Profibus-DP總線(xiàn)技術(shù)及其在伺服傳動(dòng)中的應用
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Profibus是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。Profibus根據應用特點(diǎn)分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個(gè)兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速（數據傳輸速率9.6kbit/s-12Mbit/s）經(jīng)濟的設備級網(wǎng)絡(luò )，主要用于現場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信，可滿(mǎn)足交直流調速系統快速響應的時(shí)間要求。由于其高可靠性、高性能、實(shí)時(shí)性好及其獨特的設計，已被幾乎所有的生產(chǎn)廠(chǎng)商和用戶(hù)所接受。
伺服電機具有結構緊湊、控制容易、運行平穩、相應快等優(yōu)異特性，已越來(lái)越成為現代工業(yè)自動(dòng)化運動(dòng)控制的重要力量。特別是在自動(dòng)化程度比較高、需精確控制速度、位置、力矩等應用場(chǎng)合，如紡織機械、印刷機械、造紙機械，數控機床、工業(yè)機器人等重要行業(yè)得到了普遍的應用。雖然PROFIBUS-DP不像SERCOS、MACRO、Fire Wire是專(zhuān)門(mén)為運動(dòng)控制而開(kāi)發(fā)的，但在實(shí)際控制中由于PROFIBUS-DP的廣泛存在，所以運用PROFIBUS總線(xiàn)對伺服的控制具有很重要的現實(shí)意義。
2 PROFIBUS-DP總線(xiàn)技術(shù)
2.1 PROFIBUS-DP簡(jiǎn)介
PROFIBUS以ISO7498為基礎，以開(kāi)放式系統互聯(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(xiàn)存取協(xié)議和應用功能。其傳輸速率為 9.6kbps-12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為100m，在1.5Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(cháng)至10km。最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的通訊連接,使用了第1層、第2層（即物理層和數據鏈路層）和用戶(hù)接口層,第3層至第7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。它是專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)控制系統和設備分散的I/O之間進(jìn)行的通訊而設計的。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。直接數據鏈路映像（DDLM）提供的用戶(hù)接口，使得對數據鏈路層的存取變的簡(jiǎn)單方便，傳輸可使用RS-485傳輸技術(shù)或光纖媒體。
標準現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS-DP的硬件由主設備、從設備、網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)路等三部分組成。其中主設備用以控制總線(xiàn)上的數據傳輸，且在沒(méi)有提供外部請求時(shí)發(fā)送信息和被授權可訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn).從設備是相對于主設備而言較為簡(jiǎn)單的外部設備,且未被授權訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn);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成電氣網(wǎng)絡(luò ),用塑料或玻璃纖維光纜構成的光纖網(wǎng)絡(luò ),或是基于兩種媒介之間由OLM轉換的混合網(wǎng)絡(luò );后者如RS-485總線(xiàn)連接器、RS-485總線(xiàn)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(diǎn)
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，根據數據傳輸速率的不同，可選用雙絞線(xiàn)和光纖兩種傳輸媒體。
圖1 RS485總線(xiàn)段結構圖
圖1中兩根數據線(xiàn)通常被稱(chēng)為A線(xiàn)和B線(xiàn)，分別對應RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。
PROFIBUS-DP數據鏈路層協(xié)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAL）部分采用受控訪(fǎng)問(wèn)的令牌總線(xiàn)（Token Bus）和主從方式。其中令牌總線(xiàn)與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線(xiàn)上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線(xiàn)控制權，該主站依照關(guān)系表與從站或其他主站進(jìn)行通信。主從方式的數據鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式（NRM）。該模式的工作特點(diǎn)是：總線(xiàn)上一個(gè)主站控制著(zhù)多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令（Command），從站給出響應（Respond）;從站可以連續發(fā)送多個(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達到發(fā)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過(guò)程分為三個(gè)階段：數據鏈路建立、幀傳輸和數據鏈路釋放。
圖2中F為幀標志字段（8位）。A為從站地址字段?？刂谱侄蜟表示幀類(lèi)型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類(lèi)型：信息幀（1）、監控幀（S）和無(wú)編號幀（U）。其中信息幀用于應用數據（Useful Data）的傳輸并捎帶應答;監控幀用于監視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態(tài)做出各種響應（如認可幀、請求重傳或暫停等）;無(wú)編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種元編號命令和響應，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的應用數據構成，PKW用于讀寫(xiě)參數值，如寫(xiě)入控制字或讀出狀態(tài)字等，一般為4B長(cháng)，而PZD用于存放控制器的具體控制值，設置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數，一般為2～10B長(cháng)。例如，PKW=P554.1代表向變頻器的主驅動(dòng)模塊寫(xiě)入一個(gè)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(gè)字節為0#～7#電機的起?？刂莆?。FCS是幀校驗字段，它對整個(gè)幀的內容進(jìn)行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗，該HDLC幀最長(cháng)可達24B。
圖2 正常響應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型伺服控制系統由于其控制器提供了專(zhuān)門(mén)的PROFIBUS-DP總線(xiàn)接口模塊，可以像其他的PROFIBUS-DP一樣，用普通的雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)，很方便的連接到基于PROFIBUS-DP總線(xiàn)的工業(yè)控制系統上，如圖3所示。
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