基于Profibus總線的煤礦膠帶臨控系統(tǒng)

　　現(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的。它應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，實現(xiàn)微機化測量設(shè)備之間的雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信，它適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向的發(fā)展，一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術(shù)的熱點，受到全世界的普遍關(guān)注。自80年代末以來，幾種現(xiàn)場總線技術(shù)如FF、Lonworks、Canbus、Profibus等已逐漸成熟并對工業(yè)自動化進(jìn)程形成影響。Profibus是Process FieldBus的縮寫，是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供可行的解決方案。

　　膠帶運輸是煤礦生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)在該環(huán)節(jié)的投入是煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)的趨勢。本文以皖北礦務(wù)局祁東煤礦的井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)為例，簡介Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　一、Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)

　　（一）Profibus概貌

　　Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s～12Mbit/s）的經(jīng)濟的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時間要求；Profibus-PA采用IECII58-2標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為31.25kbit/s，并提供本質(zhì)安全特性，適用于安全性要求較高以及由總線供電的場合；Profibus-FMS主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速度的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)。

　　（二）總線拓樸結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備到控制器的連接方式，現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有多種形式，通常采用以下三種：線形、樹形和環(huán)形。Profibus采用的是線形結(jié)構(gòu)，其特點是簡明，用一根總干線從控制器連接到機械裝置（控制對象），總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場設(shè)備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時還可發(fā)送信息到輸出通道。在這種總線結(jié)構(gòu)下，可實現(xiàn)多主式和對等式通信，可以兩個控制器共享同一個系統(tǒng)中的信息和I/O站。另外，不需關(guān)閉總線系統(tǒng)就可以把一個I/O設(shè)備從總線上拆下，這給總線系統(tǒng)的維修帶來了很大方便。

　　（三）Profibus-DP的設(shè)備類型

　　根據(jù)實際設(shè)計需要，本系統(tǒng)采用Profibus-DP。每個Profibus-DP系統(tǒng)包括以下三種不同類型的設(shè)備：

　　1．DP主站類型1 它是Profibus-DP應(yīng)用的中心部件，在一個規(guī)定的、重復(fù)的信息周期內(nèi)，中央控制器或PC機與分布式從站(DP從站)交換信息。非循環(huán)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與循環(huán)的測量值相比不是經(jīng)常變動的，因此這種數(shù)據(jù)與快速循環(huán)的有用數(shù)據(jù)一起傳輸，但它以較低的優(yōu)先級傳輸。主站中的中斷確認(rèn)保證由DP從站來的中斷可靠傳輸。

　　2．DP主站類型2 這種類型的設(shè)備（如編程器、組態(tài)設(shè)備或操作設(shè)備）用于DP系統(tǒng)的啟動、組態(tài)或用于正常運行過程（如診斷）中的系統(tǒng)操作。此類型的主站可以讀取由設(shè)備來的輸入、輸出、診斷和組態(tài)數(shù)據(jù)。

　　3．DP從站 一個DP從站是一個I/O設(shè)備，它讀取輸入信息并向I/O提供輸出信息，輸入和輸出信息數(shù)取決于設(shè)備類型，最大為244字節(jié)。

　　（四）Profibus-DP的通信協(xié)議

　　Profibus現(xiàn)場總線采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，如圖1所示。其傳輸速率為 9.6kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m，在1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)既可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。
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介質(zhì)。

　　Profibus-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議媒體訪問控制（MAL）部分采用受控訪問的令牌總線（Token Bus）和主從方式。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)系表與從站或與其它主站進(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）。該模式的工作特點是：總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路；主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)；從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，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階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。正常響應(yīng)模式主站與從站之間傳輸幀的格式如圖2所示。

　　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、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀、監(jiān)控幀和無編號幀。其中信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)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，對鏈路狀態(tài)作出各種響應(yīng)（如認(rèn)可幀、請求重傳或暫停等）；無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式、釋放鏈路及報告特殊情況等。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)置站點或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為2B～10B長，如PZD的第二個字節(jié)可設(shè)為0#～7#設(shè)備的起停控制位。FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗。HDLC幀最長可達(dá)24B。

　　Profibus-DP并未采用ISO/OSI的應(yīng)用層，而是自行設(shè)置一用戶層。該層定義了DP的功能、規(guī)范與擴展要求等。

　　綜上所述可知，Profibus-DP的實時性遠(yuǎn)高于其它局域網(wǎng)，因而特別適用于工業(yè)現(xiàn)場。

　　二、井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　Profibus-DP被應(yīng)用于皖北礦務(wù)局祁東煤礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)如圖3所示，整個系統(tǒng)由上位機、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現(xiàn)場設(shè)備組成。Profibus-DP總線將所有設(shè)備連接起來。其中，Profibus-DP主站、Profibus-DP從站均采用SIMATIC S7-300的模塊系列，主站為CPU315-2DP系列模塊，從站為相應(yīng)I/O模塊。

　　1．分布式I/O系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用ET200通訊模塊與Profibus-DP相連接，ET200充分利用了SIMATIC S7-300的模塊系列，將所有的S7-300 I/O模塊通過接口模板IM153與現(xiàn)場總線相連。I/O模塊下的執(zhí)行器和傳感器連接到現(xiàn)場設(shè)備，I/O模塊按主/從模式向現(xiàn)場設(shè)備提供輸出數(shù)據(jù)并向CPU或上位機饋送輸入數(shù)據(jù)。I/O模塊屬于DP從站。

　　2．CPU 作為DP類型1主站，CPU位于控制中心，本系統(tǒng)采用CPU315-2DP模塊化中型PLC，它具有強大的處理能力，并集成了Profibus-DP現(xiàn)場總線接口裝置，同時還具有0.3ms處理1024個語句的速度。PLC程序在上位機的編程工具STEP7中編譯完成后下載到CPU315，并存儲在CPU315中。CPU315可自動運行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設(shè)備。

　　3．上位機 是DP類型2主站。本系統(tǒng)采用研華工控機作為上位機，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5611使工控機與現(xiàn)場總線相連。這樣工業(yè)PC機與現(xiàn)場總線網(wǎng)段就連接為能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)運用了雙機冗余，將另一臺工控機通過同樣的現(xiàn)場總線接口卡CP5611與現(xiàn)場總線相連，若其中一臺工控機發(fā)生故障，另一臺可繼續(xù)運行。