基于Profibus-DP的現(xiàn)場總線通信技術(shù)

Profibus是目前工控系統(tǒng)中最成功的現(xiàn)場總線之一，得到了廣泛的應(yīng)用。Profibus-DP(Distributed I/O System-分布式I/O系統(tǒng))是一種經(jīng)過優(yōu)化的模塊，有較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的通信，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)尤為合適。Profibus-DP主要用于中央處理器與分散外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)通信，完成自動控制系統(tǒng)(如PLC，PC等)通過高速串行總線與分散的現(xiàn)場設(shè)備(I/O、驅(qū)動器、閥門等)之間的通信任務(wù)。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對時間要求苛刻的自動化控制系統(tǒng)中。Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)可使許多現(xiàn)場設(shè)備(如PLC、智能變送器、變頻器)在同一總線進(jìn)行雙向多信息數(shù)字通信，因此可方便地使用不同廠家生產(chǎn)的控制測量系統(tǒng)相互連接成通信網(wǎng)絡(luò)。

1 Profibus的三種總線技術(shù)

Profibus為多主從結(jié)構(gòu)，可方便地構(gòu)成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng)。

圖1 Profibus總線訪問方式兼有多主通信和主從通信

Profibus 總線訪問方式兼有多主通信和主從通信，如圖1所示，Profibus-PA適用于安全性要求較高的場合。PA具有本質(zhì)安全特性，其實現(xiàn)了IEC1158-2(物理層)規(guī)定的通信的規(guī)程。Profibus-PA使用Profibus-DP的基本功能傳送測量值和狀態(tài)，并用擴(kuò)展的Profibus-DP功能制定現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)和進(jìn)行設(shè)備操作。Profibus-PA的過程自動化解決方案中PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備(壓力，溫度和液位變送器等)連接起來，代替了4～20mA模擬信號傳輸技術(shù)，節(jié)約成本，這種傳輸技術(shù)大大提高了系統(tǒng)功能和安全可靠性，并使現(xiàn)場設(shè)備通過總線供電。

2數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)及參數(shù)

2.1 Profibus-DP的傳輸技術(shù)

Profibus-DP的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)可以是雙絞線和光纖電纜。RS-485傳輸技術(shù)是Profibus-DP最常用的一種傳輸技術(shù)，設(shè)備簡單，傳輸速率高，采用的電纜為屏蔽雙絞銅線。在使用RS-485接口時，對于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號速率的函數(shù)，這個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。RS-485帶轉(zhuǎn)發(fā)器最多可到127點,當(dāng)數(shù)據(jù)信號速率降低到90Kbit/s以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，則電纜長度被限制在120m。使用不同線徑的電纜，則取得的最大電纜長度是不相同的。

總線系統(tǒng)分成若干個段，段與段之間用中繼器連接。每個段最多可連接32個站各站連接示意圖見如圖2，中繼器也計數(shù)為一個站，要覆蓋更長的距離，可建立連接段，連接段不連接任何站。2.2光纖傳輸技術(shù)

在電磁干擾很大的場合，可使用光纖導(dǎo)體，以增大高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x。一種專用的總線插頭可將RS-485信號轉(zhuǎn)換成光纖信號或者將光纖信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號，這使得在同一系統(tǒng)中，可同時使用RS-485和光纖傳輸技術(shù)。

2.3注意的問題

在相連各站時，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，如果使用的是屏蔽編織線和屏蔽箔，則應(yīng)在兩端與保護(hù)地連接，并通過盡可能大面積的屏蔽線來覆蓋，以保持良好的傳導(dǎo)性。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率大于500Kbps時應(yīng)避免使用短接線，而應(yīng)使用Profibus專用的插頭來連接數(shù)據(jù)輸入線和輸出電纜。接口電路可以自行設(shè)計，也可以直接采用西門子IM183-1從站模塊。接口電路必須提供RXD/TXD-P和RXD/TXD-N信號。

3 Profibus總線訪問協(xié)議

Profibus的DP、FMS和PA采用單一的總線訪問協(xié)議。在Profibus中，總線訪問協(xié)議由第2層現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）實現(xiàn)。Profibus協(xié)議的設(shè)計旨在媒體通信期間，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成其通信任務(wù)時數(shù)據(jù)的通信，應(yīng)盡可能地快速和簡單。因此，Profibus總線訪問協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，如圖3所示。

主設(shè)備間的令牌邏輯環(huán)

圖3 Profibus總線訪問協(xié)議

令牌傳遞方式采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)上各主站傳遞程序保證了每個主站在一個確切規(guī)定的時間段內(nèi)得到總線訪問權(quán)（令牌）。令牌信息是一條特殊的報文，它在主站之間傳遞總線訪問權(quán)。令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是事先規(guī)定的。在Profibus中，令牌傳遞僅在各主站間通信時使用。

主從方式允許主站在得到總線訪問令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或索取信息。通過這種訪問方法，有可能實現(xiàn)下列系統(tǒng)配置：純主-從系統(tǒng)；純主-主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）；混合系統(tǒng)。

圖3為由3個主站和7個從站構(gòu)成的Profibus系統(tǒng)。3個主站構(gòu)成令牌邏輯環(huán)，當(dāng)某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時間內(nèi)，它可依照主-從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主-主關(guān)系表與所有主站通信。

令牌邏輯環(huán)是所有主站的組織鏈，按照它們的地址構(gòu)成。在這個環(huán)中，令牌（總線訪問權(quán)）在規(guī)定的時間內(nèi)按照次序（地址的升序）在各主站中依次傳遞。

在總線系統(tǒng)初建時，主站媒體訪問控制（MAC）的任務(wù)是制定總線上的站點分配，并建立令牌邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中被排除，新上電的主站必須加入令牌邏輯環(huán)。總線訪問控制保證令牌按地址升序依次在各主站間傳遞，各主站的令牌具體保持時間長短取決于該令牌配置的循環(huán)時間。另外，Profibus媒體訪問控制還可監(jiān)測傳輸介質(zhì)及收發(fā)器是否有故障、檢查站點地址是否出錯（如地址重復(fù)）以及令牌錯誤（如多個令牌或令牌丟失）。

第2層的另一重要任務(wù)是，保證數(shù)據(jù)的可靠性。Profibus第2層的結(jié)構(gòu)格式保證高度的數(shù)據(jù)完整性，這是依靠所有報文的距離HD=4以及使用特殊的起始和結(jié)束定界符、無間距的字節(jié)同步傳輸和每個字節(jié)的奇偶校驗來保證的。

4 3 Profibus在PLC與變頻器之間的通信

3.1系統(tǒng)配置

采用西門子公司和ABB公司的相關(guān)產(chǎn)品實現(xiàn)的全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)采用的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)配置如圖4所示。PLC為西門子公司的SIMATIC S7-315-2DP，變頻器為ACS600系列，NPBA-12為與變頻器配套的通信適配器。編程軟件為STEP7 V5.2軟件，用于對S7-300 PLC編程和對Profibus-DP網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)和通信配置。上位機(jī)采用WinCC5.1進(jìn)行畫面編程和操作，與PLC通信采用以太網(wǎng)通信方式。

4.2通信協(xié)議

在該系統(tǒng)中，S7-300 PLC作為主站，變頻器作為從站時，主站向變頻器傳送運行指令，同時接受變頻器反饋的運行狀態(tài)及故障報警狀態(tài)的信號。變頻器與NPBA-12通信適配器模塊相連，接入Profibus-DP網(wǎng)中作為從站，接受從主站SIMATIC

S7-315-2DP來的控制信號。NPBA-12通信適配器模塊將從Profibus-DP網(wǎng)中接收到的過程數(shù)據(jù)存入雙向RAM中，每一個字都被編址，在變頻器端的雙向RAM中，可通過被編址參數(shù)排序，向變頻器寫入控制字、設(shè)置值或讀出實際值、診斷信息等參量。

在變頻傳動裝置Profibus的結(jié)構(gòu)中，ABB變頻器使用Profibus-DP通信模塊(NPBA-12)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)從從站讀取輸入信息并把輸出信息反送給從站，因此需要在PLC主程序中調(diào)用兩個系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15來讀寫這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)變頻器的通信控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫傳森，錢平.變頻器技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2005

[2]崔維群，孫啟法.S7-300/400可編程控制器原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010

[3]宋伯生.PLC編程實用指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

[4]陳瑞，席魏，宋柏青. 工業(yè)自動化項目設(shè)計實踐[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[5] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008