PROFIBUS—DP在高爐自動(dòng)化系統中的應用

0 前言
　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)（Process Field Bus簡(jiǎn)稱(chēng)Profibus）技術(shù)在新一代高爐自動(dòng)控制系統中逐步推廣使用。它使用一類(lèi)傳輸介質(zhì)（如具有位串傳輸的銅纜、光纖或無(wú)線(xiàn)等），用比特串傳輸，將分散的現場(chǎng)設備（如傳感器、執行機構、驅動(dòng)器、變送器等）連接到中央控制或管理系統。
　　在煉鐵高爐自動(dòng)化控制系統中，分為槽下配料和爐頂加料部份，槽下系統共25個(gè)倉、19個(gè)斗，共計閥門(mén)31個(gè)，爐頂12個(gè)閥，卷?yè)P電機、探尺設備配有編碼器。在電氣設計方而，分布區域廣、閥門(mén)多、煤氣區域易燃易爆的特點(diǎn)不容忽視，兇此，我們采用各輸入輸出點(diǎn)（包括數字量、模擬量）進(jìn)入站點(diǎn)模塊，通過(guò)一根總線(xiàn)傳人_豐控室PLC，以此控制各閥門(mén)及電機動(dòng)作。本文以現場(chǎng)總線(xiàn)的角度出發(fā)，結合采用德國西門(mén)子PIC系統和圖爾克Prnfibus—DP工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，描述高爐自動(dòng)化系統的實(shí)現，并對當前現場(chǎng)總線(xiàn)故障診斷的敏感問(wèn)題提出了一些解決方案。
1 PROFIBUS—DP總線(xiàn)通信原理及系統組成
　　PROFIBUS由二個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA和PROFIBUS—FMS。我們采用的PROFIBUS—DP是一種高速、低成本，用于沒(méi)備級控制系統與分散式I／O的通信。使用PROF’IBUS可取代24VDC或4—20mA信號傳輸。它定義了第一層（物理層）、第二層（數據鏈路層）和用戶(hù)接口，第-N七層：加描述。如圖1所示。用戶(hù)接口規定了用戶(hù)及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說(shuō)明丁各種不同PROFIBUS—DP1，殳備的設備行為，這為我們的系統兼容提供了便利，益于調試和維護。
1．1 現場(chǎng)總線(xiàn)物理層
　　IEC61158—2給出了現場(chǎng)總線(xiàn)物理層通用模型，可用圖2示可表示?，F場(chǎng)總線(xiàn)通信裝置是由數據終端設備（DTE）和數據端接設備（DCE）組成。從圖2可看出，現場(chǎng)總線(xiàn)的物理層包含了媒體相關(guān)子層與媒體無(wú)關(guān)子層兩部分。
　　媒體相關(guān)子層負責處理不同傳輸媒體、不吲速率的信號轉換問(wèn)題。媒體無(wú)關(guān)子層與數據鏈路層相連，負責信號編碼與解碼，增加或減除前導碼、定界符的工作。所以物理層的功能是用f實(shí)現現場(chǎng)設備與總線(xiàn)之間的連接，為現場(chǎng)設備對總線(xiàn)的發(fā)送和接收提供合乎規范的物理信號。

　　PROFIBUS—DP采用的是單獨供電的總線(xiàn)設備，每站點(diǎn)有自己的穩壓電源，如果網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)電源不穩，通信若隱若現甚至徹底消失時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)旁路功能以避免對其他節點(diǎn)的影響。通信介質(zhì)可采用雙絞屏蔽電纜、同軸電纜、光纖，紅外以及激光等，我們采用了雙絞屏蔽電纜。通信網(wǎng)絡(luò )電纜屏蔽層接地電阻宜小于1OΩ。在連接各站時(shí)，應確保數據線(xiàn)不要擰絞，電纜各個(gè)信號線(xiàn)相互之間的絕緣電阻宜大于200Ω，對于重要的場(chǎng)合，測試電纜的特性阻抗（推薦30kHz）、靜電容量（推薦：1kHz）、耐壓（DC200v）等參數非常必要。作為阻抗匹配元件，在總線(xiàn)的每個(gè)網(wǎng)段需要兩個(gè)終端電阻。使用終端電阻的同的是應用信號的發(fā)射波原理減少信號衰減和變形。因此在每個(gè)網(wǎng)段的首尾節點(diǎn)，終端電阻或節點(diǎn)接頭終端器要在“ON”位置，同時(shí)其他中間段節點(diǎn)應不能有終端電阻或節點(diǎn)接頭終端器在“OFF”位置。當系統中需連接的站點(diǎn)數多于32時(shí)，使用中繼器相連接。我們采用總線(xiàn)速率為1．5M的波特率，在一段中最大的電纜長(cháng)度限制為200米，因此采用中繼器進(jìn)行信號放大以增加長(cháng)度，但是串起來(lái)聯(lián)結的中繼器最多不能超過(guò)3個(gè)。
1．2 現場(chǎng)總線(xiàn)的數據鏈路層
　　現場(chǎng)總線(xiàn)數據鏈路層（DLU）位于物理層和應用層之間。DLL一般可分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層（MAC）兩部分。LLC從其上層取得數據后，構造成幀，完成通信鏈路的建立、拆除及差錯、流量控制等，而MAC完成網(wǎng)絡(luò )存取控制。PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)基于令牌總線(xiàn)協(xié)議加主一從總線(xiàn)的介質(zhì)存取方式，DP主站循環(huán)地與DP從站交換數據。站點(diǎn)數可達127個(gè)。它融合了IEEE802．4和集中式輪詢(xún)協(xié)議的重要功能和優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單說(shuō)這足一種多主站的協(xié)議，主站之間以令牌傳輸協(xié)議進(jìn)行_I二作，持有令牌的站可輪詢(xún)其它站（令牌和查詢(xún)方式）。當主節點(diǎn)得到令牌后，允許它在一定的時(shí)間內與從節點(diǎn)或其它主節點(diǎn)通信。令牌在所有主節點(diǎn)中循環(huán)一周的最長(cháng)時(shí)間TrR（設定周期）是事先預定的，決定了各主節點(diǎn)的令牌具體保持時(shí)間的長(cháng)短。主節點(diǎn)之間傳輸數據必須保證在事先定義的時(shí)間間隔內，主節點(diǎn)有充足的時(shí)間完成通信任務(wù)，主節點(diǎn)與從節點(diǎn)之間的數據交換要盡町能快且簡(jiǎn)單地完成數據的實(shí)時(shí)傳輸。