现场总线通信在交、直流传动行业应用的最新动向

北京机械工业自动化研究所 陈忠华

1 前言

在现代化生产中，交、直流传动是最为广泛的应用领域之一，各种生产行业，例如机械、冶金、石化、纺织、轻工、交通、采矿、运输等，都离不开使用电动机，根据统计，全世界生产的电能有60%是用在电动机上的。交、直流传动的应用主要有以下几大类型：

（1）固定速传动或对调速要求不高的可变速传动，主要应用有：风机、泵类驱动、传送带驱动、压缩机驱动、电动工具和简单运输工具等；

（2）高精度可变速传动，主要应用于各类生产线：例如，高速彩色印刷、薄膜、造纸生产线、灌装生产线、轧钢生产线、铜铝箔轧制生产线等；

（3）具有定位和插补功能的运动控制和伺服驱动，主要应用有：数控机床、机器人、汽车装配线、物流控制、立体仓库控制等。在现代生产中往往需要将上述各种类型的设备，集成在一个大的工程项目中，其特点是设备的分散性和需要集中统一的控制和管理（分布式控制系统），于是网络和通信控制成为解决这类控制和管理的最佳途径。图1表示了这种控制方式的典型结构，分“上层”和“底层”两个控制层面，“上层”的功能主要是管理和优化，典型的系统是MES (Manufacturing Execution System)制造执行系统和ERP（Enterprise Execution System）计划执行系统，由于需要大量的信息和数据交换，通信主要采用“以太网”协议。“底层”主要解决生产现场级设备的控制问题，一般对实时性能有一定要求，希望控制命令能得到快速的响应，控制器和控制设备之间交换的数据和信息量并不很大，现场总线通信最适合这一层的应用。图1上的控制装置（例如，PLC或DCS控制系统），起到承上启下的功能，一方面通过SCADA (上位计算机监控和数据采集)系统或可视化“人-机界面”（HM I）将从“底层”采集到的信息和数据，传送给“上层”管理系统。另一方面又通过I/O数据通道（图1中的①）给“底层”传动装置，发送“命令”和接收实际值，通过参数通道（图1中的②）读/写装置参数，本文将就这方面的最新动向作一系统介绍。

2 现场总线行规（Profile）说明

现场总线是指“生产现场底层控制设备之间的开放式、数字化、多点通信网络标准”，由国际电工委员会IEC认定的标准IEC 61158包含10种现场总线类型，其中应用比较广泛的有三类：类型2 Control-Net现场总线类型3 PROFIBUS 现场总线类型10 PROFInet 现场总线一般现场总线都遵循ISO_OSI（国际标准组织_开放系统互联）的网络7层模型定义，上述三种类型对模型作了简化，只包含有物理层、数据链路层和应用层。现场总线应用于可变速传动装置的通信，是应用层中的一个专门领域，由于其应用范围广泛又非常重要，所以专门作了特殊的定义，称为可变速传动行规（Profile）。适用于现场总线类型3（PROFIBUS）和类型10（PROFInet）的行规为PROFIdrive行规，而且成为IEC的一个独立标准IEC 61800-7。

图1 现代工厂自动化控制和网络通信结构图

PROFIdrive行规最早制定于1991年，当时适用的现场总线标准是PROFIBUS_DP_v0，其通信方式只有周期性通信一种，而且只能由主站访问从站，随着PROFIBUS的标准由DP_v0升级至版本号DP_v1和DP_v2，在2002年PROFIdrive行规的版本号也升级为v3.1，通信方式增加了非周期的参数访问和从站对从站之间的通信。至2005年PROFIdrive新的版本号为v4.1，这一版本还覆盖了现场总线类型10 PROFINET标准（是基于“以太网”的现场总线）。具体对制造商的产品言，以德国Siemens公司为例，西门子的前期传动产品像直流传动装置SIMOREG(6RA70系列)和交流变频器SIMOVERT系列，应用的通信行规标准是POFIdrive_v3.1，而新一代的SINAM ICS系列（直流的6RA80装置和交流S120装置）均已应用通信行规POFIdrive_v4.1标准。行规v4.1比行规v3.1有很多不同之处，特别在应用分类方面，v4.1明确定义了6种应用类型及相应的通信接口，v4.1还考虑了装置的安全标准PROFIsafe和装置的节能标准PROFIenergy，这一些都是现场总线通信在传动行业应用的最新动向，下面加以说明。图2表示了PROFIdriv行规定义的通用驱动应用模型。

在应用模型中包含有控制器、上位控制装置和若干台驱动装置以及它们之间的通信关系（周期和非周期的数据交换）。行规v4.1 又对通信“伙伴”（Communication Partner）定义了分类：

（1）控制器：控制器或自动化系统主站，举例，PLC(可编程控制器)、NC(数控系统)、RC(机器人控制系统)；

（2） 外部设备（P设备）：带一个或多个轴的驱动设备；

（3）上位监控装置：举例，工程师站或HM I(人-机界面)。

图2 PROFIdriv行规定义的通用驱动应用模型

图3 PROFIdrive_v4.1定义的设备分类和它们之间的通信关系

PROFIdrive的驱动设备（P-设备）根据轴的数目，一般有一个或多个功能目标组成。每一个这样的目标表示一个轴的功能，称为驱动目标（DO）。在实际应用中，一个多轴传动装置，也能模块化为由PROFIdrive 驱动目标（DO）组成的模型。图3表示了PROFIdrive_v4.1定义的设备分类和它们之间的通信关系。图4描绘了PROFIdrive 驱动目标中的数据模型和数据流的情况，首先现场总线是以“帧”结构的方式向下传送数据的，按照通信服务的分类，分别传送非周期通道通信数据、周期通道通信数据、报警通道的报警事件和处理信息，如果应用中有“同步”要求的话，传送时钟同步命令等。

有关通信服务说明如下：

周期数据交换：在驱动应用的运行过程中，开环和闭环控制过程，必须要周期性地激活数据交换，从通信系统的观点，即要求新的设定值必须周期地从控制应用处理器传送到驱动器，以及当前的实际值也必须相反方向驱动器传送到控制处理器。周期传送既可以按等时方式也可以按非等时方式完成，这一点，取决于应用的要求和所选择的PROFIdrive应用类型。

图4 驱动轴或PROFIdrive驱动目标（DO）中的数据模型和数据流情况

非周期数据交换：除了设定值和实际值的周期传送之外，在对应用过程参数化时，需要用到一些参数，控制器访问这些参数时，可以非周期地进行，因为，这类访问在时间上，并没有太严格的要求（参看图4上的非周期数据通道）。

报警机制：报警机制（参看图4的报警通道）是由故障事件控制的以及用来改变设定值和对驱动轴或驱动装置的故障条件的确认。

等时操作（Isochronous operation）：任何现代驱动行规都必须要能支持分布式驱动应用中的等时操作方式，因为这是多轴系统按坐标精确移动的唯一方法，举例，在数控（NC）或机器人控制（RC）系统中的路径转移，或者与电子齿轮系统相关的精确同步。这一点意味着驱动行规必须满足下面两个要求：

（1）不同装置的多应用处理要基于公共主时钟的同步；

（2）要保证在一个规定的时间点上可靠地完成各个处理器之间的周期数据交换，这样可以保证所有相关的输入和输出数据有时间作进一步的处理。PROFIdrive行规应用将每一个装置的从站时钟与系统的主时钟精确同步的方法，来实现同步处理，见图5。

图5 在等时模式中的处理器同步化

为了同步从站时钟，PROFIdrive应用实际通信系统中的相关服务，对现场总线PROFIBUS而言，这一功能是DP_v2的集成部件，对PROFINET IO而言，这是它的等时实时功能部件（带IRT的PROFINET）。对于PROFIdrive，等时通信是驱动同步的基础。它不只是一个总线系统上的“帧”流量问题，而是要实现一个等距离时基。内部控制回路的算法，举例，在驱动器中的速度和电流控制器或上位自动化系统中的控制器，也需要相互之间时间同步（见图5）。在以后要说明的应用类型4、5和6中的典型驱动应用，时钟信号的“抖动”必须保证小于或等于1微秒。

从站-从站之间的通信：从站-从站之间的通信，允许装置之间进行直接的数据交换，而不必经过主站 / 控制器的数据转移。作为一个结果，装置在接收其它驱动器的实际值时的延时将会是最小的。这样容易实现高性能的要求，像交叉轴控制回路这类的功能，也能通过这一方式实现。这一功能打开了全新的应用领域，特别在分布式驱动应用中。作为例子，对于造纸、薄膜、线材以及纺织品的生产机械，为了建立速度设定值的级联关系，可以应用这一功能来转移速度设定值。现场总线PROFIBUS DP和PROFINET IO都能实现从站-从站之间的通信功能。

PROFIdrive服务操作模式和基本状态机：对所有PROFIdrive中的应用类型，定义了唯一的基本状态机，它用来将驱动带入特定的工作状态或切换驱动到一特定的方式。对应用类型3“位置驱动”，基本状态机被扩展至包括控制位置功能的位置状态机。图6表示PROFIdrive的基本状态机（通用状态图）。图上的蓝色方块表示驱动轴的状态从S1到S5，其中箭头表示状态之间可能实现的转移，如果这种转移存在有竞争关系的话，则箭头线上的红色圆点数目，表示优先权等级的高低（见图右下角表示的优先权排序）。图上的黄色方块表示状态转移的条件，是由控制命令来控制的，这些命令是控制器转移至驱动轴的控制字上的位码。

图6 PROFIdrive驱动轴的基本状态机

通信帧：对周期数据通信帧，由控制器发出的控制字和状态字构成了对基本状态机控制的命令接口。根据特殊的应用类型，定义具体的控制字和状态字位。除了控制字和状态字，驱动轴的设定值和实际值也是通过周期接口传送的。PROFIdrive 用串形信号说明周期数据接口，从这个意义上说，PROFIdrive信号是控制字和状态字以及设定值和实际值。信号的数目由信号内容和转移格式唯一确定。为了使用户应用时更为简单、方便，将典型的周期接口数据的传输定义成PROFIdrive帧来实施的。如此，PROFIdrive帧的数目本质上是固定定义好的一组PROFIdrive信号，它们唯一地说明周期数据接口。PROFIdrive帧对PROFIBUS和PROFINET本质是相同的。在特殊的应用情况下制造商也能附加定义制造商指定的帧。

参数管理：PROFIdrive参数管理是通过非周期通信通道工作的，为用户提供了对PROFIdrive参数访问的广泛服务。除了读、写参数值之外，还附加提供了参数属性，例如，也可以读到参数说明。为了改善非周期参数通道的通信性能，在参数管理中定义了多参数服务。

PROFIdrive的参数模型：PROFIdrive定义的驱动模型在现在的每一个驱动系统中都能找到（至少有一部分）。装置是由各种功能模块组成的，这些模块表示驱动系统的智能功能。这些功能模块按图4分配参数，这些参数是用于对功能模块组态和参数化（图4的过程数据）。除此之外，参数也用来内部表示功能模块的输入和输出值（图4上的“设定值”和“实际值）。通过内部连接参数，功能模块能够集成在周期数据交换中。除此之外，PROFIdrive参数管理器，通过非周期数据通道能够访问每一个驱动参数。在驱动应用中，PROFIdrive的参数通道是完成许多任务的基础，例如：

参数分配和调试

在替换装置时的数据备份

扩展诊断功能，跟踪以及诊断缓冲区

行规指定的参数：PROFIdrive行规应用参数号900到999定义的参数，对所有的装置都是一致的，这些参数与应用类型无关。这些参数分配作为行规指定参数，以及保证驱动和驱动接口的互操作性以及通用特性。举例，驱动识别功能，故障缓冲，驱动控制，装置识别，以及帧组态和完整的“执行参数”表都包含在行规指定的参数中。

制造商指定参数：在行规中没有说明的参数，分配作为制造商指定参数。这些参数由于制造商的不同，驱动装置以及其支持的驱动功能不同而有差别的。制造商指定参数使得驱动制造商有一定的灵活性, 使他们能实现其产品的特殊驱动功能，例如，特殊的控制、工艺、以及监视功能。作为其结果，驱动装置的制造商们能够从先进的驱动行规中得利，不必单独出售他们之前的技术革新和独特的性能，这些都是他们的竞争优势。

图7 PROFIdrive定义的6种驱动应用类型

根据图2，一个驱动类型由以下要素决定：

（1）由驱动中的应用处理决定，典型的是电动机的电流控制和速度控制（在图2中的底层），（2） 由控制器中的应用处理决定，这些可能包括简单的速度设定，位置控制或路径插补（图2中的顶层），（3）由通信系统（图2中的中层）决定，通信提供对数据交换的相关服务，有需要时要进行应用处理之间的同步。集成在自动化解决方案中的驱动类型，在很大程度上取决于驱动的应用，鉴于这一理由，PROFIdrive行规定义了6种应用类型（AK）, 涵盖了整个驱动的应用范围。一个驱动装置可以跨有一个或多个应用类型，取决于市场的分段和装置的应用。PROFIdrive行规允许制造商灵活地设计驱动产品，来满足具体的市场需求。

AK1标准驱动：这是最简单的驱动类型，有一个主设定值，例如速度设定值，在PROFIBUS DP或PROFINET IO通信方式下控制驱动（图7中的应用类型1）。速度控制的算法，整个在驱动器内部处理。这一类型在常规驱动中是应用最多的，例如，用于风机、泵、压缩机控制的变频器。

AK2带工艺附加功能的标准驱动：标准驱动带工艺功能的应用类型（图7中的应用类型2），对实现自动化的应用提供了高度的灵活性。采用这种类型，整个自动化过程被分割成若干个子过程，分配给多个驱动。这样自动化功能不再只在中央控制器中运行，以及PROFIBUS DP或PROFINET IO起了上位工艺接口的功能。当然，工艺处理的分散化要求具有多向通信的能力，这样单个驱动的的工艺处理以及相互之间必须要有从站对从站的通信。具体举例，对需要连续运行的片状材料（造纸、高速印刷、薄膜、电线电缆、铜箔、铝箔等）生产处理，要求设定值级联、卷绕以及速度同步等应用。

AK3位置驱动：这类应用的特点是除了驱动控制（速度和位置控制）外，还有定位的要求。这样驱动器所起的作用是自动单轴驱动，而上位控制器进行运行的工艺处理（图7中的应用类型3）。定位的任务是驱动器通过PROFIBUS DP或PROFINET IO控制，从位置原点转移到位置终点。定位驱动具有广泛的应用范围，举例，在饮料灌装线中，瓶盖的扭开和关闭，薄膜切割机械的刀片定位。

AK4和AK5 带中央插补的运动控制驱动：应用类型4在设定值接口和实际值接口之间定义了一个接口，这一应用类型的速度控制是在驱动器中执行的，而位置控制是在上位控制器中完成的，典型的应用是机器人控制和数控机床（图7中的应用类型4和5）。对多轴的运动控制是由中央控制器实现的，例如，对数控系统（NC）其位置控制闭环是通过总线的通信进行的。为使上位控制器中的位置控制和驱动器中的速度控制的时钟保持同步，要求实现时钟同步（在PROFIBUS DP_v2和带IRT的PROFINET现场总线标准中均有时钟同步功能）。应用类型5与应用类型4是类同的，差别只在于由位置设定接口替代速度设定接口。

AK6带时钟处理和电子轴的分布式自动化应用类型：这一应用类型的例子有“电子齿轮”、“电子凸轮”、“角同步”以及“飞剪”等。这一应用类型既要用到“从站”与“从站”之间的通信，又要用到时钟同步通信。在上述应用类型中典型的方法是由主驱动轴对若干个从驱动轴实现同步运行（见图7中的应用类型6），主驱动轴在设定值下运行，同时还给其它驱动轴提供信息（例如，实际位置值），通过同步通信，从驱动将跟随主驱动的运动过程。

附加功能 :在上面的应用类型说明中，还可以扩展带有附加功能的选项。

多编码器接口：在典型的高精度伺服系统中，除了电动机编码器之外，还有其它测量系统，PROFIdrive对每个轴，最多能支持3个位置编码器。除此之外，编码器的信息必须通过PROFIdrive的接口传送到控制器，为此目的，PROFIdrive提供了多编码器通道的标准通信帧。从原理上讲，编码器接口，能与任何应用类型相结合，而这些应用类型又必须向上位控制器传送精确的实际值。应用类型4和5就是这类应用的典型实例。

动态伺服控制：在行规中新定义的动态伺服控制概念，适用于应用类型4，用来在驱动刚性机械时，改善系统的动态闭环性能。在速度控制循环中，通过直接在驱动器的位置闭环中选择动态干扰阻尼部件，由它的反馈作用，实现闭环动态性能的改善。为此目的，需要在，a)驱动中激活一个附加的反馈网络（图8中的DSC控制方块），以及，b）将设定值的帧，扩展包括上位控制器中的位置偏差的计算值。DSC的干扰阻尼功能只服务于改善刚性机械驱动系统（例如，电动机与机械直接连接的驱动）。在平常的驱动系统中，固有的机械频率比较低，DSC在原理上是不能对这类系统的动态性能控制作出改善的。

图8 动态伺服控制（DSC）概念

PROFIdrive行规中的诊断功能：图9表示了PROFIdrive行规具有的驱动诊断功能范围，通常分为警告处理机制和故障处理机制，这两层的概念使得紧急的问题在早期就能得到通知，从而能及时地进行防范，这样很容易实现驱动与工厂的维修概念相结合。

图9 PROFIdrive行规诊断功能

警告机制：警告是一种信息格式，以最快的方式自动确认寻址到的警告源，警告的目是及时发出合适的警告信息，防止出现故障条件。原则上在同一时间可以存在若干个警告（例如，“相关的电动机绕组的温度”，“直流母线电压过低”，“无连接”），一般警告不会导致驱动停机。行规对警告机制定义了若干参数，每个参数表示一个警告字。在驱动或驱动轴中出现的每一个警告，映像到警告字中占据一个位。

故障机制：在驱动器中一个故障条件（例如，过热），总会触发一个装置规定的响应，在一般情况下驱动将停机。与此同时，一个或多个说明故障条件的信息将写入故障缓冲器（见图9）。写入 PROFIdrive故障缓冲器中的故障，通常是由装置规定的故障号、应用规定的故障代码选择项、与故障相关的故障值或故障号发生时间选择项等组成（见图10）。由装置规定的故障号和故障代码信息为装置提供了非常详细的诊断措施。无论什么时候当引起故障的原因消失后，用户必须明确地发送故障确认命令，故障确认不会被删除，而是归档在故障缓冲区中，以便以后对故障进行跟踪，故障缓冲区的大小由装置规定。

集成在PROFIdrive标准中的诊断机制：为使不同的制造商具有相同的诊断机制，PROFIdrive行规提供了一个简单的故障分类诊断观点（见图10），以及详细的故障缓冲机制和警告字定义。借助于PROFIdrive的故障分类，对所有按照PROFIdrive行规生产的装置，将会有唯一的、一致的诊断机制。故障分类的结构，考虑以下因素：驱动装置的典型模块和功能模块，要对用户和服务人员在完成快速、系统的故障排除过程中提供强有力的支持。警告和故障将作为报警目标（故障、维修命令、维修要求），通过标准的PROFINET报警通道，通知上位控制器。这一点保证了PROFIdrive驱动集成到PROFIBUS和PROFINET标准诊断系统的一致性。

图10 PROFIdrive 故障缓冲区说明

3 附加行规

除了传统的驱动功能像速度控制，位置控制以及运动控制之外，驱动装置还集成有更多附加功能，这些功能以前是要用外部的设备来实现的，现在可以集成在驱动装置内部来实现。这些附加功能的两个典型例子是基于安全的技术和能量管理功能。这些附加的驱动功能要求新的通信关系以及附加的通信行规。驱动工艺是PROFIBUS和PROFINET驱动装置的典型例子，他们不仅支持原始的应用行规，也还支持其它的附加行规（公共应用行规）。为了保证在基本的PROFIdrive功能与这些附加功能之间的相互作用能平滑地实现，定义和指定的相互作用已经被包括在PROFIdrive之中。

PROFIsave安全行规安全技术集成到驱动中，由于消除了对外部监视器件的需要，从而减少了接线的费用和节省了空间，因此是非常有益的。从这一观点看，PROFIdrive和PROFIsave是一种完美组合，两个行规一起建立了一套协调的单元，能够应用相同的总线来既控制安全功能又控制标准的驱动功能（见图11）。

图11 集成在驱动装置中的基于安全的驱动

对驱动的安全功能是通过与上位控制器中的安全用户程序进行周期的帧交换来实现的，由PROFIsave安全传输通道传输这些周期帧。为了有效操作的目的，要协调好F-控制器与驱动控制器之间的顺序。举例来说，在运动控制中事先测量到的信息，像速度的下降或运动受到了限制，在选择安全功能之前，在运动控制驱动中要先作出处理。这一点说明了为什么驱动控制要求与F控制器进行直接的信息交换以及在驱动中进行安全处理（附加的安全信息）。在这种情况下，PROFIdrive对标准的通信帧，定义了标准化的灵活扩展，使得能适用于所有的应用类型。PROFINET IO的“共享-装置”概念，能使标准和安全功能分布到不同的物理控制器/PLC之间，从而在本质上扩展了集成安全技术的的可用性。

PROFIenergy能量管理行规：电驱动占据了工业能源需求的很大份额。随着能源价格的不断上升，价格因素导致驱动产品也越来越贵。从好的一面来说，也对从事该行业的所有公司提供了巨大的节能机会。特别对高能耗领域，在应用了节能型驱动和智能能量管理系统后，能够本质上的节省能耗。这一点使得在什么地方出现了PROFIenergy，就会提供一个唯一的装置-/制造商-中间部门的接口，用来控制在PROFENET装置中的节能功能。图12表示了对于PROFIdrive驱动中PROFIenergy的可能应用。

能耗分析：为了进行能耗分析，要在上位能量管理系统中对整个工厂的能量流进行系统的测量，在现代的驱动技术中都装备有对电流和速度控制测量的传感器，这样已经具备实现数据测量的条件。然而至今这些数据还没有全部进行测量或者提供唯一的制造商指定的基础。在PROFIenergy中对能量信息功能的标准化，意味着驱动能比较容易地集成到能耗分析系统中，从而消除了对附加的能量价格测量装置的要求，除此之外，对驱动装置的行为和能量的测量还能用于对过程和工厂的诊断。备用管理PROFIdrive的备用管理功能，能用来将“空闲”的PROFIdrive驱动置于能量优化的备用状态。这样做PROFIenergy希望在“空闲”的时间间隔与驱动通信，是基于“空闲”的时间间隔，使得驱动停止在“子处理”或“子部件”状态，为了激活备用状态，驱动首先关闭其应用状态，即在驱动转入备用状态前，驱动必须切换到“状态机”的S2模式，这一点是由驱动控制完成的。

图12 在总线驱动技术中节能的出发点

4 结束语

本文以现场总线标准PROFIBUS_DP_v2和PROFINET IO以及可变速传动行规PROFIdrive_v4.1的最新版本作为依据，介绍了现场总线通信在交、直流传动行业应用的最新动向。作者曾经于2010年8月号的“自动化博览”上，撰写了“应用PLC和DP总线实现对可变速传动装置的通信和控制”，该文是以DRIVECOM行规应用于德国Lenze公司的9400交流伺服控制系列产品，作为例子，详细介绍了通信机制和通信程序的编写。作者又与今年（2013年）1、2月号的“自动化博览”上，撰写了“应用现场总线的可变速传动行规PROFIdrive实现参数通道通信的机制和程序编写”，该文是以PROFIdrive_v3.1行规应用于德国Siemens公司的6RA70直流传动装置，作为例子，详细介绍了通信机制和通信程序的编写。行规PROFIdrive_v4.1比行规v3.1有很多不同之处，特别在应用分类方面，v4.1明确定义了6种应用类型及相应的通信接口，v4.1还考虑了装置的安全标准PROFIsafe和装置的节能标准PROFIenergy，这些最新动向，反应在德国Siemens公司的产品上有SINAM ICS系列（直流的6RA80装置和交流S120装置）产品，有关这类产品适用的通信机制和程序编写，待以后再撰文详细介绍。