基于Profibus DP協(xié)議的西門子G120變頻器與艾默生Deltav的DP通信

王　虎（西安奧益達石油技術(shù)開發(fā)有限公司,西安 710000）

基于Profibus DP協(xié)議的西門子G120變頻器與艾默生Deltav的DP通信

王虎
（西安奧益達石油技術(shù)開發(fā)有限公司,西安 710000）

以西門子G120變頻器與艾默生DeltavDCS通信為實例，通過變頻器就地遠方控制切換參數(shù)組的設(shè)置及Deltav軟件組態(tài)，介紹了以ProfibusDP通信協(xié)議為基礎(chǔ)的串行通信的具體實現(xiàn)方法，實踐表明基于ProfibusDP通信協(xié)議為基礎(chǔ)的串行通信簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率快、通用性強并且使用方便，具有廣泛的應(yīng)用。

DCS；ProfibusDP；變頻器

1　引言

隨著自動化技術(shù)的不斷進步，集散控制系統(tǒng)（DCS）在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛、復(fù)雜。目前，在很多場合普遍存在DCS與其他控制系統(tǒng)或工控設(shè)備混合使用的情況,在同類型變頻設(shè)備較多的情況下，采用總線通信方式和變頻器連接可以節(jié)省電纜成本和調(diào)試時間。

2　Profibus-DP通訊

PROFIBUS是ProcessFieldbus的縮寫，是面向工廠自動化的一種國際性的現(xiàn)場總線標(biāo)準。PROFIBUS中主要包含有三個子集，分別為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA以滿足工廠網(wǎng)絡(luò)中的多種應(yīng)用需要。Profibus-DP是專為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級分散I/O之間的通信而設(shè)計，用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸。DP采用RS-485作為物理層的連接接口，主要用于完成包括諸如可編程控制器、傳感器、執(zhí)行器間的通信任務(wù)。其通信模型采用了通信參考模型的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，略去了第三層到第七層，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸透咝势渚W(wǎng)絡(luò)的傳輸速度最快可達12Mb/s。

3　Profibus的物理層及網(wǎng)絡(luò)連接

3.1RS-485的物理連接

RS-485是PROFIBUS系統(tǒng)中最常見的物理連接方式，由EIA定義的RS-485采用平衡差分傳輸方式。在一個有屏蔽層的雙絞電纜上傳輸大小相同而方向相反的通信信號，以消弱工業(yè)現(xiàn)場的噪聲影響。系統(tǒng)采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕪?.6Kb/s到12Mb/s可選。在RS-485總線電纜上主要使用9針的D型接頭。D型連接器分插頭、插座兩種形式。插座在總線站一側(cè)，插頭與RS-485電纜相連。RS-485總線電纜由一對雙絞線組成，常視為A線和B線。B線對應(yīng)于數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的正端即RxD/TxD-P(+)腳，A線則對應(yīng)于數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的負端即RxD/TxD-N(-)腳。在每一個典型的D型接頭內(nèi)部都有1個備用的終端電阻和2個偏置電阻，由D型接頭外部的一個微型撥碼開關(guān)來控制是否接入。此開關(guān)斷開時（OFF位置）不接入終端電阻。

3.2信號編碼

RS-485電纜上的通信信號以字符為單位傳輸，信號傳輸?shù)恼{(diào)制形式為NRZ（不歸零）編碼方式。信號在電纜上高速傳輸?shù)囊粋€常見問題是信號的畸變。高速傳播的信號不可能在到達電纜兩端后消失，而是會被“反射”回來，疊加到原始信號波形上，從而引起信號畸變。為了消除反射信號的影響，通常的方法是在電纜的兩端接入終端電阻，以吸收傳到兩端的能量，避免反射引起的信號畸變。

4　通訊的建立與實施

4.1通訊電纜連接

采用ProfibusDP專用電纜和DP接頭將現(xiàn)場變頻器串在一起，從主控室過來的DP線進第一臺變頻器DP接頭的進孔，出孔連接下一臺變頻器DP頭的進口，依次類推到最后一臺變頻器的DP進口，為保證通訊正常需將DCS與最后一個DP接頭的撥碼開關(guān)撥到OFF，最后一個DP接頭撥碼開關(guān)撥到ON。所有DP頭中的接線全部紅線接紅端子口，綠線接綠端子口，DCS機柜內(nèi)的DP卡件綠線接1號端子、紅線接3號端子。

4.2變頻器的總線通訊設(shè)置

4.2.1地址和波特率設(shè)置

地址設(shè)置有兩種方法：

（1）變頻器控制單元的側(cè)邊有8位DP地址撥碼開關(guān)，當(dāng)撥碼開關(guān)全部在位置0時，DP地址=P0918=XXX；

（2）通過撥碼開關(guān)設(shè)置DP地址，1~8的撥碼開關(guān)分別代表bit0~7,需進行相應(yīng)二進制到十進制換算才為DP地址，當(dāng)只有BIT0撥到ON時表示地址1，只有BIT3撥到ON時代表地址4。通過DP地址撥碼開關(guān)設(shè)置地址之后，變頻器需重新上電，新地址才能生效。

西門子變頻G120DP為自適應(yīng)波特率，默認波特率為1.5M/s，也可通過DCS修改。

4.2.2就地和總線控制參數(shù)組設(shè)置

電機參數(shù)根據(jù)電機銘牌進行相應(yīng)設(shè)置，相關(guān)功能參數(shù)設(shè)置如下：

P700[0]=2,端子控制功 能；P700[1]=6,現(xiàn)場總線控 制功能；P704=99,激活端子8功能；P810=722.3，激活切換方式；P840[0]=2841,運行命令源；P1000[0]=2,通過端子進行模擬量設(shè)置；P1000[1]=16,通過總線進行模擬量設(shè)置；P1120=25，上升斜坡時間；P1121=25，下降斜坡時間；P2800[0]=1,使能自由功能塊；P2801[9]=1,激活非門；P2801[14]=1,激活RS觸發(fā) 器；P2828=722.1， 非門；P2840[0]=722.0,RS觸 發(fā) 器置 位；P2840[1]=2829,RS觸發(fā)器復(fù)位；通過以上設(shè)置可以保證現(xiàn)場控制箱的就地控制功能以及現(xiàn)場控制箱就地/遠方切換控制的功能，但因變頻器報文類型未設(shè)置，即使變頻器與DCS通信狀態(tài)正常也不能建立正常的總線控制。

4.2.3報文類型設(shè)置及G120周期性通訊

通過P0922可以進行報文類型選擇，根據(jù)讀取數(shù)據(jù)要求選擇相應(yīng)報文，DCS設(shè)置的報文類型保持與變頻器設(shè)置的報文類型一致。G120變頻器報文標(biāo)準如下：1：標(biāo)準報文1,2PZD20：標(biāo)準報文20，VIK/NAMUR 350:標(biāo)準報文350,4PZD352：標(biāo)準報文352，PCS7 354：標(biāo)準報文354,4PKW，6PZD999：自由報文

G120周期性數(shù)據(jù)通訊報文有效數(shù)據(jù)區(qū)域由兩部分構(gòu)成，即PKW區(qū)（參數(shù)識別ID-數(shù)值區(qū)）和PZD區(qū)（過程數(shù)據(jù)）。PKW區(qū)最多占用4個字，即PKE（參數(shù)標(biāo)識符值：占用1個字）、IND（參數(shù)的下標(biāo)：占用1個字）、PWE1和PWE2（參數(shù)數(shù)值共占用2個字）。

第一個字PKE：參數(shù)識別標(biāo)識，位15-12為任務(wù)或應(yīng)答識別標(biāo)記ID，位11為參數(shù)修改報告，位10-00為基本參數(shù)號PNU。第二字IND：參數(shù)的下標(biāo)，完整的參數(shù)號碼是由基本參數(shù)號碼（PNU）和頁下標(biāo)（頁號）產(chǎn)生。第三個字PWE1和第四個字PWE2:參數(shù)數(shù)值。總是以雙字（32位）來傳送參數(shù)值（PWE）。由PWE1（高位有效字：第三個字）PWE2（低位有效字：第四個字）組成一個32位參數(shù)值。PZD區(qū)：過程數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)包括控制字（狀態(tài)信息）和設(shè)定值（實際值）。必須要將控制字的第十位位置1選擇由DCS來控制變頻器，這些過程數(shù)據(jù)才會傳送到變頻器。

控制字1（STW1）和狀態(tài)字1（ZSW1）的各位含義詳見變頻器手冊，十六進制控制字的最低位對應(yīng)控制字二進制數(shù)中的最高4位，以此類推，常用控制字：1.047E(HEX)運行準備；2.047F(HEX)正轉(zhuǎn)啟動；3.0C7F(HEX)反轉(zhuǎn)啟動；4.04FE(HEX)故障確認。

4.3DCS軟件組態(tài)

（1）在DCS設(shè)備信息當(dāng)中添加變頻器的GSD文件，選中l(wèi)ibrary/profibusdp---右鍵選adddevicedefintion找到GSD文件進行添加，添加成功后會在Drives/siemensAGA&D中顯示出添加進來的GSD文件。

（2）找到連接現(xiàn)場變頻器的控制柜中DP卡件中C14卡件，選中P01右鍵屬性使能P01，設(shè)置波特率確保與現(xiàn)場變頻器波特率一致，P01地址保持默認值1，其它選項保持默認。選中P01右鍵選擇newprofibusdevice--＞找到上面導(dǎo)入的G120GSD文件，新建PDT4變頻器，設(shè)置PDT4的地址為2保持與現(xiàn)場對應(yīng)變頻器地址一致。新建PDT4完成后，選中PDT4右鍵新建profibusslot選擇與變頻設(shè)置的報文類型一致的報文，本例選擇標(biāo)準報文352。

（3）下面參考G120CU240SDP操作手冊對PDT4的控制字、主設(shè)定值、狀態(tài)字、實際反饋值、報警字、故障字等進行相應(yīng)組態(tài)。依據(jù)操作手冊組態(tài)狀態(tài)字，選中PDT4中的SLOT001右鍵新建profibussignal設(shè)置信號方向為輸入、偏移量為0字節(jié)、數(shù)據(jù)類型為16位無符號數(shù)其余為默認；同理依次組態(tài)實際反饋值字、電流信號字、報警字、故障字、所對應(yīng)的偏移量依次為2、4、8、10，數(shù)據(jù)方向為輸入，數(shù)據(jù)類型為16位無符號數(shù)，其余設(shè)置保持默認。

同上依次組態(tài)控制字和主設(shè)定值，信號方向為輸出，數(shù)據(jù)類型為16位無符號數(shù)，控制字和主設(shè)定值的偏移量依次對應(yīng)0和2，其余設(shè)置保持默認。6個輸入字和2個輸出字組態(tài)完畢后選中卡件C14進行下裝。

（4）控制邏輯搭建。1）選中廠區(qū)右鍵新建controlmodule命名XFAN_COMM；2）組態(tài)控制字和主設(shè)定值：從右邊功能塊欄中l(wèi)ogical項中拖拽BFI功能塊至工作區(qū)，并擴大輸入觸腳至最大16位；從specialitems項中拖拽inputparameter和outputparameter至工作區(qū)；從analogcontrol項中拖拽scaler功能塊至工作區(qū)。設(shè)置輸入PARAM1~16數(shù)據(jù)類型為BOOL量,輸出參數(shù)數(shù)據(jù)類型為外部引用，通過瀏覽鏈接到14卡下面的控制字（如：SIGNAL005）和主設(shè)定值（如：SIGNAL006），依據(jù)參考手冊對控制字和主設(shè)定值進行功能搭建。根據(jù)以上常用控制字將047E運行準備控制字進行二進制換算，并將二進制數(shù)據(jù)由低位到高位依次輸入到BFI功能塊中的位1~位16中（相當(dāng)于參數(shù)1~16），輸出參數(shù)通過外部引用到C14卡件的輸出控制字（SIGNAL005）并與BFI的輸出觸腳OUT_INT相連。G120DP變頻器的頻率設(shè)定值的0~100%對應(yīng)十六進制的0~4000，即頻率設(shè)定值0~50Hz對應(yīng)十進制數(shù)的0~16384，組態(tài)PARAM18的數(shù)據(jù)類型為16位無符號數(shù)，量程換算的輸入范圍0~50Hz，輸出范圍為0~16384小數(shù)位為0，PARAM19通過外部引用連接到C14卡下面主設(shè)定值（如：SIGNAL006）；3）組態(tài)狀態(tài)字：從右邊功能塊欄中l(wèi)ogical項中拖拽BFO功能塊至工作區(qū)，并擴大輸入觸腳至最大16位；從specialitems項中拖拽inputparameter，輸入?yún)?shù)1STATE1通過外部引用讀取狀態(tài)字1，并通過BFO3功能塊進行二進制換算，換算出的1~16位布爾量對應(yīng)狀態(tài)表0~15位，OUT_D1對應(yīng)狀態(tài)字位0依此往下一一對應(yīng)。頻率的實際值1STATE2通過外部引用讀取實際反饋值，同設(shè)定值對應(yīng)關(guān)系，將收到的反饋值0~16384通過單位換算功能塊（SCLR）線性對應(yīng)到0~50Hz，功能塊的輸入范圍0~16384，輸出范圍0~50Hz。電流的實際值1STATE3通過外部引用讀取電流信號，參考操作手冊和實際測量情況對收到的電流信號進行換算，收到的電流信號比40可得與實際測量一致的結(jié)果。傳輸上來的報警字（1STATE7）和故障字（1STATE8）分別參考操作手冊對其進行解包處理，詳見操作手冊；4）畫面組態(tài)：DCS按照信號類型和IFIX功能建立相應(yīng)監(jiān)控畫面，通過動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接關(guān)聯(lián)到控制邏輯中的相應(yīng)參數(shù)，實現(xiàn)畫面的監(jiān)控功能，然后根據(jù)工藝需要添加相關(guān)信號的歷史趨勢供DCS調(diào)用、保存。

5　結(jié)束語

西門子G120DP變頻器與艾默生DeltavDCS基于ProfibusDP的串行通信的實現(xiàn)，極大的方便了工藝監(jiān)控，減少了操作維護人員的工作量和維護難度，降低操作維護成本，達到了預(yù)期的效果和目的，也為其它變頻器與DCS系統(tǒng)的通訊提供實際參考經(jīng)驗。

[1]陽憲慧,現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社1999.

[2]西門子,G120操作說明手冊[S].

[3]西門子,G120參數(shù)手冊[S].