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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。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，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Process FieldBus的縮寫，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。
1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
1.1 Profibus概貌
Profibus是一種國(guó)際化、開放式、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)帶來了很大方便。
1.3 Profibus-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)。
1.4 Profibus-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)議媒體訪問控制（MAL）部分采用受控訪問的令牌總線（Token Bus）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）；無編號(hào)幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號(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用于讀寫參數(shù)值，如寫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
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