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現場總線是20世紀80年代中期在國際上發展起來的。它應用在生產現場，實現微機化測量設備之間的雙向串行多節點數字通信，它適應了工業控制系統向分散化、網絡化、智能化方向的發展，一經產生便成為全球工業自動化技術的熱點，受到全世界的普遍關注。自80年代末以來，幾種現場總線技術如FF、Lonworks、Canbus、Profibus等已逐漸成熟并對工業自動化進程形成影響。Profibus是Process FieldBus的縮寫，是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供可行的解決方案。 膠帶運輸是煤礦生產中十分重要的環節，監控系統在該環節的投入是煤礦現代化生產的趨勢。本文以皖北礦務局祁東煤礦的井下膠帶監控系統為例，簡介Profibus現場總線技術在監控系統中的應用。 1 Profibus現場總線技術 1.1 Profibus概貌 Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產商的現場總線標準，廣泛應用于工業自動化。Profibus根據應用特點分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速(數據傳輸速率9.6kbit/s~12Mbit/s)的經濟的設備級網絡，主要用于現場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調速系統快速響應的時間要求；Profibus-PA采用IECII58-2標準，傳輸速率為31.25kbit/s，并提供本質安全特性，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或非循環數據交換任務。 1.2 總線拓樸結構 根據現場設備到控制器的連接方式，現場總線的拓撲結構可有多種形式，通常采用以下三種：線形、樹形和環形。Profibus采用的是線形結構，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場設備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時還可發送信息到輸出通道。在這種總線結構下，可實現多主式和對等式通信，可以兩個控制器共享同一個系統中的信息和I/O站。另外，不需關閉總線系統就可以把一個I/O設備從總線上拆下，這給總線系統的維修帶來了很大方便。 1.3 Profibus-DP的設備類型 根據實際設計需要，本系統采用Profibus-DP。每個Profibus-DP系統包括以下三種不同類型的設備： (1)DP主站類型1 它是Profibus-DP應用的中心部件，在一個規定的、重復的信息周期內，中央控制器或PC機與分布式從站(DP從站)交換信息。非循環傳輸的數據與循環的測量值相比不是經常變動的，因此這種數據與快速循環的有用數據一起傳輸，但它以較低的優先級傳輸。主站中的中斷確認保證由DP從站來的中斷可靠傳輸。 (2)DP主站類型2 這種類型的設備(如編程器、組態設備或操作設備)用于DP系統的啟動、組態或用于正常運行過程（如診斷）中的系統操作。此類型的主站可以讀取由設備來的輸入、輸出、診斷和組態數據。 (3)DP從站 一個DP從站是一個I/O設備，它讀取輸入信息并向I/O提供輸出信息，輸入和輸出信息數取決于設備類型，最大為244字節。 1.4 Profibus-DP的通信協議 Profibus現場總線采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，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協議，根據數據傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸介質。 Profibus-DP數據鏈路層協議媒體訪問控制(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IEEE8024協議一致，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，該主站依照關系表與從站或與其它主站進行通信。主從方式的數據鏈路協議與局域網標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式(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；主站發出命令，從站給出響應；從站可以連續發送多個幀，直到無信息發送、達到發送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數據鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。正常響應模式主站與從站之間傳輸幀的格式如圖2所示。 F為幀標志字段(8位)。A為從站地址字段。控制字段C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、監控幀和無編號幀。其中信息幀用于應用數據的傳輸并捎帶應答；監控幀用于監視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態作出各種響應(如認可幀、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，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的應用數據構成，PKW用于讀寫參數值，如寫入控制字或讀出狀態字等，一般為4B長，而PZD用于存放控制器的具體控制值、設置站點或狀態字的參數，一般為2~10B長，如PZD的第二個字節可設為0#~7#設備的起停控制位。FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內容進行循環冗余碼(CRC)校驗。HDLC幀最長可達24B。 Profibus-DP并未采用ISO/OSI的應用層，而是自行設置一用戶層。該層定義了DP的功能、規范與擴展要求等。 綜上所述可知， Profibus-DP的實時性遠高于其它局域網，因而特別適用于工業現場。 2 井下膠帶監控系統的硬件結構 Profibus-DP被應用于皖北礦務局祁東煤礦井下膠帶監控系統，硬件系統如圖3所示，整個系統由上位機、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現場設備組成。Profibus-DP總線將所有設備連接起來。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I/O模塊。 (1)分布式I/O系統 本系統采用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與現場總線相連。I/O模塊下的執行器和傳感器連接到現場設備，I/O模塊按主/從模式向現場設備提供輸出數據并向CPU或上位機饋送輸入數據。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，根據程序內容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態字，控制硬件設備。 (3)上位機 是DP類型2主站。本系統采用研華工控機作為上位機，通過現場總線接口卡CP5611使工控機與現場總線相連。這樣工業PC機與現場總線網段就連接為能完成組態、運行、操作等功能的完整的控制網絡系統。為了保證系統的穩定性，系統運用了雙機冗余，將另一臺工控機通過同樣的現場總線接口卡CP5611與現場總線相連，若其中一臺工控機發生故障，另一臺可繼續運行。 3 井下膠帶監控系統的軟件結構 軟件結構部分包括Windows NT 操作系統、下位機編程軟件、上位機監控軟件。 3.1 下位機編程軟件 本系統采用SIMATIC S7-300的配套編程工具STEP7完成硬件組態、參數設置、PLC程序編制、測試、調試和文檔處理。通常，用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數據塊(DB)構成。其中，OB是系統操作程序與應用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存取數據的存儲區，本系統中它是上位機監控軟件與STEP7程序的數據接口點。在MPI中配置與其相對應的DB塊就可實現上位機監控軟件FIX與STEP7程序的數據接口。 3.2 上位機監控軟件 FIX工控組態軟件是由美國 Intellution公司開發的基于 Windows9X&NT的大型應用軟件，它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數據庫技術、網絡技術于一身，包含動態顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網絡通信等組件，提供一個友好的用戶界面，使用戶可根據實際生產需要生成相應的應用軟件。 3.2.1 與Profibus現場總線的接口 (1)數據流程 FIX運用I/O驅動程序從設備中讀寫數據，每個I/O驅動程序支持其特定硬件。對于本系統的PROFIBUS網絡，采用MPI驅動程序獲取其上數據。FIX組態軟件首先通過MPI驅動程序軟件接口從現場的過程硬件中獲取數據，存入DIT驅動程序映象表中(驅動程序映象表在系統運行時實際上是一塊內存區)，FIX的內部數據庫(PDB)通過 SAC程序從DIT表中獲取它所需的數據，應用軟件(如FIX的畫面運行程序、報表生成程序等)都通過內部數據庫訪問軟件從FIX內部數據庫中獲取來自過程硬件的信息，這樣就可以實現在工業流程畫面上動態地顯示現場各過程硬件的運行狀態，數據也可以按相反的順序寫回現場過程硬件，執行控制操作。相應的數據采集流程如圖4所示。 (2)MPI配置 MPI驅動程序的應用中很重要的問題是STEP7和FIX的地址轉換問題，在STEP7中設置的DB塊應轉換為MPI的DB塊，這需要在MPI配置中實現。對MPI進行配置包括通道、設備、起始地址及其它一些參數，令MPI的DB塊與STEP7中設置的DB塊相對應，FIX的應用程序才能獲取現場數據。 3.2.2 用戶界面開發 本控制系統開發的人機接口界面有以下幾種： (1)信息顯示畫面 信息顯示畫面主要顯示各膠帶當前運行狀態信息值，如當前膠帶帶速、儲煤倉的倉位以及一些故障信息，如膠帶跑偏、堵塞、打滑等，并可用不同的顏色來表示當前狀態為正常還是異常。 (2)設備控制畫面 盡管下位機程序能實現在現場總線上的數據采集和控制信號的輸出，并實現PID控制等一些簡單的控制算法，但復雜的控制功能仍需要在上位機上實現人工控制，在畫面中點擊相應設備按鈕就可對該設備進行單獨控制。 (3)實時報警處理 對系統實時采集的數據進行判斷，發出報警信號，并按技術要求進行處理并自動進行相應的設備控制，如對膠帶故障信號的解鎖及其恢復等。 (4)報表打印 利用FIX的DDE功能開發出實時報表并具有隨時打印功能。 (5)實時數據曲線顯示 監視設備重要參數的變化趨勢曲線，從而可以了解設備在一段時間的運行狀況。 (6)歷史趨勢畫面 功能與實時數據曲線類似，只是它顯示的是過去一段時間設備的運行參數值。 皖北礦務局祁東煤礦井下膠帶監控系統現已投入運行，設備運轉情況良好，經濟效益顯著，深受用戶好評。 |
