1 、概述

PROFIBUS（Process Field Bus一過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)）是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS由Profibus—FMS，Profibus—PA和Profibus—DP三部分組成，其中Profibus—DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，是一種高速（可達(dá)12Mbps）和便宜的通信連接，它被設(shè)計(jì)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散的I／O之間進(jìn)行通信使用。

2003年高線(xiàn)廠(chǎng)改造，在加熱爐和精整生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)中就采用了西門(mén)子公司的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（PROFIBUS）網(wǎng)絡(luò)，在硬件配置、軟件編程上充分應(yīng)用工控機(jī)、PLC、遠(yuǎn)程I／O、交流變頻裝置及現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的通信連接，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“三電一體”。

2、 通訊機(jī)理

再簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)也需要傳輸介質(zhì)和傳輸協(xié)議，這一點(diǎn)，PROFIBUS—DP網(wǎng)也不例外，PROFIBUS—DP參考模型是根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的第一層（物理層）、第二層（鏈路層）和用戶(hù)層建立的，根據(jù)實(shí)際需要省去了OSI（Open System Interconnection）參考模型七層協(xié)議的3—6層。

2．1 物理層

PROFIBUS—DP的物理層與OSI參考模型的物理層相同，其主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為第二層數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，傳送數(shù)據(jù)流，它采用RS485協(xié)議，半雙工方式，可以用光纜或屏蔽雙絞線(xiàn)，這主要取決于傳輸速率，當(dāng)然也要考慮實(shí)際成本，可根據(jù)個(gè)人需要加以選擇。我廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)使用的是屏蔽雙絞線(xiàn)，實(shí)際使用基本能滿(mǎn)足需要。

2．2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層是比較復(fù)雜的一部分，它主要是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS—DP網(wǎng)包括兩種介質(zhì)存取方式：令牌總線(xiàn)方式和主一從方式。令牌總線(xiàn)方式與IEEE802．4規(guī)約相一致，其實(shí)質(zhì)也就是令牌總線(xiàn)網(wǎng)。PROFIBUS—DP網(wǎng)可以由一個(gè)主站和多個(gè)從站組成，s7—300和s7—400都能在PROFIBUS—DP網(wǎng)中作主站和從站使用，這時(shí)候就使用主一從方式。當(dāng)兩個(gè)以上SIMATIC s5和s7作為主站組成多主系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)橹髡驹趥鬏敂?shù)據(jù)時(shí)擁有相同的總線(xiàn)控制權(quán)，所以傳輸數(shù)據(jù)時(shí)就存在誰(shuí)占據(jù)總線(xiàn)的問(wèn)題。這時(shí)候令牌發(fā)揮了作用，令牌是一種特殊的電文，在主站之間傳遞控制權(quán)。令牌總線(xiàn)方式使某個(gè)得到令牌的主站可在事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線(xiàn)控制權(quán)，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)該主站與其他主站或與下一級(jí)主一從過(guò)程中的從站進(jìn)行通訊，在該主站控制時(shí)間終了時(shí)，它將主站令牌傳遞給下一個(gè)主站。

2．3 用戶(hù)層

PROFIBUS—DP網(wǎng)沒(méi)有使用OSI參考模型的應(yīng)用層，而是自己定義了第8層——用戶(hù)層，這一層與用戶(hù)接觸比較多，它主要定義了DP的功能、行規(guī)及擴(kuò)展功能。

3 、控制系統(tǒng)組成及相應(yīng)配置

結(jié)合我廠(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)具體設(shè)備情況了解一下DP網(wǎng)的實(shí)際使用。

3．1 組成

現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)分為兩級(jí)：過(guò)程控制級(jí)和設(shè)備控制級(jí)。過(guò)程控制級(jí)負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和設(shè)備運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控，設(shè)備控制級(jí)對(duì)液壓站、變頻器、操作的對(duì)象進(jìn)行控制。高線(xiàn)廠(chǎng)的精整和加熱爐自控系統(tǒng)都是由馬鋼設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在以精整集卷筒為例來(lái)分析DP網(wǎng)的組成。

由一臺(tái)s7—4OO PLC和一臺(tái)工控機(jī)通過(guò)高速以太網(wǎng)構(gòu)成本系統(tǒng)的過(guò)程控制級(jí)，PLC下設(shè)若干ET200M遠(yuǎn)程I／O從站，它們之間通過(guò)PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，構(gòu)成本系統(tǒng)的設(shè)備控制級(jí)。圖1是集卷網(wǎng)絡(luò)配置簡(jiǎn)圖的一部分，用以解釋其工作原理。

3．2 配置

硬件配置如下：一臺(tái)西門(mén)子PⅢ工控機(jī)作為上位機(jī)和人機(jī)接口（HMI），內(nèi)部裝有以太網(wǎng)卡，通過(guò)以太網(wǎng)與主PLC的CP443模板相連；過(guò)程控制部分采用一臺(tái)西門(mén)子s7—400 PLC作為主控。

3．3 主站

用于主站的PLC是西門(mén)子s7—4OO，它是一種先進(jìn)的可編程邏輯控制器，數(shù)字處理能力強(qiáng)，易于安裝和配置，并提供比較先進(jìn)的編程環(huán)境，它區(qū)別與s5的DOS編程界面，而是采用Windows界面便于操作。s7—400 PLC內(nèi)部集成有PROFIBUS—DP端口通過(guò)DP網(wǎng)與從站相連，組態(tài)靈活，操作簡(jiǎn)潔。該P(yáng)LC內(nèi)編輯有集卷筒動(dòng)作的全部程序，現(xiàn)場(chǎng)的操作和檢測(cè)信號(hào)通過(guò)DP網(wǎng)傳到PLC，運(yùn)行相應(yīng)程序后PLC將有關(guān)指令再通過(guò)DP網(wǎng)送給現(xiàn)場(chǎng)的相應(yīng)設(shè)備，如液壓閥、指示燈、氣閥等。

3．4 ET200M從站

圖1中的從站使用的是ET200M，是一種應(yīng)用S7— 300模塊系列的模塊化分布式的I／O裝置，它通過(guò)接口模塊IM153與PROnBuS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相連，可以向主站發(fā)送數(shù)據(jù)和接受來(lái)自主站的數(shù)據(jù)及I／O配制。我們采用屏蔽雙絞線(xiàn)將主站CPU的DP接口與各自控制區(qū)域內(nèi)所有ET200M從站DP接口依次串接。圖中的AOS編號(hào)為操作臺(tái)，主操作臺(tái)AOS10的操作箱內(nèi)裝有一套ET200M，還裝有一套西門(mén)子薄膜鍵盤(pán)，都通過(guò)接口掛在PROFIBUS—DP網(wǎng)上，操作人員通過(guò)薄膜鍵盤(pán)操作集卷的相應(yīng)設(shè)備；圖中的AOC編號(hào)為現(xiàn)場(chǎng)操作箱，也各自裝有一套ET200M，操作人員通過(guò)操作箱的開(kāi)關(guān)、按鈕來(lái)操作設(shè)備，開(kāi)關(guān)、按鈕的信號(hào)被ET200M采集后通過(guò)DP網(wǎng)送到PLC，程序執(zhí)行后將指令通過(guò)DP網(wǎng)送到相應(yīng)地址的ET200M，再送到控制對(duì)象。每個(gè)ET21X）M從站可擴(kuò)展8塊s7—300 I／O模塊，在硬件配置時(shí)，STEP‘／為各個(gè)I／O模塊分配了輸入、輸出地址，只要有地址就可以通過(guò)DP網(wǎng)找到相應(yīng)的地址所賦予的設(shè)備。因?yàn)镋T200M可以安裝在現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)環(huán)境要求不高，所以可以安裝在操作臺(tái)、操作箱等處，這樣可以節(jié)省大量電纜，實(shí)際維護(hù)時(shí)也減少大量工作量，使系統(tǒng)更可靠，采用薄膜鍵盤(pán)也達(dá)到了相同的效果，沒(méi)有了大量連接線(xiàn)，故障率自然大大降低，但在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，薄膜鍵盤(pán)對(duì)溫度比較敏感，溫度過(guò)高極易造成鍵盤(pán)死機(jī)，日常維護(hù)也要適當(dāng)注意DP網(wǎng)插頭和RAM 卡是否松動(dòng)。另外在ET200M或者薄膜鍵盤(pán)DP口與網(wǎng)絡(luò)相連或斷開(kāi)時(shí)，網(wǎng)線(xiàn)插頭上有一個(gè)開(kāi)關(guān)必須打在ON位置，否則網(wǎng)絡(luò)將癱瘓。

3．5 交流變頻從站

當(dāng)系統(tǒng)中有交流電機(jī)需變頻調(diào)速時(shí)，作為從站使用的變頻器都可以?huà)煸贒P網(wǎng)上，對(duì)電機(jī)進(jìn)行開(kāi)、閉環(huán)控制。在接入DP網(wǎng)中作為網(wǎng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，變頻器必須與CB通訊板相連，接入網(wǎng)中作為從站使用，接受從主站SIMATICs5或s7的控制。CB通訊板將從DP網(wǎng)中接收到的過(guò)程數(shù)據(jù)存入雙向RAM，雙向RAM被編址，變頻器端的雙向RAM通過(guò)被編址參數(shù)排序，向變頻器寫(xiě)入控制字或讀出實(shí)際值（如圖2所示）。我廠(chǎng)在設(shè)計(jì)精整和加熱爐控制系統(tǒng)時(shí)，考慮將變頻器掛上DP網(wǎng)，如精整的托板變頻器和送卷小車(chē)變頻器，加熱爐的入爐輥道、爐內(nèi)輥道、出爐輥道變頻器，但由于通訊調(diào)試方面出現(xiàn)問(wèn)題，暫時(shí)沒(méi)有掛在DP網(wǎng)上，而是從s7—40O直接通過(guò)模擬量板進(jìn)行控制。在以后改造時(shí)再考慮進(jìn)行處理。

4 、結(jié)束語(yǔ)

從以上分析可以看出，PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)只使用了OSI七層結(jié)構(gòu)的三層，是一種低級(jí)別的工業(yè)局域網(wǎng)，但由于采用了令牌總線(xiàn)和主一從方式的混合介質(zhì)存取方式，它的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他局域網(wǎng)，特別適合用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如檢測(cè)信號(hào)的采集、操作信號(hào)的輸送等。高線(xiàn)廠(chǎng)的加熱爐和精整區(qū)自控系統(tǒng)在使用了DP網(wǎng)以后，不但設(shè)備故障率大幅下降，而且現(xiàn)場(chǎng)操作輕松。與分散型控制技術(shù)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

責(zé)任編輯：gt