摘 要:以2050熱軋磨輥數(shù)控磨床電氣系統(tǒng)改造為背景,介紹了基于PROFIBUS-DP總線的磨床數(shù)控系統(tǒng)的硬件配置以及PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的組建方法。使用基于PROFIBUS-DP的分散控制系統(tǒng)在電纜數(shù)量和施工量上都大大少于傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng),具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞: PROFIBUS - DP; 現(xiàn)場(chǎng)總線; DP主站; DP從站

Application of PROFIBUS - DP Technology in Revamping of Grinder

[align=center]TAO Jun1 , WANG Junyan1 , HU Xuexiong2 （1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China; 2.ShanghaiBaosteel Co1Ltd, Shangha i 200943, China）[/align] Abstract: Based on the revamping project of grinding machine control system, the hardware configuration of the PROF IBUS - DPbus based control system and the way of setting up the Profibus network were discussed1 The quantity of cable and the building job inthe decentral control system based on the PROFIBUS - DP aremore less than the traditiona l central control system, and will bewidelyused in the future1 Keywords: PROFIBUS - DP; Fieldbus; DPMaster; DP Slaver 0　引言 　　寶鋼2050 熱軋磨輥車間裝備的數(shù)控軋輥磨床是1988 年從德國(guó)WALDR ICH SIEGEN 公司引進(jìn)的。使用至今其控制系統(tǒng)各部件已逐步老化, 不僅故障率高而且性能下降, 已經(jīng)嚴(yán)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(duì)軋輥質(zhì)量的要求, 對(duì)磨床進(jìn)行了全面改造, 在這次改造中使用了目前在工業(yè)控制領(lǐng)域使用的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù), 這一技術(shù)的運(yùn)用使得磨床基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)更為簡(jiǎn)潔實(shí)用。 [b]1　PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介 1.1　PROFIBUS - DP概述[/b] 　　PROFIBUS是近年較為流行的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線,也是目前數(shù)據(jù)傳輸率較快的一種現(xiàn)場(chǎng)總線,其最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線由PROFI2BUS-FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范）、PROFIBUS-PA（過程自動(dòng)化）和PROFIBUS-DP（分布式I/O）3個(gè)兼容部分組成。其中應(yīng)用最廣泛的是PROFIBUS-DP總線,它是一種高速的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò),主要用于中央控制單元與分散的I/O之間的通信,PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線不僅可以取代24VDC或4～20mA信號(hào)的傳輸,而且可以滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求。在這次2050磨床電氣改造中所采用的就是PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。 1.2　PROFIBUS - DP采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及傳輸技術(shù) 　　PROFIBUS-DP采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ),所不同的是PROFI2BUS-DP只使用了第一層（物理層）、第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口,第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能,并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。 　　RS - 485傳輸是PROF IBUS最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)的基本特征: 　　·網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 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(zhì): 屏蔽雙絞電纜, 也可取消屏蔽, 取決于環(huán)境條件（ EMC） 。 　　·站點(diǎn)數(shù): 每分段32 個(gè)站（不帶中繼） , 可多到127個(gè)站（帶中繼）。 　　·插頭連接: 使用9 針D型插頭。 1.3　PROFIBUS - DP的基本硬件配置 　　一個(gè)典型的PROFIBUS - DP 系統(tǒng)通常由以下三種類型的設(shè)備組成: 　?。?） 一級(jí)DP主站（DPM1 ） : 一級(jí)DP主站是中央控制器, 它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站） 交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。 　　（2） 二級(jí)DP主站（DPM2 ） : 二級(jí)DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板, 在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用, 完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。 　?。?） DP 從站: DP 從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（ I/O 設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、閥門等） 。 [b]2　改造后磨床數(shù)控系統(tǒng)及其組建方法 2.1　改造后磨床數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件配置[/b] 　　改造后磨床的數(shù)控系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù), 用一根通信電纜代替了大量的I/O電纜, 用數(shù)字化的通信代替了4 ～20mA /24VDC 信號(hào), 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)。其數(shù)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　整個(gè)PROFIBUS - DP網(wǎng)絡(luò)由11個(gè)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(dá)127 個(gè)站點(diǎn)的PROF IBUS - DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。其余10個(gè)DP從站分別由ILC - 2000數(shù)控單元、ET200S分布式I/O 模塊以及全數(shù)字直流變頻器6RA70 和全數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)器611U 組成, 其中ET200S分布式I/O模塊被安裝在磨床的工件側(cè)床身、往復(fù)臺(tái)、上刀架和中央液壓系統(tǒng)這4個(gè)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(xiàn)場(chǎng)總線編寫通訊程序, 只要通過STEP 7軟件包對(duì)DP主站和所有DP從站進(jìn)行硬件組態(tài), 統(tǒng)一分配地址即可。其基本步驟如下: 　　（ 1） 對(duì)DP主站進(jìn)行硬件組態(tài)組態(tài)時(shí)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(wǎng)絡(luò)接口的CPU, 例如CPU 412 - 2DP） 、I/O 模塊等并將其拖到相應(yīng)的槽位即可。 　　（ 2） 對(duì)DP主站系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)首先插入DP主站系統(tǒng)（DPMaster System） , 然后從硬件目錄中選擇需要的從站模塊, 用鼠標(biāo)將其拖放到DP主站系統(tǒng)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(duì)應(yīng)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(chǎn)品, 其生產(chǎn)廠家通常會(huì)提供該文件。 　　（ 3） 設(shè)置各站點(diǎn)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(fù)、不超出范圍即可。 　　由于在上述硬件組態(tài)過程中已經(jīng)解決了網(wǎng)絡(luò)的通訊問題, 所以在編程時(shí)無須考慮通訊問題, 只要象對(duì)一臺(tái)PLC那樣對(duì)所有I/O地址編程即可。由此可見使用PROFIBUS - DP 現(xiàn)場(chǎng)總線具有“硬件分散, 軟件集中”的特點(diǎn)。 [b]2.3　建立S IEMENS交直流調(diào)速器和PROF IBUS -DP之間的通訊 2.3.1 　硬件連接[/b] 　　在這次磨床改造中使用的SIEMENS 6RA70 直流調(diào)速系統(tǒng)和611U交流調(diào)速系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò), 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(diào)速系統(tǒng)和PROF IBUS - DP 主站建立起通訊聯(lián)系還要對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置。 2.3.2 　參數(shù)設(shè)置 　　參數(shù)設(shè)置中, 最關(guān)鍵的是選擇PPO類型, 即定義電文的參數(shù)和過程數(shù)據(jù)部分的字的數(shù)量。PROFI2BUS - DP提供了5種PPO類型。一類是無PKW而有2個(gè)字或6 個(gè)字PZD; 另一類是有PKW 且還有2 個(gè)字、6個(gè)字或10個(gè)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(wù), 即PKW 的傳輸和PZD的傳輸互不影響, 各自獨(dú)立工作。PPO的參數(shù)部分（ PKW） 用于讀寫參數(shù)值, 過程數(shù)據(jù)部分（ PZD）包含了控制字、狀態(tài)字、給定值和實(shí)際反饋值等信息。PPO類型的選擇取決于調(diào)速系統(tǒng)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所要完成的任務(wù)。除了設(shè)置PPO 類型外, 還需要設(shè)置報(bào)文的監(jiān)控時(shí)間、PROF IBUS的站點(diǎn)地址等參數(shù)。 2.3.3 　PROFIBUS - DP通訊模塊的狀態(tài)指示 　　完成了參數(shù)設(shè)定后, 給PLC 和調(diào)速系統(tǒng)送電,此時(shí), 6RA70 的PROFIBUS通訊模塊（CBP） 上3 個(gè)發(fā)光管同時(shí)閃爍則表示通訊正常。其中紅燈表示CBP模塊的狀態(tài)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(gè)指示燈顯示PRO2F IBUS通訊模塊的工作狀態(tài), 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。 [b]2.4　安裝調(diào)試中需要注意的問題 2.4.1　PROFIBUS連接器終端電阻的正確設(shè)定[/b] 　　在每一個(gè)PROFIBUS - DP站點(diǎn)的連接器上都有一個(gè)終端電阻的選擇開關(guān)。當(dāng)該站點(diǎn)處于整個(gè)PRO2FIBUS網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)或終點(diǎn)時(shí), 連接器上的電阻選擇開關(guān)必須設(shè)置在“ON”位置, 而其余的中間站點(diǎn), 其連接器上的電阻選擇開關(guān)必須設(shè)置在OFF位置。如圖3所示。只有這樣才能使整個(gè)PROF IBUS網(wǎng)絡(luò)正常工作。圖4是整個(gè)磨床PROF IBUS網(wǎng)絡(luò)終端電阻的設(shè)置圖（其中①代表電阻打開, ②代表電阻關(guān)閉） 。 　　PROFIBUS-DP總線的數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)12Mbit/s。但在實(shí)際使用過程中,適當(dāng)?shù)慕档屯ㄓ嵥賵D4磨床PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)各個(gè)終端電阻設(shè)置圖度,可以減小干擾的影響,提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。在磨床控制系統(tǒng)中,我們將PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度設(shè)定在3Mbit/s。從實(shí)際使用的效果來看,該速度能夠很好地滿足數(shù)據(jù)交換的要求,并且穩(wěn)定性較好。 3　結(jié)束語(yǔ) 　　在這次磨床電氣系統(tǒng)改造中, 將PROFIBUS - DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于磨床的數(shù)控系統(tǒng)中, 使磨床電纜數(shù)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(shù)的飛躍的話, 那么從集中控制到以PROFIBUS - DP 現(xiàn)場(chǎng)總線為代表的分散控制技術(shù)又是一次新的飛躍, 它具有廣泛的應(yīng)用前景。