PROFIBUS現場總線技術在磨床改造中的應用

1 引言

寶鋼2050 熱軋磨輥車間裝備的數控軋輥磨床是1988 年從德國WALDR ICH SIEGEN公司引進的。使用至今其控制系統各部件已逐步老化， 不僅故障率高而且性能下降，已經嚴重影響了軋輥的磨削精度和磨削效率。為了更好地滿足軋線對軋輥質量的要求， 對磨床進行了全面改造，在這次改造中使用了目前在工業控制領域使用的PROFIBUS現場總線技術，這一技術的運用使得磨床基礎自動化系統更為簡潔實用。

2 PROFIBUS現場總線技術簡介

2.1　PROFIBUS - DP概述

PROFIBUS是近年較為流行的工業現場總線，也是目前數據傳輸率較快的一種現場總線，其最高傳輸速率可達12Mbit/s。PROFIBUS現場總線由PROFI2BUS-FMS（現場總線信息規范）、PROFIBUS-PA（過程自動化）和PROFIBUS-DP（分布式I/O）3個兼容部分組成。其中應用最廣泛的是PROFIBUS-DP總線，它是一種高速的設備級網絡，主要用于中央控制單元與分散的I/O之間的通信，PROFIBUS-DP現場總線不僅可以取代24VDC或4～20mA信號的傳輸，而且可以滿足交直流調速系統快速響應的時間要求。在這次2050磨床電氣改造中所采用的就是 PROFIBUS-DP現場總線。

2.2　PROFIBUS - DP采用的網絡協議及傳輸技術

PROFIBUS-DP采用的網絡協議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎，所不同的是PROFI2BUS-DP只使用了第一層（物理層）、第二層（數據鏈路層）和用戶接口，第三到七層未加描述。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS-DP設備的設備行為。

RS - 485傳輸是PROF IBUS最常用的一種傳輸技術。這種技術的基本特征：

·網絡拓撲： 線性總線， 兩端有有源的總線終端電阻。

·傳輸速率： 916 k b it / s～12M bit/ s。

·介質： 屏蔽雙絞電纜， 也可取消屏蔽， 取決于環境條件（ EMC） 。

·站點數： 每分段32 個站（不帶中繼） ， 可多到127個站（帶中繼）。

·插頭連接： 使用9 針D型插頭。

2.3　PROFIBUS - DP的基本硬件配置

一個典型的PROFIBUS - DP 系統通常由以下三種類型的設備組成：

（1） 一級DP主站（DPM1 ） ： 一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站（如DP從站） 交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。

（2） 二級DP主站（DPM2 ） ： 二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用， 完成系統操作和監視目的。

（3） DP 從站： DP 從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（ I/O 設備、驅動器、閥門等）。

3　改造后磨床數控系統及其組建方法

3.1　改造后磨床數控系統的結構和硬件配置

改造后磨床的數控系統采用現場總線技術， 用一根通信電纜代替了大量的I/O電纜， 用數字化的通信代替了4～20mA /24VDC 信號， 用于實現對現場設備的控制和監測。

整個PROFIBUS - DP網絡由11個站組成， 其DP主站采用S7 - 400可編程控制器， 該可編程控制器所采用的 CPU 412 - 2DP配備有PROF IBUS - DP通訊端口， 可以組建多達127 個站點的PROF IBUS - DP現場總線網絡。其余10個DP從站分別由ILC - 2000數控單元、ET200S分布式I/O 模塊以及全數字直流變頻器6RA70 和全數字交流驅動器611U 組成， 其中ET200S分布式I/O模塊被安裝在磨床的工件側床身、往復臺、上刀架和中央液壓系統這4個部分。212　用S7 STEP 7軟件組建磨床分布式I/O在S7 - 400 中， 不需要為現場總線編寫通訊程序， 只要通過STEP 7軟件包對DP主站和所有DP從站進行硬件組態， 統一分配地址即可。其基本步驟如下：

（ 1） 對DP主站進行硬件組態組態時只要從硬件目錄表中選擇需要的電源模塊、CPU模塊（注意選擇帶有PROF IBUS - DP 網絡接口的CPU， 例如CPU 412 - 2DP） 、I/O 模塊等并將其拖到相應的槽位即可。

（ 2） 對DP主站系統進行組態首先插入DP主站系統（DPMaster System）， 然后從硬件目錄中選擇需要的從站模塊， 用鼠標將其拖放到DP主站系統即可。如果在硬件目錄中沒有找到所需的模塊， 就需要安裝該模塊所對應的1GSE文件， 該文件包含了從站模塊的所有信息。如果作為從站的模塊不是SIEMENS產品， 其生產廠家通常會提供該文件。

（ 3） 設置各站點在PROF IBUS - DP中的地址DP主站和子站的地址可以任意指定， 只要不重復、不超出范圍即可。

由于在上述硬件組態過程中已經解決了網絡的通訊問題， 所以在編程時無須考慮通訊問題， 只要象對一臺PLC那樣對所有I/O地址編程即可。由此可見使用PROFIBUS - DP 現場總線具有“硬件分散， 軟件集中”的特點。

3.3　建立S IEMENS交直流調速器和PROF IBUS -DP之間的通訊

3.3.1 　硬件連接

在這次磨床改造中使用的SIEMENS 6RA70 直流調速系統和611U交流調速系統都配有專用的PROFI2BUS - DP通訊模塊， 能夠非常方便地連接到PROFI2BUS - DP網絡， 例如CBP模板就是6RA70 和PROFI2BUS - DP連接的通訊模塊。硬件連接完成之后， 要使調速系統和PROF IBUS - DP 主站建立起通訊聯系還要對調速系統進行一系列的參數設置。

3.3.2 　參數設置

參數設置中， 最關鍵的是選擇PPO類型， 即定義電文的參數和過程數據部分的字的數量。PROFI2BUS - DP提供了5種PPO類型。一類是無PKW而有2個字或6 個字PZD; 另一類是有PKW 且還有2 個字、6個字或10個字的PZD。如圖2 所示。這樣分類的目的是為了完成不同的任務， 即PKW 的傳輸和PZD的傳輸互不影響， 各自獨立工作。PPO的參數部分（ PKW） 用于讀寫參數值， 過程數據部分（PZD）包含了控制字、狀態字、給定值和實際反饋值等信息。PPO類型的選擇取決于調速系統在整個網絡中所要完成的任務。除了設置PPO 類型外， 還需要設置報文的監控時間、PROF IBUS的站點地址等參數。

3.3.3 　PROFIBUS - DP通訊模塊的狀態指示

完成了參數設定后， 給PLC 和調速系統送電，此時， 6RA70 的PROFIBUS通訊模塊（CBP） 上3 個發光管同時閃爍則表示通訊正常。其中紅燈表示CBP模塊的狀態正常; 黃燈表示6RA70 和CBP之間的通訊正常;

綠燈表示CBP 和PROF IBUS之間的通訊正常。而 611U則有所不同， 只有一個指示燈顯示PRO2F

IBUS通訊模塊的工作狀態， 該燈熄滅表示通訊模塊尚未被激活; 紅燈顯示表示通訊模塊已被激活， 但沒有建立通訊， 可能存在故障; 綠燈顯示則表示通訊模塊已被激活并工作正常。

3.4　安裝調試中需要注意的問題

3.4.1　PROFIBUS連接器終端電阻的正確設定

在每一個PROFIBUS - DP站點的連接器上都有一個終端電阻的選擇開關。當該站點處于整個PRO2FIBUS網絡的起點或終點時， 連接器上的電阻選擇開關必須設置在“ON”位置， 而其余的中間站點， 其連接器上的電阻選擇開關必須設置在OFF位置。如圖3所示。只有這樣才能使整個 PROF IBUS網絡正常工作。圖4是整個磨床PROF IBUS網絡終端電阻的設置圖（其中①代表電阻打開， ②代表電阻關閉） 。

3.4.2　PROFIBUS網絡數據傳輸速度的合理選擇

PROFIBUS-DP總線的數據傳輸速度最高可達12Mbit/s。但在實際使用過程中，適當的降低通訊速圖4磨床PROFIBUS網絡各個終端電阻設置圖度，可以減小干擾的影響，提高網絡的穩定性。在磨床控制系統中，我們將PROFIBUS網絡的傳輸速度設定在3Mbit/s。從實際使用的效果來看，該速度能夠很好地滿足數據交換的要求，并且穩定性較好。

4　結束語

在這次磨床電氣系統改造中， 將PROFIBUS - DP現場總線技術應用于磨床的數控系統中， 使磨床電纜數量和施工量都大為減少， 如果說從繼電器控制到PLC控制是一次控制技術的飛躍的話， 那么從集中控制到以PROFIBUS - DP 現場總線為代表的分散控制技術又是一次新的飛躍， 它具有廣泛的應用前景。