現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)將傳統(tǒng)系統(tǒng)的集中控制轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場分散控制，實(shí)現(xiàn)功能集中、危險(xiǎn)分散，形成開放性的控制網(wǎng)絡(luò)。將其應(yīng)用在過程自動(dòng)化系統(tǒng)PAS(Process Automation System)中，將克服傳統(tǒng)DDC控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)因采用專用通信協(xié)議而帶來“自動(dòng)化孤島”的信息集成困境。本文應(yīng)用西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計(jì)了水泥回轉(zhuǎn)窯智能化、網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。

　　二、PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)

　　1、概述

　　PROFIBUS是西門子公司根據(jù)IOS/OSI參考模型設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線(Process Field Bus)，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50 170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)廠家所生產(chǎn)的設(shè)備都提供PROFIBUS接口。PROFIBUS能覆蓋大多數(shù)的工業(yè)領(lǐng)域，在加工制造自動(dòng)化、生產(chǎn)過程和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。從 PROFIBUS的應(yīng)用范圍看，它不僅負(fù)責(zé)控制器與現(xiàn)場裝置之間的信息傳送，而且還負(fù)責(zé)控制器與控制器、控制器與操作站之間的信息傳送。PROFIBUS現(xiàn)場總線由PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery)，PROFIBUS-PA(Process Automation)和PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)三個(gè)兼容部分組成。

　　2、PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從底層到車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到期總線控制權(quán)(令牌)時(shí)，沒有外界請(qǐng)求也可主動(dòng)發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備包括:輸入輸出裝置、閥門、驅(qū)動(dòng)器和測量變送器，沒有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息予以確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)發(fā)送信息。PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS-DP使用OSI參考模型第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加以描述。PROFIBUS-FMS第1、2和7層均加以定義，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范(FMS，fieldbus message specification)和低層接口(LLI，lower layer interface)。PROFIBUS-PA采用擴(kuò)展的“PROFIBUS-DP”協(xié)議，另外還使用了IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)描述現(xiàn)場設(shè)備行為規(guī)范,使用段式耦合器PROFIBUS-PA設(shè)備能方便地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。

　　3、PROFIBUS現(xiàn)場總線存取協(xié)議

　　PROFIBUS-PA、FMS和DP均使用單一的總線存取協(xié)議，通過OSI參考模型的第2層實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性、傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。在PROFIBUS中，第2層稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層(FDL，fieldbus data bbbb)。介質(zhì)存取控制MAC(medium access control)具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦颍琈AC必須確保在任何時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式與從站之間的主從方式，如圖2所示。

圖2 PROFIBUS總結(jié)存取協(xié)議

　　令牌傳遞程序保證了每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)(令牌)，令牌是一條特殊的電文，它在所有主站循環(huán)一周的最長時(shí)間是事先規(guī)定的，在PROFI- BUS中，令牌只在各主站之間通信時(shí)使用。令牌調(diào)度原理是在多主網(wǎng)絡(luò)中令牌調(diào)度必須確保每個(gè)主站有足夠的時(shí)間完成它的通信任務(wù)，用戶組織全部目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間(TTR)進(jìn)入所有主站的通信任務(wù)帳戶，每一個(gè)主站根據(jù)下式計(jì)算它接收令牌后完成它的通信任務(wù)的時(shí)間(TTH): TTH=TTR-TRR

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　　其中，TTH為持有令牌時(shí)間;TTR為目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間;TRR為實(shí)際令牌循環(huán)時(shí)間。

　　在總線運(yùn)行初建時(shí)，主站介質(zhì)存取控制MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)，在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。另外，總線存取控制保證令牌按地址升序在主站間傳送，各主站的令牌子具體保持時(shí)間取決于該令牌配置的循環(huán)時(shí)間。此外，PROFIBUS介質(zhì)存取控制的特點(diǎn)是監(jiān)測傳輸介質(zhì)及收發(fā)器是否損壞，檢查站點(diǎn)地址是否出錯(cuò)以及令牌錯(cuò)誤。

　　三、水泥回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1、系統(tǒng)組成

　　根據(jù)工藝要求及水泥廠的實(shí)際情況，本文針對(duì)2000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線，采用基于PROFIBUS-DP與PA網(wǎng)絡(luò)和Simens S7-300PLC實(shí)現(xiàn)現(xiàn)分散控制、集中管理的智能集成控制系統(tǒng)，在功能實(shí)現(xiàn)上分為三級(jí)，即現(xiàn)場總線級(jí)、中間通訊級(jí)和上層監(jiān)控、管理級(jí)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成

　　根據(jù)PROFIBUS總線存取協(xié)議，PROFIBUS總線可構(gòu)成三種系統(tǒng):純主一從系統(tǒng)、純主一主系統(tǒng)、混合系統(tǒng)?；旌舷到y(tǒng)由一級(jí)主站、二級(jí)主站和從站組成，提高了系統(tǒng)組態(tài)的靈活性。一級(jí)主站—中央控制器，在預(yù)定的信息周期中與分散的從站交換信息，完成總線通信的控制和管理任務(wù)，通常為PLC或PC機(jī)。二級(jí)主站為操作員工作站、編程器和操作面板等，完成各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置和故障診斷等操作。從站為傳感器、執(zhí)行部件、信息采集和發(fā)送設(shè)備等所有現(xiàn)場設(shè)備。多主站系統(tǒng)的主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行方向傳送令牌，得到令牌的主站在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，主從之間按主一從方式傳送信息。

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　　2、DP總線接口電路設(shè)計(jì)

　　PROFIBUS DP接口主要由微處理器AT89S52接口和串行總線接口兩部分組成。微處理器接口電路如圖4所示。AT89S52通過P0口和P2口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，P0口既作為SPC3的數(shù)據(jù)信號(hào)也作為外部RAM的地址信號(hào)線，P2口作為SPC3的地址信號(hào)線。SPC3芯片通過請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)(RTS),發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)(TXD)，接收數(shù)據(jù)信號(hào)(RXD)通過高速光耦和總線收發(fā)器相連，構(gòu)成串行口。在本文中，AT89S52單片機(jī)的資源分別如下:P0口是雙向8位并行I/O口，通稱數(shù)據(jù)口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀寫操作，它可以作為訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)的地址總線低8位輸出，由于分時(shí)輸出，故在外部加地址鎖存器74LS244將此數(shù)據(jù)地址鎖存，地址鎖存信號(hào)為ALE。P2口是內(nèi)接上拉電阻的準(zhǔn)雙向I/O口，主要作為地址總線的高八位。P3口P3口是內(nèi)接上拉電阻的準(zhǔn)雙向I/O口，主要作為第二功能使用，本系統(tǒng)中P3.2(12腳)的第二功能 用于連接SPC3的X/INT中斷信號(hào)。

圖4 總線接口電路3、接口軟件設(shè)計(jì)

　　ASIC芯片SPC3 內(nèi)部集成了完整的PROFIBU DP協(xié)議, 因此微處理器AT89S52根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求信號(hào)RTS，對(duì)SPC3接收到的主站發(fā)出的數(shù)據(jù)送雙口RAM轉(zhuǎn)存，從雙口RAM讀取要通過SPC3發(fā)給主站的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求組織外部中斷。其流程圖如圖5所示：

圖5 PROFIBUS DP總結(jié)接口程序流程圖

　　四、結(jié)束語

　　PROFIBUS總線適合于生產(chǎn)過程自動(dòng)化，隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平不斷提高,自行開發(fā)基于總線的接口設(shè)備和各種智能設(shè)備將不斷出現(xiàn)，本系統(tǒng)采用PROF- IBUS現(xiàn)場總線和AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)了DP接口電路，系統(tǒng)通信可靠、便捷，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。