摘 要:鑒于通信問題是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)集成的一個(gè)主要問題 ,本文探討了現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,以 Profibus- DP工控網(wǎng)為基礎(chǔ),分析了其通信機(jī)理和鏈接方式 ,并建立了基于 PLC的主從站式控制現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。闡述了實(shí)現(xiàn) Profibus- DP變頻器控制通訊的原理及方法 ,并結(jié)合具體項(xiàng)目介紹了采用西門子 PLC之間以及和ABB變頻器的總線通訊。 關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)總線; Profibus; 主站; 從站; 變頻器 1 引言 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開發(fā)目標(biāo)是打破 DCS系統(tǒng)孤立、開放程度低的現(xiàn)狀 ,建立起不依賴任何廠商的開放式控制系統(tǒng) ,并建立統(tǒng)一的工廠底層信息網(wǎng)絡(luò) ,任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備均可與之連接 ,實(shí)現(xiàn)信息交換和互可操作 ,實(shí)現(xiàn)設(shè)備即插即用。但是現(xiàn)場(chǎng)總線作為一門新興的控制技術(shù) ,目前正處于發(fā)展階段 ,技術(shù)還不成熟。當(dāng)前在國際上有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)很多（單是 1999 年 IEC 組織投票通過的現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158就有八九種） 。協(xié)議的不統(tǒng)一 ,給現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的集成帶來了很大困難 ,無法實(shí)現(xiàn)互可替換和互可操作 ,并嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。對(duì)此 ,本文針對(duì)不同廠商生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備 ,采用在國際上有很大影響力的 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的相互連接和通信進(jìn)行研究 , 并結(jié)合貴州水鋼焦化廠鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的項(xiàng)目介紹采用 Profibus - DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的變頻器通訊原理及實(shí)現(xiàn)方法。 2 Profibus 通訊原理 2.1 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Profibus系統(tǒng)有 3 種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu): RS485、光纖和符合IEC1158- 2（Profibus - PA）的總線拓?fù)?。DPΠFMS采用 RS485 連接 ,通信介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纜 ,通信距離從 100～1200m,速率范圍為96kbps～12Mbps。系統(tǒng)中最大站點(diǎn)數(shù)為127個(gè) ,當(dāng)系統(tǒng)中需連接的站多于 時(shí) 使用中繼器相連接。使用中繼器可32 ,以實(shí)現(xiàn)樹型和星型總線結(jié)構(gòu)。 采用PA IEC1158 - 2連接技術(shù)。 2.2 通信實(shí)現(xiàn)原理 Profibus使用混合的總線存取控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn) Profibus通信 ,通信分主站和從站。主站間的通信采用邏輯令牌傳遞方式 ,擁有令牌的主站在確定的時(shí)間窗口內(nèi)擁有總線控制權(quán) ,決定系統(tǒng)的通信 ,它采用主 - 從原理以輪循方式與從站通信 ,同時(shí)采用循環(huán)或非循環(huán)報(bào)文實(shí)現(xiàn)主 - 主通信。系統(tǒng)可以配置為單主 -從、多主多從或前兩者的混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中相應(yīng)地使用令牌總線程序和主 - 從完成數(shù)據(jù)通信。 （1）令牌總線程序 　連接到 Profibus網(wǎng)絡(luò)上的主站按它的總線地址的升序組成一個(gè)邏輯令牌環(huán)。在邏輯令牌環(huán)中主站是一個(gè)接一個(gè)地排列的 ,控制令牌總按這個(gè)順序從一個(gè)站傳遞到下一個(gè)站。令牌提供存取傳輸介質(zhì)的權(quán)力 ,并用特殊的令牌幀在主站間傳遞。具有總線地址 HAS（最高站地址）的站點(diǎn)例外 ,它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點(diǎn) ,以使邏輯令牌環(huán)閉合。在總線初始化和啟動(dòng)階段 ,總線存取控制通過辨認(rèn)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)來建立令牌環(huán)。為了管理控制令牌 ,MAC程序首先自動(dòng)地判定總線上所有主動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地址 ,并將這些節(jié)點(diǎn)及它們的節(jié)點(diǎn)地址都記錄在LAS（主動(dòng)站表）中。對(duì)于令牌管理而言 ,使用了兩個(gè)地址概念: PS節(jié)點(diǎn)（前一站）的地址 ,即下一站是從此站接收到令牌的;NS節(jié)點(diǎn)（下一站）的地址 ,即令牌傳遞給此站。在運(yùn)行期間 ,為了從令牌環(huán)中去掉有故障的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)或增加新的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)到令牌環(huán)中而不影響總線上的數(shù)據(jù)通信 ,也需要LAS。 （2）主 - 從程序 　在主 - 從系統(tǒng)中 ,主站與從站采用主 - 從程序?qū)崿F(xiàn)通信。主 - 從系統(tǒng)允許主站當(dāng)前有權(quán)發(fā)送、存取指定給它的從站設(shè)備 ,這些從站是被動(dòng)節(jié)點(diǎn)。主站可以發(fā)送信息給從站或從從站獲取信息。典型的 Profibus - DP總線配置是以主- 從總線存取程序?yàn)榛A(chǔ)的 ,DP主站循環(huán)地與 DP從站交換數(shù)據(jù) 。 3 　通信互連設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)以 Siemens公司和ABB公司的相關(guān)產(chǎn)品闡述全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)在 Profibus- DP網(wǎng)中的通訊及控制機(jī)理 。圖 1 為Profibus- DP網(wǎng)的一種典型配置 ,本系統(tǒng)為主從、多廠商設(shè)備的DP通訊系統(tǒng) ,從站設(shè)備有簡單從站直至功能較強(qiáng)大的智能從站 ,如變頻器、S7 - 200PLC,等 ,主站為 Siemens公司的 SIMATICS7- 315 - 2DP,帶 CP5611 的 PC站可做二類 DP主站 ,用于編程、診斷等功能。交流變頻器為 ACS627型 ,NPBA - 12為與之配套的通訊適配器 ,上位機(jī)中裝有 STEP 7 軟件 ,用于對(duì) S7 - 300 PLC編程和對(duì) Profibus- DP網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)和通訊設(shè)置。Profibus系統(tǒng)配置相當(dāng)靈活 ,網(wǎng)絡(luò)允許單子網(wǎng)或多子網(wǎng)配置 ,既允許單主 - 從系統(tǒng)運(yùn)作 ,也允許多主站系統(tǒng)構(gòu)成的多主 - 從系統(tǒng)運(yùn)作。 （1）由 PC站、S7 - 300PLC、變頻器和遠(yuǎn)程 IΠOS7 - 200組成的主 - 從系統(tǒng) 智能前端設(shè)備 ACS627 型變頻器與 NPBA - 12 通訊適配器模塊相連 ,接入 Profibus- DP網(wǎng)中作為從站 ,接受從主站SIMATIC S7 - 315 - 2DP來的控制。NPBA - 12 通訊適配器模塊將從 Profibus- DP網(wǎng)中接收到的過程數(shù)據(jù)存入雙向 RAM中 ,雙向 RAM中的每一個(gè)字都被編址 ,在變頻器端的雙向 RAM可通過被編址參數(shù)排序 ,向變頻器寫入控制字、設(shè)置值或讀出實(shí)際值、診斷信息等參量 。 （2）遠(yuǎn)程 IOS7 - 200 作為簡單從站也掛在主站 CPU315 -Π2DP上 ,完成高壓開關(guān)部分的連鎖控制。 （3）PC站作監(jiān)控站 ,同時(shí)也作為二類主站 ,完成 S7 - 300 系統(tǒng)的組態(tài)、下載和診斷功能。現(xiàn)場(chǎng)過程對(duì)象的控制由 S7 -300PLC來完成。 3.2 通信編程 （1） 利用 GSD 文件完成開放式組態(tài) 　設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件（GSD）描述了 Profibus設(shè)備的功能、特性及總線參數(shù)。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成到一個(gè)總線系統(tǒng)中 ,不同的廠商為其DP設(shè)備提供有相應(yīng)的 DP網(wǎng)絡(luò)配置及 GSD組態(tài)工具。 （2）編程實(shí)例 　就該系統(tǒng)中 PLC（主站）與 ABB 變頻器（從站）通訊來考慮 ,實(shí)質(zhì)上是一個(gè)過程數(shù)據(jù)互連的問題。過程數(shù)據(jù)互連為連接設(shè)定值和控制位到 NPBA - 12 的雙端口 RAM寄存器 ,包括設(shè)定值通道主站到變頻器過程數(shù)據(jù)互連、變頻器到實(shí)際值通道的過程數(shù)據(jù)互連和過程數(shù)據(jù)監(jiān)視 。當(dāng)所用的控制位及設(shè)定值、狀態(tài)字和實(shí)際值被連接到雙端口 RAM 時(shí) ,被傳送的過程數(shù)據(jù)才是有效的。在 S7 - 315 - 2DP與變頻器通訊時(shí) ,因?yàn)檫B接驅(qū)動(dòng)裝置從站的數(shù)據(jù)是一個(gè)整體 ,如果數(shù)據(jù)多于4個(gè)字節(jié) ,它們會(huì)成為連續(xù)數(shù)據(jù) ,而 S7系統(tǒng)中 ,數(shù)據(jù)類型最大是雙字（4 個(gè)字節(jié)） ,只有當(dāng)它們被分開后才能被讀出 ,因此需要在主程序中調(diào)用兩個(gè)功能塊 SFC14 和 SFC15 來讀寫這些數(shù)據(jù) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的通信控制。 主站S7 - 315 - 2DP和從站S7 - 200（CPU224）之間的 Profibus- DP通信通過 EM277模塊將 S7 - 224作為DP從站連入網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)通信。主站 S7 - 315 - 2DP的網(wǎng)絡(luò)配置使用 STEP7 - 5.1 來完成 ,從站 S7 - 200 的 DP 通信編程在軟件 STEP7 Micro/WIN32V3.1完成 ,使用輸入和輸出緩沖區(qū)。該緩沖區(qū)駐留在 S7- 200的變量存儲(chǔ)區(qū)（V存儲(chǔ)區(qū)） ,因此要求參數(shù)賦值中必須包含V存儲(chǔ)區(qū)的緩沖區(qū)的起始位置及輸入輸出的數(shù)據(jù)量 ,以確定緩沖區(qū)的大小 。 4 結(jié)論 從以上的討論可知 ,Profibus - DP網(wǎng)只有三層結(jié)構(gòu) ,是一種低級(jí)的工業(yè)局域網(wǎng) ,而使用了主 - 從方式的介質(zhì)存取控制方式 ,使得該網(wǎng)的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它局域網(wǎng) ,因而特別適合用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。該網(wǎng)在本項(xiàng)目的運(yùn)用中效果良好 ,從站 ABB 變頻器、S7 - 200與主站 S7 - 300進(jìn)行有效、可靠的信號(hào)傳輸。但在實(shí)際使用時(shí) ,也存在一定的缺陷 ,如若向網(wǎng)中增加或刪減站點(diǎn)時(shí) ,就要重新初始化整個(gè)網(wǎng)絡(luò) ,并對(duì)各站重新排序 ,這一過程實(shí)現(xiàn)起來是比較麻煩的。但與以前的集散型控制技術(shù) （DCS）相比 ,Profibus- DP網(wǎng)有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn) 。首先 ,在 DCS系統(tǒng)中 ,儀表是非智能化的設(shè)備 ,它只是簡單地測(cè)量外部信息并轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸.而 FCS系統(tǒng)則將采集到的檢測(cè)和控制信息就地處理并就地使用 ,因而具有智能化的特點(diǎn) ;其次 ,將現(xiàn)場(chǎng)儀表獲得的故障信息分散在現(xiàn)場(chǎng)裝置中進(jìn)行控制、報(bào)警和趨勢(shì)分析 ,從而實(shí)現(xiàn)了“危險(xiǎn)分散”,增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性;再者 ,采用了開放式的結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn) ,網(wǎng)絡(luò)可采用多種拓樸結(jié)構(gòu)和不同廠家的硬軟件和通信規(guī)程 ,即兼顧了產(chǎn)品的兼容性。最后 ,Profibus- DP網(wǎng)絡(luò)傳輸速度高、抗干擾能力強(qiáng) ,是一種性能優(yōu)良的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)。 5 參考文獻(xiàn): 1 　ABB ACS600固件手冊(cè)Z 2 　ABB傳動(dòng) 安裝啟動(dòng)指南Z. PROFIBUS 適配器模塊 NPBA- 12 3 　SIEMENS STEP7 5.0 使用手冊(cè)Z 4 　陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用M. 北京:清華大學(xué) 出版社 ,2001