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Profibus-DP總線技術(shù)及其在伺服傳動(dòng)中的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2014-03-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為、Profibus-FMS、Profibus-PA三個(gè)兼容版本。其中是一種高速(數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s-12Mbit/s)經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò),主要用于現(xiàn)場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信,可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求。由于其高可靠性、高性能、實(shí)時(shí)性好及其獨(dú)特的設(shè)計(jì),已被幾乎所有的生產(chǎn)廠商和用戶所接受。

伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易、運(yùn)行平穩(wěn)、相應(yīng)快等優(yōu)異特性,已越來越成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制的重要力量。特別是在自動(dòng)化程度比較高、需精確控制速度、位置、力矩等應(yīng)用場(chǎng)合,如紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、造紙機(jī)械,數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等重要行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。雖然PROFIBUS-DP不像SERCOS、MACRO、Fire Wire是專門為運(yùn)動(dòng)控制而開發(fā)的,但在實(shí)際控制中由于PROFIBUS-DP的廣泛存在,所以運(yùn)用PROFIBUS總線對(duì)伺服的控制具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 PROFIBUS-DP

2.1 PROFIBUS-DP簡介

PROFIBUS以ISO7498為基礎(chǔ),以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI(open system interconnection)作為參考模型,定義了物理傳輸特性、總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。其傳輸速率為 9.6kbps-12Mbps,最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為100m,在1.5Mbps時(shí)為400m,可用中繼器延長至10km。最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的通訊連接,使用了第1層、第2層(即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)和用戶接口層,第3層至第7層未加以描述,這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?。它是專門為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的I/O之間進(jìn)行的通訊而設(shè)計(jì)的。使用PROFIBUS-DP模塊可取代24V或4~20mA的串聯(lián)式信號(hào)傳輸,減少投資成本。直接數(shù)據(jù)鏈路映像(DDLM)提供的用戶接口,使得對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層的存取變的簡單方便,傳輸可使用RS-485傳輸技術(shù)或光纖媒體。

標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP的硬件由主設(shè)備、從設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路等三部分組成。其中主設(shè)備用以控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸,且在沒有提供外部請(qǐng)求時(shí)發(fā)送信息和被授權(quán)可訪問總線.從設(shè)備是相對(duì)于主設(shè)備而言較為簡單的外部設(shè)備,且未被授權(quán)訪問總線;網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路如傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器,前者用屏蔽雙絞電纜構(gòu)成電氣網(wǎng)絡(luò),用塑料或玻璃纖維光纜構(gòu)成的光纖網(wǎng)絡(luò),或是基于兩種媒介之間由OLM轉(zhuǎn)換的混合網(wǎng)絡(luò);后者如RS-485總線連接器、RS-485總線終端、RS-485中繼器、光鏈路模塊OLM等。

2.2 PROFIBUS-DP通信協(xié)議及特點(diǎn)

PROFIBUS-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同,采用EIA—RS485協(xié)議,根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同,可選用雙絞線和光纖兩種傳輸媒體。


圖1 RS485總線段結(jié)構(gòu)圖

圖1中兩根數(shù)據(jù)線通常被稱為A線和B線,分別對(duì)應(yīng)RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信號(hào)。

PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)媒體訪問控制(MAL)部分采用受控訪問的令牌總線(Token Bus)和主從方式。其中令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致,令牌在總線上的各主站間傳遞,持有令牌的主站獲得總線控制權(quán),該主站依照關(guān)系表與從站或其他主站進(jìn)行通信。主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同,它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式(NRM)。該模式的工作特點(diǎn)是:總線上一個(gè)主站控制著多個(gè)從站,主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令(Command),從站給出響應(yīng)(Respond);從站可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀,直到無信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個(gè)階段:數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和數(shù)據(jù)鏈路釋放。

圖2中F為幀標(biāo)志字段(8位)。A為從站地址字段??刂谱侄蜟表示幀類型、編號(hào)、命令和控制信息,它將HDLC幀分為三種類型:信息幀(1)、監(jiān)控幀(S)和無編號(hào)幀(U)。其中信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)(Useful Data)的傳輸并捎帶應(yīng)答;監(jiān)控幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作,對(duì)鏈路狀態(tài)做出各種響應(yīng)(如認(rèn)可幀、請(qǐng)求重傳或暫停等);無編號(hào)幀(不含信息字段)用于傳輸各種元編號(hào)命令和響應(yīng),例如建立鏈路工作模式,釋放鏈路及報(bào)告特殊情況等。信息字段由PKW+PZD的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成,PKW用于讀寫參數(shù)值,如寫入控制字或讀出狀態(tài)字等,一般為4B長,而PZD用于存放控制器的具體控制值,設(shè)置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數(shù),一般為2~10B長。例如,PKW=P554.1代表向變頻器的主驅(qū)動(dòng)模塊寫入一個(gè)16位的控制字,控制字的每一位都代表一種不同的控制含義;PZD的第二個(gè)字節(jié)為0#~7#電機(jī)的起??刂莆?。FCS是幀校驗(yàn)字段,它對(duì)整個(gè)幀的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼(CRC)校驗(yàn),該HDLC幀最長可達(dá)24B。



圖2 正常響應(yīng)模式主站與從站間傳輸幀的格式

3 伺服電機(jī)接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)

施耐德公司的TWINLINE型伺服控制系統(tǒng)由于其控制器提供了專門的PROFIBUS-DP總線接口模塊,可以像其他的PROFIBUS-DP一樣,用普通的雙絞線作為通信介質(zhì),很方便的連接到基于PROFIBUS-DP總線的工業(yè)控制系統(tǒng)上,如圖3所示。

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