基于PROFIBUS-DP的計算機數控系統

1 前言

　　在數控系統中，隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與數控技術(shù)越來(lái)越緊密地結合，由此而產(chǎn)生的具有開(kāi)放性的串行總線(xiàn)型計算機數控系統，正在取代傳統的并行式數控系統．并將成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。傳統計算機數控系統和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線(xiàn)，系統連線(xiàn)復雜，故障率也高。為了減少布線(xiàn)費用及降低故障率，利用現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS-DP構建數控系統，使得該系統通過(guò)高速串行總線(xiàn)與各伺服單元相連，僅需一根電纜或一對雙絞線(xiàn)即可。

2 PROFIBUS—DP介紹

　　PROFIBUS是過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)Process Fieldbu。的縮寫(xiě)。它是一種國際性的開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)，符合CN50170歐洲標準，廣泛應用于制造業(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根據其應用特點(diǎn)分為報文規范PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)、分散和外圍設備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，用于設備級控制系統與分散式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并行信號線(xiàn)。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。用于現場(chǎng)層的高速數據傳送時(shí)，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(xiàn)循環(huán)時(shí)間必須要比主站程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設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)議結構是根據國際標準化組織IS07448標準，以開(kāi)放系統互聯(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(數據鏈路層)和用戶(hù)接日，第三到第七層未加以描述。這種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效，直接數據鏈路映像(DDLM, Direct Data Link Mapper)提供易于進(jìn)人第二層的用戶(hù)接口，用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備可以調用的應用功能，并詳細說(shuō)明了各種不同PROFIBI3SDP設備的設備行為，還提供了傳輸用的RS-485傳輸技術(shù)或光纖。

3 基于PROFiBUS-DP的計算機數控系統

　　3.1 系統結構

　　以加工中心數控系統為例，構建基于PROFIBU5-DP的計算機數控系統系統結構如圖1所示。該系統采川傳輸效率最高的單主站線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。其中，CNC(Computer Numerical Control)裝置作為DP宇站，通過(guò)對零件加工程序的譯碼、處理，將強電控制信息(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PLC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)現機床開(kāi)關(guān)量的控制。主軸控制單元以及三根進(jìn)給軸的伺服驅動(dòng)單元均作為DP從站，由主站CNC裝置分別實(shí)現主軸的轉速控制和進(jìn)給坐標軸的位置及速度控制。檢測裝置作為DP從站，對執行部件的位移、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上位機只起編程和監控作用，其內部裝有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)和通訊設置。

圖1 PROFIBU5-DP的計算機數控系統系統結構

　　3.2 設備選型與配置

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

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

　　主軸驅動(dòng)單元作為DP從站，采用西門(mén)子的SIMOVERT MA5-TERDRIVES交流驅動(dòng)。5In90VERT主驅動(dòng)器是三相交流變頻器，可作為交流電機驅動(dòng)器或電力逆變器使用，具有230V~690V電壓，適于2.2kw~1500kw的單電機或多電機驅動(dòng)。利用PROFIRITS-DP，接C7模塊CB1，可直接將SIR70VERT主驅動(dòng)。器連接到總線(xiàn)上。數據

　　X,Y,Z軸進(jìn)給何服驅動(dòng)單元作為三個(gè)DP從站，均采用數據西門(mén)子公司的模塊化交流伺服驅動(dòng)系統5IMODRIVE611A/D/U使用CBP通信模塊可將此數字式交流伺服驅動(dòng)系統直接連接到PHUFIBL S-DP總線(xiàn)ha數據

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

　　I/O接口模塊，通過(guò)其相應的DP通信接口，與DF總線(xiàn)相連，實(shí)現DP主站對I/O從站設備的控制。根據計算機數控系統I/O裝置的特點(diǎn)及要求，本系統采用ET 20bM型I/O裝置，該裝置通過(guò)接口模塊IM 153與PRDFIBi; S-DP現場(chǎng)總線(xiàn)相連。

　　3.3 系統特點(diǎn)

　　PROFIBUS-IIP應用于計算機數控系統后，和傳統的計算機數控系統相比，具有以下特點(diǎn):

　　(1)CAC裝置與現場(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(xiàn)、光纖、同軸電纜等，提高了不同場(chǎng)合的適應性。

　　(2)系統中的多千伺服單元只用一條物理介質(zhì)完成數據傳輸節省大量現場(chǎng)接線(xiàn)，使安裝簡(jiǎn)單、易于維護且工程造價(jià)低。

　　(3)采用數字信號傳輸技術(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)現檢錯和糾錯功能，從而極大地提高了信號傳輸的可靠性和精度。