Profibus-DP總線技術(shù)及其在BWS伺服傳動中的應(yīng)用
摘要： 介紹了Profibus-DP總線技術(shù)和特點,，設(shè)計出了由伺服控制器、S7-300PLC和ProTool組成的基于Profibus-DP總線的伺服控制系統(tǒng),，它具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便,、維護容易等特點,并介紹了該系統(tǒng)中的伺服控制器和PLC的通訊過程及軟件設(shè)計,。
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摘 要: 介紹了Profibus-DP總線技術(shù)和特點，設(shè)計出了由伺服控制器,、S7-300 PLC和ProTool組成的基于Profibus-DP總線的伺服控制系統(tǒng),，它具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便,、維護容易等特點,并介紹了該系統(tǒng)中的伺服控制器和PLC的通訊過程及軟件設(shè)計,。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線; Profibus-DP ; PLC; 伺服控制器
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1 引言 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,。 BWS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АＫ菍ｉT為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的I/O之間進行的通訊而設(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?？刂莆弧CS是幀校驗字段,，它對整個幀的內(nèi)容進行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗,，該HDLC幀最長可達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) 廣州博瑋伺服科技有限公司的BWS-NBBR/BBF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,。 上位機由西門子的S7-300PLC組成,，型號為6ES7315-2AG10-0AB0，它有一個專門的PROFIBUS-DP接口,，一個MPI通信接口,，可接入64個從站。PROFIBUS-DP總線負責(zé)對整個系統(tǒng)的中的所有伺服控制器進行管理,，包括速度,、力矩、位置等參數(shù)的命令傳送與設(shè)置等,。作為一個窗口,，由組態(tài)軟件ProTool編織的人機界面可方便的對整個控制系統(tǒng)進行監(jiān)視和參數(shù)的修改。 BWS-BBR/BBF的伺服控制器與伺服電機之間采用旋轉(zhuǎn)編碼器或光電編碼器建立反饋,，形成高精度的伺服控制系統(tǒng),，伺服電機實時的將其運行狀態(tài)與信息上傳給伺服控制器。作為PROFIBUS-DP總線上的節(jié)點,，伺服控制器可以與PLC主機進行通信,，通過總線接受上位機的各種操作、控制和參數(shù)設(shè)定命令等,。  圖3 伺服電機接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過PROFIBUS-DP總線進行通信與控制的伺服系統(tǒng),，主要解決的是上位主機的軟件設(shè)計問題，以下是PLC程序的主要設(shè)計框圖  圖4 PLC程序設(shè)計框圖 PLC程序由STEP 7 進行編程,。程序主要由幾大部分組成：OB100,、OB1和FB40組成。 OB100是暖啟動組織塊,，系統(tǒng)啟動就調(diào)用OB100，它包括功能FC35即INIT_FIELDBUS,，主要作用是初始化已經(jīng)打開的背景數(shù)據(jù)快,，為伺服控制器設(shè)置輸入/輸出總線地址。 OB1是主程序組織塊,，包括功能FC32,、功能塊FB40、功能FC37和背景數(shù)據(jù)塊DB40,。FC32即CYCL_UPDATE,，它的功能是定期的讀和更新來自總線上的背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。功能塊FB40是控制伺服控制器的主要程序塊,，它將完成伺服控制器的初始化和位置控制,，主要包括功能FC40和功能FC41。FC40即INIT_SERVO,它主要完成多個軸的初始化即多個伺服控制器的初始化,。FC41即POS_SEQ_SERVO,，它是整個伺服控制的核心部分,，一些控制命令如速度命令、位置命令,、力矩命令,、原點復(fù)歸命令以及從總線上讀取伺服控制器的反饋值等都是由它完成的。FC37即FAULT_RESET,，它是復(fù)位模塊,，清除總線的錯誤信息并產(chǎn)生一個復(fù)位命令使伺服控制器重新復(fù)位。DB40是功能塊FB40的背景數(shù)據(jù)快,。 FC30是FC40的子塊,，完成從PLC到伺服控制器的命令傳送，檢查命令是否被正確執(zhí)行并且對錯誤進行處理,。FC31是FC41的子塊,，它對FC41的完成情況加以診斷并報告總線。FC33和FC34也是功能塊FB40的附屬部分,，F(xiàn)C33對當(dāng)前伺服控制器的狀態(tài)進行檢查,，如果空閑向總線發(fā)送命令表示下一個命令可以發(fā)送。FC34處理多個伺服控制器的同步和異步錯誤信息并產(chǎn)生錯誤報告,。 5 結(jié)束語 BWS-BBR/BBF型伺服控制器PROFIBUS-DP接口的引入,，提高了工業(yè)自動化運動控制的水平，使伺服電機在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的通信與控制更為方便,、靈活和可靠,，實際情況已證明這種控制方式效果好。 PROFIBUS-DP總線和BWS伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛,，這為帶PROFIBUS-DP總線接口的伺服控制器提供了廣闊的應(yīng)用前景,。 【參考文獻】 [1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1999.6 [2] 西門子S7-300參考手冊.西門子（中國）有限公司提供 [3] SIEMENS STEP 7 V5.1編程手冊. 西門子（中國）有限公司發(fā)行 [4] PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)（JB/T10308.3—2001）簡要說明.西門子（中國）有限公司提供 [5] BWS-BBR/BBF型伺服控制器技術(shù)手冊. 廣州博瑋伺服科技有限公司提供 |
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