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现场总线的相互连接和通信进行研究，并结合具体实例介绍采用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

2.1 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。DPPFMS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。

2.2 通信实现原理

Profibus使用混合的总线存取控制机制来实现Profibus通信，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。

3  通信互连设计

3.1 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、S7-200PLC，等，主站为Siemens公司的SIMATIC 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。

图1  Prifibus-DP总线网拓扑结构图

（1）由PC站、S7-300PLC、变频器和远程IPOS7-200组成的主-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）远程IPOS7-200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。

3.2 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。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从站连入网络来实现通信。主站S7-315-DP的网络配置使用STEP7 v5. 1 来完成，从站S7-200的DP通信编程在软件STEP7 MicroPWIN32V3.1完成，使用输入和输出缓冲区。该缓冲区驻留在S7-200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，以确定缓冲区的大小[。

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。该网在本例的运用中效果良好，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，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。

参考文献:

[1]  ABB ACS600 固件手册[Z]

[2]  SIEMENS STEP7 5.0 使用手册[Z]

[3]  徐明等.现场总线技术在电厂中的应用[J], 微计算机信息, 2006(1):25-27

[4]  阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2001