（控制理论与控制工程专业论文）基于profibus现场总线嵌入式智能监控系统通信接口的开发.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 工业网络技术覆盖范围不断扩大，己实现将整个工厂的生产流程和控制 系统统一到一个信息管理平台上。 我们研究开发的e l m s 是采用p r o f 工 b u s - - d p 现场总线技术， 实现从现场智能设备到上位的管理信息系统m i s 之间的通信。 本论文采用 c p l d的可编程技术，并结合 p r o f i b u s - d p 现场总线单主站 系统的通信协议， 开发基于p c 1 0 4 总线的c p u 模块和现场总线之间的接口卡。 使用 v h d l通过软件编程的方法，实现了 p r o f i b u s - d p通信过程中的部分协 议的硬件电路。分析了 w i n d o w s c e嵌入式操作系统的模块化体系结构，并 结合具体的硬件特征，开发在 w i n d o w s c e下的设备驱动程序和系统定制。 最后简单介绍了仿真和调试过程。 关键词: 现场总线，v h d l , p r o f i b u s - d p ， 驱动 abs tract t h e c o v e r r a n g e o f i n d u s t r y n e t w o r k t e c h n o l o g y h a s e n l a r g e d c o n t i n u o u s l y , a n d h a s r e a l i z e d t h e u n i f i c a t i o n o f t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s a n d c o n t r o l s y s t e m o f t h e w h o l e f a c t o r y t o a n i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t p l a t f o r m . t h e e i ms ( e m b e d d e d i n t e l l i g e n t mo n i t o r i n g s y s t e m ) w h i c h w e a r e d e v e l o p i n g i s u s e p r o f i b u s - d p f i e l d b u s t e c h n o l o g y , r e a l i z e t h e c o m m u n i c a t i o n f o r m f i e l d i n t e l l e c t i v e d e v i c e s t o ma n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m o f p l a c e o f h o n o r . t h i s p a p e r a p p l i e d t h e p r o g r a m m a b l e t e c h n o l o g y o f c p l d , a n d c o m b i n e d t h e c o m m u n i c a t i o n s p e c i f i c a t i o n o f p r o f i b u s - d p mo n o m a s t e r - s y s t e m, d e v e l o p e d t h e i n t e r f a c e c a r d b e t w e e n f i e l d b u s a n d t h e c p u m o u l d o f b a s e o n p c 1 0 4 b u s . wi t h v h d l , v i a s o f t w a r e p r o g r a m m a b l e m e t h o d , r e a l i z e d t h e p a r t o f h a r d w a r e c i r c u i t o f p r o f i b u s - d p c o m m u n i c a t i o n . a n a l y z e d t h e m o d u l a r i z e s y s t e m s t r u c t u r e o f t h e wi n d o w s c e e m b e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m , a n d c o m b i n e d t h e c o n c r e t e l y h a r d w a r e c h a r a c t e r i s t i c , d e v e l o p e d t h e d e v i c e d r i v e r p r o g r a m u n d e r wi n d o w s c e a n d b u i l d t h e s u i t a b l e o p e r a t i o n s y s t e m . f i n a l l y , t h i s p a p e r b r i e f l y i n t r o d u c e d t h e p r o c e s s o f e m u l a t i o n a n d d e b u g . ma b i n g j u a n ( a u t o m a t i o n d e p a r t me n t ) d i r e c t e d b y p r o f . l v y u e g a n g k e y w o r d s : f i e l d b u s , v h d l , p r o f i b u s - d p , d r i v e r 华北电力人学硕十学位论文 摘要 工业网络技术覆盖范围不断扩大，己实现将整个工厂的生产流程和控制 系统统一到一个信息管理平台上。 我们研究开发的e l m s 是采用p r o f 工 b u s - - d p 现场总线技术， 实现从现场智能设备到上位的管理信息系统m i s 之间的通信。 本论文采用 c p l d的可编程技术，并结合 p r o f i b u s - d p 现场总线单主站 系统的通信协议， 开发基于p c 1 0 4 总线的c p u 模块和现场总线之间的接口卡。 使用 v h d l通过软件编程的方法，实现了 p r o f i b u s - d p通信过程中的部分协 议的硬件电路。分析了 w i n d o w s c e嵌入式操作系统的模块化体系结构，并 结合具体的硬件特征，开发在 w i n d o w s c e下的设备驱动程序和系统定制。 最后简单介绍了仿真和调试过程。 关键词: 现场总线，v h d l , p r o f i b u s - d p ， 驱动 abs tract t h e c o v e r r a n g e o f i n d u s t r y n e t w o r k t e c h n o l o g y h a s e n l a r g e d c o n t i n u o u s l y , a n d h a s r e a l i z e d t h e u n i f i c a t i o n o f t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s a n d c o n t r o l s y s t e m o f t h e w h o l e f a c t o r y t o a n i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t p l a t f o r m . t h e e i ms ( e m b e d d e d i n t e l l i g e n t mo n i t o r i n g s y s t e m ) w h i c h w e a r e d e v e l o p i n g i s u s e p r o f i b u s - d p f i e l d b u s t e c h n o l o g y , r e a l i z e t h e c o m m u n i c a t i o n f o r m f i e l d i n t e l l e c t i v e d e v i c e s t o ma n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m o f p l a c e o f h o n o r . t h i s p a p e r a p p l i e d t h e p r o g r a m m a b l e t e c h n o l o g y o f c p l d , a n d c o m b i n e d t h e c o m m u n i c a t i o n s p e c i f i c a t i o n o f p r o f i b u s - d p mo n o m a s t e r - s y s t e m, d e v e l o p e d t h e i n t e r f a c e c a r d b e t w e e n f i e l d b u s a n d t h e c p u m o u l d o f b a s e o n p c 1 0 4 b u s . wi t h v h d l , v i a s o f t w a r e p r o g r a m m a b l e m e t h o d , r e a l i z e d t h e p a r t o f h a r d w a r e c i r c u i t o f p r o f i b u s - d p c o m m u n i c a t i o n . a n a l y z e d t h e m o d u l a r i z e s y s t e m s t r u c t u r e o f t h e wi n d o w s c e e m b e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m , a n d c o m b i n e d t h e c o n c r e t e l y h a r d w a r e c h a r a c t e r i s t i c , d e v e l o p e d t h e d e v i c e d r i v e r p r o g r a m u n d e r wi n d o w s c e a n d b u i l d t h e s u i t a b l e o p e r a t i o n s y s t e m . f i n a l l y , t h i s p a p e r b r i e f l y i n t r o d u c e d t h e p r o c e s s o f e m u l a t i o n a n d d e b u g . ma b i n g j u a n ( a u t o m a t i o n d e p a r t me n t ) d i r e c t e d b y p r o f . l v y u e g a n g k e y w o r d s : f i e l d b u s , v h d l , p r o f i b u s - d p , d r i v e r 丫一 _ _ _ _ i1z习t f 3 二七.1 1 口 尸明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导 下， 独立进行研究工作所取 得的成果。 尽我所知， 除文中己 经注明引用的内容外， 本学位论文的 研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。 对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名:日 期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有权保管、并向 有关 部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文: 学校可允许学位论文被查阅或借阅: 学校可以 学术交流为目 的， 复制赠送和交换学 位论文; 同意学校可以用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名: 导师签名 日期: 日期: 华北电力人学硕十学位论文 第一章引言 1 . 1选题的背景和意义 随着控制、 计算机和通信技术的发展， 工业生产中的信息交换己经延伸到现场 的各个设备，形成了从工厂的现场设备层到控制层、管理层、监控层和决策层之间 的通信网络，达到了信息的实时交换，从而大大提高了生产的效率。 现场总线系统就是近年来在工业自 动化领域内发展起来的， 一种在工业过程控 制领域中用于替代传统的4 - 2 0 m a信号的双向数字式通信网络。 通过它可以实现跨 网络的分布式控制，具有开放性、互操作性、互换性、可集成性等特点，是现场级 设备的控制网络。 它克服了传统工业过程控制系统的投资高、抗干扰性差、系统不 开放等缺点，己在制造业、交通、 楼宇和电力等行业的自 动化系统中得到广泛的应 用。目前有几种现场总线技术己经发展成熟并广泛的应用于特定的领域，它们各具 特点，己经形成自己的产品系列。 p r o f i b u s 现场总线就是其中的一种，在现场总 线技术中，由于它具有高速传输数据，良 好的实时性，灵活的系统配置，便宜的价 格等特点，其应用己经覆盖于工业过程控制的各个领域。 wi n d o w s c e操作系统是延伸了台式机wi n d o w s 操作系统的外部特征，在操作 系统内部用嵌入式实时操作系统的技术来实现一个wi n 3 2 a p i 的子集。 它是一个新 的开放的、 可移植的、 实时的、 模块化的操作系统， 具有流行的微软程序开发界面， 用户界面个性化，系统可靠，强壮，环境适应性强，支持嵌入式专用系统的快速开 发，该系统几乎全部用c / c + 十 语言编写，非常适合于移植到3 2 位c p u上。它的灵 活性、实时性和可靠的控制能力已经越来越广泛的应用到工业控制系统中。 并随着 微软对它的源代码的逐步开放以 及它的强大的开发工具的支持，wi n d o w s c e嵌入 式操作系统己经在各种移动和便携式电子设备、个人信息产品、消费类电子产品、 嵌入式应用系统等领域有了广泛的应用。 本论文涉及的嵌入式智能监控系统 e i m s ( e m b e d d e d i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g s y s t e m) 的是采用目 前国内嵌入式领域的新技术进行硬件和软件集成开发的。 它将 p r o f i b u s - d p 现场总线和wi n d o w s c e嵌入式操作系统结合起来用嵌入式计算机 进行工业生产过程的监控。系统总体结构如下: 现场测量采用p r o f i b u s - d p智能 从站设备，它通过p r o f i b u s - d p 现场总线，与基于wi n d o w s c e操作系统的主控 制器相连，构成单主站的p r o f i b u s - d p现场总线控制系统:工业以太网连接现场 总线控制系统和工业生产过程的管理信息系统 m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m ) ，从而构成一个完整的智能监控系统。整个系统的结构如图l - 1 所示。 华北电力人学硕十学位论文 第一章引言 1 . 1选题的背景和意义 随着控制、 计算机和通信技术的发展， 工业生产中的信息交换己经延伸到现场 的各个设备，形成了从工厂的现场设备层到控制层、管理层、监控层和决策层之间 的通信网络，达到了信息的实时交换，从而大大提高了生产的效率。 现场总线系统就是近年来在工业自 动化领域内发展起来的， 一种在工业过程控 制领域中用于替代传统的4 - 2 0 m a信号的双向数字式通信网络。 通过它可以实现跨 网络的分布式控制，具有开放性、互操作性、互换性、可集成性等特点，是现场级 设备的控制网络。 它克服了传统工业过程控制系统的投资高、抗干扰性差、系统不 开放等缺点，己在制造业、交通、 楼宇和电力等行业的自 动化系统中得到广泛的应 用。目前有几种现场总线技术己经发展成熟并广泛的应用于特定的领域，它们各具 特点，己经形成自己的产品系列。 p r o f i b u s 现场总线就是其中的一种，在现场总 线技术中，由于它具有高速传输数据，良 好的实时性，灵活的系统配置，便宜的价 格等特点，其应用己经覆盖于工业过程控制的各个领域。 wi n d o w s c e操作系统是延伸了台式机wi n d o w s 操作系统的外部特征，在操作 系统内部用嵌入式实时操作系统的技术来实现一个wi n 3 2 a p i 的子集。 它是一个新 的开放的、 可移植的、 实时的、 模块化的操作系统， 具有流行的微软程序开发界面， 用户界面个性化，系统可靠，强壮，环境适应性强，支持嵌入式专用系统的快速开 发，该系统几乎全部用c / c + 十 语言编写，非常适合于移植到3 2 位c p u上。它的灵 活性、实时性和可靠的控制能力已经越来越广泛的应用到工业控制系统中。 并随着 微软对它的源代码的逐步开放以 及它的强大的开发工具的支持，wi n d o w s c e嵌入 式操作系统己经在各种移动和便携式电子设备、个人信息产品、消费类电子产品、 嵌入式应用系统等领域有了广泛的应用。 本论文涉及的嵌入式智能监控系统 e i m s ( e m b e d d e d i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g s y s t e m) 的是采用目 前国内嵌入式领域的新技术进行硬件和软件集成开发的。 它将 p r o f i b u s - d p 现场总线和wi n d o w s c e嵌入式操作系统结合起来用嵌入式计算机 进行工业生产过程的监控。系统总体结构如下: 现场测量采用p r o f i b u s - d p智能 从站设备，它通过p r o f i b u s - d p 现场总线，与基于wi n d o w s c e操作系统的主控 制器相连，构成单主站的p r o f i b u s - d p现场总线控制系统:工业以太网连接现场 总线控制系统和工业生产过程的管理信息系统 m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m ) ，从而构成一个完整的智能监控系统。整个系统的结构如图l - 1 所示。 华北电力人学硕十学位论文 i n t e r n e t发布 p r o f i b u s - d p 从站一一智能仪器、% 49 设备、 1 1 0 棍块等 图 1 . 1 e 工 m s 嵌入式智能监控系统 我们常见的工业p c机虽然能够满足各种控制功能，但是由于有些工业生产环 境的特殊要求，以及它庞大的体积和重量等限制，如果将它用于现场总线控制系统 中作为主控制器，达到对现场设备的实时监测和控制还有一定的差距;而典型的以 单片机为代表的低端嵌入式微处理虽然己 经普遍的应用于各个领域， 但是由于它的 资源有限，很难在其上面运行操作系统， 要用它来构成一个较复杂的监控系统也是 一件困难的事情。基于上面的原因，本文采用了p c m3 3 5 0作为现场总线控制系统 中的主控制器。它是一种新型计算机控制平台， 基于p c / 1 0 4 总线结构的嵌入式p c 机。 作为嵌入式计算机的一种， 本身具有结构小巧紧凑， 使用c mo s 器件， 整机功 耗 低， 总 线 易 于 扩 展 等 优 点 ， 而 且 在 软 件 与 硬 件 上 与 标 准 的 台 式p c 机 体 系 结 构 完 全兼容。它的 c p u板上具有多功能的并行口和串行口，并行口也可以定义为标准 p c机的打印口或者其它的i / o口; 串行口可以作为标准p c机的c o m1 通信口或者 扩展为控制台串行口，还有用于键盘和鼠标的输入接口、显示终端的输出接口等。 鉴于以上的特点，开发以 p c / 1 0 4总线结构的工业现场监测仪器是一个比较理想的 选择。 在系统开发中， 嵌入式微处理器和现场总线的接口技术是整个系统能够通信的 关键，也是目 前的一大技术难题。本设计中采用的p r o f i b u s - d p 现场总线，虽然 目前市场上也有多种成熟的基于它的通信接口卡，但是并没有一种专门可用于 p c 1 0 4总线的嵌入式操作系统通信接口， 本文结合wi n d o w s c e嵌入式操作系统和 华北电力大学硕十学位论文 p r o f i b u s -d p现场总线技术设计专门的接口设备，使得系统既能发挥 wi n d o w s c e的实时、通用、可移植和控制性强等优点，又具有 p r o f i b u s - d p现场总线结 构简单、 传输数据快的特点。 研究开发此接口设备是本论文的关键，也是本设计中 的难点。 1 . 2论文所做的工作 本文主要完成用于嵌入式智能监控系统e i m s中基于wi n d o w s c e的嵌入式主 控制器和p r o f i b u s - d p 现场总线之间通信接口卡的开发。此通信接口卡通过基于 p c 1 0 4总线的嵌入式微处理器模块进行通信控制，实现p r o f i b u s - d p单主站现场 总线的部分通信协议，完成与智能从设备之间的通信。嵌入式微处理器 p c m 3 3 5 0 为它的主站， 现场测量的d p智能仪器、 仪表设备和i o模块为它的从站。 主站通过 我们开发的通信接口卡，按照 p r o f i b u s -d p现场总线通信协议有序的向各个从 站发送控制和有关数据信息，或者它从各个从站读取现场设备运行的有关参数数 据， 使得现场数据和控制数据的信息流在现场设备和嵌入式计算机系统之间的实时 传递，以实现实时监控现场各个分散设备运行状态的目 的。 通信接口 卡通过p c 1 0 4 总线与p c m 3 3 5 0 主站相连，同时，利用它的r s -4 8 5 串行通信接口发送和接收数 据，通过现场总线与现场的各个智能从站进行通信。 本文所研究的通信接口卡的硬 件是由复杂可编程逻辑器c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) . d p r a m ( d o u b l e p o rt r a m) . p c / 1 0 4总线和r s -4 8 5 接口电路组成。通过对c p l d的编 程来实现遵循 p r o f i b u s - d p现场总线的协议进行通信和控制。主站按照 p r o f i b u s -d p的协议顺序发送控制和数据信息给各个从站， 或者各个从站把自己 从现场采集到的运行数据或者自己的运行状态按协议规定， 以一定的格式发送给主 站。在这个过程中，先通过该通信接口 卡将数据顺序存储到此卡的双口r a m相应 的数据缓冲区中，然后将主站发送给从站的数据依次通过 r s - 4 8 5发送出去，而对 从站上传来的现场数据先放到通信卡上的双口r a m中，主站通过p c 1 0 4总线从双 口r a m中读取，以便及时对这些现场数据进行分析和处理， 达到实时监控的目的。 由于操作系统采用wi n d o w s c e嵌入式操作系统， 要使设备能正常的工作， 需 要在wi n d o w s c e 下开发设备的驱动程序，实现设备的中断响应、中断引发的各种 处理、设备的文件流接口 和设备的专用接口等。本文根据wi n d o w s c e操作系统下 开发设备驱动的模型，并结合了设备的特点，采用基于流接口设备驱动程序。它是 通过把设备表示为文件系统的一个特殊文件来实现， 应用程序通过w i n d o w s c e的 标准 a p i 函数间接访问外设。流接口驱动是用户一级的动态链接库 ( d l l ) ，通过 实现一组固定的称为流接口的函数，由设备管理程序控制实现对设备的加载和卸 载，以及通过文件系统中的 特殊文件形式对设各进行读、写、控制等操作。 华北电力大学硕十学位论文 p r o f i b u s -d p现场总线技术设计专门的接口设备，使得系统既能发挥 wi n d o w s c e的实时、通用、可移植和控制性强等优点，又具有 p r o f i b u s - d p现场总线结 构简单、 传输数据快的特点。 研究开发此接口设备是本论文的关键，也是本设计中 的难点。 1 . 2论文所做的工作 本文主要完成用于嵌入式智能监控系统e i m s中基于wi n d o w s c e的嵌入式主 控制器和p r o f i b u s - d p 现场总线之间通信接口卡的开发。此通信接口卡通过基于 p c 1 0 4总线的嵌入式微处理器模块进行通信控制，实现p r o f i b u s - d p单主站现场 总线的部分通信协议，完成与智能从设备之间的通信。嵌入式微处理器 p c m 3 3 5 0 为它的主站， 现场测量的d p智能仪器、 仪表设备和i o模块为它的从站。 主站通过 我们开发的通信接口卡，按照 p r o f i b u s -d p现场总线通信协议有序的向各个从 站发送控制和有关数据信息，或者它从各个从站读取现场设备运行的有关参数数 据， 使得现场数据和控制数据的信息流在现场设备和嵌入式计算机系统之间的实时 传递，以实现实时监控现场各个分散设备运行状态的目 的。 通信接口 卡通过p c 1 0 4 总线与p c m 3 3 5 0 主站相连，同时，利用它的r s -4 8 5 串行通信接口发送和接收数 据，通过现场总线与现场的各个智能从站进行通信。 本文所研究的通信接口卡的硬 件是由复杂可编程逻辑器c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) . d p r a m ( d o u b l e p o rt r a m) . p c / 1 0 4总线和r s -4 8 5 接口电路组成。通过对c p l d的编 程来实现遵循 p r o f i b u s - d p现场总线的协议进行通信和控制。主站按照 p r o f i b u s -d p的协议顺序发送控制和数据信息给各个从站， 或者各个从站把自己 从现场采集到的运行数据或者自己的运行状态按协议规定， 以一定的格式发送给主 站。在这个过程中，先通过该通信接口 卡将数据顺序存储到此卡的双口r a m相应 的数据缓冲区中，然后将主站发送给从站的数据依次通过 r s - 4 8 5发送出去，而对 从站上传来的现场数据先放到通信卡上的双口r a m中，主站通过p c 1 0 4总线从双 口r a m中读取，以便及时对这些现场数据进行分析和处理， 达到实时监控的目的。 由于操作系统采用wi n d o w s c e嵌入式操作系统， 要使设备能正常的工作， 需 要在wi n d o w s c e 下开发设备的驱动程序，实现设备的中断响应、中断引发的各种 处理、设备的文件流接口 和设备的专用接口等。本文根据wi n d o w s c e操作系统下 开发设备驱动的模型，并结合了设备的特点，采用基于流接口设备驱动程序。它是 通过把设备表示为文件系统的一个特殊文件来实现， 应用程序通过w i n d o w s c e的 标准 a p i 函数间接访问外设。流接口驱动是用户一级的动态链接库 ( d l l ) ，通过 实现一组固定的称为流接口的函数，由设备管理程序控制实现对设备的加载和卸 载，以及通过文件系统中的 特殊文件形式对设各进行读、写、控制等操作。 华北电力人学硕十学位论文 本论文的重点工作是采用硬件描述语言v h d l完成c p l d的开发，实现遵循 p r o f i b u s - d p 协议的通信，并开发wi n d o w s c e操作系统下通信接口卡的驱动程 序，使用p l a t f o r m b u i l d e r 4 . 0 软件裁剪定制w i n d o w s c e 操作系统时，在 工 d e 环 境下通过创建有关文件， 修改软件自带的适合于x 8 6 形式c p u 的b s p 包， 将开发的 流接口驱动程序d l l 一起打包到操作系统的映像文件 n k . b i n 中，成为操作系统的 一部分，然后下载到 p c m 3 3 5 0的c f 卡中就可在其上运行 w i n d o w s c e 操作系统。 第二章 华北电力人学硕十 _ 学位论文 p r o f i b u s - d p现场总线技术 2 . 1现场总线技术概述 随着现代化工业的发展， 工业生产过程的控制规模不断的扩大， 复杂程度不断 的增加。工业生产自 动化在 3 0年代初为就地控制型，如直接作用的气动控制器， 它是将控制装置安装到被控过程的附近， 每个控制回路都有一个单独的控制器，这 些控制装置就地测量出过程变量的值， 然后跟给定值作比较后， 按照一定的控制规 律产生控制作用。 运行人员分散在工厂的各处， 分别管理自己所负责的那部分生产 过程;到 4 0年代初发展为有中央控制室的集中控制，这种控制结构是将变送器和 执行器安装在现场， 控制器安装在中央控制室， 运行人员在中央控制室获得整个生 产过程中的相关信息，能够及时、 有效的进行各部分之间的协调控制。 但是这种集 中只是运行人员和控制仪表在地理位置上的集中， 而整个系统的控制任务还是分散 到各个单独的控制器，只是生产过程运行管理的集中。 这一时期主要采用的是模拟 控制仪表， 如气动单元组合仪表、 电动单元组合仪表和组件组装式仪表; 5 0 年代末 到 6 0年代初，计算机开始用于生产过程的数字控制中，但由 于当时发展水平的限 制， 由计算机控制整个生产过程中的所有信息还有一定的困难， 而且可靠性也不高。 到 7 0年代工业微处理器的出现，工业生产过程才进入了分散控制阶段，它将整个 系统的控制任务进行划分， 然后分散到各个不同的控制器中完成， 并采用通信技术 实现各部分之间的联系和协调。 近几年的发展， 分散控制系统逐渐变成一个集安全 经济运行，控制和管理的综合网络。这一时期的代表为 d c s控制系统，它将一个 大型的综合控制系统进行分层，以多层计算机网络为依托， 将分布在全厂范围内的 各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的信息共享和协调工作， 共 同完成各种控制、管理和决策功能。目前我国大部分生产过程采用这种控制系统。 随着计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术 ( 通称为4 c技术)的发展，这 种控制系统也逐渐的暴露出它的缺点。因为在这种分散控制系统中，现场仪表和控 制室内仪表装置之间的信号还是采用 4 - 2 0 m a的模拟信号，而这部分模拟信号国 际上没有制定出统一的标准， 虽然能够实现相同控制功能的类似产品很多， 但是各 个公司产品之间的信号标准不统一，工作不兼容，无法形成开放式的产品体系， 而 且对用户以后的维护、 升级带来很多的困难。 在这种情况下， 8 0 年代末发展起来了 一种全新的、数字化的、全开放的、可互操作的新型控制系统 4 见 场总线控制系 统m。它是通过标准的现场总线通信接口，将现场的i / o模块、传感器和变送器等 设备可以直接连接到现场总线上， 现场总线通过一根电缆传递所有数据信号，替代 了原来的成百上千根电缆，大大降低了布线的成本，提高了通信的可靠性。 华北电力人学硕士学位论文 2 . 1 . 1现场总线的定义 现场总线是一种用于过程自动化或制造自 动化中的用于替代 4 - 2 0 m a 电流 环信号 的新型数字式通讯网络，能够实现智能化现场设备: 如变送器、执行器、控 制器， 和高层设备如主机、网关、 人机接口设备等之间的互联。 现场总线具有开放 性、数字化、双向、多节点、采用串行通讯方式等特点，主要用于连接各自独立的 现场设备。就“ 现场总线，这一词的表面意义而言，它工作环境处于过程控制的最底 层， 而且具有一定规范的通信系统。作为工厂设备的基层网络，它要求具有安全性 好、协议简单、 容错能力强、成本低、具有一定的时间确定性和较高的实时性等特 点。现场总线通信网络是现场智能设备之间的互联通信网络，是将生产现场控制设 备和其高层次的控制与管理层网络相互连接。与 d c s相比，它把控制功能彻底的 下放到现场，是开放的、全数字的通信系统。 2 , 1 . 2现场总线的特点 现场总线完整地实现了控制技术、 计算机技术与通信技术的集成， 是现场仪表 所采用的双向的、 将取代现今广泛使用的4 - y 2 0 m a标准模拟信号的数字通信方式， 标准化的现场总线具有“ 开放” 的通信接口、 透明” 的通信协议，允许用户选用不同 制造商生产的现场设备。具体来说，它有以下的特点。 1 . 一根双绞线可连接多个设备， 从而减少导线数量， 降低配线成本。 过去现场 设备采用的是点到点的模拟量信号传输或者是开关量信号的单项并行传输， 而 采用现场总线，将这种传输变为多点一线的双向串行传输。 2 . 取代了传统的4 -2 0 m a的模拟信号，采用数字传输方式，可以实现高精度 的信息处理，提高控制质量。 3 . 由于实现了多重通信，除了可以传送过程变量p v ,控制变量mv之外，还 可以传送大量的现场设备管理信息。 4 . 生产现场的传感器、 变送器和执行器等之间可以 通过现场总线直接在现场实 现互联和相互交换信息， 实现了现场仪表的自 律分散控制。 而在以前的控制系 统如d c s中，现场设备之间是不能直接交换信息的。 5 ， 开放式互连结构， 既可与同层网络相连， 也可通过网络互连设备与控制级网 络或管理信息级网络相连。因为它采用公开化、标准化、规范化的通信协议， 所以只要符合现场总线的协议，就可以组成网络连接起来，实现综合自动化。 6 . 互操作性， 因为不同的工业过程现场有很多种设备， 一个制造商不可能提供 一个工业生产过程所需的所有设备， 而且用户也不希望受到只使用某一个制造 商生产的设备的限制， 现场总线通信系统中的设备， 遵守同一通信协议，不同 厂家的设备之间可以相互通信， 即可以任意选择不同厂家的设备产品， 然后进 华北电力人学硕士学位论文 2 . 1 . 1现场总线的定义 现场总线是一种用于过程自动化或制造自 动化中的用于替代 4 - 2 0 m a 电流 环信号 的新型数字式通讯网络，能够实现智能化现场设备: 如变送器、执行器、控 制器， 和高层设备如主机、网关、 人机接口设备等之间的互联。 现场总线具有开放 性、数字化、双向、多节点、采用串行通讯方式等特点，主要用于连接各自独立的 现场设备。就“ 现场总线，这一词的表面意义而言，它工作环境处于过程控制的最底 层， 而且具有一定规范的通信系统。作为工厂设备的基层网络，它要求具有安全性 好、协议简单、 容错能力强、成本低、具有一定的时间确定性和较高的实时性等特 点。现场总线通信网络是现场智能设备之间的互联通信网络，是将生产现场控制设 备和其高层次的控制与管理层网络相互连接。与 d c s相比，它把控制功能彻底的 下放到现场，是开放的、全数字的通信系统。 2 , 1 . 2现场总线的特点 现场总线完整地实现了控制技术、 计算机技术与通信技术的集成， 是现场仪表 所采用的双向的、 将取代现今广泛使用的4 - y 2 0 m a标准模拟信号的数字通信方式， 标准化的现场总线具有“ 开放” 的通信接口、 透明” 的通信协议，允许用户选用不同 制造商生产的现场设备。具体来说，它有以下的特点。 1 . 一根双绞线可连接多个设备， 从而减少导线数量， 降低配线成本。 过去现场 设备采用的是点到点的模拟量信号传输或者是开关量信号的单项并行传输， 而 采用现场总线，将这种传输变为多点一线的双向串行传输。 2 . 取代了传统的4 -2 0 m a的模拟信号，采用数字传输方式，可以实现高精度 的信息处理，提高控制质量。 3 . 由于实现了多重通信，除了可以传送过程变量p v ,控制变量mv之外，还 可以传送大量的现场设备管理信息。 4 . 生产现场的传感器、 变送器和执行器等之间可以 通过现场总线直接在现场实 现互联和相互交换信息， 实现了现场仪表的自 律分散控制。 而在以前的控制系 统如d c s中，现场设备之间是不能直接交换信息的。 5 ， 开放式互连结构， 既可与同层网络相连， 也可通过网络互连设备与控制级网 络或管理信息级网络相连。因为它采用公开化、标准化、规范化的通信协议， 所以只要符合现场总线的协议，就可以组成网络连接起来，实现综合自动化。 6 . 互操作性， 因为不同的工业过程现场有很多种设备， 一个制造商不可能提供 一个工业生产过程所需的所有设备， 而且用户也不希望受到只使用某一个制造 商生产的设备的限制， 现场总线通信系统中的设备， 遵守同一通信协议，不同 厂家的设备之间可以相互通信， 即可以任意选择不同厂家的设备产品， 然后进 华北电力人学硕十学位论文 行统一组态，构成符合自己所需要的网络。 7 .实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表的综合化。 8 .在控制室就可以对现场仪表进行调试、校验、诊断和维护。2 1 2 . 1 . 3现场总线的现状和发展前景 信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，控制系统在工厂 自动化 和过程自 动化中的应用迅速增长，现场总线成为工业控制领域发展的革命性飞跃。 以网络为主千的自动化分布式控制系统成为行业发展的趋势。目前有几种类型的现 场总线己经发展成熟并且广泛应用于特定的领域， 较有影响的现场总线有:基金会 现场总 线( f f ) , p r o f i b u s , c a n , h a r t , w o r l d f i p 等。 对于现场总线形成巨大 影响的自动化厂商， 因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现 场总线。不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场合。 在未来较一长的一段时 间内，现场总线标准之争会越演越烈。 在今后的一段时期内， 会出现几种现场总线 标准共存、同一生产现场有几种异构网络互联通信的局面。 但是发展共同遵从的统 一的标准规范， 各种现场总线技术相互融合、合理搭配，真正形成开放互联系统是 大势所趋。 2 . 2 p r o f i b u s - d p 现场总线技术 2 . 2 . 1 p r o f i b u s 现场总线的技术概述 p r o f i b u s 是p r o c e s s f i e l d b u s 的缩写，符合国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，是目 前国际 上通用的、 一种国际性开放式的现场总线标准，具有其独特的技术特点，开放的标 准， 以及众多自 动化设备生产厂商都为他们的设备提供p r o f i b u s 接e l e p r o f i b u s 己经广泛的应用于加工制造、过程、交通、电力、楼宇自 动化等自 动化领域。它根 据应用特点分为p r o f i b u s -d p , p r o f i b u s -p a, p r o f i b u s -f ms 三个兼容部 分。 1 . p r o f i b u s - d p : 用于自动控制系统与外围设备级分散i / o之间的通信连接， 使用p r o f i b u s - d p 可以取代2 4 v或0 20 m a的模拟信号线， 它的协议比较简单， 适用于分布式控制系统的高速数据传输， 主要应用于制造业自 动化系统中现场级通 信，是一种高速低成本的通信系统，传输技术采用 r s - 4 8 5或者光纤，传输速度可 选用9 .6 k b p s - 1 2 m b p s a p r o f i b u s - d p 的主 设备 之013 采用逻辑令牌环的 通信方式， 主 站和从站之间 采用轮询的 通信方式。 d p 是d e c e n t r a l iz e d p e r i p h e r y 的英文 缩写， 即“ 分散式外围设备” 。 2 . p r o m甘 s - p a : 主 要 用 于 面 向 过 程自 动 化 系 统 设 计 ， 标 准 的 本 质安 全 的 传 华北电力人学硕十学位论文 行统一组态，构成符合自己所需要的网络。 7 .实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表的综合化。 8 .在控制室就可以对现场仪表进行调试、校验、诊断和维护。2 1 2 . 1 . 3现场总线的现状和发展前景 信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，控制系统在工厂 自动化 和过程自 动化中的应用迅速增长，现场总线成为工业控制领域发展的革命性飞跃。 以网络为主千的自动化分布式控制系统成为行业发展的趋势。目前有几种类型的现 场总线己经发展成熟并且广泛应用于特定的领域， 较有影响的现场总线有:基金会 现场总 线( f f ) , p r o f i b u s , c a n , h a r t , w o r l d f i p 等。 对于现场总线形成巨大 影响的自动化厂商， 因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现 场总线。不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场合。 在未来较一长的一段时 间内，现场总线标准之争会越演越烈。 在今后的一段时期内， 会出现几种现场总线 标准共存、同一生产现场有几种异构网络互联通信的局面