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        基于Profibus的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)研究

        2015-05-30 01:29:28張文杰
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年31期
        關(guān)鍵詞:自動(dòng)化研究

        張文杰

        摘 要:20世紀(jì)80年代末、90年代初,現(xiàn)場(chǎng)總線在國際上發(fā)展形成,主要用于自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互聯(lián)通訊。隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,自動(dòng)化技術(shù)的水平也日漸提高。現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、儀表技術(shù)以及控制技術(shù)高度集成與綜合的產(chǎn)物,已經(jīng)成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一,其主要功能便是解決現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信以及信息傳遞?,F(xiàn)如今,國際上已經(jīng)開發(fā)出數(shù)十種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。其中由西門子開發(fā)的過程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus(Process Field Bus)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),于1989年已成為現(xiàn)場(chǎng)總線的國際標(biāo)準(zhǔn),它是一種開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),在多種自動(dòng)化領(lǐng)域中均占據(jù)主導(dǎo)地位。

        關(guān)鍵詞:自動(dòng)化;總線Profibus;研究

        前言

        西門子公司開發(fā)的Profibus,是用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò),從而為實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。雖然現(xiàn)在西門子已經(jīng)開始大力推廣旗下的工業(yè)以太網(wǎng)Profinet產(chǎn)品,但Profibus在市場(chǎng)上依舊占據(jù)著一席之地。文章通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus的研究探討,進(jìn)一步了解其特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì),為設(shè)計(jì)和調(diào)試人員對(duì)Profibus的使用作一些參考。

        1 現(xiàn)場(chǎng)總線的特征

        近年來,工業(yè)的迅猛發(fā)展,使得現(xiàn)場(chǎng)總線成為了一種認(rèn)可度高、廣為使用的工業(yè)數(shù)據(jù)總線。它的主要任務(wù)是對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種控制裝置、執(zhí)行裝置和智能化儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信以及設(shè)備與上一級(jí)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。如今的現(xiàn)場(chǎng)總線,已經(jīng)具備了以下特征:(1)全數(shù)字化通信;(2)開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò);(3)互可操作性與互用性;(4)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化;(5)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性;(6)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線具有上述一系列優(yōu)點(diǎn),使得它在國際上廣受歡迎。

        2 現(xiàn)場(chǎng)總線的分類

        現(xiàn)在國際上已經(jīng)開發(fā)出了數(shù)十種現(xiàn)場(chǎng)總線,按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為三類:傳感器總線,屬于位傳輸;設(shè)備總線,屬于字節(jié)傳輸;現(xiàn)場(chǎng)總線,屬于數(shù)據(jù)流傳輸。由西門子公司開發(fā)的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線是以傳輸數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ),它是基于RS485通信協(xié)議開發(fā)的一種現(xiàn)場(chǎng)通訊方式。RS485傳輸采用屏蔽雙絞線電纜,段的終端各有一個(gè)終端器。傳輸速率從9.6kbps-12Mbps,所選用的波特率適用于連接到總線上的所有設(shè)備[1]。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比,Profibus的最大優(yōu)點(diǎn)是以穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50710作為保障,并且經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,具有普遍性。而與Profinet相比,Profibus的工作原理是依靠差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的,由于兩者在通信介質(zhì)上完全不同(Profibus基于RS485串行總線,Profinet基于工業(yè)以太網(wǎng))[2],Profibus也繼承了RS485的缺點(diǎn),即易受環(huán)境干擾,受限于最大傳輸速率,使得實(shí)時(shí)性沒有高速傳輸數(shù)據(jù)的Profinet好。但是對(duì)于一般情況下,對(duì)工作條件要求不高的工業(yè)設(shè)備來說,Profibus所提供的工作環(huán)境已經(jīng)足夠使用。

        3 Profibus的組成

        Profibus由三個(gè)兼容部分組成,即Profibus-DP(Decentralized Periphery),Profibus-PA(Process Automation),Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification),其中(1)Profibus-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳輸;(2)Profibus-PA適用于Profibus過程自動(dòng)化;(3)Profibus-FMS旨在解決車間監(jiān)控級(jí)通信任務(wù),提供大量的通信服務(wù),但是現(xiàn)在已很少使用。

        4 以Profibus作為現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分類

        以Profibus作為現(xiàn)場(chǎng)總線,其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為:(1)一類主站,包括PLC、PC,還有支持主站功能的通訊處理器;(2)Profibus從站,包括各類分布式I/O,支持Profibus-DP接口的傳動(dòng)裝置,支持從站功能的通訊處理器,還有其他可支持的輸入輸出、智能設(shè)備;(3)Profibus網(wǎng)絡(luò)部件包括通信介質(zhì),如電纜,總線部件:中繼器、總線連接器等;(4)人機(jī)界面設(shè)備(二類主站),由通訊處理器連接到網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)及編程設(shè)備,或者各種診斷工具及網(wǎng)絡(luò)配置等。

        5 Profibus-DP在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任務(wù)

        Profibus-DP在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可分為DP主站和DP從站。

        DP主站的主要任務(wù)有:(1)啟動(dòng)DP主站的時(shí)候初始化主站系統(tǒng),通過讀取其中的診斷數(shù)據(jù),檢查從站是否準(zhǔn)備就緒,并且檢查主站是否已經(jīng)組態(tài)正確,配置了該從站,然后配置從站;(2)檢查從站組態(tài)與主站組態(tài)是否相一致,如果一致的話,則開始與從站進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸,否則通過讀取診斷信息,報(bào)告其中的錯(cuò)誤信息;(3)與DP從站循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸;(4)對(duì)DP從站進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試;(5)采樣收集站內(nèi)的診斷信息;(6)處理作業(yè)請(qǐng)求,包括其中的輸入輸出同步控制,DP主站的起??刂频龋唬?)讀取其他類主站的共享輸入輸出數(shù)據(jù);(8)若DP主站出現(xiàn)停止或有故障時(shí),使得DP系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。

        DP從站的主要任務(wù)有:(1)接收由主站傳輸?shù)慕M態(tài)參數(shù)和配置參數(shù),以及來自主站的過程數(shù)據(jù);(2)為DP主站提供過程數(shù)據(jù);(3)為DP主站提供診斷數(shù)據(jù);(4)為二類DP主站提供讀取的輸入輸出數(shù)據(jù)等[3]。圖1是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)Profibus網(wǎng)絡(luò)組態(tài)案例。

        如圖1所示的案例使用西門子工業(yè)設(shè)備,以CPU315-2 DP作為系統(tǒng)的一類主站,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并控制各個(gè)子站;以計(jì)算機(jī)WINCC作為系統(tǒng)的二級(jí)主站,通過CP5611接口與CPU相連接,用于對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線各設(shè)備和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行圖形化管理和操作,與PLC互相通信,并且WinCC還有報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列功能,可實(shí)現(xiàn)一個(gè)集中可視的數(shù)據(jù)處理監(jiān)控端;各個(gè)DP從站,用于現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集,并且與CPU控制單元通過Profibus進(jìn)行快速、周期性的數(shù)據(jù)交換;網(wǎng)絡(luò)部件——中繼器,用于完成信號(hào)的復(fù)制、調(diào)整和放大功能,以此來延長網(wǎng)絡(luò)的長度,還有各種儀表設(shè)備、編碼器等等,用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)并將信號(hào)傳輸回PLC。

        6 結(jié)束語

        綜上所述,Profibus在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中仍然發(fā)揮著很大的作用,并且由于它具備通訊穩(wěn)定、傳輸速率高、使用安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn),在設(shè)計(jì)選型中也廣受歡迎。采用Profibus作為通訊方式需要對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理有一定的認(rèn)知和理解,這樣在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用過程中出現(xiàn)各種問題時(shí),才會(huì)對(duì)故障原因有清晰的判斷,才能使自動(dòng)化系統(tǒng)更好地為人們服務(wù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]雷呈喜.基于PROFIBUS總線技術(shù)的柔性制造培訓(xùn)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

        [2]張琦,尹嘉娃.PROFIBUS與PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線比較與應(yīng)用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,3.

        [3]龍凱.基于PROFIBUS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D].武漢科技大學(xué),2008.

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