Profibus總線5.1Profibus總線概述5.2西門子S7-300PLC與施耐德ATV930變頻器的ProfibusDP通信小結(jié)思考與習(xí)題

知識目標(biāo)

(1)了解Profibus總線的特點、分類及應(yīng)用范圍。

(2)理解Profibus總線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和GSD文件內(nèi)容。

能力目標(biāo)

(1)掌握PLC和其他設(shè)備ProfibusDP通信的建立方法。

(2)掌握ProfibusDP通信組態(tài)時的易錯問題。

5.1Profibus總線概述

5.1.1

Profibus總線簡介

Profibus是西門子公司的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它是ProcessFieldbus的縮寫。目前，它是在國內(nèi)應(yīng)用范圍最廣的現(xiàn)場總線，尤其是ProfibusDP在國內(nèi)工廠自動化和流程自動化的占比非常高。Profibus現(xiàn)場總線接線簡單，通信速度高，通信過程穩(wěn)定，西門子的PLC加上ProfibusDP的通信協(xié)議幾乎是所有工業(yè)現(xiàn)場的首選，再加上后來的Profinet工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它們都獲得了設(shè)計人員、操作人員的廣泛認(rèn)可。

Profibus包含ProfibusDP、ProfibusFMS和ProfibusPA，以及后來推出的Profidrive、Profisafe、Profinet等，它們囊括了車間級和現(xiàn)場級的應(yīng)用層次。

ProfibusDP設(shè)計用于設(shè)備級應(yīng)用，它主要用于完成PLC、傳感器、執(zhí)行器(電機、電磁閥等)的通信任務(wù)，通信速度最高可達(dá)12

Mb/s。ProfibusDP包含了DPV0、DPV1和DPV2三個版本，是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的通信協(xié)議。本章實驗也是以ProfibusDP為例。

ProfibusFMS設(shè)計用于車間級應(yīng)用，它主要通過主站和主站之間的通信來完成車間級較大范圍的報文交換，實現(xiàn)實時控制和監(jiān)視。但是，ProfibusFMS在國內(nèi)應(yīng)用范圍較小，目前正逐漸被后來居上的工業(yè)以太網(wǎng)Profinet所替代。

ProfibusPA設(shè)計用于過程自動化，它適用于安全性較高及需要總線供電的應(yīng)用。

顧名思義，Profidrive應(yīng)用于變頻器、伺服等驅(qū)動器的運動控制通信，Profisafe則應(yīng)用于安全性要求特別高的場合。

．

Profinet是現(xiàn)在的三大工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議之一，它是建立在工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的Profibus。在第6章我們將介紹西門子1200PLC與施耐德ATV340變頻器的Profinet通信，可以看到除了通信介質(zhì)和地址分配方式不同，Profinet在組態(tài)上和ProfibusDP是很相像的，但其實Profinet和Profibus的令牌通信機制有本質(zhì)的不同。

Profibus是典型的主從結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線，它是由1類主站、2類主站、從站這三類站點組成的。1類主站用于管理從站，完成通信控制；2類主站除了具有1類主站的能力之外還能夠?qū)?類主站的組態(tài)和診斷進(jìn)行管理；從站則是提供I/O數(shù)據(jù)的受控設(shè)備，它負(fù)責(zé)接收主站的命令并執(zhí)行，再將狀態(tài)和故障信息返回給主站。

綜合主站之間的令牌循環(huán)和主從通信方式，Profibus系統(tǒng)可以組態(tài)成主-主系統(tǒng)、主-從系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)。

5.1.2

ProfibusDP通信協(xié)議

PorfibusDP是目前應(yīng)用最廣泛的Probibus總線。它的基本特點為：可以是單主站/多主站結(jié)構(gòu)，1類主站和2類主站都可以讀取從站的數(shù)據(jù)，但同時只能有一個主站可以對從站進(jìn)行操作；1類主站的通信是循環(huán)的，2類主站的通信是非循環(huán)的；總線上的從站優(yōu)先級都是相同的；每個從站最多可以有244個字節(jié)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)的速度最高可以達(dá)到12

Mb/s。

1類主站和從站之間，由1類主站發(fā)出診斷、參數(shù)化、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換報文，從站則對主站發(fā)出的請求產(chǎn)生響應(yīng)。

2類主站和從站之間，除了1類主站的報文之外，還包括了設(shè)定從站地址、讀取輸入、讀取輸出、獲取組態(tài)報文，而且2類主站和從站之間的通信都是可選功能。

1類主站和2類主站之間，報文則主要用于組態(tài)數(shù)據(jù)的上傳和下載、讀取1類主站相關(guān)數(shù)據(jù)。

PorfibusDP通信協(xié)議的通信參考模型如表5-1所示。

PorfibusDP通信協(xié)議采用了ISO標(biāo)準(zhǔn)模型的第1層物理層、第2層數(shù)據(jù)鏈路層，省略了第3～7層，添加了用戶層。精簡結(jié)構(gòu)有利于提高通信的速度和效率，用戶層則是制造商和用戶認(rèn)可的行業(yè)應(yīng)用需要的特殊規(guī)定。

第1層物理層介紹了ProfibusDP使用RS-485或者光纖進(jìn)行傳輸，現(xiàn)場更為普遍的是RS-485形式。RS-485最好使用9針D型插頭連接器；不帶中繼器時最多32個站點，帶中繼器時最多127個站點；通信介質(zhì)推薦使用屏蔽雙絞線，如果現(xiàn)場EMC環(huán)境較好也可以使用不帶屏蔽層的雙絞線；線性總線，兩端需連接終端電阻；傳輸速度在9.6

kb/s～12

Mb/s，傳輸距離與傳輸速度成反比，如表5-2所示。

ProfibusDP采用的RS-485是一種平衡差分傳輸?shù)姆绞剑谄帘坞p絞線上傳輸?shù)氖莾蓚€大小相同而方向相反的信號。需要注意的是，ProfibusDP使用的電纜通常外表為紫色，而且對電纜的特征阻抗、單位長度電容等參數(shù)要求較高，現(xiàn)場通信時盡量使用正規(guī)廠家生產(chǎn)的ProfibusDP電纜，特別是西門子的ProfibusDP電纜，否則在現(xiàn)場容易出現(xiàn)通信失敗、穩(wěn)定性差等故障，影響生產(chǎn)制造進(jìn)度。

屏蔽雙絞線內(nèi)的兩根數(shù)據(jù)線通常分為A線、B線；D型插頭內(nèi)通常分別有兩組A線端子和B線端子，一組用于進(jìn)線，一組用于出線。位于總線兩端的設(shè)備只需要連接進(jìn)線的A、B端子，并撥動撥碼開關(guān)接入終端電阻；位于總線中間的各個設(shè)備則需要從前一個設(shè)備接入進(jìn)線的A、B端子，并使用出線的A、B端子連接至下一個設(shè)備，不需要撥動撥碼開關(guān)接入終端電阻。在使用9針D型插頭時，一定要注意插頭上是否有終端電阻，并根據(jù)從站的位置選擇撥動/不撥動撥碼開關(guān)接入終端電阻。在線路的兩端接入終端電阻，可以吸收通信傳遞到線路終端的能量，避免信號“反射”，防止信號產(chǎn)生畸變，從而提高通信穩(wěn)定性。

以施耐德電氣ATV900系列變頻器的ProfibusDP卡為例，其通信接口如圖5-1所示。

圖5-1

ProfibusDP卡的通信接口

通信接口的引腳定義如表5-3所示。

從表中可得知，A線需要連接至8腳，B線需要連接至3腳。

第2層數(shù)據(jù)鏈路層ProfibusDP定義了鏈路是如何建立、維持、解除的。數(shù)據(jù)鏈路層的MAC協(xié)議是基于令牌傳輸(TokenPassing)的主從分時輪詢協(xié)議，ProfibusDP系統(tǒng)里只有一個令牌，這個令牌在各個主站間按地址的升序傳遞，只有拿到令牌的主站才能對它的從站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這個時候其他主站是沒有發(fā)起通信的權(quán)限的。從站作為一個受控設(shè)備，只能等待主站發(fā)送的請求，如果從站之間需要通信，只能通過主站對不同的從站的讀/寫來實現(xiàn)。

報文中，SD是報頭，LE是數(shù)據(jù)長度，LEr是重復(fù)數(shù)據(jù)長度，SDr是重復(fù)報頭，DA是目標(biāo)地址，SA是源地址，F(xiàn)C是功能碼，F(xiàn)CS是幀校驗序列，ED是報尾(固定為16h)。

Profibus的報文有四種：SD1=10h，請求FDL狀態(tài)，用于尋找新的站點；SD2=68h，用于SRD服務(wù)；SD3=A2h，數(shù)據(jù)單元長度固定；SD4=DCh，用于兩個主站間發(fā)送總線授權(quán)。

ProfibusDP數(shù)據(jù)鏈路層的報文比Profibus多了兩個字節(jié)：DSAP目的服務(wù)訪問點和SSAP源服務(wù)訪問點。這兩個特殊字節(jié)是為了區(qū)分DP報文和其他報文，因為可能有同時使用Profibus數(shù)據(jù)鏈路層的其他報文存在。

用戶層如前文所述，ProfibusDP包含了DPV0、DPV1、DPV2三個版本。它們包含的基本功能集是不同的；DPV0包含了SRD(SendandRequestData)發(fā)送和請求數(shù)據(jù)，SDN(SendDatawithNoacknowledge)發(fā)送不需要確認(rèn)的數(shù)據(jù)；DPV1則在DPV0的基礎(chǔ)上添加了CS(ClockSynchronization)時鐘同步；DPV2在DPV1的基礎(chǔ)上添加了MSRD(SendandRequestDatawithMulticastReply)發(fā)送和請求數(shù)據(jù)，并要求群發(fā)數(shù)據(jù)幀回復(fù)。

下面介紹幾個ProfibusDP組態(tài)及編程過程中需要使用到的關(guān)鍵概念。

1.?PZD和PKW

ProfibusDP通信報文的有效數(shù)據(jù)區(qū)由PZD和PKW兩部分組成：PZD是過程數(shù)據(jù)區(qū)，PKW是參數(shù)識別及數(shù)值區(qū)。PZD內(nèi)的數(shù)據(jù)是“周期性”交換的，它會跟隨主機的掃描周期不停地刷新，所以通常用來處理過程數(shù)據(jù)，如控制啟/停的控制字、讀取從機狀態(tài)的狀態(tài)字、電機的電流與頻率等。

在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，需要大量的實時控制、監(jiān)控的數(shù)據(jù)，基本都是通過PZD來實現(xiàn)的。PKW內(nèi)的數(shù)據(jù)是“非周期性”交換的，它會跟隨主機的請求來刷新，也就是說主機請求一次PKW才會刷新一次，所以通常用來處理參數(shù)的識別和數(shù)值的讀取，如從站配置參數(shù)的讀取、修改從站的特定參數(shù)等。當(dāng)然，如果主機通過PKW來定時地給從機發(fā)送請求，PKW也可以變?yōu)椤爸芷谛浴薄倪@個角度來說，PKW到底是“周期性”還是“非周期性”完全取決于主機是定時還是不定時地給從機發(fā)送請求。

2.?GSD文件

GSD文件是一個電子設(shè)備的數(shù)據(jù)文件，它是由從機的生產(chǎn)廠家按照西門子公司的統(tǒng)一格式編寫的。在組態(tài)過程中，我們需要把從機的GSD文件導(dǎo)入到主機的組態(tài)軟件中，從而使組態(tài)軟件識別自己將要連接的從機的特征，如生產(chǎn)廠家的名稱、支持的數(shù)據(jù)格式和服務(wù)類型、I/O點數(shù)、波特率等。

GSD文件一般包括三個部分：

(1)總規(guī)范。它包含生產(chǎn)廠家的名稱、設(shè)備名稱、硬件版本、軟件版本、波特率等。

(2)和DP主站相關(guān)的規(guī)范。它包含允許的從站個數(shù)、上傳下載能力等。

(3)和DP從站相關(guān)的規(guī)范。它包含輸入、輸出通道個數(shù)，類型、診斷等。

隨著控制設(shè)備功能的強大和細(xì)化，現(xiàn)在GSD在很多領(lǐng)域已經(jīng)不能完整地描述設(shè)備的參數(shù)和功能，這種情況下就需要使用新的EDD或FDT/DTM。EDD和GSD類似，也是一種設(shè)備描述語言，只是它包含的信息更豐富，比較適合中、低復(fù)雜程度的應(yīng)用。FDT/DTM則不同，它們不僅僅是設(shè)備描述語言，還是系統(tǒng)的設(shè)備描述方法。FDT/DTM可以提供設(shè)備的組態(tài)，所有參數(shù)的設(shè)置、診斷、測試，但FDT提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的接口框架，而DTM則更像是一個驅(qū)動程序或者專門的配置插件，為對應(yīng)的設(shè)備提供專門的配置界面。我們后續(xù)的實驗過程中可以看到施耐德的ATV71及御程系列變頻器的DTM配置界面，它的功能非常強大，幾乎和SoMove軟件中變頻器的配置界面相差無幾。

5.2西門子S7-300PLC與施耐德ATV930變頻器的

5.2.1硬件連接本實驗需要使用的硬件如表5-6所示。

CPU314C-2DP自帶一個MPI接口(標(biāo)號X1)和一個DP接口(標(biāo)號X2)，MPI接口可用USB-MPI電纜和PC直連，用于PLC的組態(tài)等；DP接口可用于連接變頻器的ProfibusDP通信卡，如圖5-2所示。

ATV930變頻器則需要打開前蓋板，將ProfibusDP通信卡VW3A3607插入到通信卡插槽中，如圖5-3所示。

圖5-2

S7-300CPU圖5-3

ATV930及通信卡

ProfibusDP通信卡VW3A3607的引腳定義前面已有介紹，這里不再贅述。

在ProfibusDP通信實驗中，我們需要將PC和PLC用USB-MPI電纜連接起來，PC端使用USB接口，PLC使用MPI接口；PLC和變頻器用DP通信電纜連接起來，DP接頭分別插在對應(yīng)的DP接口即可。需要注意的是，由于PLC和變頻器是一對一的通信，即PLC和變頻器分別位于通信總線的終端，兩個DP接頭都要按進(jìn)線接入，而且要把終端電阻撥到ON的位置。

5.2.2變頻器配置

本實驗需要使用ProfibusDP通信對變頻器進(jìn)行控制和監(jiān)視，變頻器的設(shè)置主要在于控制、給定通道的設(shè)置及通信配置上。

在SoMove配置頁面中，選擇“參數(shù)列表”標(biāo)簽再點擊“命令和參考”，將“參考頻率通道1”修改為“通信模塊頻率給定”，“控制模式配置”修改為“隔離通道模式”，“命令通道1分配”修改為“外部通信模塊”即可，如圖5-4所示。

圖5-4控制通道設(shè)置界面

通信的設(shè)置則比較簡單，只需要點擊“插槽A-ProfibusDPV1”，將“變頻器地址”修改為3即可，其他通信相關(guān)的配置在變頻器和ProfibusDP主站連接之后便會自適應(yīng)配置，即以主站組態(tài)時的ProfibusDP總線特性為準(zhǔn)，無需配置，如圖5-5所示。

圖5-5通信設(shè)置界面

5.2.3

ProfibusDP通信實驗

在連接之前右鍵點擊“我的電腦”，選擇“屬性”再選擇“設(shè)備管理器”，檢查USB-MPI通信電纜是否正常連接及驅(qū)動是否正常安裝，如圖5-6所示。

圖5-6設(shè)備管理器檢查界面

打開控制面板，在“設(shè)置PG/PC接口”中將“應(yīng)用程序訪問點”選擇為“S7ONLINE(STEP7)→PCAdapter.MPI.1”，“為使用的接口分配參數(shù)”中選擇“PCAdapter.MPI.1”即可，如圖5-7所示。

圖5-7

PG/PC接口設(shè)置界面

打開博圖軟件，點擊“創(chuàng)建新項目”，新建名為“ATV930_ProbusDP”的項目，點擊“創(chuàng)建”，如圖5-8所示。

圖5-8新建項目界面

在彈出的窗口中點擊“組態(tài)設(shè)備”，如圖5-9所示。

圖5-9設(shè)備組態(tài)界面

在彈出的窗口中點擊“添加新設(shè)備”，在設(shè)備列表中找到我們的CPU即“6ES7314-6CG03-0AB0”，設(shè)備名稱使用默認(rèn)的“PLC_1”，再點擊“添加”，如圖5-10所示。

圖5-10添加CPU界面

我們需要連接的是施耐德ATV930變頻器，西門子的博圖軟件的硬件目錄中并沒有這個產(chǎn)品的信息，需要手動添加ATV930的GSD文件。點擊菜單“選項”中的“管理通用站描述文件(GSD)”，如圖5-11所示。

圖5-11添加GSD文件界面

在“源路徑”中點選GSD文件夾的位置并確認(rèn)，可以看到文件夾中的GSD文件已經(jīng)被識別，選中GSD文件，點擊“安裝”，如圖5-12所示。

圖5-12安裝GSD文件界面

安裝完畢后，點擊“網(wǎng)絡(luò)視圖”標(biāo)簽，再在右側(cè)“硬件目錄”的搜索框中搜索“ATV9x0”，可以看到GSD文件已經(jīng)成功安裝，“ATV9x0”已出現(xiàn)在硬件目錄中，如圖5-13所示。

圖5-13

GSD安裝成功界面

將“ATV9x0”拖放到“網(wǎng)絡(luò)視圖”中，并將CPU的DP端口和ATV9x0的DP端口連接起來，使ATV9x0接入CPU的DP網(wǎng)絡(luò)。正確接入之后，ATV9x0的主站名稱會變?yōu)镃PU的名稱“PLC_1”，如圖5-14所示。

圖5-14組態(tài)添加ATV930的界面

點擊DP總線，在“屬性”標(biāo)簽的“常規(guī)”設(shè)置中找到“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”，將傳輸率調(diào)到最大的“12Mbps”，如圖5-15所示。

圖5-15傳輸率調(diào)整的界面

雙擊“網(wǎng)絡(luò)視圖”中的“ATV9x0”，打開變頻器的“設(shè)備概覽”，將“硬件目錄”中的“Telegram100(4PKW/2PZD)”拖放到ATV9x0的插槽中，如圖5-16所示。

圖5-16添加報文界面

在“設(shè)備概覽”中可以看到博圖軟件已經(jīng)自動給PLC的PKW和PZD分配了地址，其中插槽1內(nèi)為PKW，插槽2內(nèi)為PZD。但是，自動分配的地址過大，CPU不能識別，我們需要手動修改。分別點擊插槽1和插槽2，在“屬性”標(biāo)簽的“I/O地址”中將插槽1和插槽2的“輸入地址”和“輸出地址”的“起始地址”分別修改為30和38，如圖5-17所示。

圖5-17起始地址修改界面

點擊ATV9x0的插槽1，在“屬性”標(biāo)簽的“設(shè)備專用參數(shù)”中可以看到和變頻器寄存器的映射地址分別為8501、8602、3201、8604，即控制字、轉(zhuǎn)速給定、狀態(tài)字、輸出轉(zhuǎn)速。這些寄存器可以滿足我們的控制和監(jiān)視需求，我們不做修改，如圖5-18所示。

圖5-18映射配置界面

點擊“ATV9x0”，將“屬性”標(biāo)簽中“PROFIBUS地址”內(nèi)的“地址”修改為3，和變頻器的ProfibusDP地址一致，如圖5-19所示。

圖5-19

ProfibusDP地址修改界面

雙擊“項目樹”中的“監(jiān)控與強制表”展開菜單，再雙擊“添加新監(jiān)控表”添加一個名為“監(jiān)控表_1”的監(jiān)控表。需要注意的是，在組態(tài)界面中顯示的地址是以字節(jié)為單位的，所以是38～41，但是我們控制和監(jiān)視是以字為單位的，所以是38和40，即38和39為一個字，40和41為一個字。添加我們需要控制和監(jiān)視的地址“%IW38”、“%IW40”、“%QW38”、“%QW40”，如圖5-20所示。

圖5-20新建監(jiān)控表界面

點擊“編譯”圖標(biāo)，編譯完成后點擊“下載到設(shè)備”圖標(biāo)，在彈出的對話框中“PG/PC接口的類型”選擇MPI，“PG/PC接口”選擇PCAdapter，點擊“開始搜索”。如果USB-MPI電纜和PC及CPU連接正常的話，就可以搜索到CPU，如圖5-21所示。

圖5-21搜索CPU界面

點擊“下載”彈出下載對話框，設(shè)備狀態(tài)一切正常的話再點擊“下載”將配置下載到PLC中，如圖5-22所示。

圖5-22下載配置界面

下載完成后，勾選“全部啟動”再點擊“完成”，使PLC在下載完成后開始運行，如圖5-23所示。

圖5-23下載完成后運行界面

打開“監(jiān)控表_1”，點擊“在線”圖標(biāo)?，再點擊“全部監(jiān)視”圖標(biāo)，監(jiān)控表中%IW38為狀態(tài)字，%IW40為輸出轉(zhuǎn)速，%QW38為控制字，%QW40為轉(zhuǎn)速給定，可以看到狀態(tài)字的值已經(jīng)刷新上來了，如圖5-24所示。

圖5-24在線監(jiān)視界面

在“修改值”一欄中，給%QW40賦值十進(jìn)制1500，給%QW38分別賦值6、7、F，變頻器即可進(jìn)入運行狀態(tài)，%IW40也可以顯示輸出十進(jìn)制轉(zhuǎn)速值。需要注意的是，每次賦值都要點擊“立即一次性修改所有選定值”來刷新數(shù)據(jù)，如圖5-25所示。

圖5-25啟/停控制界面

至此，西門子S7-300PLC與施耐德ATV930變頻器的ProfibusDP通信成功。

小結(jié)

西門子的ProfibusDP目前是我國國內(nèi)應(yīng)用范圍最廣的通信協(xié)議，在工業(yè)以太網(wǎng)大范圍普及之前，是工業(yè)自動化從業(yè)人員必須要熟練掌握的現(xiàn)場總線之一。作為一個成熟的現(xiàn)場總線，通過理論介紹和實驗部分我們可以發(fā)現(xiàn)Profibus在現(xiàn)場的實現(xiàn)還是比較簡單和人性化的，但是諸如硬件連接和軟件配置還是有很多細(xì)節(jié)需要注意，以免影響現(xiàn)場設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行