基于PROFIBUS-DP的计算机数控系统

1 前言

在数控系统中，随着计算机技术、网络技术与数控技术越来越紧密地结合，由此而产生的具有开放性的串行总线型计算机数控系统，正在取代传统的并行式数控系统．并将成为市场的主流产品。传统计算机数控系统和每台伺服单元相连都需要一根电缆线，系统连线复杂，故障率也高。为了减少布线费用及降低故障率，利用现场总线PROFIBUS-DP构建数控系统，使得该系统通过高速串行总线与各伺服单元相连，仅需一根电缆或一对双绞线即可。

2 PROFIBUS—DP介绍

PROFIBUS是过程现场总线Process Fieldbu。的缩写。它是一种国际性的开放式的现场总线，符合CN50170欧洲标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS根据其应用特点分为报文规范PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)、分散和外围设备PHOFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、过程自动化PR}FIBUS-PA(Proceae Autamalicn)三个兼容版本。

其中。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信连接，用于设备级控制系统与分散式I/0的串行通信。使用PROFIBUSDP模块可取代价格昂贵的24V或0一20mA并行信号线。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等优点。用于现场层的高速数据传送时，主站周期地读取从站的输人信号并周期地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。除周期性数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需要的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

PROFIBUS的协议结构是根据国际标准化组织IS07448标准，以开放系统互联网络05I(Open Sysfem laterconnection)为参考模型。该模型共有七层。PftOFIBU5-DP使用其第一层(物理层)、第二层(数据链路层)和用户接日，第三到第七层未加以描述。这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像(DDLM, Direct Data Link Mapper)提供易于进人第二层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBI3SDP设备的设备行为，还提供了传输用的RS-485传输技术或光纤。

3 基于PROFiBUS-DP的计算机数控系统

　　3.1 系统结构

以加工中心数控系统为例，构建基于PROFIBU5-DP的计算机数控系统系统结构如图1所示。该系统采川传输效率最高的单主站线型网络拓扑结构。其中，CNC(Computer Numerical Control)装置作为DP宇站，通过对零件加工程序的译码、处理，将强电控制信息(如辅助功能M,幸轴功能S、刀具功能T等信息)，以主一从通信方式传输给辅助控制装置PLC该PLC作为智能从站，接受CNC主站传来的信息，通过I/O接口模块实现机床开关量的控制。主轴控制单元以及三根进给轴的伺服驱动单元均作为DP从站，由主站CNC装置分别实现主轴的转速控制和进给坐标轴的位置及速度控制。检测装置作为DP从站，对执行部件的位移、角度、速度进行检测和反馈，CNC主站周期性地读取反馈信息并进行处理,PC上位机只起编程和监控作用，其内部装有STEP 7基本软件和UVA S7通信软件，用于编程和对PROFTBUS-DP网进行组态和通讯设置。

图1 PROFIBU5-DP的计算机数控系统系统结构

　　3.2 设备选型与配置

CNC装置可采用西门子的SINUMERIK 840D型CNC装置。该装置的内部主处理器NCU573中有集成的CPU315-2DP,可与FROFIBUS-DP直接相连，实现通信。也可采用国产CNC装置，但必须配置相应的DP通信模块，才能与PROFIBUS-DP网络相连。

从站PLC实现各种辅助功能的控制，根据其性能要求.选择S7-300系列的模块式中小型PLC。其处理器GPU315-2DP带有内置的PROFIBC}S-UP接口。符合EN50 170标准，可直接将PLC挂到总线上，不需要另外的通讯接日及转换接口，连接十分方便。

主轴驱动单元作为DP从站，采用西门子的SIMOVERT MA5-TERDRIVES交流驱动。5In90VERT主驱动器是三相交流变频器，可作为交流电机驱动器或电力逆变器使用，具有230V~690V电压，适于2.2kw~1500kw的单电机或多电机驱动。利用PROFIRITS-DP，接C7模块CB1，可直接将SIR70VERT主驱动。器连接到总线上。数据

X,Y,Z轴进给何服驱动单元作为三个DP从站，均采用数据西门子公司的模块化交流伺服驱动系统5IMODRIVE611A/D/U使用CBP通信模块可将此数字式交流伺服驱动系统直接连接到PHUFIBL S-DP总线ha数据

从站检测装置选用装有光电旋转编码器的SIMODRIY-ER传感器一具有PROFIBI;S的绝对编码器，用于测量机械位移.角度、速度。PftOFIl;US绝对值编码器可作为从站通过PROFIBUS接口与主站连接，可与PHOFIBi1S上的数字式控制器、PLC,驱动器、定位显示器一起作用，并