PROFIBUS-DP与MODBUS总线在复卷机传动控制中的应用

2010-09-20陕西科技大学西安710021孟彦京孙小平

电气自动化 2010年1期

陕西科技大学（西安 710021）孟彦京孙小平

1 Profibus、Modbus的概述

PROFIBUS是开放式的现场总线，在欧洲工业界得到应用的一个现场总线标准。PROFIBUS协议包括三个主要部分：Profibus DP（Decentralized Periphery）：分布式外部设备，主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信，可以取代4－20mA模拟信号传输；PROFIBUS FMS（Fieldbus Message Specification）：现场总线报文规范，定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换；PROFIBUS PA（Process Automation）：过程自动化，电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，现在已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

Modbus有RTU（远程终端单元）和ASCII两种报文传输方式。

2 从本身物理结构、传输速率、传输数据方式等对两者的比较

2.1 物理结构

根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层。

PROFIBUS-DP：定义了第一层（物理层）。二层（数据链路层）和用户接口层。第三到第七层未加描述。这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路层影像提供了易于进入第2层的用户接口。

Modbus没有规定物理层。典型的是RS-485和RS-232C

PROFIBUS-DP传输技术：PROFIBUS-DP物理层是RS-485。波特率从9.6K bit/s到12M bit/s，速率越高，传输的距离越短（最高速时，通讯距离仅100米）。响应时间的典型值为1ms，使用屏蔽双绞线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可以接127个从站。PROFIBUS-DP可以同时有多个主站。

Modbus串行链路系统在物理层可以使用不同的物理接口：最常用的是两线制的RS-485（采用半双工）接口，也可以使用四线制RS-485接口。只需要短距离点对点通信时，使用RS-232C串行接口；RS-232C（全双工）的传输速率比较低，最大波特率典型值为20kbit/s，RS-485的最大传输波特率为12 M bit/s；Modbus通讯协议RS-422（全双工）、RS-485传输距离理论为1200米，RS-232传输距离理论为12米。Modbus串行总线中只有一个主站，可以有1－256个子站。

2.2 数据传输方式

2.2.1 Modbus数据传输方式

Modbus的串行链路协议的主-从协议，采用请求－响应方式，主站发出带有从站地址请求的报文，具有该地址的从站收到发出响应报文进行应答；Modbus通信只能由主站发起，子站在没有收到来自主站的请求时，从站不能主动发送数据，子站之间也不会互相通信。主站可以向某一个从站发出查询，也可以向所有从站广播信息。从站只响应单独发给它的查询，而不响应广播消息。

由于子站只是响应，所以每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。通讯开始时首先由主机向从机发送地址，所有从机都会接收到地址并与本机地址比较，若地址不同则可不接收其余帧或对其余帧不做处理，若地址相同则准备接收本次数据包的其他帧。

Modbus协议数据包的传送格式：

Modbus协议有两种通信模式：ASCII模式和RTU（远程终端单元）模式。ASCII模式是将一个字节分为两个ASCII字符发送，而RTU模式以十六进制传送数据，一个字节就是一帧，因而数据传送的效率高于ASCII模式，大多数工业控制器采用RTU模式。

Modbus协议规定了RTU通信模式中的消息帧格式：

使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。在随后一个传输字符结束后，一个至少3.5个字符时间停顿注销了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始。如果一个新消息在小于3.5个字符内接着前一个消息的开始，接收设备将认为它是前一个消息的延续。这将导致一个错误。

用不同的功能时设定不同的功能代码（功能代码的介绍在参考文献[3]）。

2.2.2 PROFIBUS-DP数据传输方式

此协议明确规定了用户数据怎样在总线各个站点之间传递，第二层（数据链路层）规定总线存取控制，数据安全性以及传输协议和报文处理。

DP允许主-主之间的数据通信，各主站间令牌传递，令牌按令牌环中各个主站地址的升序在各个主站之间依次传递。令牌传递在所有的主站上循环一周的时间是事先规定的。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。主站设备可向单独的DP从站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。

DP通信协议帧格式：数据交换的时候需要有固定的帧格式,该帧格式在PROFIBUS-DP总线协议中称为PPO （Parameter-Process Data-Object）。PPO又由PKW和PZD两部分组成。PKW是用来读写非周期性数据,包括参数设定、配置和诊断；PZD是用来读写周期性的数据,即读写I/O。在PROFIBUS-DP总线协议中,有五类PPO,各类PKW和PZD所要求的字数都不一样。

过程数据区（PZD）：例如控制字、设定值或状态信息和实际值等；参数区（PKW）：用读/写参数，例如读出故障/读出一个参数的特征信息，诸如最小/最大限制等。

该帧的定义方式简单方便，只需要在组态是选定ppo类型，相应的数据格式也就定了。

PROFIBUS-DP中DP功能经过扩展功能越来越全面，一共有三个版本：DP-V0、DP-V1、DP-V2。其中DP-V2已经可以实现从站之间不通过主站直接进行数据交换。这种方式最多可以减少90%的总线响应时间。

通过以上分析可以看到,PROFIBUS-DP是一种高速低成本的现场总线，可以连接不同厂商符合PROFIBUS－DP协议的设备。

3 两者在造纸行业中的应用，数据传输方式具体说明

针对造纸行业复卷机电气传动控制系统组成图：控制器（PLC，CPU313C-2DP）、PROFIBUS-DP通讯/Modbus通讯、4台ACS800变频器设备。

复卷机系统的组成如图1所示：

要通过通讯实现的功能：四个带变频的传动点的启动停止、速度给定、电流读取，张力控制等等。

PLC与传动设备变频器使用Modbus协议通讯，如果变频器自身有内置的RS-485接口（例如ACS550），在PLC上插入CP34X系列串行通讯模块，这些通讯模块可以实现S7-300/400其他串行通讯设备的数据交换，其中就包括Modbus主从站。CP34X有CP340/CP341/CP440/CP441-1/CP441-2,这些模块有一个（CP441-2有两个）串行通讯口（RS-232C或TTY或RS-485/422）。可以用亚当模块把CP340的RS-232C口转成RS-485口就可以直接通讯。CP340的最高通讯速率只能达到9600kbit/s。

没有内置RS485的（例如ACS800），要通过NMBA-01适配器实现Modbus通讯。通过把98.02组参数设置为STD MODBUS，这时52组参数被激活，可以在52组参数中设置从点的设备地址，通讯速率，校验方式。这样就可以进行Modbus通讯了。

PROFIBUS-DP有明显的优势,所以在造纸行业应用也越来越多。以下主要介绍其在交流复卷机传动控制系统中的应用。

DP总线组态以及相关的参数设置

1.控制器CPU313C-2DP自带PROFIBUS-DP接口，控制器与各个变频器之间通过DP头连接电缆从控制器信号输出，并列地与各个站点进行连接。复卷机的硬件连接示意图如图2所示：

2.DP组网，就必须有主站的网络组态工具和从站的GSD（电子设备数据）文件。

3.打开simatic manager可以利用创建项目向导完成新项目创建，创建过程中可以选择需要的CPU类型（CPU313C-2DP）。

4.创建后生成simatic 300 Station，双击打开hardware图标，在机架中添加需要的电源类型，需要的DI/DO模块。

5.设 DP总线为主站，首先将变频器的98.02设为FIELDBUS，这时51组参数被激活。采用 DP通讯，变频器51.01MODULE TYPE设置为PROFIBUS DP profibus默认的传输速率为1.5Mbit/s。变频器51.03BAUDRATE设置为1500

6.在总线上添加变频器适用的适配器。并设置变频器的通讯节点地址。例如图1中退纸辊的变频器节点地址设为4，那么在变频器相应的参数51.02NODE ADDRESS中输入4。其他同理。

7.注意硬件组态时PPO类型的选择。选择哪种类型的PPO，取决于在自动化网络中传动装置的任务。PPO类型选定以后，相应组态地址对应的含义也就定了。

DP通讯数据读写：

要控制退纸辊、前后底辊、圆刀变频器的启动停止、速度给定等功能以及各个部分电流状态等的读取，这些都由通讯完成。在程序中可以编写单独的FC块来完成控制器PLC对变频器的控制功能，即通讯读写。通讯中数据的含义与硬件组态时选择的PPO类型有关。完成这些可以用PROFIBUS网络通信的系统功能SFC14“ DPRD_DAT”读，SFC15“ DPWR_DAT”写。

写下类似的通讯程序，安装相应变频器的通讯说明书，根据观察到的现象，判断通讯成功与否，比如通讯指示灯。如果通讯未成功可以检查硬件连接控制器到变频器。尤其是DP头的连接。软件编写时地址是否按PPO类型选择对应等等。

在实际的工程应用中，也有将两者混用的方式。

! 总结

PROFIBUS-DP和MODBUS规定了各自的通讯协议方式方法。Modbus的通讯协议本身特点在一定程度上限制了其通讯速率。PROFIBUS本身的优势使其在工业自动化领域越来越广泛的应用。在实际工程中也用过两种通讯方式。利用PROFIBUS现场总线将主从站点连接在一起，主站系统的所有信息都通过DP总线进行传递，从站的信息及时反馈回主站，并做相应的处理。PROFIBUS现场总线通讯速率快，可靠性高。