PROFIBUS—DP在高爐自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 前言
　　隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)場總線（Process Field Bus簡稱Profibus）技術(shù)在新一代高爐自動控制系統(tǒng)中逐步推廣使用。它使用一類傳輸介質(zhì)（如具有位串傳輸?shù)你~纜、光纖或無線等），用比特串傳輸，將分散的現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動器、變送器等）連接到中央控制或管理系統(tǒng)。
　　在煉鐵高爐自動化控制系統(tǒng)中，分為槽下配料和爐頂加料部份，槽下系統(tǒng)共25個(gè)倉、19個(gè)斗，共計(jì)閥門31個(gè)，爐頂12個(gè)閥，卷揚(yáng)電機(jī)、探尺設(shè)備配有編碼器。在電氣設(shè)計(jì)方而，分布區(qū)域廣、閥門多、煤氣區(qū)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(shù)字量、模擬量）進(jìn)入站點(diǎn)模塊，通過一根總線傳人_豐控室PLC，以此控制各閥門及電機(jī)動作。本文以現(xiàn)場總線的角度出發(fā)，結(jié)合采用德國西門子PIC系統(tǒng)和圖爾克Prnfibus—DP工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，描述高爐自動化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并對當(dāng)前現(xiàn)場總線故障診斷的敏感問題提出了一些解決方案。
1 PROFIBUS—DP總線通信原理及系統(tǒng)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，用于沒備級控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口，第-N七層：加描述。如圖1所示。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明丁各種不同PROFIBUS—DP1，殳備的設(shè)備行為，這為我們的系統(tǒng)兼容提供了便利，益于調(diào)試和維護(hù)。
1．1 現(xiàn)場總線物理層
　　IEC61158—2給出了現(xiàn)場總線物理層通用模型，可用圖2示可表示。現(xiàn)場總線通信裝置是由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)端接設(shè)備（DCE）組成。從圖2可看出，現(xiàn)場總線的物理層包含了媒體相關(guān)子層與媒體無關(guān)子層兩部分。
　　媒體相關(guān)子層負(fù)責(zé)處理不同傳輸媒體、不吲速率的信號轉(zhuǎn)換問題。媒體無關(guān)子層與數(shù)據(jù)鏈路層相連，負(fù)責(zé)信號編碼與解碼，增加或減除前導(dǎo)碼、定界符的工作。所以物理層的功能是用f實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與總線之間的連接，為現(xiàn)場設(shè)備對總線的發(fā)送和接收提供合乎規(guī)范的物理信號。

　　PROFIBUS—DP采用的是單獨(dú)供電的總線設(shè)備，每站點(diǎn)有自己的穩(wěn)壓電源，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源不穩(wěn)，通信若隱若現(xiàn)甚至徹底消失時(shí)，系統(tǒng)會自動啟動旁路功能以避免對其他節(jié)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(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，電纜各個(gè)信號線相互之間的絕緣電阻宜大于200Ω，對于重要的場合，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(shù)非常必要。作為阻抗匹配元件，在總線的每個(gè)網(wǎng)段需要兩個(gè)終端電阻。使用終端電阻的同的是應(yīng)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(jié)點(diǎn)，終端電阻或節(jié)點(diǎn)接頭終端器要在“ON”位置，同時(shí)其他中間段節(jié)點(diǎn)應(yīng)不能有終端電阻或節(jié)點(diǎn)接頭終端器在“OFF”位置。當(dāng)系統(tǒng)中需連接的站點(diǎn)數(shù)多于32時(shí)，使用中繼器相連接。我們采用總線速率為1．5M的波特率，在一段中最大的電纜長度限制為200米，因此采用中繼器進(jìn)行信號放大以增加長度，但是串起來聯(lián)結(jié)的中繼器最多不能超過3個(gè)。
1．2 現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層
　　現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（DLU）位于物理層和應(yīng)用層之間。DLL一般可分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質(zhì)訪問控制子層（MAC）兩部分。LLC從其上層取得數(shù)據(jù)后，構(gòu)造成幀，完成通信鏈路的建立、拆除及差錯(cuò)、流量控制等，而MAC完成網(wǎng)絡(luò)存取控制。PROFIBUS現(xiàn)場總線基于令牌總線協(xié)議加主一從總線的介質(zhì)存取方式，DP主站循環(huán)地與DP從站交換數(shù)據(jù)。站點(diǎn)數(shù)可達(dá)127個(gè)。它融合了IEEE802．4和集中式輪詢協(xié)議的重要功能和優(yōu)點(diǎn)，簡單說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其它站（令牌和查詢方式）。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)得到令牌后，允許它在一定的時(shí)間內(nèi)與從節(jié)點(diǎn)或其它主節(jié)點(diǎn)通信。令牌在所有主節(jié)點(diǎn)中循環(huán)一周的最長時(shí)間TrR（設(shè)定周期）是事先預(yù)定的，決定了各主節(jié)點(diǎn)的令牌具體保持時(shí)間的長短。主節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)必須保證在事先定義的時(shí)間間隔內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)有充足的時(shí)間完成通信任務(wù)，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換要盡町能快且簡單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。