基于PROFIBUS的现场总线控制系统

一. 引言

    PROFIBUS现场总线是一种国际化、开放式异步通讯标准，于1996年被批准为国际标准。PROFIBUS已经广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化等。它由三个部分：PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通讯，主要应用于现场设备级传输介质为屏蔽双绞线（EIA RS485），波特率从9600bps到12Mbps。艾默生公司的TDS-PA01总线适配器是PROFIBUS的兼容产品。TD3000系列变频器是高性能矢量型变频器，通过TDS-PA01总线适配器可方便地连接到Profibus总线上①，组成PROFIBUS工业现场总线控制系统。

二. 系统简介

    本生产线产品为宽约3m、厚约0.3~1mm的高级广告布。生产线主机传动由14台电机完成，每台电机由一台变频器驱动，生产线连续化作业。工序之间现场设备上有张力检测装置，有安全开关、急停开关。 本系统采用西门子S7-300 CPU315-2DP作为PROFIBUS主站；三台S7-200 CPU226-2DP作为智能从站，分别控制辅助部分；12台TD3000、2台TD3300变频器作为从站。整个PROFIBUS线缆长度大约100M，波特率选择为500K即可达到传输速度要求。　

三．主站与人机界面

    CPU315-2DP作为主站，它有2个通讯口：PORT0 和PORT1。PORT0作为PROFIBUS总线通讯口，波特率选择为500Kbps。PORT1作为与人机界面通讯口，它为MPI口，采用RS485通讯，波特率为19.2kbps，我们制作了RS485通讯电缆与人机界面通讯。人机界面为台达PWS3260触摸屏。在触摸屏上进行全线控制、生产线运行显示、变频器运行显示、及参数的设置。CPU315作为主站，根据触摸屏的设定值和通过PROFIBUS从智能从站传来的张力信号比较，通过运算，转换成运行频率发送给14台变频器，控制14台传动电机。

    由于从站距离较远，有需要在2、3好从站上需要查看对方的运行数据，在程序设计中有几个参数通过PROFIBUS由2号从站传给主站，通过主站再传送给3号从站。3号从站也通过同样途径传送给2号从站。由于操作需要，在2号从站上需要更改主站上的参数。在2号从站的界面上设计有按钮，信号通过PROFIBUS传送给主站。

    主站程序执行是循环扫描执行方式，与其它PLC执行方式一样。通过PROFIBUS传送的信息也是周期传输的。

四. 智能从站

    EM277 PROFIBUS-DP模块能使S7-200连接到PROFIBUS总线上。它也能使CPU222、CPU224，或CPU226与PROFIBUS主站和最大到6个的MPI主站通讯②。它接受主站的配置信息，在S7-200程序设计中要与主机配置相一致。在与主张信息交换中，EM277 PROFIBUS—DP模块接收主站、发送给主站缺省配置为2字入/2字出，它分为字一致、字节一致和缓冲区一致。

    有三台S7-200 CPU226-2DP作为智能从站通过EM277挂接在PROFIBUS总线上。2号、3号从站为辅助操作部分，控制生产线上的电磁阀、采集控制信号、采集张力信号并经过滤波处理再传送给主站。2号从站为8字输入8字输出。3号从站为4字输入/4字输出。1号从站有相对的独立性，控制加热部分，仅接收主机运行信号、传送本系统故障信号，仅1字输入/1字输出。

    2号从站有2个通讯口，每个口与一台PWS1711通讯，分布在1、2号操作台上。在1号操作台上主要进行放卷的两个卷轴之间更换。2号操作台对生产线辅助机械动作的操作、张力大小的调节。3号从站也有2个通讯口，分别与3、4号操作台上的PWS1711通讯。在触摸屏上完成运行状况的查看、参数的修改、辅助机械的操作。

    1号从站为烘箱加热部分，具有相对独立性。CPU的PORT1口与一台PWS1711人机界面相连，PORT0编程为自由口通讯模式，与风机变频器组成RS485总线网。烘箱中导热油在盘管中流动，经循环风机进行热交换。风机共5台，全为变频控制，根据工艺要求调节运行频率。5台TD2000变频器采用RS485控制方式，波特率为9600kbps。

五. 变频器从站

    TD3000系列变频器通过TDS-PA01总线适配器连接到PROFIBUS总线上。TDS-PA01是PROFIBUS总线的兼容产品，符合PROFIBUS协议中的传动设备行规—PROFIDRIVE，主站能通过它对变频器进行运行控制操作、调节运行频率、更改变频器的功能码、读取变频器的运行状态。变频器也通过TDS-PA01反馈对主站控制信号的应答信号，主站可以根据变频器的应答信号判断控制信号执行情况。

    在周期性的通讯中，PROFIBUS-DP使用PPO（对象过程类）类型作为数据传递的格式，由于本系统仅对变频器的运行频率设定，不更改功能码，本例采用的是PPO3，仅控制变频器的启动、停止、故障复位、运行频率设定。在主站组态时需导入TDS-PA01的GSD文件， GSD文件为TDS-PA01的设备数据文件。然后在PROFIBUS总线上连接TDS-PA01，TDS-PA01与主站通讯波特率为500Kbps，TDS-PA01与TD3000的通讯波特率为38.4kbps。

六. 结束语

    设备已从今年六月份稳定运行。经实践证明，PROFIBUS现场总线在此类系统中运行稳定可靠，没有出现过问题。由于采用了现场总线，减少了许多配线，减少了安装工作量及维护成本。

    应用中也总结出一些经验：

    1.在配置智能从站的EM277时输入/输出字节应留有余量；

    2.变频器的控制中刚采用命令字与频率值分开写入，方便编程；

    3.由于人机界面大多可以以RS485通讯方式工作，在应用中两台人机界面可以与一个PLC的通讯口相连，使PLC减少一个通讯也可以应用，减少投资。PWS系列专门设计有MULTIDROP连接模式，方便多机连接而仅用一个PLC通讯口。