PROFIBUS-DP现场总线在磨床改造中的应用

　　0　引言

　　宝钢2050 热轧磨辊车间装备的数控轧辊磨床是1988 年从德国WALDR ICH SIEGEN公司引进的。使用至今其控制系统各部件已逐步老化, 不仅故障率高而且性能下降,已经严重影响了轧辊的磨削精度和磨削效率。为了更好地满足轧线对轧辊质量的要求, 对磨床进行了全面改造,在这次改造中使用了目前在工业控制领域使用的PROFIBUS现场总线技术,这一技术的运用使得磨床基础自动化系统更为简洁实用。

　　1 PROFIBUS现场总线技术简介

　　1.1　PROFIBUS - DP概述

　　PROFIBUS是近年较为流行的工业现场总线,也是目前数据传输率较快的一种现场总线,其最高传输速率可达12Mbit/s。PROFIBUS现场总线由PROFI2BUS-FMS（现场总线信息规范）、PROFIBUS-PA（过程自动化）和PROFIBUS-DP（分布式I/O）3个兼容部分组成。其中应用最广泛的是PROFIBUS-DP总线,它是一种高速的设备级网络,主要用于中央控制单元与分散的I/O之间的通信,PROFIBUS-DP现场总线不仅可以取代24VDC或4～20mA信号的传输,而且可以满足交直流调速系统快速响应的时间要求。在这次2050磨床电气改造中所采用的就是 PROFIBUS-DP现场总线。

　　1.2　PROFIBUS - DP采用的网络协议及传输技术

　　PROFIBUS-DP采用的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础,所不同的是PROFI2BUS-DP只使用了第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和用户接口,第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。

　　RS - 485传输是PROF IBUS最常用的一种传输技术。这种技术的基本特征:

　　·网络拓扑: 线性总线, 两端有有源的总线终端电阻。

　　·传输速率: 916 k b it / s～12M bit/ s

　　·介质: 屏蔽双绞电缆, 也可取消屏蔽, 取决于环境条件（ EMC） 。

　　·站点数: 每分段32 个站（不带中继） , 可多到127个站（带中继）。

　　·插头连接: 使用9 针D型插头。

　　1.3　PROFIBUS - DP的基本硬件配置

　　一个典型的PROFIBUS - DP 系统通常由以下三种类型的设备组成:

　　（1） 一级DP主站（DPM1 ） : 一级DP主站是中央控制器,它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站） 交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。

　　（2） 二级DP主站（DPM2 ） : 二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板,在DP系统组态操作时使用, 完成系统操作和监视目的。

　　（3） DP 从站: DP 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（ I/O 设备、驱动器、阀门等）。 [p]

　　2　改造后磨床数控系统及其组建方法

　　2.1　改造后磨床数控系统的结构和硬件配置

　　改造后磨床的数控系统采用现场总线技术, 用一根通信电缆代替了大量的I/O电缆, 用数字化的通信代替了4～20mA /24VDC 信号, 用于实现对现场设备的控制和监测。其数控系统的组成结构如图1所示。

　　图1　基于PROF IBUS - DP的磨床数控系统结构图

　　整个PROFIBUS - DP网络由11个站组成, 其DP主站采用S7 - 400可编程控制器, 该可编程控制器所采用的 CPU 412 - 2DP配备有PROF IBUS - DP通讯端口, 可以组建多达127 个站点的PROF IBUS - DP现场总线网络。其余10个DP从站分别由ILC - 2000数控单元、ET200S分布式I/O 模块以及全数字直流变频器6RA70 和全数字交流驱动器611U 组成, 其中ET200S分布式I/O模块被安装在磨床的工件侧床身、往复台、上刀架和中央液压系统这4个部分。212　用S7 STEP 7软件组建磨床分布式I/O在S7 - 400 中, 不需要为现场总线编写通讯程序, 只要通过STEP 7软件包对DP主站和所有DP从站进行硬件组态, 统一分配地址即可。其基本步骤如下:

　　（ 1） 对DP主站进行硬件组态组态时只要从硬件目录表中选择需要的电源模块、CPU模块（注意选择带有PROF IBUS - DP 网络接口的CPU, 例如CPU 412 - 2DP） 、I/O 模块等并将其拖到相应的槽位即可。

　　（ 2） 对DP主站系统进行组态首先插入DP主站系统（DPMaster System）, 然后从硬件目录中选择需要的从站模块, 用鼠标将其拖放到DP主站系统即可。如果在硬件目录中没有找到所需的模块, 就需要安装该模块所对应的1GSE文件, 该文件包含了从站模块的所有信息。如果作为从站的模块不是SIEMENS产品, 其生产厂家通常会提供该文件。

　　（ 3） 设置各站点在PROF IBUS - DP中的地址DP主站和子站的地址可以任意指定, 只要不重复、不超出范围即可。

　　由于在上述硬件组态过程中已经解决了网络的通讯问题, 所以在编程时无须考虑通讯问题, 只要象对一台PLC那样对所有I/O地址编程即可。由此可见使用PROFIBUS - DP 现场总线具有“硬件分散, 软件集中”的特点。 [p]

　　2.3　建立S IEMENS交直流调速器和PROF IBUS -DP之间的通讯

　　2.3.1 　硬件连接

　　在这次磨床改造中使用的SIEMENS 6RA70 直流调速系统和611U交流调速系统都配有专用的PROFI2BUS - DP通讯模块, 能够非常方便地连接到PROFI2BUS - DP网络, 例如CBP模板就是6RA70 和PROFI2BUS - DP连接的通讯模块。硬件连接完成之后, 要使调速系统和PROF IBUS - DP 主站建立起通讯联系还要对调速系统进行一系列的参数设置。

　　2.3.2 　参数设置

　　参数设置中, 最关键的是选择PPO类型, 即定义电文的参数和过程数据部分的字的数量。PROFI2BUS - DP提供了5种PPO类型。一类是无PKW而有2个字或6 个字PZD; 另一类是有PKW 且还有2 个字、6个字或10个字的PZD。如图2 所示。这样分类的目的是为了完成不同的任务, 即PKW 的传输和PZD的传输互不影响, 各自独立工作。PPO的参数部分（ PKW） 用于读写参数值, 过程数据部分（PZD）包含了控制字、状态字、给定值和实际反馈值等信息。PPO类型的选择取决于调速系统在整个网络中所要完成的任务。除了设置PPO 类型外, 还需要设置报文的监控时间、PROF IBUS的站点地址等参数。

　　图2　5种PPO类型的结构定义

　　2.3.3 　PROFIBUS - DP通讯模块的状态指示

　　完成了参数设定后, 给PLC 和调速系统送电,此时, 6RA70 的PROFIBUS通讯模块（CBP） 上3 个发光管同时闪烁则表示通讯正常。其中红灯表示CBP模块的状态正常; 黄灯表示6RA70 和CBP之间的通讯正常;

　　绿灯表示CBP 和PROF IBUS之间的通讯正常。而 611U则有所不同, 只有一个指示灯显示PRO2F

　　IBUS通讯模块的工作状态, 该灯熄灭表示通讯模块尚未被激活; 红灯显示表示通讯模块已被激活, 但没有建立通讯, 可能存在故障; 绿灯显示则表示通讯模块已被激活并工作正常。 [p]

　　2.4　安装调试中需要注意的问题

　　2.4.1　PROFIBUS连接器终端电阻的正确设定

　　在每一个PROFIBUS - DP站点的连接器上都有一个终端电阻的选择开关。当该站点处于整个PRO2FIBUS网络的起点或终点时, 连接器上的电阻选择开关必须设置在“ON”位置, 而其余的中间站点, 其连接器上的电阻选择开关必须设置在OFF位置。如图3所示。只有这样才能使整个 PROF IBUS网络正常工作。图4是整个磨床PROF IBUS网络终端电阻的设置图（其中①代表电阻打开, ②代表电阻关闭） 。

　　图3　PROF IBUS - DP站点连接器的终端电阻选择

　　2.4.2　PROFIBUS网络数据传输速度的合理选择

　　PROFIBUS-DP总线的数据传输速度最高可达12Mbit/s。但在实际使用过程中,适当的降低通讯速图4磨床PROFIBUS网络各个终端电阻设置图度,可以减小干扰的影响,提高网络的稳定性。在磨床控制系统中,我们将PROFIBUS网络的传输速度设定在3Mbit/s。从实际使用的效果来看,该速度能够很好地满足数据交换的要求,并且稳定性较好。

　　3　结束语

　　在这次磨床电气系统改造中, 将PROFIBUS - DP现场总线技术应用于磨床的数控系统中, 使磨床电缆数量和施工量都大为减少, 如果说从继电器控制到PLC控制是一次控制技术的飞跃的话, 那么从集中控制到以PROFIBUS - DP 现场总线为代表的分散控制技术又是一次新的飞跃, 它具有广泛的应用前景。