基于搅拌站的沥青发泡功能模块的通讯模式

程海鹰　闫鸿鹏

摘 要：基于现有沥青搅拌站的控制系统设计了沥青发泡功能模块的通讯模式，通过对沥青搅拌站现场通讯协议的研究，分析了Profibus通讯协议中Profibus-DP协议的优良特性，提出了沥青发泡控制系统模块化选择Profibus现场总线协议的合理性，实现了沥青发泡模块和搅拌站的电控衔接，有利于实现沥青发泡技术的广泛应用。

关键词：沥青发泡；沥青搅拌站；Profibus通讯协议；Profibus-DP协议

中图分类号：U415.5 文献标志码：B

0 引 言

随着国内车辆载荷的不断加重，大部分沥青路面提早进入维修期。传统的路面维修方法是加铺和翻挖重建，不仅维修成本很高，而且会造成资源浪费。为了解决这个难题，泡沫沥青再生技术应运而生。泡沫沥青再生技术就是把旧的路面铣刨、回收，加入部分新骨料和细集料，并按照一定比例加入泡沫沥青和水，在搅拌仓内拌和均匀，再重新摊铺成路面。德国的WLB-10和WLB-10S发泡机以及中交西筑和长安大学共同研发的FB100沥青发泡机是目前较为成熟的沥青发泡设备。如果能够把这些沥青发泡功能模块架设到沥青搅拌站上，必将给筑路工艺带来新的变革。实现这种设想必须将沥青泡沫制备器控制系统的通讯模式和搅拌站的通讯模式相互衔接，进而把沥青发泡功能做成模块化，以方便工程应用。

1 沥青搅拌站的工艺变革

原有沥青搅拌站的工艺流程是把新的粉料、骨料和沥青经过处理后计量，然后在搅拌仓内搅拌得到成品[1]，其工艺流程如图1所示。

把沥青发泡设备架设到沥青搅拌站上，将会在原有工艺流程的基础上把铣刨处理后的旧料、发泡沥青和水按配比在搅拌仓内进行拌和。沥青发泡主要是让热的沥青、水和空气在发泡腔里相遇，发生热交换。在短时间内，从发泡腔喷射出膨胀的泡沫沥青，然后加入泡沫沥青外掺剂，在搅拌仓内搅拌，使骨料、细料、铣刨处理后的旧料相互粘结在一起。架设沥青发泡设备后的工艺流程如图2所示。

2 沥青搅拌站现场通讯协议

目前，比较常见的现场总线协议有Profibus、CAN、FF、HART等[2]，选择何种现场总线作为沥青发泡功能模块的通信协议，应从以下几方面考虑。

如果想把沥青发泡控制系统功能模块和沥青搅拌站控制系统结合起来，就必须了解市场上经常使用的沥青搅拌站控制系统的现场总线协议。现场总线就是通过物理连接把控制系统的各种测量仪表、智能控制阀统一连接到一个网络中，使它们能够进行实时的信息沟通。部分沥青搅拌站控制系统的构成见表1。

Profibus是一种最快的现场协议，具有开放的特性，可以使用在控制领域物理层、数据联络层和应用层。Profibus和其他现场协议互联的具体解决方案为：现场仪器、仪表和设备通过Profibus@总线桥技术，将RS232/485、CAN等接入Profibus网路中。Profibus主站网关可以为分布式控制系统，将Profibus从站设备通过第三方网络接入控制系统。Profibus从站网关将Profibus网络和其他网络相互连接，网关主站在Profibus视为从站，在第三方网络中视第三方通讯协议具体而定[3]。根据Profibus本身的优点和现在沥青搅拌站的控制系统特点，沥青发泡功能模块选择Profibus现场通讯协议。

2.1 Profibus通讯

Profibus是现场总线家族中的重要成员之一，在欧洲工业控制领域得到广泛的认同和应用，同时也是国际通用标准之一。硬件组态方便快捷，再加上西门子DP总线模块化、开放性都比较成熟，工作性能稳定，Profibus必将成为分布式工业控制领域的重要成员。Profibus的家族有三大部分：现场总线报文形式（Profibus-FMS）、分布式外围设备（Profibus-DP）和过程自动化（Profibus-PA），它们为解决各种规模的工业控制系统提供了广阔的平台，其中Profibus-DP的优良特性不断提高，市场占到Profibus中的很大比例。Profibus现场总线可以和CAN、工业以太网组成工业控制网络，而且可以在工厂级、车间级、现场级组建，用户可以根据自己的需要选择不同的硬件组建不同规模的网络。Profibus网络拓扑结构如图3所示。

图3 Profibus网络拓扑结构

2.2 Profibus-DP协议

Profibus-DP在ISO/OSI中仅使用了第1、2层，3～7层未使用，这种设置保证了数据传输和小的系统开销，如表2所示。

Profibus的物理传输介质主要有屏蔽双绞线、光纤和无线传输介质。Profibus符合RS485标准，每个站点最多可以连接32个站点，如果超出32个站点，需添加中继器。Profibus的传输速率可以在96 kb·s-1～1.2 Mkb·s-1之间选择。在Profibus-DP系统中主要有三类站点：第一类站点扮演的角色是控制系统的通信和管理系统中的设备；第二类站点的主要任务是完成数据组态和数据诊断，其次是对各个站点的数据进行读写、监视、故障诊断；第三类站点主要是由现场工业设备从站组成，实时完成参数改变和数据交换。Profibus-DP的数据帧由11位构成：1个开始位、8个数据位、1个校检位和1个停止位。UART数据格式如表3所示[4]，Profibus-DP通讯时的数据格式如表4所示。

表3 Profibus-DP数据帧

0b1b2b3b4b5b6b7b8p1

表4 Profibus-DP通讯信息格式

SDLELErSDrDASAFCDUFCSED

其中，SD为报头，LE为数据长度，LEr为重复LE，SDr为重复SD，DA为目的地址，SA为源地址，FC表示功能码，FCS表示帧校验序列，ED表示报尾，DU为用户数据。根据DU的不同，可以分为：改变从站地址报文、诊断请求相应报文、参数设置及相应报文、组态请求相应报文、数据交换请求及相应报文、全局控制报文。endprint

Profibus现场协议的优良特性为沥青发泡控制系统的设计带来新的思路，能够让沥青发泡控制系统模块化，便于沥青发泡设备架设到沥青搅拌站上，使沥青发泡技术得到广泛的应用。

3 沥青发泡控制系统硬件的构成

在设计沥青发泡控制系统结构时，选用的硬件有工控机、西门子S7-300PLC、变送器、变频器、HMI[5]。泡沫沥青制备器硬件组成如图4所示。

图4 沥青发泡控制系统的硬件组成

（1） PLC带有Profibus-DP接口通信模块的S7-300系列的CPU235-2DP，订单号为6ES7 315-2EG10-OABO。

（2） 上位机主要起中间枢纽作用，连接沥青搅拌站的各个控制模块交换数据和协同工作的角色。

（3） 西门子MM440变频器带有Profibus-DP的通讯接口，通过现场实时的监视和改变变频器的运行参数，很好地实现改变沥青泵和发泡水的流量、压力，提高发泡质量。

（4） HMI安装有WINCC的人机交互界面，可以实时观察、记录各种重要的数据[6]。

4 结 语

沥青发泡设备选择Profibus现场总线协议是一种经济、合理的选择。这样可以使沥青发泡控制系统模块化，方便沥青发泡模块和沥青搅拌站的衔接，从而实现沥青发泡技术的广泛应用。

参考文献：

[1] 王秀林.厂拌泡沫沥青冷再生施工简介[J].交通世界，2014（10）：86-87.

[2] 魏 彬，刘会娟.沥青混凝土搅拌设备的三种电控系统[J].工程机械与维修，2013（4）：207-208.

[3] 潘巍伟.基于PROFIBUS-DP从站现场总线多协议转换网关研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.

[4] 钟 武.基于PROFIBUS现场总线的多种现场总线的接入和共存策略[D].北京：北京邮电大学，2011.

[5] 刘华波，何文雪，王雪.西门子S7-300/400PLC编程与应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6] 宋 超，申 飞，沈春山.基于S7-300PLC与WINCC的DCS控制实验系统设计[J].自动化与仪器仪表，2009（4）：11-14

[责任编辑：王玉玲]endprint