PROFIBUS—DP在高爐自動化系統中的應用

0 前言
　　隨著網絡的發展，現場總線（Process Field Bus簡稱Profibus）技術在新一代高爐自動控制系統中逐步推廣使用。它使用一類傳輸介質（如具有位串傳輸的銅纜、光纖或無線等），用比特串傳輸，將分散的現場設備（如傳感器、執行機構、驅動器、變送器等）連接到中央控制或管理系統。
　　在煉鐵高爐自動化控制系統中，分為槽下配料和爐頂加料部份，槽下系統共25個倉、19個斗，共計閥門31個，爐頂12個閥，卷揚電機、探尺設備配有編碼器。在電氣設計方而，分布區域廣、閥門多、煤氣區域易燃易爆的特點不容忽視，兇此，我們采用各輸入輸出點（包括數字量、模擬量）進入站點模塊，通過一根總線傳人_豐控室PLC，以此控制各閥門及電機動作。本文以現場總線的角度出發，結合采用德國西門子PIC系統和圖爾克Prnfibus—DP工業現場總線技術，描述高爐自動化系統的實現，并對當前現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組成
　　PROFIBUS由二個兼容部分組成，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）和用戶接口，第-N七層：加描述。如圖1所示。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明丁各種不同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 現場總線物理層
　　IEC61158—2給出了現場總線物理層通用模型，可用圖2示可表示?，F場總線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，現場總線的物理層包含了媒體相關子層與媒體無關子層兩部分。
　　媒體相關子層負責處理不同傳輸媒體、不吲速率的信號轉換問題。媒體無關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實現現場設備與總線之間的連接，為現場設備對總線的發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設備，每站點有自己的穩壓電源，如果網絡節點電源不穩，通信若隱若現甚至徹底消失時，系統會自動啟動旁路功能以避免對其他節點的影響。通信介質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。通信網絡電纜屏蔽層接地電阻宜小于1OΩ。在連接各站時，應確保數據線不要擰絞，電纜各個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）等參數非常必要。作為阻抗匹配元件，在總線的每個網段需要兩個終端電阻。使用終端電阻的同的是應用信號的發射波原理減少信號衰減和變形。因此在每個網段的首尾節點，終端電阻或節點接頭終端器要在“ON”位置，同時其他中間段節點應不能有終端電阻或節點接頭終端器在“OFF”位置。當系統中需連接的站點數多于32時，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，因此采用中繼器進行信號放大以增加長度，但是串起來聯結的中繼器最多不能超過3個。
1．2 現場總線的數據鏈路層
　　現場總線數據鏈路層（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）和介質訪問控制子層（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完成網絡存取控制。PROFIBUS現場總線基于令牌總線協議加主一從總線的介質存取方式，DP主站循環地與DP從站交換數據。站點數可達127個。它融合了IEEE802．4和集中式輪詢協議的重要功能和優點，簡單說這足一種多主站的協議，主站之間以令牌傳輸協議進行_I二作，持有令牌的站可輪詢其它站（令牌和查詢方式）。當主節點得到令牌后，允許它在一定的時間內與從節點或其它主節點通信。令牌在所有主節點中循環一周的最長時間TrR（設定周期）是事先預定的，決定了各主節點的令牌具體保持時間的長短。主節點之間傳輸數據必須保證在事先定義的時間間隔內，主節點有充足的時間完成通信任務，主節點與從節點之間的數據交換要盡町能快且簡單地完成數據的實時傳輸。