PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術在磨床改造中的應用

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WALDR ICH SIEGEN公司引進的。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(yè)控制領域使用的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術,這一技術的運用使得磨床基礎自動化系統(tǒng)更為簡潔實用。

1 　PROFIBUS現(xiàn)場總線技術簡介

1.1　PROFIBUS - DP概述

PROFIBUS是近年較為流行的工業(yè)現(xiàn)場總線,也是目前數(shù)據(jù)傳輸率較快的一種現(xiàn)場總線,其最高傳輸速率可達12Mbit/s。PROFIBUS現(xiàn)場總線由PROFI2BUS-FMS(現(xiàn)場總線信息規(guī)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(wǎng)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(xiàn)場總線不僅可以取代24VDC或4～20mA信號的傳輸,而且可以滿*直流調速系統(tǒng)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(xiàn)場總線。

1.2　PROFIBUS - DP采用的網(wǎng)絡協(xié)議及傳輸技術

PROFIBUS-DP采用的網(wǎng)絡協(xié)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(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(wǎng)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(huán)境條件( EMC) 。

·站點數(shù): 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(tǒng)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(tài)設備或操作面板,在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用, 完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。

(3) DP 從站: DP 從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備( I/O 設備、驅動器、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)的結構和硬件配置

改造后磨床的數(shù)控系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術, 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, 用于實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制和監(jiān)測。其數(shù)控系統(tǒng)的組成結構如圖1所示。

圖1　基于PROF IBUS - DP的磨床數(shù)控系統(tǒng)結構圖

整個PROFIBUS - DP網(wǎng)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(xiàn)場總線網(wǎng)絡。其余10個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(tǒng)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(xiàn)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(tài), 統(tǒng)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(tài)組態(tài)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(wǎng)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(tǒng)進行組態(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(chǎn)品, 其生產(chǎn)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(tài)過程中已經(jīng)解決了網(wǎng)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(xiàn)場總線具有“硬件分散, 軟件集中”的特點。

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

在這次磨床改造中使用的SIEMENS 6RA70 直流調速系統(tǒng)和611U交流調速系統(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, 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(tǒng)和PROF IBUS - DP 主站建立起通訊聯(lián)系還要對調速系統(tǒng)進行一系列的參數(shù)設置。

2.3.2 　參數(shù)設置

參數(shù)設置中, 最關鍵的是選擇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(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、給定值和實際反饋值等信息。PPO類型的選擇取決于調速系統(tǒng)在整個網(wǎng)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(jiān)控時間、PROF IBUS的站點地址等參數(shù)。

圖2　5種PPO類型的結構定義

2.3.3 　PROFIBUS - DP通訊模塊的狀態(tài)指示

完成了參數(shù)設定后, 給PLC 和調速系統(tǒng)送電,此時, 6RA70 的PROFIBUS通訊模塊(CBP) 上3 個發(fā)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(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

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(wǎng)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(wǎng)絡正常工作。圖4是整個磨床PROF IBUS網(wǎng)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) 。

圖3　PROF IBUS - DP站點連接器的終端電阻選擇

2.4.2　PROFIBUS網(wǎng)絡數(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12Mbit/s。但在實際使用過程中,適當?shù)慕档屯ㄓ嵥賵D4磨床PROFIBUS網(wǎng)絡各個終端電阻設置圖度,可以減小干擾的影響,提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。在磨床控制系統(tǒng)中,我們將PROFIBUS網(wǎng)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(shù)據(jù)交換的要求,并且穩(wěn)定性較好。

3　結束語

在這次磨床電氣系統(tǒng)改造中, 將PROFIBUS - DP現(xiàn)場總線技術應用于磨床的數(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的飛躍的話, 那么從集中控制到以PROFIBUS - DP 現(xiàn)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。