基于Profibus现场总线的煤矿井下胶带监控系统（doc5)

基于 Profibus 现场总线的煤矿井下胶带监控系统
现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。它应用在生产现场，实现微
机化测量设备之间的双向串行多节点数字通信，它适应了工业控制系统向分散化、网络
化、智能化方向的发展，一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普
遍关注。自 80 年代末以来，几种现场总线技术如 FF、Lonworks、Canbus、Profibus 等已
逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响。Profibus 是 Process FieldBus 的缩写，是一种用
于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设
备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信，从而为实现工厂综合自动化和现场设
备智能化提供可行的解决方案。胶带运输是煤矿生产中十分重要的环节，监控系统在该
环节的投入是煤矿现代化生产的趋势。本文以皖北矿务局祁东煤矿的井下胶带监控系统
为例，简介 Profibus 现场总线技术在监控系统中的应用。
一、Profibus 现场总线技术
1、Profibus 概貌
Profibus 是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业
自动化。Profibus 根据应用特点分为 Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA 三个兼容
版本。其中 Profibus-DP 是一种高速(数据传输速率 9.6kbit/s~12Mbit/s)的经济的设备级网
络，主要用于现场控制器与分散 I/O 之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时
间要求；Profibus-PA 采用 IECII58-2 标准，传输速率为 31.25kbit/s，并提供本质安全特性，
适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；Profibus-FMS 主要解决车间级通信问题，
完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。
2、总线拓朴结构
根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构可有多种形式，通常采用
以下三种：线形、树形和环形。Profibus 采用的是线形结构，其特点是简明，用一根总干
线从控制器连接到机械装置(控制对象)，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器
扫描所有 I/O 站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道。在这种总线结构下，可实
现多主式和对等式通信，可以两个控制器共享同一个系统中的信息和 I/O 站。另外，不
需关闭总线系统就可以把一个 I/O 设备从总线上拆下，这给总线系统的维修带来了很大
方便。
3、Profibus-DP 的设备类型
根据实际设计需要，本系统采用 Profibus-DP。每个 Profibus-DP 系统包括以下三种
不同类型的设备：
（1）DP 主站类型 1
它是 Profibus-DP 应用的中心部件，在一个规定的、重复的信息周期内，中央控制器
或 PC 机与分布式从站(DP 从站)交换信息。非循环传输的数据与循环的测量值相比不是
经常变动的，因此这种数据与快速循环的有用数据一起传输，但它以较低的优先级传输。
主站中的中断确认保证由 DP 从站来的中断可靠传输。
（2）DP 主站类型 2
这种类型的设备(如编程器、组态设备或操作设备)用于 DP 系统的启动、组态或用于
正常运行过程（如诊断）中的系统操作。此类型的主站可以读取由设备来的输入、输出、
诊断和组态数据。
（3）DP 从站
一个 DP 从站是一个 I/O 设备，它读取输入信息并向 I/O 提供输出信息，输入和输出
信息数取决于设备类型，最大为 244 字节。
4、Profibus-DP 的通信协议
Profibus 现场总线采用了 OSI 模型的物理层、数据链路层，如图 1 所示。其传输速
率为 9.6kbps~12Mbps，最大传输距离在 12Mbps 时为 100m，在 1.5Mbps 时为 400m，可
用中继器延长至 10km。其传输介质既可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127 个
站点。

Profibus-DP 物理层与 ISO/OSI 参考模型的第一层相同，采用 EIA-RS485 协议，根据
数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质。
Profibus-DP 数据链路层协议媒体访问控制(MAL)部分采用受控访问的令牌总线
(Token Bus)和主从方式。令牌总线与局域网 IEEE8024 协议一致，令牌在总线上的各主站
间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其它主站进行
通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合 HDLC 中的非平衡正常响应
模式(NRM)。该模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从
站建立一条逻辑链路；主站发出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到
无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：