冶金業(yè)總線網(wǎng)絡控制運用
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1概述
在冶金企業(yè)中,控制系統(tǒng)為分級結(jié)構:0級是采集執(zhí)行層(傳感器和執(zhí)行器),完成物理量的測量和控制命令的具體執(zhí)行;1級是控制層(即所謂的基礎自動化),完成生產(chǎn)工藝過程的集中控制;2級一般為生產(chǎn)模型計算,用于生產(chǎn)控制的優(yōu)化;3級為生產(chǎn)管理和調(diào)度系統(tǒng),用于協(xié)調(diào)調(diào)度各工序間的協(xié)同工作;4級則是企業(yè)信息系統(tǒng)層,這些層面均需有相應的網(wǎng)絡構成互聯(lián)的有機整體。在2級以上(含2級)層面大都采用以太網(wǎng),1級以下(含1級)一般是專用網(wǎng)絡(現(xiàn)有向工業(yè)以太網(wǎng)方向發(fā)展態(tài)勢),采用專用的控制設備及軟件。其中,各種網(wǎng)絡的無縫集成是冶金企業(yè)實現(xiàn)信息化建設的難點和重點。因此做好控制和管理系統(tǒng)的信息集成,避免出現(xiàn)“自動化孤島”,企業(yè)信息化才能落到實處,且真正發(fā)揮其應有的作用。
2現(xiàn)場總線技術
冶金企業(yè)的自動控制系統(tǒng)基本上以可編程邏輯控制器(PLC)和集散控制系統(tǒng)(DCS)為主,為了實現(xiàn)各系統(tǒng)間的無縫集成,就要求各控制系統(tǒng)采用開放性、標準化、流行的硬件、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡技術,因此帶有各種現(xiàn)場總線控制技術的工業(yè)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在冶金企業(yè)得到大量的應用?，F(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字化、實時、雙向傳輸、多分支結(jié)構的通信網(wǎng)絡，它主要解決現(xiàn)場的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備之間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。
2.1現(xiàn)場總線的特點
(1)系統(tǒng)傳遞精度及可靠性高、可維護性好,并充分發(fā)揮現(xiàn)場智能型設備可數(shù)字式傳輸?shù)奶亻L。
(2)功能分散,反應速度提高,現(xiàn)場儀表具有高層次功能,某種程度上承擔了系統(tǒng)的控制功能。(3)通過增加本安物理通道,可應用于危險區(qū)域。
(4)增強了現(xiàn)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(tǒng)及工程成本。
2.2幾種典型的現(xiàn)場總線標準
目前國際上現(xiàn)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市場份額的總線有如下幾種:PROFIBUS現(xiàn)場總線、FF現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、CANBUS現(xiàn)場總線、WorldFIP現(xiàn)場總線、P-NET現(xiàn)場總線等。
3PROFIBUS現(xiàn)場總線技術
與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比,PROFIBUS的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準EN50170作保證,并經(jīng)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(tǒng)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(zhí)行機構聯(lián)在一根總線上,并有本征安全規(guī)范,可通過總線給現(xiàn)場設備供電。PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡,是一個令牌結(jié)構、實時多主網(wǎng)絡。
3.2PROFIBUS傳輸技術
PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型:
(1)用于DP和FMS的RS-485傳輸
為網(wǎng)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(huán)境條件。不帶中繼時每分段32個站,帶中繼時最多到127個站。
(2)用于PA的IEC1158-2傳輸
數(shù)字式、位同步數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)最多到126個站,最多可擴展至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(xiàn)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(huán)境下可使用光纖導體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。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(jīng)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(tài),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
第一類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(nèi)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(tài)、診斷的設備。在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用,完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。DP從站是二進制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動器、閥門等。
3.5PROFIBUS-DP的系統(tǒng)行為
系統(tǒng)行為主要取決于DPM1的操作狀態(tài),這些狀態(tài)由本地或總線的配置設備所控制。主要有以下三種狀態(tài):(1)停止在這種狀態(tài)下,DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。(2)清除在這種狀態(tài)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(tài)。(3)運行在這種狀態(tài)下,DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段,循環(huán)數(shù)據(jù)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(nèi),以有選擇的廣播方式將其本地狀態(tài)周期性地發(fā)送到每一個有關的DP從站。如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯誤,DPM1將所有有關的DP從站數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入清除狀態(tài),而DP從站將不再發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。在此之后,DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài)。
(1)DPM1和DP從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時,用戶對DP從站與DPM1的關系做出規(guī)定,確定哪些DP從站被納入信息交換的循環(huán)周期,哪些被排斥在外。DPM1和DP從站之間的數(shù)據(jù)傳輸分三個階段:參數(shù)設定、組態(tài)、數(shù)據(jù)交換。在參數(shù)設定階段,每個從站將自己的實際組態(tài)數(shù)據(jù)與從DPM1接受到的組態(tài)數(shù)據(jù)進行比較。只有當實際數(shù)據(jù)與所需的組態(tài)數(shù)據(jù)相匹配時,DP從站才進入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。
(2)DPM1和系統(tǒng)組態(tài)設備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸
除主—從功能外,PROFIBUS-DP允許主—主之間的數(shù)據(jù)通信,這些功能使組態(tài)和診斷設備通過總線對系統(tǒng)進行組態(tài)。
(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(fā)送控制命令。在這種模式中，所編址的從站輸出數(shù)據(jù)鎖定在當前狀態(tài)下。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸周期中，從站存儲接收到輸出的數(shù)據(jù),但它的輸出狀態(tài)保持不變;當接收到下一同步命令時,所存儲的輸出數(shù)據(jù)才發(fā)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(shù)據(jù)鎖定在當前狀態(tài)下,直到主站發(fā)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(tǒng)配置的幾種形式
(1)總線接口型
現(xiàn)場設備不具備PROFIBUS接口,采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場設備連接。這種模式設備成本低,但能很好地發(fā)揮現(xiàn)場總線技術的優(yōu)點。
(2)單一總線型
現(xiàn)場設備都具有PROFIBUS接口，適用現(xiàn)場總線技術,實現(xiàn)完全的分布結(jié)構,這種方案設備成本會較高。
(3)混合型
現(xiàn)場設備部分具有PROFIBUS接口，應采用PROFIBUS現(xiàn)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(jié)語
冶金工業(yè)網(wǎng)絡控制技術當前已進入現(xiàn)場控制級,其發(fā)展對解決冶金工業(yè)企業(yè)的控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的集成提供了一種強有力的手段。PROFIBUS現(xiàn)場總線技術在冶金工業(yè)網(wǎng)絡控制的應用中，能節(jié)省大量線纜、槽架、連接件，減少了系統(tǒng)的設計、調(diào)試、維護時間，方便地實現(xiàn)了現(xiàn)場控制設備之間以及設備與控制管理層之間的聯(lián)系，為控制信息進入公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡創(chuàng)造了條件,使得在整個工廠內(nèi)實現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡架構變成可能,真正實現(xiàn)了一網(wǎng)到底,為冶金工業(yè)企業(yè)的信息化提供了堅實的通訊保障,顯著提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。