PROFIBUS-DP现场总线技术在磨床改造中的应用

摘要:以2050热轧磨辊数控磨床电气系统改造为背景,介绍了基于Profibus-DP总线的磨床数控系统的硬件配置以及PROFIBUS-DP网络的组建方法。使用基于PROFIBUS-DP的分散控制系统在电缆数量和施工量上都大大少于传统的集中控制系统,具有广阔的应用前景。
关键词: PROFIBUS - DP; 现场总线; DP主站; DP从站

0　引言
　　宝钢2050 热轧磨辊车间装备的数控轧辊磨床是1988 年从德国WALDR ICH SIEGEN 公司引进的。使用至今其控制系统各部件已逐步老化, 不仅故障率高而且性能下降, 已经严重影响了轧辊的磨削精度和磨削效率。为了更好地满足轧线对轧辊质量的要求, 对磨床进行了全面改造, 在这次改造中使用了目前在工业控制领域使用的PROFIBUS现场总线技术, 这一技术的运用使得磨床基础自动化系统更为简洁实用。
1 　PROFIBUS现场总线技术简介
1.1　PROFIBUS - DP概述
　　PROFIBUS是近年较为流行的工业现场总线,也是目前数据传输率较快的一种现场总线,其最高传输速率可达12Mbit/s。PROFIBUS现场总线由PROFI2BUS-FMS（现场总线信息规范）、PROFIBUS-PA（过程自动化）和PROFIBUS-DP（分布式I/O）3个兼容部分组成。其中应用最广泛的是 PROFIBUS-DP总线,它是一种高速的设备级网络,主要用于中央控制单元与分散的I/O之间的通信,PROFIBUS-DP 现场总线不仅可以取代24VDC或4～20mA信号的传输,而且可以满足交直流调速系统快速响应的时间要求。在这次2050磨床电气改造中所采用的就是 PROFIBUS-DP现场总线。
1.2　PROFIBUS - DP采用的网络协议及传输技术
　　 PROFIBUS-DP采用的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础,所不同的是PROFI2BUS-DP只使用了第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和用户接口,第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同 PROFIBUS-DP设备的设备行为。
　　RS - 485传输是PROF IBUS最常用的一种传输技术。这种技术的基本特征:
　　 ·网络拓扑: 线性总线, 两端有有源的总线终端电阻。
　　·传输速率: 916 k b it / s～12M bit/ s
　　·介质: 屏蔽双绞电缆, 也可取消屏蔽, 取决于环境条件（ EMC） 。
　　·站点数: 每分段32 个站（不带中继） , 可多到127个站（带中继）。
　　·插头连接: 使用9 针D型插头。
1.3　PROFIBUS - DP的基本硬件配置
　　一个典型的PROFIBUS - DP 系统通常由以下三种类型的设备组成:
　　（1） 一级DP主站（DPM1 ） : 一级DP主站是中央控制器, 它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站） 交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。
　　（2） 二级DP主站（DPM2 ） : 二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板, 在DP系统组态操作时使用, 完成系统操作和监视目的。
　　（3） DP 从站: DP 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（ I/O 设备、驱动器、阀门等） 。
2　改造后磨床数控系统及其组建方法
2.1　改造后磨床数控系统的结构和硬件配置
　　改造后磨床的数控系统采用现场总线技术, 用一根通信电缆代替了大量的I/O电缆, 用数字化的通信代替了4 ～20mA /24VDC 信号, 用于实现对现场设备的控制和监测。其数控系统的组成结构如图1所示。

　　整个PROFIBUS - DP网络由11个站组成, 其DP主站采用S7 - 400可编程控制器, 该可编程控制器所采用的 CPU 412 - 2DP配备有PROF IBUS - DP通讯端口, 可以组建多达127 个站点的PROF IBUS - DP现场总线网络。其余10个DP从站分别由ILC - 2000数控单元、ET200S分布式I/O 模块以及全数字直流变频器6RA70 和全数字交流驱动器611U 组成, 其中ET200S分布式I/O模块被安装在磨床的工件侧床身、往复台、上刀架和中央液压系统这4个部分。212　用S7 STEP 7软件组建磨床分布式I/O在S7 - 400 中, 不需要为现场总线编写通讯程序, 只要通过STEP 7软件包对DP主站和所有DP从站进行硬件组态, 统一分配地址即可。其基本步骤如下:
　　（ 1） 对DP主站进行硬件组态组态时只要从硬件目录表中选择需要的电源模块、CPU模块（注意选择带有PROF IBUS - DP 网络接口的CPU, 例如CPU 412 - 2DP） 、I/O 模块等并将其拖到相应的槽位即可。
　　（ 2） 对DP主站系统进行组态首先插入DP主站系统（DPMaster System） , 然后从硬件目录中选择需要的从站模块, 用鼠标将其拖放到DP主站系统即可。如果在硬件目录中没有找到所需的模块, 就需要安装该模块所对应的1GSE文件, 该文件包含了从站模块的所有信息。如果作为从站的模块不是SIEMENS产品, 其生产厂家通常会提供该文件。
　　（ 3） 设置各站点在PROF IBUS - DP中的地址DP主站和子站的地址可以任意指定, 只要不重复、不超出范围即可。
　　由于在上述硬件组态过程中已经解决了网络的通讯问题, 所以在编程时无须考虑通讯问题, 只要象对一台PLC那样对所有I/O地址编程即可。由此可见使用PROFIBUS - DP 现场总线具有“硬件分散, 软件集中”的特点。
2.3　建立S IEMENS交直流调速器和PROF IBUS -DP之间的通讯
2.3.1 　硬件连接
　　在这次磨床改造中使用的SIEMENS 6RA70 直流调速系统和611U交流调速系统都配有专用的PROFI2BUS - DP通讯模块, 能够非常方便地连接到PROFI2BUS - DP网络, 例如CBP模板就是6RA70 和PROFI2BUS - DP连接的通讯模块。硬件连接完成之后, 要使调速系统和PROF IBUS - DP 主站建立起通讯联系还要对调速系统进行一系列的参数设置。
2.3.2 　参数设置
　　参数设置中, 最关键的是选择PPO类型, 即定义电文的参数和过程数据部分的字的数量。PROFI2BUS - DP提供了5种PPO类型。一类是无PKW而有2个字或6 个字PZD; 另一类是有PKW 且还有2 个字、6个字或10个字的PZD。如图2 所示。这样分类的目的是为了完成不同的任务, 即PKW 的传输和PZD的传输互不影响, 各自独立工作。PPO的参数部分（ PKW） 用于读写参数值, 过程数据部分（ PZD）包含了控制字、状态字、给定值和实际反馈值等信息。PPO类型的选择取决于调速系统在整个网络中所要完成的任务。除了设置PPO 类型外, 还需要设置报文的监控时间、PROF IBUS的站点地址等参数。

2.3.3 　PROFIBUS - DP通讯模块的状态指示
　　完成了参数设定后, 给PLC 和调速系统送电,此时, 6RA70 的PROFIBUS通讯模块（CBP） 上3 个发光管同时闪烁则表示通讯正常。其中红灯表示CBP模块的状态正常; 黄灯表示6RA70 和CBP之间的通讯正常; 绿灯表示CBP 和PROF IBUS之间的通讯正常。而 611U则有所不同, 只有一个指示灯显示PRO2F IBUS通讯模块的工作状态, 该灯熄灭表示通讯模块尚未被激活; 红灯显示表示通讯模块已被激活, 但没有建立通讯, 可能存在故障; 绿灯显示则表示通讯模块已被激活并工作正常。
2.4　安装调试中需要注意的问题
2.4.1　PROFIBUS连接器终端电阻的正确设定
　　在每一个PROFIBUS - DP站点的连接器上都有一个终端电阻的选择开关。当该站点处于整个PRO2FIBUS网络的起点或终点时, 连接器上的电阻选择开关必须设置在“ON”位置, 而其余的中间站点, 其连接器上的电阻选择开关必须设置在OFF位置。如图3所示。只有这样才能使整个 PROF IBUS网络正常工作。图4是整个磨床PROF IBUS网络终端电阻的设置图（其中①代表电阻打开, ②代表电阻关闭） 。