北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所 陳忠華

1 前言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，交、直流傳動(dòng)是最為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域之一，各種生產(chǎn)行業(yè)，例如機(jī)械、冶金、石化、紡織、輕工、交通、采礦、運(yùn)輸?shù)?，都離不開(kāi)使用電動(dòng)機(jī)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界生產(chǎn)的電能有60%是用在電動(dòng)機(jī)上的。交、直流傳動(dòng)的應(yīng)用主要有以下幾大類型：

（1）固定速傳動(dòng)或?qū)φ{(diào)速要求不高的可變速傳動(dòng)，主要應(yīng)用有：風(fēng)機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)、傳送帶驅(qū)動(dòng)、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)工具和簡(jiǎn)單運(yùn)輸工具等；

（2）高精度可變速傳動(dòng)，主要應(yīng)用于各類生產(chǎn)線：例如，高速彩色印刷、薄膜、造紙生產(chǎn)線、灌裝生產(chǎn)線、軋鋼生產(chǎn)線、銅鋁箔軋制生產(chǎn)線等；

（3）具有定位和插補(bǔ)功能的運(yùn)動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)，主要應(yīng)用有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車裝配線、物流控制、立體倉(cāng)庫(kù)控制等。在現(xiàn)代生產(chǎn)中往往需要將上述各種類型的設(shè)備，集成在一個(gè)大的工程項(xiàng)目中，其特點(diǎn)是設(shè)備的分散性和需要集中統(tǒng)一的控制和管理（分布式控制系統(tǒng)），于是網(wǎng)絡(luò)和通信控制成為解決這類控制和管理的最佳途徑。圖1表示了這種控制方式的典型結(jié)構(gòu)，分“上層”和“底層”兩個(gè)控制層面，“上層”的功能主要是管理和優(yōu)化，典型的系統(tǒng)是MES (Manufacturing Execution System)制造執(zhí)行系統(tǒng)和ERP（Enterprise Execution System）計(jì)劃執(zhí)行系統(tǒng)，由于需要大量的信息和數(shù)據(jù)交換，通信主要采用“以太網(wǎng)”協(xié)議?！暗讓印敝饕鉀Q生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的控制問(wèn)題，一般對(duì)實(shí)時(shí)性能有一定要求，希望控制命令能得到快速的響應(yīng)，控制器和控制設(shè)備之間交換的數(shù)據(jù)和信息量并不很大，現(xiàn)場(chǎng)總線通信最適合這一層的應(yīng)用。圖1上的控制裝置（例如，PLC或DCS控制系統(tǒng)），起到承上啟下的功能，一方面通過(guò)SCADA (上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)或可視化“人-機(jī)界面”（HM I）將從“底層”采集到的信息和數(shù)據(jù)，傳送給“上層”管理系統(tǒng)。另一方面又通過(guò)I/O數(shù)據(jù)通道（圖1中的①）給“底層”傳動(dòng)裝置，發(fā)送“命令”和接收實(shí)際值，通過(guò)參數(shù)通道（圖1中的②）讀/寫(xiě)裝置參數(shù)，本文將就這方面的最新動(dòng)向作一系統(tǒng)介紹。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線行規(guī)（Profile）說(shuō)明

現(xiàn)場(chǎng)總線是指“生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)底層控制設(shè)備之間的開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)”，由國(guó)際電工委員會(huì)IEC認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158包含10種現(xiàn)場(chǎng)總線類型，其中應(yīng)用比較廣泛的有三類：類型2 Control-Net現(xiàn)場(chǎng)總線類型3 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線類型10 PROFInet 現(xiàn)場(chǎng)總線一般現(xiàn)場(chǎng)總線都遵循ISO_OSI（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織_開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)）的網(wǎng)絡(luò)7層模型定義，上述三種類型對(duì)模型作了簡(jiǎn)化，只包含有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層?，F(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于可變速傳動(dòng)裝置的通信，是應(yīng)用層中的一個(gè)專門領(lǐng)域，由于其應(yīng)用范圍廣泛又非常重要，所以專門作了特殊的定義，稱為可變速傳動(dòng)行規(guī)（Profile）。適用于現(xiàn)場(chǎng)總線類型3（PROFIBUS）和類型10（PROFInet）的行規(guī)為PROFIdrive行規(guī)，而且成為IEC的一個(gè)獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)IEC 61800-7。

圖1 現(xiàn)代工廠自動(dòng)化控制和網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)圖

PROFIdrive行規(guī)最早制定于1991年，當(dāng)時(shí)適用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是PROFIBUS_DP_v0，其通信方式只有周期性通信一種，而且只能由主站訪問(wèn)從站，隨著PROFIBUS的標(biāo)準(zhǔn)由DP_v0升級(jí)至版本號(hào)DP_v1和DP_v2，在2002年P(guān)ROFIdrive行規(guī)的版本號(hào)也升級(jí)為v3.1，通信方式增加了非周期的參數(shù)訪問(wèn)和從站對(duì)從站之間的通信。至2005年P(guān)ROFIdrive新的版本號(hào)為v4.1，這一版本還覆蓋了現(xiàn)場(chǎng)總線類型10 PROFINET標(biāo)準(zhǔn)（是基于“以太網(wǎng)”的現(xiàn)場(chǎng)總線）。具體對(duì)制造商的產(chǎn)品言，以德國(guó)Siemens公司為例，西門子的前期傳動(dòng)產(chǎn)品像直流傳動(dòng)裝置SIMOREG(6RA70系列)和交流變頻器SIMOVERT系列，應(yīng)用的通信行規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是POFIdrive_v3.1，而新一代的SINAM ICS系列（直流的6RA80裝置和交流S120裝置）均已應(yīng)用通信行規(guī)POFIdrive_v4.1標(biāo)準(zhǔn)。行規(guī)v4.1比行規(guī)v3.1有很多不同之處，特別在應(yīng)用分類方面，v4.1明確定義了6種應(yīng)用類型及相應(yīng)的通信接口，v4.1還考慮了裝置的安全標(biāo)準(zhǔn)PROFIsafe和裝置的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)PROFIenergy，這一些都是現(xiàn)場(chǎng)總線通信在傳動(dòng)行業(yè)應(yīng)用的最新動(dòng)向，下面加以說(shuō)明。圖2表示了PROFIdriv行規(guī)定義的通用驅(qū)動(dòng)應(yīng)用模型。

在應(yīng)用模型中包含有控制器、上位控制裝置和若干臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置以及它們之間的通信關(guān)系（周期和非周期的數(shù)據(jù)交換）。行規(guī)v4.1 又對(duì)通信“伙伴”（Communication Partner）定義了分類：

（1）控制器：控制器或自動(dòng)化系統(tǒng)主站，舉例，PLC(可編程控制器)、NC(數(shù)控系統(tǒng))、RC(機(jī)器人控制系統(tǒng))；

（2） 外部設(shè)備（P設(shè)備）：帶一個(gè)或多個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)設(shè)備；

（3）上位監(jiān)控裝置：舉例，工程師站或HM I(人-機(jī)界面)。

圖2 PROFIdriv行規(guī)定義的通用驅(qū)動(dòng)應(yīng)用模型

圖3 PROFIdrive_v4.1定義的設(shè)備分類和它們之間的通信關(guān)系

PROFIdrive的驅(qū)動(dòng)設(shè)備（P-設(shè)備）根據(jù)軸的數(shù)目，一般有一個(gè)或多個(gè)功能目標(biāo)組成。每一個(gè)這樣的目標(biāo)表示一個(gè)軸的功能，稱為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)（DO）。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)多軸傳動(dòng)裝置，也能模塊化為由PROFIdrive 驅(qū)動(dòng)目標(biāo)（DO）組成的模型。圖3表示了PROFIdrive_v4.1定義的設(shè)備分類和它們之間的通信關(guān)系。圖4描繪了PROFIdrive 驅(qū)動(dòng)目標(biāo)中的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)流的情況，首先現(xiàn)場(chǎng)總線是以“幀”結(jié)構(gòu)的方式向下傳送數(shù)據(jù)的，按照通信服務(wù)的分類，分別傳送非周期通道通信數(shù)據(jù)、周期通道通信數(shù)據(jù)、報(bào)警通道的報(bào)警事件和處理信息，如果應(yīng)用中有“同步”要求的話，傳送時(shí)鐘同步命令等。

有關(guān)通信服務(wù)說(shuō)明如下：

周期數(shù)據(jù)交換：在驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制過(guò)程，必須要周期性地激活數(shù)據(jù)交換，從通信系統(tǒng)的觀點(diǎn)，即要求新的設(shè)定值必須周期地從控制應(yīng)用處理器傳送到驅(qū)動(dòng)器，以及當(dāng)前的實(shí)際值也必須相反方向驅(qū)動(dòng)器傳送到控制處理器。周期傳送既可以按等時(shí)方式也可以按非等時(shí)方式完成，這一點(diǎn)，取決于應(yīng)用的要求和所選擇的PROFIdrive應(yīng)用類型。

圖4 驅(qū)動(dòng)軸或PROFIdrive驅(qū)動(dòng)目標(biāo)（DO）中的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)流情況

非周期數(shù)據(jù)交換：除了設(shè)定值和實(shí)際值的周期傳送之外，在對(duì)應(yīng)用過(guò)程參數(shù)化時(shí)，需要用到一些參數(shù)，控制器訪問(wèn)這些參數(shù)時(shí)，可以非周期地進(jìn)行，因?yàn)?，這類訪問(wèn)在時(shí)間上，并沒(méi)有太嚴(yán)格的要求（參看圖4上的非周期數(shù)據(jù)通道）。

報(bào)警機(jī)制：報(bào)警機(jī)制（參看圖4的報(bào)警通道）是由故障事件控制的以及用來(lái)改變?cè)O(shè)定值和對(duì)驅(qū)動(dòng)軸或驅(qū)動(dòng)裝置的故障條件的確認(rèn)。

等時(shí)操作（Isochronous operation）：任何現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)行規(guī)都必須要能支持分布式驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的等時(shí)操作方式，因?yàn)檫@是多軸系統(tǒng)按坐標(biāo)精確移動(dòng)的唯一方法，舉例，在數(shù)控（NC）或機(jī)器人控制（RC）系統(tǒng)中的路徑轉(zhuǎn)移，或者與電子齒輪系統(tǒng)相關(guān)的精確同步。這一點(diǎn)意味著驅(qū)動(dòng)行規(guī)必須滿足下面兩個(gè)要求：

（1）不同裝置的多應(yīng)用處理要基于公共主時(shí)鐘的同步；

（2）要保證在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)上可靠地完成各個(gè)處理器之間的周期數(shù)據(jù)交換，這樣可以保證所有相關(guān)的輸入和輸出數(shù)據(jù)有時(shí)間作進(jìn)一步的處理。PROFIdrive行規(guī)應(yīng)用將每一個(gè)裝置的從站時(shí)鐘與系統(tǒng)的主時(shí)鐘精確同步的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)同步處理，見(jiàn)圖5。

圖5 在等時(shí)模式中的處理器同步化

為了同步從站時(shí)鐘，PROFIdrive應(yīng)用實(shí)際通信系統(tǒng)中的相關(guān)服務(wù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS而言，這一功能是DP_v2的集成部件，對(duì)PROFINET IO而言，這是它的等時(shí)實(shí)時(shí)功能部件（帶IRT的PROFINET）。對(duì)于PROFIdrive，等時(shí)通信是驅(qū)動(dòng)同步的基礎(chǔ)。它不只是一個(gè)總線系統(tǒng)上的“幀”流量問(wèn)題，而是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)等距離時(shí)基。內(nèi)部控制回路的算法，舉例，在驅(qū)動(dòng)器中的速度和電流控制器或上位自動(dòng)化系統(tǒng)中的控制器，也需要相互之間時(shí)間同步（見(jiàn)圖5）。在以后要說(shuō)明的應(yīng)用類型4、5和6中的典型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，時(shí)鐘信號(hào)的“抖動(dòng)”必須保證小于或等于1微秒。

從站-從站之間的通信：從站-從站之間的通信，允許裝置之間進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)交換，而不必經(jīng)過(guò)主站 / 控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。作為一個(gè)結(jié)果，裝置在接收其它驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際值時(shí)的延時(shí)將會(huì)是最小的。這樣容易實(shí)現(xiàn)高性能的要求，像交叉軸控制回路這類的功能，也能通過(guò)這一方式實(shí)現(xiàn)。這一功能打開(kāi)了全新的應(yīng)用領(lǐng)域，特別在分布式驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中。作為例子，對(duì)于造紙、薄膜、線材以及紡織品的生產(chǎn)機(jī)械，為了建立速度設(shè)定值的級(jí)聯(lián)關(guān)系，可以應(yīng)用這一功能來(lái)轉(zhuǎn)移速度設(shè)定值?，F(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS DP和PROFINET IO都能實(shí)現(xiàn)從站-從站之間的通信功能。

PROFIdrive服務(wù)操作模式和基本狀態(tài)機(jī)：對(duì)所有PROFIdrive中的應(yīng)用類型，定義了唯一的基本狀態(tài)機(jī)，它用來(lái)將驅(qū)動(dòng)帶入特定的工作狀態(tài)或切換驅(qū)動(dòng)到一特定的方式。對(duì)應(yīng)用類型3“位置驅(qū)動(dòng)”，基本狀態(tài)機(jī)被擴(kuò)展至包括控制位置功能的位置狀態(tài)機(jī)。圖6表示PROFIdrive的基本狀態(tài)機(jī)（通用狀態(tài)圖）。圖上的藍(lán)色方塊表示驅(qū)動(dòng)軸的狀態(tài)從S1到S5，其中箭頭表示狀態(tài)之間可能實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)移，如果這種轉(zhuǎn)移存在有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的話，則箭頭線上的紅色圓點(diǎn)數(shù)目，表示優(yōu)先權(quán)等級(jí)的高低（見(jiàn)圖右下角表示的優(yōu)先權(quán)排序）。圖上的黃色方塊表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件，是由控制命令來(lái)控制的，這些命令是控制器轉(zhuǎn)移至驅(qū)動(dòng)軸的控制字上的位碼。

圖6 PROFIdrive驅(qū)動(dòng)軸的基本狀態(tài)機(jī)

通信幀：對(duì)周期數(shù)據(jù)通信幀，由控制器發(fā)出的控制字和狀態(tài)字構(gòu)成了對(duì)基本狀態(tài)機(jī)控制的命令接口。根據(jù)特殊的應(yīng)用類型，定義具體的控制字和狀態(tài)字位。除了控制字和狀態(tài)字，驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)定值和實(shí)際值也是通過(guò)周期接口傳送的。PROFIdrive 用串形信號(hào)說(shuō)明周期數(shù)據(jù)接口，從這個(gè)意義上說(shuō)，PROFIdrive信號(hào)是控制字和狀態(tài)字以及設(shè)定值和實(shí)際值。信號(hào)的數(shù)目由信號(hào)內(nèi)容和轉(zhuǎn)移格式唯一確定。為了使用戶應(yīng)用時(shí)更為簡(jiǎn)單、方便，將典型的周期接口數(shù)據(jù)的傳輸定義成PROFIdrive幀來(lái)實(shí)施的。如此，PROFIdrive幀的數(shù)目本質(zhì)上是固定定義好的一組PROFIdrive信號(hào)，它們唯一地說(shuō)明周期數(shù)據(jù)接口。PROFIdrive幀對(duì)PROFIBUS和PROFINET本質(zhì)是相同的。在特殊的應(yīng)用情況下制造商也能附加定義制造商指定的幀。

參數(shù)管理：PROFIdrive參數(shù)管理是通過(guò)非周期通信通道工作的，為用戶提供了對(duì)PROFIdrive參數(shù)訪問(wèn)的廣泛服務(wù)。除了讀、寫(xiě)參數(shù)值之外，還附加提供了參數(shù)屬性，例如，也可以讀到參數(shù)說(shuō)明。為了改善非周期參數(shù)通道的通信性能，在參數(shù)管理中定義了多參數(shù)服務(wù)。

PROFIdrive的參數(shù)模型：PROFIdrive定義的驅(qū)動(dòng)模型在現(xiàn)在的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中都能找到（至少有一部分）。裝置是由各種功能模塊組成的，這些模塊表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能功能。這些功能模塊按圖4分配參數(shù)，這些參數(shù)是用于對(duì)功能模塊組態(tài)和參數(shù)化（圖4的過(guò)程數(shù)據(jù)）。除此之外，參數(shù)也用來(lái)內(nèi)部表示功能模塊的輸入和輸出值（圖4上的“設(shè)定值”和“實(shí)際值）。通過(guò)內(nèi)部連接參數(shù)，功能模塊能夠集成在周期數(shù)據(jù)交換中。除此之外，PROFIdrive參數(shù)管理器，通過(guò)非周期數(shù)據(jù)通道能夠訪問(wèn)每一個(gè)驅(qū)動(dòng)參數(shù)。在驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，PROFIdrive的參數(shù)通道是完成許多任務(wù)的基礎(chǔ)，例如：

參數(shù)分配和調(diào)試

在替換裝置時(shí)的數(shù)據(jù)備份

擴(kuò)展診斷功能，跟蹤以及診斷緩沖區(qū)

行規(guī)指定的參數(shù)：PROFIdrive行規(guī)應(yīng)用參數(shù)號(hào)900到999定義的參數(shù)，對(duì)所有的裝置都是一致的，這些參數(shù)與應(yīng)用類型無(wú)關(guān)。這些參數(shù)分配作為行規(guī)指定參數(shù)，以及保證驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)接口的互操作性以及通用特性。舉例，驅(qū)動(dòng)識(shí)別功能，故障緩沖，驅(qū)動(dòng)控制，裝置識(shí)別，以及幀組態(tài)和完整的“執(zhí)行參數(shù)”表都包含在行規(guī)指定的參數(shù)中。

制造商指定參數(shù)：在行規(guī)中沒(méi)有說(shuō)明的參數(shù)，分配作為制造商指定參數(shù)。這些參數(shù)由于制造商的不同，驅(qū)動(dòng)裝置以及其支持的驅(qū)動(dòng)功能不同而有差別的。制造商指定參數(shù)使得驅(qū)動(dòng)制造商有一定的靈活性, 使他們能實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品的特殊驅(qū)動(dòng)功能，例如，特殊的控制、工藝、以及監(jiān)視功能。作為其結(jié)果，驅(qū)動(dòng)裝置的制造商們能夠從先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)行規(guī)中得利，不必單獨(dú)出售他們之前的技術(shù)革新和獨(dú)特的性能，這些都是他們的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖7 PROFIdrive定義的6種驅(qū)動(dòng)應(yīng)用類型

根據(jù)圖2，一個(gè)驅(qū)動(dòng)類型由以下要素決定：

（1）由驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用處理決定，典型的是電動(dòng)機(jī)的電流控制和速度控制（在圖2中的底層），（2） 由控制器中的應(yīng)用處理決定，這些可能包括簡(jiǎn)單的速度設(shè)定，位置控制或路徑插補(bǔ)（圖2中的頂層），（3）由通信系統(tǒng)（圖2中的中層）決定，通信提供對(duì)數(shù)據(jù)交換的相關(guān)服務(wù)，有需要時(shí)要進(jìn)行應(yīng)用處理之間的同步。集成在自動(dòng)化解決方案中的驅(qū)動(dòng)類型，在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，鑒于這一理由，PROFIdrive行規(guī)定義了6種應(yīng)用類型（AK）, 涵蓋了整個(gè)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍。一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置可以跨有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用類型，取決于市場(chǎng)的分段和裝置的應(yīng)用。PROFIdrive行規(guī)允許制造商靈活地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，來(lái)滿足具體的市場(chǎng)需求。

AK1標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)：這是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)類型，有一個(gè)主設(shè)定值，例如速度設(shè)定值，在PROFIBUS DP或PROFINET IO通信方式下控制驅(qū)動(dòng)（圖7中的應(yīng)用類型1）。速度控制的算法，整個(gè)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部處理。這一類型在常規(guī)驅(qū)動(dòng)中是應(yīng)用最多的，例如，用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)控制的變頻器。

AK2帶工藝附加功能的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)：標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)帶工藝功能的應(yīng)用類型（圖7中的應(yīng)用類型2），對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的應(yīng)用提供了高度的靈活性。采用這種類型，整個(gè)自動(dòng)化過(guò)程被分割成若干個(gè)子過(guò)程，分配給多個(gè)驅(qū)動(dòng)。這樣自動(dòng)化功能不再只在中央控制器中運(yùn)行，以及PROFIBUS DP或PROFINET IO起了上位工藝接口的功能。當(dāng)然，工藝處理的分散化要求具有多向通信的能力，這樣單個(gè)驅(qū)動(dòng)的的工藝處理以及相互之間必須要有從站對(duì)從站的通信。具體舉例，對(duì)需要連續(xù)運(yùn)行的片狀材料（造紙、高速印刷、薄膜、電線電纜、銅箔、鋁箔等）生產(chǎn)處理，要求設(shè)定值級(jí)聯(lián)、卷繞以及速度同步等應(yīng)用。

AK3位置驅(qū)動(dòng)：這類應(yīng)用的特點(diǎn)是除了驅(qū)動(dòng)控制（速度和位置控制）外，還有定位的要求。這樣驅(qū)動(dòng)器所起的作用是自動(dòng)單軸驅(qū)動(dòng)，而上位控制器進(jìn)行運(yùn)行的工藝處理（圖7中的應(yīng)用類型3）。定位的任務(wù)是驅(qū)動(dòng)器通過(guò)PROFIBUS DP或PROFINET IO控制，從位置原點(diǎn)轉(zhuǎn)移到位置終點(diǎn)。定位驅(qū)動(dòng)具有廣泛的應(yīng)用范圍，舉例，在飲料灌裝線中，瓶蓋的扭開(kāi)和關(guān)閉，薄膜切割機(jī)械的刀片定位。

AK4和AK5 帶中央插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)：應(yīng)用類型4在設(shè)定值接口和實(shí)際值接口之間定義了一個(gè)接口，這一應(yīng)用類型的速度控制是在驅(qū)動(dòng)器中執(zhí)行的，而位置控制是在上位控制器中完成的，典型的應(yīng)用是機(jī)器人控制和數(shù)控機(jī)床（圖7中的應(yīng)用類型4和5）。對(duì)多軸的運(yùn)動(dòng)控制是由中央控制器實(shí)現(xiàn)的，例如，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)（NC）其位置控制閉環(huán)是通過(guò)總線的通信進(jìn)行的。為使上位控制器中的位置控制和驅(qū)動(dòng)器中的速度控制的時(shí)鐘保持同步，要求實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步（在PROFIBUS DP_v2和帶IRT的PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中均有時(shí)鐘同步功能）。應(yīng)用類型5與應(yīng)用類型4是類同的，差別只在于由位置設(shè)定接口替代速度設(shè)定接口。

AK6帶時(shí)鐘處理和電子軸的分布式自動(dòng)化應(yīng)用類型：這一應(yīng)用類型的例子有“電子齒輪”、“電子凸輪”、“角同步”以及“飛剪”等。這一應(yīng)用類型既要用到“從站”與“從站”之間的通信，又要用到時(shí)鐘同步通信。在上述應(yīng)用類型中典型的方法是由主驅(qū)動(dòng)軸對(duì)若干個(gè)從驅(qū)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行（見(jiàn)圖7中的應(yīng)用類型6），主驅(qū)動(dòng)軸在設(shè)定值下運(yùn)行，同時(shí)還給其它驅(qū)動(dòng)軸提供信息（例如，實(shí)際位置值），通過(guò)同步通信，從驅(qū)動(dòng)將跟隨主驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

附加功能 :在上面的應(yīng)用類型說(shuō)明中，還可以擴(kuò)展帶有附加功能的選項(xiàng)。

多編碼器接口：在典型的高精度伺服系統(tǒng)中，除了電動(dòng)機(jī)編碼器之外，還有其它測(cè)量系統(tǒng)，PROFIdrive對(duì)每個(gè)軸，最多能支持3個(gè)位置編碼器。除此之外，編碼器的信息必須通過(guò)PROFIdrive的接口傳送到控制器，為此目的，PROFIdrive提供了多編碼器通道的標(biāo)準(zhǔn)通信幀。從原理上講，編碼器接口，能與任何應(yīng)用類型相結(jié)合，而這些應(yīng)用類型又必須向上位控制器傳送精確的實(shí)際值。應(yīng)用類型4和5就是這類應(yīng)用的典型實(shí)例。

動(dòng)態(tài)伺服控制：在行規(guī)中新定義的動(dòng)態(tài)伺服控制概念，適用于應(yīng)用類型4，用來(lái)在驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械時(shí)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)閉環(huán)性能。在速度控制循環(huán)中，通過(guò)直接在驅(qū)動(dòng)器的位置閉環(huán)中選擇動(dòng)態(tài)干擾阻尼部件，由它的反饋?zhàn)饔茫瑢?shí)現(xiàn)閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能的改善。為此目的，需要在，a)驅(qū)動(dòng)中激活一個(gè)附加的反饋網(wǎng)絡(luò)（圖8中的DSC控制方塊），以及，b）將設(shè)定值的幀，擴(kuò)展包括上位控制器中的位置偏差的計(jì)算值。DSC的干擾阻尼功能只服務(wù)于改善剛性機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（例如，電動(dòng)機(jī)與機(jī)械直接連接的驅(qū)動(dòng)）。在平常的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，固有的機(jī)械頻率比較低，DSC在原理上是不能對(duì)這類系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能控制作出改善的。

圖8 動(dòng)態(tài)伺服控制（DSC）概念

PROFIdrive行規(guī)中的診斷功能：圖9表示了PROFIdrive行規(guī)具有的驅(qū)動(dòng)診斷功能范圍，通常分為警告處理機(jī)制和故障處理機(jī)制，這兩層的概念使得緊急的問(wèn)題在早期就能得到通知，從而能及時(shí)地進(jìn)行防范，這樣很容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與工廠的維修概念相結(jié)合。

圖9 PROFIdrive行規(guī)診斷功能

警告機(jī)制：警告是一種信息格式，以最快的方式自動(dòng)確認(rèn)尋址到的警告源，警告的目是及時(shí)發(fā)出合適的警告信息，防止出現(xiàn)故障條件。原則上在同一時(shí)間可以存在若干個(gè)警告（例如，“相關(guān)的電動(dòng)機(jī)繞組的溫度”，“直流母線電壓過(guò)低”，“無(wú)連接”），一般警告不會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)停機(jī)。行規(guī)對(duì)警告機(jī)制定義了若干參數(shù)，每個(gè)參數(shù)表示一個(gè)警告字。在驅(qū)動(dòng)或驅(qū)動(dòng)軸中出現(xiàn)的每一個(gè)警告，映像到警告字中占據(jù)一個(gè)位。

故障機(jī)制：在驅(qū)動(dòng)器中一個(gè)故障條件（例如，過(guò)熱），總會(huì)觸發(fā)一個(gè)裝置規(guī)定的響應(yīng)，在一般情況下驅(qū)動(dòng)將停機(jī)。與此同時(shí)，一個(gè)或多個(gè)說(shuō)明故障條件的信息將寫(xiě)入故障緩沖器（見(jiàn)圖9）。寫(xiě)入 PROFIdrive故障緩沖器中的故障，通常是由裝置規(guī)定的故障號(hào)、應(yīng)用規(guī)定的故障代碼選擇項(xiàng)、與故障相關(guān)的故障值或故障號(hào)發(fā)生時(shí)間選擇項(xiàng)等組成（見(jiàn)圖10）。由裝置規(guī)定的故障號(hào)和故障代碼信息為裝置提供了非常詳細(xì)的診斷措施。無(wú)論什么時(shí)候當(dāng)引起故障的原因消失后，用戶必須明確地發(fā)送故障確認(rèn)命令，故障確認(rèn)不會(huì)被刪除，而是歸檔在故障緩沖區(qū)中，以便以后對(duì)故障進(jìn)行跟蹤，故障緩沖區(qū)的大小由裝置規(guī)定。

集成在PROFIdrive標(biāo)準(zhǔn)中的診斷機(jī)制：為使不同的制造商具有相同的診斷機(jī)制，PROFIdrive行規(guī)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的故障分類診斷觀點(diǎn)（見(jiàn)圖10），以及詳細(xì)的故障緩沖機(jī)制和警告字定義。借助于PROFIdrive的故障分類，對(duì)所有按照PROFIdrive行規(guī)生產(chǎn)的裝置，將會(huì)有唯一的、一致的診斷機(jī)制。故障分類的結(jié)構(gòu)，考慮以下因素：驅(qū)動(dòng)裝置的典型模塊和功能模塊，要對(duì)用戶和服務(wù)人員在完成快速、系統(tǒng)的故障排除過(guò)程中提供強(qiáng)有力的支持。警告和故障將作為報(bào)警目標(biāo)（故障、維修命令、維修要求），通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET報(bào)警通道，通知上位控制器。這一點(diǎn)保證了PROFIdrive驅(qū)動(dòng)集成到PROFIBUS和PROFINET標(biāo)準(zhǔn)診斷系統(tǒng)的一致性。

圖10 PROFIdrive 故障緩沖區(qū)說(shuō)明

3 附加行規(guī)

除了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功能像速度控制，位置控制以及運(yùn)動(dòng)控制之外，驅(qū)動(dòng)裝置還集成有更多附加功能，這些功能以前是要用外部的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在可以集成在驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些附加功能的兩個(gè)典型例子是基于安全的技術(shù)和能量管理功能。這些附加的驅(qū)動(dòng)功能要求新的通信關(guān)系以及附加的通信行規(guī)。驅(qū)動(dòng)工藝是PROFIBUS和PROFINET驅(qū)動(dòng)裝置的典型例子，他們不僅支持原始的應(yīng)用行規(guī)，也還支持其它的附加行規(guī)（公共應(yīng)用行規(guī)）。為了保證在基本的PROFIdrive功能與這些附加功能之間的相互作用能平滑地實(shí)現(xiàn)，定義和指定的相互作用已經(jīng)被包括在PROFIdrive之中。

PROFIsave安全行規(guī)安全技術(shù)集成到驅(qū)動(dòng)中，由于消除了對(duì)外部監(jiān)視器件的需要，從而減少了接線的費(fèi)用和節(jié)省了空間，因此是非常有益的。從這一觀點(diǎn)看，PROFIdrive和PROFIsave是一種完美組合，兩個(gè)行規(guī)一起建立了一套協(xié)調(diào)的單元，能夠應(yīng)用相同的總線來(lái)既控制安全功能又控制標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)功能（見(jiàn)圖11）。

圖11 集成在驅(qū)動(dòng)裝置中的基于安全的驅(qū)動(dòng)

對(duì)驅(qū)動(dòng)的安全功能是通過(guò)與上位控制器中的安全用戶程序進(jìn)行周期的幀交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由PROFIsave安全傳輸通道傳輸這些周期幀。為了有效操作的目的，要協(xié)調(diào)好F-控制器與驅(qū)動(dòng)控制器之間的順序。舉例來(lái)說(shuō)，在運(yùn)動(dòng)控制中事先測(cè)量到的信息，像速度的下降或運(yùn)動(dòng)受到了限制，在選擇安全功能之前，在運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)中要先作出處理。這一點(diǎn)說(shuō)明了為什么驅(qū)動(dòng)控制要求與F控制器進(jìn)行直接的信息交換以及在驅(qū)動(dòng)中進(jìn)行安全處理（附加的安全信息）。在這種情況下，PROFIdrive對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的通信幀，定義了標(biāo)準(zhǔn)化的靈活擴(kuò)展，使得能適用于所有的應(yīng)用類型。PROFINET IO的“共享-裝置”概念，能使標(biāo)準(zhǔn)和安全功能分布到不同的物理控制器/PLC之間，從而在本質(zhì)上擴(kuò)展了集成安全技術(shù)的的可用性。

PROFIenergy能量管理行規(guī)：電驅(qū)動(dòng)占據(jù)了工業(yè)能源需求的很大份額。隨著能源價(jià)格的不斷上升，價(jià)格因素導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品也越來(lái)越貴。從好的一面來(lái)說(shuō)，也對(duì)從事該行業(yè)的所有公司提供了巨大的節(jié)能機(jī)會(huì)。特別對(duì)高能耗領(lǐng)域，在應(yīng)用了節(jié)能型驅(qū)動(dòng)和智能能量管理系統(tǒng)后，能夠本質(zhì)上的節(jié)省能耗。這一點(diǎn)使得在什么地方出現(xiàn)了PROFIenergy，就會(huì)提供一個(gè)唯一的裝置-/制造商-中間部門的接口，用來(lái)控制在PROFENET裝置中的節(jié)能功能。圖12表示了對(duì)于PROFIdrive驅(qū)動(dòng)中PROFIenergy的可能應(yīng)用。

能耗分析：為了進(jìn)行能耗分析，要在上位能量管理系統(tǒng)中對(duì)整個(gè)工廠的能量流進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量，在現(xiàn)代的驅(qū)動(dòng)技術(shù)中都裝備有對(duì)電流和速度控制測(cè)量的傳感器，這樣已經(jīng)具備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的條件。然而至今這些數(shù)據(jù)還沒(méi)有全部進(jìn)行測(cè)量或者提供唯一的制造商指定的基礎(chǔ)。在PROFIenergy中對(duì)能量信息功能的標(biāo)準(zhǔn)化，意味著驅(qū)動(dòng)能比較容易地集成到能耗分析系統(tǒng)中，從而消除了對(duì)附加的能量?jī)r(jià)格測(cè)量裝置的要求，除此之外，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的行為和能量的測(cè)量還能用于對(duì)過(guò)程和工廠的診斷。備用管理PROFIdrive的備用管理功能，能用來(lái)將“空閑”的PROFIdrive驅(qū)動(dòng)置于能量?jī)?yōu)化的備用狀態(tài)。這樣做PROFIenergy希望在“空閑”的時(shí)間間隔與驅(qū)動(dòng)通信，是基于“空閑”的時(shí)間間隔，使得驅(qū)動(dòng)停止在“子處理”或“子部件”狀態(tài)，為了激活備用狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)首先關(guān)閉其應(yīng)用狀態(tài)，即在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)前，驅(qū)動(dòng)必須切換到“狀態(tài)機(jī)”的S2模式，這一點(diǎn)是由驅(qū)動(dòng)控制完成的。

圖12 在總線驅(qū)動(dòng)技術(shù)中節(jié)能的出發(fā)點(diǎn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS_DP_v2和PROFINET IO以及可變速傳動(dòng)行規(guī)PROFIdrive_v4.1的最新版本作為依據(jù)，介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線通信在交、直流傳動(dòng)行業(yè)應(yīng)用的最新動(dòng)向。作者曾經(jīng)于2010年8月號(hào)的“自動(dòng)化博覽”上，撰寫(xiě)了“應(yīng)用PLC和DP總線實(shí)現(xiàn)對(duì)可變速傳動(dòng)裝置的通信和控制”，該文是以DRIVECOM行規(guī)應(yīng)用于德國(guó)Lenze公司的9400交流伺服控制系列產(chǎn)品，作為例子，詳細(xì)介紹了通信機(jī)制和通信程序的編寫(xiě)。作者又與今年（2013年）1、2月號(hào)的“自動(dòng)化博覽”上，撰寫(xiě)了“應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的可變速傳動(dòng)行規(guī)PROFIdrive實(shí)現(xiàn)參數(shù)通道通信的機(jī)制和程序編寫(xiě)”，該文是以PROFIdrive_v3.1行規(guī)應(yīng)用于德國(guó)Siemens公司的6RA70直流傳動(dòng)裝置，作為例子，詳細(xì)介紹了通信機(jī)制和通信程序的編寫(xiě)。行規(guī)PROFIdrive_v4.1比行規(guī)v3.1有很多不同之處，特別在應(yīng)用分類方面，v4.1明確定義了6種應(yīng)用類型及相應(yīng)的通信接口，v4.1還考慮了裝置的安全標(biāo)準(zhǔn)PROFIsafe和裝置的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)PROFIenergy，這些最新動(dòng)向，反應(yīng)在德國(guó)Siemens公司的產(chǎn)品上有SINAM ICS系列（直流的6RA80裝置和交流S120裝置）產(chǎn)品，有關(guān)這類產(chǎn)品適用的通信機(jī)制和程序編寫(xiě)，待以后再撰文詳細(xì)介紹。