關鍵詞:現場總線; Profibus; 主站; 從站; 變頻器
1 引言
現場總線技術的開發目標是打破 DCS系統孤立、開放程度低的現狀 ,建立起不依賴任何廠商的開放式控制系統 ,并建立統一的工廠底層信息網絡 ,任何遵守相同標準的不同廠家生產的設備均可與之連接 ,實現信息交換和互可操作 ,實現設備即插即用。但是現場總線作為一門新興的控制技術 ,目前正處于發展階段 ,技術還不成熟。當前在國際上有影響的現場總線標準很多（單是 1999 年 IEC 組織投票通過的現場總線國際標準IEC61158就有八九種） 。協議的不統一 ,給現場總線控制系統的集成帶來了很大困難 ,無法實現互可替換和互可操作 ,并嚴重阻礙了現場總線控制系統的推廣和應用。對此 ,本文針對不同廠商生產的現場總線設備 ,采用在國際上有很大影響力的 Profibus現場總線的相互連接和通信進行研究 , 并結合貴州水鋼焦化廠鼓風機高壓變頻調速系統的項目介紹采用 Profibus - DP現場總線技術的變頻器通訊原理及實現方法。
2 Profibus 通訊原理
2.1 總線拓撲結構
Profibus系統有 3 種總線拓撲結構: RS485、光纖和符合IEC1158- 2（Profibus - PA）的總線拓撲。DPΠFMS采用 RS485 連接 ,通信介質采用屏蔽雙絞線或光纜 ,通信距離從 100～1200m,速率范圍為96kbps～12Mbps。系統中最大站點數為127個 ,當系統中需連接的站多于 時 使用中繼器相連接。使用中繼器可32 ,以實現樹型和星型總線結構。 采用PA IEC1158 - 2連接技術。
2.2 通信實現原理
Profibus使用混合的總線存取控制機制來實現 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間窗口內擁有總線控制權 ,決定系統的通信 ,它采用主 - 從原理以輪循方式與從站通信 ,同時采用循環或非循環報文實現主 - 主通信。系統可以配置為單主 -從、多主多從或前兩者的混合系統。系統中相應地使用令牌總線程序和主 - 從完成數據通信。
（1）令牌總線程序 連接到 Profibus網絡上的主站按它的總線地址的升序組成一個邏輯令牌環。在邏輯令牌環中主站是一個接一個地排列的 ,控制令牌總按這個順序從一個站傳遞到下一個站。令牌提供存取傳輸介質的權力 ,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）的站點例外 ,它只傳遞令牌給具有最低總線地址的站點 ,以使邏輯令牌環閉合。在總線初始化和啟動階段 ,總線存取控制通過辨認主動節點來建立令牌環。為了管理控制令牌 ,MAC程序首先自動地判定總線上所有主動節點的地址 ,并將這些節點及它們的節點地址都記錄在LAS（主動站表）中。對于令牌管理而言 ,使用了兩個地址概念: PS節點（前一站）的地址 ,即下一站是從此站接收到令牌的;NS節點（下一站）的地址 ,即令牌傳遞給此站。在運行期間 ,為了從令牌環中去掉有故障的主動節點或增加新的主動節點到令牌環中而不影響總線上的數據通信 ,也需要LAS。
（2）主 - 從程序 在主 - 從系統中 ,主站與從站采用主 - 從程序實現通信。主 - 從系統允許主站當前有權發送、存取指定給它的從站設備 ,這些從站是被動節點。主站可以發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- 從總線存取程序為基礎的 ,DP主站循環地與 DP從站交換數據 。
3 通信互連設計
3.1 系統結構及設計
該系統以 Siemens公司和ABB公司的相關產品闡述全數字交流調速系統在 Profibus- DP網中的通訊及控制機理 。圖 1 為Profibus- DP網的一種典型配置 ,本系統為主從、多廠商設備的DP通訊系統 ,從站設備有簡單從站直至功能較強大的智能從站 ,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 ,上位機中裝有 STEP 7 軟件 ,用于對 S7 - 300 PLC編程和對 Profibus- DP網進行組態和通訊設置。Profibus系統配置相當靈活 ,網絡允許單子網或多子網配置 ,既允許單主 - 從系統運作 ,也允許多主站系統構成的多主 - 從系統運作。
（1）由 PC站、S7 - 300PLC、變頻器和遠程 IΠOS7 - 200組成的主 - 從系統 智能前端設備 ACS627 型變頻器與 NPBA - 12 通訊適配器模塊相連 ,接入 Profibus- DP網中作為從站 ,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網中接收到的過程數據存入雙向 RAM中 ,雙向 RAM中的每一個字都被編址 ,在變頻器端的雙向 RAM可通過被編址參數排序 ,向變頻器寫入控制字、設置值或讀出實際值、診斷信息等參量 。
（2）遠程 IOS7 - 200 作為簡單從站也掛在主站 CPU315 -Π2DP上 ,完成高壓開關部分的連鎖控制。
（3）PC站作監控站 ,同時也作為二類主站 ,完成 S7 - 300 系統的組態、下載和診斷功能。現場過程對象的控制由 S7 -300PLC來完成。
3.2 通信編程
（1） 利用 GSD 文件完成開放式組態 設備數據庫文件（GSD）描述了 Profibus設備的功能、特性及總線參數。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商生產的設備集成到一個總線系統中 ,不同的廠商為其DP設備提供有相應的 DP網絡配置及 GSD組態工具。
（2）編程實例 就該系統中 PLC（主站）與 ABB 變頻器（從站）通訊來考慮 ,實質上是一個過程數據互連的問題。過程數據互連為連接設定值和控制位到 NPBA - 12 的雙端口 RAM寄存器 ,包括設定值通道主站到變頻器過程數據互連、變頻器到實際值通道的過程數據互連和過程數據監視 。當所用的控制位及設定值、狀態字和實際值被連接到雙端口 RAM 時 ,被傳送的過程數據才是有效的。在 S7 - 315 - 2DP與變頻器通訊時 ,因為連接驅動裝置從站的數據是一個整體 ,如果數據多于4個字節 ,它們會成為連續數據 ,而 S7系統中 ,數據類型最大是雙字（4 個字節） ,只有當它們被分開后才能被讀出 ,因此需要在主程序中調用兩個功能塊 SFC14 和 SFC15 來讀寫這些數據 ,實現對變頻器的通信控制。
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從站連入網絡來實現通信。主站 S7 - 315 - 2DP的網絡配置使用 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。該緩沖區駐留在 S7- 200的變量存儲區（V存儲區） ,因此要求參數賦值中必須包含V存儲區的緩沖區的起始位置及輸入輸出的數據量 ,以確定緩沖區的大小 。
4 結論
從以上的討論可知 ,Profibus - DP網只有三層結構 ,是一種低級的工業局域網 ,而使用了主 - 從方式的介質存取控制方式 ,使得該網的實時性遠遠高于其它局域網 ,因而特別適合用于工業現場。該網在本項目的運用中效果良好 ,從站 ABB 變頻器、S7 - 200與主站 S7 - 300進行有效、可靠的信號傳輸。但在實際使用時 ,也存在一定的缺陷 ,如若向網中增加或刪減站點時 ,就要重新初始化整個網絡 ,并對各站重新排序 ,這一過程實現起來是比較麻煩的。但與以前的集散型控制技術 （DCS）相比 ,Profibus- DP網有著無可比擬的優點 。首先 ,在 DCS系統中 ,儀表是非智能化的設備 ,它只是簡單地測量外部信息并轉化成模擬信號進行傳輸.而 FCS系統則將采集到的檢測和控制信息就地處理并就地使用 ,因而具有智能化的特點 ;其次 ,將現場儀表獲得的故障信息分散在現場裝置中進行控制、報警和趨勢分析 ,從而實現了“危險分散”,增加了整個系統的可靠性;再者 ,采用了開放式的結構和統一的國際標準 ,網絡可采用多種拓樸結構和不同廠家的硬軟件和通信規程 ,即兼顧了產品的兼容性。最后 ,Profibus- DP網絡傳輸速度高、抗干擾能力強 ,是一種性能優良的現場總線控制網絡。
5 參考文獻:
1 ABB ACS600固件手冊Z
2 ABB傳動 安裝啟動指南Z. PROFIBUS 適配器模塊
NPBA- 12
3 SIEMENS STEP7 5.0 使用手冊Z
4 陽憲惠.現場總線技術及其應用M. 北京:清華大學
出版社 ,2001
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
