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支持冗余功能的Profibus DP主站卡研发及应用

来源:北京赛车自动化仪表股份有限公司 编辑:上仪销售网 发布时间:2014-08-26 文章点击数:1620

PROFIBUS是符合IEC6U58现场总线国际标准的现场总线之一。PROFIBUS现场总线不但能用于离散控制(PLC)系统中,而且也能用于过程控制系统。因而,从技术上来说,它的适用范围非常广,从各种制造业自动化,过程(石化、化工、电站、冶金等)自动化,到轻工、食品、建材、环保等行业自动化,都可应用。PROFIBUS总线标准最早被西门子公司采用,进而先后成为德国标准 和欧洲标准,最终成为国际标准,在欧洲市场占有率超过40%,在美洲、亚洲也有相当大市场占有率。PROFIBUS总线在我国自动化领域中的应用面最广,市场占有率最高,影响也最大,市场占有率为各类总线之首,约为20~30%。

PROFIBUS现场总线通讯协议主要包括PROFIBUS DP和 PROFIBUS PA协议。PROFIBUS DP是高速网络,通讯速率最高可达12Mbps, 一个 PROFIBUS DP总线网络最多可以连接123个从站设备。通讯介质可以是屏蔽双绞线,光纤,也支持红外传输。PROFIBUS PA是低速现场级网络,主要用于连接现场只能仪表,如压力,温度,液位,流量等变送器及其执行机构,可通过总线供电。

火电,水电及核电系统存在可靠性要求高,监控设备和对象多而复杂,实时性要求高等特点,在控制系统中大量采用压力变送器,液位计,温度,酸度,流量,等仪表及气动隔膜阀,电机等设备。通过PROFIBUS DP和PROFIBUS PA 网络能够比较容易地将仪表及执行机构接入到控制系统中,PROFIBUS PA网络通过耦合器或者链接器接入PROFIBUS DP 网络,最终通过PROFIBUS DP主站控制整个PROFIBUS网络通信。从国内外电站控制系统的实例来看,基于PROFIBUS总线的控制系统是最好的选择。

目前基于PROFIBUS总线技术的控制元件的开发,集中在PROFIBUS DP 和 PROFIBUS PA现场仪表及执行器方面,在PROFIBUS DP主站的技术研究及开发方面为少数国外公司所垄断,国内少有成功开发的先例。国内厂家开发 PROFIBUS DP和PROFIBUS PA设备必须挂接在西门子等国外厂商的DP主站下方能工作运行。这些都使得国内在PROFIBUS技术方面的研究与应用始终跟在国外厂商的后面,难以将PROFIBUS总线技术的优势最大程度地发挥出来;同时,PROFIBUS DP主站与上一级控制网络的互联取决于国外厂商提供的现成产品,不利于国内厂商根据自己的应用领域定制PROFIBUS DP主站;第三,采用国外厂商的主站或者是主站模块成本过高,不利于降低工程成本。因此自主开发PROFIBUS DP主站是必要的。

目前工程应用中,迫切需要解决现场总线串行通信的局限性,提高现场总线控制系统的可靠性和可用性,常规的做法就是采用冗余方式构建冗余的现场总线控制网络。通过结合北京赛车自动化仪表股份有限公司的 SUPMAX系列DCS系统的需要自主设计的支持冗余功能的 PROFIBUS DP主站,对掌握PROFIBUS总线核心技术,提高公司的技术实力及产品竟争力是大有裨益的。

一、产品主要技术指标

(1) 支持PROFIBUS DP 1类主站 V0/V1 标准(IEC61158/EN50170);

(2) 具备PROFIBUS DP主站冗余功能;

(3) 支持双口RAM (kbytes)及串行接口接口形式;

(4) 波特率支持:9.6kbps~12 Mbps;

(5) 支持本地组态文件存储,最大容量1Mbytes;

(6) 电磁兼容等级要求:EMC3级。

二、国内外同类产品水平比较分析 

由于PROFIBUS现场总线主要是以德国西门子公司为主导的,同时得到了国际上主要的北京赛车自动化仪表股份有限公司厂商的支持,因此国外的PROFIBUS现场总线技术发展很快,技术也很成熟,工程应用也非常广泛。目前国外PROFIBUS DP主站冗余相关产品的情况如表1。

表 1. 国外 PROFIBUS 主站冗余相关产品


三、设计思想及原理

Profibus DP冗余主要包括:主站冗余、介质冗余及从站冗余三种形式,如下图1所示:


介质冗余:指对Profibus系统中传输介质进行冗余,两条冗余总线同时工作,这样,当一路介质出现问题时,Profibus系统中的各个节点仍然可以通过另一路介质正常通信。

从站冗余:PI 国际标准《Slave Re-dundancy Specification V1.2》规范了Profibus从站冗余的设计准则,按该标准,可以设计出一个标准的 Profibus冗余从站,该冗余从站须满足以下条件:

1) 至少2个Profibus总线接口

2) 2个独立的Profibus从站协议栈

3) 一个在2个协议栈之间进行数据与状态信息交换的冗余通道(RedCom)

主站冗余:主站是整个Profibus总线系统中最关键的部分,主站的稳定性和可靠性是保证整个系统正常运行的关键。由于主站的冗余往往涉及控制系统的架构及具体应用,PI并未给出主站冗余规范,各家系统集成商往往根据各自控制系统的特点,设计不同形式的冗余主站。

根据从站冗余规范,可知主站冗余可分为以下两类:

1) FR冗余:即从站标准中提及的 Flying redundancy,该模式下,总线不冗余,因而主站和从站可以单独冗余。在FR模式下:

a) Primary从站地址必须与Backup从站地址不同;

b) 只需组态Primary从站;

c) 主站不会通过MS0或MS1与Backup从站通信(MS0可用于监控目的)。

2) SR冗余:即从站标准中提及的 System redundancy, 该模式下,总线冗余,因而主站和从站必须全部冗余。在SR模式下:

a) Primary 从站地址可以与 Backup 地址相同;

b) 可以同时组态 Primary 从站及 Backup 从站;

c) 主站仅可以通过MS0(MS1不可)与Backup从站通信;

d) Primary从站的确定可以不通过主站。FR/SR冗余示意如下图1所示:


冗余主站的基本工作原理如下:

在两块单DP主站卡的基础上,增加两卡之间的主/备仲裁互连及冗余通信互连通道,实现冗余通信、故障识别及主/备确定等功能,从而实现冗余功能。

1) 主/备卡都能接收上层DPU的数据请求,但某一时刻,只有主卡才会进行响应,备卡只收不发。

2) 上电随机确定两块单主站卡的主/备角色。

3) 备卡的组态数据由主卡通过冗余通道获得。

四、SUPMAX系列DCS系统PROFIBUS冗余方案

支持冗余功能的 Profibus DP主站卡由以下部件组成:

(1) 单主站卡×2

(2) 冗余背板×2

冗余背板用于实现主卡、备卡之间的数据交换,具体交换的数据如下表2:

 表 2 主/备通信数据


鉴于主/备之间数据交换的独立性,采用全双工的串行通信接口TTL实现冗余通信电路,将主/备卡Uart接口互连,如下图3所示。


主/备仲裁电路用于确定两块 Profibus DP主站卡的主/备角色。

主卡与备卡各设置一套结构完全相同的仲裁电路。这样做的好处是:主卡和备卡的硬件可以完全相同,且不需要在底板上附加额外的电路。只有当主卡无效时才切换到备卡。

冗余背板示意如下图4所示:


冗余DP主站的软件包括以下几部分:

1) 单主站DPV0/V1协议栈(DP接口 )

2) 与DPU背板RS485通信(应用程序)

3) 故障识别、处理及主/备切换(冗余程序)


故障的识别与处理如下表所示: 

表3冗余主站故障识别与处理


上表故障如下图所示


五、PROFIBUS冗余方案的实现

1、逻辑组态

在安装好卡件后,需要进行逻辑组态,将DP网络映射到DCS工程师站组态中,具体流程如下:

1)使用DP卡功能前需要先增加组态,详细的操作流程如下:

(1)启动工程师站(ResMgr);工具栏上资源→新建项目test_more,

新建域Domain01,新建控制器 DPU001,新建进程,新建任务


(2)新建组态,如添加两个ST_MODBUS_INT模块,操作流程如下,图中蓝框中ST_MODBUS_INT模块代表主DP卡(IECSlot0100001),另一ST_MODBUS_INT模块代表备用DP卡(IECSlot0100031),根据实际情况编写逻辑算法:


(3)导入DP卡组态文件(XML,DDB)文件,对于现有的控制器,右键弹出菜单选择“导入Profibus-dp”,选择对应的DP组态文件(XML)。设置DP主站卡地址。

(4)成功导入后在左侧的树型列表中就显示出导入的DP卡!


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