目 录
摘要…………………………………………………………………………………………1
前言…………………………………………………………………………………………2
1.绪论………………………………………………………………………………3
1.1 课题来源与研究内容……………………………………………………………3
1.2 现场总线概念及特点……………………………………………………………3
1.3 典型现场总线简述………………………………………………………………4
1.4 现场总线的发展趋势……………………………………………………………5
2.Probus 现场总线概述……………………………………………………………6
2.1 Probus 协议结构与 OSI 参考模型……………………………………………6
2.2 Probus 物理层…………………………………………………………………7
2.3 Probus 数据链路层……………………………………………………………8
2.4 Probus 应用层…………………………………………………………………9
3. Probus-DP 协议………………………………………………………………… 10
3.1 Probus-DP 的基本功能………………………………………………………10
3.2 Probus-DP 的数据通信………………………………………………………13
3.3 Probus-DP 的交叉通讯方式…………………………………………………14
3.4 Probus-DP 的技术优势………………………………………………………15
4. 西门子 PLC 的 Probus 总线通信实现………………………………………16
4.1 课题要求…………………………………………………………………………16
4.2 可编程控制器 S7-300 的实验系统组成…………………………………………
16
4.3 硬件组态与参数设置……………………………………………………………19
4.4 Probus 现场总线控制网络的组网……………………………………………
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5.上位机监控软件的研究与设计…………………………………………………34
5.1 WinCC 组态软件的功能和特点…………………………………………………
34
5.2 利用组态软件 WinCC 设计系统监控界面………………………………………
36
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6. 结论与展望…………………………………………………………………………43
致谢………………………………………………………………………………………44
参考文献…………………………………………………………………………………45
基于 PROFIBUS-DP
现场总线的控制系统设计
摘要：本文分析了 Probus-DP 现场总线中的物理层、数据链路层等通信模型的技术
特点，对 Probus 网络相关的单主、多主问题进行了论述。采用 STEP7 软件对已有
的 s7-300 实验设备进行了实际组态，完成了硬件选型，程序块定义及梯形图程序编
辑及仿真调试、下载，同时利用西门子公司 WinCC 软件实现了上位机与 PLC 的通讯,
完成了 S7-300 与 S7-200 的 EM277 之间的 Probus-DP 通讯。
这一研究的目的在于实现基于 Probus-DP 现场总线的 Siemens PLC S7-300
控制系统设计及组态，包括 PLC 控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。对于总
线协议的研究可以更深入的掌握 PROFIBUS 的通信机制。PLC 控制系统与现场总线
技术的结合，实现了系统高速实时通信的目的，增强了系统的稳定性，安全性和实时
性。
关键词:Probus--DP 现场总线，S7-300 PLC，WinCC
Abstract：This artical analyzes the technical features of the communications model such as
Profibus-DP fieldbus physical layer, data link layer and discuss the Profibus network-related,
single owner, more than on the main issues. Using STEP7 software to actual configure the
existing laboratory equipment s7-300, completing the hardware selection, block definition
and simulation ladder program editing and debugging, downloading;at the same time use
Siemens WinCC software achieving the communication of a PC and PLC, completing the
S7-300 and S7-200's EM277 communication between the Profibus-DP.
The purpose of this study is to design and configure Siemens PLC S7-300 control
system based on Profibus-DP Field-Bus,which including the PLC control system design,
manage and monitor PC system design. The study of bus protocol can be more in-depth
master of the communication mechanism Profibus master.The Combination of PLC control
system and fieldbus technology,realizing the purpose of high-speed real-time system
communication, and enhance the system stability, security and real-time.
Keywords: Profibus- DP Field-Bus, S7-300 PLC, WinCC
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前言：
自上世纪 40 年代以来，工业控制系统开始了逐步发展成熟的步伐。当时采用只
具备简单测控功能的现场基地式仪表，即第一代过程控制系统 (气动控制系统或
PCS)。气动控制系统一直沿用到 20 世纪 60 年代才结束其主导地位，而目前在类似防
爆等特殊场合下仍发挥着不可替代的作用。开始应用 4～20mA 模拟信号标准的第二
代控制系统(模拟控制系统或 ACS)标志着控制系统的又一次飞跃。但是由于不同的传
感器和执行器信号的定义有所不同，大量仪表的信号标准难以规范，这样限制了控制
系统的规模和性能，降低了系统集成度。
随着数字计算机在测量、模拟和逻辑控制领域被广泛使用，从而产生了集中控制
系统，即第三代过程控制系统(CCS)。采用单片机、PLC 或微机作为控制器传输数字
信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统抗干扰能力，
易于根据全局情况进行控制计算和判断。在控制方式、控制实际的选择上可以同意调
度和安排。但集中式计算机控制系统存在可靠性问题，一旦作为控制中心的计算机发
生故障，将导致生产全面瘫痪
[1]
。
为了改善 CCS 的缺陷，第四代过程控制系统(DCS)应运而生。它采用集中管理，
分散控制的方法，有力地克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求
高的缺陷。因此 DCS 系统在电力、石油、化工等重要领域得到普遍应用。但是，出
于垄断经营的目的各大系统集成厂商采用各自封闭的控制通信模式，不同场设设备能
以实现通信与信息连接。因此，DCS 成为一种封闭转用的、不具有大范围可操作性分
布式控制系统。
电子信息技术的飞速发展又给自动化工业控制系统带来了深刻的变革。逐步形成
了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息系统。它具有开放、数字化、容易进行
数据交换的特点。它利用现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成数字式、双向
传 输 、 多 分 支 结 构 网 络 特 色 的 自 动 控 制 系 统 。 这 样 ， 现 场 总 线 成 为 当 今
3C(ComPuter、Control、Communication)发展的结合点，也是过程控制技术、自动化
仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，而且是信息技术、网络技术的发展在控制
领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。因此，现场总线控
制系统及时一个开放的通信网络，又是一种分布式控制系统，它作为智能设备的联系
纽带，把挂接在总线上作为控制节点的职能设备连接为网络系统，并进一步构成自动
化控制系统。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化控制系统得到越来
越广泛的应用
[2]
。
在 PLC 控制系统中应用现场总线技术实现 PLC 与现场设备、客户端、服务器间
实时通信，达到分散优化综合控制是工业控制领域的热门问题。综合控制系统设计的
优良直接影响着工业生产的经济性。深入研究应用 PLC 及现场总线控制技术会为我国
在工业自动化领域的进一步发展做出有益贡献。
工控行业领军企业的西门子的 PROFIBUS 与 SIMATIC 系列 PLC 控制系统提供了
完善的软硬件支持和系统的解决方案。这样缩短了工控系统的开发周期，扩展了设备
间的通信能力，优化了软件设计，增强了系统兼容性。因此从理论上研究 PROFIBUS
现场总线以及深入探讨西门子 SIMATIC 系列 PLC 能够拉近我国工业自动化与外国的
差距，提升我国自动化产业的竞争力 。
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1. 绪论
1.1 课题来源与研究内容
本课题为采用自动化学科现有的西门子设备进行 Probus-DP 组网技术研究的课
题，来源于三峡大学电气信息学院实验室建设项目设计性课题。
本次研究的主要内容包括对Probus-DP现场总线中的物理层、数据链路层等通
信模型以及技术特点的分析；对STEP7软件的组态方法研究；采用STEP7软件对已有
的S7-300试验设备进行实际组态；完成PLC 300 通过 EM 277 与 PLC 200 DP网通讯组
态以及利用WinCC软件对温度信号的监控。
首先，研究 Profibus 现场总线的通信协议、应用接口，及其协议架构以及与 PLC
和监控管理设备的互 联； 其次，研究 Siemens PLC S7-300 的软硬件应用，研究
SIMATIC 应用及 WinCC 组态；最后，以 PLC 300
通过
EM 277
与
PLC 200
通讯 为例，
搭建成具有一定开放系统特性的基本系统，包括 PLC 控制系统设计、上位机管理和监
控系统设计。
1.2 现场总线概念及特点
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。
主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信
以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。主要用于：制造业、
流程工业、交通、楼宇、电力方面的自动化系统中。
现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线，是应用在生产现场，在
微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字
化、多点通信的底层控制网络。它是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和
自动化技术的产物，将微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信
的能力。
现场总线的特点：
1） 系统的开放性。通信协议一致公开，不同厂家的设备之间可实现信息交换，
用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现
场总线构筑自动化领域的开放互连系统。
2） 互可操作性与互用性。互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送
与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
3） 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系
结构。从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系
统结构，提高了可靠性。
4） 数字化通信。在系统中间层或不同层的总线设备之间（从变送器、传感器到
调节阀等）均采用数字信号进行通讯。用数字信号代替模拟信号可实现一对电缆上传
输多个信号，同时又为多个设备提供电源 。
5） 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，
是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线
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等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆
要求等。
1.3 典型现场总线简述
上世纪 80 年代以来，国际上的知名大公司先后推出了几种工业现场总线和现场
通 讯 协 议 ， 目 前 流 行 的 主 要 有 FF(Fieldbus<Foundation 基 金 会 现 场 总 线 ) 、
Profibus(Process<Fieldbus) 、 CAN(Controller<Area<Network 控 制 器 局 域 网 ) 、
WorldFIP(Factory<Instrumentation<Protocol 世界工厂仪表协议)等。其主要技术差异及适
用场合如下：
1） FF 现场总线
基金会现场总线以 ISO/OSI 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、
应用层为 FF 通讯模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。FF 分低速 H1 和高
速 H2 两种通讯速率。H1 的传输速率为 1.25kbit/s，通讯距离可达 1900m(可加中继器
延长)，可支持总线供电，支持本质安全防暴环境。H2 的传输速率为 1M 和 2.5kbit/s
两种，其通讯距离分别为 750m 和 500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发
射，协议符合 IEC11582 标准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。主要应用在
过程自动化领域，如：化工、电力、油田和废水处理等。
2） Profibus 现场总线
Profibus 系列由 Profibus-DP、Profibus-FMS 和 Profibus-PA 等 3 个兼容部分组成。
Profibus 采用了 OSI 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分
的子集。Profibus 的传输速率为 9.6kbit/s～12Mbit/s，最大传输距离在 12Mbit/s 时为
100m，1.5Mbit/s 时为 400m，可用中继器延长至 10km。其传输介质可以是双绞线和光
缆。主要应用领域有：DP 型适合于加工自动化领域的应用，如制药、水泥、食品、
电力、发电、输配电；FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一
般自动化制造业自动化；PA 型则是用于过程自动化的总线类型。
3） CAN 现场总线
CAN 的网络设计采用了符合 ISO/OSI 网络标准模型的三层结构模型：即物理层、数
据链路层和应用层，网络的物理层和链路层的功能由 CAN 接口器件完成，而应用层
的功能由处理器来完成。通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性；采用短帧结构，
传输时间短，抗干扰；节点分不同优先级，可满足不同的实时性要求。其传输介质可
以用双绞线、同轴电缆或光纤等，通讯速率最高可达 1Mbit/s(40m)，直接传输距离最
远可达 10km(5kbit/s)。主要应用领域有：汽车制造、机器人、液压系统、分散性
I/O、工具机床、医疗器械。
4）Lonworks 现场总线
LonWorks 采用了与 OSI 参考模型相似的 7 层协议结构，LonWorks 技术的核心是具
备通信和控制功能的 Neuron 芯片。Neuron 芯片实现完整的 LonWorks 的 LonTalk 通信
协议，节点间可以对等通信。LonWorks 通信速率为 78K<bit/s～1.25M<bit/s，支持多种
物理介质，有双绞线、光纤、同轴电缆、电力线载波及无线通信等；并支持多种拓扑
结构，组网灵活。主要应用领域有：工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA 系
统等，在组建分布式监控网络方面有优越的性能。
5）WorldFIP 现场总线
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