1 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(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軋輥質(zhì)量的要求， 對磨床進(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)場總線技術(shù)，這一技術(shù)的運(yùn)用使得磨床基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)更為簡潔實用。

2 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

2.1　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(dá)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(yīng)用最廣泛的是PROFIBUS-DP總線，它是一種高速的設(shè)備級網(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(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)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。

2.2　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)洌?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。

2.3　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(shè)備組成：

（1） 一級DP主站（DPM1 ） ： 一級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DP主站（DPM2 ） ： 二級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)動器、閥門等）。

3　改造后磨床數(shù)控系統(tǒng)及其組建方法

3.1　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， 用于實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制和監(jiān)測。

整個PROFIBUS - DP網(wǎng)絡(luò)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(dá)127 個站點的PROF IBUS - DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。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(qū)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(cè)床身、往復(fù)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(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DP主站進(jìn)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(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)廠家通常會提供該文件。

（ 3） 設(shè)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(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。

3.3　建立S IEMENS交直流調(diào)速器和PROF IBUS -DP之間的通訊

3.3.1 　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)系還要對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置。

3.3.2 　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(wù)， 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(diào)速系統(tǒng)在整個網(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)置報文的監(jiān)控時間、PROF IBUS的站點地址等參數(shù)。

3.3.3 　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， 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。

3.4　安裝調(diào)試中需要注意的問題

3.4.1　PROFIBUS連接器終端電阻的正確設(shè)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(guān)。當(dāng)該站點處于整個PRO2FIBUS網(wǎng)絡(luò)的起點或終點時， 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， 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 PROF IBUS網(wǎng)絡(luò)正常工作。圖4是整個磨床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） 。

3.4.2　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。

4　結(jié)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(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。