摘 要：介紹了Profibus-DP總線(xiàn)技術(shù)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了由伺服控制器、S7-300 PLC和ProTool組成的基于Profibus-DP總線(xiàn)的伺服控制系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、維護(hù)容易等特點(diǎn),并介紹了該系統(tǒng)中的伺服控制器和PLC的通訊過(guò)程及軟件設(shè)計(jì)。

　　Profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)是一種高速間的通信，可滿(mǎn)*直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求。由于其高可靠性、高性能、實(shí)時(shí)性好及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已被幾乎所有的生產(chǎn)廠(chǎng)商和用戶(hù)所接受。

　　伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易、運(yùn)行平穩(wěn)、相應(yīng)快等優(yōu)異特性，已越來(lái)越成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制的重要力量。特別是在自動(dòng)化程度比較高、需控制速度、位置、力矩等應(yīng)用場(chǎng)合，如紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、造紙機(jī)械，數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等重要行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。雖然Profibus-DP不像MACRO、Fire Wire是專(zhuān)門(mén)為運(yùn)動(dòng)控制而開(kāi)發(fā)的，但在實(shí)際PROFIBUS總線(xiàn)對(duì)伺服的控制具有很重要意義。

　　2 PROFIBUS-DP 總線(xiàn)技術(shù)

　　2.1 PROFIBUS-DP 簡(jiǎn)介

　　PROFIBUS 以ISO7498 為基礎(chǔ)，以開(kāi)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(xiàn)存取協(xié)議和應(yīng)用功能。其傳輸速率為 9.6kbps－12Mbps，傳輸距離在 12Mbps 時(shí)為100m，在1.5Mbps 時(shí)為400m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。多可掛接127 個(gè)站點(diǎn)。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(hù)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?。它是?zhuān)門(mén)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的 I/O 之間進(jìn)行的通訊而設(shè)計(jì)的。使用PROFIBUS-DP 模塊可取代24V 或4～20mA 的串聯(lián)式信號(hào)傳輸,減少投資 成本。直接數(shù)據(jù)鏈路映像(DDLM)提供的用戶(hù)接口，使得對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層的存取變的簡(jiǎn)單方便，傳輸可使用 RS-485 傳輸技術(shù)或光纖媒體。

　　標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳輸，且在沒(méi)有提供外部請(qǐng)求時(shí)發(fā)送信息和被授權(quán)可訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn).從設(shè)備是相對(duì)于主設(shè)備而言較 為簡(jiǎn)單的外部設(shè)備,且未被授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn);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(xiàn)連接器、RS-485 總線(xiàn)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(diǎn)

　　PROFIBUS-DP 物理層與ISO/OSI 參考模型的層相同，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(xiàn)和光纖兩種傳輸媒體。

　　圖1 中兩根數(shù)據(jù)線(xiàn)通常被稱(chēng)為A 線(xiàn)和B 線(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)RXD/TXD-N 和RXD/TXD-P 信號(hào)。 PROFIBUS-DP 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAL）部分采用受控訪(fǎng)問(wèn)的令牌總線(xiàn)（Token Bus）和主從 方式。其中令牌總線(xiàn)與局域網(wǎng)IEEE8024 協(xié)議一致，令牌在總線(xiàn)上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總 線(xiàn)控制權(quán)，該主站依照關(guān)系表與從站或其他主站進(jìn)行通信。

　　主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是：總線(xiàn)上一個(gè)主站控制著多個(gè)從站， 主站與每一個(gè)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(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達(dá)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(guò)程分為三個(gè) 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(biāo)志字段（8 位）。A 為從站地址字段?？刂谱侄蜟 表示幀類(lèi)型、編號(hào)、命令和控制信息， 它將HDLC 幀分為三種類(lèi)型：信息幀（1）、監(jiān)控幀（S）和無(wú)編號(hào)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(duì)鏈路狀態(tài)做出各種響應(yīng)（如認(rèn)可幀、請(qǐng) 求重傳或暫停等）；無(wú)編號(hào)幀（不含信息字段）用于傳輸各種元編號(hào)命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式， 釋放鏈路及特殊情況等。信息字段由PKW+PZD 的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成，PKW 用于讀寫(xiě)參數(shù)值，如寫(xiě)入控制字 或讀出狀態(tài)字等，一般為4B 長(zhǎng)，而PZD 用于存放控制器的具體控制值，設(shè)置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為 2～10B 長(zhǎng)。例如，PKW=P554.1 代表向變頻器的主驅(qū)動(dòng)模塊寫(xiě)入一個(gè)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(gè)字節(jié)為0#～7#電機(jī)的起停控制位。FCS 是幀校驗(yàn)字段，它對(duì)整個(gè)幀 的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗(yàn)，該HDLC 幀長(zhǎng)可達(dá)24B。

　　3 伺服電機(jī)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(zhuān)門(mén)的PROFIBUS-DP 總線(xiàn)接口模塊，可以 像其他的PROFIBUS-DP 一樣，用普通的雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)，很方便的連接到基于PROFIBUS-DP 總線(xiàn)的工 業(yè)控制系統(tǒng)上，如圖3 所示。

　　上位機(jī)由西門(mén)子的S7-300PLC 組成，型號(hào)為6ES7315-2AG10-0AB0，它有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的PROFIBUS-DP 接口， 一個(gè)MPI 通信接口，可接入64 個(gè)從站。PROFIBUS-DP 總線(xiàn)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的中的所有伺服控制器進(jìn)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(gè)窗口，由組態(tài)軟件ProTool 編織的人機(jī)界面 可方便的對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和參數(shù)的修改。

　　TWINLINE 的伺服控制器與伺服電機(jī)之間采用旋轉(zhuǎn)編碼器或光電編碼器建立反饋，形成高的伺服控 制系統(tǒng)，伺服電機(jī)實(shí)時(shí)的將其運(yùn)行狀態(tài)與信息上傳給伺服控制器。作為PROFIBUS-DP 總線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)，伺服 控制器可以與PLC 主機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)總線(xiàn)接受上位機(jī)的各種操作、控制和參數(shù)設(shè)定命令等。

　　4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通過(guò)PROFIBUS-DP 總線(xiàn)進(jìn)行通信與控制的伺服系統(tǒng)，主要解決的是上位主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題，以下是PLC 程序的主要設(shè)計(jì)框圖

　　PLC 程序由STEP 7 進(jìn)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(dòng)組織塊，系統(tǒng)啟動(dòng)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(kāi)的背景數(shù)據(jù)快，為伺服控制器設(shè)置輸入/輸出總線(xiàn)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(lái)自總線(xiàn)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(gè)軸的初始化即多個(gè)伺服控制器的初始化。FC41 即POS_SEQ_SERVO，它是整個(gè)伺服控制的 部分，一些控制命令如速度命令、位置命令、力矩命令、原點(diǎn)復(fù)歸命令以及從總線(xiàn)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(xiàn)的錯(cuò)誤信息并產(chǎn)生一個(gè)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(duì)錯(cuò)誤進(jìn) 行處理。FC31 是FC41 的子塊，它對(duì)FC41 的完成情況加以診斷并總線(xiàn)。FC33 和FC34 也是功能塊FB40的附屬部分，F(xiàn)C33 對(duì)當(dāng)前伺服控制器的狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果空閑向總線(xiàn)發(fā)送命令表示下一個(gè)命令可以發(fā)送。 FC34 處理多個(gè)伺服控制器的同步和異步錯(cuò)誤信息并產(chǎn)生錯(cuò)誤。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　TWINLINE 型伺服控制器PROFIBUS-DP 接口的引入，提高了工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制的水平，使伺服電機(jī)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(shí)際情況已證明這種控制方式效果好。 PROFIBUS-DP 總線(xiàn)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(xiàn)接口的伺服 控制器提供了廣闊的應(yīng)用前景。(鄭安平 孔 漢 李銀華 潘向飛)