PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線及其在工業(yè)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘要】本文介紹了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議，PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線在管加工搬遷改造工程熱處理線回火爐區(qū)域輔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線：Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議；回火爐區(qū)域輔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)；

0前言

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備通信的數(shù)字化革命。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號(hào)，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)， 構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。近些年來(lái)，Profibus作為一種現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)通訊的形式在控制中以獲得廣泛應(yīng)用。

1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

1.1PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程兩類。

FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN總線、LonWorks總線、Profibus總線、HART總線是當(dāng)前流行的幾類現(xiàn)場(chǎng)總線。與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造、過(guò)程控制和樓宇自動(dòng)化等。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線開放性和不依賴于廠商的通信的設(shè)想，已在10多萬(wàn)成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)，在德國(guó)和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)份額超過(guò)40%。 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線有國(guó)際著名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是符合德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50179的現(xiàn)場(chǎng)總線，包括 PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對(duì)總線具有控制權(quán)，主站間通過(guò)傳遞令牌來(lái)傳遞對(duì)總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUS-DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。在管加工搬遷改造工程熱處理線回火爐區(qū)域輔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的是Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線。

1.2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議

PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。

PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection—SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖所示：

Profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)定問(wèn)是根據(jù)iso7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（osi）作為參考模型的。

Profibus-DP使用第一層、第二層和用戶接口。這種結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行нM(jìn)行，直接數(shù)據(jù)鏈路映象（DDLM）為用戶接口提供第二層功能映象，用戶接口規(guī)定了用戶系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同Profibus-DP設(shè)備的設(shè)備行為。

Profibus-PA使用Prfibus-DP的基本功能傳送測(cè)量值和狀態(tài)，并用擴(kuò)展的Profibus-DP功能來(lái)制定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)和進(jìn)行設(shè)備操作。另外它使用了描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)，根據(jù) IECI 158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可確保其本征安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電。

Profibus-FMS對(duì)第一、第二和第七層均加以定義，其中應(yīng)用層包括了現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)格（Fieldbus Message Specification，F(xiàn)MS）和低層接口（Lower interface，LLI）。FMS向用戶提供了廣泛的通信服務(wù)功能，LLI則向FMS提供了不依賴設(shè)備訪問(wèn)第二層（現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層）的能力，第二層主要完成總線訪問(wèn)控制和保持?jǐn)?shù)據(jù)的可靠性。在管加工搬遷改造工程熱處理線回火爐區(qū)域輔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的是PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊。

1.3 PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊

PROFIBUS-DP（DistributedI/OS-分布系統(tǒng)）是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模塊，有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的通信，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對(duì)時(shí)間要求比較高的自動(dòng)化場(chǎng)合。

PROFIBUS—DP采用主從方式和低層的令牌環(huán)傳遞相結(jié)合的形式進(jìn)行通道分配，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以將總線系統(tǒng)分割成線段，分步建立，段間用中繼器連接，每個(gè)段可以有32個(gè)網(wǎng)絡(luò)站，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到126個(gè)網(wǎng)站。由于最大傳輸速率可達(dá)12Mbps，以及其第2層采用SRD（發(fā)送并要求回送）功能，使得輸入、輸出數(shù)據(jù)可以在一個(gè)周期內(nèi)完成，所以傳輸速度提高了，可盡可能地減少總線周期。而在單主站系統(tǒng)中只有一個(gè)主站，這種組態(tài)提供了最短的總線周期。

1.4 PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊的網(wǎng)絡(luò)組成

PROFIBUS-DP有三種不同的設(shè)備類型：DP主站A、DP從站B、DP從站。DP主站A是PROFIBUS-DP應(yīng)用系統(tǒng)的中心部件，在一個(gè)規(guī)定的、重復(fù)的信息周期內(nèi)，中央控制器或PC與分布式從站（DP從站）交換信息。新的DP功能擴(kuò)展能進(jìn)行非循環(huán)讀和寫，并與循環(huán)數(shù)據(jù)通訊并行處理中斷確認(rèn)。非循環(huán)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)于循環(huán)的測(cè)量值相比不是經(jīng)常變動(dòng)的，因此，這種數(shù)據(jù)與快速循環(huán)的有用數(shù)據(jù)傳輸在一起，但以較低的優(yōu)先級(jí)傳輸。主站中的中斷確認(rèn)保證由DP從站來(lái)的中斷的可靠傳輸；DP主站B如編程器、組態(tài)設(shè)備或操作設(shè)備，它用于DP系統(tǒng)的啟動(dòng)、組態(tài)或用于正常運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)操作。DP主站B可以度取由設(shè)備來(lái)的輸入、輸出、診斷和組態(tài)數(shù)據(jù)。擴(kuò)展的DP功能也包括非循環(huán)存取從站的參數(shù)和測(cè)量值，這類性的從站要求在啟動(dòng)和正常運(yùn)行過(guò)程中提供擴(kuò)展的參數(shù)；DP從站是一種I/O設(shè)備，它提供的輸入和輸出信息取決于設(shè)備類型，單位通訊單元的長(zhǎng)度最大為244字節(jié)。

2PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊在管加工搬遷改造工程熱處理線回火爐區(qū)域輔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊具有上述特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)管加工搬遷改造工程熱處理線回火爐區(qū)域輔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)選用了PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊。

2.1工藝概述

定徑機(jī)前后輥道將回火爐出來(lái)的鋼管送往定徑機(jī)，升降擋板將鋼管定位后，翻管機(jī)將廢次管撥入廢管收集框。星形撥料機(jī)將鋼管撥入溫矯前鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)，溫矯前鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)將鋼管送至溫矯前升降托板（二）上。升降托板（二）接受溫矯前鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)送入的鋼管，并將其放入溫矯前固定輥道組內(nèi)。溫矯前固定輥道將鋼管送往溫矯直機(jī)。上料翻管機(jī)（一）將冷床后輸送輥道（B組）上的鋼管撥入雙向鏈?zhǔn)嚼浯?。下料翻管機(jī)（一）將接受雙向鏈?zhǔn)嚼浯菜统龅匿摴?，并將鋼管放在冷床后輸送輥道（B組）上。冷床后雙向鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)將鋼管送至定徑機(jī)后輥道C組和冷床后輸送輥道B組。上料翻管機(jī)（二）將定徑機(jī)后輥道C組上的鋼管撥入雙向鏈?zhǔn)嚼浯?，下料翻管機(jī)（二）接受雙向鏈?zhǔn)嚼浯菜统龅匿摴埽摴芊旁诙◤綑C(jī)前后輥道C組上。將定徑后的鋼管送往雙向鏈?zhǔn)嚼浯睬昂蜏爻C后鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)（一）輸送輥道內(nèi)。將雙向鏈冷床下來(lái)的鋼管送往溫矯后鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)（一）輸送輥道內(nèi)。將溫矯后鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)（一）輸送輥道內(nèi)的鋼管送至雙向鏈?zhǔn)嚼浯睬啊⒍◤胶蟮匿摴芩屯鶞爻C前鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)。

2.2硬件和軟件需求

硬件：PROFIBUS-DP主站 S7-300 CPU315-2DP（6ES7 315-2AG10-0AB0）SM374

PROFIBUS-DP從站 S7-300 CPU315-2DP（6ES7 315-2AG10-0AB0）SM374

PROFIBUS電纜及接頭

CP5512（PCMCIA卡，用于筆記本電腦）或PC適配器，CP5611（PC機(jī)）

軟件：STEP7 V5.3 SP2

2.3系統(tǒng)的組成

管加工搬遷改造工程熱處理線回火爐區(qū)域輔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)由1個(gè)主站、1個(gè)ET200M從站、5個(gè)變頻器從站和1根PROFIBUS-DP網(wǎng)線構(gòu)成。如下圖所示：

本系統(tǒng)采用了PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊，1個(gè)主站帶6個(gè)從站。主站CPU 315-2DP和變頻器從站設(shè)在電磁站內(nèi)，ET200M從站設(shè)在操作臺(tái)內(nèi)，主站CPU 315-2DP與變頻器從站、ET200M從站間采用相同的PROFIBUS-DP總線通訊協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，視線數(shù)據(jù)的傳輸與控制。

在本系統(tǒng)中從站可自行處理回火爐區(qū)域的工藝流程，在無(wú)通訊的情況下也可以單獨(dú)運(yùn)行。此外，還可以在各自的操作員面板上設(shè)定工藝參數(shù)和查詢報(bào)警，最后在程序中將要通訊的數(shù)據(jù)打包。主站主要做通訊和監(jiān)控，在通訊正常的情況下將所有從站中的數(shù)據(jù)上傳并進(jìn)行數(shù)據(jù)分解。為了使從站故障時(shí)也能監(jiān)控到，在操作面板中輸入子機(jī)架故障模塊和I/O訪問(wèn)出錯(cuò)的模塊，這樣可以在網(wǎng)絡(luò)和I/O出現(xiàn)故障時(shí)也能使主CPU繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)造成系統(tǒng)全停的情況發(fā)生，系統(tǒng)各部位之間也不相互影響。

管加工搬遷改造工程熱處理線回火爐區(qū)域所有輔機(jī)設(shè)備通過(guò)主站S7300 CPU 315-2DP控制，在無(wú)上位機(jī)的情況下所有輔機(jī)設(shè)備均能正常運(yùn)行。

3結(jié)論

具備一定規(guī)模的鋼鐵企業(yè)基本上都已實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)的過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有大量的設(shè)備需要進(jìn)行自動(dòng)化控制，生產(chǎn)已經(jīng)高度自動(dòng)化。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣，灰塵大、震動(dòng)強(qiáng)、環(huán)境溫度變化大，而且需要二十四小時(shí)連續(xù)不斷地運(yùn)行，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備較其它行業(yè)有更高的要求。采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線方式不但能滿足這方面的要求，而且選用PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通訊減少了故障點(diǎn)，且系統(tǒng)各部位能單獨(dú)運(yùn)行而不相互影響，特別適用于工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)。

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