Zusammenfassung: Da die Kommunikation ein zentrales Thema bei der Integration von Feldbus-Steuerungssystemen darstellt, untersucht dieser Beitrag die Topologie von Feldbussen, analysiert deren Kommunikationsmechanismen und Verbindungsmethoden auf Basis des industriellen Steuerungsnetzwerks Profibus-DP und etabliert ein SPS-basiertes Master-Slave-Feldbus-Steuerungsnetzwerk. Die Prinzipien und Methoden zur Implementierung der Profibus-DP-Wechselrichter-Steuerungskommunikation werden erläutert, und die Buskommunikation zwischen Siemens-SPSen und ABB-Wechselrichtern wird anhand konkreter Projekte vorgestellt. Schlüsselwörter: Feldbus; Profibus; Master; Slave; Wechselrichter 1 Einleitung Das Entwicklungsziel der Feldbustechnologie besteht darin, den isolierten und wenig offenen Status quo von DCS-Systemen zu überwinden, ein herstellerunabhängiges, offenes Steuerungssystem zu etablieren und ein einheitliches Informationsnetzwerk auf Werksebene aufzubauen. Geräte verschiedener Hersteller, die denselben Standards entsprechen, können sich damit verbinden, wodurch Informationsaustausch und Interoperabilität sowie Plug-and-Play-Funktionalität ermöglicht werden. Als aufstrebende Steuerungstechnologie befindet sich der Feldbus jedoch derzeit noch in der Entwicklungsphase und ist noch nicht ausgereift. Aktuell existieren international zahlreiche einflussreiche Feldbusstandards (acht bis neun, darunter IEC 61158, die 1999 von der IEC verabschiedet wurde). Die fehlende Protokolleinheitlichkeit erschwert die Integration von Feldbus-Steuerungssystemen erheblich, verhindert Interoperabilität und Austauschbarkeit und behindert deren Verbreitung und Anwendung. Daher untersucht diese Arbeit die Verbindung und Kommunikation von Feldbusgeräten verschiedener Hersteller mithilfe des international einflussreichen Profibus-Feldbusses. Sie beschreibt außerdem das Kommunikationsprinzip und die Implementierungsmethode des Frequenzumrichters mit Profibus-DP-Feldbustechnologie in Kombination mit dem Hochspannungs-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem des Gebläses im Kokereiwerk Guizhou Shuigang. 2 Profibus-Kommunikationsprinzip 2.1 Bus-Topologie Das Profibus-System verfügt über drei Bus-Topologien: RS485, Glasfaser und eine Bus-Topologie gemäß IEC 1158-2 (Profibus-PA). DP/FMS nutzt eine RS485-Verbindung mit geschirmtem Twisted-Pair-Kabel oder Glasfaser als Kommunikationsmedium. Die Kommunikationsdistanz reicht von 100 bis 1200 Metern, die Datenrate von 96 kbit/s bis 12 Mbit/s. Das System unterstützt maximal 127 Stationen. Bei mehr als 127 Stationen werden Repeater eingesetzt. Mit Repeatern lassen sich Baum- und Sternbusstrukturen realisieren. Die Verbindung erfolgt gemäß IEC1158-2. 2.2 Kommunikationsprinzip: Profibus nutzt einen hybriden Buszugriffskontrollmechanismus. Die Kommunikation ist in Master- und Slave-Stationen unterteilt. Die Kommunikation zwischen Master-Stationen erfolgt über ein logisches Token-Passing-Verfahren. Die Master-Station mit dem Token steuert den Bus innerhalb eines definierten Zeitfensters und bestimmt so die Systemkommunikation. Die Kommunikation zwischen den Slave-Stationen erfolgt nach dem Master-Slave-Prinzip im Round-Robin-Verfahren. Für die Master-Master-Kommunikation werden zyklische oder nicht-zyklische Nachrichten verwendet. Das System kann als Master-Slave-System, als Multi-Master-Multi-Slave-System oder als Hybrid konfiguriert werden. Es nutzt Token-Bus-Programme und Master-Slave-Kommunikation zur Datenkommunikation. (1) Das Token-Bus-Programm verbindet sich mit den Masterstationen im Profibus-Netzwerk und bildet einen logischen Token-Ring in aufsteigender Reihenfolge ihrer Busadressen. In diesem logischen Token-Ring sind die Masterstationen nacheinander angeordnet, und die Steuertoken werden stets in dieser Reihenfolge von einer Station zur nächsten weitergegeben. Token gewähren Zugriff auf das Übertragungsmedium und werden mittels spezieller Token-Frames zwischen den Masterstationen ausgetauscht. Die Station mit der höchsten Busadresse (HAS) bildet eine Ausnahme; sie gibt Token nur an die Station mit der niedrigsten Busadresse weiter, um den logischen Token-Ring zu schließen. Während der Businitialisierung und des Systemstarts richtet die Buszugriffskontrolle den Token-Ring durch die Identifizierung aktiver Knoten ein. Zur Verwaltung der Steuertoken ermittelt das MAC-Programm automatisch die Adressen aller aktiven Knoten im Bus und speichert diese Knoten und ihre Adressen in der LAS (Liste aktiver Stationen). Für das Token-Management werden zwei Adresskonzepte verwendet: die Adresse des PS-Knotens (vorherige Station), von dem die nächste Station das Token empfängt, und die Adresse des NS-Knotens (nächste Station), an den das Token weitergeleitet wird. Im Betrieb muss LAS außerdem fehlerhafte aktive Knoten aus dem Token-Ring entfernen oder neue aktive Knoten hinzufügen können, ohne die Datenkommunikation auf dem Bus zu beeinträchtigen. (2) Master-Slave-Programm: Im Master-Slave-System kommunizieren Master- und Slave-Station über das Master-Slave-Programm. Das System ermöglicht es der Master-Station, Daten an die ihr zugewiesenen Slave-Geräte (passive Knoten) zu senden und von ihnen abzurufen. Die Master-Station kann Informationen an die Slave-Station senden oder von ihr empfangen. Eine typische Profibus-DP-Buskonfiguration basiert auf dem Master-Slave-Buszugriffsprogramm, wobei die DP-Master-Station zyklisch Daten mit der DP-Slave-Station austauscht. 3 Kommunikationsverbindungsdesign 3.1 Systemstruktur und -design Dieses System verwendet relevante Produkte von Siemens und ABB, um den Kommunikations- und Steuerungsmechanismus des volldigitalen AC-Drehzahlregelungssystems im Profibus-DP-Netzwerk zu veranschaulichen. Abbildung 1 zeigt eine typische Konfiguration eines Profibus-DP-Netzwerks. Es handelt sich um ein Master-Slave-Multi-Vendor-DP-Kommunikationssystem. Die Slave-Geräte reichen von einfachen bis hin zu leistungsfähigeren intelligenten Slaves wie Frequenzumrichtern und S7-200-SPSen. Die Masterstation ist eine Siemens SIMATIC S7-315-2DP. Ein PC mit CP5611 kann als DP-Masterstation der Klasse II für Programmierung, Diagnose und weitere Funktionen fungieren. Der AC-Frequenzumrichter ist vom Typ ACS627, der zugehörige Kommunikationsadapter ist der NPBA-12. Der Host-Rechner ist mit der Software STEP 7 zur Programmierung der S7-300-SPS sowie zur Konfiguration und Einrichtung des Profibus-DP-Netzwerks ausgestattet. Die Profibus-Systemkonfiguration ist sehr flexibel und ermöglicht sowohl Einzel- als auch Mehrnetzkonfigurationen. Dadurch ist der Betrieb eines Master-Slave-Systems als auch eines Mehr-Master-Slave-Systems mit mehreren Masterstationen möglich. (1) Der Wechselrichter vom Typ ACS627, ein intelligentes Master-Slave-Frontend-Gerät bestehend aus einer PC-Station, einer SPS S7-300, einem Wechselrichter und einem Remote-IOS7-200, ist mit dem Kommunikationsadaptermodul NPBA-12 verbunden und als Slave-Station an das Profibus-DP-Netzwerk angebunden, um von der Masterstation SIMATIC S7-315-2DP gesteuert zu werden. Das Kommunikationsadaptermodul NPBA-12 speichert die vom Profibus-DP-Netzwerk empfangenen Prozessdaten im bidirektionalen RAM. Jedes Wort im bidirektionalen RAM ist adressiert. Der bidirektionale RAM am Wechselrichter kann anhand der adressierten Parameter sortiert werden, um Steuerwörter zu schreiben, Sollwerte festzulegen oder Istwerte, Diagnoseinformationen und andere Parameter an den Wechselrichter zu senden. (2) Das Remote-System IOS7-200 ist als einfache Slave-Station mit der Masterstation CPU315-2DP verbunden, um die Verriegelungssteuerung des Hochspannungsschaltabschnitts zu realisieren. (3) Die PC-Station dient als Überwachungsstation und gleichzeitig als Masterstation der Klasse II und übernimmt die Konfigurations-, Download- und Diagnosefunktionen des S7-300-Systems. Die Steuerung der Feldprozessobjekte erfolgt über die S7-300-SPS. 3.2 Kommunikationsprogrammierung (1) Verwenden Sie GSD-Dateien, um die Open Configuration Device Database File (GSD) zu erstellen. Die GSD beschreibt die Funktionen, Eigenschaften und Busparameter des Profibus-Geräts. Mithilfe von GSD-basierten Konfigurationstools lassen sich Geräte verschiedener Hersteller in ein Bussystem integrieren. Verschiedene Hersteller bieten entsprechende DP-Netzwerkkonfigurationen und GSD-Konfigurationstools für ihre DP-Geräte an. (2) Programmierbeispiel: Die Kommunikation zwischen der SPS (Masterstation) und dem ABB-Wechselrichter (Slave-Station) in diesem System stellt im Wesentlichen ein Problem der Prozessdatenverbindung dar. Die Prozessdatenverbindung verbindet Sollwert und Steuerbit mit dem Dual-Port-RAM-Register des NPBA-12. Dies umfasst die Prozessdatenverbindung von der Masterstation zum Umrichter, die Prozessdatenverbindung vom Umrichter zum Istwertkanal sowie die Prozessdatenüberwachung. Die übertragenen Prozessdaten sind gültig, sobald Steuerbit, Sollwert, Statuswort und Istwert mit dem Dual-Port-RAM verbunden sind. Bei der Kommunikation des S7-315-2DP mit dem Frequenzumrichter werden die an die Antriebs-Slave-Station übertragenen Daten als Einheit übergeben. Überschreiten die Daten 4 Byte, werden sie zu zusammenhängenden Daten. Im S7-System ist jedoch der maximale Datentyp ein Doppelwort (4 Byte), das erst nach der Trennung gelesen werden kann. Daher müssen im Hauptprogramm die beiden Funktionsbausteine ​​SFC14 und SFC15 aufgerufen werden, um diese Daten zu lesen und zu schreiben und so die Kommunikationssteuerung des Frequenzumrichters zu realisieren. Die Profibus-DP-Kommunikation zwischen der Masterstation S7-315-2DP und der Slavestation S7-200 (CPU224) wird durch die Anbindung der S7-224 als DP-Slave über das EM277-Modul realisiert. Die Netzwerkkonfiguration der Masterstation S7-315-2DP erfolgt mit STEP7-5.1, die DP-Kommunikationsprogrammierung der Slavestation S7-200 mit STEP7 Micro/WIN32V3.1 unter Verwendung von Ein- und Ausgabepuffern. Der Puffer befindet sich im variablen Speicherbereich (V-Speicherbereich) der S7-200. Daher muss die Parameterzuweisung die Startposition des Puffers im V-Speicherbereich sowie die Menge der Ein- und Ausgabedaten zur Bestimmung der Puffergröße enthalten. 4. Fazit: Aus der obigen Diskussion geht hervor, dass das Profibus-DP-Netzwerk lediglich eine dreischichtige Struktur aufweist und somit ein industrielles LAN niedriger Ebene darstellt. Die Verwendung eines Master-Slave-Medienzugriffsverfahrens ermöglicht jedoch eine deutlich höhere Echtzeitleistung als bei anderen LANs und macht das Netzwerk daher besonders geeignet für industrielle Anwendungen. In diesem Projekt funktionierte das Netzwerk einwandfrei, mit effektiver und zuverlässiger Signalübertragung zwischen den Slave-Frequenzumrichtern ABB S7-200 und dem Master S7-300. In der Praxis zeigen sich jedoch einige Nachteile. Beispielsweise erfordert das Hinzufügen oder Entfernen von Stationen die Neuinitialisierung des gesamten Netzwerks und die Neuanordnung der Stationen – ein relativ aufwendiger Prozess. Dennoch bietet das Profibus-DP-Netzwerk im Vergleich zu früheren verteilten Steuerungssystemen (DCS) unübertroffene Vorteile. Erstens sind die Instrumente in einem DCS-System nicht intelligent; sie messen lediglich externe Informationen und wandeln diese zur Übertragung in analoge Signale um. Im Gegensatz dazu verarbeitet und nutzt ein FCS-System die erfassten Detektions- und Steuerungsinformationen lokal und weist somit intelligente Eigenschaften auf. Zweitens wird durch die Verteilung der von den Feldinstrumenten erfassten Fehlerinformationen auf die Feldgeräte zur Steuerung, Alarmierung und Trendanalyse eine „Gefahrenstreuung“ erreicht, was die Gesamtzuverlässigkeit des Systems erhöht. Drittens ermöglicht die Verwendung einer offenen Architektur und einheitlicher internationaler Standards die Nutzung verschiedener Topologien sowie Hardware-/Software- und Kommunikationsprotokolle unterschiedlicher Hersteller und gewährleistet so die Produktkompatibilität. Schließlich bieten PROFIBUS-DP-Netzwerke hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und eine starke Störfestigkeit und sind damit ein leistungsstarkes Feldbus-Steuerungsnetzwerk. 5 Referenzen: 1 ABB ACS600 Firmware-Handbuch Z 2 ABB Antriebsinstallations- und Inbetriebnahmehandbuch Z. PROFIBUS-Adaptermodul NPBA-12 3 SIEMENS STEP7 5.0 Benutzerhandbuch Z 4 Yang Xianhui. Feldbustechnologie und ihre Anwendungen M. Peking: Tsinghua University Press, 2001