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在冶金企業中,控制系統為分級結構:0級是采集執行層(傳感器和執行器),完成物理量的測量和控制命令的具體執行;1級是控制層(即所謂的基礎自動化),完成生產工藝過程的集中控制;2級一般為生產模型計算,用于生產控制的優化;3級為生產管理和調度系統,用于協調調度各工序間的協同工作;4級則是企業信息系統層,這些層面均需有相應的網絡構成互聯的有機整體。在2級以上(含2級)層面大都采用以太網,1級以下(含1級)一般是網絡(現有向工業以太網方向發展態勢),采用的控制設備及軟件。其中,各種網絡的無縫集成是冶金企業實現信息化建設的難點和重點。因此做好控制和管理系統的信息集成,避免出現“自動化孤島”,企業信息化才能落到實處,且真正發揮其應有的作用。

2現場總線技術

冶金企業的自動控制系統基本上以可編程邏輯控制器(PLC)和集散控制系統(DCS)為主,為了實現各系統間的無縫集成,就要求各控制系統采用開放性、標準化、流行的硬件、操作系統、網絡技術,因此帶有各種現場總線控制技術的工業網絡控制系統在冶金企業得到大量的應用。現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的全數字化、實時、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它主要解決現場的智能化儀表、控制器、執行機構等現場設備之間的數字通信，以及這些現場控制設備和控制系統之間的信息傳遞問題。

2.1現場總線的特點

(1)系統傳遞精度及可靠性高、可維護性好,并充分發揮現場智能型設備可數字式傳輸的特長。

(2)功能分散,反應速度提高,現場儀表具有高層次功能,某種程度上承擔了系統的控制功能。(3)通過增加本安物理通道,可應用于危險區域。

(4)增強了現場級信息集成能力。

(5)具有開放性、互操作性、互換性、可集成性。

(6)降低了系統及工程成本。

2.2幾種典型的現場總線標準

目前上現有各種總線及總線標準不下二百多種,具有一定影響和已占有一定*的總線有如下幾種:PROFIBUS現場總線、FF現場總線、LONWORKS現場總線、CANBUS現場總線、WorldFIP現場總線、P-NET現場總線等。

3PROFIBUS現場總線技術

與其它現場總線系統相比,PROFIBUS的大優點在于具有穩定的標準EN50170作保證,并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造、過程控制和樓宇自動化等。

3.1PROFIBUS概貌

PROFIBUS由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三個兼容部分組成。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信,用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4～20mADC信號傳輸。PROFIBUS-PA專為過程自動化設計,可使傳感器和執行機構聯在一根總線上,并有本征安全規范,可通過總線給現場設備供電。PROFIBUS-FMS用于車間級監控網絡,是一個令牌結構、實時多主網絡。

3.2PROFIBUS傳輸技術

PROFIBUS提供了三種數據傳輸類型:

(1)用于DP和FMS的RS-485傳輸

為網絡拓撲線性總線,傳輸速率:9.6kbit/s～12Mbit/s,采用屏蔽雙絞電纜,也可取消屏蔽,取決于環境條件。不帶中繼時每分段32個站,帶中繼時多到127個站。

(2)用于PA的IEC1158-2傳輸

數字式、位同步數據傳輸,傳輸速率:31.25Kbit/s,電壓式,采用雙絞線,屏蔽式或非屏蔽式,可通過數據線遠程電源供電,能進行本征及非本征安全操作。每段32個站,總數多到126個站,多可擴展4臺中繼器。分段偶合器將IEC1158-2傳輸技術總線段與RS-485傳輸技術總線段連接,偶合器使RS-485信號與IEC1158-2信號相適配,它能為現場設備的遠程電源供電,且供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。

(3)光纖

在電磁干擾很大的環境下可使用光纖導體，以增加高速傳輸的距離。可使用兩種光纖導體，一是價格低廉的塑料纖維導體，供距離小于50m情況下使用，另一種是玻璃纖維導體，供距離小于1km情況下使用。

3.3PROFIBUS-DP的診斷功能

經過擴展的PROFIBUS-DP診斷功能能對故障進行快速定位,診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級,分別為:本站診斷操作,本站設備的一般操作狀態,如溫度過高、壓力過低;模塊診斷操作,一個站點的某具體I/O模塊故障;通道診斷操作,一個單獨輸入/輸出位的故障。

3.4PROFIBUS-DP的設備類型

一類DP主站(DPM1)是中央可編程序控制器,如PLC、PC等,它在預定的信息周期內與分散的站(如DP從站)交換信息。

第二類DP主站(DPM2)是可進行編程、組態、診斷的設備。在DP系統組態操作時使用,完成系統操作和監視目的。DP從站是二進制值或模擬量輸入輸出的驅動器、閥門等。

3.5PROFIBUS-DP的系統行為

系統行為主要取決于DPM1的操作狀態,這些狀態由本地或總線的配置設備所控制。主要有以下三種狀態:(1)停止在這種狀態下,DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。(2)清除在這種狀態下,DPM1讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持在故障安全狀態。(3)運行在這種狀態下,DPM1處于數據傳輸階段,循環數據通信時,DPM1從DP從站讀取輸入信息并向從站寫入輸出信息。DPM1設備在一個預先設定的時間間隔內,以有選擇的廣播方式將其本地狀態周期性地發送到每一個有關的DP從站。如果在DPM1的數據傳輸階段中發生錯誤,DPM1將所有有關的DP從站數據立即轉入清除狀態,而DP從站將不再發送用戶數據。在此之后,DPM1轉入清除狀態。

(1)DPM1和DP從站之間的循環數據傳輸

在對總線系統進行組態時,用戶對DP從站與DPM1的關系做出規定,確定哪些DP從站被納入信息交換的循環周期,哪些被排斥在外。DPM1和DP從站之間的數據傳輸分三個階段:參數設定、組態、數據交換。在參數設定階段,每個從站將自己的實際組態數據與從DPM1接受到的組態數據進行比較。只有當實際數據與所需的組態數據相匹配時,DP從站才進入用戶數據傳輸階段。

(2)DPM1和系統組態設備間的循環數據傳輸

除主—從功能外,PROFIBUS-DP允許主—主之間的數據通信,這些功能使組態和診斷設備通過總線對系統進行組態。

(3)同步和鎖定模式

DP主站設備也可向單獨的DP從站、一組從站或全體從站同時發送控制命令。在這種模式中，所編址的從站輸出數據鎖定在當前狀態下。在這之后的用戶數據傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數據,但它的輸出狀態保持不變;當接收到下一同步命令時,所存儲的輸出數據才發送到外圍設備上。用戶可通過非同步命令退出同步模式,鎖定控制命令使得編址的從站進入鎖定模式。鎖定模式將從站的輸入數據鎖定在當前狀態下,直到主站發送下一個鎖定命令時才可以更新。用戶可以通過非鎖定命令退出鎖定模式。

3.6PROFIBUS控制系統配置的幾種形式

(1)總線接口型

現場設備不具備PROFIBUS接口,采用分散式I/O作為總線接口與現場設備連接。這種模式設備成本低,但能很好地發揮現場總線技術的優點。

(2)單一總線型

現場設備都具有PROFIBUS接口，適用現場總線技術,實現*的分布結構,這種方案設備成本會較高。

(3)混合型

現場設備部分具有PROFIBUS接口，應采用PROFIBUS現場設備加分散式I/O混合使用的辦法,是一種靈活的集成方案。

4結語

冶金工業網絡控制技術當前已進入現場控制級,其發展對解決冶金工業企業的控制系統和管理系統的集成提供了一種強有力的手段。PROFIBUS現場總線技術在冶金工業網絡控制的應用中，能節省大量線纜、槽架、連接件，減少了系統的設計、調試、維護時間，方便地實現了現場控制設備之間以及設備與控制管理層之間的聯系，為控制信息進入公共數據網絡創造了條件,使得在整個工廠內實現統一的網絡架構變成可能,真正實現了一網到底,為冶金工業企業的信息化提供了堅實的通訊保障,顯著提高了企業的生產效率。