摘 要:本文剖析了Profibus現(xiàn)場總線的通訊原理及特性。具體描述了Profibus—DP在高爐自動化系統(tǒng)硬件和軟件方面的應用。同時結合現(xiàn)場實踐及施工調試，對現(xiàn)場總線故障的診斷方式提出了有效可行的幾點意見。
關鍵詞:現(xiàn)場總線;物理層;數(shù)據(jù)鏈路層;PLC;圖爾克
Application of PROFIBUS-DP in Blast Furnace Autom ation System
Fu Hongmei
（Sanming Steel（Group）Co．Ltd，F(xiàn)ujian，China）
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)絡的發(fā)展，現(xiàn)場總線（Process Field Bus簡稱Profibus）技術在新一代高爐自動控制系統(tǒng)中逐步推廣使用。它使用一類傳輸介質（如具有位串傳輸?shù)你~纜、光纖或無線等），用比特串傳輸，將分散的現(xiàn)場設備（如傳感器、執(zhí)行機構、驅動器、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個倉、19個斗，共計閥門31個，爐頂12個閥，卷揚電機、探尺設備配有編碼器。在電氣設計方而，分布區(qū)域廣、閥門多、煤氣區(qū)域易燃易爆的特點不容忽視，兇此，我們采用各輸入輸出點（包括數(shù)字量、模擬量）進入站點模塊，通過一根總線傳人_豐控室PLC，以此控制各閥門及電機動作。本文以現(xiàn)場總線的角度出發(fā)，結合采用德國西門子PIC系統(tǒng)和圖爾克Prnfibus—DP工業(yè)現(xiàn)場總線技術，描述高爐自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)，并對當前現(xiàn)場總線故障診斷的敏感問題提出了一些解決方案。
1 PROFIBUS—DP總線通信原理及系統(tǒng)組成
PROFIBUS由二個兼容部分組成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA和PROFIBUS—FMS。我們采用的PROFIBUS—DP是一種高速、低成本，用于沒備級控制系統(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）和用戶接口，第-<N七層：加描述。如圖1所示。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明丁各種不同PROFIBUS—DP1，殳備的設備行為，這為我們的系統(tǒng)兼容提供了便利，益于調試和維護。
1．1 現(xiàn)場總線物理層
IEC61158—2給出了現(xiàn)場總線物理層通用模型，可用圖2示可表示?，F(xiàn)場總線通信裝置是由數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)端接設備（DCE）組成。從圖2可看出，現(xiàn)場總線的物理層包含了媒體相關子層與媒體無關子層兩部分。
媒體相關子層負責處理不同傳輸媒體、不吲速率的信號轉換問題。媒體無關子層與數(shù)據(jù)鏈路層相連，負責信號編碼與解碼，增加或減除前導碼、定界符的工作。所以物理層的功能是用f實現(xiàn)現(xiàn)場設備與總線之間的連接，為現(xiàn)場設備對總線的發(fā)送和接收提供合乎規(guī)范的物理信號。
PROFIBUS—DP采用的是單獨供電的總線設備，每站點有自己的穩(wěn)壓電源，如果網(wǎng)絡節(jié)點電源不穩(wěn)，通信若隱若現(xiàn)甚至徹底消失時，系統(tǒng)會自動啟動旁路功能以避免對其他節(jié)點的影響。通信介質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)絡電纜屏蔽層接地電阻宜小于1OΩ。在連接各站時，應確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，電纜各個信號線相互之間的絕緣電阻宜大于200Ω，對于重要的場合，測試電纜的特性阻抗（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，在總線的每個網(wǎng)段需要兩個終端電阻。使用終端電阻的同的是應用信號的發(fā)射波原理減少信號衰減和變形。因此在每個網(wǎng)段的首尾節(jié)點，終端電阻或節(jié)點接頭終端器要在“ON”位置，同時其他中間段節(jié)點應不能有終端電阻或節(jié)點接頭終端器在“OFF”位置。當系統(tǒng)中需連接的站點數(shù)多于32時，使用中繼器相連接。我們采用總線速率為1．5M的波特率，在一段中最大的電纜長度限制為200米，因此采用中繼器進行信號放大以增加長度，但是串起來聯(lián)結的中繼器最多不能超過3個。
1．2 現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層
現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（DLU）位于物理層和應用層之間。DLL一般可分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質訪問控制子層（MAC）兩部分。LLC從其上層取得數(shù)據(jù)后，構造成幀，完成通信鏈路的建立、拆除及差錯、流量控制等，而MAC完成網(wǎng)絡存取控制。PROFIBUS現(xiàn)場總線基于令牌總線協(xié)議加主一從總線的介質存取方式，DP主站循環(huán)地與DP從站交換數(shù)據(jù)。站點數(shù)可達127個。它融合了IEEE802．4和集中式輪詢協(xié)議的重要功能和優(yōu)點，簡單說這足一種多主站的協(xié)議，主站之間以令牌傳輸協(xié)議進行_I二作，持有令牌的站可輪詢其它站（令牌和查詢方式）。當主節(jié)點得到令牌后，允許它在一定的時間內與從節(jié)點或其它主節(jié)點通信。令牌在所有主節(jié)點中循環(huán)一周的最長時間TrR（設定周期）是事先預定的，決定了各主節(jié)點的令牌具體保持時間的長短。主節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)必須保證在事先定義的時間間隔內，主節(jié)點有充足的時間完成通信任務，主節(jié)點與從節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換要盡町能快且簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。
在煉鐵高爐自動化控制系統(tǒng)中，利用總線遵循公開統(tǒng)一的技術標準，可實現(xiàn)設備互操作性和互換性。電振機的控制采用集空氣開關、接觸器、熱繼電器一體的電機啟動器（5．5kw），室內控制恒內一排l4個啟動器作為一個站點，這樣只需4排1個控制柜就可完成所有42臺電機的主網(wǎng)路及二次回路的控制，電機啟動器的智能性，可以通過信號燈閃爍頻率來報警。室內設有模擬屏，模擬屏為全現(xiàn)場各所有控制閥門的開關信號指示，其信號來源于總線上ET200站點的輸出?，F(xiàn)場爐頂及槽下閥門開關的信號傳送人機旁箱內的圖爾克模塊，以站點形式掛在總線上．用于主卷揚判斷料車方向及行程的編碼器、探測料線深度的探尺編碼器采用圖爾克產品，也以站點形式拄在總線上。信號通過總線傳送到主控室的PLC，總線各站點結點處以T形頭聯(lián)接，這樣整個拓樸結構中。無論哪個站點出現(xiàn)故障不影響其它站點，為保證現(xiàn)場總線設備正常工作，每臺現(xiàn)場總線設備，必須有一個唯一的網(wǎng)絡地址和物理設備位號。當有站點m現(xiàn)故障時，通過韋控室的PLC可以診斷出具體站點，實現(xiàn)對各站點的監(jiān)測。針對實際情況我們采用j條總線，S7400PLC控制，協(xié)議分別為MPI和Profibus。PLC接收到接近開關到位信號后，通過總線上的以ET200為站點的模塊輸出到模擬屏信號燈上。其總線結構示意如圖3：
2 系統(tǒng)軟硬件設計
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擴展卡、圖爾克現(xiàn)場模塊PDP—IM、丁作站（2臺工控機）、Profibus—DP屏蔽電纜?？貦C作為上位機，通過現(xiàn)場總線接口卡CP5612相連到現(xiàn)場總線，在工控機上完成組態(tài)、運行、操作等功能。
軟件配置：在這個系統(tǒng)中，控制基本上由集中的PLC完成。
在PLC軟件控制當中，我們要對外部的總線結構進行硬件組態(tài)，讓系統(tǒng)識別總線結構，各個站點有自己的邏輯地址，分別掛在哪條總線上，采用的總線協(xié)議方式及速率、產品類型等進行具體組態(tài)設置。編程軟件我們采用STEP7（5．2），對PLC進行硬件組態(tài)，使用廠家提供GSD文件，GSD（設備數(shù)據(jù)庫文件）的組態(tài)工具可將不同廠商生產的設備集成到一個總線系統(tǒng)中。PLC程序在卜位機的編程工具STEP7（5,2）中組態(tài)后進行編譯，編譯通過后F載到CPU416-2DP，并存儲其中，CPU416可自動運行該程序，根據(jù)程序內容讀取總線上的所有1／O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設備。
上位機監(jiān)控軟件為西門子公司的Wince6．0，它基于WIN—DOWS的對象鏈接和嵌入、部件對象模型和分布式部件對象模型技術，并創(chuàng)建一開放式接口，具有良好的圖形界面和人機交互性，系統(tǒng)在Windows2000下運行，通迅畫而如圖4：
利用總線，在監(jiān)控畫面中我們實現(xiàn)了功能如下：
（1）控制操作：并住中心控制室能對被控沒備進行在線實時控制，如啟停閥門設備，調節(jié)上料種類，實現(xiàn)定倉、設定料類重量等。并能夠在現(xiàn)場限位開關發(fā)生故障時，模擬到位信號，使上料正常進行。在線設置PIC的某些參數(shù)等。上位機是總線上一個站點，與PLC的進行實時通迅。
?。?）顯示功能：在畫面中通過編程實現(xiàn)模擬顯示整個高爐系統(tǒng)各閥門實際動作狀況，各稱量斗實際重量顯示。各閥門位置指示用不同顏色指示開位、關位、正在開或關等，以及現(xiàn)場的儀表溫度、壓力、狀態(tài)參數(shù)。
?。?）數(shù)據(jù)管理：依據(jù)不同運行參數(shù)的變化和重要程度，建立生產歷史數(shù)據(jù)庫，存儲生產原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計分析使用。用戶歸檔記錄每料實際的料類，每料車的重量，上料時間等，從中得出一些有用的經驗參數(shù)，改進丁藝，使生產效益越來越好。
?。?）報警功能：當某一模擬量（如電流、壓力、溫度等）測量值超過給定范嗣或某一開關量（如電機啟停、閥門開關）發(fā)生異常時，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級的報警。通過畫面閃爍報警，并用文字提示，對快速確認故障，排除故障起到很好作用。利用總線模塊診斷功能，可直觀看到現(xiàn)場站點故障報警狀態(tài)。
3 總線診斷方式
在高爐自動化系統(tǒng)中，各站點分散于現(xiàn)場煤氣區(qū)域，一旦站點出現(xiàn)故障，即使一個站點也將會嚴重影響上料，造成減風、休風，因此快速故障診斷尤為重要。結合實踐，這里介紹3種故障診斷方法。
3．1使用FB125程序對系統(tǒng)中分布式設備進行在線診斷
FB125是一個中斷驅動功能塊，它必須在OB1，OB82和OB86中分別被調用?？梢詫ο到y(tǒng)進行_二級診斷：故障站點、故障模塊、故障通道。并且給出詳細的報錯信息，同時數(shù)據(jù)仔儲區(qū)可以作為接口被其它程序讀取和調用（如WINCC），更直觀的找出故障從站和錯誤信息。其跟隨的數(shù)據(jù)塊中部分重要信息如表。
3．2 用BT200測試裝置（6ES7 181一OAA01一OAAO）
在安裝階段，可用BT200測試裝置測試PROFIBUS—DP電纜，能夠快速分辨出線路中斷還是屏蔽中斷，是線路之間還是線路與屏蔽層之間的短路。在數(shù)據(jù)線中出現(xiàn)斷線或短路時，確定故障位置，并能檢測出可能造成故障的反射。根據(jù)實際情況確定安裝電纜長度，超jIJ規(guī)定距離可增加中繼器進行信號放大。也可以檢查站的接線，用BT200檢查從站／主站的RS485接口，檢查從站的可訪問性，列出可訪問的從站及其具體編址。這可事先測試特定總線段的可操作性，從而縮短，投產運行時間。在H常運行故障時，這些功能用于故障查找，操作容易且準確。借助于可選日志生成軟件包，每次測試都可保存在BT200中，并傳送到PC。然后即可以報告形式打印測試結果。這就意味著可快速簡便地對測試報告進行編輯。
3．3 利用OB塊把CPU中的硬件的信息讀出來
0B86為機架故障組織塊，當擴展機架（不是CPU318）、DP主站系統(tǒng)、或分布式I／O中從站故障時（當?shù)絹砗碗x去事件時），CPU的操作系統(tǒng)調用OB86。我們在OB86組織塊中編寫程序．把CPU中的故障代碼讀m放入數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的代碼意義，可診斷出總線上站點故障。如當參數(shù)OB86一FLT ID的故障代碼為B#16#C8時，參數(shù)OB86一MDLADDR的內容為DP主站的邏輯基地址，參數(shù)OB86_Z23的內容為相應的DP從站的地址。把OB86一Z23中的內容存人DB數(shù)據(jù)塊中，便可通過在WINCC在畫面上體現(xiàn)出來。
4 結束語
在高爐自動化系統(tǒng)中，生產條件特殊復雜，設備地域分散多點多面，造成了電氣自動控制系統(tǒng)故障率高，維護量大的缺點。而該網(wǎng)在奉項目的運用中避免了大量點到點的電纜敷設，降低了線路敷沒的難度和施工的復雜性，其實時性遠遠高于其它局域網(wǎng)，閑而特別適合用于工業(yè)現(xiàn)場。
參考文獻
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（轉載）
