6ES7212-1AB23-0XB8产品规格
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1 引言
随着现代生产工艺的飞速发展，现场对传动设备的快速性、连续性、系统性的使用要求越来越高。单台变频器的独立运行的模式已经不能满足要求，多台成组系统运行成为大特点。所有的本地柜前操作已经发展为计算机集中远程自动控制模式。这些特点都建立在计算机、plc、传动装置间的数据通讯的基础上。以此来实现现场设备的运行状态监控和控制命令的下达。现场总线的发明和应用为实现上述功能提供了技术保证。现在使用较为广泛的现场总线有:profibus、canbus、modbus、devicenet、lonworks等。本文重点介绍以profibus 现场总线为基础的西门子simatic s7 plc和6es70系列变频器间的通讯技术。
2 profibus现场总线概述
profibus是一种应用较为广泛的现场总线，其总线标准是国际总线标准ie61158的重要组成部分。是一种开放式系统，令牌结构，以互联网（open system interconnection-sio）作为参考模型。有3个兼容部分组成部分即profibus-dp（decentralized periphery）， profibus-pa（process automation），profibus-fms（fieldbus message specification）。其中dp是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式i/o的通讯。采用rs485数据接口，传输介质用光纤或双绞电缆，传输波特率从（9.6k～12m）bps，传输距离可以通过repeter进行扩展，每个dp网上可以同时配置122个从站，是一种功能强大的现场总线。下面介绍的plc和变频器间的通讯也是基于profibus-dp技术进行的。
3 profibus-dp的数据通讯格式
传动装置通过profibus-dp网与主站plc的接口是经过通讯模块cbp板来实现的，带有dp口的s7-300和400 plc也可以通过cpu上的dp口来实现。采用rs485接口及支持（9.6k～12m）bps波特率数据传输（数据传输的结构如图1所示），其中数据的报文头尾主要是来规定数据的功能码、传输长度、奇偶校验、发送应答等内容，主从站之间的数据读写的过程（如图2所示）核心的部分是参数接口（简称pkw）和过程数据（简称pzd），pkw和pzd共有五种结构形式即:ppo1、ppo2、ppo3、ppo4、ppo5，其传输的字节长度及结构形式各不相同。在plc和变频器通讯方式配置时要对ppo进行选择，每一种类型的结构形式如下。
图1 数据传输的结构
图2 主从站间数据读写过程
ppo1 4 pkw + 2 pzd （共有6个字组成）
ppo2 4 pkw + 6 pzd （共有10个字组成）
ppo3 2 pzd （共有2个字组成）
ppo4 6 pzd （共有6个字组成）
ppo5 4 pkw+10 pzd （共有14个字组成）
参数接口（pkw）:参数id号（pke）、变址数（ind）、参数值（pwe）三部分组成。过程数据接口（pzd）:控制字（stw）、状态字（zsw）、主给定（main setpoint ），实际反馈值（main actual value） 等组成，另外要了解掌握控制字和状态字每一位的具体含义，并熟悉西门子变频器参数的具体应用，在通讯参数设置时需要具体定义。
4 实现通讯的软硬件要求和参数设置
（1） 硬件要求
·133mhz以上且内存不小于16mb的编程器。
·西门子s7-300/400系列plc，ram不小于12kb，并带有profibus-dp接口，或是s7-400（ram不小于12kb）配cp443-5的通讯板。
·带有cbp通讯模块和带有cu2/sc的vc板的变频器
（2） 软件要求
·win 95或win nt（v4.0以上）
·step7（v3.0以上）
·安装dva-s7-sps7
（3） 通讯设置基本步骤
·设置传动参数
· plc硬件配置
·创建数据块
·编写通讯程序
· 系统调试
（4） 传动参数的设置
·p053 = 3 参数使能
·p090 = 1 cbp板在2#槽
·p918 = 3 从站地址
·p554.1=3001 控制字pzd1
·p443.1=3002 主给定pzd2
·p694.1=968 状态子pzd1
·p694.2=218 实际值pzd2
5 plc与传动变频器通讯程序
要实现通讯功能，正确的程序编写是非常重要的，下面将以西门子的s7-416 plc和6se70变频器为例来介绍通讯的程序编写。
（1） 基本配置和定义
基本配置如图3所示:
图3 基本配置界面
主站master为cpu-416-2dp
从站slave为6se70传动装置，profibus地址是3
输入地址: iw 256 （ 2 words pzd）;
输出地址: qw256 （2 words pzd ）;
ppo类型: 3; 总线接口: rs485。
（2） 使用的功能块
ob1 main cycle 主循环
sfc14 dprd-dat 读数据系统功能块
sfc 15 dpwr-dat 写数据系统功能块
db100 数据存取 （dbw0 –dbw4是读出，
dbw5-dbw8是写入）
mw200 mw210 通讯状态显示
（3） 简单程序编写（如图4）
图4 程序编写界面
ob1
network1: 读出数据
call sfc 14
laddr w#16#100
ret-val mw200
record p#db100.dbx0.0 byte 4
network2: 显示数据
l db100.dbw 0
t mw50
nop 0
network3: 写入数据
l w#16#efff
t db100.dbw 5
network4: 发送数据
call sfc 15
laddr w#16#100
record p#db100.dbx5.0 byte 4
ret-val mw210
把程序存储编译下装，检查传动装置的参数设置后，即可上电进行调试。
6 结束语
通过上述介绍，我们可以以profibus-dp总线为基础通过网络配置和参数设定来建立plc和传动装置之间的通讯，并通过参数的变化来实现对装置的启停控制，快慢调速等功能。借助于编程器可plc在线查看从装置读取上来的状态和实际反馈值，在装置pmu上也可查看主给定。通讯技术的实现了自动化的更加广泛应用。
依靠强大的开发团队、PHILIPS半导体的技术与国际CiA协会、ODVA协会的支持，我们致力于发展中国的CAN产品与应用事业。至现在，我们已成功开发出一系列CAN-bus教学、接口、工具、应用产品，能够为客户提供从“芯片”、“工具”、“模块”、“方案”、“产品”等各个方面的服务，涉及CAN-bus多个行业与应用领域。我们自主开发的数个型号产品已经于国外技术水平，并已投入广泛的实际应用。
CAN在汽车中的应用
对于CAN在汽车上的应用，具有很多行业标准或者是，比如化组织（International Organization for Standardization）的ISO11992、ISO11783以及汽车工程协会（Society of Automotive Engineers ）的SAE J1939。CAN总线已经作为汽车的一种标准设备列入汽车的整体设计中。
对此，很多的半导体厂商专门针对CAN总线在汽车上的应用，提出了自己的全套解决方案。下图是PHILIPS半导体公司的汽车网络解决方案。
通过上图可以看到，蓝色较粗线代表CAN总线，它连接了传动装置控制单元、灯控单元、门控单元、座椅控制单元以及仪表盘控制单元等等。红色较细线代表LIN总线，由LIN总线构成的LIN网络作为CAN网络的辅助网络，连接了车窗控制单元、雨刷控制单元、天窗控制单元等低速设备。
LIN网络（Local Interconnect Network），由汽车厂商为汽车开发，作为CAN网络的辅助网络，目标应用在低端系统，不需要CAN的性能、带宽以及复杂性。LIN的工作方式是一主多从，单线双向低速传送数据（高20K位/秒），与CAN相比具有更低的成本，且基于UART接口，无需硬件协议控制器，使系统成本更低。
在未来的汽车中，由汽车厂商和半导体厂商共同组成的团体FlexRay Consortium，致力于发展更高速的、具有容错性的、支持分布式控制系统的总线“X-by-Wire”，X-by-Wire的通信速率将达到10M。届时，X-by-Wire将和CAN、LIN一起组成整个汽车的通信控制网络。下图为具备X-by-Wire的概念车型。
ECU中的CAN电路
- CAN控制器＋CAN收发器
- CAN控制器＋CAN收发器＋LIN收发器
下面的电路图为在汽车电子ECU设计中推荐使用的电路图。图中，左边的MCU部分（P87C52X2）可以根据应用场合的需要而选择适应度更高的元器件。
建议：所有ECU的物理层电路应保护收发器电路。此外，节点设计时，优先考虑采用分离终端电路。将产品设计为分离终端的形式，这样，在汽车原型或ECU EMC的评估过程中，可以使CAN总线实现要求更高的抗干扰／幅射性能。只有当各个收发器都使用这种功能时，才要求“Split”管脚的电路。当然，在网络中允许混合单终端和分离终端。
在ECU电路中，增加保护电路是必要的。另外，收发器板应尽可能放在接近PCB边沿连接器的位置。边沿连接器和收发器之间不允许有其他EC。CAN_H/L或Tx/Rx电路不应穿越总线或跳线。
1 引言
在许多化工工业过程中，需要处理一些易燃易爆的工艺介质。为确保人员生命和生产装置的财产安全，防爆技术已经应用于各个行业及相关，形成一系列的行业、国家和，并随着工业的发展而发展。对于自动化仪表，常用的防爆形式是本安型、隔爆型和增安型。由于电子技术的飞速发展和低功耗电子器件的不断诞生，本安防爆技术的得到了更为广阔的推广和应用。特别是由于本质安全型（简称本安型）防爆形式与其他防爆形式相比，不仅具有结构简单，适用范围广，而且还具有易操作和维护方便等特点，因此这种通过抑制点火源能量为防爆手段的本安型防爆仪表已被制造商和用户接受。
2 本质安全防爆技术的原理与特点
2.1本质安全防爆技术的原理
本安防爆技术实际上是一种低功率设计技术。例如对于氢气（ⅡC）环境，必须将电路功率限制在1.3W左右。由此可见，本安技术能很好的适用于工业自动化仪表。
针对电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要引爆源，本质安全技术通过限制电火花和热效应这两个可能的引爆源来实现防爆。在正常工作和故障状态下，当仪表产生的电火花或热效应的能量小于一定程度时，低度表不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸。它实际上是一种低功率设计技术。原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。通常对于氢气环境，也就是危险程度高、易爆的环境，必须将功率限制在1.3W以下。国际电工委员会（IEC）规定，在危险程度高的危险场所0区，只能采用Exia等级的本安防爆技术。因此，本质安全防爆技术是一种安全、可靠、适用范围广的防爆技术。本质安全型仪表设备按安全程度和使用场所不同，可分为Exia和Exib。Exia的防爆级别高于Exib。
Exia级本质安全仪表在正常工作状态下以及电路中存在两起故障时，电路元件不会发生燃爆。在ia型电路中，工作电流被限制在100mA以下，适用于0区、1区和2区。
Exib级本质安全仪表在正常工作状态下以及电路中存在一起故障时，电路元件不发生燃爆炸。在ib型电路中，工作电流被限制在150mA以下，适用于1区和2区。
2.2本质安全防爆技术的特点
（1）不需要设计制造工艺复杂、体积庞大且又笨重的隔爆外壳，因此，本安仪表具有结构简单、体积小、重量轻和造价低等特点。据资料，建立一个本安型和隔爆型开关传输回路的费用之比约为1:4。
（2）可在带电情况下进行维护、标定和更换仪表的部分零件等。
（3）安全可靠性高。本安仪表不会因为紧固螺栓的丢失或外壳结合面锈蚀、划伤等人为原因而降低仪表的安全可靠性。
（4）由于本安防爆技术是一种“弱电”技术，因此，本安仪表的使用可以避免现场工程技术人员的触电伤亡事故的发生。
（5）适用范围广。本安技术是唯一可适用于0区危险场所的防爆系统。
（6）对于像热电偶等简单设备，不需特别认证即可接入本安防爆系统。
可见，与其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技术可给工业自动化仪表带来技术上的突出特点。
3 本安防爆技术在过程自动化工程中的应用
本质安全防爆系统由三部分组成:现场本质安全仪表、本质安全电缆及本质安全关联设备。现场仪表包括各种安装在危险场所的一次检测仪表，以两线制变送器为代表的本质安全点电缆带有专用接地线，以耐久性的纯蓝色与其它电缆相区别;关联设备包括齐纳式安全栅、隔离式安全栅、其他形式的具有限流、限压功能的保护装置。能将窜入到现场本安设备的能量限制在安全值内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。
系统回路以安全栅为界分为本质安全电路和非本质安全电路。从安全栅通过本质安全电缆连接到现场仪表所构成的电路为本质安全电路;从安全栅到DCS以及到供电电源的电路为非本质安全电路。
4本质安全的防爆认证
4.1本安防爆是整体防爆的概念
对构成系统的现场设备、安全栅必须经过国家授权认证机构防爆认证，同时需要认证机构签发的本安仪表和安全栅的联合取证确认该本安回路的安全性。现场设备为简单设备时无需本安认证，即可与已取得本安认证的安全栅配合构成本安防爆回路。简单设备是指触点开关、热电偶、热电阻、发光二极管以及桥路等，设备中不含储能元件。
4.2本质安全回路防爆认证的原则
现场本安设备，安全栅认证参数要匹配，匹配参数如表1所示。
表1安全栅认证匹配参数
其中:
Uoc:高开路电压在高允许电压范围内本安端开路时电压大值;
Isc:大短路电流在高允许电压范围内本安端短路时电流大值;
Ca:允许分布电容保证本质安全性能情况下本安端大允许外接电容;
La:允许分布电感保证本质安全性能情况下本安端大允许外接电感;
Ui:高输入电压施加到本质安全现场仪表上，不会使本质安全性能失效的高电压;
Ii:高输入电流施加到本质安全现场仪表上，不会使本质安全性能失效的大电流;
C:大内部电容现场本安仪表内总等效电容;
Li:大内部电感现场本安仪表内总等效电感;
Cc:本安电缆的分布电容;
Lc:本安电缆的分布电感。
5 本质安全仪表及回路的特殊要求
5.1对接地的要求
本质安全型仪表系统必须具有可靠的独立接地。整个自动化仪表系统有四种类型的接地:本质安全型仪表系统接地、信号回路接地、屏蔽接地和保护接地。信号回路接地与屏蔽接地可共用一个单独的接地极，本质安全仪表系统需独立设置接地系统，与其它接地网相距5m以上，一般要求本质安全地的接地电阻小于1Q。其它两种接地电阻按设计或规范要求一般在4Q以下。保护接地可接到电气工程低压电气设备的保护接地网上。
5.2对连接电缆的要求
从系统布线工程角度考虑，由于连接电缆存在分布电容和分布电感，使连接电缆成为储能元件。它们在信号传输过程不可避免地存储能量，一旦当线路出现开路或短路时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，影响系统的本安性能。因此既要保证连接传输电缆不会受到外界电磁场干扰影响及与其他回路混触，又要限制布线长度和感应电动势所带来的附加非本安能量，依此来确定电缆的允许分布电容和允许分布电感，世界各防爆检验机构主要采取以集中参数的方式考虑电缆分布参数的方法。
连接电缆本安性能的基本参数如下:
电缆大允许分布电容（Ci）:
（Cc）=（Ck）×L
电缆大允许分布电感（Lc）:
（Lc）=（Lk）×L
式中:Ck—电缆单位长度分布电容;
Lk—电缆单位长度分布电感;
L—实际配线长度。
本质安全电缆是一种低电容、低电感的电缆、与其它电缆相比具有优异的屏蔽性能和抗干扰性能，适用于爆炸危险场所及其它防爆安全要求较高的场合。在使用中应注意以下几点:
（1）本安线路内的接地线与屏蔽连接线要可靠绝缘。
（2）信号回路的接地点应在控制室侧，当采用接地型热电偶和检测部分已接地的仪表时，控制室侧不再接地。
（3）屏蔽电缆的备用芯线与电缆的屏蔽层，应在同一侧接信号回路地。
5.3设备温度等级
设备温度等级规定了设备表面的高允许温度值，见表2。这主要基于技术和经济上的考虑。在绝大部分情况下，有较低温度等级的设备购买和安全方面费用较高。通过比较，选用本安设备将更加有效和经济。直接安装在危险场所的本安设备需要考虑设备温度等级，而关联设备不需要进行设备温度等级的部分。设备温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，否则会引起燃烧爆炸。
表2温度组别对照表
5.4本安电气设备的选用原则
（1）简单设备。按照GB3836.4-2000防爆标准规定，对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，其功率不超过25mW的电器设备可视为简单设备，他们的典型特点是仪表设备的内部等效电感Li=0,内部等效电容Ci=0。此类设备可直接应用在现场。
（2）本安电气设备。安装于危险场所的现场设备、必须明确以下问题:
●是否已按照DB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计并已被国家防爆检验机构认可的本安电气设备。
●防爆标志规定的等级是否适用于使用的危险场所的安全要求。
●本安电路是否接地或接地部分的本按电路是否与安全栅接口部分的有电路加以有效隔离。
●信号传输的方式及本安电气设备的低工作电压和回路正常工作电流。
在明确以上问题的基础上，选择相对应的安全栅。
（3）安全栅的选用原则
●安全栅的防爆标志等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级。
●确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的低工作电压。
●安全栅的本安端安全参数能够满足Uoc≤Ui、Isc≤Ii、Ca≥Ci+Cc、La≥Li+Lc的要求。
●安全栅要与本安现场仪表的安全极性及信号传输方式相匹配。
●做好相应的保护工作，避免安全栅的漏电电流影响本安现场设备的正常工作。
6结束语
虽然本安型仪表在仪表匹配、电缆的使用和接地等方面有许多特殊的要求，但随着微电子技术、微处理器技术的迅速发展，工业自动化仪表已趋于低功耗、电子化、小型化发展，更加容易实现本质安全，，对于自动化仪表而言，本安防爆技术是一种比较理想的防爆技术，它也必将被广泛应用于现场总线智能化仪表及现代工业自动化控制系统中。
