PROFIBUS总线的研究与应用

ssN10093044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vo.5,No.25, September200,p7266-7267,7280Tel:+86-551-56909635690964PROF|BUS总线的研究与应用纵瑞梅(皖北煤电集团公司孟庄煤矿,安徽淮北235200)摘要:随着现场总线技术的不断发展, PROFIBUS总线在煤矿自动化领域的应用越来越广泛。该文分析了 PROFIBUS总线的协议结构特点、介质访问方式等,并探讨了在煤矿皮带集中控制系统的应用。关键词: PROFIBUS;煤矿;集控中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-304402009)25-726602The Research and Application of PROFIBUS Network'ZONG Rui-me1(Meng]huang 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 controlPROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准在煤矿自动化领域的应用日益广泛。它由三个兼容部分 PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA以及 PROFIBUS-FMS组成。基于主从式结构的 PROFIBUS协议以其简单实用的规约为现场设备的报文交换提供了可靠的通信保证,在诸多煤矿现场均能正常工作。1 PROFIBUS总线通信协议1 1 PROFIBUS总线协议结构PROFIBUS现场总线全称为 Process Field Bus,是1986年以德国西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的现场总线技术,是德国国家现场总线标准DN9245和欧洲标准的EN0170现场总线标准现已被列入IEC61158国际标准。 PROFIBUS是种与制造无关的、开放的广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化的现场总线标准。其中协议体系中的物理层(即第1层)定义了 PROFIBUS系统的物理传输特性;数据链路层(第2层)定义了系统的总线存取协议,以及数据帧的格式等;应用层(第7层〕则定义了一些与上层应用相关的接口功能。此外,在 PROFTBUS的用户层定义一些与特殊应用场合相关的应用规范。PROFTBUS是由三个兼容的部分组成,即 PROFTBUS-DP, PROFIBUS-PA以及 PROFIBUS-FMS。 PROFIBUS-DP即分布式外围设备( Decentralized Periphery), PROFIBUS使用了第l层、第2层和用户接口层第3到7层未使用,这种精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映象程序(UDM提供对第2层的访问。在用户接口中规定了 PROFIBUS设备的应用功能,以及各种类型的系统和设备的行为特性。这种为高速传输用户数据而优化的 PROFIBUS协议特别适用于可编程序控制器与现场级分散的I0设备之间的通信。 PROFIBUS-FMS即为现场总线报文规范(FMs- Field Message Specification), PROFIBUS-FMS使用了第1层第2层和第7层。应用层(第7层)包括FMS(现场报文规范)和L(低层接口)。FMS包括应用协议和提供的通信服务,L建立各种类型的通信关系,并给FMS提供不依赖于设备的对第2层的访问。FMS处理单元级(PLC和PC)的数据通信。 PROFTBUS和 PROFIBUS-FMS使用相同的传输技术和总线存取协议。因此,可以在同一根电缆上同时运行。PROFIBUS-PA是 PROFIBUS面向应用的模块化构成方法的一个显著例子。从协议规范的构成来看, PROFIBUS-PA= PROFIBUS基本功能+扩展功能)+EC1158-2传输技术+PA行规。它主要用于流程工业自动化领域,实现自动化系统或过程控制系统与现场设备(如压力温度和液位变送器等)之间的互连并解决它们之间的通讯任务。 PROFIBUS-PA采用ECl158-2传输技术具有总线供电和本质安全特征,可用于有爆炸危险的区域PROFIBUS MAC层是应用令牌方式的典范。令牌是一种特殊的消息,只有拥有令牌的站点,才有权向环路上发送报文。站点在发送完毕后,将令牌交给网上的下一个站点。在令牌总线方式中,带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有站点,当目的站识别出符合它的地址,即把该令牌接收任何时刻只有一个站点发送报文因而不会发生访问冲突。消息传输的延迟时间由环的大小决定。如果所有站都有报文要发送,则最坏情况下,等待取得令牌和发送报文的时间应该等于全部站点令牌传送时间和报文发送时间的总和。因此,令牌方式比较适合在实时系统中应用,而且它对轻重负载不敏感。 PROFIBUS的站点包括主站和从站 PROFTBUS总线协议包括主站间的令牌传递方式和主从间的主从轮询方式。当主站得到令牌后,允许在一定时间内与从站或其他主站通信。12介质存取方式PROFTBUS现场总线作为应用在设备层的公共总线,必须解决各节点的网终他用权音备回颗同时保证通信的实时性。参照开中国煤化工CNMHG日期:2009-05-09作者简介:纵瑞梅(1963-),女,安撒淮北人,1986年毕业于淮南矿业学院现在皖北煤电集团有限责任公司玉庄煤矿,从事技术管理工作。7266方数酸用术∵本栏目任编辑:狮第5卷第25期(200年9月)Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术放系统互联协议(OSI),在 PROFIBUS协议中第二层的现场总线数据链路层(FDL)协议定义了总线存取控制协议(MAC)。通信网络的效率、利用率可靠性、实时性很大程度上取决于协议的MAC协议方式PROFIBUS系统采用由混合介质存取方式实现的控制介质存取:对应于令牌传递原理的分散方式是以对应于主-从原理的集中方式为基础的。介质存取控制可以被每一个主站(主动站)使用。从站(被动站)的作用是随时地听从于介质存取,即它们不能独立地发送,只是在有请求时才发送。PROFIBUS使用简化令牌总线协议( simple version of token- passing)作为MAC层标准。总线上的各个点以总线方式互连,主站点由PC、PLC等控制中心组成,从站由传感器、执行器等构成。总线上的每一个站点分配一个逻辑地址,主站点地址的集合组成一个逻辑环,令牌控制帧在逻辑环上的各个主站点轮转持有令牌的主站点被允许在持有期间轮询各从站,以交换数据通信总是由获得介质存取权(即令牌)的主站发起。令牌在一个逻辑环中从一个主站传递给另一个主站。这样,当一个主站可以存取介质时,令牌传递立即终止。令牌传递控制由每一个主站进行管理,因为每个主站知道它的前者(它前面的站,FS),即令牌是从它那里接收来的,而且知道它的后继者(下FBUs8线个站,NS),即令牌将传递给它,还知道它自己的地址(即本站,TS)。在运行参数第一次初始化后,每个主站确定它的F和NS地址,按站地址的升序用令牌帧将令牌从一个主站传送到另一个主站(见图1)。有一个站例外,为了:本站:Ps:前一个站:Ns,下一个站封闭逻辑令牌环,具有最高地址的站要传送令牌给具有最低地址的站图1逻辑令牌传递环存取控制协议中定义了几个重要的时间量:1)目标令牌循环时间TIR:是由网络设计者指定的令牌在逻辑环上的循高优级型文环时间。一般该时间在所有主站上设置一致。轮询表假文2)令牌实际循环时间TRR:令牌的实际动态循环时间。其计算方法为:非循呼的低在某主站收到令牌后,TRR开始加计数或减计数,直到令牌再次到达该优先纵报文主站为止。计算这一时间时,需要考虑从站诊断报文、主从间的非周期数据交GAP表报文换、高优先级报文、逻辑令牌动态变化等情况下的动态令牌循环时间。图2 PROFIBUS的报文分类3)主站持有令牌时间TrH:某主站收到令牌到该主站将令牌传送到下主站的目标时间,其表达式为TTH=TTR-THR。PROFIBUS根据报文的时间限制将报文划分为两种:高优先级报文和低优先级报文。同时,低优先级的报文又分为三种类型:轮询链表报文、非循环的低优先级报文以及GAP链表报文。图2给出了报文分类的直观说明。高优先级的报文对应于有严格时限要求的同步通讯量比如报警等。轮询链表报文指站点根据它的轮询链表对从属于它的从站进行的周期性轮询过程。非循环的低优先级报文对应于零星的没有严格时间限制的报文,比如远程管理服务等。GAP链表报文于动态维护逻辑令牌环、CAP链表以及活动站点链表等站点总是先处理高优先级的报文,再处理低优先级的报文。三种低优先级的报文也是按一定顺序进行处理:先处理轮询链表报文接着处理非循环的低优先级报文,GAP链表报文只有在所有其它报文都处理完毕并且GAP更新计时器到时才会被发起。PROFIBUS总线的煤矿应用煤矿是一个工作环境相对恶劣的特殊行业,而且对生产的安全性要求很高。煤矿井下控制网络具有负荷不均匀信息流向不对称、网络结构变化大、信息速率跨度大、对实时性和可靠性要求苛刻等特点。高实时性可以保证控制信号的及时响应和紧急故障的及时处理,对于提高生产效率和安全性至关重要。随着煤矿自动化水平的提高以及在生产方面的越来越多的投入,煤矿井下大都安装了以 PROFIBUS总线为主的自动化控制系统,井下胶带运输系统是将井下原煤输送到地面的流通环节,采用自动化技术控制井下皮带给煤机等可以大大提高井下煤炭运输效率。自动化控制系统的应用降低了工作难度、强度;能自动控制、集中开停等,操作简单、使用方便;便于管理查阅开停记录、传感器报警信息等;实现了井下胶带运输系统的安全、可靠、高效运行根据煤矿现场实际分布情况,皮带控制系统可利用光纤、电缆组成混合现场总线,实现对井下主煤流运输系统及工业电视。监测监控系统主要由地面监控中心,传输线路,井下控制分站和给煤机、煤仓煤位、保护传感器信号等构成21控制系统组成主煤流运输皮带集中控制系统结构主要由四部分组成1)地面控制中心地面控制中心设置在集控室,主要通过计算机和工业电视对胶带运输机监视和集中控制。主要设备和设施包括工业控制计算机、2】显示器、网络通信、不间断电源和工业电视等。2)远距离通讯传输系统工业现场总线由光纤双绞线集线器和网络连接器等组成3)井下控制及信号采集装置井下控制及信号采集装置由两部分组成KJD15矿用隔爆兼本安胶带机自动控制装置。该装置控制核心部分采用德国西门子公司生产的S7-300可编程控制器其他主要元件均采用进口元件。井下现场部测装置等相关设KDI5胶带机控制装置结合相应配套的传感器、控制器、网络组件等中国煤化工控制。4保护和检测装置CNMHG堆煤保护、低速打滑保护、跑偏保护、烟雾保护、超温洒水保护煤位连续测量电流和电压5)工业电视(下转第7280页)本栏目贾任编捆:因计算机工应用技术··7267Computer Knowedge and Technology电脑知识与拉术第5卷第25期(2009年9月)4结束语推导过程的关键是首先推导出公式[xyh=xy,然后是对公式的展开过程和增加的附加位y+1。而得出这一公式的前提是1和2两个推论,即真值与补码之间的关系和补码的右移。需要注意循环n+1次,每次右移一位,但是最后一次不移位,这是在验证补码运算规则时经常出现的一个错误。参考文献[]王爱英计算机组成与结构M北京清华大学出版社20014-78[2]唐朔飞计算机组成原理M]北京高等教育出版社2008243-28[3]郑纬民汤志忠计算机系统结构M]北京:清华大学出版社199839-424]白中英计算机组成原理M3版北京:科学出版社2001:425]白中英计箅机组成原理题解、题库与实验M3版北京科学出版社2001:206]李澄举一般化全加器在阵列乘法器设计中的典型应用小嘉应学院学报2006243:647彭海云直接补码阵列乘法的手工计算方法U电子工程师20083402103-648]胡同瑞补码一位乘法递推公式的正确推导高师理科学刊20073:75(上接第7267页)本系统主要由工业摄像设备控制设备、显示设备、传输设备光缆等组成。主要包括摄像机、监视器、转换器、光纤和控制器等。工业擾像设备采用低照度低噪声KD6002矿用本安型光纤摄象仪。22控制模式为了满足日常运行、检修故障处理等需要,具备三种控制模式:就地、远程和自动。操作人员可采用不同方式控制各条胶带机的启动和停止。控制方式有三种地面集中控制在这种方式下,操作人员只需在地面控制中心操作键盘或鼠标,控制井下各条胶带机和给煤机的起、停以及故障解除等。并且通过计算机语音系统发布开车提示命令。2)人工就地控制当日常检修或故障处理以及特殊需要时操作人员可分别在各条胶带机头通过胶带机自动控制装置控制胶带机的起停。3)控制方式变换可以通过胶带机自动控制装置手/自动切换开关进行转换,使得二种控制方式互为备用、互相闭锁提高系统的可靠性和灵活4)后部闭锁具有同煤流方向相互闭锁功能,实现逆煤流开,顺煤流停5)启动方式胶带机采用直接启动方式。6)故障解除上位机具有故障解除功能对于使用中出现的各类故障非正常动作,使用中视情节正确使用3结束语随着煤矿自动化水平的提高, PROFIBUS总线系统在煤矿生产中发挥着越来越大的作用提高了员工工作效率降低了工作难度、强度;达到了安全高效、可靠生产的目的,节省了大量人力资源,具有显著的经济效益。参考文献:]李景平基于现场总线思想的煤矿综合监控系统设计门测控技术,200,19(12)21-23[2]方晓柯现场总线网络技术的研究D沈阳:东北大学信息科学与工程学院,20053]范铠现场总线技术在国内的应用情况印工业控制计算机,2001,7(1):1-5.4]周益明 PROFIBUS.-DP现场总线通信研究及智能从站设计[D南京:南京航空航天大学自动化学院,2005中国煤化工CNMHG7280计算机工应用技术.: