毕业设计（论文）-基于PROFIBUS现场总线技术的交流变频电驱动钻机的全集成控制系统.doc

北华大学毕业设计（论文）摘 要随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业控制系统不断发生变革。与此同时，作为控制系统的重要组成部分工业通信网络，也不断地向前发展。企业综合自动化技术，以管理与控制一体化为目标，要求有更多的信息参与到工厂管理中去，信息交换领域覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场。现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系，促使以工业控制网络为基础的企业综合自动化系统逐步形成。信息网络技术的迅猛发展和相关技术的成熟，对石油钻机的控制产生了巨大的冲击。石油钻机的控制系统从传统的继电控制回路发展到了控制网络、信息网络一体化的控制系统。本课题将立足国际钻井市场，研究设计出满足深井，特殊钻井工艺要求的基于PROFIBUS现场总线技术的交流变频电驱动钻机的全集成控制系统。钻机动力控制系统，变频调速控制系统均采用先进的数字化网络控制技术，系统具有优异的调速性能，过载能力强，可靠性高，抗干扰能力强。钻机操作控制系统实现了全数字化，系统采集电气参数和钻井参数转换为数字信号，通过触摸屏、工控机、PLC和总线通讯进行计算并控制电气参数和钻井参数，实现钻机的数字化操作功能，满足参数(信号)的显示、存储、打印、远程监控和管理。关键词：PLC；组态软件；触摸屏；现场总线；石油钻机 Abstract With the rapid development of micro electric technology、computer technology and communication technology，industrial control system is always transformed .At the same time， as the important composition of the control system，industrial communication network is developed constantly. Enterprise automatic technology requires more information applied to factory administration，aiming at integration of administration and control. Information exchange domain cover with from the scene equipment to control and supervise，from workshop section、 plant factory、enterprise to the market in the world. As the basis of factory digital communication network，fieldbus establishes relation between production process with control equipment and control administration，and makes enterprise synthesis automatic system based on industrial control network formed gradually. with the rapid development of information network technology and the maturity of correlated technology，oil rigs control system is impacted greatly and developed from traditional relay control system to the control system that integrates control network and inforrnation network.Based itself on international market，the subject researchs and designs electrical system of AC variable frequency rig based on Profibus fieldbus，which meets the requirement of deep well technology and special artesian well technics. Rigs Power control system and variable frequency timing control system applies advanced digital network control technology，possessing outstanding capability of timing，overload，reliability and anti-jamming.Digital operation control system of rig is realized through toucher，industrial computer，PLC and centeral communication，which gathers artesian drilling well and electric parameter，and converts into digital signal and digital operation function to meet display、storage、print、remote watch and administration.Keywords： PLC；Configuration software；Toucher；Fieldbus；Oil rig- 2 -目录摘 要1Abstract2引言11 前言21.1 自动送钻技术目前的发展现状21.1.1 目前国外的技术水平状况21.1.2 目前我国的技术水平状况21.2 课题的意义32 变频器及其工作原理52.1 变频调速原理52.1.1 调速原理52.1.2 变频调速时的电机特性52.2 SIEMENS 6SE70系列变频调速系统92.2.1 6SE70系列变频特点及结构92.2.2 设计方案93 现场总线理论基础123.1 现场总线概述123.1.1 现场总线技术产生的意义123.1.2 基于现场总线技术的主要优点123.2 现场总线的标准133.2.1 PROFIBUS现场总线133.2.2 LONWORKS现场总线143.2.3 CANBUS现场总线143.2.4 FF现场总线143.2.5 WOrldFIP现场总线143.3 PROFIBUS现场总线技术特点143.3.1 PROFIBUS概貌153.3.2 PROFIBUS通信模型153.3.3 令牌(标记)访问控制方式173.3.4 PROFIBUS-DP总线的基本功能183.3.5 PROFIBUSDP总线存取协议213.3.6 PROFIBUS-DP系统配置和设备类型264 变频调速自动送钻控制系统硬件设计294.1 自动送钻系统概述294.2 变频调速自动送钻系统的网络监控系统294.3 PLC的系统配置及其变频器的参数设置314.3.1 PLC的系统配置314.3.2 变频器的选择与计算364.3.3 6SE70变频器的参数设置374.4 变频调速自动送钻控制系统软件设计394.4.1 系统主站和从站的硬件组态394.4.2 系统变频器的外接主电路434.5 系统软件设计444.5.1 软件设计的总体思想444.5.2 软件功能块的划分454.5.3 系统程序的功能块划分454.6 WinCC监控系统的设计504.6.1 人机界面的设计原则及其各监控界面的功能50结论57参 考 文 献58致谢60北华大学毕业设计（论文）引言石油电驱动钻机是近年来发展非常快的钻井专用装备，广泛应用于国内外各大油田的开发。进入20世纪90年代，石油钻机的控制系统已由模拟式控制技术逐步转化为数字式控制技术，由继电器控制模式逐步转化为总线智能控制模式，并继续朝着智能化控制方向发展和改进。由于Profibus- dp现场总线技术比较成熟，可靠性高，模块化功能强大，组态灵活方便，故障率低，现场维护方便，现已广泛应用于电驱动钻机系统中。变频调速是感应电动机理想的调速控制方式，它具有调节线性度好、调节范围宽、设备易维护并比滑差调速节能20%以上等优点。由于现场省去了滑差部分，只安装了交流异步电机，交流异步电机防护等级较高，既耐粉尘，又耐高温，而且变频调速器的无级平滑调速，使该系统具有调速线性好、给粉均匀、运行稳定、没有漂移。因电气主电路及控制回路简单、可靠、现场设备少，可实现免维护本文将从石油钻机井场情况进行分析，介绍在石油钻机电传动系统中profibus-dp现场总线的应用情况，并以一套普通钻机电传动系统为例介绍了profibus-dp现场总线的具体应用。 1 前言1.1 自动送钻技术目前的发展现状1.1.1 目前国外的技术水平状况当前，国际石油钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点，向自动化钻井阶段发展。国际钻井界自20世纪80年代以来，在随钻测量和随钻地层评价技术，实时钻井数据采集、处理与应用技术，复杂结构井的产业化技术，闭环旋转导向钻井技术以及自动化钻机的研制，海洋钻井技术等方面不断取得突破性进展。这些都是为了最终实现自动化钻井。自动送钻技术按其控制不同的刹车方式区分，经历了用于带式刹车的自动送钻技术和用于盘式刹车的自动送钻技术两个阶段。带式刹车的自动送钻装置和基于盘式刹车装置的自动送钻装置。带式刹车的自动送钻装置主要有“熊牌”和“613”型自动送钻装置，其特点是机械控制，使用时必须有绞车置于钻台上时方，钻压波动会达到818513134N。而基于盘式刹车装置的自动送钻装置却将其缩小到了11271178N。德国BENTEC公司推出的FOCS石油钻机电控系统，通过设置基本钻机参数，无需手动控制和操作制动手柄即可完成钻井作业，大大提高了钻机的安全水平和钻井的经济性。美国P00L公司研制的一种集顶部驱动回转钻井、绞车升降、钻具自动排放、遥控操作钻井泵等设备以及宽大舒适、以透明玻璃罩与井场设施隔开的控制室组成的全自动钻机，仅由两人在控制室操作，钻井效率和安全性能非常高。全自动钻机依赖于自动送钻的实现，国外自动送钻大多由绞车完成，通过对钻压w0B、钻速ROP、压差等参数的精确控制，实现自动送钻。2000年以后，美国Varco MDTotco公司在现有自动送钴装置的技术基础上开发创新，试验成功新型电子自动送钻装置，实现了连续均匀自动送钻，大大地提高了钻井质量、效率和速度，成为目前世界上较先进的新型自动送钻装置。1.1.2 目前我国的技术水平状况40多年来，我国石油钻机经历了仿制、引进、消化、吸收的过程，现已进入以自主开发为主的阶段。近10年来，我国石油钻机技术得到较为快速的发展，制造能力得到极大提高。国内兰州石油机械厂与吴忠仪表厂于1986年研制出了用于带式刹车的ADEI型自动送钻装置。其主要特点是气动控制，可以安装在绝大多数钻机上，而且无须对钻机进行改装。这种自动送钻装置在四川、胜利、中原、大港和江苏等油田投入了使用。目前这种自动送钻技术在中深井钻井中仍有较大市场。1996年国开始研制用于盘式刹车的自动送钻装置，石油大学(北京)研制的第一台PSZ1型盘式刹车自动送钻装置已于1998年进行了现场工业性试验，试验中，获得了稳定的钻压，钻速明显提高。但也暴露出一些诸如通用型数字PID测控仪的面板操作较为复杂，并难以实现直接钻压控制与显示，国产电液比例元件寿命较短，系统匹配不尽人意及可靠性、安全性不足等问题，加之盘式刹车本身存在的一些问题，因此，用于盘式刹车的自动送钻装置在国内应用的还不多，有关的研究工作正在进行之中，目前在自动送钻的安全监控方面己取得了一些成果。南阳石油机械厂与石油大学(北京)合作研制用于EATON气动水冷盘式刹车的自动送钻装置。随着盘式刹车装置的不断改进及逐步推广使用，以及电液、电气一体化控制元件和电子控制技术不断完善，机电一体化的盘式刹车自动送钻装置将成为自动送钻装置的发展方向。特别是在深井、超深井、定向井钻井中将有广阔的市场。由于在中深井钻井中，盘式刹车有取代带刹车的趋势，在这一领域，盘式刹车自动送钻装置也有一定市场。从早期的模拟控制上升到目前国际流行的典型三级控制，即上位监控级、PLC过程控制级和全数字级构成通信网络。国产石油钻机自动控制技术在钻机上的应用己达到20世纪90年代中期国际钻机先进水平，电传动系统达到美国20世纪90年代第四代产水平。但与国外钻机相比还有一定的差距，主要体现在系统的可靠性和自动化集成上。此外，由于现场总线具有使自控设备与系统步入了信息网络化；一对双绞线上可挂接多个控制设备；提高了系统可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权等优点。使之也被广泛的用在变频调速系统中，现场总线的加入使调速系统对环境的适应能力更强，反应更加灵敏，人机界面的设置使操作更加简单，也大大的节省了安装与维护的开销。还可以通过对现场总线的主站和从站的设置把实现读从站的诊断信息，交换用户数据和组念检查和提交控制命令的功能与编程、组态的功能和监控设备实现读从站的组态、诊断、读输入输出值、对从站分配地址的功能分用不同的主站运行，这样也大大的提高了工作效率，也使维护运行更加精确和简便。所以基于现场总线的变频器调速系统在盘式刹车的自动送钻技术中也被更加广泛的得以应用。1.2 课题的意义国内外的许多科研院所及钻井装备制造商就自动送钻技术不断进行技术攻关，虽然每一次研制过程中都取得了一定的进步，但自动送钻的整体效果还存在不足之处，比如送钻过程中钻压波动较大、对于不同地层所整定的参数的适应性较差、没有安全监控系统及控制元件不过关等问题。所以，为了实现全自动化钻井、提高钻井生产的安全性、减少司钻的疲劳强度，提高钻井效率， 我们有必要对钻机的自动送钻技术从变频调速电力拖动的角度进行深入研究。 变频调速技术具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展的调速方式。当今科学的发展趋势是各学科之间相互影响，相互渗透，从发展的角度来看，神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论将用于变频调速技术，这也将是变频调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其它新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给变频调速的控制技术带来重大的影响。现场总线技术和变频调速技术是20世纪90年代推出的自控新技术，它主要应用于生产现场和电力拖动系统。现场总线技术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。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革，将受到数字计算和数字通讯工业界和学术界的高度重视。而且石油钻机是油田生产的主要设备之一。随着油田井深的增加，钻杆会越来越长，重量越来越重。在钻进的过程中，随着钻井地质条件的变化，要相应调节钻进的钻压和转速，以提高钻进的速度和防止卡钻的发生。因此对钻机的电气传动系统的性能有很高的要求，采用高性能的交流传动是解决这一问题最理想最有效的途径。20世纪60年代以后，随着电力电子学、微电子技术和现代电机控制理沦的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件。当前国际著名的变频器生产厂家如西门子公司、ABB都己开发出了大功率的交流变频产品，为石油钻机应用交流变频电气传动系统奠定了基础。因此，把其他学科新的科学成果、技术理论和方法，应用到交流传动领域中即是交流调速技术的发展方向，也是一个十分迫切的问题。这也就是基于现场总线变频调速系统研究是意义所在。2 变频器及其工作原理2.1 变频调速原理2.1.1 调速原理在三、四十年代，电机调速理论和技术已在一些工业发达国家开始研究和应用，如通过改变电机的磁极对数，利用发电机改变交流电源的频率值，在转子电路中加入调速变阻器或磁性放大器等方法对交流电机进行调速。但部由于技术及设备复杂而不能在工业生产实际中广泛应用，随着微机应用技术的发展特别是到了80年代采用大功率晶体管后，使得工业交流电机调速技术有了广泛应用的可能。目前，绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速为： （2.1）式中： n电机转速：f电源频率；s转差率；p电机的级对数。当与泵电机选定后，为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高；反之，转速越低。变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的频率值来实现水泵电机的无级调速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。2.1.2 变频调速时的电机特性电动机稳定运行时实际输出转矩由负载的需要来决定，在不同的转速下，不同的负载需要的转矩也是不同的，调速方法和控制特性应适应负载的要求。(1)负载转矩特性负载转矩基本上与转速n的平方成正比，即 = （2.2）式中，k为比例常数。图21感应电机T型等效电路图(2)变频调速时电动机的机械特性变频调速时，为了使电动机的运行性能好，励磁电流和功率因数应基本保持不变，即希望气隙磁通中保持不变，若，(为额定运行时的磁通)，将引起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低；。，将使电机的容许输出转矩下降，电机的功率得不到充分利用，因此变频调速一般应使气隙磁通保持不变。根据电动机的等效电路，如图21所示，在忽略定子漏阻抗压降的条件下，定子的相电压U与气隙磁通和频率之间的关系为 （2.3）式中，为定子绕组每相的有效匝数，当电机确定后，为一常数。由上式可知，在变化时，电机的端电压必须与频率成正比变化，才能保持不变，即 电动机的电磁转矩T为 （2.4）式中，p为电动机的磁极对数，、，为定子每相绕组的电阻和额定频率下的漏抗：、：，为转子每相绕组折算到定子侧的电阻和额定频率下的漏抗；s为转差率，即 （2.5）式中，为某一频率下的同步转速 （2.6）在额定电压和额定频率时， 令，求得电动机的最大电磁转矩为 （2.7）在变频调速过程中，保持=常数，也就是保持气隙磁通近似为常数，若令，则，此时的电磁转矩 （2.8）相应的最大转矩为 （2.9）式中；额定频率下的同步转速；=60P正常运行时，s很小，约在5之内，上式中忽略不计。在一定的负载转矩下，变频调速运行时，转速之差()将不变，转矩特性(稳定运行段)在 =常数运行方式下，当不同时，它为一族平行的曲线。由于定子电阻的存在，随着运行频率的降低，与电抗相比，的作用愈来愈大，使最大转矩明显减小。(3)恒压变频供水系统中负载转阻矩与电机实际输出转矩瓦的配合根据电力拖动系统的运动方程式，在忽略空载转矩条件下，电磁转矩T=，这样，运动方程式为： （2.10）式中为系统的飞轮矩。可见，在基频以下实现调速，调速范围比较大，即使考虑低频下的影响，仍可使系统稳定可靠运行，非常适宜供水系统昼夜用水量变化较大的场合。由于采用恒的控制特性，使整个调速运行中，m保持额定磁通中。保持不变，从功率因数看，是最好的控制特性。2.2 SIEMENS 6SE70系列变频调速系统2.2.1 6SE70系列变频特点及结构SIEMENS 6SE70变频调速系统遵循恒转矩负载的恒压频比调速，使交流异步机气隙磁通不变，低频时，提高定子电压，补偿绕组压降，保持恒定的电势频率比E/f由函数发生器来完成，从而保持恒转矩恒磁通调速。SIEMENS 6SE70变频调速系统主结构包括整流单元、直流环节、逆变单元等三个主要环节。整个系统包括外辅24VDC电子电源、进线端、出线端、参数设定单元、选键板接口、操作面板接口、控制总线接口、开关量输入端口及模拟量端口。针对复杂工艺控制过程，主控板可进行拓延，进行同步控制、串行通讯控制、网络通讯控制、测速机闭环控制。简要对主通道以及辅通道进行分析，便于充分解析SIEMENS 6SE70变频调速系统的控制方式。主设定(main set point)可进行4种频率的释放，频率值存放于P421至P424参数中。主通道也可由模拟量AE完成给定或通过通讯CB,SCB1及STT1完成。同样，辅通道设定P428，也可完成与主通道设定同样的功能，主通道与辅通道可以独立工作也可以叠加完成频率给定。2.2.2 设计方案(1)由开关量实现SIEMENS 6SE70变频调速的设计方案要求实现电机正反向旋转，正向具备两种频率，自动运行时两种频率按工艺要求自动切换。先进行硬件组态：包括中央可编程控制器PLC（cpu948）、开关量输入输出模板、中间24VDC继电器以及) SIEMENS SIMOVERT变频器；启动主通道进行参数设置，步骤如下：主通道设定指定同步速度选择：P421，P422，P423，P424。相关参数选择备用级，选向CU板，X101：20，常为高电平：P590=1005。SIEMENS启/停，旋转时有效，选向CU板：BE-X101：16。实现开关量变频器启停：P571.2=1001。SIEMENS反向时有效，CU：BE-X101：17：P572.2=1002。故障复位CU：BE-X101：18由接收信号：P572.2=1003。由BE-X：19信号决定是否启动正向高速：P580.2=1004。释放P421至P424中，2种频率由BE-X101：17，P581.2=1002。启动正向低速： P581.2=0 Q6.5=1P580.2=0 Q6.6=0释放P421频率 Q6.8=0启动正向高速：P581.2=0 Q6.5=1P580.2=1 Q6.6=0释放P422频率 Q6.8=0反向运行：P581.2=1 Q6.5=1P581.2=0 Q6.6=1释放P423频率 Q6.8=0输出状态可由PLC中CPU948程序实现控制。(2)西门子SIEMENS 6SE70交流变频调速的模拟量控制设计方案要求实现手动自动正反转，正向自动时在特定条件下完成高低速切换。首先进行硬件组态：包括PLC.S5-135U.CPU928 模拟量输出模板及西门子SIMOVET.FC变频器。按设计要求，主通道选定模拟量通道，频率变化的实现由CPU948中的程序决定变频器频率转换时间及大小。以下为主要控制参数设计步骤：P590=1： 决定采用备用级参数P576.2=1：P421，P424 采用备用级参数P443.2=1003： 选择模拟量通道AE1P554.2=1001：CU：BE-X101：16变频器逆变单元off/on取决于Q5.4状态与P572.2配合决定运行方向P572.2=1002：CU：BE-X101：17变频器反向输出频率由Q5.6决定P565.2=1003：CU：BE-X101：18故障复位P580.2=1004：CU：BE-X101：19设定反转P581.2=0： 在P421.2，P422.2中频率有效，由P580.2与P580的速度分析，P422.2中频率有效，设P422.2= -20 HzP428.2=1001： 辅通道中开关量有效，可释放P422.2中频率P650.2=0： 选电流模拟量；-20mA至+20mA为输入信号3 现场总线理论基础3.1 现场总线概述现场总线技术是20世纪90年代推出的自控新技术，也被称为现场底层设备控制网络。公认的现场总线技术概念描述如下:现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。它将数字计算和数字通讯能力的专用微处理器置入传统的测量仪表，采用简单的双绞线将它们连成网络，并按公开、规范的通讯协议，实现信息交换和数据传输，形成各种实际需要的自动控制系统。3.1.1 现场总线技术产生的意义现场总线(Fieldbus)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。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4-20m周24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。传统的现场级严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，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。由于它采用纯数字技术，在单根电缆上连接多个仪表和设备，所传递的信息量大)不仅有控制数据，也有组态、状态和诊断等数据，加之其具有更强的干扰免疫力，更低的安装、运行和维护成本，因此被越来越多地应用在工业控制领域中。3.1.2 基于现场总线技术的主要优点如果使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。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。此外，现场总线还具有：现场通信，互操作性，分散功能块，通信线供电，开放式互联网络等特点。正因此也是它本身具备了以下优点：1)系统可靠性高、可维护性好基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。2)降低了系统及工程成本节省了硬件数量与投资和安装的费用。对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。3.2 现场总线的标准现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上著名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明:国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竟争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市场实力的竞争。目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。其中以PROFIBUS现场总线在国内自动化领域的应用最为普遍。具有一定影响和己占有一定市场份额的总线有如下几种。3.2.1 PROFIBUS现场总线1996年3月15日批准为欧洲标准。Profibus产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持Profibus标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内己安装运行的Profibus设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的Profibus-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了Profibus国际支持中心；1989年12月建立了Profibus用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（Profibus）专业委员会，并筹建现场总线Profibus产品演示及认证的实验室。Profibus主要应用领域有：制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇、铁路交通等。3.2.2 LONWORKS现场总线LONWORKS现场总线全称为LONWORKS NetWorks，即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。3.2.3 CANBUS现场总线CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IOS11898（通讯速率小于1Mbps）和ISO11519（通讯速率小于125Kbps。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。3.2.4 FF现场总线1994年由ISP基金会和World FIP（北美）两大集团合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线（FundationFieldbus）。低速总线（H1）协议已于1996年发表。己完成开发的高速总线（H2）在1998年发表。1997年5月建立了中国现场总线（FF）专业委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。3.2.5 WOrldFIP现场总线9091年FIP现场总线成为法国国家安全标准。2000年成为欧洲标准(EN50170V.3)。下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上己做好充分准备。WOrldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25Kbit/s，制造业为IMbit/s，驱动控制为1-2.SMbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上(包括各支线)的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点(组)、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。3.3 PROFIBUS现场总线技术特点Profibus的设计主要用于设备一级的高速数据的传送，在一般情况下，主站通过高速串行线同现场设备进行通讯，这些数据交换多半是周期性的；但在DP的扩展功能也规定了非周期性的通讯，即如现场设备的报警、诊断等重要信号可中断循环性的数据传送，进行平行的应答。3.3.1 PROFIBUS概貌1)PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。2)PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(Decentralizedperiphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。3)PROFIBUS-PA:专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。4)PROFIBUS-FMS:用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。5)PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。3.3.2 PROFIBUS通信模型Profibus(Process fieldbus)是依照德国国家标准DINl9245和欧洲标准PREN50179的现场总线，由Profibus-DP(Decentralized Periphery分散型外围设备)、Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification现场总线消息规格)、Profibus-PA(Process Automation过程自动化)构成完整系列。PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上。PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和供水现场设备智能化提供了可行的解决方案。PROFIBUS技术是由Siemens为主的一些德国公司、研究所共同推出，现已被Toshiba，Hitachi等大公司接受。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，适合基于PLC的加T自动化过程控制领域的应用，在欧洲的主要国家里占有40左右的市场份额，并几乎为所有PLC制造商所接受。Profibus支持主从模式、纯主站模式、多主多从模式等，主站对总线具有控制权，可主动发信息。对多主站模式，在主站间按令牌传递决定对总线的控制权，取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息，实现点对点通讯。它的参考模型如图3.1。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。外设间的高速数据传输采用DP型，隐去了第37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口；FMS型则只隐去第36层，采用了应用层。PA型的标准目前还处于制定过程中，与IECll58-2(n1)标准兼容。与OSI参考模型的第l层相同，Profibus-DP物理层与传送的原始数位在通信信道上的表示及实现有关，此层完成的设计足要确保在一侧发出的一个逻辑“1”，另一侧收到的也是一个逻辑“1”，而不是“0”。典型的问题是要用多少伏电压表示“1”，多少伏电压表示“0”；一个二进制数位要持续多少微秒：是否允许在两个方向上同时进行数据发送；如何建立一条链路。如何断开这条连接：连接插头要多少针，每个针的作用是什么。这些设计问题涉及到电气接口及规程，机械接口，物理传输介质等。Profibus-DP的物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以透明地传送比特流，它采用ETARS-485协议，半双工方式，根据最大传输速率的不同，可选用双绞线和光纤2种传输电缆。与OSI参考模型的第2层相同，ProfibusDP现场总线数据链路层的主要任务是把一种原始的传输设置变成在网络层看来是一条无差错的传输线路。完成这个任务需要发送者把输入数据分成多个数据帧，典型长度为几百个字节，顺序发送这些帧，并负责处理接受者送回的应答帧。由于物理层仅仅是接受与发送二进制位流，根本不管其意义与结构，因而建立和确定帧边界是数据链路层的事。帧边界是在帧的开头与结尾处加上专门的位图位来实现的。数据链路层另一个最重要的功能是解决帧的损坏、丢失等问题，起着抵抗线路中噪音干扰的作用。数据链路层需解决的另一个问题是如何保证快的发送者不压垮慢的接收者，必须使用某种通信量调节机制，使得发送机知道接收机此刻所拥有的缓冲空问。为了方便处理，这种流量调节与差错控制常常综合在一起。如果线路要在两个方向上传送数据，那么从A到B传送数据的应答帧与从B到A的传送的数据帧有可能争用同一条线路，这也需要在数据链路层加以解决。具体来说，Profibus-DP现场总线数据链路层包括2种介质存取(MAC)方式，即令牌总线(Token Bus)方式和主一从方式的混合存取方式。其中令牌总线方式与局域网IEEE8024中的规则相一致，它规定了主站间的介质存取控制方式。ISO/OSI模型 PROFIBLIS-DP PROFIBUS-FMS应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户接口用户接口应用层信息规范低层口隐去第3层至第7层隐去第3层至第6层数据链路层数据链路层物理层物理层图3.1PROFIBUS通信模型3.3.3 令牌(标记)访问控制方式令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌(token)的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。(1)令牌环方式令牌环是环形结构局域网采用的种访问控制方式。由于在环形结构网络上，某一瞬间可以允许发送报文的站点只有一个，令牌在环形网络上不停地传送，只有拥有此令牌的站点，才有权向环路上发送报文。站点在发送完毕后，便将令牌交给网上下一个站点，如果该站点没有报文需要发送，便把令牌顺次传给下一个站点。因此，表示发送权的令牌在环形信道上不断循环。环上每个相应站点都可获得发报权，而任何时刻只会有一个站点利用环路传送报文，因而在环路上保证不会发生访问冲突。采用令牌环方式的局域网，网上每一个站点都知道信息的来去动向，保证了较高的信息传输的确定性。由于能估算出信息传输的延迟时间，所以比较适合在实时系统中使用。令牌方式对轻、重负载不敏感，但单环环路出故障将使整个环路通信瘫痪，因而可靠性比较低。(2)令牌传递总线方式这种方式采用总线网络拓扑，网上几个工作站按一定顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首站，即首尾相连。每站部了解先行站和后继站的地址，总线上各站的物理位置与逻辑位置无关。像令牌环方式那样，令牌传递总线方式也具备称为令牌的控制帧，调整访问的权力。收到令牌的站点在一段规定的时间内被授予对介质的控制权，因而该站可以发送一帧或多帧信息。当该站传输已经完成或时间已到时，它就将令牌传递到逻辑环中的下一个工作站，因此，传输过程就是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。网上站点也可以退出环成为非活动站点，这些站点仅能响应询问或请求应答。3.3.4 PROFIBUS-DP总线的基本功能PROFIBUS-DP是经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散IO之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或020mA并行信号线。用于现场层的分布式控制系统高速数据传送。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。(1)PROFIBUS-DP基本特征传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从96K bits到12MbitS。总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统。总线上最大站点(主从设备)数为126。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。可靠性和保护机制：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。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(DPMI)是中央可编程控制器，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。速率：在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bits输入和512bits输出，在12Mbits时只需1毫秒。诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分本站诊断操作、模块诊断操作、通过诊断操作三级：本站诊断操作用于诊断本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低；模块诊断操作用于诊断一个站点的某具体IO模块故障；而通过诊断操作用于诊断一个单独输入输出位的故障。(2)系统配置