ssN10093044Computer Knowledge and Technology電腦知識與技術Vo.5,No.25, September200,p7266-7267,7280Tel:+86-551-56909635690964PROF|BUS總線的研究與應用縱瑞梅(皖北煤電集團公司孟莊煤礦,安徽淮北235200)摘要:隨著現場總線技術的不斷發(fā)展, PROFIBUS總線在煤礦自動化領域的應用越來越廣泛。該文分析了 PROFIBUS總線的協議結構特點、介質訪問方式等,并探討了在煤礦皮帶集中控制系統(tǒng)的應用。關鍵詞: PROFIBUS;煤礦;集控中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號: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是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準在煤礦自動化領域的應用日益廣泛。它由三個兼容部分 PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA以及 PROFIBUS-FMS組成?；谥鲝氖浇Y構的 PROFIBUS協議以其簡單實用的規(guī)約為現場設備的報文交換提供了可靠的通信保證,在諸多煤礦現場均能正常工作。1 PROFIBUS總線通信協議1 1 PROFIBUS總線協議結構PROFIBUS現場總線全稱為 Process Field Bus,是1986年以德國西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的現場總線技術,是德國國家現場總線標準DN9245和歐洲標準的EN0170現場總線標準現已被列入IEC61158國際標準。 PROFIBUS是種與制造無關的、開放的廣泛應用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化的現場總線標準。其中協議體系中的物理層(即第1層)定義了 PROFIBUS系統(tǒng)的物理傳輸特性;數據鏈路層(第2層)定義了系統(tǒng)的總線存取協議,以及數據幀的格式等;應用層(第7層〕則定義了一些與上層應用相關的接口功能。此外,在 PROFTBUS的用戶層定義一些與特殊應用場合相關的應用規(guī)范。PROFTBUS是由三個兼容的部分組成,即 PROFTBUS-DP, PROFIBUS-PA以及 PROFIBUS-FMS。 PROFIBUS-DP即分布式外圍設備( Decentralized Periphery), PROFIBUS使用了第l層、第2層和用戶接口層第3到7層未使用,這種精簡的結構確保高速數據傳輸。直接數據鏈路映象程序(UDM提供對第2層的訪問。在用戶接口中規(guī)定了 PROFIBUS設備的應用功能,以及各種類型的系統(tǒng)和設備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數據而優(yōu)化的 PROFIBUS協議特別適用于可編程序控制器與現場級分散的I0設備之間的通信。 PROFIBUS-FMS即為現場總線報文規(guī)范(FMs- Field Message Specification), PROFIBUS-FMS使用了第1層第2層和第7層。應用層(第7層)包括FMS(現場報文規(guī)范)和L(低層接口)。FMS包括應用協議和提供的通信服務,L建立各種類型的通信關系,并給FMS提供不依賴于設備的對第2層的訪問。FMS處理單元級(PLC和PC)的數據通信。 PROFTBUS和 PROFIBUS-FMS使用相同的傳輸技術和總線存取協議。因此,可以在同一根電纜上同時運行。PROFIBUS-PA是 PROFIBUS面向應用的模塊化構成方法的一個顯著例子。從協議規(guī)范的構成來看, PROFIBUS-PA= PROFIBUS基本功能+擴展功能)+EC1158-2傳輸技術+PA行規(guī)。它主要用于流程工業(yè)自動化領域,實現自動化系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)與現場設備(如壓力溫度和液位變送器等)之間的互連并解決它們之間的通訊任務。 PROFIBUS-PA采用ECl158-2傳輸技術具有總線供電和本質安全特征,可用于有爆炸危險的區(qū)域PROFIBUS MAC層是應用令牌方式的典范。令牌是一種特殊的消息,只有擁有令牌的站點,才有權向環(huán)路上發(fā)送報文。站點在發(fā)送完畢后,將令牌交給網上的下一個站點。在令牌總線方式中,帶有目的地址的令牌幀廣播到總線上所有站點,當目的站識別出符合它的地址,即把該令牌接收任何時刻只有一個站點發(fā)送報文因而不會發(fā)生訪問沖突。消息傳輸的延遲時間由環(huán)的大小決定。如果所有站都有報文要發(fā)送,則最壞情況下,等待取得令牌和發(fā)送報文的時間應該等于全部站點令牌傳送時間和報文發(fā)送時間的總和。因此,令牌方式比較適合在實時系統(tǒng)中應用,而且它對輕重負載不敏感。 PROFIBUS的站點包括主站和從站 PROFTBUS總線協議包括主站間的令牌傳遞方式和主從間的主從輪詢方式。當主站得到令牌后,允許在一定時間內與從站或其他主站通信。12介質存取方式PROFTBUS現場總線作為應用在設備層的公共總線,必須解決各節(jié)點的網終他用權音備回顆同時保證通信的實時性。參照開中國煤化工CNMHG日期:2009-05-09作者簡介:縱瑞梅(1963-),女,安撒淮北人,1986年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學院現在皖北煤電集團有限責任公司玉莊煤礦,從事技術管理工作。7266方數酸用術∵本欄目任編輯:獅第5卷第25期(200年9月)Computer Knowledge and Technology電腦知識與技術放系統(tǒng)互聯協議(OSI),在 PROFIBUS協議中第二層的現場總線數據鏈路層(FDL)協議定義了總線存取控制協議(MAC)。通信網絡的效率、利用率可靠性、實時性很大程度上取決于協議的MAC協議方式PROFIBUS系統(tǒng)采用由混合介質存取方式實現的控制介質存取:對應于令牌傳遞原理的分散方式是以對應于主-從原理的集中方式為基礎的。介質存取控制可以被每一個主站(主動站)使用。從站(被動站)的作用是隨時地聽從于介質存取,即它們不能獨立地發(fā)送,只是在有請求時才發(fā)送。PROFIBUS使用簡化令牌總線協議( simple version of token- passing)作為MAC層標準?？偩€上的各個點以總線方式互連,主站點由PC、PLC等控制中心組成,從站由傳感器、執(zhí)行器等構成。總線上的每一個站點分配一個邏輯地址,主站點地址的集合組成一個邏輯環(huán),令牌控制幀在邏輯環(huán)上的各個主站點輪轉持有令牌的主站點被允許在持有期間輪詢各從站,以交換數據通信總是由獲得介質存取權(即令牌)的主站發(fā)起。令牌在一個邏輯環(huán)中從一個主站傳遞給另一個主站。這樣,當一個主站可以存取介質時,令牌傳遞立即終止。令牌傳遞控制由每一個主站進行管理,因為每個主站知道它的前者(它前面的站,FS),即令牌是從它那里接收來的,而且知道它的后繼者(下FBUs8線個站,NS),即令牌將傳遞給它,還知道它自己的地址(即本站,TS)。在運行參數第一次初始化后,每個主站確定它的F和NS地址,按站地址的升序用令牌幀將令牌從一個主站傳送到另一個主站(見圖1)。有一個站例外,為了:本站:Ps:前一個站:Ns,下一個站封閉邏輯令牌環(huán),具有最高地址的站要傳送令牌給具有最低地址的站圖1邏輯令牌傳遞環(huán)存取控制協議中定義了幾個重要的時間量:1)目標令牌循環(huán)時間TIR:是由網絡設計者指定的令牌在邏輯環(huán)上的循高優(yōu)級型文環(huán)時間。一般該時間在所有主站上設置一致。輪詢表假文2)令牌實際循環(huán)時間TRR:令牌的實際動態(tài)循環(huán)時間。其計算方法為:非循呼的低在某主站收到令牌后,TRR開始加計數或減計數,直到令牌再次到達該優(yōu)先縱報文主站為止。計算這一時間時,需要考慮從站診斷報文、主從間的非周期數據交GAP表報文換、高優(yōu)先級報文、邏輯令牌動態(tài)變化等情況下的動態(tài)令牌循環(huán)時間。圖2 PROFIBUS的報文分類3)主站持有令牌時間TrH:某主站收到令牌到該主站將令牌傳送到下主站的目標時間,其表達式為TTH=TTR-THR。PROFIBUS根據報文的時間限制將報文劃分為兩種:高優(yōu)先級報文和低優(yōu)先級報文。同時,低優(yōu)先級的報文又分為三種類型:輪詢鏈表報文、非循環(huán)的低優(yōu)先級報文以及GAP鏈表報文。圖2給出了報文分類的直觀說明。高優(yōu)先級的報文對應于有嚴格時限要求的同步通訊量比如報警等。輪詢鏈表報文指站點根據它的輪詢鏈表對從屬于它的從站進行的周期性輪詢過程。非循環(huán)的低優(yōu)先級報文對應于零星的沒有嚴格時間限制的報文,比如遠程管理服務等。GAP鏈表報文于動態(tài)維護邏輯令牌環(huán)、CAP鏈表以及活動站點鏈表等站點總是先處理高優(yōu)先級的報文,再處理低優(yōu)先級的報文。三種低優(yōu)先級的報文也是按一定順序進行處理:先處理輪詢鏈表報文接著處理非循環(huán)的低優(yōu)先級報文,GAP鏈表報文只有在所有其它報文都處理完畢并且GAP更新計時器到時才會被發(fā)起。PROFIBUS總線的煤礦應用煤礦是一個工作環(huán)境相對惡劣的特殊行業(yè),而且對生產的安全性要求很高。煤礦井下控制網絡具有負荷不均勻信息流向不對稱、網絡結構變化大、信息速率跨度大、對實時性和可靠性要求苛刻等特點。高實時性可以保證控制信號的及時響應和緊急故障的及時處理,對于提高生產效率和安全性至關重要。隨著煤礦自動化水平的提高以及在生產方面的越來越多的投入,煤礦井下大都安裝了以 PROFIBUS總線為主的自動化控制系統(tǒng),井下膠帶運輸系統(tǒng)是將井下原煤輸送到地面的流通環(huán)節(jié),采用自動化技術控制井下皮帶給煤機等可以大大提高井下煤炭運輸效率。自動化控制系統(tǒng)的應用降低了工作難度、強度;能自動控制、集中開停等,操作簡單、使用方便;便于管理查閱開停記錄、傳感器報警信息等;實現了井下膠帶運輸系統(tǒng)的安全、可靠、高效運行根據煤礦現場實際分布情況,皮帶控制系統(tǒng)可利用光纖、電纜組成混合現場總線,實現對井下主煤流運輸系統(tǒng)及工業(yè)電視。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心,傳輸線路,井下控制分站和給煤機、煤倉煤位、保護傳感器信號等構成21控制系統(tǒng)組成主煤流運輸皮帶集中控制系統(tǒng)結構主要由四部分組成1)地面控制中心地面控制中心設置在集控室,主要通過計算機和工業(yè)電視對膠帶運輸機監(jiān)視和集中控制。主要設備和設施包括工業(yè)控制計算機、2】顯示器、網絡通信、不間斷電源和工業(yè)電視等。2)遠距離通訊傳輸系統(tǒng)工業(yè)現場總線由光纖雙絞線集線器和網絡連接器等組成3)井下控制及信號采集裝置井下控制及信號采集裝置由兩部分組成KJD15礦用隔爆兼本安膠帶機自動控制裝置。該裝置控制核心部分采用德國西門子公司生產的S7-300可編程控制器其他主要元件均采用進口元件。井下現場部測裝置等相關設KDI5膠帶機控制裝置結合相應配套的傳感器、控制器、網絡組件等中國煤化工控制。4保護和檢測裝置CNMHG堆煤保護、低速打滑保護、跑偏保護、煙霧保護、超溫灑水保護煤位連續(xù)測量電流和電壓5)工業(yè)電視(下轉第7280頁)本欄目賈任編捆:因計算機工應用技術··7267Computer Knowedge and Technology電腦知識與拉術第5卷第25期(2009年9月)4結束語推導過程的關鍵是首先推導出公式[xyh=xy,然后是對公式的展開過程和增加的附加位y+1。而得出這一公式的前提是1和2兩個推論,即真值與補碼之間的關系和補碼的右移。需要注意循環(huán)n+1次,每次右移一位,但是最后一次不移位,這是在驗證補碼運算規(guī)則時經常出現的一個錯誤。參考文獻[]王愛英計算機組成與結構M北京清華大學出版社20014-78[2]唐朔飛計算機組成原理M]北京高等教育出版社2008243-28[3]鄭緯民湯志忠計算機系統(tǒng)結構M]北京:清華大學出版社199839-424]白中英計算機組成原理M3版北京:科學出版社2001:425]白中英計箅機組成原理題解、題庫與實驗M3版北京科學出版社2001:206]李澄舉一般化全加器在陣列乘法器設計中的典型應用小嘉應學院學報2006243:647彭海云直接補碼陣列乘法的手工計算方法U電子工程師20083402103-648]胡同瑞補碼一位乘法遞推公式的正確推導高師理科學刊20073:75(上接第7267頁)本系統(tǒng)主要由工業(yè)攝像設備控制設備、顯示設備、傳輸設備光纜等組成。主要包括攝像機、監(jiān)視器、轉換器、光纖和控制器等。工業(yè)擾像設備采用低照度低噪聲KD6002礦用本安型光纖攝象儀。22控制模式為了滿足日常運行、檢修故障處理等需要,具備三種控制模式:就地、遠程和自動。操作人員可采用不同方式控制各條膠帶機的啟動和停止。控制方式有三種地面集中控制在這種方式下,操作人員只需在地面控制中心操作鍵盤或鼠標,控制井下各條膠帶機和給煤機的起、停以及故障解除等。并且通過計算機語音系統(tǒng)發(fā)布開車提示命令。2)人工就地控制當日常檢修或故障處理以及特殊需要時操作人員可分別在各條膠帶機頭通過膠帶機自動控制裝置控制膠帶機的起停。3)控制方式變換可以通過膠帶機自動控制裝置手/自動切換開關進行轉換,使得二種控制方式互為備用、互相閉鎖提高系統(tǒng)的可靠性和靈活4)后部閉鎖具有同煤流方向相互閉鎖功能,實現逆煤流開,順煤流停5)啟動方式膠帶機采用直接啟動方式。6)故障解除上位機具有故障解除功能對于使用中出現的各類故障非正常動作,使用中視情節(jié)正確使用3結束語隨著煤礦自動化水平的提高, PROFIBUS總線系統(tǒng)在煤礦生產中發(fā)揮著越來越大的作用提高了員工工作效率降低了工作難度、強度;達到了安全高效、可靠生產的目的,節(jié)省了大量人力資源,具有顯著的經濟效益。參考文獻:]李景平基于現場總線思想的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計門測控技術,200,19(12)21-23[2]方曉柯現場總線網絡技術的研究D沈陽:東北大學信息科學與工程學院,20053]范鎧現場總線技術在國內的應用情況印工業(yè)控制計算機,2001,7(1):1-5.4]周益明 PROFIBUS.-DP現場總線通信研究及智能從站設計[D南京:南京航空航天大學自動化學院,2005中國煤化工CNMHG7280計算機工應用技術.: