Profibus-DP總線技術(shù)及其在伺服傳動中的應(yīng)用

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(diǎn)分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個(gè)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(jì)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(shí)間要求。由于其高可靠性、高性能、實(shí)時(shí)性好及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已被幾乎所有的生產(chǎn)廠商和用戶所接受。

伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易、運(yùn)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(yùn)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(jī)械、印刷機(jī)械、造紙機(jī)械，數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)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(yùn)動控制而開發(fā)的，但在實(shí)際控制中由于PROFIBUS-DP的廣泛存在，所以運(yùn)用PROFIBUS總線對伺服的控制具有很重要的現(xiàn)實(shí)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(shí)為100m，在1.5Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長至10km。最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。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?。它是專門為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的I/O之間進(jìn)行的通訊而設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)

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(jìn)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(diǎn)是：總線上一個(gè)主站控制著多個(gè)從站，主站與每一個(gè)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(gè)幀，直到無信息發(fā)送、達(dá)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(gè)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?？刂谱侄蜟表示幀類型、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(rèn)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(bào)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(diǎn)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(gè)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(gè)字節(jié)為0#～7#電機(jī)的起?？刂莆?。FCS是幀校驗(yàn)字段，它對整個(gè)幀的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼(CRC)校驗(yàn)，該HDLC幀最長可達(dá)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(jī)接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)

施耐德公司的TWINLINE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(jī)由西門子的S7-300PLC組成，型號為6ES7315-2AG10-0AB0，它有一個(gè)專門的PROFIBUS-DP接口，一個(gè)MPI通信接口，可接入64個(gè)從站。PROFIBUS-DP總線負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)的中的所有伺服控制器進(jìn)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(gè)窗口，由組態(tài)軟件ProTool編織的人機(jī)界面可方便的對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和參數(shù)的修改。

TWINLINE的伺服控制器與伺服電機(jī)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(jī)實(shí)時(shí)的將其運(yùn)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(diǎn)，伺服控制器可以與PLC主機(jī)進(jìn)行通信，通過總線接受上位機(jī)的各種操作、控制和參數(shù)設(shè)定命令等。

圖3 伺服電機(jī)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(jì)

通過PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通信與控制的伺服系統(tǒng)，主要解決的是上位主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)問題，以下是PLC程序的主要設(shè)計(jì)框圖

圖4 PLC程序設(shè)計(jì)框圖

PLC程序由STEP 7 進(jìn)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(gè)軸的初始化即多個(gè)伺服控制器的初始化。FC41即POS_SEQ_SERVO，它是整個(gè)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(diǎn)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(cuò)誤信息并產(chǎn)生一個(gè)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(cuò)誤進(jìn)行處理。FC31是FC41的子塊，它對FC41的完成情況加以診斷并報(bào)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(jìn)行檢查，如果空閑向總線發(fā)送命令表示下一個(gè)命令可以發(fā)送。FC34處理多個(gè)伺服控制器的同步和異步錯(cuò)誤信息并產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)告。

5 結(jié)束語

TWINLINE型伺服控制器PROFIBUS-DP接口的引入，提高了工業(yè)自動化運(yùn)動控制的水平，使伺服電機(jī)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(shí)際情況已證明這種控制方式效果好。

PROFIBUS-DP總線和伺服控制系統(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。