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基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的煤礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)
摘要：介紹了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要特點(diǎn)，并結(jié)合祁東煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)介紹了基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的煤礦膠帶監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件配置以及兩者之間接口的實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)膠帶ProfibusFIXMPI
現(xiàn)場(chǎng)總線是20世界80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的。它應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)化測(cè)量設(shè)備之間的散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向的發(fā)展，一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，到全世界的普遍關(guān)注。自80年代末以來(lái)，幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)如FF、Lonworks、Canbus、Profibus等已逐漸成熟并對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響。Profibus等已逐漸成熟并對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響。Profibus是ProcessFieldBus的縮寫(xiě)，是一種用于工廠自動(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，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供可行的解決方案。
膠帶運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)在該環(huán)節(jié)的投入是煤礦現(xiàn)場(chǎng)化生產(chǎn)的趨勢(shì)。本文以皖北礦務(wù)局祁東煤礦的井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)介Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
1.1Profibus概貌
Profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-Pa三個(gè)兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s～12Mbit/s）的經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求；Profibus-PA采用IECII58-2標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為31.25kbit/s，并提供本質(zhì)安全特性，適用于安全性要求較高及由總線供電的場(chǎng)合；Profibus-FMS主要解決車間級(jí)通信問(wèn)題，完成中等傳輸速度的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)。
1.2總線拓樸結(jié)構(gòu)
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制器的連接方式，現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有多種形式，通常采用以下三種：線形、樹(shù)形和環(huán)形。Profibus采用的是線形結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)明，用一根總干線從控制器連到機(jī)械裝置（控制對(duì)象），總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道。在這種總線結(jié)構(gòu)下，可實(shí)現(xiàn)多主式和對(duì)等工通信，可以兩個(gè)控制器共享同一個(gè)系統(tǒng)中的信息和I/O站。另外，不需關(guān)閉總線系統(tǒng)就可以把一個(gè)I/O設(shè)備從總線上拆下，這給總線系統(tǒng)的維護(hù)帶來(lái)了很大方便。
1.3Profibus-DP的設(shè)備類型
根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)采用Profibus-DP。每個(gè)Profibus-DP系統(tǒng)包括以下三種不同類型的設(shè)備：
�。�1）DP主站類型1它是Profibus-DP應(yīng)用的中心部件，在一個(gè)規(guī)定的、重復(fù)的信息周期內(nèi)，中央控制器或PC機(jī)與分布式從站（DP從站）交換信息。非循環(huán)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與循環(huán)的測(cè)量值相比不是經(jīng)常變動(dòng)的，因此這種數(shù)據(jù)與快速循環(huán)的有用數(shù)據(jù)一起傳輸，但它以較低的優(yōu)先級(jí)傳輸。主站中的中斷確認(rèn)保證由DP從站來(lái)的中斷可靠傳輸。
�。�2）DP主站類型2這種類型的設(shè)備（如編程器、組態(tài)設(shè)備或操作設(shè)備）用于DP系統(tǒng)的啟動(dòng)、組態(tài)或用于正常運(yùn)行過(guò)程（如診斷）中的系統(tǒng)操作。此類型的主站可以讀取由設(shè)備來(lái)的輸入、輸出、診斷和組態(tài)數(shù)據(jù)。
�。�3）DP從站一個(gè)DP從站是一個(gè)I/O設(shè)備，它讀取輸入信息并向I/O提供輸出信息，輸入和輸出信息數(shù)取決于設(shè)備類型，最大為244字節(jié)。
1.4Profibus-DP的通信協(xié)議
Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，如圖1所示。其傳輸速率為9.6kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為100m，在1.5Mbps時(shí)為400m，可用中斷器延長(zhǎng)到10km。其傳輸介質(zhì)既可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。
Profibus-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用EIA-RS485協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸介質(zhì)。
Profibus-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議媒體訪問(wèn)控制（MAL）部分采用受控訪問(wèn)的令牌總線（TokenBus）和主從方式。令牌總線與局域網(wǎng)IEEE8024協(xié)議一致，令牌在總線上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線控
制權(quán)，該主站依照關(guān)系表與從站或與其它主站進(jìn)行通信。主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應(yīng)模式（NRM）。該模式的工作特點(diǎn)是：總線上一個(gè)主站控制著多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路；主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)；從站可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈數(shù)中幀的傳輸過(guò)程分為三個(gè)階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。正常響應(yīng)模式主站與從站之間傳輸幀的格式如圖2所示。
F為幀標(biāo)志字段（8位）。A為從站地址字段�？刂谱侄蜟表示幀類型、編號(hào)、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀、監(jiān)控幀和無(wú)編號(hào)幀。其中信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸并捎帶應(yīng)答；監(jiān)迭幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作，對(duì)鏈路狀態(tài)作出各種響應(yīng)（如認(rèn)可幀、請(qǐng)求重傳或暫停等）；無(wú)編號(hào)幀（不含信息字段）用于傳輸各種無(wú)編號(hào)命令和響應(yīng)，例如建立鏈路工作模式、釋放鏈路及報(bào)告特殊情況等。信息字段由PKW+PZD的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成，PKW用于讀寫(xiě)參數(shù)值，如寫(xiě)入控制字或讀出狀態(tài)字等，一般為4KB長(zhǎng)，而PZD用于存儲(chǔ)控制器的具體控制值、設(shè)置站點(diǎn)或狀態(tài)字的參數(shù)，一般為2～10B長(zhǎng)，如PZD的第二個(gè)字節(jié)可設(shè)為0#～7#設(shè)備的起停止位。FCS是幀校驗(yàn)字段，它對(duì)整個(gè)幀的內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余碼（CRC）校驗(yàn)。HDLC幀最長(zhǎng)可達(dá)24B。
Profibus-DP并未采用ISO/OSI的應(yīng)用層，而是自行設(shè)置一用戶層。該層定義了DP的功能、規(guī)范與擴(kuò)展要求等。
綜上所述可知，Profibus-DP的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)高于其它局域網(wǎng)，因而特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。
2井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
Profibus-DP被應(yīng)用于皖北礦務(wù)局祁東煤礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。Profibus-DP總線將所有設(shè)備連接起來(lái)。其中，Profibus-DP主站、Profibus-DP從站均采用SIMATICS7-300的模塊系列，主站為CPU315-2DP系列模塊，從站為相應(yīng)I/O模塊。
�。�1）分布式I/O系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用ET200通訊模塊等Profibus-DP相連接，ET200充分利用了SIMATICS7-300的模塊系列，將所有的S7-300I/O模塊通過(guò)接口模板IM153與現(xiàn)場(chǎng)總線相連。I/O模塊下的執(zhí)行器和傳感器連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，I/O模塊按主/從模塊向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供輸出數(shù)據(jù)并向CPU或上位機(jī)饋送輸入數(shù)據(jù)。I/O模塊屬于DP從站。
�。�2）CPU作為DP類型1主站，CPU位于控制中心，本系統(tǒng)采用CPU315-2DP模塊化型PLC，它具有強(qiáng)大的處理能力，并集成了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，同時(shí)還具有0.3ms處理1024個(gè)語(yǔ)句的速度。PLC程序在上位機(jī)的編程工具STEP7中編譯完成后下載到CPU315，并存儲(chǔ)在CPU315中。CPU315可自動(dòng)運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設(shè)備。
�。�3）上位機(jī)是DP類型2主站。本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡CP5611使工控機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)總線相連。這樣工業(yè)PC機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段就連接為能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)運(yùn)用了雙機(jī)冗余，鈄另一臺(tái)工控機(jī)通過(guò)同樣的現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡CP5611與現(xiàn)場(chǎng)總線相連，若其中一臺(tái)工控機(jī)發(fā)生故障，另一臺(tái)可繼續(xù)運(yùn)行。
3井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
軟件結(jié)構(gòu)部分包括WindowsNT操作系統(tǒng)、下位機(jī)編程軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件。
3.1下位機(jī)編程軟件
本系統(tǒng)采用SIMATICS7-300的配套編程工具STEP7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測(cè)試、調(diào)試和文檔處理。通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存儲(chǔ)取數(shù)據(jù)的存取區(qū)，本系統(tǒng)中它是上位機(jī)監(jiān)控軟件與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)。在MPI中配置與其相對(duì)應(yīng)的DB塊就可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控軟件FIX與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口。
3.2上位機(jī)監(jiān)控軟件
FIX工控組態(tài)軟件是由美國(guó)Intellution公司開(kāi)發(fā)的基于Windows9X&NT的大型應(yīng)用軟件，它集控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、趨勢(shì)、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通訊等組件，提供一個(gè)友好的用戶界面，使用戶可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要生成相應(yīng)的應(yīng)用軟件。
3.2.1與Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的接口
�。�1）數(shù)據(jù)流程FIX運(yùn)用I/O驅(qū)動(dòng)程序從設(shè)備中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，每個(gè)I/O驅(qū)動(dòng)程序支持其特定硬件。對(duì)于本系統(tǒng)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，采用MPI驅(qū)動(dòng)程序獲取其上數(shù)據(jù)。FIX組態(tài)軟件首先通過(guò)MPI驅(qū)動(dòng)程序軟件接口從現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程硬件中獲取數(shù)據(jù)，存入DIT驅(qū)動(dòng)程序映象表中（驅(qū)動(dòng)程序映象表在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)際上是一塊內(nèi)存區(qū)），F(xiàn)IX的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB）通過(guò)SAC程序從DIT表中獲取它所需的數(shù)據(jù)，應(yīng)用軟件（如FIX的畫(huà)面運(yùn)行程序、報(bào)表生成程序等）
都通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)軟件從FIX內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取來(lái)自過(guò)程硬件的信息，這樣就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)流程畫(huà)面上動(dòng)態(tài)地顯示現(xiàn)場(chǎng)各過(guò)程硬件的運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)也可以按相應(yīng)的順序?qū)懟噩F(xiàn)場(chǎng)過(guò)程硬件，執(zhí)行控制操作。相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。
�。�2）MPI配置MPI驅(qū)動(dòng)程序的應(yīng)用中很重要的問(wèn)題是STEP7和FIX的地址轉(zhuǎn)換問(wèn)題，在STEP7中設(shè)置的DB塊應(yīng)轉(zhuǎn)換為MPI的DB塊，這需要在MPI配置中實(shí)現(xiàn)。對(duì)MPI進(jìn)行配置包括通道、設(shè)備、起始地址及其它一些參數(shù)，令MPI的DB塊與STEP7中設(shè)置的DB塊相對(duì)應(yīng)，F(xiàn)IX的應(yīng)用程序才能獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。
3.2.2用戶界面開(kāi)發(fā)
本控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的人機(jī)接口界面有以下幾種：
（1）信息顯示畫(huà)面
信息顯示畫(huà)面主要顯示各膠帶當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息值，如當(dāng)前膠帶帶速、儲(chǔ)煤倉(cāng)的倉(cāng)位以及一些故障信息，如膠帶跑偏、堵塞、打滑等，并可用不同的顏色來(lái)表示當(dāng)前狀態(tài)來(lái)正常還是異常。
�。�2）設(shè)備控制畫(huà)面
盡管下位機(jī)程序能實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)總線上的數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的輸出，并實(shí)現(xiàn)PID控制等一些簡(jiǎn)單的控制算法，但算法的控制功能仍需要在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)人工控制，在畫(huà)面中點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備按鈕就可對(duì)該設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制。
�。�3）實(shí)時(shí)報(bào)警處理
對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并按技術(shù)要求進(jìn)行處理并自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備控制，如對(duì)膠帶故障信號(hào)的解鎖及其恢復(fù)等。
�。�4）報(bào)表打印
利用FIX的DDE功能開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)報(bào)表并具有隨時(shí)打印功能。
（5）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示
監(jiān)視設(shè)備重要參數(shù)的變化趨勢(shì)曲線，從而可以了解設(shè)備在一段時(shí)間的運(yùn)行狀況。
�。�6）歷史趨勢(shì)畫(huà)面
功能與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線類似，只是它顯示的是過(guò)去一段時(shí)間設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)值。
皖北礦務(wù)局祁東煤礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已投入運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，經(jīng)濟(jì)效益顯著，深受用戶好評(píng)。
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