基于Profibus現場總線的智能電動執行機構在鋼鐵廠的應用

摘 要：對智能型執行機構原理及特性做了介紹，并對帶profibus現場總線的智能電動執行機構通訊、配置、協議標準做了分析。結合鋼鐵廠水處理應用案例，分析了智能執行機構profibus總線實現形式。

關鍵詞：電動執行機構；Profibus；現場總線；智能型

引言

近年來，隨著工業革命的快速發展，尤其是工廠設備信息技術和自動化的快速變革，傳統控制設備的的智能化、信息化升級越來越受到最終用戶的重視。目前鋼廠電動執行機構的智能化升級包括兩個方面[1]，一方面是智能一體化升級，即閥位檢測、開關控制、故障診斷等均基于大規模集成電路實現，需要集微電子技術、控制技術、通訊技術、軟件技術和常規控制技術于一身。另一方面是遠程自動化控制的升級，現場總線[2]就是順應這一形勢發展起來的新技術。它主要解決工業現場的智能化執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。

現場總線控制技術的發展必然要求現場儀表滿足最新控制技術的要求。現代控制技術要求電動執行機構不單單只是實現簡單的執行功能，而是要求執行機構在可靠地完成執行功能的同時，能夠具有控制、運算、診斷和通訊等功能。

1 智能型電動執行機構原理分析

智能執行機構包括電機、機械傳動部分、電氣控制單元以及集成電子信息控制單元。其中電子控制單元是電動執行機構的核心單元。以圖1為例，中央處理器接受來自閥位信號和扭矩信號，與設定極限值比較，做出判斷，然后輸出控制命令。閥位處理器接受來自霍爾傳感器的位置信號，改變傳統的電位計機械計數方式，使得計數精度大大提高，并且不受行程限制。扭矩處理器采集電流互感器與電壓信號，計算出執行機構實時輸出扭矩，與設定的扭矩極限比較，如果過力矩，則切斷電機并發出報警信號。

2 帶profibus總線執行機構通訊介紹

帶Profibus總線執行機構[3][4]符合 PROFIBUS-DP/V0 協議，符合IEC61158：《用于測量和控制的數字數據通信--用于工業控制系統的現場總線》中的第3部分：PROFIBUS 規范。PROFIBUS國際組織（PI）的認證的PROFIBUS-DP接口模塊HB_PB500驅動，波特率自適應，最大波特率500K，具體通訊參數請查閱HBKJ0B9F.GSD文件。

Profibus總線接口采用RS485，分為差分和半雙工兩種形式。網絡拓撲為線性總線，兩端接有源的總線終端電阻。需采用屏蔽雙絞銅纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件。不用中繼器時每段最多32臺設備，如果使用中繼器，則最多可帶126臺設備。兩站點間最多4個有信號刷新的中繼器。插頭連接器為A、B、GND。數據安全性為奇偶校驗比特，起始/終止定界符。

3 帶profibus總線執行執行機構在煉鋼廠應用介紹

以某鋼鐵廠熱軋水處理系統電動執行機構為例，介紹帶Profibus總線電動執行機構控制及其實現方式。該系統上位機PLC采用Simens S7-400 Profibus-DP V0總線協議[5]。

3.1 總線信息的循環時間TMC

TMC=[Tsyn+Tidl+（2×9+輸入數據字節+輸出數據字節） ×11+TSDR] ×TBit×從站數=[33+75+（2×9+輸入數據字節+輸出數據字節） ×1+11] ×TBit×從站數

其中

TMC：總線信息的循環時間

Tsyn：同步時間

Tidl：主站再發信息間隔時間，典型值75 TBit

TSDR：從站延時時間，典型值11 TBit

TBit：位時間

在VAD智能型電動執行機構（PROFIBUS-DP）中采用 PROFIBUS-DP/V0協議實現主從站之間數據的周期性交換。報文格式提供高等級的傳輸安全性，除使用SRD服務實現邏輯的點對點的數據傳輸外，還允許進行廣播和群播通信的多點傳輸。在廣播通信中，一個主站發送信息給所有其它從站組或全體從站，數據交換過程是主站使用SDN服務對設定的從站組進行全局控制，此時沒有響應報文。

3.2 電動執行機構的報文格式（表1）

其中：

SD 起始定界符，用于區別不同的報文格式

LE 數據長度，包括DA、SA、FC、DSAP、SSAP、DU在內的所有用戶數據的長度

LEr LE的重復

SDr SD的重復

DA 傳輸的目的地地址

SA 傳輸幀的發起者的源地址

FC 功能碼域，用于標識本幀的類型

DU 用戶數據域，用于放置要“攜帶”的用戶數據

FCS 幀校驗序列

ED 終止定界符

* 表示有主站系統自動配置數據。

4 結束語

電動執行機構作為現場儀表的關鍵部件，其智能化升級改造具有緊迫性和重要性，而現場總線也是電動執行機構智能化的發展方向，profibus總線是目前市場上應用最廣泛的總線協議之一，深入的分析研究非常必要。下一步的研究將集中在多品種現場儀表的總線控制，profibus-DP V1總線控制協議等。

參考文獻

[1]梁 棟，卜旭輝，余發山.基于DSP的電動執行器控制系統[J].儀表技術與傳感器，2008（2）：61-63.

[2]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[3]李紀紅，趙輝，王紅君，岳有軍.總線型智能電動執行機構設計[J].天津理工大學學報，Vo.l25No.4Aug.2009，p16～19.

[4]施愛平，沈今括.基于PROFIBUS-DP總線的智能閥門電動執行機構的設計[J].機床與液壓，Nov.2009，Vol37No.11，p154～155.

[5]岳有軍，王紅君，基于PROFIBUS-DP現場總線的電動執行機構設計[J].制造業自動化.2008-11，p107～109.