《自动化技术与应用》2004年第23卷第3期
现场总线与网络
FieldBusandNetworkPROFIBUS现场总线通讯技术的应用研究
李 曦,曹广益,方康玲,付晓薇
(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
TheCommunicationPrincipleoftheProfibusFieldbus
LIxi,CAOGuang-yi,FANGKang-ling,FUXiao-wei
(DepartmentofAutomaiton,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)
Abstract:Communicationissueisthekeyproblemfortheintegrationofthefieldbuscontrolsystem.Inthispaper,configurationofthefieldbusisdis2
cussed.ItscommunicationprincipleandinterlinkagemodeareanalyzedbasedontheProfibus-DPindustrycontrolnetwork.Andthenet2workofthefieldbuswasestablishedonthebaseofthemaster-slavecontrolofthePLC.TheprincipleandmethodofcommunicationinIN2VERTERwithProfibus-DPareintroduced.AndthefiledbuscommunicationbetweenSIEMENSPLCandABBINVERTERwasintro2duced.
Keywords:Fieldbus;Profibus;Master;Slave;Inverter
1 引言
现场总线技术的开发目标是打破DCS系统孤立、开放程度低的现状,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就有种)。协议的不统一,给现场总线控制系统的
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
Profibus系统有3种总线拓扑结构:RS485、光纤和符合IEC1158-2(Profibus-PA)的总线拓扑。DPΠFMS采用RS485连
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。
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
212 通信实现原理
收稿日期:2003-11-04
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Profibus使用混合的总线存取控制机制来实现Profibus通
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FieldBusandNetwork《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
SIMATICS7-315-2DP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
(2)远程IΠOS7-200作为简单从站也挂在主站CPU315-2DP上,完成高压开关部分的连锁控制。
(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、下载和诊断功能。现场过程对象的控制由S7-300PLC来完成。
312 通信编程
(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
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
中,不同的厂商为其DP设备提供有相应的DP网络配置及GSD组态工具。
(2)编程实例 就该系统中PLC(主站)与ABB变频器(从
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)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,实现对变频器的通信控制。
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
站,如变频器、S7-200PLC,等,主站为Siemens公司的SIMATICS7
-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STEP7软件,用于对S7-300PLC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。
(1)由PC站、S7-300PLC、变频器和远程IΠOS7-200组成的
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STEP7MicroΠ
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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主-从系统智能前端设备ACS627型变频器与NPBA-12通讯适配器模块相连,接入Profibus-DP网中作为从站,接受从主站
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FieldBusandNetwork-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
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
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。
5 参考文献:
[1] ABBACS600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] SIEMENSSTEP75.0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:201Π12I:201Π17I:202Π00I:201Π14I:201Π15I:201Π11I:201Π10I:205Π14I:170Π10I:211Π01I:170Π07I:170Π01
表1 120-13E斗提机变量表
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:201Π13O:221Π06O:153Π13B3Π596B3Π265B3Π812B3Π813B3Π861B3Π236B3Π888B3Π800
信号说明120-13E运行
启动120-13EP120-27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
系统紧急停车120-BF11已运行120-DG03通向110-15PC120-15PC运行
120-DG03通向110-DG05120-DG05通向110-DG05
系统故障方波脉冲信号
7 参考文献:
[1] FURUTA,K.Slidingmodecontrolofadiscretesystem[J].SystemsControlLetters,1900,(14):145-152
[2] SUNFUCHUN,SUNZENGQI,Slidingmodecontrolofaser2
图4 120-13E控制梯形图子程序
vocontrolsystem[J].控制理论与应用,1997,14(4):467-472
[3] 朱利民.ProSafe-PLC与CENTUMCS通信的实现[J].
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。
自动化仪表.2001.22(6):44-47
[4] 周少武,郭小定.大型可编程控制系统设计[M].北
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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