Profibus-DP总线技术及其在BWS伺服传动应用方案

　　1 引言

　　Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化领 域。Profibus根据应用特点分为Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三个兼容版本。其中Profibus- DP是一种高速（数据传输速率9.6kbit/s-12Mbit/s）经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系 统快速响应的时间要求。由于其高可靠性、高性能、实时性好及其独特的设计，已被几乎所有的生产厂商和用户所接受。

　　BWS伺服电机具有结构紧凑、控制容易、运行平稳、相应快等优异特性，已越来越成为现代工业自动化运 动控制的重要力量。特别是在自动化程度比较高、需精确控制速度、位置、力矩等应用场合，如纺织机械、印刷机械、造纸机械，数控机床、工业机器人等重要行业 得到了普遍的应用。虽然PROFIBUS-DP不像SERCOS、MACRO、Fire Wire是专门为运动控制而开发的，但在实际控制中由于PROFIBUS-DP的广泛存在，所以运用PROFIBUS总线对伺服的控制具有很重要的现实意 义。

　　2 PROFIBUS-DP总线技术

　　2.1 PROFIBUS-DP简介

　　PROFIBUS以ISO7498为基础，以开放式系统互联网络OSI（open system interconnecTIon）作为参考模型，定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能。其传输速率为 9.6kbps-12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，在1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。最多可挂接127个 站点。PROFIBUS-DP是一种高速和便宜的通讯连接，使用了第1层、第2层（即物理层和数据链路层）和用户接口层，第3层至第7层未加以描述，这种 流体型结构确保了数据传输的快速和有效。它是专门为自动控制系统和设备分散的I/O之间进行的通讯而设计的。使用PROFIBUS-DP模块可取代24V 或4～20mA的串联式信号传输，减少投资成本。直接数据链路映像（DDLM）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变的简单方便，传输可使用RS- 485传输技术或光纤媒体。

　　标准现场总线PROFIBUS-DP的硬件由主设备、从设备、网络网路等三部分组成。其中主设备用以控制总 线上的数据传输，且在没有提供外部请求时发送信息和被授权可访问总线。从设备是相对于主设备而言较为简单的外部设备，且未被授权访问总线;网络网路如传输 介质和网络链接器，前者用屏蔽双绞电缆构成电气网络，用塑料或玻璃纤维光缆构成的光纤网络，或是基于两种媒介之间由OLM转换的混合网络;后者如RS- 485总线连接器、RS-485总线终端、RS-485中继器、光链路模块OLM等。

　　2.2 PROFIBUS-DP通信协议及特点

　　PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA—RS485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。

　　图1 RS485总线段结构图

　　图1中两根数据线通常被称为A线和B线，分别对应RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信号。

　　PROFIBUS-DP数据链路层协媒体访问控制（MAL）部分采用受控访问的令牌总线（Token Bus）和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从 站或其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）。该模式的工作特点是：总线上一个主站 控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路;主站发出命令（Command），从站给出响应（Respond）;从站可以连续发送多个帧，直到无 信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。

　　图2中F为帧标 志字段（8位）。A为从站地址字段。控制字段C表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将HDLC帧分为三种类型：信息帧（1）、监控帧（S）和无编号帧 （U）。其中信息帧用于应用数据（Useful Data）的传输并捎带应答;监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）;无编号帧（不含信息字段）用于传 输各种元编号命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等。信息字段由PKW+PZD的应用数据构成，PKW用于读写参数值，如写入控制 字或读出状态字等，一般为4B长，而PZD用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2～10B长。例如，PKW=P554.1代表向 变频器的主驱动模块写入一个16位的控制字，控制字的每一位都代表一种不同的控制含义;PZD的第二个字节为0#～7#电机的起停控制位。FCS是帧校验 字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（CRC）校验，该HDLC帧最长可达24B。

　　图2 正常响应模式主站与从站间传输帧的格式

　　3 伺服电机接入PROFIBUS-DP网络

　　广州博玮伺服科技有限公司的BWS-NBBR/BBF型伺服控制系统由于其控制器提供了专门的PROFIBUS-DP总线接口模块，可以像其他的 PROFIBUS-DP一样，用普通的双绞线作为通信介质，很方便的连接到基于PROFIBUS-DP总线的工业控制系统上，如图3所示。

　　上位机由西门子的S7-300PLC组成，型号为6ES7315-2AG10-0AB0，它有一个专门的PROFIBUS-DP接口，一个MPI通信接 口，可接入64个从站。PROFIBUS-DP总线负责对整个系统的中的所有伺服控制器进行管理，包括速度、力矩、位置等参数的命令传送与设置等。作为一 个窗口，由组态软件ProTool编织的人机界面可方便的对整个控制系统进行监视和参数的修改。

　　BWS-BBR/BBF的伺服控制器与 伺服电机之间采用旋转编码器或光电编码器建立反馈，形成高精度的伺服控制系统，伺服电机实时的将其运行状态与信息上传给伺服控制器。作为 PROFIBUS-DP总线上的节点，伺服控制器可以与PLC主机进行通信，通过总线接受上位机的各种操作、控制和参数设定命令等。

　　图3 伺服电机接入PROFIBUS-DP网络系统结构示意图