基于Profibus-DP的現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)

Profibus是目前工控系統中最成功的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，得到了廣泛的應用。Profibus-DP(Distributed I/O System-分布式I/O系統)是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模塊，有較高的數據傳輸率，適用于系統和外部設備之間的通信，遠程I/O系統尤為合適。Profibus-DP主要用于中央處理器與分散外圍設備之間的高速數據通信，完成自動(dòng)控制系統(如PLC，PC等)通過(guò)高速串行總線(xiàn)與分散的現場(chǎng)設備(I/O、驅動(dòng)器、閥門(mén)等)之間的通信任務(wù)。它允許高速度周期性的小批量數據通信，適用于對時(shí)間要求苛刻的自動(dòng)化控制系統中。Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)系統可使許多現場(chǎng)設備(如PLC、智能變送器、變頻器)在同一總線(xiàn)進(jìn)行雙向多信息數字通信，因此可方便地使用不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的控制測量系統相互連接成通信網(wǎng)絡(luò )。

1 Profibus的三種總線(xiàn)技術(shù)

Profibus為多主從結構，可方便地構成集中式、集散式和分布式控制系統。

圖1 Profibus總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)方式兼有多主通信和主從通信

Profibus 總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)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(chǎng)合。PA具有本質(zhì)安全特性，其實(shí)現了IEC1158-2(物理層)規定的通信的規程。Profibus-PA使用Profibus-DP的基本功能傳送測量值和狀態(tài)，并用擴展的Profibus-DP功能制定現場(chǎng)設備的參數和進(jìn)行設備操作。Profibus-PA的過(guò)程自動(dòng)化解決方案中PA將自動(dòng)化系統和過(guò)程控制系統與現場(chǎng)設備(壓力，溫度和液位變送器等)連接起來(lái)，代替了4～20mA模擬信號傳輸技術(shù)，節約成本，這種傳輸技術(shù)大大提高了系統功能和安全可靠性，并使現場(chǎng)設備通過(guò)總線(xiàn)供電。

2數據傳輸介質(zhì)及參數

2.1 Profibus-DP的傳輸技術(shù)

Profibus-DP的數據傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)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)，設備簡(jiǎn)單，傳輸速率高，采用的電纜為屏蔽雙絞銅線(xiàn)。在使用RS-485接口時(shí)，對于特定的傳輸線(xiàn)經(jīng)，從發(fā)生器到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長(cháng)度是數據信號速率的函數，這個(gè)長(cháng)度數據主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。RS-485帶轉發(fā)器最多可到127點(diǎn),當數據信號速率降低到90Kbit/s以下時(shí)，假定最大允許的信號損失為6dBV時(shí)，則電纜長(cháng)度被限制在120m。使用不同線(xiàn)徑的電纜，則取得的最大電纜長(cháng)度是不相同的。

總線(xiàn)系統分成若干個(gè)段，段與段之間用中繼器連接。每個(gè)段最多可連接32個(gè)站各站連接示意圖見(jiàn)如圖2，中繼器也計數為一個(gè)站，要覆蓋更長(cháng)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(chǎng)合，可使用光纖導體，以增大高速傳輸的最大距離。一種專(zhuān)用的總線(xiàn)插頭可將RS-485信號轉換成光纖信號或者將光纖信號轉換成RS-485信號，這使得在同一系統中，可同時(shí)使用RS-485和光纖傳輸技術(shù)。

2.3注意的問(wèn)題

在相連各站時(shí)，應確保數據線(xiàn)不要擰絞，如果使用的是屏蔽編織線(xiàn)和屏蔽箔，則應在兩端與保護地連接，并通過(guò)盡可能大面積的屏蔽線(xiàn)來(lái)覆蓋，以保持良好的傳導性。當數據傳輸速率大于500Kbps時(shí)應避免使用短接線(xiàn)，而應使用Profibus專(zhuān)用的插頭來(lái)連接數據輸入線(xiàn)和輸出電纜。接口電路可以自行設計，也可以直接采用西門(mén)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(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議

Profibus的DP、FMS和PA采用單一的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議。在Profibus中，總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議由第2層現場(chǎng)總線(xiàn)數據鏈路層（FDL）實(shí)現。Profibus協(xié)議的設計旨在媒體通信期間，必須保證在確切限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來(lái)完成其通信任務(wù)時(shí)數據的通信，應盡可能地快速和簡(jiǎn)單。因此，Profibus總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)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。

主設備間的令牌邏輯環(huán)

圖3 Profibus總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議

令牌傳遞方式采用總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，網(wǎng)上各主站傳遞程序保證了每個(gè)主站在一個(gè)確切規定的時(shí)間段內得到總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權（令牌）。令牌信息是一條特殊的報文，它在主站之間傳遞總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權。令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長(cháng)時(shí)間是事先規定的。在Profibus中，令牌傳遞僅在各主站間通信時(shí)使用。

主從方式允許主站在得到總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)令牌時(shí)可與從站通信，每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或索取信息。通過(guò)這種訪(fǎng)問(wèn)方法，有可能實(shí)現下列系統配置：純主-從系統；純主-主系統（帶令牌傳遞）；混合系統。

圖3為由3個(gè)主站和7個(gè)從站構成的Profibus系統。3個(gè)主站構成令牌邏輯環(huán)，當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時(shí)間內執行主站工作。在這段時(shí)間內，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，按照它們的地址構成。在這個(gè)環(huán)中，令牌（總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權）在規定的時(shí)間內按照次序（地址的升序）在各主站中依次傳遞。

在總線(xiàn)系統初建時(shí)，主站媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）的任務(wù)是制定總線(xiàn)上的站點(diǎn)分配，并建立令牌邏輯環(huán)。在總線(xiàn)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)?？偩€(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)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(shí)間長(cháng)短取決于該令牌配置的循環(huán)時(shí)間。另外，Profibus媒體訪(fǎng)問(wèn)控制還可監測傳輸介質(zhì)及收發(fā)器是否有故障、檢查站點(diǎn)地址是否出錯（如地址重復）以及令牌錯誤（如多個(gè)令牌或令牌丟失）。

第2層的另一重要任務(wù)是，保證數據的可靠性。Profibus第2層的結構格式保證高度的數據完整性，這是依靠所有報文的距離HD=4以及使用特殊的起始和結束定界符、無(wú)間距的字節同步傳輸和每個(gè)字節的奇偶校驗來(lái)保證的。

4 3 Profibus在PLC與變頻器之間的通信

3.1系統配置

采用西門(mén)子公司和ABB公司的相關(guān)產(chǎn)品實(shí)現的全數字交流調速系統采用的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )配置如圖4所示。PLC為西門(mén)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。上位機采用WinCC5.1進(jìn)行畫(huà)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

在該系統中，S7-300 PLC作為主站，變頻器作為從站時(shí)，主站向變頻器傳送運行指令，同時(shí)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(lái)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(guò)程數據存入雙向RAM中，每一個(gè)字都被編址，在變頻器端的雙向RAM中，可通過(guò)被編址參數排序，向變頻器寫(xiě)入控制字、設置值或讀出實(shí)際值、診斷信息等參量。

在變頻傳動(dòng)裝置Profibus的結構中，ABB變頻器使用Profibus-DP通信模塊(NPBA-12)進(jìn)行數據傳輸，主機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主程序中調用兩個(gè)系統功能塊SFC14和SFC15來(lái)讀寫(xiě)這些數據，實(shí)現變頻器的通信控制。

參考文獻

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