Profibus現(xiàn)場總線技術在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用解析

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(chǎn)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(jīng)產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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。

一、Profibus現(xiàn)場總線技術

1、Profibus概貌

2、總線拓樸結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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。

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(nèi)，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(jīng)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)。

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(zhì)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(zhì)。

Profibus-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)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(wǎng)IEEE8024協(xié)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(quán)，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(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)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(fā)出命令，從站給出響應；從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀，直到無信息發(fā)送、達到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數(shù)據(jù)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?？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(gòu)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#設備的起停控制位。FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內(nèi)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。

二、井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

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SIMATICS7-300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(tǒng) 本系統(tǒng)采用ET200通訊模塊與Profibus-DP相連接，ET200充分利用了SIMATICS7-300的模塊系列，將所有的S7-300I/O模塊通過接口模板IM153與現(xiàn)場總線相連。I/O模塊下的執(zhí)行器和傳感器連接到現(xiàn)場設備，I/O模塊按主/從模式向現(xiàn)場設備提供輸出數(shù)據(jù)并向CPU或上位機饋送輸入數(shù)據(jù)。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(tǒng)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(xiàn)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(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設備。

（3）上位機是DP類型2主站。本系統(tǒng)采用研華工控機作為上位機，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5611使工控機與現(xiàn)場總線相連。這樣工業(yè)PC機與現(xiàn)場總線網(wǎng)段就連接為能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)運用了雙機冗余，將另一臺工控機通過同樣的現(xiàn)場總線接口卡CP5611與現(xiàn)場總線相連，若其中一臺工控機發(fā)生故障，另一臺可繼續(xù)運行。

三、井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)部分包括Windows NT 操作系統(tǒng)、下位機編程軟件、上位機監(jiān)控軟件。

1、下位機編程軟件本系統(tǒng)采用SIMATICS7-300的配套編程工具STEP7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理。通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)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(shù)據(jù)的存儲區(qū)，本系統(tǒng)中它是上位機監(jiān)控軟件與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點。在MPI中配置與其相對應的DB塊就可實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件FIX與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口。

2、上位機監(jiān)控軟件

FIX工控組態(tài)軟件是由美國 Intellution公司開發(fā)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(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術于一身，包含動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡通信等組件，提供一個友好的用戶界面，使用戶可根據(jù)實際生產(chǎn)需要生成相應的應用軟件。

（1）與Profibus現(xiàn)場總線的接口

①數(shù)據(jù)流程FIX運用I/O驅(qū)動程序從設備中讀寫數(shù)據(jù)，每個I/O驅(qū)動程序支持其特定硬件。對于本系統(tǒng)的PROFIBUS網(wǎng)絡，采用MPI驅(qū)動程序獲取其上數(shù)據(jù)。FIX組態(tài)軟件首先通過MPI驅(qū)動程序軟件接口從現(xiàn)場的過程硬件中獲取數(shù)據(jù)，存入DIT驅(qū)動程序映象表中（驅(qū)動程序映象表在系統(tǒng)運行時實際上是一塊內(nèi)存區(qū)），F(xiàn)IX的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫（PDB）通過SAC程序從DIT表中獲取它所需的數(shù)據(jù)，應用軟件（如FIX的畫面運行程序、報表生成程序等）都通過內(nèi)部數(shù)據(jù)庫訪問軟件從FIX內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中獲取來自過程硬件的信息，這樣就可以實現(xiàn)在工業(yè)流程畫面上動態(tài)地顯示現(xiàn)場各過程硬件的運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)也可以按相反的順序?qū)懟噩F(xiàn)場過程硬件，執(zhí)行控制操作。相應的數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

基于總線技術的礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設計

②MPI配置MPI驅(qū)動程序的應用中很重要的問題是STEP7和FIX的地址轉(zhuǎn)換問題，在STEP7中設置的DB塊應轉(zhuǎn)換為MPI的DB塊，這需要在MPI配置中實現(xiàn)。對MPI進行配置包括通道、設備、起始地址及其它一些參數(shù)，令MPI的DB塊與STEP7中設置的DB塊相對應，F(xiàn)IX的應用程序才能獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

（2）用戶界面開發(fā)

本控制系統(tǒng)開發(fā)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(tài)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(tài)為正常還是異常。

②設備控制畫面盡管下位機程序能實現(xiàn)在現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)采集和控制信號的輸出，并實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)進行判斷，發(fā)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(fā)出實時報表并具有隨時打印功能。

⑤實時數(shù)據(jù)曲線顯示

監(jiān)視設備重要參數(shù)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(shù)據(jù)曲線類似，只是它顯示的是過去一段時間設備的運行參數(shù)值。皖北礦務局祁東煤礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已投入運行，設備運轉(zhuǎn)情況良好，經(jīng)濟效益顯著，深受用戶好評。