PROFIBUS—DP現場總線在液壓控制系統中的應用

摘要：介紹了PROFIBUS-DP現場總線的技術特點，討論了在液壓控制系統中采用現場總線的必要性，以及PROFIBUS-DP在液壓控制系統中應用的可行性和優點，并介紹了基于PROFIBUS-DP的金屬擠壓機液壓控制系統。
關鍵詞：現場總線；PROFIBUS-DP；液壓控制系統
1 引言
　　現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線技術的出現和發展，使得建構一種全數字、全分散、全開放的控制系統成為可能，導致了傳統控制系統結構的變革。
　　現場總線技術仍處在不斷的發展中，現在已經出現了許多種現場總線標準，如PROFIBUS、FF、LonWorks、CAN、HART等。各種現場總線各有其特點，應用場合和前景也各不相同，現在仍沒有國際統一的現場總線標準。因此，在選擇現場總線時，必須綜合考慮各方面的因素，使所選擇的現場總線既能滿足系統的實際需要，又能夠符合技術發展的主流。
　　PROFIBUS是目前世界上應用最為廣泛的現場總線技術之一，是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現場總線標準，并在1999年12月成為國際標準IEC 61158的一部分。它包括了波特率可達l2 JI皿 的高速總線豫OFIBUS．DP（H2）和用于過程控制的本安型低速總線PROFIBUS-PA（H1），使其在結構和性能上優越于其他現場總線。與其他現場總線系統相比，PROFIBUS的最大優點是它的普遍性+它廣泛應用在加工制造、過程和樓宇自動化等領域，并可同時實現集中控制、分散控制和混合控制3種方式。
　　PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS．FMS。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。PROFIBUS-PA專用于過程自動化領域。PROFIBUS—FMS則用于車間級監控網絡，其中應用最為廣泛的是PROFIBUS—DP。
　　PROFIBUS—DP是一種高速和便宜的通信連接，它為自動控制系統和設備級分散的I／O之間進行通信使用專門設計。使用PROFIBUS-DP模塊可取代24 v或4—20 mA的串聯式信號傳輸。直接數據鏈路映像（DDLM）提供的用戶接口，使得對數據鏈路層的存取變得簡單方便，傳輸可使用Rs_485傳輸技術或光纖媒體。將PROFIBUS-DP引人液壓控制系統，可以獲得較好的開放性、可靠性，具有較高的性能價格比。
2 PROFIBUS—DP的技術特性
2．1 協議結構
　　PROFIBUS-DP的協議結構符合ISO的開放式系統互連模型，只定義了其中的第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加描述。這種協議結構確保了數據傳輸的快速和有效。總線存取協議在第2層即現場總線數據鏈路層實現，包括主站之間的令牌傳遞方式和主站和從站之間的主從方式。
2．2 傳輸技術
　　PROFIBUS—DP可以采用RS-485或光纖傳輸技術。當系統運行在電磁干擾很大的環境時使用光纖傳輸。
　　RS-485傳輸技術的基本特征為：
　　網絡拓撲：線性總線，兩端帶有有源的總線終端電阻。
　　傳輸速率：從9．6 Kbps到12 Mbps。
　　傳輸介質：帶屏蔽的雙絞電纜，在抗干擾要求不高時也可取消屏蔽。
　　插頭連接：采用9針D型插頭。
　　站點數：每網段最多32個站，使用中繼器可多達127個站。
2．3 系統的配置
　　PROFIBUS—DP允許構成單主站或多主站系統。系統配置的描述包括：站數、站地址、輸入／輸出地址、輸入／輸出數據格式、診斷信息格式以及所使用的總線參數。每個PROFIBUS—DP系統可包括以下3種不同類型的設備：
　　（1）一類DP主站（DPM1）：一類DP主站是中央控制器，在預定的信息周期內與DP從站交換數據，典型的DPM1如PLC或PC。
　　（2）二類DP主站（DPM2）：二類DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時作用，完成系統操作和監視目的。
　　（3）DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（L／O設備、驅動器、HMI、閥門等）。使用PROFIBUS系統，在系統起動之前先要對系統及各站點進行配置和參數化工作。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商的設備集成在一個總線系統中 GSD文件是一個用于識別不同PROFIBUS設備的文本文件，它使得DP／PA設備可以被各種組態工具所識別，這也是PROFIBUS開放性的一種體現。
3 基于PROFIBUS的液壓控制系統
3.1 基于PRolⅢIUS-DP的液壓控制系統的優點
　　把現場總線引入液壓控制系統的必要性在于：
　　（1）液壓系統自動化程度以及復雜性的提高，要求系統內部各功能模塊之間以及功能模塊和上位機之間能夠實現雙向通信。
　　（2）用戶對各功能模塊的可控性、可靠性和易維護性要求越來越高。
　　（3）液壓控制元件的數字化和智能儀表的發展，要求控制系統的結構能夠與之相適應。
　　PROFIBUS—DP同時具備傳感器級和設備級通信能力，既支持離散控制設備，也支持變送器等過程儀表，因此可以滿足液壓控制系統的需要。在液壓控制系統中采用PROFIBUS-DP現場總線有以下優點：
　　（1）開放性、互換性、可集成性不同廠商的支持PROFIBUS-DP的產品都可很容易地集成到控制系統中，它們遵循PROFIBUS的設備行規，因此設備具有很好的開放性和互換性。
　　（2）系統可靠性高、可維護性好基于PROFIBUS-DP的液壓控制系統采用總線連接方式代替一對一的I／O連線，減少了由接線點造成的不可靠因素。物理層一般采用帶屏蔽的雙絞線或光纖電纜。抗干擾性強，數據鏈路層有較強的糾錯能力，同時，系統具有現場設備的在線故障診斷、報警、記錄功能+也增強了系統的可維護性。
　　（3）有利于實現高速、高精度的液壓控制系統。
　　（4）降低了系統及工程成本。
3．2 基于PR0ⅡBUS．DP的液壓控制系統實例
　　下面以金屬擠壓機為倒介紹PROFIBUS-DP在液壓控制系統中的應用。金屬擠壓機是一類主要用來使黑色及有色金屬在模具型腔中產生塑性變形，從而獲得所需要尺寸、形狀和一定性能的機械零件的金屬成形機床，也可用來進行板料的拉伸、彎曲等工藝。廣泛應用于汽車、拖拉機、制冷設備、機床、家電、儀表等工業生產部門。傳統的金屬擠壓機多數采用手工操作和開關聞控制，存在功能單一，加工精度低。操作人員勞動強大等不足之處。利用工業控制計算機和PROFIBUS-DP總線來實現對金屬擠壓機的控制+可使系統的性能有顯著提高。
　　采用PROFIBUS-DP的擠壓機控制系統如圖1所示，可由以下幾部分組成：
　　（1）系統主站 采用帶PROFIBUS通信卡的工業控制計算機。通信卡可采用西門子公司的CP5611、CP5613等產品。
　　（2）系統總線采用PROFIBUS-DP實現工控機和所有現場設備與儀表的通信，傳輸速率可達12 m 。傳輸介質可采用帶屏蔽的雙絞線，當現場電磁干擾比較大時可采用光纖通信。
　　（3）分布式I／O從站和I／O模塊可采用西門子的ET-200M從站與PROFIBUS-DP相連。再根據系統需要在從站上掛接S7-300系列的標準信號模塊。如：開關量輸入模塊，開關量輸出模塊，模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊。
　　（4）現場儀表包括帶PROFIBUS-DP接口的壓力傳感器、溫度傳感器等，也可采用普通的儀表連接到I／O從站的模擬量輸入模塊上。
　　（5）帶PROFIBUS-DP接口的光電編碼器用來檢測滑塊、液壓缸與擠壓缸的位置。
　　（6）執行元件包括帶PROFIBUS-DP接口的電磁開關閥、電液比倒流量閥、電液比例方向閥等，也可采用普通的執行元件連接到I／O從站的開關量和模擬量輸出模塊上。

　　控制系統軟件運行在Windows NT操作系統上．分為組態模塊、控制模塊和診斷模塊3個軟件模塊 組態模塊負責對系統進行硬件組態和配置，控制模塊完成擠壓機實際的控制功能，診斷模塊能夠判斷總線通信故障、總線設備故障和操作狀態異常，實現故障快速定位并給出報警信息。
4 結束語
　　PROFIBUS-DP傳輸速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強，在液壓控制系統中采用PROFIBUS-DP總線．簡化了系統結椅，提高了系統的控制精度和可靠性，降低了硬件設計和軟件設計的難度，便于安裝、調試和維護，同時方便設備上網，適應網絡技術發展的要求．具有良好的發展前景。