PROFIBUS通信在門機中的應用及故障分析

孫海 焦廣勇 王樹鑫 徐士寬 王軍龍

摘 要：本文簡述了應用PROFIBUS現(xiàn)場總線的安川PLC與G7變頻器之間的主、從通信原理，以青島港機廠制造的變頻調速式門機為例，介紹了安川交流變頻調速系統(tǒng)的PROFIBUS-DP通信、硬件配置和參數(shù)的設定方法，分析了通信故障產(chǎn)生的原因和解決方法。

關鍵詞：門座式起重機;現(xiàn)場總線;PROFIBUS-D主從方式;安川變頻器;通信故障

0、引言

港口機械設備具有較長的發(fā)展歷史，拖動系統(tǒng)采用過多種方法。隨著電力電子器件、大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的迅速發(fā)展，使得交流變頻調速系統(tǒng)得到了廣泛應用。前港公司從2002年開始陸續(xù)投產(chǎn)的25T門機和40T門機，全部采用安川變頻調速系統(tǒng)，其PLC主控單元CP-316H通過內(nèi)置PROFIBUS-DP通信模塊與PROFIBUS總線連接，各機構變頻器作為從站與CPU通信，主站周期性地讀取從站的輸入信息，并周期性向從站發(fā)送輸出信息。PROFIBUS現(xiàn)場總線技術是隨全數(shù)字信號系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設備之間的通信，遠程I/O系統(tǒng)尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對實時性要求比較高的自動化場合。

1、PROFIBUS-DP主、從網(wǎng)絡的構成及通信流程

以日本安川公司的PLC和變頻器構成的現(xiàn)場總線系統(tǒng)為例。前港公司變頻調速式門機應用的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP系統(tǒng)，由主站、從站和網(wǎng)路三部分組成，主站是帶PROFIBUS通信模塊的CP-316H，從站是起升、閉合等機構G7變頻器，由于安川變頻器內(nèi)置的是專用的MEMOBUS協(xié)議，不能直接接入PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡，而必須通過專用的接口卡完成通信。在主、從方式下，由一個CP-316H（主站）控制五臺變頻器（從站），構成主-從系統(tǒng)，主站發(fā)出命令，從站給出響應，配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制。

2、PROFIBUS網(wǎng)絡配置及通信格式

（1）在PLC的編程軟件CP-717中選擇相應的PLC型號，設置各機構驅動器文件夾，并配置變頻器的相關群組參數(shù)，聯(lián)機后即可在系統(tǒng)中識別各機構變頻器的SI-P1 卡的配置地址，將其作為網(wǎng)絡上的一個從站來組態(tài)，通訊速率通常設置為19200Bps。

（2）變頻器的相關設置。各機構變頻器安裝的通信卡，每個卡上都有撥碼開關，用于設定各變頻器的通信地址，每個地址都是唯一的，不允許重復。變頻器參數(shù)設置B1-01：頻率基準輸入方式設為3（選擇通訊卡），B1-02：運行指令輸入方式設為3（選擇通訊卡）。系統(tǒng)啟動后，首先完成PLC通信模塊的初始化和總線參數(shù)分配，如有故障則根據(jù)系統(tǒng)要求作出相應動作。

（3）通信格式。下圖為PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸示意圖（見圖1），即主站發(fā)送請求，訪問DP從站，其中包括幀格式;從站收到請求信息后，立即響應主站，并回送響應幀。

PROFIBUS-DP通信協(xié)議的信息幀分為協(xié)議頭、用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議尾，輸出數(shù)據(jù)是傳輸控制字和設定值（主站→變頻器），是變頻器運行要定義的一些功能碼，如運行頻率、力矩給定等，輸入數(shù)據(jù)是狀態(tài)字和實際值（變頻器→主站），是變頻器運行實時數(shù)據(jù)的反饋值。高速I/O 數(shù)據(jù)區(qū)的輸入、輸出數(shù)據(jù)各為16 字節(jié)，其中基本數(shù)據(jù)的長度各為16位。

3、通信故障的產(chǎn)生原因及解決方法

門機在運行中經(jīng)常會出現(xiàn)通信故障，具體現(xiàn)象有：變頻器報“BUS”故障停機;變頻器頻繁報“BB”—基極封鎖，反復啟、停。前者原因主要是通信線路斷線、通信卡插排接觸不良或者是通信卡損壞。后者出現(xiàn)的原因則比較復雜，經(jīng)過分析確定大多為干擾引起，下面對影響通信可靠性的因素進行分析。

（1）共模干擾問題。PROFIBUS現(xiàn)場總線的物理層是基于RS-485的總線，有一定的抗共模干擾能力。但是其抗共模電壓的范圍是有限度的，約為-7～+12V，當共模電壓超出此范圍就會影響通信的穩(wěn)定性，甚至損壞接口。因此各電氣柜內(nèi)部的布線、通信電纜的屏蔽層接地要合理，特別是要根據(jù)實際情況，靈活選擇單端接地或雙端接地，確保設備運行穩(wěn)定可靠。

（2）通信電纜中的信號反射。導致信號反射的主要原因是阻抗不匹配，這是由于數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配引起的。信號反射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤。想要消除這種反射，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，并根據(jù)實際情況，合理調整匹配電阻，減少信號反射現(xiàn)象。

（3）通信電纜中的信號衰減。一條傳輸電纜可以把它看成由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。PROFIBUS用的是標準型兩芯電纜，在不同波特率時的衰減系數(shù)差別很大。由于總線上分布電容的影響，導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，從而使整個網(wǎng)絡性能降低。解決的方式有兩種，一是降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?二是使用分布電容小的電纜，提高傳輸質量。

4、結語

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的快速發(fā)展逐漸取代了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，它更適合于自動化的要求，特別是采用PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)，增強了整個系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了分布式控制，提高了系統(tǒng)的響應速度和控制精度。PROFIBUS總線用于門機變頻調速控制系統(tǒng)，經(jīng)實踐應用證明其穩(wěn)定可靠，維護簡便。PROFIBUS現(xiàn)場總線以其卓越的技術性能，必將得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1]淺析PROFIBUS-PA的基本原理及特性[J].周志敏. 智慧工廠.2019（02）