1 前言

　　在數(shù)控系統(tǒng)中，隨著計算機技術、網絡技術與數(shù)控技術越來越緊密地結合，由此而產生的具有開放性的串行總線型計算機數(shù)控系統(tǒng)，正在取代傳統(tǒng)的并行式數(shù)控系統(tǒng)．并將成為市場的主流產品。傳統(tǒng)計算機數(shù)控系統(tǒng)和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統(tǒng)連線復雜，故障率也高。為了減少布線費用及降低故障率，利用現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP構建數(shù)控系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)通過高速串行總線與各伺服單元相連，僅需一根電纜或一對雙絞線即可。

2 PROFIBUSDP介紹

　　PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線Process Fieldbu。的縮寫。它是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線，符合CN501'70歐洲標準，廣泛應用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS根據其應用特點分為報文規(guī)范PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)、分散和外圍設備PHOFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、過程自動化PR}FIBUS-PA(Proceae Autamalicn)三個兼容版本。

　　其中。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信連接，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/0的串行通信。使用PROFIBUSDP模塊可取代價格昂貴的24V或0一20mA并行信號線。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點。用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據傳送時，主站周期地讀取從站的輸人信號并周期地向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短。除周期性數(shù)據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需要的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。

　　PROFIBUS的協(xié)議結構是根據國際標準化組織IS07448標準，以開放系統(tǒng)互聯(lián)網絡05I(Open Sysfem laterconnection)為參考模型。該模型共有七層。PftOFIBU5-DP使用其第一層(物理層)、第二層(數(shù)據鏈路層)和用戶接日，第三到第七層未加以描述。這種流體型結構確保了數(shù)據傳輸?shù)目焖俸陀行В苯訑?shù)據鏈路映像(DDLM, Direct Data Link Mapper)提供易于進人第二層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可以調用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBI3SDP設備的設備行為，還提供了傳輸用的RS-485傳輸技術或光纖。

3 基于PROFiBUS-DP的計算機數(shù)控系統(tǒng)

　　3.1 系統(tǒng)結構

　　以加工中心數(shù)控系統(tǒng)為例，構建基于PROFIBU5-DP的計算機數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)結構。該系統(tǒng)采川傳輸效率最高的單主站線型網絡拓撲結構。其中，CNC(Computer Numerical Control)裝置作為DP宇站，通過對零件加工程序的譯碼、處理，將強電控制信息(如輔助功能M,幸軸功能S、刀具功能T等信息)，以主一從通信方式傳輸給輔助控制裝置PLC該PLC作為智能從站，接受CNC主站傳來的信息，通過I/O接口模塊實現(xiàn)機床開關量的控制。主軸控制單元以及三根進給軸的伺服驅動單元均作為DP從站，由主站CNC裝置分別實現(xiàn)主軸的轉速控制和進給坐標軸的位置及速度控制。檢測裝置作為DP從站，對執(zhí)行部件的位移、角度、速度進行檢測和反饋，CNC主站周期性地讀取反饋信息并進行處理,PC上位機只起編程和監(jiān)控作用，其內部裝有STEP 7基本軟件和UVA S7通信軟件，用于編程和對PROFTBUS-DP網進行組態(tài)和通訊設置。

　　3.2 設備選型與配置

　　CNC裝置可采用西門子的SINUMERIK 840D型CNC裝置。該裝置的內部主處理器NCU573中有集成的CPU315-2DP,可與FROFIBUS-DP直接相連，實現(xiàn)通信。也可采用國產CNC裝置，但必須配置相應的DP通信模塊，才能與PROFIBUS-DP網絡相連。

　　從站PLC實現(xiàn)各種輔助功能的控制，根據其性能要求.選擇S7-300系列的模塊式中小型PLC。其處理器GPU315-2DP帶有內置的PROFIBC}S-UP接口。符合EN50 170標準，可直接將PLC掛到總線上，不需要另外的通訊接日及轉換接口，連接十分方便。

　　主軸驅動單元作為DP從站，采用西門子的SIMOVERT MA5-TERDRIVES交流驅動。5In90VERT主驅動器是三相交流變頻器，可作為交流電機驅動器或電力逆變器使用，具有230V~690V電壓，適于2.2kw~1500kw的單電機或多電機驅動。利用PROFIRITS-DP，接C7模塊CB1，可直接將SIR70VERT主驅動。器連接到總線上。數(shù)據

　　X,Y,Z軸進給何服驅動單元作為三個DP從站，均采用數(shù)據西門子公司的模塊化交流伺服驅動系統(tǒng)5IMODRIVE611A/D/U使用CBP通信模塊可將此數(shù)字式交流伺服驅動系統(tǒng)直接連接到PHUFIBL S-DP總線ha數(shù)據

　　從站檢測裝置選用裝有光電旋轉編碼器的SIMODRIY-ER傳感器一具有PROFIBI;S的絕對編碼器，用于測量機械位移.角度、速度。PftOFIl;US絕對值編碼器可作為從站通過PROFIBUS接口與主站連接，可與PHOFIBi1S上的數(shù)字式控制器、PLC,驅動器、定位顯示器一起作用，并且可通過主站完成遠程參數(shù)配置:

　　I/O接口模塊，通過其相應的DP通信接口，與DF總線相連，實現(xiàn)DP主站對I/O從站設備的控制。根據計算機數(shù)控系統(tǒng)I/O裝置的特點及要求，本系統(tǒng)采用ET 20bM型I/O裝置，該裝置通過接口模塊IM 153與PRDFIBi; S-DP現(xiàn)場總線相連。

　　3.3 系統(tǒng)特點

　　PROFIBUS-IIP應用于計算機數(shù)控系統(tǒng)后，和傳統(tǒng)的計算機數(shù)控系統(tǒng)相比，具有以下特點:

　　(1)CAC裝置與現(xiàn)場伺服單元及分散的I/O模塊之間，可利用多種傳輸介質，如雙絞線、光纖、同軸電纜等，提高了不同場合的適應性。

　　(2)系統(tǒng)中的多千伺服單元只用一條物理介質完成數(shù)據傳輸節(jié)省大量現(xiàn)場接線，使安裝簡單、易于維護且工程造價低。

　　(3)采用數(shù)字信號傳輸技術，與模擬信號相比，避免了信號衰減和共模干擾，還可以實現(xiàn)檢錯和糾錯功能，從而極大地提高了信號傳輸?shù)目煽啃院途取?/span>

　　(4) PROFIBUS-DP的應用，構成了一種新的全分散性數(shù)控系統(tǒng)的體系結構。從根本上改變了DCS集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性

　　(5) PROFIBUS-DP總線構成的計算機數(shù)控系統(tǒng)，是一種全開放的系統(tǒng)。不同廠家的CNC, PLC,伺服驅動等裝置，可通過PROFIBUS-DP接Cl掛到同一總線上運行:避免因選擇了某一品牌的產品而被“框死”了使用設備的選擇范圍。

4 通信原理

　　PROFiBIUS-DP現(xiàn)場總線數(shù)據鏈路層包括兩種介質存取方式，即令牌總線方式和主一從方式的混合存取方式。其中，令牌總線方式與局域網ICFE802.4中的規(guī)約相一致。它規(guī)定了主站間的介質存取控制方式。本系統(tǒng)采用單主站的線型網絡拓撲結構，因此只討論主站與從站之間的介質存取控制規(guī)約。純主一從方式的介質存取控制與局域網標準不同。它符合OSI參考模型數(shù)據鏈路層中的HDLC非平衡正常響應模式。

　　下面以主站CNC裝置和從站PLC為例，具體說明PROFIBl15-DP網數(shù)據璉路層的工作過程。主站CNC和從站PLC給出了在半雙工方式下非平衡正常響應摸式下的通信過程，具體被分為3個階段:數(shù)據鏈路的建立，數(shù)據的傳輸，數(shù)據鏈路的釋放。

　　第1階段為數(shù)據鏈路的建立階段，主站CNC裝置使用U幀的置正常響應模式工SNRM命令，在地址字段A中填人從站PLC的地址，表示在多個從站的多點結構中選擇PLC為與之連接的從站，探詢位P為1，記為U:A,SNRM,P。從站PLC接到SNRM命令后，用U幀的無編號確認命令UA作為響應主站建立數(shù)據鏈路的確認，記為U:A,UA,Fo終止位F用于從站對主站探詢P的應答。這，一過程在實際操作中是通過專有的 DVA S7通信軟件包來實現(xiàn)的，系統(tǒng)網絡中PC土位機將組態(tài)好的主站CNC和從站PLC的地址和特性參量傳送給主站CNC ,由主站CNC向從站PLC分配地址和組態(tài)，若從站PLC的特性與主站分配的特性相同，便承認自己是該從站，并與主站建立數(shù)據鏈路的連接。第2階段為數(shù)據幀的傳輸階段，主站CNC中的固有程序循環(huán)執(zhí)行，向特定的數(shù)據塊naa中寫人指令參數(shù)，特定的功能塊F刊從中讀取參數(shù)并向從站PLC發(fā)送，第一個編號為0的信息頓中N(S)=0，由于未接到PLC的從站頓，N(R)--D,則此f頓記為f; A, N(S)=0, N(R)=0。第2,3個從主站連續(xù)發(fā)送的信息幀則記為I:A, N(S)=1,N(R) =0與1: A, N(S) =2, N(R)=0。如果主站在發(fā)送第3個幀時使用了探詢位P,而且從站PLC也有信息幀要發(fā)送，則此I幀記為I: A, N(S)=0, N(R)=3。其中N(5)=0表示從站PLC發(fā)送的I幀序號為0: N(R)=3表示從站PLC已正確接收序號為2及它以前的I幀，下一次主站發(fā)送的I幀序號應為3,這里的N( R)也起到了對主站發(fā)送I幀的捎帶確認作用。若從站PLC只有一幀發(fā)送，應標志終止符F,此時的f幀為，:A, N(S) =0, N( R)=3, Fo

　　第3階段為數(shù)據鏈路的釋放階段。當主站CNC裝置和從站PLC都沒有信息幀要發(fā)送，或者主站將與其它從站建立鏈路連接時，則應釋放此鏈路連接。此時，主站可使用U幀釋放連接命令DISC來釋放連接，即U: A, DISC, P。從站PLC則用U禎的UA予以確認，即U: A,UA,Fo。至此，一次完整的數(shù)據鏈路中幀的傳輸過程結束了。

5 結束語

　　計算機數(shù)控系統(tǒng)采用了PROFIHLTS-DP現(xiàn)場總線控制模式后，不但整個系統(tǒng)可靠性強、結構簡單、操作方便。而且，可根據用戶實際需要對數(shù)控系統(tǒng)的硬、軟件進行靈活配置，真正實現(xiàn)計算機數(shù)控系統(tǒng)的開放性。相信隨著數(shù)字化和網絡時代的到來，該系統(tǒng)的應用會越來越普及。