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李  曦，方康玲，傅曉薇

1  引言
70年代工業(yè)控制儀表統(tǒng)一采用4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，但隨著信息量的增加，出現(xiàn)了4~20mA傳輸?shù)钠款i效應(yīng)。為了解決這一效應(yīng)，80年代出現(xiàn)了一種新技術(shù)―現(xiàn)場總線（FieldBus），現(xiàn)場總線的技術(shù)關(guān)鍵就是把通訊總線一直延伸到現(xiàn)場設(shè)備，使許多現(xiàn)場設(shè)備（如PLC、智能變送器、變頻器）可在同一總線進(jìn)行雙向多信息數(shù)字通訊；并且采用國際性現(xiàn)場總線后，可以方便地使用不同廠家生產(chǎn)的控制測量系統(tǒng)相互連接成通訊網(wǎng)絡(luò)。目前，絕大多數(shù)傳動設(shè)備驅(qū)動采用變頻驅(qū)動控制。但變頻器控制大多采用模擬信號連接，使現(xiàn)場信號的連接的工作量大、費(fèi)用高。鑒于此，本文介紹一種采用PROFIBUS-DP過程現(xiàn)場總線通訊技術(shù)的數(shù)字連接控制方案，自動化單元和變頻器采用不同廠家的產(chǎn)品，分別采用西門子公司的S7-300PLC和ABB公司的ACS627交流變頻器，并結(jié)合某廠鼓風(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)場總線技術(shù)的變頻器通訊原理及實(shí)現(xiàn)方法。
2  PROFIBUS總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)以西門子公司和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，其中PLC為西門子公司的SIMATIC S7-315-2DP型和S7-200，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S7-300 PLC編程和對PROFIBUS-DP網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)和通訊設(shè)置。用S7-315-2DP在PROFIBUS-DP網(wǎng)中作為主站(Master)時，可分別帶像ACS627變頻器從站(Slave)共32個。當(dāng)然，從站也可以是其他現(xiàn)場智能設(shè)備，如S7-200、ET200系列。
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。

 
圖1  PROFIBUS-DP網(wǎng)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3  通訊機(jī)理
3.1  PROFIBUS的特點(diǎn)及介質(zhì)存取方式
PROFIBUS(Process FieldBus―過程現(xiàn)場總線)為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)。其由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP三部分組成，其中PROFIBUS-DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場級，是一種高速的通信連接，它被設(shè)計(jì)為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I/O之間進(jìn)行通信使用，因而可滿足快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。
PROFIBUS-DP參考模型是根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)第1層（物理層）、第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口層建立的，由于工業(yè)上的特殊需要省略了3～6層。
PROFIBUS-DP的物理層與OSI參考模型的第1層相同，其主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，以透明地傳送比特流，它采用ETA RS485協(xié)議，半雙工方式，傳輸速率在9.6K~12M波特率之間可選，對應(yīng)的通訊距離在1000米~100米。根據(jù)最大傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖2種傳輸電纜。
PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)允許單主從或多主從系統(tǒng)。單主從系統(tǒng)主從站之間采用主從原理通訊。圖1為單主多從型，這種方式的特點(diǎn)：S7-300作為系統(tǒng)主站在工作時間內(nèi)一直占有總線控制權(quán)，與網(wǎng)中的從站進(jìn)行通訊為純主從式通訊。若兩個以上的SIMATIC S7作為主站組成多主系統(tǒng)時，采用的是邏輯令牌環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。令牌總線中的令牌是一種特殊的電文，它在主站之間傳遞控制權(quán)。令牌總線方式使得某個得到令牌的主站可在一個事先規(guī)定的時間段內(nèi)得到總線控制權(quán)，在這段時間內(nèi)允許這個主站在一定的時間內(nèi)執(zhí)行主站工作，這個主站可依照與主站或從站的關(guān)系表和所有的主站或所有的從站進(jìn)行通信。若該主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)完了所需要發(fā)送的幀，或者該主站的控制時間終了時，它就將主站令牌傳遞給下一個主站。
3.2  高級數(shù)據(jù)鏈路控制的幀結(jié)構(gòu)及類型
圖1中主站與從站之間的通訊介質(zhì)存取控制規(guī)約符合ISO的OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層中HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議）的非平衡正常響應(yīng)模式，主站與從站之間HDLC傳送幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中F為標(biāo)志字段(8位)；A為地址字段，在非平衡模式下為從站地址；控制字段C作為HDLC幀的關(guān)鍵字段表示了幀類型、編號、命令和控制信息，如圖3所示，控制字段C將HDLC的幀分成了3種類型：信息幀(I)、監(jiān)控幀(S)與無編號幀(U)。

 
圖2  PROFIBUS-DP的HDLC結(jié)構(gòu)

 
圖3  HDLC控制字段的3種格式

信息幀(Information)中N(S)表示當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)幀的順序號；N(R)表示該站下一接收幀的序號，N(R)有捎帶確認(rèn)的作用，它表示該站已正確接收序號為[N(R)-1]幀及以前的各幀。下一次應(yīng)接收序號為N(R)值的幀，N(R)與N(S)用于全雙工通信的幀發(fā)送與接收順序控制、差錯控制與流量控制等通信控制。信息幀中的探詢/終止(P/F，Poll/Final)位與S和U幀中的相同。
監(jiān)控幀(Supervisory)不帶有數(shù)據(jù)信息，除了用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)督控制功能，還可以用于協(xié)調(diào)通信雙方狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)差錯控制與流量控制的作用。
無編號幀(Unnumbered)用于提供附加的鏈路控制功能，可以在需要時發(fā)出，而不影響信息幀的交換順序。
信息字段I則是由PKW+PZD的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成，其中PKW字段用于寫入控制字或讀出狀態(tài)字等更改和觀察變頻器的任意參數(shù)一般為4個字長；PZD字段用于變頻器的具體控制字、設(shè)置點(diǎn)（任務(wù)：主站至變頻器）或狀態(tài)字的實(shí)際值（響應(yīng)：變頻器至主站）的數(shù)據(jù)傳輸，一般為2～10個字長。
在變頻傳動裝置PROFIBUS的結(jié)構(gòu)中，ABB變頻器使用PROFIBUS-DP通訊模塊（NPBA-12）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸主要是周期性的：主機(jī)從從機(jī)讀取輸入信息并把輸出信息反送給從機(jī)。在周期性的數(shù)據(jù)傳輸中，周期型通道通信使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為PPO（參數(shù)過程對象）消息，報(bào)文結(jié)構(gòu)及PPO消息類型如圖4所示。

圖4  周期型傳輸報(bào)文結(jié)構(gòu)及PPO對象類型

用周期型通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可用數(shù)據(jù)被劃分成兩個區(qū)域：過程數(shù)據(jù)區(qū)（PZD）和參數(shù)區(qū)（PKW），它們以各自的報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。控制字、設(shè)定值和狀態(tài)字、實(shí)際值須依照“過程數(shù)據(jù)連接”所規(guī)定的路徑進(jìn)行連接，過程數(shù)據(jù)的傳輸才有效。FCS為幀校驗(yàn)字段，每幀都包含此序列，它可對整個幀的內(nèi)容，即地址、控制和信息等作循環(huán)冗余校驗(yàn)。
3.3  數(shù)據(jù)鏈路層工作過程
圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為非平衡多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：由一個主站控制著多個從站，主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個主站應(yīng)與多個從站中的每一個從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路；HDLC的數(shù)據(jù)傳輸模式采用了正常響應(yīng)模式(NRM，Normal Response Mode)，在這種模式下，從站由主站發(fā)送“置正常響應(yīng)模式”（SNRM）而置于此方式，從站可以發(fā)送多個幀，直到以下一種情況發(fā)生為止：從站沒有信息幀可發(fā)送，未完成幀的數(shù)目已達(dá)最大值或從站被主站停止。下面以圖1中主站和從站2為例具體說明PROFIBUS-DP網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程。具體分3個階段：數(shù)據(jù)鏈路的建立，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)鏈路的釋放，如圖5所示。

 
圖5  PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程

第一階段為數(shù)據(jù)鏈路的建立階段。主站使用U幀的SNRM命令，在地址字段A中填入從站A的地址，表示在多個從站的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)中選擇A為與之連接的從站，探詢位P為1，記為U:A，SNRM，P。從站A接到SNRM命令后，用U幀的無編號確認(rèn)命令UA作為響應(yīng)主站建立數(shù)據(jù)鏈路的確認(rèn)，記為U:A，UA，F(xiàn)。終止位F用于主站對探詢P的應(yīng)答。
第二階段為數(shù)據(jù)幀的傳輸階段，主站中的固有程序循環(huán)執(zhí)行，向特定的數(shù)據(jù)塊DBi中寫入指令參數(shù)，特定的功能塊FBj從中讀取參數(shù)并向從站2發(fā)送，第一個編號為0的信息幀中N(S)=0，由于未接到2的從站幀，N(R)=0，此I幀記為I:A，N(S)=0，N(R)=0，第二、三個從主站連續(xù)發(fā)送的信息幀則記為I:A，N(S)=1，N(R)=0與I:A，N(S)=2，N(R)=0。如果主站在發(fā)送第三個幀時使用了探詢位P，而且從站2也有信息幀要發(fā)送，則此I幀記為I:A，N(S)=0，N(R)=3，其中N(S)=0表示從站2發(fā)送的I幀序號為0；N(R)=3表示從站2已正確接收序號為2及它以前的I幀，下一次主站發(fā)送的I幀序號應(yīng)為3，這里的N(R)也起到了對主站發(fā)送I幀的捎帶確認(rèn)作用，若從站2只有一幀發(fā)送，應(yīng)標(biāo)志終止符F，此時的I幀為I:A，N(S)=0，N(R)=3，F(xiàn)。
第三階段為數(shù)據(jù)鏈路的釋放階段。當(dāng)主站和從站2都沒有信息幀要發(fā)送，或者主站將與從站1建立鏈路連接時，則應(yīng)釋放此鏈路連接，此時，主站可使用U幀釋放連接命令DISC，從站2用U幀的UA予以確認(rèn)。至此，一次完整的數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程結(jié)束。
4  過程數(shù)據(jù)互連及應(yīng)用實(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，被傳送的過程數(shù)據(jù)才是有效的。
具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
4.1  STEP7項(xiàng)目系統(tǒng)組態(tài)及通信編程
(1)  使用STEP7組態(tài)軟件，進(jìn)入Hardware Configure完成S7-300 PLC硬件組態(tài)。
(2)  選定S7-315-2DP為主站系統(tǒng)，將NPBA-12的GSD(設(shè)備數(shù)據(jù)庫)文件倒入STEP7的編程環(huán)境中，軟件組態(tài)NPBA-12到以S7-315-2DP為主站的DP網(wǎng)上，并選定使用的PPO類型（如PPO3），設(shè)定站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址。如果選擇其它的PPO類型，考慮到所取信號的PZD碼字節(jié)數(shù)大于4個字節(jié)，因?yàn)檫B接驅(qū)動裝置從站的數(shù)據(jù)是一個整體，如果數(shù)據(jù)多于4個字節(jié)，它們會成為連續(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)用兩個功能塊SFC14和SFC15來讀寫這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對變頻器的通信控制。
(3)  建立一數(shù)據(jù)塊，用于與變頻器數(shù)據(jù)通信；建立一變量表，用于觀測實(shí)時通訊效果。
4.2  變頻器參數(shù)設(shè)置及過程參數(shù)互連
(1)  啟動變頻器，完成如下參數(shù)設(shè)置：
50.02-(0)DP；（選擇PROFIBUS-DP協(xié)議）
50.03-(3)PPO4；（選擇PPO類型，變頻器上的PPO類型應(yīng)與PLC上組態(tài)的PPO類型一致）
50.04=2；（NPBA-12的總線地址，即變頻器的站點(diǎn)地址）
(3)  過程參數(shù)互連：過程參數(shù)互連完成NPBA-12雙端口RAM連接器與變頻器相應(yīng)參數(shù)的定義和連接，包括主站（PLC）到變頻器的連接和變頻器到主站（PLC）的連接兩部分。在變頻器上設(shè)定下列連接參數(shù)。
①  從PLC發(fā)送到傳動裝置變頻器的PZD值：
PZD1-控制值、PZD2-頻率給定值、PZD3-速度設(shè)定值。
②  傳動裝置變頻器發(fā)送到PLC的PZD值。
PZD1-狀態(tài)值、PZD2-頻率實(shí)際值、PZD3-速度實(shí)際值。
(4)  上述參數(shù)設(shè)置正確后，S7-300PLC就可以與變頻器進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)通訊了。在變量表中，進(jìn)行在線監(jiān)視，可觀測其通訊情況。
5  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，使該網(wǎng)的實(shí)時性遠(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。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、可靠的信號傳輸。但在實(shí)際使用時，也存在一定的缺陷，如若向網(wǎng)中增加或刪減站點(diǎn)時，就要重新初始化整個網(wǎng)絡(luò)，并對各站重新排序，這一過程實(shí)現(xiàn)起來是比較麻煩的。但與以前的分散型控制技術(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，它只是簡單地測量外部信息并轉(zhuǎn)化成模擬信號進(jìn)行傳輸，而FCS系統(tǒng)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(diǎn)；其次，將現(xiàn)場儀表獲得的故障信息分散在現(xiàn)場裝置中進(jìn)行控制、報(bào)警和趨勢分析，從而實(shí)現(xiàn)了“危險(xiǎn)分散”，增加了整個系統(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)場總線控制網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)：
[1]  ABB ACS600固件手冊.
[2]  ABB傳動安裝啟動指南PROFIBUS適配器模塊NPBA-12.
[3]  SIEMENS STEP7 5.0使用手冊.
[4]  陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社.