孫海 焦廣勇 王樹鑫 徐士寬 王軍龍

摘 要：本文簡述了應(yīng)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(jī)廠制造的變頻調(diào)速式門機(jī)為例，介紹了安川交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的PROFIBUS-DP通信、硬件配置和參數(shù)的設(shè)定方法，分析了通信故障產(chǎn)生的原因和解決方法。

關(guān)鍵詞：門座式起重機(jī);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(jī)械設(shè)備具有較長的發(fā)展歷史，拖動(dòng)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，使得交流變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。前港公司從2002年開始陸續(xù)投產(chǎn)的25T門機(jī)和40T門機(jī)，全部采用安川變頻調(diào)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(jī)構(gòu)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(shù)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(shè)備之間的通信，遠(yuǎn)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(shí)時(shí)性要求比較高的自動(dòng)化場合。

1、PROFIBUS-DP主、從網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及通信流程

以日本安川公司的PLC和變頻器構(gòu)成的現(xiàn)場總線系統(tǒng)為例。前港公司變頻調(diào)速式門機(jī)應(yīng)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(jī)構(gòu)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(luò)，而必須通過專用的接口卡完成通信。在主、從方式下，由一個(gè)CP-316H（主站）控制五臺(tái)變頻器（從站），構(gòu)成主-從系統(tǒng)，主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制。

2、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)配置及通信格式

（1）在PLC的編程軟件CP-717中選擇相應(yīng)的PLC型號，設(shè)置各機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器文件夾，并配置變頻器的相關(guān)群組參數(shù)，聯(lián)機(jī)后即可在系統(tǒng)中識別各機(jī)構(gòu)變頻器的SI-P1 卡的配置地址，將其作為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)從站來組態(tài)，通訊速率通常設(shè)置為19200Bps。

（2）變頻器的相關(guān)設(shè)置。各機(jī)構(gòu)變頻器安裝的通信卡，每個(gè)卡上都有撥碼開關(guān)，用于設(shè)定各變頻器的通信地址，每個(gè)地址都是唯一的，不允許重復(fù)。變頻器參數(shù)設(shè)置B1-01：頻率基準(zhǔn)輸入方式設(shè)為3（選擇通訊卡），B1-02：運(yùn)行指令輸入方式設(shè)為3（選擇通訊卡）。系統(tǒng)啟動(dòng)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(yīng)動(dòng)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(yīng)主站，并回送響應(yīng)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(shè)定值（主站→變頻器），是變頻器運(yùn)行要定義的一些功能碼，如運(yùn)行頻率、力矩給定等，輸入數(shù)據(jù)是狀態(tài)字和實(shí)際值（變頻器→主站），是變頻器運(yùn)行實(shí)時(shí)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(jī)在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)通信故障，具體現(xiàn)象有：變頻器報(bào)“BUS”故障停機(jī);變頻器頻繁報(bào)“BB”—基極封鎖，反復(fù)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(fù)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(jìn)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(dāng)共模電壓超出此范圍就會(huì)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(shí)際情況，靈活選擇單端接地或雙端接地，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（2）通信電纜中的信號反射。導(dǎo)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(cuò)誤的信號，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。想要消除這種反射，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，并根據(jù)實(shí)際情況，合理調(diào)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(biāo)準(zhǔn)型兩芯電纜，在不同波特率時(shí)的衰減系數(shù)差別很大。由于總線上分布電容的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量。

4、結(jié)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(dòng)化的要求，特別是采用PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了分布式控制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。PROFIBUS總線用于門機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明其穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡便。PROFIBUS現(xiàn)場總線以其卓越的技術(shù)性能，必將得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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