PROFIBUS總線的研究與應(yīng)用

摘要:隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，PROFIBUS總線在煤礦自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該文分析了PROFIBUS總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、介質(zhì)訪問(wèn)方式等，并探討了在煤礦皮帶集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:PROFIBUS;煤礦;集控

中圖分類(lèi)號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2009)25-7266-02

The Research and Application of PROFIBUS Network

ZONG Rui-mei

(Mengzhuang Coal Mine Anhui Wanbei Coal-Electricity Group Co.， Huibei 235200， China)

Abstract: With the progress of automation， surveillance systems and technology of centralized control in mine， most preparation plant introduced centralized control， This paper analyzes the structure of PROFIBUS bus protocol characteristics， media access methods， and to explore the application of belt control system in coal mine.

Key words: PROFIBUS; coal mine; centralized control

PROFIBUS是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在煤礦自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。它由三個(gè)兼容部分PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA以及PROFIBUS-FMS組成。基于主從式結(jié)構(gòu)的PROFIBUS協(xié)議以其簡(jiǎn)單實(shí)用的規(guī)約為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的報(bào)文交換提供了可靠的通信保證，在諸多煤礦現(xiàn)場(chǎng)均能正常工作。

1 PROFIBUS總線通信協(xié)議

1.1 PROFIBUS總線協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線全稱(chēng)為Process Field Bus，是1986年以德國(guó)西門(mén)子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，是德國(guó)國(guó)家現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的EN50170現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已被列入IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS是一種與制造無(wú)關(guān)的、開(kāi)放的廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

其中協(xié)議體系中的物理層(即第1層)定義了PROFIBUS系統(tǒng)的物理傳輸特性;數(shù)據(jù)鏈路層(第2層)定義了系統(tǒng)的總線存取協(xié)議，以及數(shù)據(jù)幀的格式等;應(yīng)用層(第7層)則定義了一些與上層應(yīng)用相關(guān)的接口功能。此外，在PROFIBUS的用戶(hù)層定義一些與特殊應(yīng)用場(chǎng)合相關(guān)的應(yīng)用規(guī)范。

PROFIBUS是由三個(gè)兼容的部分組成，即PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA以及PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP即分布式外圍設(shè)備(Decentralized Periphery)，PROFIBUS使用了第l層、第2層和用戶(hù)接口層，第3到7層未使用，這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映象程序(UDLM)提供對(duì)第2層的訪問(wèn)。在用戶(hù)接口中規(guī)定了PROFIBUS設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各種類(lèi)型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。這種為高速傳輸用戶(hù)數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS協(xié)議特別適用于可編程序控制器與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分散的I/0設(shè)備之間的通信。PROFIBUS-FMS即為現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范(FMS-Field Message Specification)，PROFIBUS-FMS使用了第1層、第2層和第7層。應(yīng)用層(第7層)包括FMS(現(xiàn)場(chǎng)報(bào)文規(guī)范)和LLI(低層接口)。FMS包括應(yīng)用協(xié)議和提供的通信服務(wù)，LLI建立各種類(lèi)型的通信關(guān)系，并給FMS提供不依賴(lài)于設(shè)備的對(duì)第2層的訪問(wèn)。FMS處理單元級(jí)(PLC和PC)的數(shù)據(jù)通信。PROFIBUS和PROFIBUS-FMS使用相同的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議。因此，可以在同一根電纜上同時(shí)運(yùn)行。

PROFIBUS-PA是PROFIBUS面向應(yīng)用的模塊化構(gòu)成方法的一個(gè)顯著例子。從協(xié)議規(guī)范的構(gòu)成來(lái)看，PROFIBUS-PA=PROFIBUS(基本功能+擴(kuò)展功能)+IEC1158-2傳輸技術(shù)+PA行規(guī)。它主要用于流程工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)或過(guò)程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如壓力、溫度和液位變送器等)之間的互連，并解決它們之間的通訊任務(wù)。PROFIBUS-PA采用IEC1158-2傳輸技術(shù)，具有總線供電和本質(zhì)安全特征，可用于有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域。

PROFIBUS MAC層是應(yīng)用令牌方式的典范。令牌是一種特殊的消息，只有擁有令牌的站點(diǎn)，才有權(quán)向環(huán)路上發(fā)送報(bào)文。站點(diǎn)在發(fā)送完畢后，將令牌交給網(wǎng)上的下一個(gè)站點(diǎn)。在令牌總線方式中，帶有目的地址的令牌幀廣播到總線上所有站點(diǎn)，當(dāng)目的站識(shí)別出符合它的地址，即把該令牌接收，任何時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，因而不會(huì)發(fā)生訪問(wèn)沖突。消息傳輸?shù)难舆t時(shí)間由環(huán)的大小決定。如果所有站都有報(bào)文要發(fā)送，則最壞情況下，等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間應(yīng)該等于全部站點(diǎn)令牌傳送時(shí)間和報(bào)文發(fā)送時(shí)間的總和。因此，令牌方式比較適合在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用，而且它對(duì)輕、重負(fù)載不敏感。PROFIBUS的站點(diǎn)包括主站和從站，PROFIBUS總線協(xié)議包括主站間的令牌傳遞方式和主從間的主從輪詢(xún)方式。當(dāng)主站得到令牌后，允許在一定時(shí)間內(nèi)與從站或其他主站通信。

1.2 介質(zhì)存取方式

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線作為應(yīng)用在設(shè)備層的公共總線，必須解決各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，同時(shí)保證通信的實(shí)時(shí)性。參照開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)協(xié)議(OSI)，在PROFIBUS協(xié)議中第二層的現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層(FDL)協(xié)議定義了總線存取控制協(xié)議(MAC)。通信網(wǎng)絡(luò)的效率、利用率、可靠性、實(shí)時(shí)性很大程度上取決于協(xié)議的MAC協(xié)議方式。

PROFIBUS系統(tǒng)采用由混合介質(zhì)存取方式實(shí)現(xiàn)的控制介質(zhì)存取:對(duì)應(yīng)于令牌傳遞原理的分散方式是以對(duì)應(yīng)于主-從原理的集中方式為基礎(chǔ)的。介質(zhì)存取控制可以被每一個(gè)主站(主動(dòng)站)使用。從站(被動(dòng)站)的作用是隨時(shí)地聽(tīng)從于介質(zhì)存取，即它們不能獨(dú)立地發(fā)送，只是在有請(qǐng)求時(shí)才發(fā)送。

PROFIBUS使用簡(jiǎn)化令牌總線協(xié)議(simple version of token-passing)作為MAC層標(biāo)準(zhǔn)。總線上的各個(gè)點(diǎn)以總線方式互連，主站點(diǎn)由PC、PLC等控制中心組成，從站由傳感器、執(zhí)行器等構(gòu)成。

總線上的每一個(gè)站點(diǎn)分配一個(gè)邏輯地址，主站點(diǎn)地址的集合組成一個(gè)邏輯環(huán)，令牌控制幀在邏輯環(huán)上的各個(gè)主站點(diǎn)輪轉(zhuǎn)，持有令牌的主站點(diǎn)被允許在持有期間輪詢(xún)各從站，以交換數(shù)據(jù)。

通信總是由獲得介質(zhì)存取權(quán)(即令牌)的主站發(fā)起。令牌在一個(gè)邏輯環(huán)中從一個(gè)主站傳遞給另一個(gè)主站。這樣，當(dāng)一個(gè)主站可以存取介質(zhì)時(shí)，令牌傳遞立即終止。令牌傳遞控制由每一個(gè)主站進(jìn)行管理，因?yàn)槊總€(gè)主站知道它的前者(它前面的站，PS)，即令牌是從它那里接收來(lái)的，而且知道它的后繼者(下一個(gè)站，NS)，即令牌將傳遞給它，還知道它自己的地址(即本站，TS)。在運(yùn)行參數(shù)第一次初始化后，每個(gè)主站確定它的PS和NS地址，按站地址的升序用令牌幀將令牌從一個(gè)主站傳送到另一個(gè)主站(見(jiàn)圖1)。有一個(gè)站例外，為了封閉邏輯令牌環(huán)，具有最高地址的站要傳送令牌給具有最低地址的站。

存取控制協(xié)議中定義了幾個(gè)重要的時(shí)間量:

1)目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間TTR:是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者指定的令牌在邏輯環(huán)上的循環(huán)時(shí)間。一般該時(shí)間在所有主站上設(shè)置一致。

2) 令牌實(shí)際循環(huán)時(shí)間TRR:令牌的實(shí)際動(dòng)態(tài)循環(huán)時(shí)間。其計(jì)算方法為:

在某主站收到令牌后，TRR開(kāi)始加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)，直到令牌再次到達(dá)該主站為止。計(jì)算這一時(shí)間時(shí)，需要考慮從站診斷報(bào)文、主從間的非周期數(shù)據(jù)交換、高優(yōu)先級(jí)報(bào)文、邏輯令牌動(dòng)態(tài)變化等情況下的動(dòng)態(tài)令牌循環(huán)時(shí)間。

3) 主站持有令牌時(shí)間TTH:某主站收到令牌到該主站將令牌傳送到下一主站的目標(biāo)時(shí)間，其表達(dá)式為T(mén)TH=TTR-TRR。

PROFIBUS根據(jù)報(bào)文的時(shí)間限制將報(bào)文劃分為兩種:高優(yōu)先級(jí)報(bào)文和低優(yōu)先級(jí)報(bào)文。同時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文又分為三種類(lèi)型:輪詢(xún)鏈表報(bào)文、非循環(huán)的低優(yōu)先級(jí)報(bào)文以及GAP鏈表報(bào)文。圖2給出了報(bào)文分類(lèi)的直觀說(shuō)明。

高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文對(duì)應(yīng)于有嚴(yán)格時(shí)限要求的同步通訊量，比如報(bào)警等。輪詢(xún)鏈表報(bào)文指站點(diǎn)根據(jù)它的輪詢(xún)鏈表對(duì)從屬于它的從站進(jìn)行的周期性輪詢(xún)過(guò)程。非循環(huán)的低優(yōu)先級(jí)報(bào)文對(duì)應(yīng)于零星的、沒(méi)有嚴(yán)格時(shí)間限制的報(bào)文，比如遠(yuǎn)程管理服務(wù)等。GAP鏈表報(bào)文用于動(dòng)態(tài)維護(hù)邏輯令牌環(huán)、GAP鏈表以及活動(dòng)站點(diǎn)鏈表等。

站點(diǎn)總是先處理高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文，再處理低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文。三種低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文也是按一定順序進(jìn)行處理:先處理輪詢(xún)鏈表報(bào)文，接著處理非循環(huán)的低優(yōu)先級(jí)報(bào)文，GAP鏈表報(bào)文只有在所有其它報(bào)文都處理完畢并且GAP更新計(jì)時(shí)器到時(shí)才會(huì)被發(fā)起。

2 PROFIBUS總線的煤礦應(yīng)用

煤礦是一個(gè)工作環(huán)境相對(duì)惡劣的特殊行業(yè)，而且對(duì)生產(chǎn)的安全性要求很高。煤礦井下控制網(wǎng)絡(luò)具有負(fù)荷不均勻、信息流向不對(duì)稱(chēng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化大、信息速率跨度大、對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求苛刻等特點(diǎn)。高實(shí)時(shí)性可以保證控制信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)和緊急故障的及時(shí)處理，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和安全性至關(guān)重要。隨著煤礦自動(dòng)化水平的提高以及在生產(chǎn)方面的越來(lái)越多的投入，煤礦井下大都安裝了以PROFIBUS總線為主的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)是將井下原煤輸送到地面的流通環(huán)節(jié)，采用自動(dòng)化技術(shù)控制井下皮帶、給煤機(jī)等可以大大提高井下煤炭運(yùn)輸效率。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用降低了工作難度、強(qiáng)度;能自動(dòng)控制、集中開(kāi)停等，操作簡(jiǎn)單、使用方便;便于管理查閱開(kāi)停記錄、傳感器報(bào)警信息等;實(shí)現(xiàn)了井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的安全、可靠、高效運(yùn)行。

根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分布情況，皮帶控制系統(tǒng)可利用光纖、電纜組成混合現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)及工業(yè)電視。

監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心，傳輸線路，井下控制分站和給煤機(jī)、煤倉(cāng)煤位、保護(hù)傳感器信號(hào)等構(gòu)成。

2.1 控制系統(tǒng)組成

主煤流運(yùn)輸皮帶集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由四部分組成:

1) 地面控制中心

地面控制中心設(shè)置在集控室，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)和工業(yè)電視對(duì)膠帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)視和集中控制。主要設(shè)備和設(shè)施包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、21`顯示器、網(wǎng)絡(luò)通信、不間斷電源和工業(yè)電視等。

2) 遠(yuǎn)距離通訊傳輸系統(tǒng)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線由光纖、雙絞線、集線器和網(wǎng)絡(luò)連接器等組成。

3) 井下控制及信號(hào)采集裝置

井下控制及信號(hào)采集裝置由兩部分組成，KJD15礦用隔爆兼本安膠帶機(jī)自動(dòng)控制裝置。該裝置控制核心部分采用德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的 S7-300 可編程控制器，其他主要元件均采用進(jìn)口元件。井下現(xiàn)場(chǎng)部分還包括電氣控制箱，外圍保護(hù)、監(jiān)測(cè)裝置等相關(guān)設(shè)施。

KJD15膠帶機(jī)控制裝置結(jié)合相應(yīng)配套的傳感器、控制器、網(wǎng)絡(luò)組件等完成對(duì)膠帶機(jī)和給煤機(jī)的就地、遠(yuǎn)程控制。

4) 保護(hù)和檢測(cè)裝置

堆煤保護(hù)、 低速打滑保護(hù)、 跑偏保護(hù)、 煙霧保護(hù)、 超溫灑水保護(hù)、煤位連續(xù)測(cè)量、電流和電壓

5) 工業(yè)電視

本系統(tǒng)主要由工業(yè)攝像設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備、傳輸設(shè)備、光纜等組成。主要包括攝像機(jī)、監(jiān)視器、轉(zhuǎn)換器、光纖和控制器等。工業(yè)攝像設(shè)備采用低照度低噪聲KD6002礦用本安型光纖攝象儀。

2.2 控制模式

為了滿(mǎn)足日常運(yùn)行、檢修、故障處理等需要，具備三種控制模式:就地、遠(yuǎn)程和自動(dòng)。操作人員可采用不同方式控制各條膠帶機(jī)的啟動(dòng)和停止。控制方式有三種:

1)地面集中控制

在這種方式下，操作人員只需在地面控制中心操作鍵盤(pán)或鼠標(biāo)，控制井下各條膠帶機(jī)和給煤機(jī)的起、停以及故障解除等。并且通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)音系統(tǒng)發(fā)布開(kāi)車(chē)提示命令。

2)人工就地控制

當(dāng)日常檢修或故障處理以及特殊需要時(shí)，操作人員可分別在各條膠帶機(jī)頭通過(guò)膠帶機(jī)自動(dòng)控制裝置控制膠帶機(jī)的起、停。

3) 控制方式變換

可以通過(guò)膠帶機(jī)自動(dòng)控制裝置手/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得二種控制方式互為備用、互相閉鎖，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

4) 后部閉鎖

具有同煤流方向相互閉鎖功能，實(shí)現(xiàn)逆煤流開(kāi)，順煤流停。

5) 啟動(dòng)方式

膠帶機(jī)采用直接啟動(dòng)方式。

6) 故障解除

上位機(jī)具有故障解除功能，對(duì)于使用中出現(xiàn)的各類(lèi)故障，非正常動(dòng)作，使用中視情節(jié)正確使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著煤礦自動(dòng)化水平的提高， PROFIBUS總線系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，提高了員工工作效率，降低了工作難度、強(qiáng)度;達(dá)到了安全、高效、可靠生產(chǎn)的目的，節(jié)省了大量人力資源，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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