Profibus的煤礦井下膠帶臨控系統

　　膠帶運輸是煤礦生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節，監控系統在該環(huán)節的投入是煤礦現代化生產(chǎn)的趨勢。本文以皖北礦務(wù)局祁東煤礦的井下膠帶監控系統為例，簡(jiǎn)介Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在監控系統中的應用。

　　一、Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

　　(一)Profibus概貌

　　Profibus是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化。Profibus根據應用特點(diǎn)分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三個(gè)兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速(數據傳輸速率9.6kbit/s～12Mbit/s)的經(jīng)濟的設備級網(wǎng)絡(luò )，主要用于現場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信，可滿(mǎn)足交直流調速系統快速響應的時(shí)間要求;Profibus-PA采用IECII58-2標準，傳輸速率為31.25kbit/s，并提供本質(zhì)安全特性，適用于安全性要求較高以及由總線(xiàn)供電的場(chǎng)合;Profibus-FMS主要解決車(chē)間級通信問(wèn)題，完成中等傳輸速度的循環(huán)或非循環(huán)數據交換任務(wù)。

　　(二)總線(xiàn)拓樸結構

　　根據現場(chǎng)設備到控制器的連接方式，現場(chǎng)總線(xiàn)的拓撲結構可有多種形式，通常采用以下三種：線(xiàn)形、樹(shù)形和環(huán)形。Profibus采用的是線(xiàn)形結構，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)明，用一根總干線(xiàn)從控制器連接到機械裝置(控制對象)，總線(xiàn)電纜從主干電纜分支到現場(chǎng)設備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道。在這種總線(xiàn)結構下，可實(shí)現多主式和對等式通信，可以?xún)蓚€(gè)控制器共享同一個(gè)系統中的信息和I/O站。另外，不需關(guān)閉總線(xiàn)系統就可以把一個(gè)I/O設備從總線(xiàn)上拆下，這給總線(xiàn)系統的維修帶來(lái)了很大方便。

　　(三)Profibus-DP的設備類(lèi)型

　　根據實(shí)際設計需要，本系統采用Profibus-DP。每個(gè)Profibus-DP系統包括以下三種不同類(lèi)型的設備：

　　1.DP主站類(lèi)型1 它是Profibus-DP應用的中心部件，在一個(gè)規定的、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)傳輸的數據與循環(huán)的測量值相比不是經(jīng)常變動(dòng)的，因此這種數據與快速循環(huán)的有用數據一起傳輸，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(lái)的中斷可靠傳輸。

　　2.DP主站類(lèi)型2 這種類(lèi)型的設備(如編程器、組態(tài)設備或操作設備)用于DP系統的啟動(dòng)、組態(tài)或用于正常運行過(guò)程(如診斷)中的系統操作。此類(lèi)型的主站可以讀取由設備來(lái)的輸入、輸出、診斷和組態(tài)數據。

　　3.DP從站 一個(gè)DP從站是一個(gè)I/O設備，它讀取輸入信息并向I/O提供輸出信息，輸入和輸出信息數取決于設備類(lèi)型，最大為244字節。

　　(四)Profibus-DP的通信協(xié)議

　　Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，如圖1所示。其傳輸速率為 9.6kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為100m，在1.5Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(cháng)至10km。其傳輸介質(zhì)既可以是雙絞線(xiàn)，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

　　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，根據數據傳輸速率的不同，可選用雙絞線(xiàn)和光纖兩種傳輸介質(zhì)。

　　Profibus-DP數據鏈路層協(xié)議媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAL)部分采用受控訪(fǎng)問(wèn)的令牌總線(xiàn)(Token Bus)和主從方式。令牌總線(xiàn)與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線(xiàn)上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線(xiàn)控制權，該主站依照關(guān)系表與從站或與其它主站進(jìn)行通信。主從方式的數據鏈路協(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(diǎn)是：總線(xiàn)上一個(gè)主站控制著(zhù)多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令，從站給出響應;從站可以連續發(fā)送多個(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達到發(fā)送數量或被主站停止為止。數據鏈路中幀的傳輸過(guò)程分為三個(gè)階段：數據鏈路建立、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(lèi)型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類(lèi)型：信息幀、監控幀和無(wú)編號幀。其中信息幀用于應用數據的傳輸并捎帶應答;監控幀用于監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(wú)編號幀(不含信息字段)用于傳輸各種無(wú)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的應用數據構成，PKW用于讀寫(xiě)參數值，如寫(xiě)入控制字或讀出狀態(tài)字等，一般為4B長(cháng)，而PZD用于存放控制器的具體控制值、設置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數，一般為2B～10B長(cháng)，如PZD的第二個(gè)字節可設為0#～7#設備的起?？刂莆?。FCS是幀校驗字段，它對整個(gè)幀的內容進(jìn)行循環(huán)冗余碼(CRC)校驗。HDLC幀最長(cháng)可達24B。

　　Profibus-DP并未采用ISO/OSI的應用層，而是自行設置一用戶(hù)層。該層定義了DP的功能、規范與擴展要求等。

　　綜上所述可知，Profibus-DP的實(shí)時(shí)性遠高于其它局域網(wǎng)，因而特別適用于工業(yè)現場(chǎng)。

　　二、井下膠帶監控系統的硬件結構

　　Profibus-DP被應用于皖北礦務(wù)局祁東煤礦井下膠帶監控系統，硬件系統如圖3所示，整個(gè)系統由上位機、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現場(chǎng)設備組成。Profibus-DP總線(xiàn)將所有設備連接起來(lái)。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。

　　1.分布式I/O系統。本系統采用ET200通訊模塊與Profibus-DP相連接，ET200充分利用了SIMATIC S7-300的模塊系列，將所有的S7-300 I/O模塊通過(guò)接口模板IM153與現場(chǎng)總線(xiàn)相連。I/O模塊下的執行器和傳感器連接到現場(chǎng)設備，I/O模塊按主/從模式向現場(chǎng)設備提供輸出數據并向CPU或上位機饋送輸入數據。I/O模塊屬于DP從站。

　　2.CPU 作為DP類(lèi)型1主站，CPU位于控制中心，本系統采用CPU315-2DP模塊化中型PLC，它具有強大的處理能力，并集成了Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)接口裝置，同時(shí)還具有0.3ms處理1024個(gè)語(yǔ)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(dòng)運行該程序，根據程序內容讀取總線(xiàn)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(lèi)型2主站。本系統采用研華工控機作為上位機，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡CP5611使工控機與現場(chǎng)總線(xiàn)相連。這樣工業(yè)PC機與現場(chǎng)總線(xiàn)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(luò )系統。為了保證系統的穩定性，系統運用了雙機冗余，將另一臺工控機通過(guò)同樣的現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡CP5611與現場(chǎng)總線(xiàn)相連，若其中一臺工控機發(fā)生故障，另一臺可繼續運行。

　　三、井下膠帶監控系統的軟件結構

　　軟件結構部分包括Windows NT 操作系統、下位機編程軟件、上位機監控軟件。

　　(一)下位機編程軟件

　　本系統采用SIMATIC S7-300的配套編程工具STEP7完成硬件組態(tài)、參數設置、PLC程序編制、測試、調試和文檔處理。通常，用戶(hù)程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數據塊(DB)構成。其中，OB是系統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(hù)子程序。DB是用戶(hù)定義的用于存取數據的存儲區，本系統中它是上位機監控軟件與STEP7程序的數據接口點(diǎn)。在MPI中配置與其相對應的DB塊就可實(shí)現上位機監控軟件FIX與STEP7程序的數據接口。

　　(二)上位機監控軟件

　　FIX工控組態(tài)軟件是由美國 Intellution公司開(kāi)發(fā)的基于 Windows9X&NT的大型應用軟件，它集控制技術(shù)、人機界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數據庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò )通信等組件，提供一個(gè)友好的用戶(hù)界面，使用戶(hù)可根據實(shí)際生產(chǎn)需要生成相應的應用軟件。

　　1.與Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)的接口

　　(1)數據流程 FIX運用I/O驅動(dòng)程序從設備中讀寫(xiě)數據，每個(gè)I/O驅動(dòng)程序支持其特定硬件。對于本系統的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )，采用MPI驅動(dòng)程序獲取其上數據。FIX組態(tài)軟件首先通過(guò)MPI驅動(dòng)程序軟件接口從現場(chǎng)的過(guò)程硬件中獲取數據，存入DIT驅動(dòng)程序映象表中(驅動(dòng)程序映象表在系統運行時(shí)實(shí)際上是一塊內存區)，FIX的內部數據庫(PDB)通過(guò) SAC程序從DIT表中獲取它所需的數據，應用軟件(如FIX的畫(huà)面運行程序、報表生成程序等)都通過(guò)內部數據庫訪(fǎng)問(wèn)軟件從FIX內部數據庫中獲取來(lái)自過(guò)程硬件的信息，這樣就可以實(shí)現在工業(yè)流程畫(huà)面上動(dòng)態(tài)地顯示現場(chǎng)各過(guò)程硬件的運行狀態(tài)，數據也可以按相反的順序寫(xiě)回現場(chǎng)過(guò)程硬件，執行控制操作。相應的數據采集流程如圖4所示。

　　(2)MPI配置 MPI驅動(dòng)程序的應用中很重要的問(wèn)題是STEP7和FIX的地址轉換問(wèn)題，在STEP7中設置的DB塊應轉換為MPI的DB塊，這需要在MPI配置中實(shí)現。