PROFIBUS—DP现场总线在液压控制系统中的应用

摘要：介绍了PROFIBUS-DP现场总线的技术特点，讨论了在液压控制系统中采用现场总线的必要性，以及PROFIBUS-DP在液压控制系统中应用的可行性和优点，并介绍了基于PROFIBUS-DP的金属挤压机液压控制系统。
关键词：现场总线；PROFIBUS-DP；液压控制系统
1 引言
　　现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线技术的出现和发展，使得建构一种全数字、全分散、全开放的控制系统成为可能，导致了传统控制系统结构的变革。
　　现场总线技术仍处在不断的发展中，现在已经出现了许多种现场总线标准，如PROFIBUS、FF、LonWorks、CAN、HART等。各种现场总线各有其特点，应用场合和前景也各不相同，现在仍没有国际统一的现场总线标准。因此，在选择现场总线时，必须综合考虑各方面的因素，使所选择的现场总线既能满足系统的实际需要，又能够符合技术发展的主流。
　　PROFIBUS是目前世界上应用最为广泛的现场总线技术之一，是德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170的现场总线标准，并在1999年12月成为国际标准IEC 61158的一部分。它包括了波特率可达l2 JI皿 的高速总线豫OFIBUS．DP（H2）和用于过程控制的本安型低速总线PROFIBUS-PA（H1），使其在结构和性能上优越于其他现场总线。与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点是它的普遍性+它广泛应用在加工制造、过程和楼宇自动化等领域，并可同时实现集中控制、分散控制和混合控制3种方式。
　　PROFIBUS由3个兼容部分组成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS．FMS。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。PROFIBUS-PA专用于过程自动化领域。PROFIBUS—FMS则用于车间级监控网络，其中应用最为广泛的是PROFIBUS—DP。
　　PROFIBUS—DP是一种高速和便宜的通信连接，它为自动控制系统和设备级分散的I／O之间进行通信使用专门设计。使用PROFIBUS-DP模块可取代24 v或4—20 mA的串联式信号传输。直接数据链路映像（DDLM）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变得简单方便，传输可使用Rs_485传输技术或光纤媒体。将PROFIBUS-DP引人液压控制系统，可以获得较好的开放性、可靠性，具有较高的性能价格比。
2 PROFIBUS—DP的技术特性
2．1 协议结构
　　PROFIBUS-DP的协议结构符合ISO的开放式系统互连模型，只定义了其中的第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加描述。这种协议结构确保了数据传输的快速和有效。总线存取协议在第2层即现场总线数据链路层实现，包括主站之间的令牌传递方式和主站和从站之间的主从方式。
2．2 传输技术
　　PROFIBUS—DP可以采用RS-485或光纤传输技术。当系统运行在电磁干扰很大的环境时使用光纤传输。
　　RS-485传输技术的基本特征为：
　　网络拓扑：线性总线，两端带有有源的总线终端电阻。
　　传输速率：从9．6 Kbps到12 Mbps。
　　传输介质：带屏蔽的双绞电缆，在抗干扰要求不高时也可取消屏蔽。
　　插头连接：采用9针D型插头。
　　站点数：每网段最多32个站，使用中继器可多达127个站。
2．3 系统的配置
　　PROFIBUS—DP允许构成单主站或多主站系统。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入／输出地址、输入／输出数据格式、诊断信息格式以及所使用的总线参数。每个PROFIBUS—DP系统可包括以下3种不同类型的设备：
　　（1）一类DP主站（DPM1）：一类DP主站是中央控制器，在预定的信息周期内与DP从站交换数据，典型的DPM1如PLC或PC。
　　（2）二类DP主站（DPM2）：二类DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时作用，完成系统操作和监视目的。
　　（3）DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（L／O设备、驱动器、HMI、阀门等）。使用PROFIBUS系统，在系统起动之前先要对系统及各站点进行配置和参数化工作。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商的设备集成在一个总线系统中 GSD文件是一个用于识别不同PROFIBUS设备的文本文件，它使得DP／PA设备可以被各种组态工具所识别，这也是PROFIBUS开放性的一种体现。
3 基于PROFIBUS的液压控制系统
3.1 基于PRolⅢIUS-DP的液压控制系统的优点
　　把现场总线引入液压控制系统的必要性在于：
　　（1）液压系统自动化程度以及复杂性的提高，要求系统内部各功能模块之间以及功能模块和上位机之间能够实现双向通信。
　　（2）用户对各功能模块的可控性、可靠性和易维护性要求越来越高。
　　（3）液压控制元件的数字化和智能仪表的发展，要求控制系统的结构能够与之相适应。
　　PROFIBUS—DP同时具备传感器级和设备级通信能力，既支持离散控制设备，也支持变送器等过程仪表，因此可以满足液压控制系统的需要。在液压控制系统中采用PROFIBUS-DP现场总线有以下优点：
　　（1）开放性、互换性、可集成性不同厂商的支持PROFIBUS-DP的产品都可很容易地集成到控制系统中，它们遵循PROFIBUS的设备行规，因此设备具有很好的开放性和互换性。
　　（2）系统可靠性高、可维护性好基于PROFIBUS-DP的液压控制系统采用总线连接方式代替一对一的I／O连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。物理层一般采用带屏蔽的双绞线或光纤电缆。抗干扰性强，数据链路层有较强的纠错能力，同时，系统具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能+也增强了系统的可维护性。
　　（3）有利于实现高速、高精度的液压控制系统。
　　（4）降低了系统及工程成本。
3．2 基于PR0ⅡBUS．DP的液压控制系统实例
　　下面以金属挤压机为倒介绍PROFIBUS-DP在液压控制系统中的应用。金属挤压机是一类主要用来使黑色及有色金属在模具型腔中产生塑性变形，从而获得所需要尺寸、形状和一定性能的机械零件的金属成形机床，也可用来进行板料的拉伸、弯曲等工艺。广泛应用于汽车、拖拉机、制冷设备、机床、家电、仪表等工业生产部门。传统的金属挤压机多数采用手工操作和开关闻控制，存在功能单一，加工精度低。操作人员劳动强大等不足之处。利用工业控制计算机和PROFIBUS-DP总线来实现对金属挤压机的控制+可使系统的性能有显著提高。
　　采用PROFIBUS-DP的挤压机控制系统如图1所示，可由以下几部分组成：
　　（1）系统主站 采用带PROFIBUS通信卡的工业控制计算机。通信卡可采用西门子公司的CP5611、CP5613等产品。
　　（2）系统总线采用PROFIBUS-DP实现工控机和所有现场设备与仪表的通信，传输速率可达12 m 。传输介质可采用带屏蔽的双绞线，当现场电磁干扰比较大时可采用光纤通信。
　　（3）分布式I／O从站和I／O模块可采用西门子的ET-200M从站与PROFIBUS-DP相连。再根据系统需要在从站上挂接S7-300系列的标准信号模块。如：开关量输入模块，开关量输出模块，模拟量输入模块，模拟量输出模块。
　　（4）现场仪表包括带PROFIBUS-DP接口的压力传感器、温度传感器等，也可采用普通的仪表连接到I／O从站的模拟量输入模块上。
　　（5）带PROFIBUS-DP接口的光电编码器用来检测滑块、液压缸与挤压缸的位置。
　　（6）执行元件包括带PROFIBUS-DP接口的电磁开关阀、电液比倒流量阀、电液比例方向阀等，也可采用普通的执行元件连接到I／O从站的开关量和模拟量输出模块上。

　　控制系统软件运行在Windows NT操作系统上．分为组态模块、控制模块和诊断模块3个软件模块 组态模块负责对系统进行硬件组态和配置，控制模块完成挤压机实际的控制功能，诊断模块能够判断总线通信故障、总线设备故障和操作状态异常，实现故障快速定位并给出报警信息。
4 结束语
　　PROFIBUS-DP传输速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，在液压控制系统中采用PROFIBUS-DP总线．简化了系统结椅，提高了系统的控制精度和可靠性，降低了硬件设计和软件设计的难度，便于安装、调试和维护，同时方便设备上网，适应网络技术发展的要求．具有良好的发展前景。