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李  曦，方康玲，傅曉薇

1  引言
70年代工業控制儀表統一采用4~20mA的標準信號，但隨著信息量的增加，出現了4~20mA傳輸的瓶頸效應。為了解決這一效應，80年代出現了一種新技術―現場總線（FieldBus），現場總線的技術關鍵就是把通訊總線一直延伸到現場設備，使許多現場設備（如PLC、智能變送器、變頻器）可在同一總線進行雙向多信息數字通訊；并且采用國際性現場總線后，可以方便地使用不同廠家生產的控制測量系統相互連接成通訊網絡。目前，絕大多數傳動設備驅動采用變頻驅動控制。但變頻器控制大多采用模擬信號連接，使現場信號的連接的工作量大、費用高。鑒于此，本文介紹一種采用PROFIBUS-DP過程現場總線通訊技術的數字連接控制方案，自動化單元和變頻器采用不同廠家的產品，分別采用西門子公司的S7-300PLC和ABB公司的ACS627交流變頻器，并結合某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總線拓撲結構
該系統以西門子公司和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，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。用S7-315-2DP在PROFIBUS-DP網中作為主站(Master)時，可分別帶像ACS627變頻器從站(Slave)共32個。當然，從站也可以是其他現場智能設備，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。

 
圖1  PROFIBUS-DP網的總線拓撲結構

3  通訊機理
3.1  PROFIBUS的特點及介質存取方式
PROFIBUS(Process FieldBus―過程現場總線)為歐洲首屈一指的開放式現場總線系統。其由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP三部分組成，其中PROFIBUS-DP主要應用于現場級，是一種高速的通信連接，它被設計為自動控制系統和設備級分散的I/O之間進行通信使用，因而可滿足快速又簡單地完成數據的實時傳輸。
PROFIBUS-DP參考模型是根據IEEE802標準委員會制定的局域網標準第1層（物理層）、第2層（數據鏈路層）和用戶接口層建立的，由于工業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為數據鏈路層提供物理連接，以透明地傳送比特流，它采用ETA RS485協議，半雙工方式，傳輸速率在9.6K~12M波特率之間可選，對應的通訊距離在1000米~100米。根據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網絡允許單主從或多主從系統。單主從系統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：S7-300作為系統主站在工作時間內一直占有總線控制權，與網中的從站進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時，采用的是邏輯令牌環網結構。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。令牌總線方式使得某個得到令牌的主站可在一個事先規定的時間段內得到總線控制權，在這段時間內允許這個主站在一定的時間內執行主站工作，這個主站可依照與主站或從站的關系表和所有的主站或所有的從站進行通信。若該主站沒有需要發送的幀或在規定時間內發完了所需要發送的幀，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  高級數據鏈路控制的幀結構及類型
圖1中主站與從站之間的通訊介質存取控制規約符合ISO的OSI參考模型數據鏈路層中HDLC（高級數據鏈路控制協議）的非平衡正常響應模式，主站與從站之間HDLC傳送幀的結構如圖2所示，其中F為標志字段(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)、監控幀(S)與無編號幀(U)。

 
圖2  PROFIBUS-DP的HDLC結構

 
圖3  HDLC控制字段的3種格式

信息幀(Information)中N(S)表示當前發送數據幀的順序號；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。
監控幀(Supervisory)不帶有數據信息，除了用于實現監督控制功能，還可以用于協調通信雙方狀態，并能實現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的應用數據構成，其中PKW字段用于寫入控制字或讀出狀態字等更改和觀察變頻器的任意參數一般為4個字長；PZD字段用于變頻器的具體控制字、設置點（任務：主站至變頻器）或狀態字的實際值（響應：變頻器至主站）的數據傳輸，一般為2～10個字長。
在變頻傳動裝置PROFIBUS的結構中，ABB變頻器使用PROFIBUS-DP通訊模塊（NPBA-12）進行數據傳輸主要是周期性的：主機從從機讀取輸入信息并把輸出信息反送給從機。在周期性的數據傳輸中，周期型通道通信使用的數據結構為PPO（參數過程對象）消息，報文結構及PPO消息類型如圖4所示。

圖4  周期型傳輸報文結構及PPO對象類型

用周期型通道進行數據傳送，可用數據被劃分成兩個區域：過程數據區（PZD）和參數區（PKW），它們以各自的報文進行數據傳送。控制字、設定值和狀態字、實際值須依照“過程數據連接”所規定的路徑進行連接，過程數據的傳輸才有效。FCS為幀校驗字段，每幀都包含此序列，它可對整個幀的內容，即地址、控制和信息等作循環冗余校驗。
3.3  數據鏈路層工作過程
圖1的系統結構為非平衡多點結構，其特點是：由一個主站控制著多個從站，主站發出命令，從站給出響應，配合主站完成對數據鏈路的控制，一個主站應與多個從站中的每一個從站建立一條數據鏈路；HDLC的數據傳輸模式采用了正常響應模式(NRM，Normal Response Mode)，在這種模式下，從站由主站發送“置正常響應模式”（SNRM）而置于此方式，從站可以發送多個幀，直到以下一種情況發生為止：從站沒有信息幀可發送，未完成幀的數目已達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網數據鏈路層的工作過程。具體分3個階段：數據鏈路的建立，數據傳輸和數據鏈路的釋放，如圖5所示。

 
圖5  PROFIBUS-DP數據鏈路層的工作過程

第一階段為數據鏈路的建立階段。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結構中選擇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幀的無編號確認命令UA作為響應主站建立數據鏈路的確認，記為U:A，UA，F。終止位F用于主站對探詢P的應答。
第二階段為數據幀的傳輸階段，主站中的固有程序循環執行，向特定的數據塊DBi中寫入指令參數，特定的功能塊FBj從中讀取參數并向從站2發送，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、三個從主站連續發送的信息幀則記為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，下一次主站發送的I幀序號應為3，這里的N(R)也起到了對主站發送I幀的捎帶確認作用，若從站2只有一幀發送，應標志終止符F，此時的I幀為I:A，N(S)=0，N(R)=3，F。
第三階段為數據鏈路的釋放階段。當主站和從站2都沒有信息幀要發送，或者主站將與從站1建立鏈路連接時，則應釋放此鏈路連接，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。至此，一次完整的數據鏈路中幀的傳輸過程結束。
4  過程數據互連及應用實例
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。
具體實現步驟如下：
4.1  STEP7項目系統組態及通信編程
(1)  使用STEP7組態軟件，進入Hardware Configure完成S7-300 PLC硬件組態。
(2)  選定S7-315-2DP為主站系統，將NPBA-12的GSD(設備數據庫)文件倒入STEP7的編程環境中，軟件組態NPBA-12到以S7-315-2DP為主站的DP網上，并選定使用的PPO類型（如PPO3），設定站點網絡地址。如果選擇其它的PPO類型，考慮到所取信號的PZD碼字節數大于4個字節，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。
(3)  建立一數據塊，用于與變頻器數據通信；建立一變量表，用于觀測實時通訊效果。
4.2  變頻器參數設置及過程參數互連
(1)  啟動變頻器，完成如下參數設置：
50.02-(0)DP；（選擇PROFIBUS-DP協議）
50.03-(3)PPO4；（選擇PPO類型，變頻器上的PPO類型應與PLC上組態的PPO類型一致）
50.04=2；（NPBA-12的總線地址，即變頻器的站點地址）
(3)  過程參數互連：過程參數互連完成NPBA-12雙端口RAM連接器與變頻器相應參數的定義和連接，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。在變頻器上設定下列連接參數。
①  從PLC發送到傳動裝置變頻器的PZD值：
PZD1-控制值、PZD2-頻率給定值、PZD3-速度設定值。
②  傳動裝置變頻器發送到PLC的PZD值。
PZD1-狀態值、PZD2-頻率實際值、PZD3-速度實際值。
(4)  上述參數設置正確后，S7-300PLC就可以與變頻器進行實時的數據通訊了。在變量表中，進行在線監視，可觀測其通訊情況。
5  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。但與以前的分散型控制技術(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。

參考文獻：
[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. 現場總線技術及其應用. 清華大學出版社.