PROFIBUS總線(xiàn)通信協(xié)議在造紙中的應用
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PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫(xiě)，是由德國西門(mén)子公司提出的一種現場(chǎng)總線(xiàn)標準，現在已成為了一種國際性的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準, 即EN50-170歐洲標準。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠(chǎng)家都為它們生產(chǎn)的設備提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已經(jīng)廣泛應用于加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化，應用范圍非常廣泛。 PROFIBUS以其先進(jìn)的技術(shù)和非凡的可靠性代表了當今現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展方向。
PROFIBUS根據應用特點(diǎn)分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA。三個(gè)版本，分別用于不同的場(chǎng)合，如圖1所示。
PROFIBUS—DP：經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專(zhuān)為設備級分散I／O之間通信設計，使用PROFIBUS—DP模塊可取代價(jià)格昂貴的數字或模擬信號線(xiàn),用于分布式控制系統的高速數據傳輸。
PROFIBUS—FMS：解決車(chē)間級通用性通信任務(wù),提供大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。
PROFIBUS—PA：專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，標準的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，實(shí)現了IECll58—2中規定的通信規程，用于對安全性要求高的場(chǎng)合及由總線(xiàn)供電的站點(diǎn)。
PROFIBUS基本性能:
PROFIBUS是主從通信和令牌通信的結合。該系統分為主站和從站。主站和從站之間靠主站的查詢(xún)和從站的響應進(jìn)行通信。主站和主站之間靠得到總線(xiàn)控制權(令牌)進(jìn)行通信。
主站為控制設備一般是plc和工控機。從站為外圍設備, 一般是輸入輸出裝置、閥門(mén)、驅動(dòng)器和測量發(fā)送器。
2.PROFIBUS總線(xiàn)通信協(xié)議
如前所述，PROFIBUS是一種現場(chǎng)總線(xiàn)，因此可以將數字自動(dòng)化設備從底級(傳感器／執行器)到中間執行級(單元級)分散開(kāi)來(lái)。通信協(xié)議按照應用領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化，故幾乎不需要復雜的接口即可實(shí)現。參照ISO／OSI參考模型，PROFIBUS只包含第l，2, 和7層。
圖2所示PROFIBUS協(xié)議層或子層說(shuō)明如下。
1、PROFIBUS第1層
第1層—PHY：第1層規定了線(xiàn)路介質(zhì)、物理連接的類(lèi)型和電氣特性。PROFIBUS通過(guò)采用差分電壓輸出的RS485實(shí)現電流連接。在線(xiàn)性拓撲結構下采用雙絞線(xiàn)電纜。樹(shù)型結構還可能用到中繼器。
2、PROFIBUS第2層
第2層—MAC：第2層的介質(zhì)存取控制(MAC)子層描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線(xiàn)存取方法。PROFIBUS采用一種混合訪(fǎng)問(wèn)方法。
由于不能使所有設備在同一時(shí)刻傳輸，所以 圖2
PROFIBUS主設備(masters)之間用令牌的方法。為使PROFIBUS從設備(slave)之間也能傳遞信息，從設備由主設備循環(huán)查詢(xún)。
PR0fIBUS第2層FlC
第2層——FLC：第2層的現場(chǎng)總線(xiàn)鏈路控制(FLC)子層規定了對低層接口(LLl)有效的第2層服務(wù)，提供服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)(SAP)的管理和與LLI相關(guān)的緩沖器。
PROFIBUS第2層FMAl／2
第2層——FMAl／2；第2層的現場(chǎng)總線(xiàn)管理(FMAl／2)完成第2層(MAC)特定的總線(xiàn)參數的設定和第1層(PHY)的設定。FLC和LLI之間的SAPs可以通過(guò)FMAl／2激活或撤消。此外，第1層和第2層可能出現的錯誤事件會(huì )被傳遞到更高層(FMA7)。
3、PROFIBUS第3—6層
第3—6層在PROFIBUS中沒(méi)有具體應用，但是這些層要求的任何重要功能都已經(jīng)集成在“低層接口”(LLI)中。例如，包括連接監控和數據傳輸的監控。
4、PROFIBUS第7層
PROFIBUS第7層LLI
第7層——LLI：低層接口(LLI)將現場(chǎng)總線(xiàn)信息規范(FMS)的服務(wù)映射到第2層(FLC)的服務(wù)。除了上面已經(jīng)提到的監控連接或數據傳輸，LLI還檢查在建立連接期間用于描述一個(gè)邏輯連接通道的所有重要參數?？梢栽贚LI中選擇不同的連接類(lèi)型，主／主連接或主／從連接。數據交換既可是循環(huán)的也可是非循環(huán)的。
PROFIBUS第7層FMS
第7層——FMS：第7層的現場(chǎng)總線(xiàn)信息規范(FMS)子層將用于通信管理的應用服務(wù)和用于用戶(hù)的用戶(hù)數據(變量、域、程序、事件通告)分組。借助于此，才可能訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)應用過(guò)程的通信對象。FMS主要用于協(xié)議數據單元(PDU)的編碼和譯碼o
PROFIBUS第7層fMA7
第7層——FMA7：與第2層類(lèi)似，第7層也有現場(chǎng)總線(xiàn)管理(FMA7)。FMA7保證FMS和LLI子層的參數化以及總線(xiàn)參數向第2層(FMAl／2)的傳遞。在某些應用過(guò)程中，還可以通過(guò)FMA7把各個(gè)子層的事件和錯誤顯示給用戶(hù)。
5、PROFIBUS ALI
ALI：位于第7層之上的應用層接口(ALI)，構成了到應用過(guò)程的接口。ALI的目的是將過(guò)程對象轉換為通信對象。轉換的原因是每個(gè)過(guò)程對象都是由它在所謂的對象字典(OD)中的特性(數據類(lèi)型、存取保護、物理地址)所描述的。
3. PROFIBUS的應用
要想組成PROFIBUS網(wǎng)，必須有兩個(gè)條件。主站的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具和從站的GSD文件，兩者缺一不可。主站的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )組態(tài)軟件，用來(lái)將各個(gè)站組成網(wǎng)絡(luò )，設置網(wǎng)絡(luò )參數和站的參數，并將已設置好的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)傳送給主站。GSD文件稱(chēng)為設備數據庫文件。對一種設備類(lèi)型的特征GSD文件以一種準確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD文件由生產(chǎn)廠(chǎng)商分別針對每一種設備類(lèi)型準備并以設備數據庫清單的形式提供給用戶(hù)，此種明確定義的文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS設備的設備數據庫文件，并且在組態(tài)總線(xiàn)系統時(shí)自動(dòng)使用這些信息。在組態(tài)階段，系統自動(dòng)地對輸入與整個(gè)系統有關(guān)的數據的輸入誤差和前后一致性進(jìn)行檢查核對。
在組網(wǎng)時(shí)，你必須先把你所須的從站的GSD文件裝載到網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具里。這樣在網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具里就有了你所須的從站的選項。用網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具建一個(gè)你所需要的網(wǎng)絡(luò )，并設置網(wǎng)絡(luò )參數，然后在網(wǎng)絡(luò )上添加你所須的站，并設置站的參數，最后把設置好的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)傳送給主站，這樣就組建好了一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )。
為了更好的了解PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )，下面舉一個(gè)實(shí)際的工程例子?？刂葡到y結構圖如圖3所示。
本系統是一個(gè)造紙車(chē)間傳動(dòng)的控制系統，本系統選用ABB公司600直接轉矩控制（DTC）變頻器，以PLC為控制中心， PLC通過(guò)PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)與變頻器構成DCS控制系統。PLC與上位機、現場(chǎng)觸摸屏、變頻器實(shí)行PROFIBUS高速通訊。
傳動(dòng)部下位控制中心為西門(mén)子S7-300 PLC，在PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)上S7-300 PLC是主站，選用CPU315-2 DP，有強大的通訊功能，自身帶有一個(gè)PROFIBUS-DP接口，可與變頻器及操作現場(chǎng)觸摸屏采用PROFIBUS-DP總線(xiàn)實(shí)現高速通訊，完成整個(gè)紙機傳動(dòng)過(guò)程中的速度鏈、負荷分配、張力控制等功能。PLC接受上位機優(yōu)化控制指令，可以根據紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調節各分部速度以適應生產(chǎn)需求。同時(shí)PLC將各分部運行參數送往上位機，以便及時(shí)了解生產(chǎn)狀況。
VVVF為ABB變頻器、、OP1-OP8為操作臺、PG1-PG41脈沖編碼器、M1-M41 傳動(dòng)電機整個(gè)系統全部實(shí)現全數字化操作控制，通過(guò)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)通訊完成，簡(jiǎn)化了系統結構，提高系統的抗干擾能力。整個(gè)系統采用PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)，系統全部控制功能的實(shí)現都由現場(chǎng)總線(xiàn)通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸。系統中不在有整束的電纜，也省去了成千上萬(wàn)個(gè)線(xiàn)路接點(diǎn)。大大提高系統的可靠性，節約了控制電纜。同時(shí)實(shí)現了從操作到控制的全數字化。徹底杜絕了現場(chǎng)干擾對控制系統運行的影響。
PLC主要完成功能：
（1）、現場(chǎng)控制信號的采集，PLC通過(guò)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)檢測現場(chǎng)操作臺操作信號。
（2）、速度鏈的控制及計算，PLC根據工藝要求完成速度鏈的控制處理。調節前一級速度時(shí)后一級緊隨前一級的速度變化。調節后一級的速度時(shí)前一級速度不變。
（3）、速度控制的執行。PLC接受上位機控制指令，通過(guò)上位機操作，PLC可以根據紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調節車(chē)速、分部變比以適應生產(chǎn)需求，并通過(guò)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)控制各分部變頻器的運行速度。
（4）、自動(dòng)負荷分配控制功能，對與負荷分配點(diǎn)，PLC要完成負荷分配運算及控制。
（5）、PLC與觸摸屏實(shí)行PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)高速通訊，將傳動(dòng)各分部點(diǎn)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在觸摸屏顯示出來(lái)；并接受觸摸屏上的操作指令，控制各傳動(dòng)執行相應的動(dòng)作。
本系統配有觸摸屏8臺，設立在控制現場(chǎng)，觸摸屏上設有功能鍵、操作圖形顯示及設定值與實(shí)際值的顯示等。還有變頻器的運行狀態(tài)及故障顯示?？梢詫Ω鱾鲃?dòng)點(diǎn)實(shí)現全部控制功能，具體控制功能如下：
1） 起動(dòng)/停止：用于控制本分部電機的起?？刂?。
2） 爬行/運行：用于低速調試檢修、正常抄紙切換。
3） 單動(dòng)/連動(dòng)：對于要求負荷分配各傳動(dòng)點(diǎn)的單動(dòng)/連動(dòng)控制。
4） 緊急停車(chē)：緊急停車(chē)功能。當紙機運行過(guò)程中出現意外事故，威脅到設備安全及人身安全時(shí)才可使用。
5） 速度微增：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的速度微調。
6） 速度微減：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的速度微調。
7） 緊紙： 用于本傳動(dòng)點(diǎn)的緊紙調節。
8） 松紙： 用于本傳動(dòng)點(diǎn)的松紙調節。
9） 負荷分配功能：負荷分配點(diǎn)自動(dòng)實(shí)現分配。
監測功能有：
1） 變頻器運行、故障狀態(tài)顯示。
2） 電機的電流、轉矩、分部線(xiàn)速度顯示。
本系統所用的主站是西門(mén)子的PLC,從站是ABB的變頻器。所以網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具用西門(mén)子的STEP7軟件內集成的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具
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