基于PROFIBUS现场总线的回转窑控制系统设计

1 引言
现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)将传统系统的集中控制转换为现场分散控制，实现功能集中、危险分散，形成开放性的控制网络。将其应用在过程自动化系统PAS(Process Automation System)中，将克服传统DDC控制系统和DCS系统因采用专用通信协议而带来“自动化孤岛”的信息集成困境。本文应用西门子PROFIBUS现场总线技术设计了水泥回转窑智能化、网络化的控制系统。

2 PROFIBUS现场总线技术
2.1 概述
PROFIBUS是西门子公司根据IOS/OSI参考模型设计的现场总线(Process Field Bus)，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即EN50 170欧洲标准。目前世界上许多自动化技术厂家所生产的设备都提供PROFIBUS接口。PROFIBUS能覆盖大多数的工业领域，在加工制造自动化、生产过程和楼宇自动化等领域己经得到了广泛的应用。从 PROFIBUS的应用范围看，它不仅负责控制器与现场装置之间的信息传送，而且还负责控制器与控制器、控制器与操作站之间的信息传送。PROFIBUS现场总线由PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery)，PROFIBUS-PA(Process Automation)和PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)三个兼容部分组成。
2.2 PROFIBUS现场总线协议结构
PROFIBUS可使分散式数字化控制器从底层到车间级网络化，该系统分为主站和从站。主站决定总线的数据数据通信，当主站得到期总线控制权(令牌)时，没有外界请求也可主动发送信息。从站为外围设备包括:输入输出装置、阀门、驱动器和测量变送器，没有总线控制权，仅对接收到的信息予以确认或当主站发出请求时发送信息。PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参考模型，协议结构如图1所示。






图1 PROFIBUS协议结构


PROFIBUS-DP使用OSI参考模型第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加以描述。PROFIBUS-FMS第1、2和7层均加以定义，应用层包括现场总线信息规范(FMS，fieldbus message specification)和低层接口(LLI，lower layer interface)。PROFIBUS-PA采用扩展的“PROFIBUS-DP”协议，另外还使用了IEC1158-2标准描述现场设备行为规范,使用段式耦合器PROFIBUS-PA设备能方便地集成到PROFIBUS-DP网络。
2.3 PROFIBUS现场总线存取协议
PROFIBUS-PA、FMS和DP均使用单一的总线存取协议，通过OSI参考模型的第2层实现，包括数据的可靠性、传输协议和报文处理。在PROFIBUS中，第2层称为现场总线数据链路层(FDL，fieldbus data link)。介质存取控制MAC(medium access control)具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。因此，PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式与从站之间的主从方式，如图2所示。






图2 PROFIBUS总结存取协议


令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)，令牌是一条特殊的电文，它在所有主站循环一周的最长时间是事先规定的，在PROFI- BUS中，令牌只在各主站之间通信时使用。
令牌调度原理是在多主网络中令牌调度必须确保每个主站有足够的时间完成它的通信任务，用户组织全部目标令牌循环时间(TTR)进入所有主站的通信任务帐户，每一个主站根据下式计算它接收令牌后完成它的通信任务的时间(TTH): TTH=TTR-TRR
其中，TTH为持有令牌时间;TTR为目标令牌循环时间;TRR为实际令牌循环时间。
在总线运行初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环，在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。另外，总线存取控制保证令牌按地址升序在主站间传送，各主站的令牌子具体保持时间取决于该令牌配置的循环时间。此外，PROFIBUS介质存取控制的特点是监测传输介质及收发器是否损坏，检查站点地址是否出错以及令牌错误。

3 水泥回转窑控制系统设计
3.1 系统组成
根据工艺要求及水泥厂的实际情况，本文针对2000t/d新型干法水泥生产线，采用基于PROFIBUS-DP与PA网络和Simens S7-300PLC实现现分散控制、集中管理的智能集成控制系统，在功能实现上分为三级，即现场总线级、中间通讯级和上层监控、管理级，如图3所示。






图3 系统组成


根据PROFIBUS总线存取协议，PROFIBUS总线可构成三种系统:纯主一从系统、纯主一主系统、混合系统。混合系统由一级主站、二级主站和从站组成，提高了系统组态的灵活性。一级主站―中央控制器，在预定的信息周期中与分散的从站交换信息，完成总线通信的控制和管理任务，通常为PLC或PC机。二级主站为操作员工作站、编程器和操作面板等，完成各站点的数据读写、系统配置和故障诊断等操作。从站为传感器、执行部件、信息采集和发送设备等所有现场设备。多主站系统的主站之间按地址编号顺序，沿上行方向传送令牌，得到令牌的主站在规定的时间内拥有总线控制权，主从之间按主一从方式传送信息。
3.2 DP总线接口电路设计
PROFIBUS DP接口主要由微处理器AT89S52接口和串行总线接口两部分组成。微处理器接口电路如图4所示。AT89S52通过P0口和P2口扩展外部存储器，P0口既作为SPC3的数据信号也作为外部RAM的地址信号线，P2口作为SPC3的地址信号线。SPC3芯片通过请求发送信号(RTS),发送数据信号(TXD)，接收数据信号(RXD)通过高速光耦和总线收发器相连，构成串行口。在本文中，AT89S52单片机的资源分别如下:P0口是双向8位并行I/O口，通称数据口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写操作，它可以作为访问外部存储器时的地址总线低8位输出，由于分时输出，故在外部加地址锁存器74LS244将此数据地址锁存，地址锁存信号为ALE。P2口是内接上拉电阻的准双向I/O口，主要作为地址总线的高八位。P3口P3口是内接上拉电阻的准双向I/O口，主要作为第二功能使用，本系统中P3.2(12脚)的第二功能 用于连接SPC3的X/INT中断信号。






图4 总线接口电路


3.3 接口软件设计
ASIC芯片SPC3 内部集成了完整的PROFIBU DP协议, 因此微处理器AT89S52根据SPC3产生的中断请求信号RTS，对SPC3接收到的主站发出的数据送双口RAM转存，从双口RAM读取要通过SPC3发给主站的数据，并根据要求组织外部中断。其流程图如图5所示:






图5 PROFIBUS DP总结接口程序流程图


4 结束语
PROFIBUS总线适合于生产过程自动化，随着生产过程自动化水平不断提高,自行开发基于总线的接口设备和各种智能设备将不断出现，本系统采用PROF- IBUS现场总线和AT89S52单片机设计了DP接口电路，系统通信可靠、便捷，与传统控制系统相比具有明显的优势。