摘 要:以2050熱軋磨輥數控磨床電氣系統改造為背景,介紹了基于PROFIBUS-DP總線的磨床數控系統的硬件配置以及PROFIBUS-DP網絡的組建方法。使用基于PROFIBUS-DP的分散控制系統在電纜數量和施工量上都大大少于傳統的集中控制系統,具有廣闊的應用前景。 關鍵詞: PROFIBUS - DP; 現場總線; 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。 [b]1　PROFIBUS現場總線技術簡介 1.1　PROFIBUS - DP概述[/b] 　　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。 1.2　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。 1.3　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） 。 [b]2　改造后磨床數控系統及其組建方法 2.1　改造后磨床數控系統的結構和硬件配置[/b] 　　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。其數控系統的組成結構如圖1所示。 　　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。 [b]2.3　建立S IEMENS交直流調速器和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。 2.3.2 　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。 2.3.3 　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。 [b]2.4　安裝調試中需要注意的問題 2.4.1　PROFIBUS連接器終端電阻的正確設定[/b] 　　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） 。 　　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。 3　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。