基于Profibus現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行機構(gòu)在鋼鐵廠的應(yīng)用

摘 要：對智能型執(zhí)行機構(gòu)原理及特性做了介紹，并對帶profibus現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行機構(gòu)通訊、配置、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)做了分析。結(jié)合鋼鐵廠水處理應(yīng)用案例，分析了智能執(zhí)行機構(gòu)profibus總線實現(xiàn)形式。

關(guān)鍵詞：電動執(zhí)行機構(gòu)；Profibus；現(xiàn)場總線；智能型

引言

近年來，隨著工業(yè)革命的快速發(fā)展，尤其是工廠設(shè)備信息技術(shù)和自動化的快速變革，傳統(tǒng)控制設(shè)備的的智能化、信息化升級越來越受到最終用戶的重視。目前鋼廠電動執(zhí)行機構(gòu)的智能化升級包括兩個方面[1]，一方面是智能一體化升級，即閥位檢測、開關(guān)控制、故障診斷等均基于大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，需要集微電子技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、軟件技術(shù)和常規(guī)控制技術(shù)于一身。另一方面是遠程自動化控制的升級，現(xiàn)場總線[2]就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

現(xiàn)場總線控制技術(shù)的發(fā)展必然要求現(xiàn)場儀表滿足最新控制技術(shù)的要求?，F(xiàn)代控制技術(shù)要求電動執(zhí)行機構(gòu)不單單只是實現(xiàn)簡單的執(zhí)行功能，而是要求執(zhí)行機構(gòu)在可靠地完成執(zhí)行功能的同時，能夠具有控制、運算、診斷和通訊等功能。

1 智能型電動執(zhí)行機構(gòu)原理分析

智能執(zhí)行機構(gòu)包括電機、機械傳動部分、電氣控制單元以及集成電子信息控制單元。其中電子控制單元是電動執(zhí)行機構(gòu)的核心單元。以圖1為例，中央處理器接受來自閥位信號和扭矩信號，與設(shè)定極限值比較，做出判斷，然后輸出控制命令。閥位處理器接受來自霍爾傳感器的位置信號，改變傳統(tǒng)的電位計機械計數(shù)方式，使得計數(shù)精度大大提高，并且不受行程限制。扭矩處理器采集電流互感器與電壓信號，計算出執(zhí)行機構(gòu)實時輸出扭矩，與設(shè)定的扭矩極限比較，如果過力矩，則切斷電機并發(fā)出報警信號。

2 帶profibus總線執(zhí)行機構(gòu)通訊介紹

帶Profibus總線執(zhí)行機構(gòu)[3][4]符合 PROFIBUS-DP/V0 協(xié)議，符合IEC61158：《用于測量和控制的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信--用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線》中的第3部分：PROFIBUS 規(guī)范。PROFIBUS國際組織（PI）的認(rèn)證的PROFIBUS-DP接口模塊HB_PB500驅(qū)動，波特率自適應(yīng)，最大波特率500K，具體通訊參數(shù)請查閱HBKJ0B9F.GSD文件。

Profibus總線接口采用RS485，分為差分和半雙工兩種形式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€性總線，兩端接有源的總線終端電阻。需采用屏蔽雙絞銅纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件。不用中繼器時每段最多32臺設(shè)備，如果使用中繼器，則最多可帶126臺設(shè)備。兩站點間最多4個有信號刷新的中繼器。插頭連接器為A、B、GND。數(shù)據(jù)安全性為奇偶校驗比特，起始/終止定界符。

3 帶profibus總線執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)在煉鋼廠應(yīng)用介紹

以某鋼鐵廠熱軋水處理系統(tǒng)電動執(zhí)行機構(gòu)為例，介紹帶Profibus總線電動執(zhí)行機構(gòu)控制及其實現(xiàn)方式。該系統(tǒng)上位機PLC采用Simens S7-400 Profibus-DP V0總線協(xié)議[5]。

3.1 總線信息的循環(huán)時間TMC

TMC=[Tsyn+Tidl+（2×9+輸入數(shù)據(jù)字節(jié)+輸出數(shù)據(jù)字節(jié)） ×11+TSDR] ×TBit×從站數(shù)=[33+75+（2×9+輸入數(shù)據(jù)字節(jié)+輸出數(shù)據(jù)字節(jié)） ×1+11] ×TBit×從站數(shù)

其中

TMC：總線信息的循環(huán)時間

Tsyn：同步時間

Tidl：主站再發(fā)信息間隔時間，典型值75 TBit

TSDR：從站延時時間，典型值11 TBit

TBit：位時間

在VAD智能型電動執(zhí)行機構(gòu)（PROFIBUS-DP）中采用 PROFIBUS-DP/V0協(xié)議實現(xiàn)主從站之間數(shù)據(jù)的周期性交換。報文格式提供高等級的傳輸安全性，除使用SRD服務(wù)實現(xiàn)邏輯的點對點的數(shù)據(jù)傳輸外，還允許進行廣播和群播通信的多點傳輸。在廣播通信中，一個主站發(fā)送信息給所有其它從站組或全體從站，數(shù)據(jù)交換過程是主站使用SDN服務(wù)對設(shè)定的從站組進行全局控制，此時沒有響應(yīng)報文。

3.2 電動執(zhí)行機構(gòu)的報文格式（表1）

其中：

SD 起始定界符，用于區(qū)別不同的報文格式

LE 數(shù)據(jù)長度，包括DA、SA、FC、DSAP、SSAP、DU在內(nèi)的所有用戶數(shù)據(jù)的長度

LEr LE的重復(fù)

SDr SD的重復(fù)

DA 傳輸?shù)哪康牡氐刂?/p>

SA 傳輸幀的發(fā)起者的源地址

FC 功能碼域，用于標(biāo)識本幀的類型

DU 用戶數(shù)據(jù)域，用于放置要“攜帶”的用戶數(shù)據(jù)

FCS 幀校驗序列

ED 終止定界符

* 表示有主站系統(tǒng)自動配置數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

電動執(zhí)行機構(gòu)作為現(xiàn)場儀表的關(guān)鍵部件，其智能化升級改造具有緊迫性和重要性，而現(xiàn)場總線也是電動執(zhí)行機構(gòu)智能化的發(fā)展方向，profibus總線是目前市場上應(yīng)用最廣泛的總線協(xié)議之一，深入的分析研究非常必要。下一步的研究將集中在多品種現(xiàn)場儀表的總線控制，profibus-DP V1總線控制協(xié)議等。

參考文獻

[1]梁 棟，卜旭輝，余發(fā)山.基于DSP的電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（2）：61-63.

[2]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[3]李紀(jì)紅，趙輝，王紅君，岳有軍.總線型智能電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，Vo.l25No.4Aug.2009，p16～19.

[4]施愛平，沈今括.基于PROFIBUS-DP總線的智能閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計[J].機床與液壓，Nov.2009，Vol37No.11，p154～155.

[5]岳有軍，王紅君，基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化.2008-11，p107～109.