PROFIBUS和PROFINET中采用PROFIdrive的运动控制

PROFIBUS和PROFINET中采用PROFIdrive的运动控制Walter Möller-Nehring，PI PROFIdrive技术工作组组长，德国西门子公司工业部驱动技术分公司摘要PROFIdrive是驱动技术的标准行规，该技术取决于PROFIBUS及PROFINET通信系统。

使用一种开放式的“应用行规”（例如，这是一种利用通信系统的经试验和测试的方法），采用集成且直接的方式，连接来自不同制造商的驱动器及控制器。

由于PROFIdrive已包含在国际标准IEC61800-7中，因此，该行规获得国际上的认可，并且其投资也将得到广泛的长期保护。

PROFIdrive能够在机器或系统的生命周期（关于规划，安装，运行，维护，以及扩充或更新）过程中实现相当数量的成本缩减，这是该行规的基础。

PROFIdrive应用行规能够满足与PROFIBUS和PROFINET通信系统联合使用的驱动技术的特殊要求，并且提供有关通信性能的最佳的可测量性。

无论是对设备和系统制造商，还是集成商及最终用户，它都创造了多重效益。

PROFIdrive行规是如何产生的说到该行规的产生，那还要追溯到1991年，当时，工作重点正是PROFIBUS技术。

2002年，随着该行规 3.1版的推出，标志着PROFIBUS DPV2扩展性功能的推出。

2005年，PROFIdrive行规被扩展到覆盖PROFINET，作为下层通信系统。

直到2006年才正式推出版本4.1，也就是当前的版本。

实际上，IEC 61800-7已经对PROFIdrive进行了标准化，并且通过各种国际机构（如OMAC）进行介绍，这就意味着，确保它将来会成为国际上公认的一种标准。

市场上展现出越来越多使用提供集成安全技术的驱动器的趋势。

这说明不再需要额外的监控设备，从而带来了减少配线并节省空间的优势。

从这一观点来看，PROFIdrive和PROFIsafe彼此成为完美的补充。

这两种行规共同创造了一种统一的标准技术，该技术可以通过同一总线，用于控制安全功能和标准驱动功能。

原理本质上，PROFIdrive自动控制技术方案是基于集成“运动控制”功能性及PLC顺序逻辑性的概念。

通过贯穿在驱动器（如电动机电流或速度控制）和控制器（如位置控制或路径插补）上的分布来最优化应用进程。

该通信系统利用专用服务（如时钟同步和基于行规的从站到从站通信），提供分布式进程之间的链接。

图1：PROFIdrive体系结构该行规的主要部分（图1中的上半部分）描述了有别于通信系统的功能，并确保了采用PROFIBUS DP和PROFINET IO连续运行，而不会改变所需的应用。

这意味着该驱动技术以分享同样应用视图的完整系统与可升级的通信性能相连接，范围从基本的现场总线到系统范围Ethernet网络，并且无需任何改变就形成为自动化系统。

基本模型定义设备PROFIdrive基本模型定义了一个运动控制自动化系统（图2），它包含多个“设备”及其相互关系（应用接口，参数访问等），但没有考虑所使用的通信系统。

图2：PROFIdrive通用自动化概念区分以下设备类：∙控制器：自动控制系统控制单元或主机∙外围设备：驱动设备∙监控器：工程站通信服务循环数据交换当运动控制系统处于运行时，开环和闭环控制进程必须被循环地激活。

从通信系统的观点上讲，这意味着新的设定点值必须循环地从控制应用进程传送到驱动应用进程，相反地，反向发送当前实际值。

这种循环传送是典型的严格时间要求的。

非循环数据交换除了设定点值和实际值的循环传送外，参数可以被传送用于控制驱动应用进程目的。

通过控制器访问这些参数是非严格时间要求的，并且被非循环的执行。

在控制器可以访问这些参数的同时，也可以通过监控器（调试工具，操作接口）来访问这些参数。

报警机制报警机制是受事件控制的，并被用来通知设置和清除驱动/应用进程故障。

时钟同步操作任何现代驱动行规必须能支持运动控制应用中的分布式进程的时钟同步操作，因为这是能够精确协调若干驱动（如在运动控制系统路径往返移动或结合电子齿轮的同步运动的上下环境内）运转的唯一方法。

为了确保进程同步，PROFIdrive使用从站时钟，该时钟必须位于每台设备内并且正好与系统主站时钟同步。

为了同步化从站时钟，PROFIdrive使用所应用的通信系统的相应服务。

对于PROFIBUS来说，这些服务是DP-V2扩展的一部分，以及在PROFINET IO情况下，它们是等时同步实时功能的一部分。

图3：在驱动器中的数据模型和数据流程从站到从站通信从站到从站通信涉及到设备之间的直接通信，而无需通过主站/控制器传递数据。

这意味着，例如，驱动器能够从其他驱动器或外围设备获得实际值，并且将它们作为设定点使用。

因此，现在更加能够揭示该技术如何使用，特别是直到驱动技术领域内的分布式应用。

从站到从站通信能够将信号从一个驱动器传送到另一个，而无需任何额外的来自控制器应用的延迟。

一个很好的例子是：用于为纸、箔、抽丝机和光纤拉伸系统创建设定点级联目的的速度设定点值的传输。

设备行为模式及报文PROFIdrive为所有驱动器定义了通用基本状态机。

这可用来将驱动器放入特定的操作状态或以控制的方式关闭驱动器。

在循环数据交换信息中，控制和状况字组成了控制器与驱动器之间的接口。

以特定模式为基础来分配各个位。

进程数据（PZD）通过循环接口进行传送。

“Signal numbers”被定义用于最频繁使用的进程数据，并且这些便于写入进程数据接口及其组态。

标准报文已经依据这些标准信号被定义用于最频繁使用的应用。

在PROFIBUS和PROFINET中使用同样的标准报文。

状态机状态机是系统行为的一个详细模型，它由状态成、状态转换和动作组成。

它定义了在某个特殊命令后应该进入哪种状态和如何进入，以及在什么条件下，完成从一种状态到另一种状态的转换。

图4：PROFIdrive驱动的通用状态机由序列控制系统来决定和控制有关序列和时间限制的应用。

图4说明了PROFIdrive驱动的通用状态机。

蓝色区域描述了S1到S5的系统状态，箭头说明它们彼此之间可能发生的转变。

红点的数量说明了各种转换的优先权。

PROFIdrive参数模型行规参数PROFIdrive定义了适用于每个驱动系统的设备模型。

该设备由众多功能模块组成，这些模块在内部共同工作，以提供带有“智能”的驱动系统。

各种对象被分配到这些功能模块，并且构成了带有自动化进程的接口。

这些对象及它们的功能都在该行规中进行描述。

在行规中规定了这些对象参数。

它们包括驱动标识，故障缓冲器，驱动控制，设备标识，进程数据组态，以及全部参数表。

这些参数同样适用所有驱动器。

制造商特定参数在复杂设备情况下，参数可能增加到超过1000，所有其他参数为制造商特定的。

这些额外的参数以最大的灵活性提供给驱动制造商，以便实现诸如制造商特定的控制和监视功能。

虽然行规中并没有说明参数与这些功能的联系，但它定义了应用进程接口。

因此，即便用户改变驱动制造商，应用进程仍旧保持原有的。

参数访问总是非循环地访问参数，即，分别在进程通信的严格时间要求周期之间进行。

为了传输数据，定义了请求/响应数据结构，它们是完全分开的传输通道。

这可访问每台驱动器的256个轴，由此每根轴能够达到65,535个参数，并且每根轴依次达到65,535数组元素。

这意味着不仅这些参数值自身可以被访问，而且还可以访问相关参数描述及文本元素。

PROFIdrive应用模型如图2所示，模型主要由以下各项组成：∙驱动器中的应用进程，典型的电动机流量及速度控制∙控制器中的应用进程，包括位置控制和路径插补∙提供必要数据交换和应用进程同步服务的通信系统应用类应用进程分布在不同位置上的各种设备中。

将驱动器集成在自动化解决方案的方法十分依赖于相关驱动任务的类型。

考虑到简易性因素，PROFIdrive定义了6种应用类，这些类覆盖了整个潜在的驱动应用范围。

标准驱动（类1）在最简单的情节中，PROFIBUS或PROFINET 通过主要设定点（例如速度）来控制驱动器。

图5：标准驱动（类1）在驱动控制器中，可完全处理速度控制。

这种应用情节主要建立于常规驱动技术上下环境内，例如，原料处理，频率转换器等。

带有工艺功能的标准驱动（类2）“带有工艺功能的标准驱动”应用类为执行自动化应用提供一种高等级的灵活性。

使用这种类，整个自动化进程被分解成若干个较小的子进程，并被交叉分布若干驱动器中。

因此，自动控制功能不再简单地位于中央自动控制单元，而被交叉分布在若干驱动控制器中。

对于这种类，PROFIBUS或PROFINET用作高层的技术接口。

当然，它也是这种分布式控制的先决条件，这种控制的通信可能在所有方向发生，即，支持各个驱动控制器技术功能之间的节点对节点通信。

特殊的应用实例包括包含在丝网印刷生产中连续进程中的设定点级联、卷筒和速度同步。

定位驱动（类3）在这类中，驱动器除了安装驱动控制外，还安装了定位控制。

这意味着该驱动器对功能是自由的，在控制器处理所有较高层的工艺进程时，它作为一个自治的单轴定位驱动。

图6：定位驱动（类3）通过PROFIBUS或PROFINET，将定位任务传送到驱动控制器并启动。

定位驱动覆盖了极广范围的应用频谱，例如，在瓶装操作环境中扭转瓶盖开和关操作，或者箔切割机上的切刀定位。

中央运动控制（类4和类5）这种应用类定义了应用的速度设定点/实际位置接口，其中，驱动器需要处理速度控制，控制器则处理位置控制，例如，在机器人和机器工具应用情况下，它们包含在若干驱动器上的协调的运动序列。

图7：中央运动控制（类4）总线被用于闭合位置控制环。

为实现同步在较高级别控制器上的定位控制时钟脉冲和驱动控制器内的时钟脉冲，如同PROFIBUS DP和PROFINET IO所支持的时钟同步是必需的。

类5除了位置定点接口替代了速度定点接口外，其余相同。

带有定时进程和电子轴的分散式自动控制（类6）为了实现如“电子齿轮”、“凸轮盘”、“角同步”和“飞轮锯”应用，既需要从站到从站通信，也需要时钟同步通信。

编码器接口现代的数字伺服驱动器具有分析电动机编码器反馈的能力，以及（在可应用的地方）另一个无任何额外辅助的直接测试系统。

因此，现在将该接口安置在驱动器上，而不安置在控制器上。

这意味着编码器信息必须通过总线传送到控制器。

为此，在PROFIdrive标准中定义了编码器接口，它能够通过进程数据来传送多达三个编码器值。

动态伺服控制本行规还定义了名为“动态伺服控制”的创新控制概念，它提供了一种容易的方法来更加动态的完成应用类4的静态位置控制环。

这通过执行一种附加测量方法来实现，该测量方法通常联合速度设定点接口来最小化延迟。

诊断图8示出了PROFIdrive诊断功能的基本结构，它被分为与警报有关的类和与故障有关的类。