远程I/O通信研究及应用

1. 前言 　　从当前计算机技术和自动控制技术发展状况来看，高性能工业控制机系统（工控机），智能专家控制系统和基于网络的虚拟自动化系统是未来工业自动化的重要发展方向。我们基于PLC控制网络---工业现场总线为研究对象，以远程I/O通信为模型，以Profibus--DP工业现场总线标准为依据，来研究分布式I/O通信系统的机理及应用。 2.工业现场总线Profibus—DP的特性 　　现场总线Profibus—DP是Profibus总线协议的重要部分之一,主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信，即工业自动化PLC网络系统中的第一级自动化。现场总线Profibus—DP的特性如下： 2.1 最高12兆的通信速率和可靠的通信质量（海明距离=4） 2.2 适用于多种通信介质（电缆、光纤、红外线等） 2.3 灵活的总线网络拓扑结构（线型、树型、环型以及混合型） 2.4 符合总线安全通信技术,适用于安全等级较高的危险场合 3．远程I/O通信模型及原理分析 　　现场总线Profibus构成的网络通信采用令牌方式和主从方式相结合的存取控制方式，而Profibus—DP规定了四种数据通信方式是：预组态连接与数据管理块调用方式，层2自由访问与数据管理块调用方式，全局I/O数据传输方式以及周期I/O数据传输方式。而远程I/O通信（分布式I/O通信）是采用的周期 　　I/O数据传输方式，所以我们以周期I/O数据传输方式通信原理分析为重点。 3．1 远程I/O通信模型 现场总线Profibus—DP的网络体系结构如图3.1所示,这只是Profibus其中的DP网络部分。 3．2 远程I/O通信原理分析 　　PLC的远程I/O通信实际就是一种 PLC控制网络，在远程I/O通信中采用“周期I/O方式交换数据” ，按照主从方式存取控制，PLC或者它带的通信处理器作为主动站，其它远程I/O单元皆为从动站。在主站设立一个“远程I/O缓冲区” ，主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式，按照顺序与各从站交换数据存放于远程I/O缓冲区中。这样周而复始，使主站中的“远程I/O缓冲区”得到周期性刷新。 　　在主站PLC中的CPU单元负责用户程序的扫描，它按照循环扫描方式进行处理，每个循环扫描周期都有一段时间集中进行I/O处理，这是它对本地I/O单元和远程I/O缓冲区进行读写操作；尽管主站PLC中的CPU单元没有直接对远程I/O单元进行操作，但是由于主站PLC中远程I/O缓冲区和远程I/O单元是一一对应的，所以主站PLC的CPU对远程I/O缓冲区进行读写操作，就相当于直接访问了远程I/O单元。通信框图如图3.2所示。 4．远程I/O通信的应用 　　我们以欧洲自动化的重要代表—德国西门子的自动化系统为研究对象，以可编程控制器S7-300(CPU315-2DP)和远程I/O单元 ET200组成的远程I/O网络为典型代表，来研究远程I/O应用中的重要技术关键点。 4．1远程I/O通信系统组成 　　该系统主要用于轧钢厂电气传动控制部分和相关的电气控制，主要由上位工控机、可编程控制器S7-300(CPU315-2DP)、远程I/O单元 ET200和现场控制测控信号，以及交直流全数字调速驱动设备组成。上位工控机和可编程控制器S7-300(CPU315-2DP)的通信采用西门子MPI（多点接口）网络，S7-300(CPU315-2DP)和远程I/O单元 ET200采用西门子Profibus—DP网络通信。各种模板的选型参考相应的手册即可，网络原理图如图4.1所示。 4．2远程I/O通信系统简介 　　主从站中的PS表示电源，1号站中的CPU是核心，IM用于连接扩展机架,I/O板包括各种智能模板：闭环、CP、高速计数等。2号站到5号站中IM153是远程I/O单元与PLC通信的接口模板，I/O板包括数字量输入/出、模拟量输入/出。 4．2远程I/O通信系统技术关键点 4.2.1 硬件 　　首先，应该使用编程器对系统进行硬件组态（包括网络组态），把组态数据下载（下传/装载）到PLC的CPU中。详细的各种设定参考S7-PLC手册。 　　其次，在分配Profibus—DP网络中的各种从站的网络地址不能有任何相同或重复，并且保证在网络组态中的网络地址与远程I/O站上的DIP开关的设定相同。Profibus—DP现场总线网络中的终端电阻必须连接，因为主站只有找到结束端，才能对远程I/O站加以确认，完成确认后才能与其进行数据交换，所以Profibus—DP现场总线网络中的第一个站和最后一个站的终端电阻必须设定。 　　第三，必须保证Profibus—DP现场总线网络中的网线连接正确与牢固，重点远程I/O站采用带双DP口的快速连接插头,便于现场用编程器调试维护设备。 4.2.2 软件 　　首先，如果主站中带有本地I/O单元，先分配主机架后分配扩展机架的I/O单元地址。其次，如果主站中带有远程I/O单元，按照站点号从小到大进行I/O单元地址分配。如果混合编址，依照先本地后远程的原则即可。第三，编制程序时无需区分本地I/O或远程I/O，如 A I 0.1 , = Q 0.1。I 0.1 和Q0.1（I/O单元地址）即可以是本地也可以是远程I/O地址。 4.2.3 维护信息 　　我们可以通过编程器和PLC前面板各种指示灯来进行故障信息查询，简单介绍一下PLC前面板各种指示灯所表示的信息。如表4.1故障信息表所示 5．远程I/O通信的研究结论 　　我们研究了国际上主要PLC厂商的远程I/O通信网络，包括美国最大的PLC制造商A-B公司，欧洲最大的PLC制造商SIEMENS公司和日本松下、东芝-GE MODICON公司，它们的远程I/O通信网络主要用于生产自动化底层现场设备和PLC的通信。 　　它们的远程I/O通信网络都是采用“周期I/O方式交换数据” ，按照主从方式存取控制，PLC或者它带的通信处理器作为主动站，其它远程I/O单元皆为从动站，构成线形或环形现场总线网络。 　　它们的各种模板规范、选型及现场总线网络选型配置都是大同小异，远程I/O通信网络只要掌握一种，其他的应该举一反三，触类旁通。 　　该文章对自动化工程技术人员掌握远程I/O现场总线通信网络，具有较高的参考价值。 参考文献 1. 邱公伟 主编.可编程控制器网络通信及应用.北京:清华大学出版社，2000 2. 阳宪惠 主编.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社，2002 3. 王兆义 主编. 可编程控制器教程.北京:机械工业出版社，1994 4. 刘 敏 主编. 可编程控制器技术.北京:机械工业出版社，2001 5. SIEMENS公司. SIEMENS 工业通信网络.2003.