关键词：CP342-5;倍加福编码器;Profibus;可编程序控制器;主从通讯
Abstract: The application of CP342-5 , which is used in rotary kiln supervisory control system of the Ju-long cement plant, is introduced in this paper. A method for the communication between the Siemens CP342-5 and the P+F absolute Encoder is provided. And an analysis on the distributed automation monitoring & Information integration system based on the PC, PLC, DCS products is given thoroughly .Then communication program is given between Siemens CP342-5 and multi intellect P+F encoders on Profibus Protocol.
Keywords: CP342-5, P+F Encoder, Profibus , PLC, M/S communication
0 引言
在聚拢水泥厂回转窑监测系统中，用到了高性能的Siemens S7-300 PLC，为了能够将编码器的参数读入到Siemens PLC中，采用了Siemens 公司的PROFIBUS通信处理器CP342-5，该模块集成了一个DP端口，通过PROFIBUS-DP总线网络读取编码器中的二进制数据。编码器采用德国倍加福的绝对值旋转编码器,它们均提供PROFIBUS-DP通讯接口，采用PROFIBUS协议以主从方式通讯。
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统，主要特点之一是现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点），所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、可靠性不易保证、可维护性不高。
PROFIBUS 是一种已有很多现场安装基础的目前世界上最成功的开放式现场总线,可使用一条通信电缆将所有的自动化设备（PLC、带有通信接口的智能仪表、传感器与执行器等）连接起来，彼此交换数据和进行通信。PROFIBUS现场总线用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。智能编码器是工业控制中最常用的智能仪表之一，其主要是针对某一特定的参数（如液位、行程、高度等），采用先进的控制算法（如fast技术）来达到精确控制被控参数的目的，具有专业性强、智能化高、控制算法先进、使用方便等特点。可编程逻辑控制器（简称PLC）以其运行可靠、集成度高、可扩展性强而在工业控制中得到广泛的应用，而且各个PLC生产厂家提供了多种通讯模块，如工业以太网Ethernet模块，Profibus DP现场总线模块，AS-I模块，点到点串行通讯模块等。因此可以利用PLC的通讯模块读取智能编码器中的数据，然后通过PLC中的工业以太网模块、现场总线模块连接到企业SCADA HMI系统中。[1]
1 通讯构成及通信协议
1.1 通讯构成
聚拢水泥厂窑炉监测系统中，使用CP342-5模块和5台倍加福编码器通讯，在空间上分成三部分：烧成窑尾、烧成窑中和烧成窑头。烧成窑尾到烧成窑头相距大约50米。通讯在硬件连接上采用PROFIBUS屏蔽双绞线。在软件上，采用PROFIBUS-DP现场总线通讯网络，用最少的信号线来完成通讯任务。在本自动化监测系统中，要求将5台倍加福绝对值旋转编码器PVM 58（P+F Absolute Rotary Encoder PVM 58）通过CP342-5通讯模块读取到PLC中，其网络的结构如图1所示
图1 系统网络结构图
下面给出了CP342-5模块、P+F Absolute Encoder PVM 58的参数设置，并详细介绍了通讯处理器CP342-5、倍加福编码器之间进行通讯所用到的PROFIBUS-DP协议。
1.2 通信处理器-CP342-5
Siemens CP342-5是一种基于PROFIBUS的通讯模块，提供了串行通讯的低成本解决方案。它可以在S7-300中使用，可以作为PROFIBUS-DP 的主站也可以作为从站，但不能同时作主站和从站，而且只能在S7-300 的中央机架上使用，不能放在分布式从站上使用。CP342-5 作为DP 主站和从站不一样，它对应的通讯接口区不是I 区和Q 区，而是虚拟通讯区，需要调用FC1 和FC2 建立接口区。可在STEP 7硬件配置的进程中进行参数设置，主要包括通讯协议、通讯模式、接口方式、地址和波特率。对于同倍加福旋转编码器P+F Rotary Encoder PVM 58的通讯，本设计中可以设置为：
a、通讯协议：PROFIBUS-DP
b、通讯模式：DP Master
c、接口方式：Profibus
d、地址和波特率：2、19.2Kbps
e、其余的设置为默认方式。
1.3 通信协议-PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP （Decentralized Periphery）是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信, 由于PROFIBUS-DP 的开放性,它可以连接不同制造厂商的标准部件。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。它具备节能，成本低，配置方便简单、生产中的高度灵活性，可靠和确实的诊断数据，可靠的数字传输技术等优点。
PROFIBUS-DP协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-OSI）作为参考模型的。PROFIBUS-DP定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
典型的DP配置可以是单主站结构，也可以是多主站结构。各主站间为令牌传送，主站和从站间为主从循环传送，总线上最多126个站。对于主从通讯方式，主站（PLC，CP或过程控制系统）与从站（分布式现场设备，例如I/O阀门、编码器、变送器和分析仪等）之间进行快速循环数据交换，主站发出请求报文，从站收到后返回响应报文。
当组建的网络是用于二进制输入/输出、模拟量输入/输出等小数量级的快速循环通信的话,可以考虑将网络配置成为ROFIBUS DP 网络,该网络数据传输率最大可以为12Mbit/s。
1.4 P+F Absolute Rotary Encoder通讯参数设置
1.4.1安装GSD文件
GSD文件为电子设备数据库文件，是可读的ASCII码文件。不同厂家的PROFIBUS产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件方式提供这些产品的功能参数，例如I/O点数、诊断信息、传输速率、时间监视等。在Step 7 的SIMATIC 管理器中打开硬件组态工具HW Config ，安装GSD后，在右边的硬件目录PROFIBUS DP→Additional Field Devices→Encoders→ENCODER将会出现刚刚安装的P+F Rotary Encoder。其数据传输原理如图2所示。
图2 数据传输原理图
1.4.2 组态通讯参数
在Step 7硬件配置窗口中，双击P+F Rotary Encoder 图标，打开编码器（DP Slave）的参数设置窗口，如图3所示。结合笔者工程实际，在此窗口中进行参数设置：
图3 编码器参数设置窗口
a、 代码顺序（Code Sequence）：计数方向， CW（顺时针旋转，代码增加）,CCW（逆时针旋转，代码增加）;
b、 标定功能控制（Scaling function control）:只有设置成Enable ，下面c、d和e的设置才会生效;
c、 单圈分辨率（Measuring units per revolution）:8192;
d、 测量范围高位（Total measuring range（units）hi）: 512;
e、 测量范围低位 （Total measuring range（units）lo）: 0;
f、 其它参数采用默认值。
注：1、由c可以计算出编码器每圈产生 （=8192）个二进制码，即单圈精度为13位。
2、由d和e可以计算出编码器最大可以转 （=512×65536+0）圈，即多圈精度为12位。
2 软件的实现方法
2.1 数据流交换机制
CP342-5和集成DP口的S7-300 CPU与DP从站通讯时所进行的数据流交换机制是有区别的。集成DP口的S7-300 CPU可以像访问自己的I/O模块一样来访问DP从站，不必用户专门编程。虽然智能从站提供给主站的输入/输出区域不是实际的I/O模块使用的I/O区域，但简单组态后，主从站之间的数据交换也是自动进行的，不需要专门编程。
CP342-5和DP从设备之间进行数据交换，必须调用FC1（DP_SEND），FC2（DP_RCV）访问从站地址，否则CP342-5的PROFIBUS状态灯“BUSF”将闪烁。FC1（DP_SEND）和FC2（DP_RCV）是SIMATIC_NET_CP标准库中功能块，安装NCM S7后，就会Step 7编辑器左边的指令树中出现该函数库。
用CP342-5 作为DP 主站和从站不一样，它对应的通讯接口区不是I 区和Q 区，而是虚拟通讯区，需要调用FC1 和FC2 建立接口区。需要为每个P+F Rotary Encoder定义虚拟通讯区，虚拟通讯区可以是位存储区（M区）、数据块存储区（DB区）。
2.2 虚拟通讯区的建立
在具体处理每块旋转编码器时，必须建立虚拟通讯区，这是CP342-5和P+F Rotary Encoder通讯最核心的问题。
主站（CP342-5）和从站（P+F Encoder）通讯时,首先要设置好每个编码器的地址，使其与组态的PROFIBUS地址一致;然后建立虚拟通讯区。此后，CP342-5和P+F Rotary Encoder通讯只在CPU和虚拟通讯区之间进行，而不必再考虑编码器的地址。结合笔者工程实际，建立了图4所示的虚拟通讯区。
图4 虚拟通讯区
2.3 主从通讯程序的实现
执行预置功能将P+F Encoder零点校准到系统的机械零点。通过向P+F Rotary Encoder输出双字指令的最高位置1实现，此时P+F Rotary Encoder返回的双字即为实际码值。
图5
程序指令如图5所示。对作为从站的P+F Rotary Encoder ，执行预置功能时调用FC1（DP_SEND），将要发送的指令填入输出虚拟通讯区;执行读取功能时调用FC2（DP_RCV），将P+F Rotary Encoder中的二进制编码读入输入虚拟通讯区。
3 结束语
聚拢水泥厂1#线从去年改造完成到现在全部投入，倍加福绝对型编码器和Siemens CP342-5主从通讯一直良好，有效的提高了生产效率。 实践证明，这种方式是值得推广的，在工业测量领域，以专业的Siemens CP342-5作为主站，以众多的Profibus Slave设备作为从站，必将获得令人满意的效果。
本文作者创新点：给出了CP342-5模块与P+F Encoder绝对值型编码器基于PROFIBUS协议的通讯在水泥行业中的实现方法。
参考文献：
[1] 刘良文, 董鸣, 赵红洲, 等. PROFIBUS-DP现场总线性能分析 [J]. 微计算机信息, 2006, 25: 46-48.
[2] 李辉, 张浩, 包伟华. PROFIBUS现场总线技术在DCS系统中的应用 [J]. 制造业自动化, 2006, 11: 75-78.
[3] Siemens Automation & Drive Company, Simatic Net NCM S7 for PROFIBUS/FMS Manual, 2001-12.
[4] Memon Q.A. and Rehman H., “Intelligent Approach towards Network Communications for Process Control,” in 11th Computers and Communications Symposium , pp: 681 – 686, 2006.
[5] Eduardo Camponogara and Sarosh Talukdar, “Designing communication networks for distributed control agents” , European Journal of Operational Research [J], Volume 153, NO.3, pp 544-563, 2004.
