Profibus-DP總線技術(shù)及其在伺服傳動中的應(yīng)用
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Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s-12Mbit/s）經(jīng)濟的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時間要求。由于其高可靠性、高性能、實時性好及其獨特的設(shè)計，已被幾乎所有的生產(chǎn)廠商和用戶所接受。
伺服電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易、運行平穩(wěn)、相應(yīng)快等優(yōu)異特性，已越來越成為現(xiàn)代工業(yè)自動化運動控制的重要力量。特別是在自動化程度比較高、需精確控制速度、位置、力矩等應(yīng)用場合，如紡織機械、印刷機械、造紙機械，數(shù)控機床、工業(yè)機器人等重要行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。雖然PROFIBUS-DP不像SERCOS、MACRO、Fire Wire是專門為運動控制而開發(fā)的，但在實際控制中由于PROFIBUS-DP的廣泛存在，所以運用PROFIBUS總線對伺服的控制具有很重要的現(xiàn)實意義。
2 PROFIBUS-DP總線技術(shù)
2.1 PROFIBUS-DP簡介
PROFIBUS以ISO7498為基礎(chǔ)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI（open system interconnection）作為參考模型，定義了物理傳輸特性、總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。其傳輸速率為 9.6kbps-12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m，在1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。最多可掛接127個站點。PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的通訊連接,使用了第1層、第2層（即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口層,第3層至第7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?。它是專門為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的I/O之間進(jìn)行的通訊而設(shè)計的。使用PROFIBUS-DP模塊可取代24V或4～20mA的串聯(lián)式信號傳輸,減少投資成本。直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）提供的用戶接口，使得對數(shù)據(jù)鏈路層的存取變的簡單方便，傳輸可使用RS-485傳輸技術(shù)或光纖媒體。
標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的硬件由主設(shè)備、從設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路等三部分組成。其中主設(shè)備用以控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸，且在沒有提供外部請求時發(fā)送信息和被授權(quán)可訪問總線.從設(shè)備是相對于主設(shè)備而言較為簡單的外部設(shè)備,且未被授權(quán)訪問總線;網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路如傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器,前者用屏蔽雙絞電纜構(gòu)成電氣網(wǎng)絡(luò),用塑料或玻璃纖維光纜構(gòu)成的光纖網(wǎng)絡(luò),或是基于兩種媒介之間由OLM轉(zhuǎn)換的混合網(wǎng)絡(luò);后者如RS-485總線連接器、RS-485總線終端、RS-485中繼器、光鏈路模塊OLM等。
2.2 PROFIBUS-DP通信協(xié)議及特點
PROFIBUS-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用EIA—RS485協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸媒體。
圖1 RS485總線段結(jié)構(gòu)圖
圖1中兩根數(shù)據(jù)線通常被稱為A線和B線，分別對應(yīng)RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。
PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)媒體訪問控制（MAL）部分采用受控訪問的令牌總線（Token Bus）和主從方式。其中令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線控制權(quán)，該主站依照關(guān)系表與從站或其他主站進(jìn)行通信。主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式（NRM）。該模式的工作特點是：總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令（Command），從站給出響應(yīng)（Respond）;從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和數(shù)據(jù)鏈路釋放。
圖2中F為幀標(biāo)志字段（8位）。A為從站地址字段。控制字段C表示幀類型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀（1）、監(jiān)控幀（S）和無編號幀（U）。其中信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)（Useful Data）的傳輸并捎帶應(yīng)答;監(jiān)控幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態(tài)做出各種響應(yīng)（如認(rèn)可幀、請求重傳或暫停等）;無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種元編號命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式，釋放鏈路及報告特殊情況等。信息字段由PKW+PZD的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成，PKW用于讀寫參數(shù)值，如寫入控制字或讀出狀態(tài)字等，一般為4B長，而PZD用于存放控制器的具體控制值，設(shè)置站點或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為2～10B長。例如，PKW=P554.1代表向變頻器的主驅(qū)動模塊寫入一個16位的控制字，控制字的每一位都代表一種不同的控制含義;PZD的第二個字節(jié)為0#～7#電機的起?？刂莆?。FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗，該HDLC幀最長可達(dá)24B。
圖2 正常響應(yīng)模式主站與從站間傳輸幀的格式
3 伺服電機接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)
施耐德公司的TWINLINE型伺服控制系統(tǒng)由于其控制器提供了專門的PROFIBUS-DP總線接口模塊，可以像其他的PROFIBUS-DP一樣，用普通的雙絞線作為通信介質(zhì)，很方便的連接到基于PROFIBUS-DP總線的工業(yè)控制系統(tǒng)上，如圖3所示。
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