（机械电子工程专业论文）基于profibus的智能电梯式车库控制系统研究与设计.pdf

摘要 智能化电梯式立体车库是集自动化控制技术、机器人技术、计算机技术等高新技术为一体的 物流运输系统。本文分析研究国内外智能化立体车库发展现状及趋势，论述了课题的意义。 本文分析研究现场总线技术与p l c 及醋络技术，撮据现场总线技术和屯梯式车库的结构形式 提出了控制系统的总体方案，设计了基于p r o f i b u s - d p 总线技术的控制系统；将多目标模糊判定 控制算法引入电梯式立体化车库控制系统，实现了系统智能化控制，并在m e 0 9 3 3 9 9 型机电一体化 系统设备上进行了实验验证，达到设计目标；开发出上位机w i n c c 在线监控系统与现场级组态网络 控制系统，该系统实现上位机与信息处理主站间通信，能完成对现场数据的实时采集和现场设备 状态的在线控制与监测。此网络控制系统对p r o f i b o s d p 的实际应用有重要参考价值。 关键词：p l c ，p r o f b u s - d p ，模糊控制，w n c c ： a b s t r a c t b a s e do na u t o m a t i c st e c h n o l o g y , r o b o t i c st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e l e v a t o rg a r a g ei s a ni n t d l i g e ms t e r e oc a r - s t o r i n ga n dr e t r i e v i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h eh i s t o r y 、a c t u a l i t ya n de u r t e n to f s t e r e og a r a g ei n l a n da n do v e r s e aa l ea n a l y z e da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i si sd i s c u s s e d t a k i n ga n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gf i e l d b u st e c h n i q u e sa n dp l c & n e t w o r ka sb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i s m a i n l yb r o u g h t sf o r w a r dal l , e wc o n t r o lp l a no nt h eb a s i so ff e i l da n dc o n f i g u r a t i o no fe l e v a t o rg a r a g e a n dd i s c u s s e sr e a l i z a t i o no fp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t m l l e r ( p l c ) c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e p r o f i b u sf i e l d b u s ，i n t r o d u c e st h ea r i t h m e t i co nt h r o r yo fm u l t io b j e c t i v ef u z z ys y n t h e s i sj u d g m e n t m e a n w h i l e ，t h eo p n m i z a t i o nd e s i g no na l g o r i t h m so fc o n t ls y s t e m ，e x p e r i m e n t a t i o na n ds l m u l a t e i o n a r ea l s ot e s t e do nm e 0 9 3 3 9 9e q u i p m e n ti n t h i st h e s i s a n dt h er e s u l to ft h et e s ti sv e r yw e l l t h e c o n f i g u r e a t i o na n di m p l e m e n ta r em o n i t o r e dt ot h ew i n d o w sc o n t r o lc e n t e 巾v i n c c ) a n df i e l dc o n t r o l s y s t e m t h es y s t e mr e a l i z e sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw i n c ca n dt h em a i ns t a t i o n a f t e rt h a t , t h i st h e s i s h a v e i m p l e m e n t e d t h e c o l l e c t i o na n d d i s p o s i o n o f t h ed a t a o f r u n t i m e d a t a b a k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ll e r ，p r o f i b u s - d p ，f u z z yc o n t r o l ，w i n g c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国农业大学大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：侯辱工 时问： 万年月产日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 研究生躲馁辱卫 帆。j 年伽声日 摊轹朝爹佯帆钟枷卯 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 皇量皇一ii e 皇曼詈暑晕置皇毫鼍皇田鼍置量置罾| 曼量目曼皇! 蔓曼! 皇曼曼曼曼曼曼詈曼曼! 曼! 曼皇! ! ! ! ! 曼 1 1 智能化立体车库概述 第一章绪论 智能化立体车库是集自动化技术、机器人技术、计算机技术等高新技术为一体的智能化、 立体化的物流运输系统，它能够自动而可靠的完成汽车的存取以及相关信息的管理。车库可以 建在地上。也可以建在地下。如图卜1 为建在地上的智能搬运器式车库，它的外形类似于一幢 普通的大厦，但外墙可以随意进行装饰。图卜2 为建在地下的升降横移式车库。 图1 1 建在地上的智能搬运武车库圈1 2 建在地下的升降横移式车库 智能化立体车库主要由机械系统、电气系统和信息管理系统三部分组成。 机械系统可分为升降机构、交接机构和车位。中间是升降机构( 又叫垂直升降机构) ，在电 机的驱动下上下移动：升降机构的平台上装有交接机构，其作用是把车存到左右两边的车位上 以及从车位上取车：车位在垂直通道的两边。电气系统主要完成升降机构和交接机构的驱动和 电机控制，从而完成存取车任务。信息管理系统的主要功能为：存车取车日常管理、打印收费 单据和报表、存车客户资料查询、故障报警及屏幕提示。 1 2 智能化立体车库的由来及国内外发展现状 1 2 1 智能化立体车库的由来 随着汽车数量日益剧增，解决停车问题迫在眉睫。为了取得尽量多的车位，最初的办法之 一是向车库内部上下要空间，利用扩大了的空间安装机械式液压升降停车设备，使原本只停一 辆汽车的单间车库变为能停2 3 辆汽车的单间车库。方法之二是对宽敞的并列停放多辆轿车的 单层车库扩建为2 3 层车库，并增添必要的升降设备，使车库容量增大2 3 倍，或者安装双 层托板式升降平移装置，使原车库增容一倍。这些经改造后的车库是智能化立体车库的雏形。 随着繁华商业区停车矛盾和交通堵塞的e t 益严重，简单的办法已经无法满足停车的需要， 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 于是出现了大型的智能化立体车库，主要是为短时间停放汽车服务。立体车库容量多为3 0 5 0 个车位，层数在5 9 层，大型智能立体车库的容量为1 0 0 3 0 0 个车位，超大型智能化立体车 库可停放1 0 0 0 辆轿车【1 捌。 1 2 2 智能化立体车库的国内外发展现状 国外的智能化立体车库技术日趋成熟，美、德、日、韩等发达国家的产品代表了国际 上的领先水平，国内立体车库的研究刚刚起步，多为引进德国和韩国的产品l j ，叫。立体车库的种 类较多，下面介绍几种目前国内外比较流行的型式。 ( 1 ) 智能搬运器式车库 高速运行于巷道中的搬运器可以进行x y z 三维方向的动作以完成其存车与取车作业。其特 点是车容量大，调车速度比较快，自动化程度高，建设成本高。控制系统一般采用 d c s c d i s t r ：i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统。德国公司及日本等公司都有这类产品，国内还没有这类 产品。建在地上的智能搬运器式车库如图1 - 1 所示。它布置多个通道，通过两台搬运器方便地 扩展为可停1 0 0 0 辆左右的大型车库，其占地面积仅相当于同类多层自走式车库的l 3 到i 5 。 ( 2 ) 升降横移式车库 韩国和德国公司的这类产品较多，国内也有公司生产，如广州绿都公司、承德机械厂。这 种车库控制方式一般要求控制员在现场操作完成。二层升降横移式车库最适应于原有地下自走 式车库的改造工程。建在地下的升降横移式车库如图1 2 所示，这种车库要求在楼板下或管道 下有3 6 米的净空高度，以及车位前方有宽6 米的通道。三层和四层升降横移式车库主要适应 于高度不受限制的地面自走式车库的改造，这种型式的车库结构简单并且都己模块化。建在地 面上的升降横移式车库如图卜3 所示。现在国内大量的自走式车库可以满足以上条件。 圈1 _ 3 升降横移式车库田卜4 水平循环式车库 ( 3 ) 水平循环式车库 在非常拥挤繁华的地段，周围无地可用时，这种地下的“多层水平循环”车库不失为一个 务实的解决办法。水平循环式车库如图1 q 所示。它的特点是依靠自身的升降机出库，不需建 造坡道，地面只留一个或两个出入口。这种系统自动化程度和防盗性都很好；但是它的循环动 2 中国农业大学硕士学位论文 第一荦绪论 作是依靠两端升降机的反方向间歇性动作和相邻两层间的反方向间歇性平移动作完成，出车时 间长，平均在3 分钟左右，故只适合建造小型车库。韩国l g 公司的这类产品较多，国内没有这 类产品。 ( 4 ) 电梯式车库 电梯式停车系统是近年来发展的将电梯技术移植到立体车库的新型式。这是现有城市中立 体车库中最先进的。电梯式车库如图卜5 所示，由于它趋向于空间发展，每个单元的地面投影 面积都小于5 5 平方米，可停6 0 辆，即每个车位平均占地面积不到一平方米，故土地利用率比 其它型式都高。另外，由于它采用了电梯的、，、，、，f 传动技术。故具有高速和低噪的特点，存取 车时间大约为9 0 秒。控制系统为了解决车位数的限制，这系统可建成并列式、重列式等，从 而可扩大其容量至数百车位。目前德、日、韩等国都有这种产品，其控制系统一般采用 d c s i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 系统，国内还没有这种产品。 1 3 研究背景、内容及意义 1 3 1 研究背景 图1 - 5 电梯式车库 我国城市长期以来停车位只能满足一半的停车需求，而全国机动车保有量正以每年1 0 9 一 1 5 的速度增长，城市私人小汽车每年的增长速度更是高达2 0 3 0 ，预计全国每年要新建 3 0 0 万个停车位，才能逐步解决停车需求与供应的矛盾。但是我国停车场建设严重滞后，且我 国城市人口高度集中，建筑物密度大，各种基础设腌建设都在争夺有限的土地，用地日趋紧张。 从而导致机动车违章停靠，侵占道路、绿地和居民休息用地，使道路通行能力下降，影响了社 会整体效率。据广州市对3 3 条道路停车调查显示，车辆停放占用道路的面积达4 0 以上，上 海则达6 0 ，南京市高达6 7 。而在国外，据美国大城市的统计，路边停车只占1 6 ，日本则 禁止在路边停车。汽车工业产业政策网明确要求；“对于规划新建和改造的住宅区、商业区、 宾馆饭店、办公楼、公共设施和文化娱乐场所等，必须考虑足够的停车场地。”但我国城市建 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 ! 目目目| ! ! 詈! ! ! ! ! ! ! 目e l 一l ! ! ! ! ! e ! ! ! ! 曼 设中对停车场地问题重视不够。城市建设中没能很好地兼顾汽车配套设施。随着汽车保有量的 快速增加，部分大中城市停车难的矛盾已越来越突出。同时与世界上一些大城市相比，我国大 中城市的汽车保有量仍相对较少，因此，我国城市汽车保有量还有很大的上升空间，这也为解 决城市停车问题增加了难度。从国际城市建设的经验看，要保证交通不拥堵，不仅要满足1 0 0 的基本停车位，还要能满足2 0 的公共停车位，在这方面我国与世界先进国家相比尚有很大差 距n ”。因此，为解决这一闫题发展全自动智能立体化停车将是今后停车建设的一个重要方向。 其巨大的潜在市场为自动化智能停车设备制造业的发展展示了美好的前景。可以说，自动化智 能立体车库是为解决日益突出的静态交通问题( 停车问题) 而逐渐发展成为一种新兴的产业， 同时这种产业被誉为二十一世纪最具发展潜力的热门产业之一。 目前，国内大都是自走式停车场，通过对这种车库的改造虽然可以扩大停车量，但不能满 足汽车的增长对车位的要求，因此建立智能立体车库被提上了日程。而智能立体车库当中最有 前途的当属电梯式车库，电梯式车库发展的原动力来自于城市的发展空间相对减少。以及人们 对汽车需求的相对增加。由于电梯式车库自身的特点：占地少，存车量大。能够从根本上缓解 城市繁华地段轿车停车难的问题，其直接经济效益很大。因此，建造智能电梯式车库成为各大 城市解决停车难问题的最佳选择。 1 3 2 研究内容 根据智能化车库的发展趋势，本课题主要研究设计基于p r o f i b u s 的智能化电梯式车库控 制系统，内容如下： i 电梯式车库控制系统总体方案设计。 2 p r o f i b u s d p 现场总线设计。 3 现场级车库控制系统的设计与实现。 4 基于多目标模糊综合评判控制算法的实现。 5 上位机w i n c c 在线监控系统。 1 3 3 研究意义 本课题旨在开发出具有自主知识产权的智能电梯式车库的现场级电气控制系统和上位机监 控系统，能在实验台上达到预期的控制要求，实现通讯和控制功能。当前国内在电梯式车库的 研究应用方面刚刚起步，此课题在实验台上完成对整个控制系统的设计，对今后电梯式车库的 应用能起到一定推动作用。该控制系统作为参考范例为今后开发提供了相关的理论基础和技术 储备。为促进电梯式车库的发展提供了依据，具有理论意义和实用价值。 4 第二章控制系统的总体方案设计 国际上的发达国家如美国、德国、日本等都已推出了智能电梯式车库，但其应用才刚刚开始， 还耍经过一个不断完善的阶段。国外的这种产品由于受到时间、售后服务以及价格昂贵等诸多因 素的制约，在国内并没有应用实例，而国内更没有这种自行研制的车库。 计算机监控系统自从2 0 世纪6 0 年代进入数字控制领域以来，计算机控制系统由 c c s ( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 计算机集中控制系统发展到d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集散控 制系统，9 0 年代初又出现了f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 觅场总线控制系统，随着软、硬件技术 不断走向成熟，f c s 已成为工业生产过程自动化领域中的一个热点。对于d c s 和f c s ，国内外 业界普遍认为采用了现场总线技术的f c s 顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将取代d c s 。 本文在总结国内外智能立体车库发展趋势的基础上，提出基于p r o f i b u s d p 现场总线技术 的智能电梯式车库控制系统的总体目标，并制定了一套实现该控制系统功能的总体方案。 2 1控制系统的总体目标 电梯式车库控制系统设计的具体目标为： 1 能够自动完成取车存车操作。 2 出入口有车高、车长、车重检测功能。 3 整个系统设有故障急停按钮，手动按扭，自动按钮，停止按钮，出错报警装置。 4 友好的控制界面，参数设量可调、在线监测和事件记录功能。 5 控制系统响应快、节能、噪音低，系统能根据控制目标自行决定存取顺序。 6 有掉电保护功能，能够防止误操作。 2 2 控制系统的总体方案 根据控制系统要实现的总体目标，把整个车库控制系统在功能上划分为两个层次，第一个层 次是数据采集显示和工况数据信息管理监控级e 位机监控系统；第二个层次是由p l c 控制系 统、检测设备和驱动设备以p r o f m u s _ d p 总线连接组成的控制系统现场级控制系统。在这 种分层次控制方式中，上位级监控与现场级控制系统在控制权限上处于同一级别，共同管理整个 车库控制系统。 上位机监控系统主要和被监控对象( 现场级设备) 进行数据通信。监控系统利用现场级控制 设备的数据实现以下功能：在线动态显示现场级设备的运行状态；参数设置功能；事件记录存储 功能；顾客凭条打印功能；故障查询功能；报警功能以及控制现场设备运行功能。上位机监控系 统功能如图2 1 所示。 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章控制系统的总体方案设计 图2 - 1 上位机监控系统功能 现场级控制系统主要完成车辆的检测，车位的规划以及存车、取车任务的操作。从控制系统 成本和功能考虑，通过减少系统的节点设计，即降低了系统的成本，并且采用单主站的控制方式 可以使系统获得最短的总体控制循环时问，又提高了系统的对信息数据响应得速度。本课题根据 现场级控制系统的检测装置和执行机构分散，但部分又相对集中的特点。在设计现场级控制系统 时把现场级控制系统分为搬运信息处理p l c 、出入口检测p l c 、垂直横移搬运用p 【c 、升降台电机 用的变频器四部分；搬运信息处理p l c 作为主站，其余三部分作为从站，采用p r o f i b u s - d p 总线 折中的接口方法( 即总线混合型接口方式的方法) 实现四部分的连接。把检测装置和执行机构直 接与p l c 连接，充分利用传统的i o 信号传输成本低的优点，在站内用数字和模拟信号同时存在的 传输方式、站间用p r o f i b u s - d p 总线进行数字传输。现场级控制系统原理如图2 2 所示。 搬运信息处理 p l c ，u p r o f i b u s d p j onn 垂直播移搬运 出入口检溯 升降台电机 p l cp l c 用变频器 现场级主站与从站的功能如下 搬运信息处理主站p l c ： 图2 2 现场级控制系统原理 6 中国农业大学碗士学位论文第二章控制系统的总体方案设计 曼曼詈鼍皇鼍蔓鼍曼皇旨已摹量皇皇量舅皇曼曼曼皇曼拿量皇鼍_ ii 曼皇舅曼! 曼 搬运信息处理主站p m 主要作为数据信息处理中心。完成存车取车信号的数据分析，决定存 车取车操作数顺序，除具有与从站进行数据通信能力协调完成存车取车操作外，还具有与上位机 通信、控制按钮输入和报警功能。 出入口检测从站p ie ； 出入口检测从站p l c 主要完成车辆车高、车长、车重检测，并根据检测参数决定存车车位， 以及把车停放到升降台上；同时有控制按钮输入、报警功能。 垂直横移搬运从站p l c ： 垂直横移搬运从站p l c ：t ：要完成车位与升降台之间的车辆交换。通过对各种位置信号的检测， 控制电机使车辆在升降台和车位之间横向移动，完成车辆的入车位和出车位工作；同时有控制按 钮输入、报警功能。 升降台电机用变频器从站： 由于工频启动时，异步电动机转差率大、启动转矩降低，在电路中产生很大的电流已损坏电 机并伴随很大的启动噪声，因此方案设计中采用了变频器驱动电机的工作方式，可以在电机启动 时保持较大的启动转矩，减小启动电流，降低噪声，使电机启动和停止过程变得缓和。 上位机监控系统通过m p i 接口方式与现场控制级中搬运信息处理p l c 连接，通过搬运信息 处理p l c 把现场采集的数据传输到上位机。上位机监控系统、搬运信息处理p l c 、垂直横移搬 运p l c 、出入口检测p l c 以及升降台电机用变频器有机结合构成整个车库控制系统。智能化电 梯式车库控制系统总体方案如图2 - 3 所示。 圈2 _ 3 智能化电梯式车库控制系统总体方案 整个车库控制系统以图1 - 5 所示结构，设计车库为八层，为提高整个车库控制系统的可靠性， 在设计控制系统时采用了光电隔离技术、双电源供电及掉电程序保护技术；软件上采取多重逻辑 设计和软硬件“双重联锁保护”技术9 一。 7 中国农业大学硕士学位论文第三章p r o f i b u s - d p 现场总线设计 第三章p r o f ib u s d p 现场总线设计 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换领域正在迅速覆盖从工厂的现场设 备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场- 丽处于企 业生产过程的自动化通信控制系统，由于仍处于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”，严重制约了自身的发展。要实现企 业的信息集成，要实施综合自动化通信，就必须变革自动化系统结构，设计出一种能在工业现场 环境运行的、可靠性高的、实时性强的、造价低廉的通信系统，逐步形成以网络集成自动化系统 为基础的企业信息系统，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 及系统与外界的信息交换。现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形式发展起来的新技术。 3 1 现场总线概述 3 1 1 现场总线的定义 根据国际电工委员会i e c l l s 8 定义【”，现场总线是“安装在工业生产现场的各种自动化设备 与设置在控制室内的微机化设备连接起来的一种全数字化、串行、双向、多站通信的数据总线”。 或者说，现场总线是以单个分散的、数字化的、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线 相互连接，实现相互信息交换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。现场设备是指位 于现场层的传感器、驱动器和执行机构等设备。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数 字通信能力，采用双绞线、光纤等作为总线，把多个测量仪表连接成网络系统，并按公开、规范 的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间， 实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的 测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息，共同完成自 控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来了革命性的变化，正如众多分散的计算机被 网络连接在一起，使计算机的功能、作用、应用范围发生了巨大的变化。现场总线则使自控系统 与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此，现场总线技术 是控制技术新时代的开端，是面向企业底层自动化及信息集成的数字化网络技术。它在制造业、 物流工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 基于现场总线技术的自动化控制系统称为现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls v s t e m ) 。 其控制思想的核心是“分散控制，集中监控”，使得“危险分散，控制分散”。即使是现在流行的 d c s ( 集散控制系统) 控制，其与工业过程控制站仍然还是集中的，现场信号的检测、传输和控 制还是采用传统的4 2 0 m a 或0 2 4 v 的模拟信号。而现场总线系统真正做到了“分散控制，集 中监控”，把控制彻底地下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集，数据处理，控制 8 运算和数据放大输出等大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机 来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传送给 上位机，更有利于现场设备管理。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联 系纽带，把挂接在总线上、作为控制网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化 系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控一体化的综合自动化功能。现场 总线是一项集传感器、控制、计算机、数字通信、网络为体的综合性技术。 3 1 2 现场总线系统的技术特点 随着计算机功能的增强和价格的急剧降低，在现代化企业中，计算机已经在自动控制、办公 自动化、经营管理、市场营销等方面担任越来越多的任务，把现场控制层、过程监控层、生产管 理层、市场营销管理层联系在一起，构成较为完整的企业信息网络。而现场总线控制系统处于整 个企业信息网络的最底层，现场总线作为工厂设备级的基础通信网络，具有协议简单、容错能力 强、安全性好、成本低；网络负载稳定。短帧传送、信息交换频繁等特点。还具有时间确定性和 实时处理功能；由于上述特点和功能，现场总线系统从网络结构到通信技术，都具有不同于上层 高速数据网( 如i n t e m e t ，i n t r a n e t ) 的特色。因此也可以把现场总线构成的底层网络称之为基础 网( i n f r a n e t ) i n ! ，有以下特点： 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从。一个开 放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。通信协议一致公开， 各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是致力于建立统一的工厂底层网络的 开放系统。用户可按自己的需要和考虑，选择不同厂商的产品组成大小随意的系统，打破了d c s 控制系统依赖于某一品牌产品的局限性，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连网络系统。 相互可操作性与互用性这里的相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。可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备 可进行相互替换以实现互用。 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散 到现场设备中，仅靠现场设备即可完成大部分自动控制功能，并随时诊断现场设备的运行状态。 系统结构的高度分散性由于现场设备本身已能够完成自动控制的基本功能，使得由现场总 线构成的一种新的全分散式控制系统的结构，从根本上改变了现有d c s 系统集中与分散相结合 的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环 境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能 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。 多种传输媒介和拓扑结构现场总线系统由于采用数字通信方式，因此可采用多种传输介质 进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，也可以灵活的采用多种网络拓扑结构。这种传 输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便，省时间，省材料。 9 中胃农业大学硕士学位论文第三章p r o f i b u s d p 现场总线设计 曼鼍曼曼曼皇曼量曼曼t 置舅_ i 一 ii | 皇曼曼量曼曼皇曼鼍曼曼曼皇曼曼! ! 曼量曼蔓 3 2p r o f i b u s - d p 现场总线 3 2 1p r o f l b u s 现场总线 自上世纪8 0 年代末以来，相继出现了基金会现场总线( f f ) 、l o n w o r k s 、c a n 、p r o f i b u s 等几种现场总线技术，它们已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势，它们 各具特点，也显示了较强的生命力。其中p r o f i b u s 是各种现场总线中非常具有代表性的一种， 现在已是欧洲首届一指的开放式现场总线系统。应用领域包括加工制造、过程控制和建筑自动化， 如今已成为国际化的开放的总线标准。它是1 9 8 7 年德国工业界西门子公司等1 3 家企业和5 家研 究机构联合开发的总线标准。1 9 8 9 年批准为德国国家工业标准，即d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年批准为 欧洲标准，即e n s 0 t 7 0 v 2 ( p r o f i b u s - f m s i - d p ) ，1 9 9 8 年p r o f i b u s p a 批准纳入e n 5 0 1 7 0 v 2 标准，1 9 9 9 年p r o h b u s 成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分( t y p c 3 ) 。在我国，2 0 0 1 年批准成 为中国的行业标准j b t1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 。并成立中国现场总线p r o f i b u s 技术资格中心。为中国地 区提供p r o f i b u s 技术支持与服务、产品认证测试和技术应用推广工作。 p r o f i b u s 协议以国际i s o ( 国际标准组织) 标准o s i ( 开放系统互联) 参考模型为基础。 i s o o s i 通信标准模型如图3 - 1 所示。该模型由7 层组成，并分成两类：一类是面向用户的第5 层到第7 层：另一类是面向网络的第1 层到第4 层。第1 层到第4 层描述数据从一个地方传输到 另一个地方，而第5 层到第7 层给用户提供适当的方式去访问网络系统。图3 2 是p r o h b u s 的 协议结构，从中可以看出，p r o f i b u s 协议采用了i s o o s i 模型中的第1 层，第2 层以及必要时 还采用了第7 层。第1 层和第2 层的导线和传输协议依据美国标准姒r s 4 8 5 、国际标准 e n 6 0 8 0 5 - 1 【4 】。总线存取程序、数据传输和管理服务基于d n l 9 2 4 【5 】标准的第1 到第3 部分和 m c 9 5 5 1 6 标准。管理功能( f m a 7 ) 采用了i s o d i s 7 4 9 8 - 4 ( 管理框架) 的概念。 对面冉应用要求的应用程 第7 屡 应用屡 序酌接口读、写)面 用于下一晨分析和释的向 第6 层衰选屡 数据衰迭方式( 蝙码， 用 建立和疆i 蜊翎口站莲接、逼 户 第5 屡 会话屡 德进程的四步 为幕5 屡控t 蛹噶倍输 簟4 睡植输缕 c 传蝻出稽- 努拥蠡缓曩 包) 面 建立相清除连接- 避免网烙 第3 屡同络屡冉 堵塞 网 包撇据安全的息蛾存取 第2 詹数哥喇l 瞻 络 协议姑逑c 介质存款控棚) 介正定奠( 硬件) ，数据俸 第l 屡物理屡 输的铺码和道度 田3 1 i s o o s i 通信标准模型 中国农业大学硕士学位论文 第三章p r o f i b u s d p 现场总线设计 雕p 廊爆腔 i 研 1 3 l 书) 蝴链潞了 1 2 l 臀工 e n 5 0 t ? 0 园p r o r 剐s 诤剩+ 删 图8 - 2p r o f i b i j $ 的协议结构 p r o f i b u s 根据应用特点和协议结构的不同分为p r o f i b u s - d p 、p r o h b u s f m s 、 p r o h b u s p a 三个兼容版本。 p r o f i b u s - d p ：d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 即分布式外围设备( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ， 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i 之间通信设计，使用 p r o h b u s - d p 模块可以取代加工昂贵的2 4 v 或o - 2 0 m a 并行信号线。用于分布式控制系统的高 速数据传输。 p r 0 砌u s 二f m s ；f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 即现场总线信息规范，是解决车间 级通用性通信任务。提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺 织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动 化控制。 p r o f i b u s - p a ：p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 即过程自动化，专为过程自动化设计，标准的本 质安全的传输技术，实现了i e c l l 5 8 2 中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线 供电的站点。 p r o f i b u s - d p 和p r o f i b u s - f m s 系统使用了同样的传输技术，都是r s 4 8 5 传输或光纤， 遵从相同的协议，因而这两套系统可以在同一根电缆上同时操作。而p r o f i b u s p a 用的是 i e c l l 5 8 - 2 传输技术，此技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称之为h 1 ，并 且可以保持本质安全性，使现场设备通过总线供电。由于本设计只用到p r o f i b u s - d p ，下面将 对d p 进行详细研究。 1 1 it。_=ui_。土； 中国农业大学硕士学位论文第三章p r o f i b u s d p 现场总线设计 b i l l 3 ，2 2p r o f i b u s d p 总线 p r o h b u s d p 协议是为自动化制造工厂中分散和现场设备所需要的高速数据通信而设 计的。d p 主站和从站间的通信基于主一从原理，也就是说，当主站请求时总线上的d p 从站才可 能活动。d p 从站被d p 主站按轮询表依次访问。图3 - 3 为p r o f i b u s - d p 的令牌总线存取过程图。 田3 - 3p 雨f i b u s - d p 的令牌总线存取过程圈 从图3 - 4 中可以看出现场设备的类型分为主站和从站。从站在组态时被分配给各个主站。主 站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权( 令牌) 时，没有外界请求也可以主动发送信息。 主站又分为1 类d p 主站和2 类d p 主站。 1 类d p 主站循环的与d p 从站交换用户数据。在启动、重启动和数据传送阶段，d p 主站发 送参数给从站，循环的与从站进行数据交换，并读取从站的诊断信息。主站是用控制命令将它的 运行状态告知给各d p 从站，发送控制命令给从站，以实现主从站输出和输入数据的同步。主要 包括大、中型p l c 。 2 类d p 主站是编程装置、诊断和管理设备。一般指p c 机或一些编程设备。它除了已经描述 的1 类主站的功能外，还常支持下列功能：在与1 类d p 主站进行通信的同时。可读取d p 从站 的输入和输出数据。还可以读取从站的当前组态数据，允许2 类主站分配个新的总线地址给从 站，此外，还提供一些用于与1 类主站通信的功能。 从站：指带有二进制或模拟输入输出的设备，完成与主站的数据交换，向主站报告本地诊断 中断和过程中断。在s m a t i cs 7 系统中使用三个不同的d p 从站，根据其配置和用途，将s 玎忱蝴c s 7d p 从站设备分类如下： 紧凑型d p 从站：具有不可更改的固定结构的输入和输出区域。如e r 2 0 0 b 电子终端系列( b 代表 o 块) 就是这种紧凑型d p 从站。 模块化的d p 从站：其输入和输出区域是可交的。在用s 1 1 弹7 软件的h wc o n f i g 组态此从站 时定义它的区域。e t 2 0 0 m 模块是这种从站的典型代表，对模块化的$ 7 - - 3 0 0 系列最多有8 个i o 模块与1 个e - t 2 0 0 m 接口模块( 1 m 1 5 3 ) 连接。 智能型d p 从站( 1 从站) ：在p r o f i b u s - d p 网络中具有d p 接口的c p u 或安装c p 3 4 2 - 5 通 信处理器的p l c 可作为d p 从站，称之为智能d p 从站。它的输入和输出区域的结构可用s t e p 7 中国农业大学硕士学位论文第三苹p r o f i b u s - d p 现场总线设计 曼曼曼曼鼍皇鼻_ i 曼曼曼曼皇皇吕s 皇墨曼曼矗皇曼舅詈皇量暑罾量! 皇蔓鼍曼曼曼曼蔓皇曼詈曩量e 曼曼葛皇鼍詈曼皇曼量詈i 软件来定义。智能从站的特点是：提供给d p 主站的f o 区域不是实际存在的加区域，而是由 预处理c p u 映象的i o 区域。 d p 主站之间的通信是采用令牌环通信方式，其存取控制采用令牌法，能满足实时性的要求。 令牌环通信方式的工作过程及其帧结构如图3 - 4 所示。 ( a ) 工作过程 ( b ) 帧结构 图3 - 4 令牌环通信方式 在上图( a ) 中，令牌在物理环中接箭头指向依次流动，获得令牌的站才有权发送数据。例 如b 站要向d 站发送数据，当令牌传送到b 站时，b 站把令牌变为暂停证，然后把待发送数据 按照上图( b ) 表示的格式加在暂停证后面，晟后再加上令牌从b 站发往c 站。此帧信息经c 站 中转后到达d 站，d 站把自己的本站地址与帧信息中的目的地址相比较，两者相同，表明此帧信 息是发给本站的，然后对此帧信息做差错校验，并把校验结果以肯定或否定应答填在a c k ( 确 认应答) 段中，同时把此帧复制下来，稃把带有应答的帧继续向下传送，经a 站到达b 站。b 站同样也要做地址比较，但比较的是源地址，若相同，则表明此帧信息是自己发出的，再检查 a c k 段，若为否定应答，则要进行重发：若为肯定应答，则把此帧信息从环上吸收掉，只剩下 令牌在环中继续流动。 d p 主站与从站之间的通信为主从通信，通信作业的发起者为请求方。相应的通信伙伴为响 应方。所有主站的请求具有高优先权，而从站的请求按低优先权处理。数据传送过程分为三个阶 段：参数设定，组态配置和数据交换。主从通信流程图如图3 - 5 所示，在主从通信开始之前，主 站必须定义从站的参数并组态这个从站。因此，主站应该先检查从站是否在总线上。如果在总线 上，则主站通过请求从站的诊断数据来检查从站的准备情况。当从站报告已准备好参数定义时， 主站装载参数集和组态数据。然后再请求从站的诊断数据以查明从站是否准备就绪，完成这些后， 主站从站才能开始交换数据。 中国农业大学硕士学位论文第三章p r o f i b u s - d p 现场总线设计 田3 - 5 主从通信漉程图 按照主主令牌交换和主从通信协议，设计系统时要满足介质存取控制的两个基本要求： 对主站之间通信，在确切限定的时间间隔中，必须保证任何一个站点得到总线存取权( 令牌) 和有足够的时间来完成通信任务。 在复杂的程序控制器和简单的设备( 从站) 阃通信，应尽可能快速而又简单的完成数据 的实时传输。 在主从站系统中采用双重保护机制。主站使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视， 而每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如果数据传输发生出错，定时 器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。对从站使用看门狗控制器检测主站和传输 线路故障，如果在一定的时间间隔内发现没有主站的数据传输，从站自动将输出进入故障安全状 态。 3 3 控制系统p r o f lb u s - d p 总线设计 3 3 1 总线接口方式设计 在p r o f i b u s - d p 总线控制系统设计中，主站p l c 与从站p i c 采用总线接口型式，检测装 置和执行机构等现场设备不具备p r o f i b u s 接口，可采用p l c 的口作为总线接口与现场设 备连接，而p i c 之间需用总线连接。主站与从站变频器之间采用单一总线型式，系统中从站变频 1 4 中国农业大学硕士学位论文第三章p r o f i b u s - d p 现场总线设计 量一i i i i 曼吕置曼曼! 曼曼岂曼曼皇皇量皇毫曼曼曼鼍鼍曼! 曼曼蔓 器直接采用p r o f i b u s - d p 接口连接。这样在设计车库现场级控制系统总线接口时采用了总线接 口型和单一总线型混合的方式。 车库控制系统采用这种接口方式，用p l c 的i 0 口作为接口与检测装置和执行机构相连，减 少了p r o f i b u s d p 接口节点的设计。节约了成本；同时从站p l c 本身具有程序存储和执行功能， 主站通过通信间接控制从站，减轻了主站系统的负担。在设计变频器控制时直接采用了 p r o f i b u s d p 接口的方式，保证了控制系统指令的快速执行。 3 3 2 总线通信方式设计 主从通信是在s i m a t i cs 7 应用中使用p r o f i b u s - d p 的一种通信方法。在主从通信期间， d p 从站不用1 对多的报文( 从一b n n ) 而用1 对1 的报文( 从一主) 响应d p