冶金业总线网络控制运用

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1概述

在冶金企业中,控制系统为分级结构:0级是采集执行层(传感器和执行器),完成物理量的测量和控制命令的具体执行;1级是控制层(即所谓的基础自动化),完成生产工艺过程的集中控制;2级一般为生产模型计算,用于生产控制的优化;3级为生产管理和调度系统,用于协调调度各工序间的协同工作;4级则是企业信息系统层,这些层面均需有相应的网络构成互联的有机整体。在2级以上(含2级)层面大都采用以太网,1级以下(含1级)一般是专用网络(现有向工业以太网方向发展态势),采用专用的控制设备及软件。其中,各种网络的无缝集成是冶金企业实现信息化建设的难点和重点。因此做好控制和管理系统的信息集成,避免出现“自动化孤岛”,企业信息化才能落到实处,且真正发挥其应有的作用。

2现场总线技术

冶金企业的自动控制系统基本上以可编程逻辑控制器(PLC)和集散控制系统(DCS)为主,为了实现各系统间的无缝集成,就要求各控制系统采用开放性、标准化、流行的硬件、操作系统、网络技术,因此带有各种现场总线控制技术的工业网络控制系统在冶金企业得到大量的应用。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、实时、双向传输、多分支结构的通信网络，它主要解决现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备之间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

2.1现场总线的特点

(1)系统传递精度及可靠性高、可维护性好,并充分发挥现场智能型设备可数字式传输的特长。

(2)功能分散,反应速度提高,现场仪表具有高层次功能,某种程度上承担了系统的控制功能。(3)通过增加本安物理通道,可应用于危险区域。

(4)增强了现场级信息集成能力。

(5)具有开放性、互操作性、互换性、可集成性。

(6)降低了系统及工程成本。

2.2几种典型的现场总线标准

目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种,具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种:PROFIBUS现场总线、FF现场总线、LONWORKS现场总线、CANBUS现场总线、WorldFIP现场总线、P-NET现场总线等。

3PROFIBUS现场总线技术

与其它现场总线系统相比,PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证,并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。

3.1PROFIBUS概貌

PROFIBUS由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三个兼容部分组成。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4～20mADC信号传输。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计,可使传感器和执行机构联在一根总线上,并有本征安全规范,可通过总线给现场设备供电。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主网络。

3.2PROFIBUS传输技术

PROFIBUS提供了三种数据传输类型:

(1)用于DP和FMS的RS-485传输

为网络拓扑线性总线,传输速率:9.6kbit/s～12Mbit/s,采用屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决于环境条件。不带中继时每分段32个站,带中继时最多到127个站。

(2)用于PA的IEC1158-2传输

数字式、位同步数据传输,传输速率:31.25Kbit/s,电压式,采用双绞线,屏蔽式或非屏蔽式,可通过数据线远程电源供电,能进行本征及非本征安全操作。每段32个站,总数最多到126个站,最多可扩展至4台中继器。分段偶合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接,偶合器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配,它能为现场设备的远程电源供电,且供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。

(3)光纤

在电磁干扰很大的环境下可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50m情况下使用，另一种是玻璃纤维导体，供距离小于1km情况下使用。

3.3PROFIBUS-DP的诊断功能

经过扩展的PROFIBUS-DP诊断功能能对故障进行快速定位,诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级,分别为:本站诊断操作,本站设备的一般操作状态,如温度过高、压力过低;模块诊断操作,一个站点的某具体I/O模块故障;通道诊断操作,一个单独输入/输出位的故障。

3.4PROFIBUS-DP的设备类型

第一类DP主站(DPM1)是中央可编程序控制器,如PLC、PC等,它在预定的信息周期内与分散的站(如DP从站)交换信息。

第二类DP主站(DPM2)是可进行编程、组态、诊断的设备。在DP系统组态操作时使用,完成系统操作和监视目的。DP从站是二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。

3.5PROFIBUS-DP的系统行为

系统行为主要取决于DPM1的操作状态,这些状态由本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态:(1)停止在这种状态下,DPM1和DP从站之间没有数据传输。(2)清除在这种状态下,DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。(3)运行在这种状态下,DPM1处于数据传输阶段,循环数据通信时,DPM1从DP从站读取输入信息并向从站写入输出信息。DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内,以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DP从站。如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误,DPM1将所有有关的DP从站数据立即转入清除状态,而DP从站将不再发送用户数据。在此之后,DPM1转入清除状态。

(1)DPM1和DP从站之间的循环数据传输

在对总线系统进行组态时,用户对DP从站与DPM1的关系做出规定,确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环周期,哪些被排斥在外。DPM1和DP从站之间的数据传输分三个阶段:参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段,每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时,DP从站才进入用户数据传输阶段。

(2)DPM1和系统组态设备间的循环数据传输

除主—从功能外,PROFIBUS-DP允许主—主之间的数据通信,这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。

(3)同步和锁定模式

DP主站设备也可向单独的DP从站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据,但它的输出状态保持不变;当接收到下一同步命令时,所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式,锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下,直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。

3.6PROFIBUS控制系统配置的几种形式

(1)总线接口型

现场设备不具备PROFIBUS接口,采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种模式设备成本低,但能很好地发挥现场总线技术的优点。

(2)单一总线型

现场设备都具有PROFIBUS接口，适用现场总线技术,实现完全的分布结构,这种方案设备成本会较高。

(3)混合型

现场设备部分具有PROFIBUS接口，应采用PROFIBUS现场设备加分散式I/O混合使用的办法,是一种灵活的集成方案。

4结语

冶金工业网络控制技术当前已进入现场控制级,其发展对解决冶金工业企业的控制系统和管理系统的集成提供了一种强有力的手段。PROFIBUS现场总线技术在冶金工业网络控制的应用中，能节省大量线缆、槽架、连接件，减少了系统的设计、调试、维护时间，方便地实现了现场控制设备之间以及设备与控制管理层之间的联系，为控制信息进入公共数据网络创造了条件,使得在整个工厂内实现统一的网络架构变成可能,真正实现了一网到底,为冶金工业企业的信息化提供了坚实的通讯保障,显著提高了企业的生产效率。