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通信小結思考與習題

知識目標

(1)了解Profibus總線的特點、分類及應用范圍。

(2)理解Profibus總線的數據結構和GSD文件內容。

能力目標

(1)掌握PLC和其他設備ProfibusDP通信的建立方法。

(2)掌握ProfibusDP通信組態時的易錯問題。

5.1Profibus總線概述

5.1.1

Profibus總線簡介

Profibus是西門子公司的現場總線標準，它是ProcessFieldbus的縮寫。目前，它是在國內應用范圍最廣的現場總線，尤其是ProfibusDP在國內工廠自動化和流程自動化的占比非常高。Profibus現場總線接線簡單，通信速度高，通信過程穩定，西門子的PLC加上ProfibusDP的通信協議幾乎是所有工業現場的首選，再加上后來的Profinet工業以太網協議，它們都獲得了設計人員、操作人員的廣泛認可。

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場級的應用層次。

ProfibusDP設計用于設備級應用，它主要用于完成PLC、傳感器、執行器(電機、電磁閥等)的通信任務，通信速度最高可達12

Mb/s。ProfibusDP包含了DPV0、DPV1和DPV2三個版本，是目前國內應用最多的通信協議。本章實驗也是以ProfibusDP為例。

ProfibusFMS設計用于車間級應用，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，實現實時控制和監視。但是，ProfibusFMS在國內應用范圍較小，目前正逐漸被后來居上的工業以太網Profinet所替代。

ProfibusPA設計用于過程自動化，它適用于安全性較高及需要總線供電的應用。

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

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Profinet是現在的三大工業以太網通信協議之一，它是建立在工業以太網基礎上的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和地址分配方式不同，Profinet在組態上和ProfibusDP是很相像的，但其實Profinet和Profibus的令牌通信機制有本質的不同。

Profibus是典型的主從結構的現場總線，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對1類主站的組態和診斷進行管理；從站則是提供I/O數據的受控設備，它負責接收主站的命令并執行，再將狀態和故障信息返回給主站。

綜合主站之間的令牌循環和主從通信方式，Profibus系統可以組態成主-主系統、主-從系統以及混合系統。

5.1.2

ProfibusDP通信協議

PorfibusDP是目前應用最廣泛的Probibus總線。它的基本特點為：可以是單主站/多主站結構，1類主站和2類主站都可以讀取從站的數據，但同時只能有一個主站可以對從站進行操作；1類主站的通信是循環的，2類主站的通信是非循環的；總線上的從站優先級都是相同的；每個從站最多可以有244個字節的輸入/輸出數據，傳輸數據的速度最高可以達到12

Mb/s。

1類主站和從站之間，由1類主站發出診斷、參數化、組態、數據交換報文，從站則對主站發出的請求產生響應。

2類主站和從站之間，除了1類主站的報文之外，還包括了設定從站地址、讀取輸入、讀取輸出、獲取組態報文，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數據的上傳和下載、讀取1類主站相關數據。

PorfibusDP通信協議的通信參考模型如表5-1所示。

PorfibusDP通信協議采用了ISO標準模型的第1層物理層、第2層數據鏈路層，省略了第3～7層，添加了用戶層。精簡結構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可的行業應用需要的特殊規定。

第1層物理層介紹了ProfibusDP使用RS-485或者光纖進行傳輸，現場更為普遍的是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；通信介質推薦使用屏蔽雙絞線，如果現場EMC環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的方式，它在屏蔽雙絞線上傳輸的是兩個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要求較高，現場通信時盡量使用正規廠家生產的ProfibusDP電纜，特別是西門子的ProfibusDP電纜，否則在現場容易出現通信失敗、穩定性差等故障，影響生產制造進度。

屏蔽雙絞線內的兩根數據線通常分為A線、B線；D型插頭內通常分別有兩組A線端子和B線端子，一組用于進線，一組用于出線。位于總線兩端的設備只需要連接進線的A、B端子，并撥動撥碼開關接入終端電阻；位于總線中間的各個設備則需要從前一個設備接入進線的A、B端子，并使用出線的A、B端子連接至下一個設備，不需要撥動撥碼開關接入終端電阻。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，并根據從站的位置選擇撥動/不撥動撥碼開關接入終端電阻。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”，防止信號產生畸變，從而提高通信穩定性。

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層數據鏈路層ProfibusDP定義了鏈路是如何建立、維持、解除的。數據鏈路層的MAC協議是基于令牌傳輸(TokenPassing)的主從分時輪詢協議，ProfibusDP系統里只有一個令牌，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送和接收數據，這個時候其他主站是沒有發起通信的權限的。從站作為一個受控設備，只能等待主站發送的請求，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。

報文中，SD是報頭，LE是數據長度，LEr是重復數據長度，SDr是重復報頭，DA是目標地址，SA是源地址，FC是功能碼，FCS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，用于尋找新的站點；SD2=68h，用于SRD服務；SD3=A2h，數據單元長度固定；SD4=DCh，用于兩個主站間發送總線授權。

ProfibusDP數據鏈路層的報文比Profibus多了兩個字節：DSAP目的服務訪問點和SSAP源服務訪問點。這兩個特殊字節是為了區分DP報文和其他報文，因為可能有同時使用Profibus數據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)發送和請求數據，SDN(SendDatawithNoacknowledge)發送不需要確認的數據；DPV1則在DPV0的基礎上添加了CS(ClockSynchronization)時鐘同步；DPV2在DPV1的基礎上添加了MSRD(SendandRequestDatawithMulticastReply)發送和請求數據，并要求群發數據幀回復。

下面介紹幾個ProfibusDP組態及編程過程中需要使用到的關鍵概念。

1.?PZD和PKW

ProfibusDP通信報文的有效數據區由PZD和PKW兩部分組成：PZD是過程數據區，PKW是參數識別及數值區。PZD內的數據是“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據，如控制啟/停的控制字、讀取從機狀態的狀態字、電機的電流與頻率等。

在實際的生產應用中，需要大量的實時控制、監控的數據，基本都是通過PZD來實現的。PKW內的數據是“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的識別和數值的讀取，如從站配置參數的讀取、修改從站的特定參數等。當然，如果主機通過PKW來定時地給從機發送請求，PKW也可以變為“周期性”。從這個角度來說，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送請求。

2.?GSD文件

GSD文件是一個電子設備的數據文件，它是由從機的生產廠家按照西門子公司的統一格式編寫的。在組態過程中，我們需要把從機的GSD文件導入到主機的組態軟件中，從而使組態軟件識別自己將要連接的從機的特征，如生產廠家的名稱、支持的數據格式和服務類型、I/O點數、波特率等。

GSD文件一般包括三個部分：

(1)總規范。它包含生產廠家的名稱、設備名稱、硬件版本、軟件版本、波特率等。

(2)和DP主站相關的規范。它包含允許的從站個數、上傳下載能力等。

(3)和DP從站相關的規范。它包含輸入、輸出通道個數，類型、診斷等。

隨著控制設備功能的強大和細化，現在GSD在很多領域已經不能完整地描述設備的參數和功能，這種情況下就需要使用新的EDD或FDT/DTM。EDD和GSD類似，也是一種設備描述語言，只是它包含的信息更豐富，比較適合中、低復雜程度的應用。FDT/DTM則不同，它們不僅僅是設備描述語言，還是系統的設備描述方法。FDT/DTM可以提供設備的組態，所有參數的設置、診斷、測試，但FDT提供了一個標準的接口框架，而DTM則更像是一個驅動程序或者專門的配置插件，為對應的設備提供專門的配置界面。我們后續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(標號X1)和一個DP接口(標號X2)，MPI接口可用USB-MPI電纜和PC直連，用于PLC的組態等；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通信對變頻器進行控制和監視，變頻器的設置主要在于控制、給定通道的設置及通信配置上。

在SoMove配置頁面中，選擇“參數列表”標簽再點擊“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控制通道設置界面

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

圖5-5通信設置界面

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“設備管理器”，檢查USB-MPI通信電纜是否正常連接及驅動是否正常安裝，如圖5-6所示。

圖5-6設備管理器檢查界面

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

圖5-7

PG/PC接口設置界面

打開博圖軟件，點擊“創建新項目”，新建名為“ATV930_ProbusDP”的項目，點擊“創建”，如圖5-8所示。

圖5-8新建項目界面

在彈出的窗口中點擊“組態設備”，如圖5-9所示。

圖5-9設備組態界面

在彈出的窗口中點擊“添加新設備”，在設備列表中找到我們的CPU即“6ES7314-6CG03-0AB0”，設備名稱使用默認的“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，可以看到文件夾中的GSD文件已經被識別，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“網絡視圖”標簽，再在右側“硬件目錄”的搜索框中搜索“ATV9x0”，可以看到GSD文件已經成功安裝，“ATV9x0”已出現在硬件目錄中，如圖5-13所示。

圖5-13

GSD安裝成功界面

將“ATV9x0”拖放到“網絡視圖”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網絡。正確接入之后，ATV9x0的主站名稱會變為CPU的名稱“PLC_1”，如圖5-14所示。

圖5-14組態添加ATV930的界面

點擊DP總線，在“屬性”標簽的“常規”設置中找到“網絡設置”，將傳輸率調到最大的“12Mbps”，如圖5-15所示。

圖5-15傳輸率調整的界面

雙擊“網絡視圖”中的“ATV9x0”，打開變頻器的“設備概覽”，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“設備概覽”中可以看到博圖軟件已經自動給PLC的PKW和PZD分配了地址，其中插槽1內為PKW，插槽2內為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”標簽的“設備專用參數”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、轉速給定、狀態字、輸出轉速。這些寄存器可以滿足我們的控制和監視需求，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”標簽中“PROFIBUS地址”內的“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“監控與強制表”展開菜單，再雙擊“添加新監控表”添加一個名為“監控表_1”的監控表。需要注意的是，在組態界面中顯示的地址是以字節為單位的，所以是38～41，但是我們控制和監視是以字為單位的，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視的地址“%IW38”、“%IW40”、“%QW38”、“%QW40”，如圖5-20所示。

圖5-20新建監控表界面

點擊“編譯”圖標，編譯完成后點擊“下載到設備”圖標，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，設備狀態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“監控表_1”，點擊“在線”圖標?，再點擊“全部監視”圖標，監控表中%IW38為狀態字，%IW40為輸出轉速，%QW38為控制字，%QW40為轉速給定，可以看到狀態字的值已經刷新上來了，如圖5-24所示。

圖5-24在線監視界面

在“修改值”一欄中，給%QW40賦值十進制1500，給%QW38分別賦值6、7、F，變頻器即可進入運行狀態，%IW40也可以顯示輸出十進制轉速值。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”來刷新數據，如圖5-25所示。

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

小結

西門子的ProfibusDP目前是我國國內應用范圍最廣的通信協議，在工業以太網大范圍普及之前，是工業自動化從業人員必須要熟練掌握的現場總線之一。作為一個成熟的現場總線，通過理論介紹和實驗部分我們可以發現Profibus在現場的實現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節需要注意，以免影響現場設備的安全、穩定運行