淺談無線Profibus-DP通訊技術(shù)-技術(shù)方案

淺談無線Profibus-DP通訊技術(shù)-技術(shù)方案1序言

堆取料機是水泥廠用于原料及原燃料轉(zhuǎn)運及均化的大型移動設(shè)備，其運行牢靠性直接關(guān)系到廠內(nèi)物流是否暢通。目前，水泥廠堆取料機上的供電及通訊主要是采納電纜卷盤方式，電源電纜及掌握電纜分別有各自的卷盤，中控室與堆取料機掌握室之間的掌握及聯(lián)鎖信號都是通過一根多芯的柔性電纜進(jìn)行通訊，每芯電纜只能傳送一個開關(guān)量信號，不能實現(xiàn)大量開關(guān)量以及模擬量的傳輸，同時由于滑環(huán)集電器自身結(jié)構(gòu)以及堆取料機卷盤拉力不均衡等緣由，常常會消失信號傳輸不穩(wěn)定甚至中斷等現(xiàn)象，通常是由幾根或幾組導(dǎo)線[每組至少兩根]絞合而成的類似繩索的電纜，每組導(dǎo)線之間相互絕緣，并常圍圍著一根中心扭成，整個外面包有高度絕緣的掩蓋層電線電纜是指用于電力、通信及相關(guān)傳輸用途的材料?！半娋€”和“電纜”并沒有嚴(yán)格的界限。通常將芯數(shù)少、產(chǎn)品直徑小、結(jié)構(gòu)簡潔的產(chǎn)品稱為電線，沒有絕緣的稱為裸電線，其他的稱為電纜；導(dǎo)體截面積較大的（大于6平方毫米）稱為大電線，較小的（小于或等于6平方毫米）稱為小電線，絕緣電線又稱為布電線。電線電纜主要包括裸線、電磁線及電機電器用絕緣電線、電力電纜、通信電纜與光纜。電線電纜是指用于電力、通信及相關(guān)傳輸用途的材料。“電線”和“電纜”并沒有嚴(yán)格的界限。通常將芯數(shù)少、產(chǎn)品直徑小、結(jié)構(gòu)簡潔的產(chǎn)品稱為電線，沒有絕緣的稱為裸電線，其他的稱為電纜；導(dǎo)體截面積較大的（大于6平方毫米）稱為大電線，較小的（小于或等于6平方毫米）稱為小電線，絕緣電線又稱為布電線。電線電纜主要包括裸線、電磁線及電機電器用絕緣電線、電力電纜、通信電纜與光纜。電纜有電力電纜、掌握電纜、補償電纜、屏蔽電纜、高溫電纜、計算機電纜、信號電纜、同軸電纜、耐火電纜、船用電纜等等。它們都是由多股導(dǎo)線組成，用來連接電路、電器等。

1.1故障頻繁

由于大車軌道安裝精度不高，運行軌道不能的在同一軸線上，電纜卷盤隨著堆取料機的移動產(chǎn)生震驚，以及滑環(huán)集電器安裝誤差等緣由，使得聯(lián)鎖和通訊集電器中的觸點變形破損，滑環(huán)集電器的觸點隨電纜卷盤的旋轉(zhuǎn)而錯位，觸點的機械機構(gòu)松動，導(dǎo)致接觸不良。

1.2修理時間長、工作量大

正常損壞時，少則需要4—5小時，多則10小時以上，且每次需兩人以上，工作量更大。

1.3安裝及修理費用高

從目前我公司堆取料機安裝的方式來講，安裝一臺傳統(tǒng)通訊方式的堆取料機完成通訊功能需要的主要設(shè)備有：掌握滑環(huán)一臺、電機一臺、移動式電纜卷盤一臺以及多芯掌握電纜，在電纜卷盤設(shè)計時電纜的選型也比較特別，而且在我公司的幾個項目中使用效果很不抱負(fù)，往往在設(shè)備運行不到一年的時間掌握電纜就由于設(shè)備的移動受力而斷芯，導(dǎo)致需要更換電纜。

1.4設(shè)備安全隱患大

當(dāng)堆料機集電器故障及卷盤電纜斷鏈時，導(dǎo)致聯(lián)鎖失控，通訊中斷，不能準(zhǔn)時停止放料和停下皮帶機，嚴(yán)峻時會造成堆料機沖出軌道，使其鋼結(jié)構(gòu)整體變形，能引起上百萬元的經(jīng)濟損失，也給設(shè)備與操作人員帶來擔(dān)心全因素；當(dāng)取料機滑觸線故障，由于下一段工藝流程中的輸送皮帶機故障或緊急特別時，不能準(zhǔn)時停止取料，就會導(dǎo)致堵料，撤料，壓料，甚至拉斷皮帶等狀況，給正常生產(chǎn)造成困難。

2.無線聯(lián)鎖通訊傳輸方案選擇

目前，解決以上問題有采納常規(guī)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，即在數(shù)據(jù)交換之前需要完成數(shù)據(jù)信號數(shù)字化、編碼、壓縮、打包、調(diào)制，轉(zhuǎn)換成可發(fā)送的格式，然后再通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換可以分為：電路交換；報文交換和分組交換。電路交換原理與電話交換原理基本相同。電路交換的缺點是電路的利用率低，雙方在通信過程中的空閑時間，電路不能得到充分利用。報文交換的原理是當(dāng)發(fā)送方的信息到達(dá)報文交換用的計算機時，先存放在外存儲器中，待中央處理機分析報頭，確定轉(zhuǎn)發(fā)路由，并選到與此路由相應(yīng)的輸出電路上進(jìn)行排隊，等待輸出。一旦電路空閑，馬上將報文從外存儲器取出后發(fā)出，這就提高了這條電路的利用率。報文交換雖然提高了電路的利用率，但報文經(jīng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)后會產(chǎn)生較大的時延。分組交換也是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，但與報文交換不同，它是把報文劃分為肯定長度的分組，以分組為單位進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。這就不但具備了報文交換方式提高電路利用率的優(yōu)點，同時克服了時延大的缺點。此方案雖然解決了問題，但是此方案的初期設(shè)計成本以及調(diào)試費用均較高，總體效果并不抱負(fù)。為此，我公司依據(jù)目前無線工控技術(shù)的進(jìn)展動態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備環(huán)境特點，于2022年10月結(jié)合工廠Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶攸c，將無線PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用在水泥廠堆取料機上。

隨著無線藍(lán)牙局域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展的成熟，以及PLC掌握技術(shù)與無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，無線聯(lián)鎖和通訊傳輸方式以其工作牢靠，優(yōu)良的性價比，在工業(yè)掌握領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)也適用于水泥廠堆取料機與工廠自動化掌握系統(tǒng)之間的無線通訊。無線Profibus-DP通訊裝置正是為了滿意此需求而設(shè)計的，該設(shè)備能夠解決水泥廠堆取料機與工廠自動化系統(tǒng)的無線通訊，實現(xiàn)聯(lián)鎖掌握信號的傳輸和交換。無線Profibus-DP通訊技術(shù)在水泥廠堆取料機上應(yīng)用后，取消了原硬接線的一些相關(guān)附屬設(shè)備。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

Profibus-DP通訊是針對數(shù)據(jù)鏈路層和用戶層來說的，其數(shù)據(jù)通訊格式由PROFIBUS基金會規(guī)定，而其物理層則完全采納RS485規(guī)范。這樣的通訊方式完全滿意工廠自動化的掌握網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洹Ｎ覀冞x用的菲尼克斯的Profibus-DP無線通訊套裝模塊實際上是一個能傳輸RS232、RS485、RS422的多功能無線串口通訊模塊。PROFIBUS–DP的DP即DecentralizedPeriphery。它具有高速低成本，用于設(shè)備級掌握系統(tǒng)與分散式I／O的通信。它與PROFIBUS－PA（ProcessAutomation）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）共同組成了PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)。用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必需要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還供應(yīng)智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)。診斷和報警處理。

無線DP通信的方案配置：

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無線DP通訊套裝模塊

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系統(tǒng)圖

4.該系統(tǒng)的特點

該系統(tǒng)使用了跳頻擴頻的技術(shù)FHSS來反抗工業(yè)現(xiàn)場的干擾，且工作在的頻率段2.4GHz,傳輸功率100mW（20dBm），這些特性都使它可在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定工作。

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由于數(shù)據(jù)被分割為特別小的數(shù)據(jù)包，在不同頻率的通道內(nèi)發(fā)送，所以，即使發(fā)生沖突，也可以在很短的時間內(nèi)（微秒）更改放射通道，菲尼克斯的藍(lán)牙設(shè)備采納的ISM2.4G頻段，并在835MHz的范圍內(nèi)均分了79個通道供藍(lán)牙通訊使用（見下圖）。

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（1）傳輸通過電磁波在空間進(jìn)行，削減了耗時以及昂貴的安裝過程；

（2）由于天線的發(fā)散特性，無線電波可以掩蓋室內(nèi)和室外的大片空間，可以將自由移動物體，不受地域影響納入掌握網(wǎng)絡(luò)。電磁通訊解決方案無磨損、耐臟，這意味著在有移動物體的應(yīng)用場合，相對于傳統(tǒng)的滑環(huán)等，無線通訊是免維護的通訊方案。

（3）系統(tǒng)集成了PCS自動掌握、無線通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，將有線和無線、電氣和PLC、PLC與PLC數(shù)據(jù)、原系統(tǒng)和新系統(tǒng)有機的融合成一個整體。聯(lián)鎖掌握的數(shù)據(jù)信號，通過Profibus-DP通訊模塊直接傳輸?shù)絇CS系統(tǒng)，直接簡潔的下掛在工廠的自動化掌握PCS組成掌握網(wǎng)絡(luò)。PLC主要是指數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)的可編程規(guī)律掌握器，用于掌握機械的生產(chǎn)過程。也是公共有限公司、電源線車等的名稱縮寫。PLC=ProgrammableLogicController，可編程規(guī)律掌握器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采納一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行規(guī)律運算，挨次掌握，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面對用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出掌握各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

（4）與一般點對點通訊方式相比，主站只需2套無線收發(fā)設(shè)備（包括冗余），主站與電器設(shè)備之間不用傳統(tǒng)的開關(guān)量硬件連接，直接以通訊方式與原PCS掌握系統(tǒng)連接，節(jié)約繼電器、電纜和PLC的開關(guān)量輸入輸出模板。

（5）采納2.4GHz頻段，無需申請，無需付費。

針對原料場堆取料機數(shù)量大分布集中的特點，選各個堆取料機子站與混勻配料室主站構(gòu)成一對一的無線Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)，以直接尋到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的地址，避開各機之間的相互干擾；針對料場料堆較高，料的導(dǎo)電性強，料場四周PLC掌握系統(tǒng)較多的特點，選特高頻通訊頻段，以削減