开题报告-基于PROFIBUS-DP现场总线的智能液位传感器接口研发.doc

本科生毕业设计（论文）开题报告题 目： 基于PROFIBUS-DP现场总线的智能液位传感器接口研发学 院： 信息工程学院 系 自动化 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 131班 学 号： 姓 名： 指导教师： 填表日期： 2017 年 3 月 13 日一、 选题的依据及意义现场总线控制系统是20世纪80年代中后期随着控制、计算机、通信以及模块化集成等技术发展出现的工业控制系统，代表工业自动化控制发展的最新阶段。现场总线的概念是1982年首先在欧洲提出的。随后，北美与南美也都投入巨大的人力、物力开展研究工作。到现在为止比较流行的现场总线已有40多种。现场总线控制系统的全分布、全数字、全开放特性解决了集散控制系统中存在的不足。现场总线控制系统把集散型控制系统中的集中与分散相结合的概念变成了新型的全分布式测控系统。作为工厂数字通信网络的基础，现场总线控制系统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之间的联系：它向下深入到现场的每一台仪表、执行机构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能；向上连接到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全面的解决方案。目前，现场总线将原来主要用于过程控制的工业控制自动化推广到制造自动化、楼宇自动化等领域，成为新的现场智能设备互连通信网络。在现场总线控制系统中，4mA到20mA模拟信号仪表将被符合现场总线标准的双向通信全数字智能仪表所代替，实现传输信号数字化，使模拟信号和数字信号混合控制系统最终变成全数字控制系统。现场总线的开放性解决了数字系统的兼容性问题，协议的完全开放导致不同的生产商的产品之间可以互换和互操作。它不但给生产商和用户带来极大的方便，而且突破了集散控制系统的中由专用网络的封闭系统所造成的缺陷，把封闭、专用的解决方案变成了公开、标准化的解决方案。现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和PROFIBUS，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对中国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有；智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术。二、关于接口研发的现状及发展趋势总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为：在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。另外，FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商；LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。由于HART建立在目前广泛采用的模拟系统之上，它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益，技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额，其技术本身还在不断完善与更新，如提高传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不断增长，呈上升趋势，但是它毕竟是过渡性产品，其生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目，所以对兼容性的考虑较少，而对先进性的考虑较多，相信HART在国内的市场份额不会很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内；另一方面，由于国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 （芯片制造商等）对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅LonWorks技术有实质性的市场活动，所以大部分国内厂商将首先接受LonWorks技术。尽管FF号称仪器仪表行业的未来标准，但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动，市场份额将会受到很大影响。而且事实表明，所有的现场总线基金会（FF）会员在研制符合FF标准的同时，都同时推出采用LonWorks技术的应用，由此可见LonWorks技术的生命力十分顽强。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一些差别。Profibus和CAN在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域形成了自己的优势。在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。由于LonWorks技术的特点，在多样化控制系统的应用上将会有较大的发展。现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。三、本课题研究内容 PROFIBUS-DP是一种开放性的国际总线，用于分散外部设备之间的高速数据传输。SPC3是PROFIBUS-DP专用智能通信协议芯片，集成了MAC层和FDL层，实现了DP通信的处理，减轻了CPU的负担。液位传感器输出的数据经微处理器处理后，再由协议芯片SPC3来完成通信协议并通过PROFIBUS-DP电缆连接到主站，从而实现了主从站的数据通讯，以满足工业控制的要求。本设计基于SPC3芯片，要求设计智能液位传感器接口，使智能液位传感器与主站能够实现数据交换。完成了硬件电路板PCB的设计和绘制，并成功做出简化电路板的实物。编写液位数据处理通信软件。四、本课题研究方案1. 在本课题中，主要研究内容有2个方面：液位传感器接口方案设计、通信接口硬件、软件设计。2. 液位传感器接口方案设计功能描述：该系统可以检测由电涡流传感器产生的电信号，以得到的4mA到20mA的电流输入转换成PROFIBUS DP总线输入格式。结构设计：主要由测量元件，信号处理器，接口电路。测量元件采用涡流传感器。信号处理器由涡流信号激励电路、感生信号采样电路、检波、滤波、A/D变换电路、数字信号处理系统、I/O信号调理电路等组成。3. 通信接口硬件、软件设计VPC3STC89C524. 系统框图：光耦传感器数字信息 地址/数据拨码开关 总线RS485驱动及接口8KB RAM 控制总线监控电路PROFIBUS总线图一五、 研究目标、主要特色及工作进度研究目标：将得到的4mA到20mA的电流输入转换成PROFIBUS DP总线输入格式。主要特色：PROFIBUS DP现场总线系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化系统。现场总线的出现成功地提高了工业自动化的性能，同时，又降低了工业生产自动化的成本。工作进度：序号各阶段工作内容起讫日期1收集资料、阅读文献2017.2.272017.3.122写开题报告、外文资料翻译2017.3.132017.3.263设计液位传感器接口方案2017.3.272017.4.94PROFIBUS DP总线从站接口设计2017.4.102017.4.235设计PLC程序2017.4.242017.5.66撰写、修改论文2017.5.72017.5.217论文答辩2017.5.222017.6.4六、主要参考资料1夏继强.邢春香编著，现场总线工业控制网络技术M.北京：北京航空航天大学出版社，20042阳宪惠.工业数据通信与控制网络M.北京：清华大学出版社，20033夏德海.现场总线技术M.北京：中国电力出版社，20034唐济场.现场总线（PROFIBUS）技术应用指南M.北京：中国机电一体化技术应用协会现场总线（PROFIBUS）专业委员会，19985SIM