摘 要: 介紹了Profibus-DP總線技術(shù)和特點，設(shè)計出了由伺服控制器、S7-300 PLC和ProTool組成的基于Profibus-DP總線的伺服控制系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、維護容易等特點,并介紹了該系統(tǒng)中的伺服控制器和PLC的通訊過程及軟件設(shè)計。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線; Profibus-DP ; PLC; 伺服控制器
Abstract: This article introduces the Profibus-DP technique and its characteristics. Also it introduces the servo control system composed of servo controllers, S7-300 PLC and ProTool which is designed on the basis of Profibus-DP fieldbus. Such system features simple structure, convenient control and easy maintenance, etc. In addition, the software design and the communication process between servo controllers and PLC on this system are introduced.
Keywords: Fieldbus; Profibus-DP; PLC; Servo-controller
1 引言
　　Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s-12Mbit/s）經(jīng)濟的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時間要求。由于其高可靠性、高性能、實時性好及其獨特的設(shè)計，已被幾乎所有的生產(chǎn)廠商和用戶所接受。
　　伺服電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易、運行平穩(wěn)、相應(yīng)快等優(yōu)異特性，已越來越成為現(xiàn)代工業(yè)自動化運動控制的重要力量。特別是在自動化程度比較高、需精確控制速度、位置、力矩等應(yīng)用場合，如紡織機械、印刷機械、造紙機械，數(shù)控機床、工業(yè)機器人等重要行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。雖然PROFIBUS-DP不像SERCOS、MACRO、Fire Wire是專門為運動控制而開發(fā)的，但在實際控制中由于PROFIBUS-DP的廣泛存在，所以運用PROFIBUS總線對伺服的控制具有很重要的現(xiàn)實意義。
2 PROFIBUS-DP總線技術(shù)
　　2.1 PROFIBUS-DP簡介
　　PROFIBUS以ISO7498為基礎(chǔ)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI（open system interconnection）作為參考模型，定義了物理傳輸特性、總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。其傳輸速率為 9.6kbps-12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m，在1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。最多可掛接127個站點。PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的通訊連接,使用了第1層、第2層（即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口層,第3層至第7層未加以描述,這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行АＫ菍ｉT為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的I/O之間進行的通訊而設(shè)計的。使用PROFIBUS-DP模塊可取代24V或4～20mA的串聯(lián)式信號傳輸,減少投資成本。直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）提供的用戶接口，使得對數(shù)據(jù)鏈路層的存取變的簡單方便，傳輸可使用RS-485傳輸技術(shù)或光纖媒體。
　　標準現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的硬件由主設(shè)備、從設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路等三部分組成。其中主設(shè)備用以控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸，且在沒有提供外部請求時發(fā)送信息和被授權(quán)可訪問總線.從設(shè)備是相對于主設(shè)備而言較為簡單的外部設(shè)備,且未被授權(quán)訪問總線;網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路如傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器,前者用屏蔽雙絞電纜構(gòu)成電氣網(wǎng)絡(luò),用塑料或玻璃纖維光纜構(gòu)成的光纖網(wǎng)絡(luò),或是基于兩種媒介之間由OLM轉(zhuǎn)換的混合網(wǎng)絡(luò);后者如RS-485總線連接器、RS-485總線終端、RS-485中繼器、光鏈路模塊OLM等。
　　2.2 PROFIBUS-DP通信協(xié)議及特點
　　PROFIBUS-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用EIA—RS485協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸媒體。

圖1 RS485總線段結(jié)構(gòu)圖
　　圖1中兩根數(shù)據(jù)線通常被稱為A線和B線，分別對應(yīng)RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。
　　PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)媒體訪問控制（MAL）部分采用受控訪問的令牌總線（Token Bus）和主從方式。其中令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，該主站依照關(guān)系表與從站或其他主站進行通信。主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式（NRM）。該模式的工作特點是：總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令（Command），從站給出響應(yīng)（Respond）;從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和數(shù)據(jù)鏈路釋放。
　　圖2中F為幀標志字段（8位）。A為從站地址字段。控制字段C表示幀類型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀（1）、監(jiān)控幀（S）和無編號幀（U）。其中信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)（Useful Data）的傳輸并捎帶應(yīng)答;監(jiān)控幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態(tài)做出各種響應(yīng)（如認可幀、請求重傳或暫停等）;無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種元編號命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式，釋放鏈路及報告特殊情況等。信息字段由PKW+PZD的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成，PKW用于讀寫參數(shù)值，如寫入控制字或讀出狀態(tài)字等，一般為4B長，而PZD用于存放控制器的具體控制值，設(shè)置站點或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為2～10B長。例如，PKW=P554.1代表向變頻器的主驅(qū)動模塊寫入一個16位的控制字，控制字的每一位都代表一種不同的控制含義;PZD的第二個字節(jié)為0#～7#電機的起?？刂莆弧CS是幀校驗字段，它對整個幀的內(nèi)容進行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗，該HDLC幀最長可達24B。

圖2 正常響應(yīng)模式主站與從站間傳輸幀的格式
3 伺服電機接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)
　　施耐德公司的TWINLINE型伺服控制系統(tǒng)由于其控制器提供了專門的PROFIBUS-DP總線接口模塊，可以像其他的PROFIBUS-DP一樣，用普通的雙絞線作為通信介質(zhì)，很方便的連接到基于PROFIBUS-DP總線的工業(yè)控制系統(tǒng)上，如圖3所示。
　　上位機由西門子的S7-300PLC組成，型號為6ES7315-2AG10-0AB0，它有一個專門的PROFIBUS-DP接口，一個MPI通信接口，可接入64個從站。PROFIBUS-DP總線負責(zé)對整個系統(tǒng)的中的所有伺服控制器進行管理，包括速度、力矩、位置等參數(shù)的命令傳送與設(shè)置等。作為一個窗口，由組態(tài)軟件ProTool編織的人機界面可方便的對整個控制系統(tǒng)進行監(jiān)視和參數(shù)的修改。
　　TWINLINE的伺服控制器與伺服電機之間采用旋轉(zhuǎn)編碼器或光電編碼器建立反饋，形成高精度的伺服控制系統(tǒng)，伺服電機實時的將其運行狀態(tài)與信息上傳給伺服控制器。作為PROFIBUS-DP總線上的節(jié)點，伺服控制器可以與PLC主機進行通信，通過總線接受上位機的各種操作、控制和參數(shù)設(shè)定命令等。

圖3 伺服電機接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　通過PROFIBUS-DP總線進行通信與控制的伺服系統(tǒng)，主要解決的是上位主機的軟件設(shè)計問題，以下是PLC程序的主要設(shè)計框圖

圖4 PLC程序設(shè)計框圖
　　PLC程序由STEP 7 進行編程。程序主要由幾大部分組成：OB100、OB1和FB40組成。
　　OB100是暖啟動組織塊，系統(tǒng)啟動就調(diào)用OB100，它包括功能FC35即INIT_FIELDBUS，主要作用是初始化已經(jīng)打開的背景數(shù)據(jù)快，為伺服控制器設(shè)置輸入/輸出總線地址。
　　OB1是主程序組織塊，包括功能FC32、功能塊FB40、功能FC37和背景數(shù)據(jù)塊DB40。FC32即CYCL_UPDATE，它的功能是定期的讀和更新來自總線上的背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。功能塊FB40是控制伺服控制器的主要程序塊，它將完成伺服控制器的初始化和位置控制，主要包括功能FC40和功能FC41。FC40即INIT_SERVO,它主要完成多個軸的初始化即多個伺服控制器的初始化。FC41即POS_SEQ_SERVO，它是整個伺服控制的核心部分，一些控制命令如速度命令、位置命令、力矩命令、原點復(fù)歸命令以及從總線上讀取伺服控制器的反饋值等都是由它完成的。FC37即FAULT_RESET，它是復(fù)位模塊，清除總線的錯誤信息并產(chǎn)生一個復(fù)位命令使伺服控制器重新復(fù)位。DB40是功能塊FB40的背景數(shù)據(jù)快。
　　FC30是FC40的子塊，完成從PLC到伺服控制器的命令傳送，檢查命令是否被正確執(zhí)行并且對錯誤進行處理。FC31是FC41的子塊，它對FC41的完成情況加以診斷并報告總線。FC33和FC34也是功能塊FB40的附屬部分，F(xiàn)C33對當前伺服控制器的狀態(tài)進行檢查，如果空閑向總線發(fā)送命令表示下一個命令可以發(fā)送。FC34處理多個伺服控制器的同步和異步錯誤信息并產(chǎn)生錯誤報告。
5 結(jié)束語
　　TWINLINE型伺服控制器PROFIBUS-DP接口的引入，提高了工業(yè)自動化運動控制的水平，使伺服電機在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的通信與控制更為方便、靈活和可靠，實際情況已證明這種控制方式效果好。
　　PROFIBUS-DP總線和伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛，這為帶PROFIBUS-DP總線接口的伺服控制器提供了廣闊的應(yīng)用前景。
【參考文獻】
　　[1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1999.6
　　[2] 西門子S7-300參考手冊.西門子（中國）有限公司提供
　　[3] SIEMENS STEP 7 V5.1編程手冊. 西門子（中國）有限公司發(fā)行
　　[4] PROFIBUS標準（JB/T10308.3—2001）簡要說明.西門子（中國）有限公司提供
　　[5] TWINLINE型伺服控制器技術(shù)手冊. 施耐德電氣公司提供