1 前言

　　在數控系統中，隨著計算機技術、網絡技術與數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控系統，正在取代傳統的并行式數控系統．并將成為市場的主流產品。傳統計算機數控系統和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統連線復雜，故障率也高。為了減少布線費用及降低故障率，利用現場總線PROFIBUS-DP構建數控系統，使得該系統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是過程現場總線Process Fieldbu。的縮寫。它是一種國際性的開放式的現場總線，符合CN501'70歐洲標準，廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、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、高效低成本等優點。用于現場層的高速數據傳送時，主站周期地讀取從站的輸人信號并周期地向從站發送輸出信息，總線循環時間必須要比主站程序循環時間短。除周期性數據傳輸外，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、診斷和報警處理。

　　PROFIBUS的協議結構是根據國際標準化組織IS07448標準，以開放系統互聯網絡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據傳輸的快速和有效，直接數據鏈路映像(DDLM, Direct Data Link Mapper)提供易于進人第二層的用戶接口，用戶接口規定了用戶及系統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的計算機數控系統

　　3.1 系統結構

　　以加工中心數控系統為例，構建基于PROFIBU5-DP的計算機數控系統系統結構。該系統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。數據

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

　　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DP主站對I/O從站設備的控制。根據計算機數控系統I/O裝置的特點及要求，本系統采用ET 20bM型I/O裝置，該裝置通過接口模塊IM 153與PRDFIBi; S-DP現場總線相連。

　　3.3 系統特點

　　PROFIBUS-IIP應用于計算機數控系統后，和傳統的計算機數控系統相比，具有以下特點:

　　(1)CAC裝置與現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)系統中的多千伺服單元只用一條物理介質完成數據傳輸節省大量現場接線，使安裝簡單、易于維護且工程造價低。

　　(3)采用數字信號傳輸技術，與模擬信號相比，避免了信號衰減和共模干擾，還可以實現檢錯和糾錯功能，從而極大地提高了信號傳輸的可靠性和精度。

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

　　(5) PROFIBUS-DP總線構成的計算機數控系統，是一種全開放的系統。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現場總線數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中的規約相一致。它規定了主站間的介質存取控制方式。本系統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:數據鏈路的建立，數據的傳輸，數據鏈路的釋放。

　　第1階段為數據鏈路的建立階段，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通信軟件包來實現的，系統網絡中PC土位機將組態好的主站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，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，并與主站建立數據鏈路的連接。第2階段為數據幀的傳輸階段，主站CNC中的固有程序循環執行，向特定的數據塊naa中寫人指令參數，特定的功能塊F刊從中讀取參數并向從站PLC發送，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個從主站連續發送的信息幀則記為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，下一次主站發送的I幀序號應為3,這里的N( R)也起到了對主站發送I幀的捎帶確認作用。若從站PLC只有一幀發送，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，一次完整的數據鏈路中幀的傳輸過程結束了。

5 結束語

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