摘 要:本文剖析了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通訊原理及特性。具體描述了Profibus—DP在高爐自動(dòng)化系統(tǒng)硬件和軟件方面的應(yīng)用。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及施工調(diào)試，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)故障的診斷方式提出了有效可行的幾點(diǎn)意見(jiàn)。 關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);物理層;數(shù)據(jù)鏈路層;PLC;圖爾克

Application of PROFIBUS-DP in Blast Furnace Autom ation System

Abstract：This paper analyzes the communication principle and characteristics of Profibus．The author elaborates the applicationof Profibus-DP to hardware and software sides of the blast furnace automatism system．Combined with the field instance and systemtest，the effective and feasible solutions are worked out for field bus diagnosis． Key words：Field Bus；Physical layer；Data Link Layer；PLC；Turck 0 前言 　　隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（Process Field Bus簡(jiǎn)稱(chēng)Profibus）技術(shù)在新一代高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中逐步推廣使用。它使用一類(lèi)傳輸介質(zhì)（如具有位串傳輸?shù)你~纜、光纖或無(wú)線(xiàn)等），用比特串傳輸，將分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器、變送器等）連接到中央控制或管理系統(tǒng)。 　　在煉鐵高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，分為槽下配料和爐頂加料部份，槽下系統(tǒng)共25個(gè)倉(cāng)、19個(gè)斗，共計(jì)閥門(mén)31個(gè)，爐頂12個(gè)閥，卷?yè)P(yáng)電機(jī)、探尺設(shè)備配有編碼器。在電氣設(shè)計(jì)方而，分布區(qū)域廣、閥門(mén)多、煤氣區(qū)域易燃易爆的特點(diǎn)不容忽視，兇此，我們采用各輸入輸出點(diǎn)（包括數(shù)字量、模擬量）進(jìn)入站點(diǎn)模塊，通過(guò)一根總線(xiàn)傳人_豐控室PLC，以此控制各閥門(mén)及電機(jī)動(dòng)作。本文以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的角度出發(fā)，結(jié)合采用德國(guó)西門(mén)子PIC系統(tǒng)和圖爾克Prnfibus—DP工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，描述高爐自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)故障診斷的敏感問(wèn)題提出了一些解決方案。 1 PROFIBUS—DP總線(xiàn)通信原理及系統(tǒng)組成 　　PROFIBUS由二個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA和PROFIBUS—FMS。我們采用的PROFIBUS—DP是一種高速、低成本，用于沒(méi)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。使用PROF’IBUS可取代24VDC或4—20mA信號(hào)傳輸。它定義了第一層（物理層）、第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶(hù)接口，第-1．1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)物理層 　　IEC61158—2給出了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)物理層通用模型，可用圖2示可表示。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信裝置是由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)端接設(shè)備（DCE）組成。從圖2可看出，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的物理層包含了媒體相關(guān)子層與媒體無(wú)關(guān)子層兩部分。 　　媒體相關(guān)子層負(fù)責(zé)處理不同傳輸媒體、不吲速率的信號(hào)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。媒體無(wú)關(guān)子層與數(shù)據(jù)鏈路層相連，負(fù)責(zé)信號(hào)編碼與解碼，增加或減除前導(dǎo)碼、定界符的工作。所以物理層的功能是用f實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與總線(xiàn)之間的連接，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)總線(xiàn)的發(fā)送和接收提供合乎規(guī)范的物理信號(hào)。

　　PROFIBUS—DP采用的是單獨(dú)供電的總線(xiàn)設(shè)備，每站點(diǎn)有自己的穩(wěn)壓電源，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源不穩(wěn)，通信若隱若現(xiàn)甚至徹底消失時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)旁路功能以避免對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的影響。通信介質(zhì)可采用雙絞屏蔽電纜、同軸電纜、光纖，紅外以及激光等，我們采用了雙絞屏蔽電纜。通信網(wǎng)絡(luò)電纜屏蔽層接地電阻宜小于1OΩ。在連接各站時(shí)，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線(xiàn)不要擰絞，電纜各個(gè)信號(hào)線(xiàn)相互之間的絕緣電阻宜大于200Ω，對(duì)于重要的場(chǎng)合，測(cè)試電纜的特性阻抗（推薦30kHz）、靜電容量（推薦：1kHz）、耐壓（DC200v）等參數(shù)非常必要。作為阻抗匹配元件，在總線(xiàn)的每個(gè)網(wǎng)段需要兩個(gè)終端電阻。使用終端電阻的同的是應(yīng)用信號(hào)的發(fā)射波原理減少信號(hào)衰減和變形。因此在每個(gè)網(wǎng)段的首尾節(jié)點(diǎn)，終端電阻或節(jié)點(diǎn)接頭終端器要在“ON”位置，同時(shí)其他中間段節(jié)點(diǎn)應(yīng)不能有終端電阻或節(jié)點(diǎn)接頭終端器在“OFF”位置。當(dāng)系統(tǒng)中需連接的站點(diǎn)數(shù)多于32時(shí)，使用中繼器相連接。我們采用總線(xiàn)速率為1．5M的波特率，在一段中最大的電纜長(zhǎng)度限制為200米，因此采用中繼器進(jìn)行信號(hào)放大以增加長(zhǎng)度，但是串起來(lái)聯(lián)結(jié)的中繼器最多不能超過(guò)3個(gè)。 1．2 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)鏈路層 　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層（DLU）位于物理層和應(yīng)用層之間。DLL一般可分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層（MAC）兩部分。LLC從其上層取得數(shù)據(jù)后，構(gòu)造成幀，完成通信鏈路的建立、拆除及差錯(cuò)、流量控制等，而MAC完成網(wǎng)絡(luò)存取控制。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基于令牌總線(xiàn)協(xié)議加主一從總線(xiàn)的介質(zhì)存取方式，DP主站循環(huán)地與DP從站交換數(shù)據(jù)。站點(diǎn)數(shù)可達(dá)127個(gè)。它融合了IEEE802．4和集中式輪詢(xún)協(xié)議的重要功能和優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單說(shuō)這足一種多主站的協(xié)議，主站之間以令牌傳輸協(xié)議進(jìn)行_I二作，持有令牌的站可輪詢(xún)其它站（令牌和查詢(xún)方式）。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)得到令牌后，允許它在一定的時(shí)間內(nèi)與從節(jié)點(diǎn)或其它主節(jié)點(diǎn)通信。令牌在所有主節(jié)點(diǎn)中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間TrR（設(shè)定周期）是事先預(yù)定的，決定了各主節(jié)點(diǎn)的令牌具體保持時(shí)間的長(zhǎng)短。主節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)必須保證在事先定義的時(shí)間間隔內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)有充足的時(shí)間完成通信任務(wù)，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換要盡町能快且簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。 　　在煉鐵高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，利用總線(xiàn)遵循公開(kāi)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作性和互換性。電振機(jī)的控制采用集空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、熱繼電器一體的電機(jī)啟動(dòng)器（5．5kw），室內(nèi)控制恒內(nèi)一排l4個(gè)啟動(dòng)器作為一個(gè)站點(diǎn)，這樣只需4排1個(gè)控制柜就可完成所有42臺(tái)電機(jī)的主網(wǎng)路及二次回路的控制，電機(jī)啟動(dòng)器的智能性，可以通過(guò)信號(hào)燈閃爍頻率來(lái)報(bào)警。室內(nèi)設(shè)有模擬屏，模擬屏為全現(xiàn)場(chǎng)各所有控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)信號(hào)指示，其信號(hào)來(lái)源于總線(xiàn)上ET200站點(diǎn)的輸出?，F(xiàn)場(chǎng)爐頂及槽下閥門(mén)開(kāi)關(guān)的信號(hào)傳送人機(jī)旁箱內(nèi)的圖爾克模塊，以站點(diǎn)形式掛在總線(xiàn)上．用于主卷?yè)P(yáng)判斷料車(chē)方向及行程的編碼器、探測(cè)料線(xiàn)深度的探尺編碼器采用圖爾克產(chǎn)品，也以站點(diǎn)形式拄在總線(xiàn)上。信號(hào)通過(guò)總線(xiàn)傳送到主控室的PLC，總線(xiàn)各站點(diǎn)結(jié)點(diǎn)處以T形頭聯(lián)接，這樣整個(gè)拓樸結(jié)構(gòu)中。無(wú)論哪個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)故障不影響其它站點(diǎn)，為保證現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備正常工作，每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備，必須有一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址和物理設(shè)備位號(hào)。當(dāng)有站點(diǎn)m現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)韋控室的PLC可以診斷出具體站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。針對(duì)實(shí)際情況我們采用j條總線(xiàn)，S7400PLC控制，協(xié)議分別為MPI和Profibus。PLC接收到接近開(kāi)關(guān)到位信號(hào)后，通過(guò)總線(xiàn)上的以ET200為站點(diǎn)的模塊輸出到模擬屏信號(hào)燈上。其總線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意如圖3：

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)硬件：由SIMATICS7—400PLC、ET-200M、數(shù)字量模擬量輸入輸出模塊（DI／DO、AI／AO）、IF964一DP擴(kuò)展卡、圖爾克現(xiàn)場(chǎng)模塊PDP—IM、丁作站（2臺(tái)工控機(jī)）、Profibus—DP屏蔽電纜。控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口卡CP5612相連到現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，在工控機(jī)上完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能。 軟件配置：在這個(gè)系統(tǒng)中，控制基本上由集中的PLC完成。 　　在PLC軟件控制當(dāng)中，我們要對(duì)外部的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行硬件組態(tài)，讓系統(tǒng)識(shí)別總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，各個(gè)站點(diǎn)有自己的邏輯地址，分別掛在哪條總線(xiàn)上，采用的總線(xiàn)協(xié)議方式及速率、產(chǎn)品類(lèi)型等進(jìn)行具體組態(tài)設(shè)置。編程軟件我們采用STEP7（5．2），對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，使用廠(chǎng)家提供GSD文件，GSD（設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件）的組態(tài)工具可將不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的設(shè)備集成到一個(gè)總線(xiàn)系統(tǒng)中。PLC程序在卜位機(jī)的編程工具STEP7（5,2）中組態(tài)后進(jìn)行編譯，編譯通過(guò)后F載到CPU416-2DP，并存儲(chǔ)其中，CPU416可自動(dòng)運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線(xiàn)上的所有1／O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設(shè)備。 　　上位機(jī)監(jiān)控軟件為西門(mén)子公司的Wince6．0，它基于WIN—DOWS的對(duì)象鏈接和嵌入、部件對(duì)象模型和分布式部件對(duì)象模型技術(shù)，并創(chuàng)建一開(kāi)放式接口，具有良好的圖形界面和人機(jī)交互性，系統(tǒng)在Windows2000下運(yùn)行，通迅畫(huà)而如圖4：

　　利用總線(xiàn)，在監(jiān)控畫(huà)面中我們實(shí)現(xiàn)了功能如下： 　?。?）控制操作：并住中心控制室能對(duì)被控沒(méi)備進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制，如啟停閥門(mén)設(shè)備，調(diào)節(jié)上料種類(lèi)，實(shí)現(xiàn)定倉(cāng)、設(shè)定料類(lèi)重量等。并能夠在現(xiàn)場(chǎng)限位開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)，模擬到位信號(hào)，使上料正常進(jìn)行。在線(xiàn)設(shè)置PIC的某些參數(shù)等。上位機(jī)是總線(xiàn)上一個(gè)站點(diǎn)，與PLC的進(jìn)行實(shí)時(shí)通迅。 　?。?）顯示功能：在畫(huà)面中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)模擬顯示整個(gè)高爐系統(tǒng)各閥門(mén)實(shí)際動(dòng)作狀況，各稱(chēng)量斗實(shí)際重量顯示。各閥門(mén)位置指示用不同顏色指示開(kāi)位、關(guān)位、正在開(kāi)或關(guān)等，以及現(xiàn)場(chǎng)的儀表溫度、壓力、狀態(tài)參數(shù)。 　?。?）數(shù)據(jù)管理：依據(jù)不同運(yùn)行參數(shù)的變化和重要程度，建立生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計(jì)分析使用。用戶(hù)歸檔記錄每料實(shí)際的料類(lèi)，每料車(chē)的重量，上料時(shí)間等，從中得出一些有用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，改進(jìn)丁藝，使生產(chǎn)效益越來(lái)越好。 　　（4）報(bào)警功能：當(dāng)某一模擬量（如電流、壓力、溫度等）測(cè)量值超過(guò)給定范嗣或某一開(kāi)關(guān)量（如電機(jī)啟停、閥門(mén)開(kāi)關(guān)）發(fā)生異常時(shí)，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警。通過(guò)畫(huà)面閃爍報(bào)警，并用文字提示，對(duì)快速確認(rèn)故障，排除故障起到很好作用。利用總線(xiàn)模塊診斷功能，可直觀(guān)看到現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)故障報(bào)警狀態(tài)。 3 總線(xiàn)診斷方式 　　在高爐自動(dòng)化系統(tǒng)中，各站點(diǎn)分散于現(xiàn)場(chǎng)煤氣區(qū)域，一旦站點(diǎn)出現(xiàn)故障，即使一個(gè)站點(diǎn)也將會(huì)嚴(yán)重影響上料，造成減風(fēng)、休風(fēng)，因此快速故障診斷尤為重要。結(jié)合實(shí)踐，這里介紹3種故障診斷方法。 3．1使用FB125程序?qū)ο到y(tǒng)中分布式設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)診斷

　　FB125是一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)功能塊，它必須在OB1，OB82和OB86中分別被調(diào)用?？梢詫?duì)系統(tǒng)進(jìn)行_二級(jí)診斷：故障站點(diǎn)、故障模塊、故障通道。并且給出詳細(xì)的報(bào)錯(cuò)信息，同時(shí)數(shù)據(jù)仔儲(chǔ)區(qū)可以作為接口被其它程序讀取和調(diào)用（如WINCC），更直觀(guān)的找出故障從站和錯(cuò)誤信息。其跟隨的數(shù)據(jù)塊中部分重要信息如表。 3．2 用BT200測(cè)試裝置（6ES7 181一OAA01一OAAO） 　　在安裝階段，可用BT200測(cè)試裝置測(cè)試PROFIBUS—DP電纜，能夠快速分辨出線(xiàn)路中斷還是屏蔽中斷，是線(xiàn)路之間還是線(xiàn)路與屏蔽層之間的短路。在數(shù)據(jù)線(xiàn)中出現(xiàn)斷線(xiàn)或短路時(shí)，確定故障位置，并能檢測(cè)出可能造成故障的反射。根據(jù)實(shí)際情況確定安裝電纜長(zhǎng)度，超jIJ規(guī)定距離可增加中繼器進(jìn)行信號(hào)放大。也可以檢查站的接線(xiàn)，用BT200檢查從站／主站的RS485接口，檢查從站的可訪(fǎng)問(wèn)性，列出可訪(fǎng)問(wèn)的從站及其具體編址。這可事先測(cè)試特定總線(xiàn)段的可操作性，從而縮短，投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間。在H常運(yùn)行故障時(shí)，這些功能用于故障查找，操作容易且準(zhǔn)確。借助于可選日志生成軟件包，每次測(cè)試都可保存在BT200中，并傳送到PC。然后即可以報(bào)告形式打印測(cè)試結(jié)果。這就意味著可快速簡(jiǎn)便地對(duì)測(cè)試報(bào)告進(jìn)行編輯。 3．3 利用OB塊把CPU中的硬件的信息讀出來(lái) 　　0B86為機(jī)架故障組織塊，當(dāng)擴(kuò)展機(jī)架（不是CPU318）、DP主站系統(tǒng)、或分布式I／O中從站故障時(shí)（當(dāng)?shù)絹?lái)和離去事件時(shí)），CPU的操作系統(tǒng)調(diào)用OB86。我們?cè)贠B86組織塊中編寫(xiě)程序．把CPU中的故障代碼讀m放入數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的代碼意義，可診斷出總線(xiàn)上站點(diǎn)故障。如當(dāng)參數(shù)OB86一FLT ID的故障代碼為B#16#C8時(shí)，參數(shù)OB86一MDLADDR的內(nèi)容為DP主站的邏輯基地址，參數(shù)OB86_Z23的內(nèi)容為相應(yīng)的DP從站的地址。把OB86一Z23中的內(nèi)容存人DB數(shù)據(jù)塊中，便可通過(guò)在WINCC在畫(huà)面上體現(xiàn)出來(lái)。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　在高爐自動(dòng)化系統(tǒng)中，生產(chǎn)條件特殊復(fù)雜，設(shè)備地域分散多點(diǎn)多面，造成了電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)故障率高，維護(hù)量大的缺點(diǎn)。而該網(wǎng)在奉項(xiàng)目的運(yùn)用中避免了大量點(diǎn)到點(diǎn)的電纜敷設(shè)，降低了線(xiàn)路敷沒(méi)的難度和施工的復(fù)雜性，其實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它局域網(wǎng)，閑而特別適合用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 參考文獻(xiàn) [1]剛憲惠，徐用懋．現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社．1999。 [2]周悅，等．兒種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式[J]．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2001。 [3]Simatic S7 v5．2編程手冊(cè)。 [4]Simatic wince v6手冊(cè)。