PROFIBUS-DP與MODBUS總線在復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制中的應(yīng)用

陜西科技大學(xué)（西安 710021） 孟彥京 孫小平

1 Profibus、Modbus的概述

PROFIBUS是開放式的現(xiàn)場總線，在歐洲工業(yè)界得到應(yīng)用的一個(gè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS協(xié)議包括三個(gè)主要部分：Profibus DP（Decentralized Periphery）：分布式外部設(shè)備，主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場級(jí)通信，可以取代4－20mA模擬信號(hào)傳輸；PROFIBUS FMS（Fieldbus Message Specification）：現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范，定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過程數(shù)據(jù)交換；PROFIBUS PA（Process Automation）：過程自動(dòng)化，電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場級(jí)通訊。

Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，現(xiàn)在已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

Modbus有RTU（遠(yuǎn)程終端單元）和ASCII兩種報(bào)文傳輸方式。

2 從本身物理結(jié)構(gòu)、傳輸速率、傳輸數(shù)據(jù)方式等對(duì)兩者的比較

2.1 物理結(jié)構(gòu)

根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection-OSI）作為參考模型的。該模型共有七層。

PROFIBUS-DP：定義了第一層（物理層）。二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口層。第三到第七層未加描述。這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?，直接?shù)據(jù)鏈路層影像提供了易于進(jìn)入第2層的用戶接口。

Modbus沒有規(guī)定物理層。典型的是RS-485和RS-232C

PROFIBUS-DP傳輸技術(shù)：PROFIBUS-DP物理層是RS-485。波特率從9.6K bit/s到12M bit/s，速率越高，傳輸?shù)木嚯x越短（最高速時(shí)，通訊距離僅100米）。響應(yīng)時(shí)間的典型值為1ms，使用屏蔽雙絞線電纜（最長9.6km）或光纜（最長90km），最多可以接127個(gè)從站。PROFIBUS-DP可以同時(shí)有多個(gè)主站。

Modbus串行鏈路系統(tǒng)在物理層可以使用不同的物理接口：最常用的是兩線制的RS-485（采用半雙工）接口，也可以使用四線制RS-485接口。只需要短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，使用RS-232C串行接口；RS-232C（全雙工）的傳輸速率比較低，最大波特率典型值為20kbit/s，RS-485的最大傳輸波特率為12 M bit/s；Modbus通訊協(xié)議RS-422（全雙工）、RS-485傳輸距離理論為1200米，RS-232傳輸距離理論為12米。Modbus串行總線中只有一個(gè)主站，可以有1－256個(gè)子站。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

2.2.1 Modbus數(shù)據(jù)傳輸方式

Modbus的串行鏈路協(xié)議的主-從協(xié)議，采用請(qǐng)求－響應(yīng)方式，主站發(fā)出帶有從站地址請(qǐng)求的報(bào)文，具有該地址的從站收到發(fā)出響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答；Modbus通信只能由主站發(fā)起，子站在沒有收到來自主站的請(qǐng)求時(shí)，從站不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，子站之間也不會(huì)互相通信。主站可以向某一個(gè)從站發(fā)出查詢，也可以向所有從站廣播信息。從站只響應(yīng)單獨(dú)發(fā)給它的查詢，而不響應(yīng)廣播消息。

由于子站只是響應(yīng)，所以每個(gè)控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。通訊開始時(shí)首先由主機(jī)向從機(jī)發(fā)送地址，所有從機(jī)都會(huì)接收到地址并與本機(jī)地址比較，若地址不同則可不接收其余幀或?qū)ζ溆鄮蛔鎏幚?，若地址相同則準(zhǔn)備接收本次數(shù)據(jù)包的其他幀。

Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包的傳送格式：

Modbus協(xié)議有兩種通信模式：ASCII模式和RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式。ASCII模式是將一個(gè)字節(jié)分為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送，而RTU模式以十六進(jìn)制傳送數(shù)據(jù)，一個(gè)字節(jié)就是一幀，因而數(shù)據(jù)傳送的效率高于ASCII模式，大多數(shù)工業(yè)控制器采用RTU模式。

Modbus協(xié)議規(guī)定了RTU通信模式中的消息幀格式：

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使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。在隨后一個(gè)傳輸字符結(jié)束后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間停頓注銷了消息的結(jié)束，一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符內(nèi)接著前一個(gè)消息的開始，接收設(shè)備將認(rèn)為它是前一個(gè)消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤。

用不同的功能時(shí)設(shè)定不同的功能代碼（功能代碼的介紹在參考文獻(xiàn)[3]）。

2.2.2 PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸方式

此協(xié)議明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各個(gè)站點(diǎn)之間傳遞，第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）規(guī)定總線存取控制，數(shù)據(jù)安全性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。

DP允許主-主之間的數(shù)據(jù)通信，各主站間令牌傳遞，令牌按令牌環(huán)中各個(gè)主站地址的升序在各個(gè)主站之間依次傳遞。令牌傳遞在所有的主站上循環(huán)一周的時(shí)間是事先規(guī)定的。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。主站設(shè)備可向單獨(dú)的DP從站、一組從站或全體從站同時(shí)發(fā)送控制命令。這些命令通過有選擇的廣播命令發(fā)送的。

DP通信協(xié)議幀格式：數(shù)據(jù)交換的時(shí)候需要有固定的幀格式,該幀格式在PROFIBUS-DP總線協(xié)議中稱為PPO （Parameter-Process Data-Object）。PPO又由PKW和PZD兩部分組成。PKW是用來讀寫非周期性數(shù)據(jù),包括參數(shù)設(shè)定、配置和診斷；PZD是用來讀寫周期性的數(shù)據(jù),即讀寫I/O。在PROFIBUS-DP總線協(xié)議中,有五類PPO,各類PKW和PZD所要求的字?jǐn)?shù)都不一樣。

過程數(shù)據(jù)區(qū)（PZD）：例如控制字、設(shè)定值或狀態(tài)信息和實(shí)際值等；參數(shù)區(qū)（PKW）：用讀/寫參數(shù)，例如讀出故障/讀出一個(gè)參數(shù)的特征信息，諸如最小/最大限制等。

該幀的定義方式簡單方便，只需要在組態(tài)是選定ppo類型，相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式也就定了。

PROFIBUS-DP中DP功能經(jīng)過擴(kuò)展功能越來越全面，一共有三個(gè)版本：DP-V0、DP-V1、DP-V2。其中DP-V2已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從站之間不通過主站直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種方式最多可以減少90%的總線響應(yīng)時(shí)間。

通過以上分析可以看到,PROFIBUS-DP是一種高速低成本的現(xiàn)場總線，可以連接不同廠商符合PROFIBUS－DP協(xié)議的設(shè)備。

3 兩者在造紙行業(yè)中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸方式具體說明

針對(duì)造紙行業(yè)復(fù)卷機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)組成圖：控制器（PLC，CPU313C-2DP）、PROFIBUS-DP通訊/Modbus通訊、4臺(tái)ACS800變頻器設(shè)備。

復(fù)卷機(jī)系統(tǒng)的組成如圖1所示：

要通過通訊實(shí)現(xiàn)的功能：四個(gè)帶變頻的傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)停止、速度給定、電流讀取，張力控制等等。

PLC與傳動(dòng)設(shè)備變頻器使用Modbus協(xié)議通訊，如果變頻器自身有內(nèi)置的RS-485接口（例如ACS550），在PLC上插入CP34X系列串行通訊模塊，這些通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)S7-300/400其他串行通訊設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，其中就包括Modbus主從站。CP34X有CP340/CP341/CP440/CP441-1/CP441-2,這些模塊有一個(gè)（CP441-2有兩個(gè)）串行通訊口（RS-232C或TTY或RS-485/422）。可以用亞當(dāng)模塊把CP340的RS-232C口轉(zhuǎn)成RS-485口就可以直接通訊。CP340的最高通訊速率只能達(dá)到9600kbit/s。

沒有內(nèi)置RS485的（例如ACS800），要通過NMBA-01適配器實(shí)現(xiàn)Modbus通訊。通過把98.02組參數(shù)設(shè)置為STD MODBUS，這時(shí)52組參數(shù)被激活，可以在52組參數(shù)中設(shè)置從點(diǎn)的設(shè)備地址，通訊速率，校驗(yàn)方式。這樣就可以進(jìn)行Modbus通訊了。

PROFIBUS-DP有明顯的優(yōu)勢,所以在造紙行業(yè)應(yīng)用也越來越多。以下主要介紹其在交流復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

DP總線組態(tài)以及相關(guān)的參數(shù)設(shè)置

1.控制器CPU313C-2DP自帶PROFIBUS-DP接口，控制器與各個(gè)變頻器之間通過DP頭連接電纜從控制器信號(hào)輸出，并列地與各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行連接。復(fù)卷機(jī)的硬件連接示意圖如圖2所示：

2.DP組網(wǎng)，就必須有主站的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具和從站的GSD（電子設(shè)備數(shù)據(jù)）文件。

3.打開simatic manager可以利用創(chuàng)建項(xiàng)目向?qū)瓿尚马?xiàng)目創(chuàng)建，創(chuàng)建過程中可以選擇需要的CPU類型（CPU313C-2DP）。

4.創(chuàng)建后生成simatic 300 Station，雙擊打開hardware圖標(biāo)，在機(jī)架中添加需要的電源類型，需要的DI/DO模塊。

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5.設(shè) DP總線為主站，首先將變頻器的98.02設(shè)為FIELDBUS，這時(shí)51組參數(shù)被激活。采用 DP通訊，變頻器51.01MODULE TYPE設(shè)置為PROFIBUS DP profibus默認(rèn)的傳輸速率為1.5Mbit/s。變頻器51.03BAUDRATE設(shè)置為1500

6.在總線上添加變頻器適用的適配器。并設(shè)置變頻器的通訊節(jié)點(diǎn)地址。例如圖1中退紙輥的變頻器節(jié)點(diǎn)地址設(shè)為4，那么在變頻器相應(yīng)的參數(shù)51.02NODE ADDRESS中輸入4。其他同理。

7.注意硬件組態(tài)時(shí)PPO類型的選擇。選擇哪種類型的PPO，取決于在自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中傳動(dòng)裝置的任務(wù)。PPO類型選定以后，相應(yīng)組態(tài)地址對(duì)應(yīng)的含義也就定了。

DP通訊數(shù)據(jù)讀寫：

要控制退紙輥、前后底輥、圓刀變頻器的啟動(dòng)停止、速度給定等功能以及各個(gè)部分電流狀態(tài)等的讀取，這些都由通訊完成。在程序中可以編寫單獨(dú)的FC塊來完成控制器PLC對(duì)變頻器的控制功能，即通訊讀寫。通訊中數(shù)據(jù)的含義與硬件組態(tài)時(shí)選擇的PPO類型有關(guān)。完成這些可以用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)功能SFC14“ DPRD_DAT”讀，SFC15“ DPWR_DAT”寫。

寫下類似的通訊程序，安裝相應(yīng)變頻器的通訊說明書，根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，判斷通訊成功與否，比如通訊指示燈。如果通訊未成功可以檢查硬件連接控制器到變頻器。尤其是DP頭的連接。軟件編寫時(shí)地址是否按PPO類型選擇對(duì)應(yīng)等等。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，也有將兩者混用的方式。

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! 總結(jié)

PROFIBUS-DP和MODBUS規(guī)定了各自的通訊協(xié)議方式方法。Modbus的通訊協(xié)議本身特點(diǎn)在一定程度上限制了其通訊速率。PROFIBUS本身的優(yōu)勢使其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工程中也用過兩種通訊方式。利用PROFIBUS現(xiàn)場總線將主從站點(diǎn)連接在一起，主站系統(tǒng)的所有信息都通過DP總線進(jìn)行傳遞，從站的信息及時(shí)反饋回主站，并做相應(yīng)的處理。PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊速率快，可靠性高。

[1]廖常初主編 S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]廖常初.PLC技術(shù)問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]朱小囊.ModBus通信協(xié)議及編程[J].計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技術(shù),2005,31（7）:42～44.

[4]李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.