西门子6ES331-1KF02-0AB0
现场总线技术的开发目标是打破 DCS系统孤立、开放程度低的现状 ,建立起不依赖任何厂商的开放式控制系统 ,并建立统一的工厂底层信息网络 ,任何遵守相同标准的不同厂家生产的设备均可与之连接 ,实现信息交换和互可操作 ,实现设备即插即用。但是现场总线作为一门新兴的控制技术 ,目前正处于发展阶段 ,技术还不成熟。当前在国际上有影响的现场总线标准很多（单是 1999 年 IEC 组织投票通过的现场总线IEC61158就有八九种） 。协议的不统一 ,给现场总线控制系统的集成带来了很大困难 ,无法实现互可替换和互可操作 ,并严重阻碍了现场总线控制系统的推广和应用。对此 ,本文针对不同厂商生产的现场总线设备 ,采用在国际上有很大影响力的 Profibus现场总线的相互连接和通信进行研究 , 并结合贵州水钢焦化厂鼓风机高压变频调速系统的项目介绍采用 Profibus - DP现场总线技术的变频器通讯原理及实现方法。
2 Profibus 通讯原理
2.1 总线拓扑结构
Profibus系统有 3 种总线拓扑结构: RS485、光纤和符合IEC1158- 2（Profibus - PA）的总线拓扑。DPΠFMS采用 RS485 连接 ,通信介质采用屏蔽双绞线或光缆 ,通信距离从 100～1200m,速率范围为96kbps～12Mbps。系统中大站点数为127个 ,当系统中需连接的站多于 时 使用中继器相连接。使用中继器可32 ,以实现树型和星型总线结构。 采用PA IEC1158 - 2连接技术。
2.2 通信实现原理
Profibus使用混合的总线存取控制机制来实现 Profibus通信 ,通信分主站和从站。主站间的通信采用逻辑令牌传递方式 ,拥有令牌的主站在确定的时间窗口内拥有总线控制权 ,决定系统的通信 ,它采用主 - 从原理以轮循方式与从站通信 ,同时采用循环或非循环报文实现主 - 主通信。系统可以配置为单主 -从、多主多从或前两者的混合系统。系统中相应地使用令牌总线程序和主 - 从完成数据通信。
（1）令牌总线程序 连接到 Profibus网络上的主站按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环。在逻辑令牌环中主站是一个接一个地排列的 ,控制令牌总按这个顺序从一个站传递到下一个站。令牌提供存取传输介质的权力 ,并用特殊的令牌帧在主站间传递。具有总线地址 HAS（高站地址）的站点例外 ,它只传递令牌给具有低总线地址的站点 ,以使逻辑令牌环闭合。在总线初始化和启动阶段 ,总线存取控制通过辨认主动节点来建立令牌环。为了管理控制令牌 ,MAC程序首先自动地判定总线上所有主动节点的地址 ,并将这些节点及它们的节点地址都记录在LAS（主动站表）中。对于令牌管理而言 ,使用了两个地址概念: PS节点（前一站）的地址 ,即下一站是从此站接收到令牌的;NS节点（下一站）的地址 ,即令牌传递给此站。在运行期间 ,为了从令牌环中去掉有故障的主动节点或增加新的主动节点到令牌环中而不影响总线上的数据通信 ,也需要LAS。
（2）主 - 从程序 在主 - 从系统中 ,主站与从站采用主 - 从程序实现通信。主 - 从系统允许主站当前有权发送、存取指定给它的从站设备 ,这些从站是被动节点。主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。典型的 Profibus - DP总线配置是以主- 从总线存取程序为基础的 ,DP主站循环地与 DP从站交换数据 。
3 通信互连设计
3.1 系统结构及设计
该系统以 Siemens公司和ABB公司的相关产品阐述全数字交流调速系统在 Profibus- DP网中的通讯及控制机理 。图 1 为Profibus- DP网的一种典型配置 ,本系统为主从、多厂商设备的DP通讯系统 ,从站设备有简单从站直至功能较强大的智能从站 ,如变频器、S7 - 200PLC,等 ,主站为 Siemens公司的 SIMATICS7- 315 - 2DP,带 CP5611 的 PC站可做二类 DP主站 ,用于编程、诊断等功能。交流变频器为 ACS627型 ,NPBA - 12为与之配套的通讯适配器 ,上位机中装有 STEP 7 软件 ,用于对 S7 - 300 PLC编程和对 Profibus- DP网进行组态和通讯设置。Profibus系统配置相当灵活 ,网络允许单子网或多子网配置 ,既允许单主 - 从系统运作 ,也允许多主站系统构成的多主 - 从系统运作。
（1）由 PC站、S7 - 300PLC、变频器和远程 IΠOS7 - 200组成的主 - 从系统 智能前端设备 ACS627 型变频器与 NPBA - 12 通讯适配器模块相连 ,接入 Profibus- DP网中作为从站 ,接受从主站SIMATIC S7 - 315 - 2DP来的控制。NPBA - 12 通讯适配器模块将从 Profibus- DP网中接收到的过程数据存入双向 RAM中 ,双向 RAM中的每一个字都被编址 ,在变频器端的双向 RAM可通过被编址参数排序 ,向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量 。
（2）远程 IOS7 - 200 作为简单从站也挂在主站 CPU315 -Π2DP上 ,完成高压开关部分的连锁控制。
（3）PC站作监控站 ,同时也作为二类主站 ,完成 S7 - 300 系统的组态、下载和诊断功能。现场过程对象的控制由 S7 -300PLC来完成。
3.2 通信编程
（1） 利用 GSD 文件完成开放式组态 设备数据库文件（GSD）描述了 Profibus设备的功能、特性及总线参数。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成到一个总线系统中 ,不同的厂商为其DP设备提供有相应的 DP网络配置及 GSD组态工具。
（2）编程实例 就该系统中 PLC（主站）与 ABB 变频器（从站）通讯来考虑 ,实质上是一个过程数据互连的问题。过程数据互连为连接设定值和控制位到 NPBA - 12 的双端口 RAM寄存器 ,包括设定值通道主站到变频器过程数据互连、变频器到实际值通道的过程数据互连和过程数据监视 。当所用的控制位及设定值、状态字和实际值被连接到双端口 RAM 时 ,被传送的过程数据才是有效的。在 S7 - 315 - 2DP与变频器通讯时 ,因为连接驱动装置从站的数据是一个整体 ,如果数据多于4个字节 ,它们会成为连续数据 ,而 S7系统中 ,数据类型大是双字（4 个字节） ,只有当它们被分开后才能被读出 ,因此需要在主程序中调用两个功能块 SFC14 和 SFC15 来读写这些数据 ,实现对变频器的通信控制。
主站S7 - 315 - 2DP和从站S7 - 200（CPU224）之间的 Profibus- DP通信通过 EM277模块将 S7 - 224作为DP从站连入网络来实现通信。主站 S7 - 315 - 2DP的网络配置使用 STEP7 - 5.1 来完成 ,从站 S7 - 200 的 DP 通信编程在软件 STEP7 Micro/WIN32V3.1完成 ,使用输入和输出缓冲区。该缓冲区驻留在 S7- 200的变量存储区（V存储区） ,因此要求参数赋值中必须包含V存储区的缓冲区的起始位置及输入输出的数据量 ,以确定缓冲区的大小 。
4 结论
从以上的讨论可知 ,Profibus - DP网只有三层结构 ,是一种低级的工业局域网 ,而使用了主 - 从方式的介质存取控制方式 ,使得该网的实时性远远高于其它局域网 ,因而特别适合用于工业现场。该网在本项目的运用中效果良好 ,从站 ABB 变频器、S7 - 200与主站 S7 - 300进行有效、可靠的信号传输。但在实际使用时 ,也存在一定的缺陷 ,如若向网中增加或删减站点时 ,就要重新初始化整个网络 ,并对各站重新排序 ,这一过程实现起来是比较麻烦的。但与以前的集散型控制技术 （DCS）相比 ,Profibus- DP网有着无可比拟的优点 。首先 ,在 DCS系统中 ,仪表是非智能化的设备 ,它只是简单地测量外部信息并转化成模拟信号进行传输.而 FCS系统则将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用 ,因而具有智能化的特点 ;其次 ,将现场仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析 ,从而实现了“危险分散”,增加了整个系统的可靠性;再者 ,采用了开放式的结构和统一的 ,网络可采用多种拓朴结构和不同厂家的硬软件和通信规程 ,即兼顾了产品的兼容性。后 ,Profibus- DP网络传输速度高、抗干扰能力强 ,是一种性能优良的现场总线控制网络。
一、rs-232、rs-422与rs-485的由来
rs-232、rs-422与rs-485都是串行数据接口标准，初都是由工业协会（eia）制订并发布的，rs-232在1962年发布，命名为eia-232-e，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。rs-422由rs-232发展而来，它是为弥补rs-232之不足而提出的。为改进rs-232通信距离短、速率低的缺点，rs-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接多10个接收器。rs-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为tia/eia-422-a标准。为扩展应用范围，eia又于1983年在rs-422基础上制定了rs-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为tia/eia-485-a标准。由于eia提出的建议标准都是以“rs”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以rs作前缀称谓。
rs-232、rs-422与rs-485标准只对接口的特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家使用。如录像机厂家中的sony与松下对录像机的rs-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如louth、odetis协议是公开的，而probbbb则是基于profile上的。
二、rs-232串行接口标准
目前rs-232是pc机与通信工业中应用广泛的一种串行接口。rs-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。rs-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。
收、发端的数据信号是相对于信号地，如从dte设备发出的数据在使用db25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平，db25各引脚定义参见图1。典型的rs-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15v，负电平在-5～-15v电平。当无数据传输时，线上为ttl，从开始传送数据到结束，线上电平从ttl电平到rs-232电平再返回ttl电平。接收器典型的工作电平在+3～+12v与-3～-12v。由于发送电平与接收电平的差仅为2v至3v左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布，其传送距离大为约15米，高速率为20kb/s。rs-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kω。所以rs-232适合本地设备之间的通信。其有关电气参数参见表1。
三、rs-422与rs-485串行接口标准
1．平衡传输
rs-422、rs-485与rs-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为a，另一线定义为b，如图2。
通常情况下，发送驱动器a、b之间的正电平在+2～+6v，是一个逻辑状态，负电平在-2～6v，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c，在rs-485中还有一“使能”端，而在rs-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将aa与bb对应相连，当在收端ab之间有大于+200mv的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mv时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mv至6v之间。参见图3。
2．rs-422电气规定
rs-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。图5是典型的rs-422四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。图4是其db9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比rs232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，多可接10个节点。即一个主设备（master），其余为从设备（salve），从设备之间不能通信，所以rs-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端大负载能力是10×4k+100ω（终接电阻）。rs-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（xon/xoff握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。
rs-422的大传输距离为4000英尺（约1219米），大传输速率为10mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到大传输距离。只有在很短的距离下才能获得高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的大传输速率仅为1mb/s。
rs-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的远端。
rs-422有关电气参数见表1
3．rs-485电气规定
由于rs-485是从rs-422基础上发展而来的，所以rs-485许多电气规定与rs-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。rs-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，参见图6。
而采用四线连接时，与rs-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（master）设备，其余为从设备，但它比rs-422有改进， 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。参见图7。
rs-485与rs-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，rs-485是-7v至+12v之间，而rs-422在-7v至+7v之间，rs-485接收器小输入阻抗为12k剑鳵s-422是4k健；旧峡梢运礡s-485满足所有rs-422的规范，所以rs-485的驱动器可以用在rs-422网络中应用。
rs-485有关电气规定参见表1。
rs-485与rs-422一样，其大传输距离约为1219米，大传输速率为10mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得高速率传输。一般100米长双绞线大传输速率仅为1mb/s。
rs-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。
四、rs-422与rs-485的网络安装注意要点
rs-422可支持10个节点，rs-485支持32个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：
1．采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响低。图8所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a，c，e）和正确的连接方式（b，d，f）。a，c，e这三种网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。
2．应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。
应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
图8
五、rs-422与rs-485传输线上匹配的一些说明
对rs-422与rs-485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配。但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。那么在什么情况下不用考虑匹配呢？理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美国maxim公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的rs-485接口max483输出信号的上升或下降时间小为250ns，典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns（24awg pvc电缆），那么只要数据速率在250kb/s以内、电缆长度不超过16米，采用max483作为rs-485接口时就可以不加终端匹配。
一般终端匹配采用终接电阻方法，前文已有提及，rs-422在总线电缆的远端并接电阻，rs-485则应在总线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在rs-422网络中取100ω，在rs-485网络中取120ω。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。
另外一种比较省电的匹配方式是rc匹配，如图9。利用一只电容c隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容c的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。
还有一种采用的匹配方法，如图10。这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的。节能效果显著。
六、rs-422与rs-485的接地问题
电子系统接地是很重要的，但常常被忽视。接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。rs-422与rs-485传输网络的接地同样也是很重要的，因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对于接地的要求更为严格。否则接口损坏率较高。很多情况下，连接rs-422、rs-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“a”、“b”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有下面二个原因：
1．共模干扰问题：正如前文已述，rs-422与rs-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，如rs-422共模电压范围为-7～+7v，而rs-485收发器共模电压范围为-7～+12v，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。以图11为例，当发送驱动器a向接收器b发送数据时，发送驱动器a的输出共模电压为vos，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差vgpd。那么，接收器输入端的共模电压vcm就会达到vcm=vos+vgpd。rs-422与rs-485标准均规定vos≤3v，但vgpd可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入vcm超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。
图11
2．（emi）问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
由于上述原因，rs-422、rs-485尽管采用差分平衡传输方式，但对整个rs-422或rs-485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压vgpd被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是通常的接地方法。
值得注意的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信。笔者认为，可以采取以下三种措施：
（1） 如果干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。
（2） 采用浮地技术，隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法，当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处于恶劣的工作环境的现场设备）浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离），这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流。
（3） 采用隔离接口。有些情况下，出于安全或其它方面的考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。参见图12。
图12
七、rs-422与rs-485的网络失效保护
rs-422与rs-485标准都规定了接收器门限为±200mv。这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力，如前文所述，当接收器a电平比b电平高+200mv以上时，输出为正逻辑，反之，则输出为负逻辑。但由于第三态的存在，即在主机在发端发完一个信息数据后，将总线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使ab之间的电压在-200～+200mv直至趋于0v，这带来了一个问题：接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为0v，网络中从机将把其解释为一个新的启动位，并试图读取后续字节，由于永远不会有停止位，产生一个帧错误结果，不再有设备请求总线，网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会造成两线电压差低于200mv的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。
图13
通常是在总线上加偏置，当总线空闲或开路时，利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态（差分电压≥-200mv）。如图13。将a上拉到地，b下拉到5v，电阻的典型值是1kω，具体数值随电缆的电容变化而变化。
上述方法是比较经典的方法，但它仍然不能解决总线短路时的问题，有些厂家将接收门限移到-200mv/-50mv，可解决这个问题。例如maxim公司的max3080系列rs-485接口，不仅省去了外部偏置电阻，而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。
八、rs-422与rs-485的瞬态保护
前文提到的信号接地措施，只对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。
实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏rs-422或rs-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。
1．隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离，已有器件厂商将所有这些元件集成在一片ic中，使用起来非常简便，如maxim公司的max1480/max1490，隔离电压可达2500v。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成本较高。
2．旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件（如tvs、mov、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难。实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用，如图14。在这种方法中，隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离，旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。
