序中，基本都已经拥有信息集成系统，实现了对实时生产过程的控制，相继出现了一批所谓的“无人纺织厂”。在生产过程中可实现数据管理、人机对话等自控功能，多生产机台的集中控制很容易实施3-4。1.1.2纺织行业对信息集成技术的要求纺织行业属于典型的制造业之一，面对变幻莫测，动态多变的全球市场竞争，企业如何以最快的时间（T）、最低的生产成本（C）、最优（Q）的产品、最佳的生产环境（E）、最好的服务（S）来赢得市场，是企业成功的关键，是现代企业的立足之本5。在这种大的背景下，新的制造理念层出不穷，如虚拟制造、敏捷制造、精益生产等，无论这些侧重点在哪里，都在于尽可能的提高制造系统响应市场和客户的快速性，以谋得敏捷6。“敏捷”主要是表现在跟踪变化和响应时间的快速方面，生产指挥人员、企业决策者不仅关心在一个时间段任务的具体安排，同时还要关心设备负荷、纺织制品状态、实时任务以与物料状态等，所以“以时间为关键的制造”越来越为企业所重视。其核心是利用各种实时信息对计划进行与时的调整和调度，由于制造车间不仅是大量制造实时信息的集散地，即生产计划的具体执行者，更是制造信息的反馈者，所以制造车间对整个制造系统的敏捷性会产生很大程度上的影响。新一代车间管理系统要想实现有效的企业集成，就必须具有良好的集散性、自治性和开放性以与敏捷性等特点。信息集成系统作为车间管理控制系统的重要组成部分，当然也应该具有“敏捷性”。先进制造系统正朝着集成和智能化方向发展，向深度和广度不断迈进，其核心是信息的获取、处理、传输、利用等信息化工作，信息集成系统也必须具有这种大的趋势，适应先进制造系统的发展要求，主要体现在其分散性、自治性、网络化、可塑性、可靠性等特点7-8。1.1.3总线技术在纺织信息采集中的应用随着近几年纺织行业的蓬勃发展，企业信息化应用水平不断提高，纺织生产线已要现企业计划层与车间执行层的双向信息流交互，通过信息集成、过程监控与资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，提高企业敏捷性管理能力。基于现场总线技术和工业以太网技术基础上的全数字工业网络控制系统已成为电气自动控制系统结构发展的必然趋势。现场总线控制系统把控制技术、计算机技术和先进的网络通信技术结合起来，是当前制造业自动化领域广泛采用的一种最先进、低成本和最可靠的控制技术，已成为当今工业自动化领域的主流应用技术。从结构上来讲，现场总线具有基础性、灵活性和分散性等特点；从技术上来讲，现场总线具有开放性、交互性、自治性和适应性等特点9。现场总线的使用为工业自动化领域带来了革命性的变化，它的主要优点体现在节约硬件数量与投资，节省安装和维护费用，提高系统的控制精度和可靠性，提高用户的自主选择权等优点。现场总线技术主要应用于进行过程数据采集，进行直接的数字控制，进行设备和系统的监测和诊断，实施安全性和冗余等方面。纺织行业是典型的制造业，其特点是设备数量多，分布区域大，信号类型复杂。由于现场总线技术适应了现代纺织工业的高质量、低成本、大批量、快速响应、高效低耗、清洁生产的需要，目前它在纺织控制系统中已得到广泛的应用。尤其对被控纺织设备中的每个过程和状态信息进行实时采集，获得所有设备监测、过程控制、状态检测的现场信息的应用更能显示出其优越性。1.2课题研究的目的和意义网络信息化技术极提高了劳动生产率和工作效率，作为全球正面临着的一场新技术革命，普遍应用于纺织产品研发过程、生产过程、管理过程和营销过程中，为纺织工业在新世纪全面进入数字化阶段提供了重要条件。采用最新的现场总线技术，促进纺织企业的发展已成为当今世界的潮流。由于制造业设备的更新周期比较长，短时间将旧的生产设备全部更换成全新设备是企业所不愿采用的。但是通过组建纺织生产过程中的信息采集与处理系统，也能够全面提高工厂的生产效率。与传统的纺织工艺过程相比，在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面，都具有无法比拟的优势。具体表现在：在没有联网的纺织生产过程中，现场设备的运行情况只能靠工人24小时值班看守，劳动强度大，并且如果出现故障，由于现场工人的使用经验差异，做出的判断也会有较大的差异。运用了总线技术对信息进行采集，在控制室就可以监控到每台设备的运行情况，并由专业人员做出相对准确的判断；缩短了操作时间，并增强了控制的直观性、科学性和准确性；减轻了设备因不合理运行带来的过度机械磨损，延长了设备的使用寿命；并且系统具有较为完善的故障判断、报警功能，从而也降低了系统维护的设备成本与人工成本。它的大力推广将取得良好的经济效益与社会效益。追求高度智能化、系、标准化，是未来纺织生产工艺要求的必然趋势。信息集成系统综合了信息采集、信息处理和控制为一体的管理信息系统，代表了现代工业自动化控制技术的高新水平与发展方向。1.3课题研究的主要容（1）本课题针对宏业纺织厂的现状，既有国外进口的最先进的设备，也有落后的旧设备，依靠先进的PROFIBUS总线技术将具有不同通信接口的设备联网。（2）实现基于PROFIBUS总线技术对清花工序生产线上的主要设备参数采集，解决生产现场数据采集的准确性、实时性的问题。（3）运用现场总线技术进行远程控制，实现现场设备与控制中心的远程数据通讯，从而实现了生产现场辅助管理和工艺参数优化，使整个公司的信息化管理形成一个闭环控制系统，确保公司资源管理系统的成功实施。2系统总体方案设计2.1清花工序的介绍纺纱的生产过程一般分成六个工序：清梳联工序，预并、精梳工序，并条工序，粗纱工序，细纱工序，络筒工序。清花工序包含于清梳联工序中，又称开清棉，主要是对原棉进行混合、开松、除杂，并去除羽毛、尼龙线、碎布、丝麻等异性纤维，主要由抓棉机、开棉机、混棉机、清棉机、微尘异纤分离机等设备组成10。另外在此次设计中从实际的现场布局来看，6台滤尘机组也计算在清花工序。2.2宏业纺织厂的设备现状宏业纺织厂新建的生产流水线上，使用了大量的分离式的控制系统或智能化的控制设备。整体的控制系统具有以下几个方面的特点：（1）现场机械设备分布围较广，数量较多，现场设备的在线故障诊断、报警、存储功能不强，很难完成现场设备的远程集中监控，整个系统的可维护性较差。（2）现场机械设备各自独立运行，相互之间没有联系，对整个系统的集中智能管理造成了很大的困难。（3）控制系统中使用的控制器品种多，如PLC的品种就有西门子、台达、富士、松下和光洋等数家公司的产品；控制系统的类型多，有使用PLC直接控制的，还有纺织机械厂家自开发的数据采集模块等；系统不开放、可集成性差、不同厂家产品之间缺乏互操作性和互换性。（4）各分立设备的通信功能不强，造成组网困难，难于实现在信息化时代的工业网络控制。所有这些都给全厂的信息监控，数据采集、处理和智能化的生产管理带来了极大的困难，同时也大大影响了企业生产效能和管理的提高，最终影响企业的社会形象、经济效益和市场的竞争力。2.3基于总线技术对清花工序中主要设备参数的采集2.3.1清花工序总体技术方案设计根据宏业公司清花工序车间生产流水线的实际情况以与目前工业自动化技术的发展水平和现状，我选择两层的工业控制网络系统来实现整个系统的网络通信功能：底层采用基于现场总线技术的控制系统来完成对清花工序的整个生产流水线中各设备的信息采集；上层采用基于工业以太网技术实现对整个信息系统的信息传输，并使用优化的应用软件系统来完成终端数据的处理。宏业纺织大部分的纺织设备都是单独订货，由不同厂家生产而成，单台设备的控制系统都是生产厂家设计好并安装在了设备上，整个系统的特点是底层控制设备数量和品种型号较多，不同厂家所使用的控制器也不同，并且控制器对外的通讯接口也不同。针对该车间的具体问题考虑，我在处理这些技术细节时分为以下两种情况：（1）对于采用S7-200 PLC控制的设备这类设备数量比较多，S7-200PLC通过EM277 PROFIBUSDP扩展模块和标准DP电缆连接到DP网络。在网络上设一个DP主站（主站采用CPU315-2DP），DP主站配有工业以太网通信模块（CP343-1），通过该模块和工业双绞线可以把每个DP网络都连接到工业以太网交换机上，通过带光纤口的工业以太网交换机，挂入光纤环网。（2）对于配置RS485通讯接口的控制设备对于这类机械设备的控制器，可以通过RS485/DP协议转换模块连接到DP网络中，再由DP主站通过以太网通讯模块（CP343-1）接到以太网交换机(SCALANCE 204-2)挂到光纤以太网上。整个车间设一个集中控制室，集控室根据需要设置若干台上位机，分别用于工程师站、操作员站（管理机）和设备监控计算机等。另外根据需要，还可以设置一个WEB服务器，来实现与企业网或因特网的连接。高层的管理网络基于工业以太网，完成非实时数据的传递和系统管理任务。管理计算机（操作员站）实现生产监控、管理和数据分析，主要作用是完成各条生产线的生产计划、设备管理、质量控制与分析等。23台管理计算机既可以单独操作，也可以互为冗余。另外，为了保证单台设备停机对整个网络不产生影响，对于DP网络中的终端电阻均采用活动终端电阻。又因为设备分布围较广，数量较多，因此在网络设计中采用了中继器将设备分成几个网段并组成为一个网络，保证了信号传递的可靠性和稳定性。并且网络中的中继器和终端电阻均由就近的动力电柜单独提供供电回路，采用开关电源单独供电。2.3.2清花工序网络配置的具体方案宏业纺织生产线中清花工序中共有39台清花机和6台滤尘机组，各自独立完成混棉、开棉、清棉和滤尘等任务。其中清花机主要包括：往复式抓棉机5台，控制机柜5个，单轴流开棉机4个，多仓混棉机9个，开棉机9个，异纤微尘分离机7台等。除7台异纤微尘分离机和5台往复式抓棉机预留有RS-485通讯接口外，其他控制器与滤尘机组都是采用西门子S7-200PLC。网络配置的具体方案为：1. 对每台S7-200PLC增加一个EM277 PROFIBUS DP模块，作为从站连接到DP网络中。2. 对留有RS-485通讯接口的异纤微尘分离机和往复式抓棉机来说，每台增加一个RS-485/DP模块，作为从站连接到DP网络中。3. 主站采用西门子的CPU315-2DP。4. 电缆和连接器均采用西门子标准产品。5. 主站和部分从站上的连接器采用带编程口的产品，以方便检查网络和调试。6. 网络末端挂接活动终端电阻，以避免网络末端设备的维护和故障而对整个网络造成影响。7. 网段中使用中继器保证信号传递的可靠性和稳定性。8. 整个DP网络由主站通过CP343-1连接到工业以太网上。2.3.3系统网络结构的设计由于设备较多，所以网络有3个网段组成，网段之间由中继器连接。其中第一个网段包含15台设备：2台异纤微尘分离机、6台滤尘机组、1台往复式抓棉机、1个带有PLC的控制机柜、1台单轴流开棉机、2台多仓混棉机、2台开棉机。第二个网段包含18台设备：4台异纤微尘分离机、2台往复式抓棉机、2个带有PLC的控制机柜、2台单轴流开棉机、4台多仓混棉机、4台开棉机。第三个网段包含12台设备：1台异纤微尘分离机、2台往复式抓棉机、2个带有PLC的控制机柜、1台单轴流开棉机、3台多仓混棉机、3台开棉机；图2-1为具体系统结构图。工业以太网PROFIBUS DPCPU315-2DPCP343-1通讯模块活动终端异纤微尘分离机1485/DP485/DP异纤微尘分离机2EM277EM277清花机3清花机9滤尘机1滤尘机6EM277EM277中继器异纤微尘分离机6485/DP485/DP异纤微尘分离机3EM277EM277清花机27清花机14EM277EM277清花机38清花机28中继器485/DP485/DP异纤微尘分离机7图2-1清花工序系统构成图3系统主要硬件的介绍3.1 EM277 PROFIBUS DP模块3.1.1EM277的介绍通过EM277 PROFIBUS DP扩展从站模块，将S7-200PLC连接到PROFIBUS DP网络上。EM277经过串行I/O总线连接到S7-200PLC。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277 PROFIBUS DP模块，如图3-1中S7-200PLC通过EM277连接到总线上11。PROFIBUS DPEM277S7-200PLCS7-300PLC串行I/O总线图3-1S7-200 PLC通过EM277连接到总线作为DP从站，EM277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从站不同的是，EM277模块不仅仅是传输I/O数据。EM277能读写S7-200PLC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。输入、计数器值、定时器值或其它计算得到的值可以首先移动S7-200PLC的变量存储区，然后传送到主站。首先将数据移到S7-200 PLC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传送到主站。输入和输出缓存区的地址可以配置在S7-200 PLC V存储器中的任何位置。输入和输出缓冲器的缺省值地址为VB0。输入和输出缓冲地址是主站写入S7-200 PLC赋值参数信息的一部分，用户必须组态主站以识别所有的从站以与将需要的参数和I/O组态写入每一个从站。为了将EM277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EM277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，就必须对PLC重新上电。一旦EM277 PROFIBUS DP模块已用一个DP主站成功地进行了组态，EM277和DP主站就进入数据交换模式。在数据交换模式中，主站将输出数据写入到EM277 PROFIBUS DP模块，然后，EM277模块响应最新的S7-200 PLC输入数据。EM277模块不断地更新其从S7-200 PLC来的输入，以便向DP主站提供最新的输入数据。然后，该模块将输出数据传送给S7-200 PLC。从主站来的输出数据放在V存储器中由某地址开始的区域，而该地址是在初始化期间，由DP主站所提供的。到主站的输入数据在输出数据之后立刻从V存储区中提取出来。在建立S7-200 PLC用户程序时，必须知道V存储器中的数据缓冲区的开始地址和缓冲区大小。EM277 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：（1）S7-200PLC上电后，DX MODE灯一直熄灭直到DP通讯开始。（2）当DP的通讯成功地初始化后（EM277 PROFIBUS DP模块进入和主站交换数据的状态时），DX MODE灯变绿直到数据交换状态结束。（3）如果DP通讯中断，强迫EM277模块退出数据交换模式，此时，DX MODE灯熄灭而DP ERROR灯变红。此状态一直保持到S7-200 PLC断电或数据交换重新开始。（4）如果主站写入EM277模块的I/O组态或参数信息错误，则DP ERROR的红灯将闪烁。（5）如果没有24VDC供电，POWER（电源）灯将熄灭。表3-1总结了EM277状态指示器的各种状态LEDOFF红色红色闪烁绿色CPU故障模块良好部模块故障-POWER没有24 DC-24VDC用户电源良好DP ERROR没有错误脱离数据交换模式参数化/组态错误-DX MODE不在数据交换模式-在数据交换模式3.1.2EM277在数据采集中的作用除7台异纤微尘分离机和5台往复式抓棉机预留有RS-485通讯接口外，其他控制器与滤尘机组都是采用西门子S7-200 PLC，因此可采用EM277 PROFIBUS DP扩展从站模块将这些S7-200 PLC连接到PROFIBUS DP网络上。EM277经过串行I/O总线连接到S7-200 PLC。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277 PROFIBUS DP模块。可以实现S7-200 PLC与PROFIBUS DP网络上主站的物理连接。当给EM277PROFIBUS DP模块设定了与主站组态中的地址相匹配的DP端口地址，并且已用PROFIBUS网络上DP主站成功地进行了组态，EM277和DP主站就进入数据交换模式。在数据交换模式中，主站将输出数据写入到EM277 PROFIBUS DP模块，然后，EM277模块响应最新的S7-200PLC输入数据。EM277模块不断地更新其从S7-200 PLC来的输入，以便向DP主站提供最新的输入数据。然后，该模块将输出数据传送给S7-200PLC。从主站来的输出数据放在V存储器中由某地址开始的区域，而该地址是在初始化期间，由DP主站所提供的。到主站的输入数据在输出数据之后立刻从V存储区中提取出来。S7-200 PLC通过EM277 PROFIBUS DP扩展从站模块连接到PROFIBUS DP网络上。可以实现其与网络上的主站进行数据交换，S7-200PLC控制器对设备上的信息进行采集，并将其放到V存储器，当要把采集来的数据上传给主站时，数据就会从S7-200 PLC的 V存储器复制到EM277中，以便同时传送到主站，进而通过主站上的通信模块将采集来的数据传送给上位机系统。EM277是实现S7-200 PLC与主站数据交换的中转站。3.2RS485/DP模块3.2.1RS485/DP模块的介绍首先介绍一下RS485/DP模块的工作原理如图3-2所示，其中SPC3是西门子公司的PROFIBUS通信协议芯片。PROFIBUS Interface 是PROFIBUS标准驱动电路，RS485 Interface是标准的RS485驱动电路，两者都由光隔与RS485驱动芯片组成。图3-2RS485/DP总线桥的工作原理图RS485/DP模块主要用于将具有RS485接口的设备连接到PROFIBUS总线上，使设备成为PROFIBUS 总线上的一个从站，如图3-3所示。S7-300PLCRS485/DPRS485设备PROFIBUS DP图3-3RS485设备通过RS485/DP连接到总线上在PLC 为主站的PROFIBUS 系统中，总线桥作为系统的一个从站，通过RS485 接口与设备连接。总线桥可以作为RS485设备的主站（主动向RS485 设备发送的通信信息，等待设备回答），也可以作为RS485 设备的从站（RS485 设备主动发送的通信信息）。总线桥在PROFIBUS一侧是PROFIBUS从站，因此需要设置PROFIBUS从站地址。地址设置由产品正面的两个十进制旋转开关SA 来设置。如果需要设置大于99 的PROFIBUS 地址，需要使用产品背面的功能选择开关SW 配合设置地址，如果SW3=OFF（向下），这个从站的地址就是SA（19）；如果SW3=ON（向上），这个从站的地址就是100+SA（19）=119；如果SA 27，即使SW3=ON（向上），本产品PROFIBUS仍然是27，因为PROFIBUS 规定从站地址围0126。总线桥作为PROFIBUS 的一个从站，通过RS485接口与设备连接，实现PROFIBUS主站与RS485设备之间通信数据透明传送。RS485只是设备通信物理层的一个标准，因此PROFIBUS主站必须向RS485设备传送它能够理解的数据，这就是RS485设备的通信协议。所以，为实现PROFIBUS主站与RS485设备的有效数据通信，PROFIBUS主站编程人员应该了解RS485设备的通信协议。RS485设备的通信协议通常有以下两类：12（1）具有应答关系和若干通信指令的通信协议这是应用比较广泛的通信格式，通信数据可能是ASCII 码（如研华的ADAM模块）或二进制数据。对于这种设备，（以总线桥是RS485主设备为例）用户在主站上编程，按照协议规定的报文格式将通信数据填入总线桥的PROFIBUS数据输出区，然后启动总线桥发送（触发发送或定时自动发送）将通信数据通过RS485接口发送到设备；然后，总线桥自动转入接收状态；当总线桥接收完毕RS485设备的回答报文数据后，将回答报文数据自动填入PROFIBUS数据输入区，这样，PROFIBUS主站可以在PROFIBUS数据输入区得到RS485设备的回答报文数据。（2）无应答关系、单纯接收或发送数据的通信总线桥单纯接收：如条码扫描器通过RS485接口PROFIBUS主站发送ASCII 码或二进制数据；总线桥单纯发送：如PROFIBUS主站通过RS485接口向显示屏发送ASCII码或二进制数据；PROFIBUS主站实现这类简单通信协议的原理与第一种协议一样，只是编程简单而已。数据的发送与接受过程：（1）发送总线桥发送有2种方式：触发发送模式、自动定时发送模式。发送模式由控制字D1位auto_txd选择。触发发送：控制字D1：auto_txd=0，即默认方式是触发发送。触发发送靠控制字D0 位start_tr的上升沿启动一次发送。自动定时发送：控制字D1:auto_txd=1，是自动定时发送。当auto_txd与start_tr 同时为1是启动自动定时发送。定时发送时间间隔在总线桥配置时选定，默认时间是1秒。（2）接收总线桥有2 种控制接收结束方式：按字符间隔接收模式、按长度接收模式。接收模式由控制字D2 位relen选择。按字符间隔接收：当接收到一个字符后连续3.5个字符时间（与波特率、字符位数与有无校验位有关），没有接收下一个字符时，认为报文结束。按长度接收：按照用户给定的接收报文长度控制接收结束。接收报文长度放在PROFIBUS 输出区最后一个字节。典型通信过程：有“发收发收”、“收发收发”、“发发”、“收收”4种典型的通信过程。3.2.2RS485/DP模块在数据采集中的作用在此设计中有7台异纤微尘分离机和5台往复式抓棉机预留有RS-485通讯接口，因此这些设备可以通过RS485/DP模块连接到PROFIBUS DP网络上，使设备成为PROFIBUS总线上的一个从站。RS485/DP模块经过其RS-485串行通信总线连接到预留有RS-485通讯接口的设备上，PROFIBUS DP网络经过其DP通信端口，连接到RS485/DP模块，这样实现了设备与总线的连接。当给RS485/DP模块设定了与主站组态中的地址相匹配的DP端口地址，并且已用PROFIBUS网络上DP主站成功地进行了组态，RS485/DP模块和DP主站就进入数据交换模式。设备有数据要传送给PROFIBUS DP网络上的S7-300的主站，需要在其相应的控制器中编写相应发送数据的程序，还要在主站中运行相应的接受数据程序。然后先有其控制器将数据采集到其存储区，需要发送时从控制器的存储区中读取并通过RS485/DP模块将采集来的数据发送给主站，并通过主站上的通信模块发送给上位机系统。RS485/DP模块是主站与从站通信的桥梁。可以实现从站与主站的数据交换，将设备的信息通过其对应的控制器传送到主站，完成数据采集。3.3中继器3.3.1中继器的介绍中继器又称为重发器或转发器。它用于连接两个一样的网络，负责在两个节点的物理层上传递信息，完成对信号的复制、调整和放大等功能。通俗地理解中继器的功能就是增加了网络的长度。从理论上来讲，中继器的使用个数可以是无限个，即网络的长度可以无限延长，但实际上这是不可能的。因为在网络标准中都对信号的延迟围做了具体的规定，如果延迟太长，协议就不能正常工作，因此网络中使用的中继器的个数也是受到限制的。9如在PROFIBUS DP总线网络中使用中继器的个数一般不允许超过4个，并且由于选择了不同的通信速率，其网络的最大拓扑长度也是不同的。总体趋势是波特率越高，网络最大延伸长度反而越短。所以选择中继器个数也要根据实际情况而定的。在PROFIBUS DP总线网络中中继器主要用于网络段之间的连接，如果在同一个网络段中设备数量多于32个或由于受距离以与设备性质的限制，必须划分成多个网络段。那么在这时中继器承担其重任，连接两个网段，实现信号的放大和传递。信号在两个网段之间可以实现再生，在同一个网段信号不能再生；两个网段之间是物理隔离的，因而中继器除了扩展网段外，还有一个重要的功能是可以进行网络隔离。中继器在PROFIBUS DP总线中的主要作用有以下几点：（1） 在一个网段中从站设备多于32个时要用中继器将其分成两个网段，实现中继器作为终端设备的网络拓展。如图3-4所示：图3-4 中继器作为终端设备的网络拓展（2） 当一个网段中从站分布过于离散，距离太远，要根据实际情况将使用中继器将网段延伸，实现中继器作为网段的中间设备的网络拓扑。（3） 当网络有分叉电路时会影响到系统的稳定性，需要采用中继器来替代分叉电路确保系统可靠运行。如图3-5所示：图3-5 中继器替代分叉电路需要说明的是由于在一个RS485物理网段中，只能够连接32个物理设备，但RS485中继器本身也是一个特殊的DP从站设备，在连接的两个网段中，都要分别占用一个设备数量资源（但不用分配站地址）。因而实际在这两个网段中都只能再连接31个DP主站/从站设备13。并且中继器上的终端电阻要根据实际情况而设定。中继器作为DP网络的中间设备时，其处于同一网段中不需要设置终端电阻；当中继器处于一网段的终端则需要设置终端电阻。3.3.2中继器在信号传递中的作用在清花工序中现场机械设备分布围较广，数量较多，一个网络段最多能带32个设备，而此系统中除了一个主站外还有45个从站设备并且中继器也需要占用设备数量资源，远远超出了它所带设备的能力，因此根据实际情况和冗余方面的考虑需要运用中继器将其分成三个网段，并组建成一个有45个从站设备和1个主站的网络，保证了主站与从站在一个网络中的可靠连接，为通信建立基础。并且基于其设备比较分散，从站设备之间距离比较远，而由于通讯速率的选择和设备性质的限制，网络段的长度受到了限制。因此根据现场的实际情况必须选择使用中继器延长网络的长度。中继器处于两个DP网络段之间，在网络中它的主要作用是实现主站和从站通信信号的放大和传递，保证了信号的可靠传输。中继器在此DP网络中作为中间设备，因此要设置其上的终端电阻以减少信号的反射。总之，中继器在此系统中的主要作用有：延长DP网络的长度、增加网络所带设备的能力、保证信号的可靠传递。4软件设计4.1运用STEP7对整个系统硬件进行组态一个DP主站组态应包含地址，从站类型以与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，以与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，从站器件可以通知主站，而主站就会读取来自从站的诊断信息14。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。（1）组态EM277与其地址分配在此设计中用到大量EM277模块，因此选择对11号从站进行组态作为示例。主站通过将其输出区的信息发送给从站的输入缓冲区，与其每个从站交换数据。从站将其输出缓冲区的数据返回给主站的输入区，以响应从主站来的信息11。EM277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 PLC的变量存储器（V存储器）。当用户组态DP主站时，应定义V存储器的字节位置。从这个位置开始为输出数据缓冲区，它应作为EM277的参数赋值信息的一个部分。用户也要定义I/O组态，它是写入到S7-200 PLC的输出数据总量和从S7-200 PLC返回的输入数据总量。EM277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EM277 PROFIBUS DP模块，然后，EM277将V存储器地址和输入与输出数据长度传送给S7-200 PLC。 CPU224 CPU315-2DPV存储区I/O地址区偏移量:2400字节输入缓冲区：4个字输出缓冲区：16个字VB变量存储字节I/O输入区：16个字I/O输出区：4个字PI外部输入PQ外部出 VB0DP模块EM 277VB2399PIB272 VB2400PIB303VB2407PQB272VB2408PQB279VB2439图4-1V存储器和I/O地址区上图表示CPU224中的V存储器的一个存储器模型，以与一个DP主站CPU的I/O地址区。在这个例子中，DP主站已定义了4个字输出和16个字输入的一种I/O组态，以与V存储器偏移为2400。CPU224中的输出缓冲区和输入缓冲区长度（由I/O组态确定）分别是16个字和4个字。输入数据缓冲区从VB2400开始；输出缓冲区紧紧跟随输出缓冲区，并在VB2408处开始。具体组态如下：首先从STEP7中HW Config左边的窗口找到EM277的GSD文件，将此文件拖放到总线网络上，右击EM277的位图，选择属性，设置与S7-300 PLC交换数据的区域的偏移量，并且此从站地址设为11如图4-2所示。图4-2S7-200的数据交换区的偏移量设置S7-300 PLC与S7-200 PLC的数据交换是通过S7-200 PLC的V存储区作为中介来进行的15，即S7-300 PLC的输入输出区对应S7-200 PLC的存储区，在如图4-3所示的组态信息设置，二者交换数据的区域为：在S7-300PLC中，PIB272-PIB303区域的数据来自S7-200 PLC的VB2408-VB2439，PQB272-PQB279区域的数据输出到S7-200 PLC的VB2400-VB2407。即只要S7-200 PLC通过区域VB2408-VB2439把数据发到S7-300 PLC中，而S7-300 PLC通过区域VB2400-VB2407把数据发送到S7-200 PLC中。图4-3EM277在S7-300中数据交换区的设置（2）组态RS485/DP与其地址分配设计中用到多个RS485/DP模块，我选择了对17号从站进行组态作为示例。具体组态如下：将RS485/DP的GSD文件拖放到总线网络上，选择属性，设置传输速率，自动发送时间间隔默认为1s，同时设置为从站RS485 Slave，并且此从站地址设为17如图4-4所示。图4-4RS485/DP总线桥接收模式下的通信协议设置总线桥组态设定为1字节输出/21字节输入，输出对应地址为PQB4，输入对应地址为PIB4-PIB24，剩余部分用empty填满，第一个槽中为系统默认分配的用于控制字。由于总线桥自身不具备控制功能，必须通过DP主站进行控制。DP主站通过对其控制字的设置，来控制总线桥作为RS485网络主站对其各从站的发送接收模式，通过监控其状态字来实现数据发送接收状态的控制，PROFIBUS数据区与RS485数据报文格式对照关系如表4-1所示，12通信状态字和控制状态字如表4-2所示：表4-1PROFIBUS数据区与RS485数据报文对照表PROFIBUS映射地址长度RS485报文格式IB01字节用来存储接收报文长度IB11字节通信状态字IB2以后若干字节接收数据缓冲区QB01字节用来存储发送报文长度QB11字节通信控制字QB2以后若干字节发送数据缓冲区表4-2通信状态字与通信控制字的含义PROFIBUS输出地址通信控制字对应位的含义PROFIBUS输入地址通信状态字对应位的含义Q1.0启动发送标记I1.0接收完毕/发送允许Q1.1发送模式I1.1正在发送报文标记Q1.2按长度接收I1.2正在接收报文标记Q1.3-Q1.5不用I1.3-I1.6预留Q1.6强制等待接收状态I1.7奇偶校验错标记（3）整个系统硬件组态整个系统的硬件组态如图4-6所示，其中EM277有33个，12个RS485/DP，根据设备的功能和现场分布将45个设备分成五套车（如图4-5中）。通过EM277连接到DP总线上的设备有4个台单轴流开棉机，5台集控柜，9台多仓混棉机，9台清棉机；留有RS485/DP接口的设备有：5台往复式抓棉机，7台异纤分离机。组态完成，主站就可以识别其从站并能够进行通信。图4-5整个系统硬件组态4.2 EM277与S7-300PLC通信程序的设计在S7-200PLC控制器中已有程序对尘棒角度、给棉量、棉箱压力、压力上下限、设备中断次数、车的位置、每分钟彩色喷绘次数等设备参数进行采集并且将其放到以VB1000为首字节的连续的32个字节变量存储区中。则S7-200PLC将数据传送给主站的程序如下：4.3 RS485/DP模块与S7-300PLC通信程序的设计带有RS485口的设备的控制器将所需参数已经采集并将其存储到以VB1000为首字节的连续的21个字节变量存储区中。需要说明的是其控制器可能是西门子公司之外的PLC或者是其他带有RS485通讯口的控制器，因此需要厂家配合将其所采参数放到一个特定的存储单元里，以便读取。如以VB1000为首字节的连续的数个字节。则带有RS485口的设备的控制器发送数据的程序如下：（1）主程序在主程序中首先是对RS485端口的初始化，自由口通信协议，选择9600波特率，8位字符，无校验位等初始化信息。16并且通过端口0发送数据，将发送完成事件连接到中断上，发送缓冲区以VB2000开始。（2）中断0发送完成，进入0号中断，设定10ms定时中断。（3）中断110ms时间到，断开定时中断，通过端口0继续发送数据。4.4 系统信息采集程序的设计主站中的程序主要应用于接受来自EM277模块和RS485模块所带的从站发送的采集数据并且对其做出相应的处理进而将信息传送给上位机系统。首先根据需要在STEP7中进行用户程序块的添加（如图4-6所示），然后在组织块（OB）和功能（FC）中进行程序的编写，并且将采集的和处理过的数据放入数据块（DB）中。图4-6程序组织块图(1)组织块（OB）的编程OB1：主程序循环块，用于循环处理。程序编写中存放主程序。在此设计中主程序主要应用于调用FC1和FC2子程序来进行每个从站数据的读取，并且通过调用FC4子程序来防止小车运行混乱。总之，主程序在此设计中主要是通过调用子程序完成数据采集与处理17-19。详细编程见附录1。OB35：定时循环中断，设置了其中断时间间隔为1s，主要应用于判断车通信与运行的情况。通过程序读入数据并放入MB10和MB12存储单元中，然后判断相应的位来置位或清零车是否上电的标志位和车是否运行的标志位。详细编程见附录1OB80：循环计时错误OB82：诊断中断OB85：没有装入组织块错误OB86：机架故障错误OB87：通信错误OB121：编程错误OB122：I/O访问错误OB80、OB82、OB85、OB86、OB87、OB121、OB122这些组织块中没有进行程序的编写，当出现这些故障时，就会执行相应的组织块，可以使主站PLC对故障报警而不会停止运行，保证系统的可靠运行。如果不添加这些块，当出现这些错误时，主站就会停止运行，造成整个控制系统瘫痪，这在所有控制系统中是不允许的。OB100：暖启动，主要应用于程序的初始化。此处主要应用于RS485总线桥的初始化。如图4-7中，将4传送给QB6和QB14是用来定义发送报文的长度，将3发送给QB7和QB15是定义RS485总线桥处于接受模式。图4-7OB100中的RS485总线桥初始化程序（2）功能（FC）的编程在功能（FC）中程序编写的是子程序，其他程序可以调用。FC1：异纤分离机的数据传送程序，通过RS485/DP模块的控制字使总线桥处于强制等待接收状态并且按长度接收。在程序编写中要给总线桥发送一个数据来定义主站要接收的数据长度，将21传递给QB4就是实现这个操作。这个子程序主要用于采集每分钟，每小时的白色和彩色喷绘次数并且在程序中对接收来的