当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

PROFIBUS现场总线通讯技术的应用研究


《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 3 期

现场总线与网络
Field Bus and Network

PROFIBUS 现场总线通讯技术的应用研究
李   , 曹广益 , 方康玲 , 付晓薇 曦
( 上海交通大学电子信息学院 自动化系 , 上海   200030)

摘 要 : 鉴于通信问题是现场总线控制系统集成的一个主要问题 ,本文探讨了现场总线的拓扑结构 ,以 Profibus - DP 工控网为基础 , 分析了其通信机理和链接方式 ,并建立了基于 PLC 的主从站式控制现场总线网络 。阐述了实现 Profibus - DP 变频器控制通 讯的原理及方法 ,并结合具体项目介绍了采用西门子 PLC 之间以及和 ABB 变频器的总线通讯 。 关键词 : 现场总线 ; Profibus ; 主站 ; 从站 ; 变频器 中图分类号 : TN915105   文献标识码 : A   文章编号 : 100327241 (2004) 0320037203
duced. Key words :Fieldbus ; Profibus ; Master ; Slave ; Inverter

Th e Co m m u nic ati o n Pri ncip le of t h e Pr ofi b us Fiel d b us
L I xi , CAO Guang- yi , FANG K ang-ling , FU Xiao- wei
(Department of Automaiton ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030 ,China)

1  引言

低的现状 ,建立起不依赖任何厂商的开放式控制系统 ,并建立统

一的工厂底层信息网络 , 任何遵守相同标准的不同厂家生产的 设备均可与之连接 ,实现信息交换和互可操作 ,实现设备即插即

用 。但是现场总线作为一门新兴的控制技术 ,目前正处于发展

阶段 ,技术还不成熟 。当前在国际上有影响的现场总线标准很

多 ( 单 是 1999 年 IEC 组 织 投 票 通 过 的 现 场 总 线 国 际 标 准
IEC61158 就有八九种) 。协议的不统一 ,给现场总线控制系统的

集成带来了很大困难 ,无法实现互可替换和互可操作 ,并严重阻

碍了现场总线控制系统的推广和应用 。对此 ,本文针对不同厂

商生产的现场总线设备 ,采用在国际上有很大影响力的 Profibus

收稿日期 :2003 - 11 - 04
40

Abstract :Communication issue is the key problem for the integration of the fieldbus control system. In this paper , configuration of the fieldbus is dis 2

现场总线技术的开发目标是打破 DCS 系统孤立 、 开放程度

| Technique s of Automation &Applications  

work of the fieldbus was established on the base of the master - slave control of the PLC. The principle and method of communication in IN 2 VERTER with Profibus - DP are introduced. And the filedbus communication between SIEMENS PLC and ABB INVERTER was intro 2

cussed. Its communication principle and interlinkage mode are analyzed based on the Profibus - DP industry control network. And the net 2

现场总线的相互连接和通信进行研究 , 并结合贵州水钢焦化厂

鼓风机高压变频调速系统的项目介绍采用 Profibus - DP 现场总 线技术的变频器通讯原理及实现方法 。

2  Profibus 通讯原理
211   总线拓扑结构 212   通信实现原理

Profibus 系 统 有 3 种 总 线 拓 扑 结 构 : RS485 、 纤 和 符 合 光

接 ,通信介质采用屏蔽双绞线或光缆 , 通信距离从 100~ 1200m , 速率范围为 96kbps~12Mbps 。系统中最大站点数为 127 个 ,当系 统中需连接的站多于 32 时 ,使用中继器相连接 。使用中继器可 以实现树型和星型总线结构 。PA 采用 IEC1158 - 2 连接技术 。

IEC1158 - 2 ( Profibus - PA) 的总线拓扑 。DPΠ FMS 采用 RS485 连 Profibus 使 用 混 合的总线存取控制机制来实现 Profibus 通

现场总线与网络
Field Bus and Network

《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 3 期

信 ,通信分主站和从站 。主站间的通信采用逻辑令牌传递方式 , 拥有令牌的主站在确定的时间窗口内拥有总线控制权 , 决定系 统的通信 ,它采用主 - 从原理以轮循方式与从站通信 ,同时采用 循环或非循环报文实现主 - 主通信 。系统可以配置为单主 从、 多主多从或前两者的混合系统 。系统中相应地使用令牌总 线程序和主 - 从完成数据通信 。
(1) 令牌总线程序   连接到 Profibus 网络上的主站按它的总

SIMATIC S7 - 315 - 2DP 来的控制 。NPBA - 12 通讯适配器模块

将从 Profibus - DP 网中接收到的过程数据存入双向 RAM 中 ,双 向 RAM 中的每一个字都被编址 ,在变频器端的双向 RAM 可通 过被编址参数排序 ,向变频器写入控制字 、 设置值或读出实际 值、 诊断信息等参量 [2 ] 。

线地址的升序组成一个逻辑令牌环 。在逻辑令牌环中主站是一 个接一个地排列的 ,控制令牌总按这个顺序从一个站传递到下 一个站 。令牌提供存取传输介质的权力 ,并用特殊的令牌帧在 主站间传递 。具有总线地址 HAS ( 最高站地址 ) 的站点例外 , 它 只传递令牌给具有最低总线地址的站点 ,以使逻辑令牌环闭合 。 在总线初始化和启动阶段 , 总线存取控制通过辨认主动节点来 建立令牌环 。为了管理控制令牌 ,MAC 程序首先自动地判定总 线上所有主动节点的地址 , 并将这些节点及它们的节点地址都 记录在 LAS ( 主动站表 ) 中 。对于令牌管理而言 , 使用了两个地 址概念 : PS 节点 ( 前一站) 的地址 , 即下一站是从此站接收到令 牌的 ;NS 节点 ( 下一站 ) 的地址 , 即令牌传递给此站 。在运行期 间 ,为了从令牌环中去掉有故障的主动节点或增加新的主动节 点到令牌环中而不影响总线上的数据通信 ,也需要 LAS 。
(2) 主 - 从程序   在主 - 从系统中 ,主站与从站采用主 - 从

图1  Profibus - DP 网的总线拓扑结构
2DP 上 ,完成高压开关部分的连锁控制 。 (2) 远程 IΠ OS7 - 200 作为简单从站也挂在主站 CPU315  Technique s of Automation &Applications |

(3) PC 站作监控站 ,同时也作为二类主站 , 完成 S7 - 300 系

统的组 态 、 载 和 诊 断 功 能 。现 场 过 程 对 象 的 控 制 由 S7 下
300PLC 来完成 。

程序实现通信 。主 - 从系统允许主站当前有权发送 、 存取指定 给它的从站设备 ,这些从站是被动节点 。主站可以发送信息给 从站或从从站获取信息 。典型的 Profibus - DP 总线配置是以主
- 从总线存取程序为基础的 ,DP 主站循环地与 DP 从站交换数

据 [4 ] 。

3  通信互连设计
311   系统结构及设计
该系统以 Siemens 公司和 ABB 公司的相关产品阐述全数字

交流调速系统在 Profibus - DP 网中的通讯及控制机理 。图 1 为
Profibus - DP 网的一种典型配置 ,本系统为主从 、 多厂商设备的

DP 通讯系统 , 从站设备有简单从站直至功能较强大的智能从

站 ,如变频器 、 - 200PLC ,等 ,主站为 Siemens 公司的 SIMATICS7 S7
- 315 - 2DP ,带 CP5611 的 PC 站可做二类 DP 主站 , 用于编程 、

诊断等功能 。交流变频器为 ACS627 型 ,NPBA - 12 为与之配套 的通讯适配器 ,上位机中装有 STEP 7 软件 ,用于对 S7 - 300 PLC 编程和对 Profibus - DP 网进行组态和通讯设置 。Profibus 系统配 置相当灵活 ,网络允许单子网或多子网配置 ,既允许单主 - 从系 统运作 ,也允许多主站系统构成的多主 - 从系统运作 。 主 - 从系统 智能前端设备 ACS627 型变频器与 NPBA - 12 通讯
(1) 由 PC 站 、 - 300PLC、 S7 变频器和远程 IΠ - 200 组成的 OS7

适配器模块相连 ,接入 Profibus - DP 网中作为从站 ,接受从主站

312   通信编程
组态工具 。 的通信控制 。

(1 ) 利 用 GSD 文 件 完 成 开 放 式 组 态  设 备 数 据 库 文 件

( GSD) 描述了 Profibus 设备的功能 、 特性及总线参数 。使用基于

GSD 的组态工具可将不同厂商生产的设备集成到一个总线系统

中 ,不同的厂商为其 DP 设备提供有相应的 DP 网络配置及 GSD
(2) 编程实例  就该系统中 PLC ( 主站 ) 与 ABB 变频器 ( 从

站) 通讯来考虑 ,实质上是一个过程数据互连的问题 。过程数据 互连为连接设定值和控制位到 NPBA - 12 的双端口 RAM 寄存 器 ,包括设定值通道主站到变频器过程数据互连 、 变频器到实际 值通道的过程数据互连和过程数据监视 [1 ] 。当所用的控制位及 设定值 、 状态字和实际值被连接到双端口 RAM 时 ,被传送的过 程数据才是有效的 。在 S7 - 315 - 2DP 与变频器通讯时 ,因为连 接驱动装置从站的数据是一个整体 ,如果数据多于 4 个字节 ,它 们会成为连续数据 ,而 S7 系统中 ,数据类型最大是双字 ( 4 个字 节) ,只有当它们被分开后才能被读出 , 因此需要在主程序中调 用两个功能块 SFC14 和 SFC15 来读写这些数据 , 实现对变频器 主站 S7 - 315 - 2DP 和从站 S7 - 200 ( CPU224) 之间的 Profibus

- DP 通信通过 EM277 模块将 S7 - 224 作为 DP 从站连入网络来

实现通信 。主站 S7 - 315 - 2DP 的网络配置使用 STEP7 - 5. 1 来 完成 , 从 站 S7 - 200 的 DP 通 信 编 程 在 软 件 STEP7 MicroΠ
WIN32V3. 1 完成 ,使用输入和输出缓冲区 。该缓冲区驻留在 S7
41

《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 3 期

现场总线与网络
Field Bus and Network

- 200 的变量存储区 (V 存储区) ,因此要求参数赋值中必须包含 V 存储区的缓冲区的起始位置及输入输出的数据量 , 以确定缓

仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制 、 报警和趋势 分析 ,从而实现了 “危险分散”增加了整个系统的可靠性 ; 再者 , , 采用了开放式的结构和统一的国际标准 ,网络可采用多种拓朴 结构和不同厂家的硬软件和通信规程 , 即兼顾了产品的兼容 性 。最后 ,Profibus - DP 网络传输速度高 、 抗干扰能力强 ,是一种 性能优良的现场总线控制网络 。

冲区的大小

[3 ]



4  结论
从以上的讨论可知 , Profibus - DP 网只有三层结构 , 是一种 低级的工业局域网 ,而使用了主 - 从方式的介质存取控制方式 , 使得该网的实时性远远高于其它局域网 , 因而特别适合用于工 业现场 。该网在本项目的运用中效果良好 , 从站 ABB 变频器 、
S7 - 200 与主站 S7 - 300 进行有效 、 可靠的信号传输 。但在实际

5  参考文献 :
[1 ]   ABB ACS600 固件手册 [ Z] [2 ]   ABB 传动 安装启动指南 [ Z] . PROFIBUS 适配器模块 NPBA - 12 [3 ]   SIEMENS STEP7 5. 0 使用手册 [ Z] [4 ]   阳宪惠 . 现场总线技术及其应用 [M] . 北京 : 清华大学

使用时 ,也存在一定的缺陷 ,如若向网中增加或删减站点时 ,就 要重新初始化整个网络 ,并对各站重新排序 , 这一过程实现起 来是比较麻烦的 。但与以前的集散型控制技术 ( DCS) 相比 ,
Profibus - DP 网有着无可比拟的优点 。首先 ,在 DCS 系统中 ,

出版社 ,2001
作者简介 :李曦 ,上海交通大学电信学院自动化系 博士研究生 , 专业 : 控制理 论与控制工程 。

仪表是非智能化的设备 ,它只是简单地测量外部信息并转化成 模拟信号进行传输 . 而 FCS 系统则将采集到的检测和控制信息 就地处理并就地使用 , 因而具有智能化的特点 ; 其次 , 将现场
( 上接第 39 页)
变量名称
I :201Π 12 I :201Π 17 I :202Π 00 I :201Π 14 I :201Π 15 I :201Π 11 I :201Π 10 I :205Π 14 I :170Π 10 I :211Π 01 I :170Π 07 I :170Π 01

表 1   - 13E 斗提机变量表 120
信号说明
120 - 13E 主回路故障 120 - 13E 张紧超限 120 - 13E 转速超限 120 - 13E 轴温超限 120 - 13E 跑偏超限 120 - 13E 遥控

变量名称
I :201Π 13 B3Π 596 B3Π 265 B3Π 812 B3Π 813 B3Π 861 B3Π 236 B3Π 888 B3Π 800

信号说明
120 - 13E 运行

系统紧急停车
120 - BF11 已运行 120 - DG03 通向 110 - 15PC 120 - 15PC 运行 120 - DG03 通向 110 - DG05 120 - DG05 通向 110 - DG05

7  参考文献 :

[1 ]   FURUTA , K. Sliding mode control of a discrete system[J ] . [2 ]   SUN FUCHUN ,SUN ZENG ,Sliding mode control of a ser2 QI [3 ]   朱利民 . ProSafe - PLC 与 CENTUM CS 通信的实现 [J ] . [4 ]   周少武 ,郭小定 . 大型可编程控制系统设计 [ M ] . 北

Systems Control Letters ,1900 , (14) :145 - 152

图 4   - 13E 控制梯形图子程序 120

vocontrol system[J ] . 控制理论与应用 ,1997 ,14 (4) :467 - 472

6  结束语
系统于 2001 年 10 月通过验收 , 各项功能指标均达标书要 求 ,实现了自动监控 、 人机对话 、 故障报警 、 数据处理 、 报表打印 、 远程通信等功能 。系统自投入使用以来 ,运行良好 。
| Technique s of Automation &Applications  

自动化仪表 . 2001. 22 (6) :44 - 47

京 : 电力出版社 ,2001 , (12) :128 - 139

作者简介 :郭小定 (1963 - ) ,男 ,副教授 ,研究方向 :控制理论与应用 。

42

O :221Π 06 O :153Π 13

启动 120 - 13EP
120 - 27 运行指示

中间变量
120 - 13 启动命令

中间变量 中间变量 中间变量
120 - 13E 调试命令

系统故障 方波脉冲信号


相关文章:
现场总线及Profibus应用
现场总线Profibus应用 - 现场总线及分布式控制的作业论文... 现场总线Profibus 应用 1 引言随着网络技术的不断发展, 因特网正在把全世界的计算机系统、 通信系统...
现场总线Profibus在污水处理控制系统中的应用
现场总线 Profibus 在污水处理控制系统中的应用 摘要:以海宁市污水处理厂的软件冗余现场总线控制系统为例,论述了总线和冗余技术在 污水处理领域的应用。对系统的硬件...
CAN总线与PROFIBUS总线比较
CAN总线与PROFIBUS总线比较_信息与通信_工程科技_专业资料。CAN 总线与 PROFIBUS ...3.2PROFIBUS总线特点 (1)由于 PROFIBUS 现场总线技术投运时间较长,因而它的应用...
RS232与PROFIBUS现场总线接口单元
RS232 与 PROFIBUS 现场总线接口单元 1 序言 随着通信技术 ,计算机网络技术在工业生产过程中的不断推广和应用 ,工业控制过程对现场 信号的采集、传输和数据转换提出...
基于PROFIBUS—DP现场总线技术在水电厂监控系统中应用...
基于PROFIBUS—DP现场总线技术在水电厂监控系统中应用的研究与设计_电力/水利_...室内的自动控制装 置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线...
现场总线技术PROFIBUS应用
现场总线技术PROFIBUS应用 - 现场总线技术 PROFIBUS 应用 安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、 串行和 多点通信的数据总线称为现场...
profibus应用
profibus应用 - 现场总线技术应用 有人把它定义为应用于现场控制系统与现场检测仪表、 执行装置之间实行进行双向数 字通信的串行总线系统。 也有人把它称为...
PROFIBUS现场总线从站开发文档
PROFIBUS现场总线从站开发文档_信息与通信_工程科技_专业资料。AT200 开发技术文档第 1 章 综述随着 3C(Computer、Control、Communication)技术的发展,数字化、网络化...
PROFIBUS总线、CAN总线及工业以太网的简要比较与应用方...
PROFIBUS总线、CAN总线及工业以太网的简要比较与应用方案分析_信息与通信_工程科技...发展起来的现场智能设备互联通讯网络,目前已成为世界 上自动化技术的研究热点,据...
PROFIBUS现场总线在卷烟厂制丝线上的应用
是一种比较流行的现 场总线标准,而用于自动控制系统和设备级分散 v0 之间通信的 PROFIBUS-DP 是市场上占有领先地位的总线技术,尤其是分散控制控制系统中的应用。 ...
更多相关标签: