基于PROFIBUS-DP的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

1 前言

　　在數(shù)控系統(tǒng)中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)越來越緊密地結(jié)合，由此而產(chǎn)生的具有開放性的串行總線型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，正在取代傳統(tǒng)的并行式數(shù)控系統(tǒng)．并將成為市場的主流產(chǎn)品。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統(tǒng)連線復(fù)雜，故障率也高。為了減少布線費(fèi)用及降低故障率，利用現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)通過高速串行總線與各伺服單元相連，僅需一根電纜或一對雙絞線即可。

2 PROFIBUS—DP介紹

　　PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線Process Fieldbu。的縮寫。它是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線，符合CN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。PROFIBUS根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)分為報文規(guī)范PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)、分散和外圍設(shè)備PHOFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、過程自動化PR}FIBUS-PA(Proceae Autamalicn)三個兼容版本。

　　其中。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信連接，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/0的串行通信。使用PROFIBUSDP模塊可取代價格昂貴的24V或0一20mA并行信號線。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送時，主站周期地讀取從站的輸人信號并周期地向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短。除周期性數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需要的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。

　　PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS07448標(biāo)準(zhǔn)，以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)05I(Open Sysfem laterconnection)為參考模型。該模型共有七層。PftOFIBU5-DP使用其第一層(物理層)、第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)和用戶接日，第三到第七層未加以描述。這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行В苯訑?shù)據(jù)鏈路映像(DDLM, Direct Data Link Mapper)提供易于進(jìn)人第二層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBI3SDP設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的RS-485傳輸技術(shù)或光纖。

3 基于PROFiBUS-DP的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　以加工中心數(shù)控系統(tǒng)為例，構(gòu)建基于PROFIBU5-DP的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采川傳輸效率最高的單主站線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，CNC(Computer Numerical Control)裝置作為DP宇站，通過對零件加工程序的譯碼、處理，將強(qiáng)電控制信息(如輔助功能M,幸軸功能S、刀具功能T等信息)，以主一從通信方式傳輸給輔助控制裝置PLC該P(yáng)LC作為智能從站，接受CNC主站傳來的信息，通過I/O接口模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)床開關(guān)量的控制。主軸控制單元以及三根進(jìn)給軸的伺服驅(qū)動單元均作為DP從站，由主站CNC裝置分別實(shí)現(xiàn)主軸的轉(zhuǎn)速控制和進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置及速度控制。檢測裝置作為DP從站，對執(zhí)行部件的位移、角度、速度進(jìn)行檢測和反饋，CNC主站周期性地讀取反饋信息并進(jìn)行處理,PC上位機(jī)只起編程和監(jiān)控作用，其內(nèi)部裝有STEP 7基本軟件和UVA S7通信軟件，用于編程和對PROFTBUS-DP網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)和通訊設(shè)置。

圖1 PROFIBU5-DP的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3.2 設(shè)備選型與配置

　　CNC裝置可采用西門子的SINUMERIK 840D型CNC裝置。該裝置的內(nèi)部主處理器NCU573中有集成的CPU315-2DP,可與FROFIBUS-DP直接相連，實(shí)現(xiàn)通信。也可采用國產(chǎn)CNC裝置，但必須配置相應(yīng)的DP通信模塊，才能與PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)相連。

　　從站PLC實(shí)現(xiàn)各種輔助功能的控制，根據(jù)其性能要求.選擇S7-300系列的模塊式中小型PLC。其處理器GPU315-2DP帶有內(nèi)置的PROFIBC}S-UP接口。符合EN50 170標(biāo)準(zhǔn)，可直接將PLC掛到總線上，不需要另外的通訊接日及轉(zhuǎn)換接口，連接十分方便。

　　主軸驅(qū)動單元作為DP從站，采用西門子的SIMOVERT MA5-TERDRIVES交流驅(qū)動。5In90VERT主驅(qū)動器是三相交流變頻器，可作為交流電機(jī)驅(qū)動器或電力逆變器使用，具有230V~690V電壓，適于2.2kw~1500kw的單電機(jī)或多電機(jī)驅(qū)動。利用PROFIRITS-DP，接C7模塊CB1，可直接將SIR70VERT主驅(qū)動。器連接到總線上。數(shù)據(jù)

　　X,Y,Z軸進(jìn)給何服驅(qū)動單元作為三個DP從站，均采用數(shù)據(jù)西門子公司的模塊化交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)5IMODRIVE611A/D/U使用CBP通信模塊可將此數(shù)字式交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)直接連接到PHUFIBL S-DP總線ha數(shù)據(jù)

　　從站檢測裝置選用裝有光電旋轉(zhuǎn)編碼器的SIMODRIY-ER傳感器一具有PROFIBI;S的絕對編碼器，用于測量機(jī)械位移.角度、速度。PftOFIl;US絕對值編碼器可作為從站通過PROFIBUS接口與主站連接，可與PHOFIBi1S上的數(shù)字式控制器、PLC,驅(qū)動器、定位顯示器一起作用，并且可通過主站完成遠(yuǎn)程參數(shù)配置:

　　I/O接口模塊，通過其相應(yīng)的DP通信接口，與DF總線相連，實(shí)現(xiàn)DP主站對I/O從站設(shè)備的控制。根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)I/O裝置的特點(diǎn)及要求，本系統(tǒng)采用ET 20bM型I/O裝置，該裝置通過接口模塊IM 153與PRDFIBi; S-DP現(xiàn)場總線相連。

　　3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　PROFIBUS-IIP應(yīng)用于計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)后，和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn):

　　(1)CAC裝置與現(xiàn)場伺服單元及分散的I/O模塊之間，可利用多種傳輸介質(zhì)，如雙絞線、光纖、同軸電纜等，提高了不同場合的適應(yīng)性。

　　(2)系統(tǒng)中的多千伺服單元只用一條物理介質(zhì)完成數(shù)據(jù)傳輸節(jié)省大量現(xiàn)場接線，使安裝簡單、易于維護(hù)且工程造價低。

　　(3)采用數(shù)字信號傳輸技術(shù)，與模擬信號相比，避免了信號衰減和共模干擾，還可以實(shí)現(xiàn)檢錯和糾錯功能，從而極大地提高了信號傳輸?shù)目煽啃院途取?