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(lái)越緊密地結(jié)合，由此而產(chǎn)生的具有開(kāi)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(chǎng)的主流產(chǎn)品。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和每臺(tái)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(chǎng)總線PROFIBUS-DP構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)通過(guò)高速串行總線與各伺服單元相連，僅需一根電纜或一對(duì)雙絞線即可。

2 PROFIBUSDP介紹

　　PROFIBUS是過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Process Fieldbu。的縮寫(xiě)。它是一種國(guó)際性的開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，符合CN501'70歐洲標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)分為報(bào)文規(guī)范PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)、分散和外圍設(shè)備PHOFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、過(guò)程自動(dòng)化PR}FIBUS-PA(Proceae Autamalicn)三個(gè)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(jí)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(jià)格昂貴的24V或0一20mA并行信號(hào)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(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送時(shí)，主站周期地讀取從站的輸人信號(hào)并周期地向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站程序循環(huán)時(shí)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(bào)警處理。

　　PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS07448標(biāo)準(zhǔn)，以開(kāi)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(shuō)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)。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(guò)對(duì)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(lái)的信息，通過(guò)I/O接口模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)床開(kāi)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(dòng)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(cè)裝置作為DP從站，對(duì)執(zhí)行部件的位移、角度、速度進(jìn)行檢測(cè)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(duì)PROFTBUS-DP網(wǎng)進(jìn)行組態(tài)和通訊設(shè)置。

　　3.2 設(shè)備選型與配置

　　CNC裝置可采用西門(mén)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(guó)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(dòng)單元作為DP從站，采用西門(mén)子的SIMOVERT MA5-TERDRIVES交流驅(qū)動(dòng)。5In90VERT主驅(qū)動(dòng)器是三相交流變頻器，可作為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)。利用PROFIRITS-DP，接C7模塊CB1，可直接將SIR70VERT主驅(qū)動(dòng)。器連接到總線上。數(shù)據(jù)

　　X,Y,Z軸進(jìn)給何服驅(qū)動(dòng)單元作為三個(gè)DP從站，均采用數(shù)據(jù)西門(mén)子公司的模塊化交流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)直接連接到PHUFIBL S-DP總線ha數(shù)據(jù)

　　從站檢測(cè)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(duì)編碼器，用于測(cè)量機(jī)械位移.角度、速度。PftOFIl;US絕對(duì)值編碼器可作為從站通過(guò)PROFIBUS接口與主站連接，可與PHOFIBi1S上的數(shù)字式控制器、PLC,驅(qū)動(dòng)器、定位顯示器一起作用，并且可通過(guò)主站完成遠(yuǎn)程參數(shù)配置:

　　I/O接口模塊，通過(guò)其相應(yīng)的DP通信接口，與DF總線相連，實(shí)現(xiàn)DP主站對(duì)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(guò)接口模塊IM 153與PRDFIBi; S-DP現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)接線，使安裝簡(jiǎn)單、易于維護(hù)且工程造價(jià)低。

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

　　(4) PROFIBUS-DP的應(yīng)用，構(gòu)成了一種新的全分散性數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性

　　(5) PROFIBUS-DP總線構(gòu)成的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，是一種全開(kāi)放的系統(tǒng)。不同廠家的CNC, PLC,伺服驅(qū)動(dòng)等裝置，可通過(guò)PROFIBUS-DP接Cl掛到同一總線上運(yùn)行:避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被“框死”了使用設(shè)備的選擇范圍。

4 通信原理

　　PROFiBIUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層包括兩種介質(zhì)存取方式，即令牌總線方式和主一從方式的混合存取方式。其中，令牌總線方式與局域網(wǎng)ICFE802.4中的規(guī)約相一致。它規(guī)定了主站間的介質(zhì)存取控制方式。本系統(tǒng)采用單主站的線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此只討論主站與從站之間的介質(zhì)存取控制規(guī)約。純主一從方式的介質(zhì)存取控制與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同。它符合OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層中的HDLC非平衡正常響應(yīng)模式。

　　下面以主站CNC裝置和從站PLC為例，具體說(shuō)明PROFIBl15-DP網(wǎng)數(shù)據(jù)璉路層的工作過(guò)程。主站CNC和從站PLC給出了在半雙工方式下非平衡正常響應(yīng)摸式下的通信過(guò)程，具體被分為3個(gè)階段:數(shù)據(jù)鏈路的建立，數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)鏈路的釋放。

　　第1階段為數(shù)據(jù)鏈路的建立階段，主站CNC裝置使用U幀的置正常響應(yīng)模式工SNRM命令，在地址字段A中填人從站PLC的地址，表示在多個(gè)從站的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)中選擇PLC為與之連接的從站，探詢位P為1，記為U:A,SNRM,P。從站PLC接到SNRM命令后，用U幀的無(wú)編號(hào)確認(rèn)命令UA作為響應(yīng)主站建立數(shù)據(jù)鏈路的確認(rèn)，記為U:A,UA,Fo終止位F用于從站對(duì)主站探詢P的應(yīng)答。這，一過(guò)程在實(shí)際操作中是通過(guò)專有的 DVA S7通信軟件包來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中PC土位機(jī)將組態(tài)好的主站CNC和從站PLC的地址和特性參量傳送給主站CNC ,由主站CNC向從站PLC分配地址和組態(tài)，若從站PLC的特性與主站分配的特性相同，便承認(rèn)自己是該從站，并與主站建立數(shù)據(jù)鏈路的連接。第2階段為數(shù)據(jù)幀的傳輸階段，主站CNC中的固有程序循環(huán)執(zhí)行，向特定的數(shù)據(jù)塊naa中寫(xiě)人指令參數(shù)，特定的功能塊F刊從中讀取參數(shù)并向從站PLC發(fā)送，第一個(gè)編號(hào)為0的信息頓中N(S)=0，由于未接到PLC的從站頓，N(R)--D,則此f頓記為f; A, N(S)=0, N(R)=0。第2,3個(gè)從主站連續(xù)發(fā)送的信息幀則記為I:A, N(S)=1,N(R) =0與1: A, N(S) =2, N(R)=0。如果主站在發(fā)送第3個(gè)幀時(shí)使用了探詢位P,而且從站PLC也有信息幀要發(fā)送，則此I幀記為I: A, N(S)=0, N(R)=3。其中N(5)=0表示從站PLC發(fā)送的I幀序號(hào)為0: N(R)=3表示從站PLC已正確接收序號(hào)為2及它以前的I幀，下一次主站發(fā)送的I幀序號(hào)應(yīng)為3,這里的N( R)也起到了對(duì)主站發(fā)送I幀的捎帶確認(rèn)作用。若從站PLC只有一幀發(fā)送，應(yīng)標(biāo)志終止符F,此時(shí)的f幀為，:A, N(S) =0, N( R)=3, Fo

　　第3階段為數(shù)據(jù)鏈路的釋放階段。當(dāng)主站CNC裝置和從站PLC都沒(méi)有信息幀要發(fā)送，或者主站將與其它從站建立鏈路連接時(shí)，則應(yīng)釋放此鏈路連接。此時(shí)，主站可使用U幀釋放連接命令DISC來(lái)釋放連接，即U: A, DISC, P。從站PLC則用U禎的UA予以確認(rèn)，即U: A,UA,Fo。至此，一次完整的數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過(guò)程結(jié)束了。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用了PROFIHLTS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式后，不但整個(gè)系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。而且，可根據(jù)用戶實(shí)際需要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的硬、軟件進(jìn)行靈活配置，真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性。相信隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，該系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普及。