基于Profibus現場總線的煤礦井下膠帶監控系統

基于Profibus現場總線的煤礦井下膠帶監控系統

摘要：介紹了Profibus現場總線技術的主要特點，并結合祁東煤礦井下監控系統介紹了基于Profibus現場總線的煤礦膠帶監控系統的軟、硬件配置以及兩者之間接口的實現方法。

現場總線是20世界80年代中期在國際上發展起來的。它應用在生產現場，實現微機化測量設備之間的散化、網絡化、智能化方向的發展，一經產生便成為全球工業自動化技術的熱點，到全世界的普遍關注。自80年代末以來，幾種現場總線技術如FF、Lonworks、Canbus、Profibus等已逐漸成熟并對工業自動化進程形成影響。Profibus等已逐漸成熟并對工業自動化進程形成影響。Profibus是Process FieldBus的縮寫，是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供可行的解決方案。

膠帶運輸是煤礦生產中十分重要的環節，監控系統在該環節的投入是煤礦現場化生產的趨勢。本文以皖北礦務局祁東煤礦的井下膠帶監控系統為例，簡介Profibus現場總線技術在監控系統中的應用。

1 Profibus現場總線技術

1.1 Profibus概貌

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產商的現場總線標準，廣泛應用于工業自動化。Profibus根據應用特點分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-Pa三個兼容版本。其中Profibus-DP是一種高速（數據傳輸速率9.6kbit/s～12Mbit/s）的經濟的設備級網絡，主要用于現場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調速系統快速響應的時間要求；Profibus-PA采用IECII58-2標準，傳輸速率為31.25kbit/s，并提供本質安全特性，適用于安全性要求較高及由總線供電的場合；Profibus-FMS主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速度的循環或非循環數據交換任務。

1.2 總線拓樸結構

根據現場設備到控制器的連接方式，現場總線的拓撲結構可有多種形式，通常采用以下三種：線形、樹形和環形。Profibus采用的是線形結構，其特點是簡明，用一根總干線從控制器連到機械裝置（控制對象），總線電纜從主干電纜分支到現場設備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時還可發送信息到輸出通道。在這種總線結構下，可實現多主式和對等工通信，可以兩個控制器共享同一個系統中的信息和I/O站。另外，不需關閉總線系統就可以把一個I/O設備從總線上拆下，這給總線系統的維護帶來了很大方便。

1.3 Profibus-DP的設備類型

根據實際設計需要，本系統采用Profibus-DP。每個Profibus-DP系統包括以下三種不同類型的設備：

（1）DP主站類型1 它是Profibus-DP應用的中心部件，在一個規定的、重復的信息周期內，中央控制器或PC機與分布式從站（DP從站）交換信息。非循環傳輸的數據與循環的測量值相比不是經常變動的，因此這種數據與快速循環的有用數據一起傳輸，但它以較低的優先級傳輸。主站中的中斷確認保證由DP從站來的中斷可靠傳輸。

（2）DP主站類型2 這種類型的設備（如編程器、組態設備或操作設備）用于DP系統的啟動、組態或用于正常運行過程（如診斷）中的系統操作。此類型的主站可以讀取由設備來的輸入、輸出、診斷和組態數據。

（3）DP從站 一個DP從站是一個I/O設備，它讀取輸入信息并向I/O提供輸出信息，輸入和輸出信息數取決于設備類型，最大為244字節。

1.4 Profibus-DP的通信協議

Profibus現場總線采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，如圖1所示。其傳輸速率為9.6kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m，在1.5Mbps時為400m，可用中斷器延長到10km。其傳輸介質既可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。

Profibus-DP物理層與ISO/OSI參考模型的第一層相同，采用EIA-RS485協議，根據數據傳輸速率的不同，可選用雙絞線和光纖兩種傳輸介質。

Profibus-DP數據鏈路層協議媒體訪問控制（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IEEE8024協議一致，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，該主站依照關系表與從站或與其它主站進行通信。主從方式的數據鏈路協議與局域網標準不同，它符合HDLC中的非平衡正常響應模式（NRM）。該模式的工作特點是：總線上一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路；主站發出命令，從站給出響應；從站可以連續發送多個幀，直到無信息發送、達到發送數量或被主站停止為止。數據鏈數中幀的傳輸過程分為三個階段：數據鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。正常響應模式主站與從站之間傳輸幀的格式如圖2所示。

F為幀標志字段（8位）。A為從站地址字段�？刂谱侄蜟表示幀類型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀、監控幀和無編號幀。其中信息幀用于應用數據的傳輸并捎帶應答；監迭幀用于監視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態作出各種響應（如認可幀、請求重傳或暫停等）；無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種無編號命令和響應，例如建立鏈路工作模式、釋放鏈路及報告特殊情況等。信息字段由PKW PZD的應用數據構成，PKW用于讀寫參數值，如寫入控制字或讀出狀態字等，一般為4KB長，而PZD用于存儲控制器的具體控制值、設置站點或狀態字的參數，一般為2～10B長，如PZD的第二個字節可設為0#～7#設備的起停止位。FCS是幀校驗字段，它對整個幀的內容進行循環冗余碼（CRC）校驗。HDLC幀

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