毕业设计（论文）-基于PROFIBUS总线水泥出厂系统的设计与实现.doc

基于PROFIBUS总线水泥出厂系统的设计与实现摘要本论文选题是根据水泥的包装和销售环节存在较大的问题：（1）包装设备由人工控制，独立运行，没有并入全厂设备的集中控制和统一监控，生产数据仍然采用落后的人工抄报形式，这种直接的数据控制方式没有和主控设备控制联系在一起，形成了一个相对封闭的“信息孤岛”。（2）销售管理采用的仍然是传统的方式，销售单据沿用传统的人工记录方式，产销双方信息不通畅，导致销售业务的办理效率低、数据错误率高、管理水平落后。（3）水泥包装出厂，全程包装计量由包装操作人员一手包办，包装员根据销售部门开单的数量进行包装、点包和装车，且水泥包装中常常需要对破损包补包，而补包数量也是由包装员掌控，整个水泥包装环节缺乏有效的监督，存在很大的管理漏洞。为了有效解决上述问题，本论文主要内容有：组建包装车间监控子网，改进控制方式；实现自动点包功能；能够对包装情况进行实时监控；开发设计水泥销售管理系统，用户能快速地了解企业现有水泥产量、已有订单、出库单和收款信息。本论文根据万年青水泥有限公司现场包装车的包装水泥销售方式，提出完成了对水泥销售开单和计量包装、点包等几个环节进行综合管理控制的研究设计方案，分别完成了对水泥销售管理系统和计量包装过程控制系统的设计，并将销售管理系统和计量包装过程控制系统结合在一起，形成两级管理控制系统。论文选用PROFIBUS-DP现场总线构建车间级监控网络系统，用包装机原有PLC（S7-200）兼作包装线所有设备的控制主机；采用C/S（客户机/服务器）模式设计销售管理系统,充分应用数据库技术和面向对象程序设计方法顺利完成系统开发任务；通过网络数据通讯，提取记录现场数据，并设计了现场监控界面。系统投入使用后，大大提高了水泥计量包装的自动化控制程度，减轻操作人员劳动强度和难度，工作效率大大提高，降低了销售成本，提高了企业效益，改善了企业形象。该项目所解决的问题有很强的针对性，具有很高的推广价值。关键词：水泥包装；销售管理系统；现场总线ABSTRACTThe selected topic of this dissertation from the cooperation program of technological transformation by Jiangxi environment engineering vocational college and Jiangxi Wan nianqing Cement limited company under my participating .The company has big problems by the following in the packaging and the sale.(1)The packing equipments operate independently by manual manipuation without being covered by concentrated control and uniform supervision of the whole equipments .The production data still adopts the backward form of “man coping the figure” .The control method should belong to directly digital control, featuring lack of connection with the main control equipment ,becoming a “isolated island of information ”with relative closure.(2)The sales management is also controlled by the traditional way, the sales documents still use the traditional methods of artificial record. The production department and sales department are lack of communication, resulting in low efficiency in the transaction of sales business, high erroneous rate of data, and benighted management.(3)The pack aging is entirely controlled by packaging personnel, who embark on packaging, counting and boarding in accordance with low efficiency in the transaction of sales business, higher one us rate of data, and benighted management.Very obviously, these phenomena do not meet the requirements of level of high management level and high office efficiency application of modern enterprises. These all require computer control system for inform atization management and monitoring.To effectively settle the above-mentioned problems, the paper focuses on following major points: set up supervision and control net work in the packaging workshop, improve the control method, realize the automaticlly counting the package. The user can look for the existing cement production, orders, delivery order and credit note of the company quickly.According to the sales method of packaging cement spot packing and spot boarding of Wan nianqing Cement limited company. The thesis put forward the research design project on the comprehensive management control over such sections as the opening sale invoice, calculation and measuring pack aging, counting. Therefore, realize IV the design of cement sales management system and calculation packaging control system. Combing the two systems together to form management control system at twvlevels . The dissertation uses PROFIBUS-DP Field Bus to construct the monitoring and control network system of the workshop level: with the original packaging machine PLC(S7-200)as control console for all equipment of the packaging line; using C/S mode design the sales management systems, and full use database technology and the Object-oriented program design methods to complete the system development tasks successful; through the network data communications, extract and record the data of the scene, and designed a monitoring interface for the scene.After the program put into use, it greatly improve the automatic control over cement calculation and measuring packaging, alleviate labor intensity and difficulty of operators. Especially the use of cement sales management system, standrdizes the cement sales management, make the sales transaction operation, data statistic analysis and making reports easily and faster, enchance efficiency, reduce the sales cost, increase the enterprise returms, improve the enterprise profile. The program has great value deserving extensive adoption due to its straight aiming at the existing problems. Keywords: cement packing; sale management system ; fieldbus PLC control 目录摘要IABSTRACTII第1章引言31.1研究背景与研究意义31.1.1研究背景31.1.2研究意义31.2国内同类项目的研究现状和发展31.2.1水泥生产自动化及包装技术的现状和发展31.2.2计算机控制技术及发展趋势31.2.3计算机控制系统工作原理31.2.4计算机控制技术31.2.5计算机控制系统的发展趋势331.2.6企业计算机信息管理发展现状3第 2 章 现场总线技术32.1 现场总线介绍32.1.1 概述32.1.2 现场总线的结构特点32.1.3 现场总线的技术特点32.2.1 PROFIBUS 现场总线构成32.2.2 PROFIBUS 协议结构32.2.3 Profibus 传输技术32.3 Profibus-DP32.3.1 PROFIBUS-DP 基本功能32.3.2 电子设备数据文件（GSD）32.3.3 PROFIBUS-DP 行规32.4 本章小结3第 3 章 控制系统需求分析33.1 包装车间计算机网络控制系统需求分析33.2 销售管理系统需求分析33.2.1 销售管理系统现状33.2.2 销售管理系统需求分析33.3 水泥包装监控系统需求分析3第 4 章 控制系统设计与实现34.1 包装车间计算机网络控制系统的设计与实现34.1.1 系统结构34.1.2 系统设计34.1.3 自动点包功能设计34.2 销售管理系统的设计与实现34.2.1 系统菜单设计34.2.2 销售业务模块介绍34.2.3 销售管理系统功能设计34.3 水泥包装监控系统的设计与实现34.3.1 监控系统设计思路该系统控制思路34.3.2 监控系统设计技术介绍34.3.3 WINCC 与 PLC 的通信实现34.3.4 监控系统功能实现3结论3致 谢3参考文献347第1章引言水泥是混凝土最重要的原材料，建筑行业必不可少的建筑材料。在我国城镇化趋势没有完全改变以前，水泥需求将依然保持高增长态势。尤其是在2008年11月国家提出四万亿拉动内需计划及扩大内需十条政策，这些政策主要集中在民生工程、基础设施、生态环境和灾后重建等建设方面，水泥需求量无疑会持续增长，水泥工业也有望保持平稳增长。然而，水泥生产行业需要消耗大量资源，并会带来环境污染，因此，我国严格控制水泥的生产许可，工艺技术落后和生产设备陈旧的一些水泥厂将逐步遭到淘汰和关闭。为此各水泥生产企业都十分注重生产技术和设备的更新和改造。在水泥生产中，对直接影响水泥生产质量的工业设备及其控制方法方面的研究已开展得非常广泛也日趋成熟，而作为水泥生产工艺中必不可少的计量包装，对如何提高其自动化控制程度，如何使用现代化控制手段进行科学管理等方面的研究相对较少。事实上，水泥包装计量的精度和自动化程度的提高，销售的科学管理，对减少工人劳动强度、提高工作效率、降低水泥销售损耗、提高经济效益能起到立竿见影的作用。1.1研究背景与研究意义1.1.1研究背景本论文选题是由笔者参与承接的江西环境工程职业学院与江西万年青水泥有限公司的技术改造合作项目。江西万年青水泥有限公司由始建于1958年的江西水泥厂作为独家发起人，于1997年9月2日创立的江西省建材行业首家上市公司，是全国最早采用新型干法旋窖水泥生产的企业之一。公司已拥有万年、玉山、瑞金、于都、乐平等5个熟料生产基地及多个粉磨站，具备年产规模达1700万吨旋窖水泥的生产能力；另有6#窑项目正在建设中。公司使用现金的生产工艺和生产设备，采用德国西门子公司DCS系统集散控制系统，对主要生产环节进行全过程自动化监控，保障了水泥生产的质量和产量，2通过几年运行和做充分调研分析，公司发现在水泥包装和水泥销售管理环节还存在以下不足，急需进行技术改造和革新：1、包装设备都是独立运行，没有并入全厂设备的集中控制和统一监控，生产数据依然采用落后的人工抄报形式，包装设备控制没有和主控设备控制联系在一起，仍然属于直接数字控制方式，相对整个水泥生产线而言成了一个封闭的“信息孤岛”，这种控制方式已明显不适合现代企业的现代化和信息化管理的需求。2、本企业销售管理还没有建立计算机管理信息系统，还是采用传统的人力管理，产销部门的数据管理不同步，导致办公效率低、数据错误率高，严重制约管理水平的提高。3、水泥包装出厂，全程仅由包装操作人员一手包办，包装员根据销售部门开单的数量进行包装、点包和装车，且水泥包装中常常需要对破损包补包，而补包数量也是由包装员掌控，因此整个水泥包装出厂环节缺乏有效的监督，存在很大的管理漏洞。1.1.2研究意义随着我国全球化程度日益加深，我国与西方经济发达国家的经济往来越来越大，也从发达国家中学到很多高贵的经验。发达国家的实践经验表明，虽然以信息化带动工业化需增加30%的投资，但却可以有效地提高产品档次和质量、改善生产环境、降低能源和原材料消耗，从而增加85%的经济效益。自此，为了提高我国国民经济，促进我们产业结构从粗放型到集约型的转型，党中央和国务院极为重视企业信息化。在中华人民共和国国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中更是明确提出要“加速企业生产、经营管理的信息化进程”。随后出台了国民经济和社会信息化专项规划。2002年，国家经贸委印发实施了关于高新技术和先进适用技术提升传统产业的实施意见(国经贸技术【2002247号)，明确指出要把在建材行业推广应用信息技术改造提升传统产业作为重点工作来抓。“原料自动配料技术、产品生产与销售全过程信息化控制管理系统”便是其中的重点之一。在政策的大力推动下，我国企业信息化进程得到极大的发展，关于企业信息化的研究也屡有建树。正是在这一大背景下笔者开始关注企业的信息化管理。同时，从上述万年青水泥有限公司中存在的问题来看，只有解决了这些问题，才能提高公司水泥包装线的自动化控制程度，减轻操作人员劳动强度和难度，在水泥销售环节上通过计3算机管理来实现，提高销售业务的工作效率，规范销售管理。而要想将这些问题顺利解决，进行有针对性的技术改造对该公司而言是非常必要也是非常重要的。而且，万年青水泥有限公司在包装和销售管理存在的技术问题，在目前国内大部分水泥生产企业中也同样存在，因此，对改进该技术问题的研究，对提高我国水泥厂的包装控制技术和销售科学管理水平，可起到一定的指导意义。结合本项目的特点，该论文研究的内容主要是：组建包装车间监控子网，改进控制方式；实现自动点包功能；能够对包装情况进行实时监控；开发设计水泥销售管理系统，并能对水泥包装数量的设定进行控制，读取并记录包装现场数据。1.2国内同类项目的研究现状和发展借助计算机监控，可以对在水泥生产过程起到全过程监控的作用。计算机监控可以减少生产管理人员的投入，从而起到降低人工成本的作用；计算机监控可以实现生产过程全过程监控，大大提高了控制质量，对质量问题分析也大有助益；通过计算机的全过程监控，可观察分析出生产过程中的不合理因素和不必要工作，促进降低能耗、改进工艺等，有助于产业结构优化；计算机监控还能约束作业人员行为，提高劳动生产率。而且，现代新型水泥生产线工艺复杂，生产连续性强，只有通过先进的计算机控制系统才能准确地监控设备的运行状况，及时地调整工艺参数的变动，才能促进水泥生产的稳定协调和优化，保证整个系统的高效运转。同时，先进的水泥生产管理，也要求有可靠地计算机监控系统和完善的控制技术，以适应当前激烈的市场竞争的需要。1.2.1水泥生产自动化及包装技术的现状和发展水泥生产的自动化控制始于20世纪40年代。随着水泥生产工艺技术的改进，水泥工业生产控制水平不断提高，由过去传统的控制方式逐步转变为现代的水泥生产线自动化。现代水泥工业自动化的核心是计算机控制技术，它是计算机技术、网络技术和传统的自动化相结合的产物。包装系统是水泥生产工艺线上的最后一个重要环节，目前，大部分水泥厂使用的包装机具有微机控制和自动计量的功能，类型主要分为固定式和旋转式两种，按包装机设计的出料包装口个数可分为单嘴和多嘴两种，旋转式包装机最多可设计为十四嘴。但是，在水泥生产工艺设计时，4包装工艺线一般都是独立运行，由包装工操作控制，不参与集中控制和统一监控，生产数据依然采用落后的人工抄报形式，因此针对整个水泥生产线威严，这种包装机控制方式当属于直接数字控制方式，其特征就是没有和主控设备联系，成了一个相对封闭的“信息孤岛”，这种控制方式已明显不适合现代企业的现代化合信息化管理的需求。因此，为了提高水泥厂自动化管理水平、方便决策、提高生产效率，使用现今的计算机控制技术，把全场生产设备运行情况内如集中管理是以后水泥自动化控制技术发展的主要模式。另外，为了推行企业信息化管理，建立企业信息管理系统（MIS）也是现代水泥生产企业管理模式的发展方向，因此，水泥生产自动化系统的设计是自动化控制理论、计算机控制技术、网络通讯技术和数据库技术的综合应用。1.2.2计算机控制技术及发展趋势计算机控制系统利用计算机的硬件和软件代替自动控制系统的控制器，它以自动控制理论、计算机技术和检测技术等为基础。计算机控制系统由两个基本部分组成，即硬件和软件。硬件指计算机本身及其外部设备，软件则是指管理计算机的程序及生产过程应用程序。计算机控制系统的构成如图1.1所示。图1.1计算机系统的构成1.2.3计算机控制系统工作原理计算机控制过程可归结为如下4个步骤：(1)实时数据采整：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入。(2)实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按巳定的控制规律决定将要采取的控制行为。(3)实时控制输出：根据控制决策适时地对执行机构发出控制信号，完成按制任务。(4)信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理。1.2.4计算机控制技术计算机控制系统按照系统的功能、工作特点可分为操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、分布式计算机控制系统和计算机集成制造系统等。前三种控制方式已很难适应现代企业生产管理对控制系统在网络化、信息化合快速性、安全性等方面的综合要求，在目前和将来一段时间，集散控制系统和现场总线控制系统将成为计算机控制系统的主要控制方式。（1）操作指导控制系统（OIS）操作指导控制系统指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据。该系统需要操作人员根据这些数据进行必要的操作。（2）直接数字控制系统（DDC）直接数字控制系统中，计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。（3）监督计算机控制系统（SCC）在监督计算机控制系统中，计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。（4）集散控制系统（DCS）集散控制系统就是企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，实现分散控制、集中管理的系统。这种系统每一级都有自己的功能，基本上是独立的，但级与级之间或同级的计算机之间又有一定的联系，相互之间实现通信。DCS综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、6分级管理、配置灵活以及组态方便。在DCS系统中一般设决策管理层、生产管理层、操作监控层和直接控制层等层级。DCS集散控制系统现已发展得相当成熟，可满足工业生产过程所要求的稳定性、可靠性，目前我国许多大中型水泥厂的计算机控制都采用DCS系统来实现。不过，集散控制系统虽然以自身杰出的特点大大地吸引了众多的水泥企业，但其昂贵的硬件费用、软件开发费和跳读费（国外报价），也令诸多水泥生产企业望却步。即使应用软件由国内自行编制，其硬件费用一般用户仍然难以承受，高昂的费用是计算机控制系统在水泥生产企业大力推广应用的阻力，而研究如何降低费用就成为了需要攻克的难题之一。（5）现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统的核心是现场总线。现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。它可以把来自不同厂商而遵循同一协议规范的现场仪表、传感器、执行器和其他自动化设备，通过现场总线为网络连接成系统，实现综合自动化控制功能，同时把DCS几种与分散相集合的集散系统结构变成了新型的全分布式结构，把控制功能彻底下方到现场，由现场智能仪表本身来实现基本控制功能，如PID等。FCS改进了现场仪表设备和控制器间的数据通讯和连接方式：传统方式现场级设备与控制器之间连接采用一对一所谓I/0界限方式传递4-20mA信号，而现场总线是采用数字式通信方式取代设备级的4-20mA或24VDC信号，使用一根电缆连接所有现场设备。现场总线控制系统代表了一种新的控制观念现场控制。它的出现对DCS作了很大的变革。主要表现在：信号传输实现了全数字化，从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连；系统结构采用全分散化，废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之；现场设备具有互操作性，改变了DCS控制层的封闭性和专用性，不同厂家的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态；通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享；适时性更强。现场总线控制系统（FCS）可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从集散控制系统(DCS)的每秒2-5次，提高到现场总线控制系统（FCS）的每秒10-20次，从而改善调节性能；将降低系统投资成本和减少运行费用，仅系统布线、安装和维修费用可比现有系统减少约2/3，节约电缆导线约1/3。基于以上优点，在生产过程控制领域，现场总线控制方式是目前设计计算机7控制系统的首选结构。目前，现场总线控制系统在水泥生产线的过程中已经有了一定的应用，而随着现场总线技术的不断发展和完善，信息技术与网络技术的普及，将会有越来越多的水泥生产企业采用现场总线控制系统。1.2.5计算机控制系统的发展趋势3计算机控制技术的发展与信息化、数字化、智能化和网络化的技术潮流相关，与微电子技术、控制技术、计算机技术、网络与通信技术和显示技术的发展密切相关，互为因果互相补充和促进；各种自动化手段相互借鉴，相互渗透和融合，使彼此之间的界限越来越模糊。各种控制系统各有特色，各有适宜的应用领域，但融合与集成是大势所趋，势不可挡。计算机控制发展的趋势主要集中在如下几个方面：综合化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化。1.2.6企业计算机信息管理发展现状市场机制体制下，水泥生产企业间的实力相当，企业与客户之间的交易是双向自由选择，也因此一家企业要战胜其他同水平企业脱颖而出，除了要有产品质量保证外，还要通过内部管理降低成本，外部市场信息快且准地掌握客户需要，这些都需要通过占有大量信息并经过分析才能得到。然而信息的获取和分析都费时费力，要想在有限的时间内完成该项工作，就必须要借助计算机系统来进行信息管理。故此可以说，信息化管理对企业的生产、营销、决策起着非常重要的作用。也因此，现在企业都非常重视建立各种管理信息系统（MIS）来快速、准确、方便地了解企业内外的各种信息。而随着计算机技术和网络技术的发展，各种管理信息系统的开发变得更加方便，设计功能更加强大。从20世纪60年代开始，计算机应用开始进入企业管理领域，因而计算机信息系统便应运而生。计算机信息系统是由人、计算机及管理规则组成的能进行管理信息的收集、传送、存储、加工、维护和使用的系统。管理信息系统(MIS)是一个服务于管理领域的信息系统，人们利用它对信息进行收集、转换、加工，并利用信息进行预测、控制、辅助企业的管理。因此需要新一代管理信息系统，该系统称为企业资源计划（ERP），对供应链上的所有环节产供销进行有效管理。计算机管理信息系统的设计很大一部分是数据库应用系统的设计，目前，应用程序的开发基本都采用面向对象编程方式，常用于开发数据应用程序的编程软件由Visual Basic、Visual FoxPro、Power Builed等，这些编程软件使用简单，设计界面直观。至于具体的数据库类型和开发平台，要根据系统具体需要而定。因此，根据课题所涉及的上述主要技术发展现状和江西万年青水泥厂目前水泥包装工艺特点和销售方式，本课题在设计思路上，提出将销售开单和计量包装、点包等几个环节综合管理控制的设计方案，分别完成对水泥销售管理系统和计量包装过程控制系统的设计，并将销售管理系统和计量包装过程控制系统结合在一起，形成两级管理控制系统。在技术上，选用PROFIBUS-DP现场总线构建车间级监控网络系统，用包装机原有PLC（S7-200）兼做包装线所有设备的控制主机：采用C/S（客户机/服务器）模式设计销售管理系统，充分应用数据库技术和面向对象程序设计方法来完成系统开发任务；使用现场总线和PLC组态技术实现网络数据通讯。第 2 章 现场总线技术由于本项目是基于现场总线的控制系统来组建包装车间设备计算机控制网络，现场总线作为一种技术手段，我们有必要了解与其有关的一些关键内容，才能成功完成控制系统的设计，也更好的运转该完工的控制系统。2.1 现场总线介绍2.1.1 概述(1)现场总线的产生现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。(2)现场总线的概念现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络(3)现场总线技术产生的意义传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的 420mA/24VDC 信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。而现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替 420mA/24VDC 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。因此，现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。基于现场总线的自动化控制采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工业信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在 CIMS 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。(4)现场总线控制系统现场总线控制系统采用了基于公开化、标准化的开放式解决方案，实现了真正的全分布式结构，将控制功能下放到现场，使控制系统更加趋向与分布化、扁平化、网络化、集成化和智能化。2.1.2 现场总线的结构特点现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统的模拟控制系统采用的是一对一的设备连接，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。现场总线控制系统能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如 DCS）结构对比如图示 2.1 所示。采用数字信号代替模拟信号，因而可能实现一对电线上传输多个信号，如运行参数值、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要 A/D，D/A 转换器件。这样就为简化系统结构、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。2.1.3 现场总线的技术特点现场总线在技术上主要具有以下特点：（1）系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去。用户可按照自己的需要和考虑，把来处不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。（2）具有互可操作性与互用性互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换。（3）使现场设备具有智能化与功能自治性所谓智能化与功能自治性就是将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠监控设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。（4）系统结构的高度分散性全分散性控制系统的现场总线体系结构，简化了系统结构，提高了可靠性。（5）对现场环境的强适应性工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的撕抗干扰能力。能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。（6）系统成本低、性能高2.2.1 PROFIBUS 现场总线构成PROFIBUS 由三个兼容部分组成，即 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery )、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification )。（1）PROFIBUS-DP：用于传感器和执行器级高速数据传输，一般构成主单站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备（如 I/O、驱动器等）进行通信。（2）PROFIBUS-PA：是 PROFIBUS 过程自动化解决方案，PA 将自动化系统和过程控制系统与现场设备等连接起来，代替了 420mA 模拟信号传输技术，大大提高了系统功能和安全可靠性，实现了 IEC1158-2 规定的通信规程。（3）PROFIBUS-FMS：它的设计旨在解决车间一级通用性通信任务，FMS 提供大量的通信服务，用以完成中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。2.2.2 PROFIBUS 协议结构PROFIBUS 协议结构是根据 ISO7498 国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystenm Interconnection-OSI）作为参考模型的，定义了物理传输特性，总线存取协议和应用功能。该模型共有七层，如下图 2.2 所示。(1) PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP 设备的设备行为。(2) PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线规范(FieldbusMessage Specification-FMS )和低层接口（Lower Layer Interface-LLI）。FMS 包括了应用协议并向用户了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI 协议不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。(3) PROFIBUS-PA：PA 的数据传输采用扩展的 Profibus-DP 协议。另外，PA 还描述了现场设备行为的 PA 行规。PROFIBUS 的 DP、FMS 和 PA 均使用单一的总线存取协议，通过 OSI 参考模型的第 2 层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在 PROFIBUS中，第 2 层称之为现场总线数据链路（FKL）。介质存取控制（MAC）具体控制数据传输的程序，MAC 必须确保在任何时刻只能有一个站发送数据。PROFIBUS 总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站之间的主从方式。令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权（令牌），令牌是一特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的，在 PROFIBUS中，令牌只在各主站之间通信时使用。主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发布或索取信息，通过这种方法有可实现下列系统配置：纯主从系统、纯主系统（带令牌传递）、混合系统。2.2.3 Profibus 传输技术(1) Profibus 传输技术类型现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑一些总的要求（传输可靠，传输距离和高速）又要考虑一些简便而又费用不大的机电因素。当涉及过程自动化时，数据和电源的传送必须在同一根电缆上。由于单一的传输技术不可能满足所有的要求，因此 PROFIBUS 提供以下三种类型：DP 和 FMS RS485 传输；光纤（FO）传输。RS485 是 PROFIBUS 最常用的一种方法，通常称为 H2，采用屏蔽双绞铜线电缆，共用一根导线对。适用于需要高速传输和设施简单而又便宜的各个领域。RS485操作容易，总线结构允许增加或减少站点，分步投入不会影响到其他站点的操作。传输速度可选用 9.6kbps12Mbps,一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速度。RS-485 传输技术基本特征网络拓扑：线性总线，两端有电源的总线终端电阻。传输速率：9.6Kbit/s12M bit/s介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（）。站点数：每分段 32 个站（不带中继），可多到 127 个站（带中继）。插头连接：最好使用 9 针 D 型插头。 RS-485 传输设备安装要点全部设备均与总线连接。每个分段上最多可接 32 个站（从主站或从站）。每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。见图 2.3 所示。当分段超过 32 个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过 3 个。见图 2.4 所示：2.3 Profibus-DPPROFIBUS-DP 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出输出信息。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 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。2.3.1 PROFIBUS-DP 基本功能（1）主要功能1）传输技术：RS-485 双绞线、双线电缆或光缆。波特率从 9.6Kbit/s 到 12Mbit/s。2）总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送。支持单主或多间系统。总线上最多站点（主-从设备）数为 126。3）通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。4）运行模式：运行、清除、停止。5）同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步：锁定模式：输入同步。6）功能：DP 主站和 DP 从站间的循环用户数据传送、各 DP 从站的动态激活和可激活、DP 从站组态的检查、强大的诊断功能、三级诊断信息、输入或输出的同步、通过总线给 DP 从站赋予地址、通过总线对 DP 主站(DPM1)进行配置、每 DP从站的输入和输出数据最大为 246 字节。7）可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离 HD=4 进行、DP 从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）、对 DP 从站的输入/输出进行存取保护、DP 主站上带可变定时器的用户数据传送监视。8）设备类型：第二类 DP 主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备；第一类 DP 主站（DPM1）是中央可编程序控制器，如 PLC、PC 等；DP 从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。（2）PROFIBUS-DP 系统配置和设备类PROFIBUS-DP 允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接 126个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个 PROFIBUS-DP 系统可包括以下五种不同类型设备：1）一级 DP 主站（DPM1）：一级 DP 主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如 DP 从站）交换信息。典型的 DPM1 如 PLC 或 PC。2）二级 DP 主站（DPM2）：二级 DP 主站是编程器、组态设备或操作面板，在 DP 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。3）DP 从站：DP 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O 设备、驱动器、HMI、阀门等）。4）单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。5）多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个 DPM1、指定的若干从站及可能的 DPM2 设备。任何一个主站均可读取 DP 从站的输入/输出映象，但只有一个 DP 主站允许对 DP从站写入数据。（3）系统行为系统行为主要取决于 DPM1 的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态：停止：在这种状态下，DPM1 和 DP 从站之间没有数据传输。清除：在这种状态下，DPM1 读取 DP 从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。运行：在这种状态下，DPM1 处于数据传输阶段，循环数据通信时，DPM1 从DP 从站读取输入信息并向从站写入输出信息。1) DPM1 设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的 DP 从站。如图 2.5 所示。2） 如果在 DPM1 的数据传输阶段中发生错误，DPM1 将所有有关的 DP 从站的输出数据立即转入清除状态，而 DP 从站将不在发送用户数据。在此之后，DPM1转入清除状态。(4) DPM1 和 DP 从站间的循环数据传输DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输时由DPM1按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对 DP 从站和 DPM1 的关系作出规定，确定哪些 DP 从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。DPM1 和 DP 从站间的数据传送分三个阶段：参数设定、组态、数据交换。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从 DPM1 接受到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，DP 从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式、长度以及输入输出数量必须与实际组态一致。(5)DPM1 和系统组态设备间循环数据传输除主-从功能外，PROFIBUS-DP 允许主-主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。(6)同步和锁定模式除 DPM1 设备自动执行的用户数据循环传输外，DP 主站设备也可向单独的主站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开 DP 从站同步及锁定模式，用于 DP 从站的事件控制同步。主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编制的从站输出数据锁定在当前状态下。用户