PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在磨床改造中的應(yīng)用

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。

1 　PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1　PROFIBUS - DP概述

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*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:

(1) 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。

(3) 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)。

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

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。

圖1　基于PROF IBUS - DP的磨床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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)。

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

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)。

圖2　5種PPO類型的結(jié)構(gòu)定義

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。

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

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) 。

圖3　PROF IBUS - DP站點(diǎn)連接器的終端電阻選擇

2.4.2　PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度的合理選擇

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

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。