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1 引言 Profibus是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng) 域。Profibus根據應用特點(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(數據傳輸速率9.6kbit/s-12Mbit/s)經(jīng)濟的設備級網(wǎng)絡(luò )，主要用于現場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信，可滿(mǎn)足交直流調速系 統快速響應的時(shí)間要求。由于其高可靠性、高性能、實(shí)時(shí)性好及其獨特的設計，已被幾乎所有的生產(chǎn)廠(chǎng)商和用戶(hù)所接受。 BWS伺服電機具有結構緊湊、控制容易、運行平穩、相應快等優(yōu)異特性，已越來(lái)越成為現代工業(yè)自動(dòng)化運 動(dòng)控制的重要力量。特別是在自動(dòng)化程度比較高、需精確控制速度、位置、力矩等應用場(chǎng)合，如紡織機械、印刷機械、造紙機械，數控機床、工業(yè)機器人等重要行業(yè) 得到了普遍的應用。雖然PROFIBUS-DP不像SERCOS、MACRO、Fire Wire是專(zhuān)門(mén)為運動(dòng)控制而開(kāi)發(fā)的，但在實(shí)際控制中由于PROFIBUS-DP的廣泛存在，所以運用PROFIBUS總線(xiàn)對伺服的控制具有很重要的現實(shí)意 義。 2 PROFIBUS-DP總線(xiàn)技術(shù) 2.1 PROFIBUS-DP簡(jiǎn)介 PROFIBUS以ISO7498為基礎，以開(kāi)放式系統互聯(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(xiàn)存取協(xié)議和應用功能。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(cháng)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(即物理層和數據鏈路層)和用戶(hù)接口層，第3層至第7層未加以描述，這種 流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效。它是專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)控制系統和設備分散的I/O之間進(jìn)行的通訊而設計的。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。直接數據鏈路映像(DDLM)提供的用戶(hù)接口，使得對數據鏈路層的存取變的簡(jiǎn)單方便，傳輸可使用RS- 485傳輸技術(shù)或光纖媒體。 標準現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS-DP的硬件由主設備、從設備、網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)路等三部分組成。其中主設備用以控制總 線(xiàn)上的數據傳輸，且在沒(méi)有提供外部請求時(shí)發(fā)送信息和被授權可訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)。從設備是相對于主設備而言較為簡(jiǎn)單的外部設備，且未被授權訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn);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成電氣網(wǎng)絡(luò )，用塑料或玻璃纖維光纜構成的光纖網(wǎng)絡(luò )，或是基于兩種媒介之間由OLM轉換的混合網(wǎng)絡(luò );后者如RS- 485總線(xiàn)連接器、RS-485總線(xiàn)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，根據數據傳輸速率的不同，可選用雙絞線(xiàn)和光纖兩種傳輸媒體。 圖1 RS485總線(xiàn)段結構圖 圖1中兩根數據線(xiàn)通常被稱(chēng)為A線(xiàn)和B線(xiàn)，分別對應RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號。 PROFIBUS-DP數據鏈路層協(xié)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAL)部分采用受控訪(fǎng)問(wèn)的令牌總線(xiàn)(Token Bus)和主從方式。其中令牌總線(xiàn)與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線(xiàn)上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線(xiàn)控制權，該主站依照關(guān)系表與從 站或其他主站進(jìn)行通信。主從方式的數據鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式(NRM)。該模式的工作特點(diǎn)是：總線(xiàn)上一個(gè)主站 控制著(zhù)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(Respond);從站可以連續發(fā)送多個(gè)幀，直到無(wú) 信息發(fā)送、達到發(fā)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過(guò)程分為三個(gè)階段：數據鏈路建立、幀傳輸和數據鏈路釋放。 圖2中F為幀標 志字段(8位)。A為從站地址字段�？刂谱侄蜟表示幀類(lèi)型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類(lèi)型：信息幀(1)、監控幀(S)和無(wú)編號幀 (U)。其中信息幀用于應用數據(Useful Data)的傳輸并捎帶應答;監控幀用于監視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態(tài)做出各種響應(如認可幀、請求重傳或暫停等);無(wú)編號幀(不含信息字段)用于傳 輸各種元編號命令和響應，例如建立鏈路工作模式，釋放鏈路及報告特殊情況等。信息字段由PKW+PZD的應用數據構成，PKW用于讀寫(xiě)參數值，如寫(xiě)入控制 字或讀出狀態(tài)字等，一般為4B長(cháng)，而PZD用于存放控制器的具體控制值，設置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數，一般為2～10B長(cháng)。例如，PKW=P554.1代表向 變頻器的主驅動(dòng)模塊寫(xiě)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  ZD的第二個(gè)字節為0#～7#電機的起�？刂莆�。FCS是幀校驗 字段，它對整個(gè)幀的內容進(jìn)行循環(huán)冗余碼(CRC)校驗，該HDLC幀最長(cháng)可達24B。圖2 正常響應模式主站與從站間傳輸幀的格式 3 伺服電機接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò ) 廣州博瑋伺服科技有限公司的BWS-NBBR/BBF型伺服控制系統由于其控制器提供了專(zhuān)門(mén)的PROFIBUS-DP總線(xiàn)接口模塊，可以像其他的PROFIBUS-DP一樣，用普通的雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)，很方便的連接到基于PROFIBUS-DP總線(xiàn)的工業(yè)控制系統上，如圖3所示。 上位機由西門(mén)子的S7-300PLC組成，型號為6ES7315-2AG10-0AB0，它有一個(gè)專(zhuān)門(mén)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(xiàn)負責對整個(gè)系統的中的所有伺服控制器進(jìn)行管理，包括速度、力矩、位置等參數的命令傳送與設置等。作為一 個(gè)窗口，由組態(tài)軟件ProTool編織的人機界面可方便的對整個(gè)控制系統進(jìn)行監視和參數的修改。 BWS-BBR/BBF的伺服控制器與 伺服電機之間采用旋轉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，伺服電機實(shí)時(shí)的將其運行狀態(tài)與信息上傳給伺服控制器。作為 PROFIBUS-DP總線(xiàn)上的節點(diǎn)，伺服控制器可以與PLC主機進(jìn)行通信，通過(guò)總線(xiàn)接受上位機的各種操作、控制和參數設定命令等。 圖3 伺服電機接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )系統結構示意圖 4 軟件結構設計 通過(guò)PROFIBUS-DP總線(xiàn)進(jìn)行通信與控制的伺服系統，主要解決的是上位主機的軟件設計問(wèn)題，以下是PLC程序的主要設計框圖 圖4 PLC程序設計框圖 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(dòng)組織塊，系統啟動(dòng)就調用OB100，它包括功能FC35即INIT_FIELDBUS，主要作用是初始化已經(jīng)打開(kāi)的背景數據快，為伺服控制器設置輸入/輸出總線(xiàn)地址。 OB1是主程序組織塊，包括功能FC32、功能塊FB40、功能FC37和背景數據塊DB40。FC32即CYCL_UPDATE，它的功能是定期的讀 和更新來(lái)自總線(xiàn)上的背景數據塊的數據。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)復歸命令以及從總線(xiàn)上讀取伺服控制器的反饋值等都是由它完成的。FC37即 FAULT_RESET，它是復位模塊，清除總線(xiàn)的錯誤信息并產(chǎn)生一個(gè)復位命令使伺服控制器重新復位。DB40是功能塊FB40的背景數據快。 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行并且對錯誤進(jìn)行處理。FC31是FC41的子塊，它對FC41 的完成情況加以診斷并報告總線(xiàn)。FC33和FC34也是功能塊FB40的附屬部分，FC33對當前伺服控制器的狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果空閑向總線(xiàn)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誤信息并產(chǎn)生錯誤報告。 5 結束語(yǔ) BWS-BBR/BBF型伺服控制器PROFIBUS-DP接口的引入，提高了工業(yè)自動(dòng)化運動(dòng)控制的水平，使伺服電機在工業(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(xiàn)和BWS伺服控制系統在工業(yè)控制中應用非常廣泛，這為帶PROFIBUS-DP總線(xiàn)接口的伺服控制器提供了廣闊的應用前景。 |
