基于Profibus現(xiàn)場總線煤礦井下膠帶臨控系統(tǒng)
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現(xiàn)場總線是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的。它應用在生產現(xiàn)場，實現(xiàn)微機化測量設備之間的雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信，它適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、智能化方向的發(fā)展，一經產生便成為全球工業(yè)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(xiàn)場總線技術如FF、Lonworks、Canbus、Profibus等已逐漸成熟并對工業(yè)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(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術，可實現(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(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(huán)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)在該環(huán)節(jié)的投入是煤礦現(xiàn)代化生產的趨勢。本文以皖北礦務局祁東煤礦的井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)為例，簡介Profibus現(xiàn)場總線技術在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。
1 Profibus現(xiàn)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(xiàn)場總線標準，廣泛應用于工業(yè)自動化。Profibus根據(jù)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(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s~12Mbit/s)的經濟的設備級網(wǎng)絡，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調速系統(tǒng)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(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務。
1.2 總線拓樸結構
根據(jù)現(xiàn)場設備到控制器的連接方式，現(xiàn)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(huán)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(xiàn)場設備處，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。在這種總線結構下，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，不需關閉總線系統(tǒng)就可以把一個I/O設備從總線上拆下，這給總線系統(tǒng)的維修帶來了很大方便。
1.3 Profibus-DP的設備類型
根據(jù)實際設計需要，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備：
(1)DP主站類型1 它是Profibus-DP應用的中心部件，在一個規(guī)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(huán)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與循環(huán)的測量值相比不是經常變動的，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(tài)設備或操作設備)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)取決于設備類型，最大為244字節(jié)。
1.4 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。
F為幀標志字段(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。其中信息幀用于應用數(shù)據(jù)的傳輸并捎帶應答；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(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(shù)據(jù)構成，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、設置站點或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為2~10B長，如PZD的第二個字節(jié)可設為0#~7#設備的起?？刂莆?。FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內容進行循環(huán)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(guī)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(wǎng)，因而特別適用于工業(yè)現(xiàn)場。
2 井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)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(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。
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