Profibus-DP总线技术及其在伺服传动中的应用
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2020-10-24
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Profibus-DP总线技术及其在伺服传动中的应用总线技术及其在伺服传动中的应用
介绍了Profibus-DP总线技术和特点，设计出了由伺服控制器、S7-300PLC和ProTool组成的基于Profibus-DP总
线的伺服控制系统，它具有结构简单、控制方便、维护容易等特点,并介绍了该系统中的伺服控制器和PLC的通
讯过程及软件设计。
摘 要: 介绍了
关键词：现场总线; Profibus-DP ; PLC; 伺服控制器
Abstract: This article introduces the Profibus-DP technique and its characteristics. Also it introduces the servo control system
composed of servo controllers, S7-300 PLC and ProTool which is designed on the basis of Profibus-DP fieldbus. Such
system features simple structure, convenient control and easy maintenance, etc. In addition, the software design and the
communication process between servo controllers and PLC on this system are introduced.
Keywords: Fieldbus; Profibus-DP; PLC; Servo-controller
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。
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
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
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
施耐德公司的TWINLINE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。
TWINLINE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
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