Profibus-DP总线技术及其在伺服传动中的应用

1 引言

Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化领域。Profibus根据应用特点分为Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三个兼容版本。其中Profibus-DP是一种高速（数据传输速率9.6kbit/s-12Mbit/s）经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求。由于其高可靠性、高性能、实时性好及其独特的设计，已被几乎所有的生产厂商和用户所接受。

伺服电机具有结构紧凑、控制容易、运行平稳、相应快等优异特性，已越来越成为现代工业自动化运动控制的重要力量。特别是在自动化程度比较高、需精确控制速度、位置、力矩等应用场合，如纺织机械、印刷机械、造纸机械，数控机床、工业机器人等重要行业得到了普遍的应用。虽然PROFIBUS-DP不像SERCOS、MACRO、Fire Wire是专门为运动控制而开发的，但在实际控制中由于PROFIBUS-DP的广泛存在，所以运用PROFIBUS总线对伺服的控制具有很重要的现实意义。

2 PROFIBUS-DP总线技术

2.1 PROFIBUS-DP简介

PROFIBUS以ISO7498为基础，以开放式系统互联网络OSI（open system interconnection）作为参考模型，定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能。其传输速率为 9.6kbps-12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，在1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。最多可挂接127个站点。PROFIBUS-DP是一种高速和便宜的通讯连接,使用了第1层、第2层（即物理层和数据链路层）和用户接口层,第3层至第7层未加以描述,这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效。它是专门为自动控制系统和设备分散的I/O之间进行的通讯而设计的。使用PROFIBUS-DP模块可取代24V或4～20mA的串联式信号传输,减少投资成本。直接数据链路映像（DDLM）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变的简单方便，传输可使用RS-485传输技术或光纤媒体。

标准现场总线PROFIBUS-DP的硬件由主设备、从设备、网络网路等三部分组成。其中主设备用以控制总线上的数据传输，且在没有提供外部请求时发送信息和被授权可访问总线.从设备是相对于主设备而言较为简单的外部设备,且未被授权访问总线;网络网路如传输介质和网络链接器,前者用屏蔽双绞电缆构成电气网络,用塑料或玻璃纤维光缆构成的光纤网络,或是基于两种媒介之间由OLM转换的混合网络;后者如RS-485总线连接器、RS-485总线终端、RS-485中继器、光链路模块OLM等。

2.2 PROFIBUS-DP通信协议及特点

PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA—RS485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。


图1 RS485总线段结构图

图1中两根数据线通常被称为A线和B线，分别对应RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信号。

PROFIBUS-DP数据链路层协媒体访问控制（MAL）部分采用受控访问的令牌总线（Token Bus）和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）。该模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路;主站发出命令（Command），从站给出响应（Respond）;从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。

图2中F为帧标志字段（8位）。A为从站地址字段。控制字段C表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将HDLC帧分为三种类型：信息帧（1）、监控帧（S）和无编号帧（U）。其中信息帧用于应用数据（Useful Data）的传输并捎带应答;监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）;无编号帧（不含信息字段）用于传输各种元编号命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等。信息字段由PKW+PZD的应用数据构成，PKW用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4B长，而PZD用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2～10B长。例如，PKW=P554.1代表向变频器的主驱动模块写入一个16位的控制字，控制字的每一位都代表一种不同的控制含义;PZD的第二个字节为0#～7#电机的起停控制位。FCS是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（CRC）校验，该HDLC帧最长可达24B。



图2 正常响应模式主站与从站间传输帧的格式

3 伺服电机接入PROFIBUS-DP网络

施耐德公司的TWINLINE型伺服控制系统由于其控制器提供了专门的PROFIBUS-DP总线接口模块，可以像其他的PROFIBUS-DP一样，用普通的双绞线作为通信介质，很方便的连接到基于PROFIBUS-DP总线的工业控制系统上，如图3所示。[page]

上位机由西门子的S7-300PLC组成，型号为6ES7315-2AG10-0AB0，它有一个专门的PROFIBUS-DP接口，一个MPI通信接口，可接入64个从站。PROFIBUS-DP总线负责对整个系统的中的所有伺服控制器进行管理，包括速度、力矩、位置等参数的命令传送与设置等。作为一个窗口，由组态软件ProTool编织的人机界面可方便的对整个控制系统进行监视和参数的修改。

TWINLINE的伺服控制器与伺服电机之间采用旋转编码器或光电编码器建立反馈，形成高精度的伺服控制系统，伺服电机实时的将其运行状态与信息上传给伺服控制器。作为PROFIBUS-DP总线上的节点，伺服控制器可以与PLC主机进行通信，通过总线接受上位机的各种操作、控制和参数设定命令等。


图3 伺服电机接入PROFIBUS-DP网络系统结构示意图

4 软件结构设计

通过PROFIBUS-DP总线进行通信与控制的伺服系统，主要解决的是上位主机的软件设计问题，以下是PLC程序的主要设计框图



图4 PLC程序设计框图

PLC程序由STEP 7 进行编程。程序主要由几大部分组成：OB100、OB1和FB40组成。

OB100是暖启动组织块，系统启动就调用OB100，它包括功能FC35即INIT_FIELDBUS，主要作用是初始化已经打开的背景数据快，为伺服控制器设置输入/输出总线地址。

OB1是主程序组织块，包括功能FC32、功能块FB40、功能FC37和背景数据块DB40。FC32即CYCL_UPDATE，它的功能是定期的读和更新来自总线上的背景数据块的数据。功能块FB40是控制伺服控制器的主要程序块，它将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,它主要完成多个轴的初始化即多个伺服控制器的初始化。FC41即POS_SEQ_SERVO，它是整个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、原点复归命令以及从总线上读取伺服控制器的反馈值等都是由它完成的。FC37即FAULT_RESET，它是复位模块，清除总线的错误信息并产生一个复位命令使伺服控制器重新复位。DB40是功能块FB40的背景数据快。

FC30是FC40的子块，完成从PLC到伺服控制器的命令传送，检查命令是否被正确执行并且对错误进行处理。FC31是FC41的子块，它对FC41的完成情况加以诊断并报告总线。FC33和FC34也是功能块FB40的附属部分，FC33对当前伺服控制器的状态进行检查，如果空闲向总线发送命令表示下一个命令可以发送。FC34处理多个伺服控制器的同步和异步错误信息并产生错误报告。

5 结束语

TWINLINE型伺服控制器PROFIBUS-DP接口的引入，提高了工业自动化运动控制的水平，使伺服电机在工业控制网络中的通信与控制更为方便、灵活和可靠，实际情况已证明这种控制方式效果好。

PROFIBUS-DP总线和伺服控制系统在工业控制中应用非常广泛，这为带PROFIBUS-DP总线接口的伺服控制器提供了广阔的应用前景。