PROFIBUS總線的研究與應用

摘要:隨著現場總線技術的不斷發展，PROFIBUS總線在煤礦自動化領域的應用越來越廣泛。該文分析了PROFIBUS總線的協議結構特點、介質訪問方式等，并探討了在煤礦皮帶集中控制系統的應用。

關鍵詞:PROFIBUS;煤礦;集控

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)25-7266-02

The Research and Application of PROFIBUS Network

ZONG Rui-mei

(Mengzhuang 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 control

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，在煤礦自動化領域的應用日益廣泛。它由三個兼容部分PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA以及PROFIBUS-FMS組成?；谥鲝氖浇Y構的PROFIBUS協議以其簡單實用的規約為現場設備的報文交換提供了可靠的通信保證，在諸多煤礦現場均能正常工作。

1 PROFIBUS總線通信協議

1.1 PROFIBUS總線協議結構

PROFIBUS現場總線全稱為Process Field Bus，是1986年以德國西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的現場總線技術，是德國國家現場總線標準DIN19245和歐洲標準的EN50170現場總線標準，現已被列入IEC61158國際標準。PROFIBUS是一種與制造無關的、開放的廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化的現場總線標準。

其中協議體系中的物理層(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)定義了系統的總線存取協議，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的接口功能。此外，在PROFIBUS的用戶層定義一些與特殊應用場合相關的應用規范。

PROFIBUS是由三個兼容的部分組成，即PROFIBUS-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層和用戶接口層，第3到7層未使用，這種精簡的結構確保高速數據傳輸。直接數據鏈路映象程序(UDLM)提供對第2層的訪問。在用戶接口中規定了PROFIBUS設備的應用功能，以及各種類型的系統和設備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數據而優化的PROFIBUS協議特別適用于可編程序控制器與現場級分散的I/0設備之間的通信。PROFIBUS-FMS即為現場總線報文規范(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(現場報文規范)和LLI(低層接口)。FMS包括應用協議和提供的通信服務，LLI建立各種類型的通信關系，并給FMS提供不依賴于設備的對第2層的訪問。FMS處理單元級(PLC和PC)的數據通信。PROFIBUS和PROFIBUS-FMS使用相同的傳輸技術和總線存取協議。因此，可以在同一根電纜上同時運行。

PROFIBUS-PA是PROFIBUS面向應用的模塊化構成方法的一個顯著例子。從協議規范的構成來看，PROFIBUS-PA=PROFIBUS(基本功能+擴展功能)+IEC1158-2傳輸技術+PA行規。它主要用于流程工業自動化領域，實現自動化系統或過程控制系統與現場設備(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。PROFIBUS-PA采用IEC1158-2傳輸技術，具有總線供電和本質安全特征，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，才有權向環路上發送報文。站點在發送完畢后，將令牌交給網上的下一個站點。在令牌總線方式中，帶有目的地址的令牌幀廣播到總線上所有站點，當目的站識別出符合它的地址，即把該令牌接收，任何時刻只有一個站點發送報文，因而不會發生訪問沖突。消息傳輸的延遲時間由環的大小決定。如果所有站都有報文要發送，則最壞情況下，等待取得令牌和發送報文的時間應該等于全部站點令牌傳送時間和報文發送時間的總和。因此，令牌方式比較適合在實時系統中應用，而且它對輕、重負載不敏感。PROFIBUS的站點包括主站和從站，PROFIBUS總線協議包括主站間的令牌傳遞方式和主從間的主從輪詢方式。當主站得到令牌后，允許在一定時間內與從站或其他主站通信。

1.2 介質存取方式

PROFIBUS現場總線作為應用在設備層的公共總線，必須解決各節點的網絡使用權競爭問題，同時保證通信的實時性。參照開放系統互聯協議(OSI)，在PROFIBUS協議中第二層的現場總線數據鏈路層(FDL)協議定義了總線存取控制協議(MAC)。通信網絡的效率、利用率、可靠性、實時性很大程度上取決于協議的MAC協議方式。

PROFIBUS系統采用由混合介質存取方式實現的控制介質存取: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。介質存取控制可以被每一個主站(主動站)使用。從站(被動站)的作用是隨時地聽從于介質存取，即它們不能獨立地發送，只是在有請求時才發送。

PROFIBUS使用簡化令牌總線協議(simple version of token-passing)作為MAC層標準?？偩€上的各個點以總線方式互連，主站點由PC、PLC等控制中心組成，從站由傳感器、執行器等構成。

總線上的每一個站點分配一個邏輯地址，主站點地址的集合組成一個邏輯環，令牌控制幀在邏輯環上的各個主站點輪轉，持有令牌的主站點被允許在持有期間輪詢各從站，以交換數據。

通信總是由獲得介質存取權(即令牌)的主站發起。令牌在一個邏輯環中從一個主站傳遞給另一個主站。這樣，當一個主站可以存取介質時，令牌傳遞立即終止。令牌傳遞控制由每一個主站進行管理，因為每個主站知道它的前者(它前面的站，PS)，即令牌是從它那里接收來的，而且知道它的后繼者(下一個站，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，每個主站確定它的PS和NS地址，按站地址的升序用令牌幀將令牌從一個主站傳送到另一個主站(見圖1)。有一個站例外，為了封閉邏輯令牌環，具有最高地址的站要傳送令牌給具有最低地址的站。

存取控制協議中定義了幾個重要的時間量:

1)目標令牌循環時間TTR:是由網絡設計者指定的令牌在邏輯環上的循環時間。一般該時間在所有主站上設置一致。

2) 令牌實際循環時間TRR:令牌的實際動態循環時間。其計算方法為:

在某主站收到令牌后，TRR開始加計數或減計數，直到令牌再次到達該主站為止。計算這一時間時，需要考慮從站診斷報文、主從間的非周期數據交換、高優先級報文、邏輯令牌動態變化等情況下的動態令牌循環時間。

3) 主站持有令牌時間TTH:某主站收到令牌到該主站將令牌傳送到下一主站的目標時間，其表達式為TTH=TTR-TRR。

PROFIBUS根據報文的時間限制將報文劃分為兩種:高優先級報文和低優先級報文。同時，低優先級的報文又分為三種類型:輪詢鏈表報文、非循環的低優先級報文以及GAP鏈表報文。圖2給出了報文分類的直觀說明。

高優先級的報文對應于有嚴格時限要求的同步通訊量，比如報警等。輪詢鏈表報文指站點根據它的輪詢鏈表對從屬于它的從站進行的周期性輪詢過程。非循環的低優先級報文對應于零星的、沒有嚴格時間限制的報文，比如遠程管理服務等。GAP鏈表報文用于動態維護邏輯令牌環、GAP鏈表以及活動站點鏈表等。

站點總是先處理高優先級的報文，再處理低優先級的報文。三種低優先級的報文也是按一定順序進行處理:先處理輪詢鏈表報文，接著處理非循環的低優先級報文，GAP鏈表報文只有在所有其它報文都處理完畢并且GAP更新計時器到時才會被發起。

2 PROFIBUS總線的煤礦應用

煤礦是一個工作環境相對惡劣的特殊行業，而且對生產的安全性要求很高。煤礦井下控制網絡具有負荷不均勻、信息流向不對稱、網絡結構變化大、信息速率跨度大、對實時性和可靠性要求苛刻等特點。高實時性可以保證控制信號的及時響應和緊急故障的及時處理，對于提高生產效率和安全性至關重要。隨著煤礦自動化水平的提高以及在生產方面的越來越多的投入，煤礦井下大都安裝了以PROFIBUS總線為主的自動化控制系統，井下膠帶運輸系統是將井下原煤輸送到地面的流通環節，采用自動化技術控制井下皮帶、給煤機等可以大大提高井下煤炭運輸效率。自動化控制系統的應用降低了工作難度、強度;能自動控制、集中開停等，操作簡單、使用方便;便于管理查閱開停記錄、傳感器報警信息等;實現了井下膠帶運輸系統的安全、可靠、高效運行。

根據煤礦現場實際分布情況，皮帶控制系統可利用光纖、電纜組成混合現場總線，實現對井下主煤流運輸系統及工業電視。

監測監控系統主要由地面監控中心，傳輸線路，井下控制分站和給煤機、煤倉煤位、保護傳感器信號等構成。

2.1 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，主要通過計算機和工業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控制計算機、21`顯示器、網絡通信、不間斷電源和工業電視等。

2) 遠距離通訊傳輸系統

工業現場總線由光纖、雙絞線、集線器和網絡連接器等組成。

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控制裝置。該裝置控制核心部分采用德國西門子公司生產的 S7-300 可編程控制器，其他主要元件均采用進口元件。井下現場部分還包括電氣控制箱，外圍保護、監測裝置等相關設施。

KJD15膠帶機控制裝置結合相應配套的傳感器、控制器、網絡組件等完成對膠帶機和給煤機的就地、遠程控制。

4) 保護和檢測裝置

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) 工業電視

本系統主要由工業攝像設備、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。工業攝像設備采用低照度低噪聲KD6002礦用本安型光纖攝象儀。

2.2 控制模式

為了滿足日常運行、檢修、故障處理等需要，具備三種控制模式:就地、遠程和自動。操作人員可采用不同方式控制各條膠帶機的啟動和停止?？刂品绞接腥N:

1)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。并且通過計算機語音系統發布開車提示命令。

2)人工就地控制

當日常檢修或故障處理以及特殊需要時，操作人員可分別在各條膠帶機頭通過膠帶機自動控制裝置控制膠帶機的起、停。

3) 控制方式變換

可以通過膠帶機自動控制裝置手/自動切換開關進行轉換，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性。

4) 后部閉鎖

具有同煤流方向相互閉鎖功能，實現逆煤流開，順煤流停。

5) 啟動方式

膠帶機采用直接啟動方式。

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故障，非正常動作，使用中視情節正確使用。

3 結束語

隨著煤礦自動化水平的提高， PROFIBUS總線系統在煤礦生產中發揮著越來越大的作用，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、可靠生產的目的，節省了大量人力資源，具有顯著的經濟效益。

參考文獻:

[1] 李景平.基于現場總線思想的煤礦綜合監控系統設計[J]測控技術，2000，19(12):21-23.

[2] 方曉柯.現場總線網絡技術的研究[D].沈陽:東北大學信息科學與工程學院，2005.

[3] 范鎧.現場總線技術在國內的應用情況[J].工業控制計算機，2001，7(1):1-5.

[4] 周益明.PROFIBUS-DP現場總線通信研究及智能從站設計[D].南京:南京航空航天大學自動化學院，2005.