PROFIBUS總線(xiàn)的研究與應用

ssN10093044Computer Knowledge and Technology電腦知識與技術(shù)Vo.5,No.25, September200,p7266-7267,7280Tel:+86-551-56909635690964PROF|BUS總線(xiàn)的研究與應用縱瑞梅(皖北煤電集團公司孟莊煤礦,安徽淮北235200)摘要:隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展, PROFIBUS總線(xiàn)在煤礦自動(dòng)化領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。該文分析了 PROFIBUS總線(xiàn)的協(xié)議結構特點(diǎn)、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式等,并探討了在煤礦皮帶集中控制系統的應用。關(guān)鍵詞: PROFIBUS;煤礦;集控中圖分類(lèi)號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-304402009)25-726602The Research and Application of PROFIBUS Network'ZONG Rui-me1(Meng]huang Coal Mine Anhui Wanbei Coal-Electricity Group Co, Huibei 235200, China)Abstract: With the progress of automation, surveillance systems and technology of centralized control in mine, most preparation plant introduced centralized control, This paper analyzes the structure of PROFIBUS bus protocol characteristics, media access methods, and to explore the application of belt control system in coal mine.Key words: PROFIBUS; coal mine; centralized controlPROFIBUS是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準在煤礦自動(dòng)化領(lǐng)域的應用日益廣泛。它由三個(gè)兼容部分 PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA以及 PROFIBUS-FMS組成?；谥鲝氖浇Y構的 PROFIBUS協(xié)議以其簡(jiǎn)單實(shí)用的規約為現場(chǎng)設備的報文交換提供了可靠的通信保證,在諸多煤礦現場(chǎng)均能正常工作。1 PROFIBUS總線(xiàn)通信協(xié)議1 1 PROFIBUS總線(xiàn)協(xié)議結構PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)全稱(chēng)為 Process Field Bus,是1986年以德國西門(mén)子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù),是德國國家現場(chǎng)總線(xiàn)標準DN9245和歐洲標準的EN0170現場(chǎng)總線(xiàn)標準現已被列入IEC61158國際標準。 PROFIBUS是種與制造無(wú)關(guān)的、開(kāi)放的廣泛應用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。其中協(xié)議體系中的物理層(即第1層)定義了 PROFIBUS系統的物理傳輸特性;數據鏈路層(第2層)定義了系統的總線(xiàn)存取協(xié)議,以及數據幀的格式等;應用層(第7層〕則定義了一些與上層應用相關(guān)的接口功能。此外,在 PROFTBUS的用戶(hù)層定義一些與特殊應用場(chǎng)合相關(guān)的應用規范。PROFTBUS是由三個(gè)兼容的部分組成,即 PROFTBUS-DP, PROFIBUS-PA以及 PROFIBUS-FMS。 PROFIBUS-DP即分布式外圍設備( Decentralized Periphery), PROFIBUS使用了第l層、第2層和用戶(hù)接口層第3到7層未使用,這種精簡(jiǎn)的結構確保高速數據傳輸。直接數據鏈路映象程序(UDM提供對第2層的訪(fǎng)問(wèn)。在用戶(hù)接口中規定了 PROFIBUS設備的應用功能,以及各種類(lèi)型的系統和設備的行為特性。這種為高速傳輸用戶(hù)數據而優(yōu)化的 PROFIBUS協(xié)議特別適用于可編程序控制器與現場(chǎng)級分散的I0設備之間的通信。 PROFIBUS-FMS即為現場(chǎng)總線(xiàn)報文規范(FMs- Field Message Specification), PROFIBUS-FMS使用了第1層第2層和第7層。應用層(第7層)包括FMS(現場(chǎng)報文規范)和L(低層接口)。FMS包括應用協(xié)議和提供的通信服務(wù),L建立各種類(lèi)型的通信關(guān)系,并給FMS提供不依賴(lài)于設備的對第2層的訪(fǎng)問(wèn)。FMS處理單元級(PLC和PC)的數據通信。 PROFTBUS和 PROFIBUS-FMS使用相同的傳輸技術(shù)和總線(xiàn)存取協(xié)議。因此,可以在同一根電纜上同時(shí)運行。PROFIBUS-PA是 PROFIBUS面向應用的模塊化構成方法的一個(gè)顯著(zhù)例子。從協(xié)議規范的構成來(lái)看, PROFIBUS-PA= PROFIBUS基本功能+擴展功能)+EC1158-2傳輸技術(shù)+PA行規。它主要用于流程工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,實(shí)現自動(dòng)化系統或過(guò)程控制系統與現場(chǎng)設備(如壓力溫度和液位變送器等)之間的互連并解決它們之間的通訊任務(wù)。 PROFIBUS-PA采用ECl158-2傳輸技術(shù)具有總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全特征,可用于有爆炸危險的區域PROFIBUS MAC層是應用令牌方式的典范。令牌是一種特殊的消息,只有擁有令牌的站點(diǎn),才有權向環(huán)路上發(fā)送報文。站點(diǎn)在發(fā)送完畢后,將令牌交給網(wǎng)上的下一個(gè)站點(diǎn)。在令牌總線(xiàn)方式中,帶有目的地址的令牌幀廣播到總線(xiàn)上所有站點(diǎn),當目的站識別出符合它的地址,即把該令牌接收任何時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送報文因而不會(huì )發(fā)生訪(fǎng)問(wèn)沖突。消息傳輸的延遲時(shí)間由環(huán)的大小決定。如果所有站都有報文要發(fā)送,則最壞情況下,等待取得令牌和發(fā)送報文的時(shí)間應該等于全部站點(diǎn)令牌傳送時(shí)間和報文發(fā)送時(shí)間的總和。因此,令牌方式比較適合在實(shí)時(shí)系統中應用,而且它對輕重負載不敏感。 PROFIBUS的站點(diǎn)包括主站和從站 PROFTBUS總線(xiàn)協(xié)議包括主站間的令牌傳遞方式和主從間的主從輪詢(xún)方式。當主站得到令牌后,允許在一定時(shí)間內與從站或其他主站通信。12介質(zhì)存取方式PROFTBUS現場(chǎng)總線(xiàn)作為應用在設備層的公共總線(xiàn),必須解決各節點(diǎn)的網(wǎng)終他用權音備回顆同時(shí)保證通信的實(shí)時(shí)性。參照開(kāi)中國煤化工CNMHG日期:2009-05-09作者簡(jiǎn)介:縱瑞梅(1963-),女,安撒淮北人,1986年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院現在皖北煤電集團有限責任公司玉莊煤礦,從事技術(shù)管理工作。7266方數酸用術(shù)∵本欄目任編輯:獅第5卷第25期(200年9月)Computer Knowledge and Technology電腦知識與技術(shù)放系統互聯(lián)協(xié)議(OSI),在 PROFIBUS協(xié)議中第二層的現場(chǎng)總線(xiàn)數據鏈路層(FDL)協(xié)議定義了總線(xiàn)存取控制協(xié)議(MAC)。通信網(wǎng)絡(luò )的效率、利用率可靠性、實(shí)時(shí)性很大程度上取決于協(xié)議的MAC協(xié)議方式PROFIBUS系統采用由混合介質(zhì)存取方式實(shí)現的控制介質(zhì)存取:對應于令牌傳遞原理的分散方式是以對應于主-從原理的集中方式為基礎的。介質(zhì)存取控制可以被每一個(gè)主站(主動(dòng)站)使用。從站(被動(dòng)站)的作用是隨時(shí)地聽(tīng)從于介質(zhì)存取,即它們不能獨立地發(fā)送,只是在有請求時(shí)才發(fā)送。PROFIBUS使用簡(jiǎn)化令牌總線(xiàn)協(xié)議( simple version of token- passing)作為MAC層標準?？偩€(xiàn)上的各個(gè)點(diǎn)以總線(xiàn)方式互連,主站點(diǎn)由PC、PLC等控制中心組成,從站由傳感器、執行器等構成?？偩€(xiàn)上的每一個(gè)站點(diǎn)分配一個(gè)邏輯地址,主站點(diǎn)地址的集合組成一個(gè)邏輯環(huán),令牌控制幀在邏輯環(huán)上的各個(gè)主站點(diǎn)輪轉持有令牌的主站點(diǎn)被允許在持有期間輪詢(xún)各從站,以交換數據通信總是由獲得介質(zhì)存取權(即令牌)的主站發(fā)起。令牌在一個(gè)邏輯環(huán)中從一個(gè)主站傳遞給另一個(gè)主站。這樣,當一個(gè)主站可以存取介質(zhì)時(shí),令牌傳遞立即終止。令牌傳遞控制由每一個(gè)主站進(jìn)行管理,因為每個(gè)主站知道它的前者(它前面的站,FS),即令牌是從它那里接收來(lái)的,而且知道它的后繼者(下FBUs8線(xiàn)個(gè)站,NS),即令牌將傳遞給它,還知道它自己的地址(即本站,TS)。在運行參數第一次初始化后,每個(gè)主站確定它的F和NS地址,按站地址的升序用令牌幀將令牌從一個(gè)主站傳送到另一個(gè)主站(見(jiàn)圖1)。有一個(gè)站例外,為了:本站:Ps:前一個(gè)站:Ns,下一個(gè)站封閉邏輯令牌環(huán),具有最高地址的站要傳送令牌給具有最低地址的站圖1邏輯令牌傳遞環(huán)存取控制協(xié)議中定義了幾個(gè)重要的時(shí)間量:1)目標令牌循環(huán)時(shí)間TIR:是由網(wǎng)絡(luò )設計者指定的令牌在邏輯環(huán)上的循高優(yōu)級型文環(huán)時(shí)間。一般該時(shí)間在所有主站上設置一致。輪詢(xún)表假文2)令牌實(shí)際循環(huán)時(shí)間TRR:令牌的實(shí)際動(dòng)態(tài)循環(huán)時(shí)間。其計算方法為:非循呼的低在某主站收到令牌后,TRR開(kāi)始加計數或減計數,直到令牌再次到達該優(yōu)先縱報文主站為止。計算這一時(shí)間時(shí),需要考慮從站診斷報文、主從間的非周期數據交GAP表報文換、高優(yōu)先級報文、邏輯令牌動(dòng)態(tài)變化等情況下的動(dòng)態(tài)令牌循環(huán)時(shí)間。圖2 PROFIBUS的報文分類(lèi)3)主站持有令牌時(shí)間TrH:某主站收到令牌到該主站將令牌傳送到下主站的目標時(shí)間,其表達式為T(mén)TH=TTR-THR。PROFIBUS根據報文的時(shí)間限制將報文劃分為兩種:高優(yōu)先級報文和低優(yōu)先級報文。同時(shí),低優(yōu)先級的報文又分為三種類(lèi)型:輪詢(xún)鏈表報文、非循環(huán)的低優(yōu)先級報文以及GAP鏈表報文。圖2給出了報文分類(lèi)的直觀(guān)說(shuō)明。高優(yōu)先級的報文對應于有嚴格時(shí)限要求的同步通訊量比如報警等。輪詢(xún)鏈表報文指站點(diǎn)根據它的輪詢(xún)鏈表對從屬于它的從站進(jìn)行的周期性輪詢(xún)過(guò)程。非循環(huán)的低優(yōu)先級報文對應于零星的沒(méi)有嚴格時(shí)間限制的報文,比如遠程管理服務(wù)等。GAP鏈表報文于動(dòng)態(tài)維護邏輯令牌環(huán)、CAP鏈表以及活動(dòng)站點(diǎn)鏈表等站點(diǎn)總是先處理高優(yōu)先級的報文,再處理低優(yōu)先級的報文。三種低優(yōu)先級的報文也是按一定順序進(jìn)行處理:先處理輪詢(xún)鏈表報文接著(zhù)處理非循環(huán)的低優(yōu)先級報文,GAP鏈表報文只有在所有其它報文都處理完畢并且GAP更新計時(shí)器到時(shí)才會(huì )被發(fā)起。PROFIBUS總線(xiàn)的煤礦應用煤礦是一個(gè)工作環(huán)境相對惡劣的特殊行業(yè),而且對生產(chǎn)的安全性要求很高。煤礦井下控制網(wǎng)絡(luò )具有負荷不均勻信息流向不對稱(chēng)、網(wǎng)絡(luò )結構變化大、信息速率跨度大、對實(shí)時(shí)性和可靠性要求苛刻等特點(diǎn)。高實(shí)時(shí)性可以保證控制信號的及時(shí)響應和緊急故障的及時(shí)處理,對于提高生產(chǎn)效率和安全性至關(guān)重要。隨著(zhù)煤礦自動(dòng)化水平的提高以及在生產(chǎn)方面的越來(lái)越多的投入,煤礦井下大都安裝了以 PROFIBUS總線(xiàn)為主的自動(dòng)化控制系統,井下膠帶運輸系統是將井下原煤輸送到地面的流通環(huán)節,采用自動(dòng)化技術(shù)控制井下皮帶給煤機等可以大大提高井下煤炭運輸效率。自動(dòng)化控制系統的應用降低了工作難度、強度;能自動(dòng)控制、集中開(kāi)停等,操作簡(jiǎn)單、使用方便;便于管理查閱開(kāi)停記錄、傳感器報警信息等;實(shí)現了井下膠帶運輸系統的安全、可靠、高效運行根據煤礦現場(chǎng)實(shí)際分布情況,皮帶控制系統可利用光纖、電纜組成混合現場(chǎng)總線(xiàn),實(shí)現對井下主煤流運輸系統及工業(yè)電視。監測監控系統主要由地面監控中心,傳輸線(xiàn)路,井下控制分站和給煤機、煤倉煤位、保護傳感器信號等構成21控制系統組成主煤流運輸皮帶集中控制系統結構主要由四部分組成1)地面控制中心地面控制中心設置在集控室,主要通過(guò)計算機和工業(yè)電視對膠帶運輸機監視和集中控制。主要設備和設施包括工業(yè)控制計算機、2】顯示器、網(wǎng)絡(luò )通信、不間斷電源和工業(yè)電視等。2)遠距離通訊傳輸系統工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)由光纖雙絞線(xiàn)集線(xiàn)器和網(wǎng)絡(luò )連接器等組成3)井下控制及信號采集裝置井下控制及信號采集裝置由兩部分組成KJD15礦用隔爆兼本安膠帶機自動(dòng)控制裝置。該裝置控制核心部分采用德國西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-300可編程控制器其他主要元件均采用進(jìn)口元件。井下現場(chǎng)部測裝置等相關(guān)設KDI5膠帶機控制裝置結合相應配套的傳感器、控制器、網(wǎng)絡(luò )組件等中國煤化工控制。4保護和檢測裝置CNMHG堆煤保護、低速打滑保護、跑偏保護、煙霧保護、超溫灑水保護煤位連續測量電流和電壓5)工業(yè)電視(下轉第7280頁(yè))本欄目賈任編捆:因計算機工應用技術(shù)··7267Computer Knowedge and Technology電腦知識與拉術(shù)第5卷第25期(2009年9月)4結束語(yǔ)推導過(guò)程的關(guān)鍵是首先推導出公式[xyh=xy,然后是對公式的展開(kāi)過(guò)程和增加的附加位y+1。而得出這一公式的前提是1和2兩個(gè)推論,即真值與補碼之間的關(guān)系和補碼的右移。需要注意循環(huán)n+1次,每次右移一位,但是最后一次不移位,這是在驗證補碼運算規則時(shí)經(jīng)常出現的一個(gè)錯誤。參考文獻[]王愛(ài)英計算機組成與結構M北京清華大學(xué)出版社20014-78[2]唐朔飛計算機組成原理M]北京高等教育出版社2008243-28[3]鄭緯民湯志忠計算機系統結構M]北京:清華大學(xué)出版社199839-424]白中英計算機組成原理M3版北京:科學(xué)出版社2001:425]白中英計箅機組成原理題解、題庫與實(shí)驗M3版北京科學(xué)出版社2001:206]李澄舉一般化全加器在陣列乘法器設計中的典型應用小嘉應學(xué)院學(xué)報2006243:647彭海云直接補碼陣列乘法的手工計算方法U電子工程師20083402103-648]胡同瑞補碼一位乘法遞推公式的正確推導高師理科學(xué)刊20073:75(上接第7267頁(yè))本系統主要由工業(yè)攝像設備控制設備、顯示設備、傳輸設備光纜等組成。主要包括攝像機、監視器、轉換器、光纖和控制器等。工業(yè)擾像設備采用低照度低噪聲KD6002礦用本安型光纖攝象儀。22控制模式為了滿(mǎn)足日常運行、檢修故障處理等需要,具備三種控制模式:就地、遠程和自動(dòng)。操作人員可采用不同方式控制各條膠帶機的啟動(dòng)和停止?？刂品绞接腥N地面集中控制在這種方式下,操作人員只需在地面控制中心操作鍵盤(pán)或鼠標,控制井下各條膠帶機和給煤機的起、停以及故障解除等。并且通過(guò)計算機語(yǔ)音系統發(fā)布開(kāi)車(chē)提示命令。2)人工就地控制當日常檢修或故障處理以及特殊需要時(shí)操作人員可分別在各條膠帶機頭通過(guò)膠帶機自動(dòng)控制裝置控制膠帶機的起停。3)控制方式變換可以通過(guò)膠帶機自動(dòng)控制裝置手/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉換,使得二種控制方式互為備用、互相閉鎖提高系統的可靠性和靈活4)后部閉鎖具有同煤流方向相互閉鎖功能,實(shí)現逆煤流開(kāi),順煤流停5)啟動(dòng)方式膠帶機采用直接啟動(dòng)方式。6)故障解除上位機具有故障解除功能對于使用中出現的各類(lèi)故障非正常動(dòng)作,使用中視情節正確使用3結束語(yǔ)隨著(zhù)煤礦自動(dòng)化水平的提高, PROFIBUS總線(xiàn)系統在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用提高了員工工作效率降低了工作難度、強度;達到了安全高效、可靠生產(chǎn)的目的,節省了大量人力資源,具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。參考文獻:]李景平基于現場(chǎng)總線(xiàn)思想的煤礦綜合監控系統設計門(mén)測控技術(shù),200,19(12)21-23[2]方曉柯現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的研究D沈陽(yáng):東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,20053]范鎧現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在國內的應用情況印工業(yè)控制計算機,2001,7(1):1-5.4]周益明 PROFIBUS.-DP現場(chǎng)總線(xiàn)通信研究及智能從站設計[D南京:南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,2005中國煤化工CNMHG7280計算機工應用技術(shù).: