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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
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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
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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 。

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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


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