浅谈无线Profibus-DP通讯技术

　　1  序言

堆取料机是水泥厂用于原料及原燃料转运及均化的大型移动设备，其运行可靠性直接关系到厂内物流是否畅通。目前，水泥厂堆取料机上的供电及通讯主要是采用电缆卷盘方式，电源电缆及控制电缆分别有各自的卷盘，中控室与堆取料机控制室之间的控制及联锁信号都是通过一根多芯的柔性电缆进行通讯，每芯电缆只能传送一个开关量信号，不能实现大量开关量以及模拟量的传输，同时由于滑环集电器自身结构以及堆取料机卷盘拉力不均衡等原因，经常会出现信号传输不稳定甚至中断等现象，通常是由几根或几组导线[每组至少两根]绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层电线电缆是指用于电力、通信及相关传输用途的材料。“电线”和“电缆”并没有严格的界限。通常将芯数少、产品直径小、结构简单的产品称为电线，没有绝缘的称为裸电线，其他的称为电缆；导体截面积较大的（大于6平方毫米）称为大电线，较小的（小于或等于6平方毫米）称为小电线，绝缘电线又称为布电线。电线电缆主要包括裸线、电磁线及电机电器用绝缘电线、电力电缆、通信电缆与光缆。 电线电缆是指用于电力、通信及相关传输用途的材料。“电线”和“电缆”并没有严格的界限。通常将芯数少、产品直径小、结构简单的产品称为电线，没有绝缘的称为裸电线，其他的称为电缆；导体截面积较大的（大于6平方毫米）称为大电线，较小的（小于或等于6平方毫米）称为小电线，绝缘电线又称为布电线。电线电缆主要包括裸线、电磁线及电机电器用绝缘电线、电力电缆、通信电缆与光缆。电缆有电力电缆、控制电缆、补偿电缆、屏蔽电缆、高温电缆、计算机电缆、信号电缆、同轴电缆、耐火电缆、船用电缆等等。它们都是由多股导线组成，用来连接电路、电器等。

　　1.1 故障频繁

由于大车轨道安装不高，运行轨道不能的在同一轴线上，电缆卷盘随着堆取料机的移动产生震动，以及滑环集电器安装误差等原因，使得联锁和通讯集电器中的触点变形破损，滑环集电器的触点随电缆卷盘的旋转而错位，触点的机械机构松动，导致接触不良。

　　1.2 维修时间长、工作量大

正常损坏时，少则需要4—5小时，多则10小时以上，且每次需两人以上，工作量更大。

　1.3 安装及维修费用高

从目前我公司堆取料机安装的方式来讲，安装一台传统通讯方式的堆取料机完成通讯功能需要的主要设备有：控制滑环一台、电机一台、移动式电缆卷盘一台以及多芯控制电缆，在电缆卷盘设计时电缆的选型也比较特殊，而且在我公司的几个项目中使用效果很不理想，往往在设备运行不到一年的时间控制电缆就由于设备的移动受力而断芯，导致需要更换电缆。

　　1.4 设备安全隐患大

当堆料机集电器故障及卷盘电缆断链时，导致联锁失控，通讯中断，不能及时停止放料和停下皮带机，严重时会造成堆料机冲出轨道，使其钢结构整体变形，能引起上百万元的经济损失，也给设备与操作人员带来不安全因素；当取料机滑触线故障，由于下一段工艺流程中的输送皮带机故障或紧急异常时，不能及时停止取料，就会导致堵料，撤料，压料，甚至拉断皮带等情况，给正常生产造成困难。

　　2. 无线联锁通讯传输方案选择

目前，解决以上问题有采用常规的无线网络传输技术，即在数据交换之前需要完成数据信号数字化、编码、压缩、打包、调制，转换成可发送的格式，然后再通过无线网络进行数据交换。数据交换可以分为：电路交换；报文交换和分组交换。电路交换原理与电话交换原理基本相同。电路交换的缺点是电路的利用率低，双方在通信过程中的空闲时间，电路不能得到充分利用。报文交换的原理是当发送方的信息到达报文交换用的计算机时，先存放在外存储器中，待中央处理机分析报头，确定转发路由，并选到与此路由相应的输出电路上进行排队，等待输出。一旦电路空闲，立即将报文从外存储器取出后发出，这就提高了这条电路的利用率。报文交换虽然提高了电路的利用率，但报文经存储转发后会产生较大的时延。分组交换也是一种存储转发交换方式，但与报文交换不同，它是把报文划分为一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发。这就不但具备了报文交换方式提高电路利用率的优点，同时克服了时延大的缺点。此方案虽然解决了问题，但是此方案的初期设计成本以及调试费用均较高，总体效果并不理想。为此，我公司根据目前无线工控技术的发展动态，结合现场设备环境特点，于2008年10月结合工厂Profibus-DP网络拓扑的特点，将无线PROFIBUS-DP网络通信技术应用在水泥厂堆取料机上。

随着无线蓝牙局域网技术发展的成熟，以及PLC控制技术与无线通讯网络技术的融合，无线联锁和通讯传输方式以其工作可靠，优良的性价比，在工业控制领域得到广泛应用，该技术也适用于水泥厂堆取料机与工厂自动化控制系统之间的无线通讯。无线Profibus-DP通讯装置正是为了满足此需求而设计的，该设备能够解决水泥厂堆取料机与工厂自动化系统的无线通讯，实现联锁控制信号的传输和交换。无线Profibus-DP通讯技术在水泥厂堆取料机上应用后，取消了原硬接线的一些相关附属设备。

　3.系统结构原理

Profibus-DP通讯是针对数据链路层和用户层来说的，其数据通讯格式由PROFIBUS基金会规定，而其物理层则完全采用RS485规范。这样的通讯方式完全满足工厂自动化的控制网络的拓扑。我们选用的菲尼克斯的Profibus-DP无线通讯套装模块实际上是一个能传输RS232、RS485、RS422的多功能无线串口通讯模块。PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。它与PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同组成了PROFIBUS标准。用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态。诊断和报警处理。

　　4.该系统的特点

该系统使用了跳频扩频的技术FHSS来抵抗工业现场的干扰，且工作在的频率段2.4GHz,传输功率100mW（20dBm），这些特性都使它可在工业现场稳定工作。

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由于数据被分割为非常小的数据包，在不同频率的通道内发送，所以，即使发生冲突，也可以在很短的时间内（微秒）更改发射通道，菲尼克斯的蓝牙设备采用的ISM 2.4G频段，并在835M Hz的范围内均分了79个通道供蓝牙通讯使用。

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（1）传输通过电磁波在空间进行，减少了耗时以及昂贵的安装过程；

（2）由于天线的发散特性，无线电波可以覆盖室内和室外的大片空间，可以将自由移动物体，不受地域影响纳入控制网络。电磁通讯解决方案无磨损、耐脏，这意味着在有移动物体的应用场合，相对于传统的滑环等，无线通讯是免维护的通讯方案。

（3）系统集成了PCS自动控制、无线通讯、网络通讯等技术，将有线和无线、电气和PLC、PLC与PLC数据、原系统和新系统有机的融合成一个整体。联锁控制的数据信号，通过Profibus-DP通讯模块直接传输到PCS系统，直接简单的下挂在工厂的自动化控制PCS组成控制网络。PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

（4）与一般点对点通讯方式相比，主站只需2套无线收发设备（包括冗余），主站与电器设备之间不用传统的开关量硬件连接，直接以通讯方式与原PCS控制系统连接，节省继电器、电缆和PLC的开关量输入输出模板。

（5）采用2.4 GHz 频段，无需申请，无需付费。

针对原料场堆取料机数量大分布集中的特点，选各个堆取料机子站与混匀配料室主站构成一对一的无线Profibus-DP通信网络，以直接寻到Profibus-DP网络中设备的地址，避免各机之间的相互干扰；针对料场料堆较高，料的导电性强，料场附近PLC控制系统较多的特点，选特高频通讯频段，以减少对料场附近PLC控制系统及其它通讯设备的干扰，降低发射信号的功率；针对通讯信号数量多的情况，选择直接的网络通讯直接和上位进行数字交换，以减少其相互干扰。

　5.应用效果和结论

系统投入运行后，工作稳定可靠，彻底解决了存在的问题，促进了生产指标的提升，达到了人身及设备安全的目的。无线Profibus-DP通信技术应用于大型移动设备的控制，而且是直接应用到现场级的控制网络中。