基于PROFIBUS-DP的计算机数控系统

1 前言

　　在数控系统中，随着计算机技术、网络技术与数控技术越来越紧密地结合，由此而产生的具有开放性的串行总线型计算机数控系统，正在取代传统的并行式数控系统．并将成为市场的主流产品。传统计算机数控系统和每台伺服单元相连都需要一根电缆线，系统连线复杂，故障率也高。为了减少布线费用及降低故障率，利用现场总线PROFIBUS-DP构建数控系统，使得该系统通过高速串行总线与各伺服单元相连，仅需一根电缆或一对双绞线即可。

2 PROFIBUSDP介绍

　　PROFIBUS是过程现场总线Process Fieldbu。的缩写。它是一种国际性的开放式的现场总线，符合CN501'70欧洲标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS根据其应用特点分为报文规范PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)、分散和外围设备PHOFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、过程自动化PR}FIBUS-PA(Proceae Autamalicn)三个兼容版本。

　　其中。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信连接，用于设备级控制系统与分散式I/0的串行通信。使用PROFIBUSDP模块可取代价格昂贵的24V或0一20mA并行信号线。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等优点。用于现场层的高速数据传送时，主站周期地读取从站的输人信号并周期地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。除周期性数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需要的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

　　PROFIBUS的协议结构是根据国际标准化组织IS07448标准，以开放系统互联网络05I(Open Sysfem laterconnection)为参考模型。该模型共有七层。PftOFIBU5-DP使用其第一层(物理层)、第二层(数据链路层)和用户接日，第三到第七层未加以描述。这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像(DDLM, Direct Data Link Mapper)提供易于进人第二层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBI3SDP设备的设备行为，还提供了传输用的RS-485传输技术或光纤。

3 基于PROFiBUS-DP的计算机数控系统

　　3.1 系统结构

　　以加工中心数控系统为例，构建基于PROFIBU5-DP的计算机数控系统系统结构。该系统采川传输效率最高的单主站线型网络拓扑结构。其中，CNC(Computer Numerical Control)装置作为DP宇站，通过对零件加工程序的译码、处理，将强电控制信息(如辅助功能M,幸轴功能S、刀具功能T等信息)，以主一从通信方式传输给辅助控制装置PLC该PLC作为智能从站，接受CNC主站传来的信息，通过I/O接口模块实现机床开关量的控制。主轴控制单元以及三根进给轴的伺服驱动单元均作为DP从站，由主站CNC装置分别实现主轴的转速控制和进给坐标轴的位置及速度控制。检测装置作为DP从站，对执行部件的位移、角度、速度进行检测和反馈，CNC主站周期性地读取反馈信息并进行处理,PC上位机只起编程和监控作用，其内部装有STEP 7基本软件和UVA S7通信软件，用于编程和对PROFTBUS-DP网进行组态和通讯设置。

　　3.2 设备选型与配置

　　CNC装置可采用西门子的SINUMERIK 840D型CNC装置。该装置的内部主处理器NCU573中有集成的CPU315-2DP,可与FROFIBUS-DP直接相连，实现通信。也可采用国产CNC装置，但必须配置相应的DP通信模块，才能与PROFIBUS-DP网络相连。

　　从站PLC实现各种辅助功能的控制，根据其性能要求.选择S7-300系列的模块式中小型PLC。其处理器GPU315-2DP带有内置的PROFIBC}S-UP接口。符合EN50 170标准，可直接将PLC挂到总线上，不需要另外的通讯接日及转换接口，连接十分方便。

　　主轴驱动单元作为DP从站，采用西门子的SIMOVERT MA5-TERDRIVES交流驱动。5In90VERT主驱动器是三相交流变频器，可作为交流电机驱动器或电力逆变器使用，具有230V~690V电压，适于2.2kw~1500kw的单电机或多电机驱动。利用PROFIRITS-DP，接C7模块CB1，可直接将SIR70VERT主驱动。器连接到总线上。数据

　　X,Y,Z轴进给何服驱动单元作为三个DP从站，均采用数据西门子公司的模块化交流伺服驱动系统5IMODRIVE611A/D/U使用CBP通信模块可将此数字式交流伺服驱动系统直接连接到PHUFIBL S-DP总线ha数据

　　从站检测装置选用装有光电旋转编码器的SIMODRIY-ER传感器一具有PROFIBI;S的绝对编码器，用于测量机械位移.角度、速度。PftOFIl;US绝对值编码器可作为从站通过PROFIBUS接口与主站连接，可与PHOFIBi1S上的数字式控制器、PLC,驱动器、定位显示器一起作用，并且可通过主站完成远程参数配置:

　　I/O接口模块，通过其相应的DP通信接口，与DF总线相连，实现DP主站对I/O从站设备的控制。根据计算机数控系统I/O装置的特点及要求，本系统采用ET 20bM型I/O装置，该装置通过接口模块IM 153与PRDFIBi; S-DP现场总线相连。

　　3.3 系统特点

　　PROFIBUS-IIP应用于计算机数控系统后，和传统的计算机数控系统相比，具有以下特点:

　　(1)CAC装置与现场伺服单元及分散的I/O模块之间，可利用多种传输介质，如双绞线、光纤、同轴电缆等，提高了不同场合的适应性。

　　(2)系统中的多千伺服单元只用一条物理介质完成数据传输节省大量现场接线，使安装简单、易于维护且工程造价低。

　　(3)采用数字信号传输技术，与模拟信号相比，避免了信号衰减和共模干扰，还可以实现检错和纠错功能，从而极大地提高了信号传输的可靠性和精度。

　　(4) PROFIBUS-DP的应用，构成了一种新的全分散性数控系统的体系结构。从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性

　　(5) PROFIBUS-DP总线构成的计算机数控系统，是一种全开放的系统。不同厂家的CNC, PLC,伺服驱动等装置，可通过PROFIBUS-DP接Cl挂到同一总线上运行:避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围。

4 通信原理

　　PROFiBIUS-DP现场总线数据链路层包括两种介质存取方式，即令牌总线方式和主一从方式的混合存取方式。其中，令牌总线方式与局域网ICFE802.4中的规约相一致。它规定了主站间的介质存取控制方式。本系统采用单主站的线型网络拓扑结构，因此只讨论主站与从站之间的介质存取控制规约。纯主一从方式的介质存取控制与局域网标准不同。它符合OSI参考模型数据链路层中的HDLC非平衡正常响应模式。

　　下面以主站CNC装置和从站PLC为例，具体说明PROFIBl15-DP网数据琏路层的工作过程。主站CNC和从站PLC给出了在半双工方式下非平衡正常响应摸式下的通信过程，具体被分为3个阶段:数据链路的建立，数据的传输，数据链路的释放。

　　第1阶段为数据链路的建立阶段，主站CNC装置使用U帧的置正常响应模式工SNRM命令，在地址字段A中填人从站PLC的地址，表示在多个从站的多点结构中选择PLC为与之连接的从站，探询位P为1，记为U:A,SNRM,P。从站PLC接到SNRM命令后，用U帧的无编号确认命令UA作为响应主站建立数据链路的确认，记为U:A,UA,Fo终止位F用于从站对主站探询P的应答。这，一过程在实际操作中是通过专有的 DVA S7通信软件包来实现的，系统网络中PC土位机将组态好的主站CNC和从站PLC的地址和特性参量传送给主站CNC ,由主站CNC向从站PLC分配地址和组态，若从站PLC的特性与主站分配的特性相同，便承认自己是该从站，并与主站建立数据链路的连接。第2阶段为数据帧的传输阶段，主站CNC中的固有程序循环执行，向特定的数据块naa中写人指令参数，特定的功能块F刊从中读取参数并向从站PLC发送，第一个编号为0的信息顿中N(S)=0，由于未接到PLC的从站顿，N(R)--D,则此f顿记为f; A, N(S)=0, N(R)=0。第2,3个从主站连续发送的信息帧则记为I:A, N(S)=1,N(R) =0与1: A, N(S) =2, N(R)=0。如果主站在发送第3个帧时使用了探询位P,而且从站PLC也有信息帧要发送，则此I帧记为I: A, N(S)=0, N(R)=3。其中N(5)=0表示从站PLC发送的I帧序号为0: N(R)=3表示从站PLC已正确接收序号为2及它以前的I帧，下一次主站发送的I帧序号应为3,这里的N( R)也起到了对主站发送I帧的捎带确认作用。若从站PLC只有一帧发送，应标志终止符F,此时的f帧为，:A, N(S) =0, N( R)=3, Fo

　　第3阶段为数据链路的释放阶段。当主站CNC装置和从站PLC都没有信息帧要发送，或者主站将与其它从站建立链路连接时，则应释放此链路连接。此时，主站可使用U帧释放连接命令DISC来释放连接，即U: A, DISC, P。从站PLC则用U祯的UA予以确认，即U: A,UA,Fo。至此，一次完整的数据链路中帧的传输过程结束了。

5 结束语

　　计算机数控系统采用了PROFIHLTS-DP现场总线控制模式后，不但整个系统可靠性强、结构简单、操作方便。而且，可根据用户实际需要对数控系统的硬、软件进行灵活配置，真正实现计算机数控系统的开放性。相信随着数字化和网络时代的到来，该系统的应用会越来越普及。