（机械电子工程专业论文）基于profibus的cnc系统开放式接口的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ，作为c n c 系统的发展方向之一，开放式c n c 系统的研究与开发是为了满 足豌代制造自动化的需求，并适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展 ，的趋势。 v 在综合分析开放式c n c 系统的研究现状和发展动态的基础上刀本文结合我 国数控技术发展的实际情况，研究了开放式c n c 系统的体系结构，提出了将 c n c 系统分为设备层、功能层和应用层，首先实现这三个层次间的开放式接口， 再逐步实现“全开放”c n c 系统的技术方案。 基于上述观点，本文提出基于现场总线技术和o p c 技术的c n c 系统开放 式接口，使得c n c 系统既能具有硬件设备无关性，可以集成不同厂商的底层设 备：同时又能实现与c a d c 删c a p p 系统的信息集成。 在当前各种主流现场总线中，p r o f i b u s 现场总线在制造自动化系统中具有 较大的优势和发展前景。本文介绍了p r o f i b u s 现场总线的体系结构和 p r o f i b u s - d p 的技术特性，给出了一个基于p r o f i b u s - d p 的c n c 系统硬件平台 的配置实例。讨论了一个p r o f i b u s d p 智能从站设备的开发。 接着，本文介绍了o p c 技术的发展和技术特点，提出了基于o p c 技术的 c n c 系统软件结构，讨论了如何开发c n c 系统的o p c 设备接口程序和 c n c o p c 服务器程序。并探讨了如何应用o p c x m l 实现c n c 系统与i n t e m e t 的无缝连接。 、 ( 本文最后总结了所傲的工作，并展望了下一步的研究工作。士 关键词：开放式c n c 系统；现场总线；p r o f i b u s ；o p 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ei d l p o r t a n tt e n d e n c yo f c n c s y s t e m s ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f 也eo p e na r c h i t e c t u r e o fc n cs y s t e m sw i l l m e e tt h en d s o fm a n u f a c t u r i n g 郐】t o m a ：七i o ns oa st oi m p l e m e n tac o n t r o ls y s t e mt o w a r d st h ei n t e l l i g e n c e , n e t w o r k a n dd e c e n t r a l i z a t i o n r b a s e do n 也er e v i e wa b o u tt h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t t e n d e n c yo fo p e n c n cs y s t e m s ，i nt h et h e s i s ，at e c h n i c a la p p r o a c hf o rd e v e l o p i n g a no p e nc n c s y s t e mh a sb e e np r o p o s e d ，c o m b i n e dw i t ht h er e a ls i t u a t i o no f t h ed o m e s t i cc n c t e c h n o l o g y i nt h ea p p r o a c h ，ac n cs y s t e m w i l lb ed i v i d e di n t ot h r e el e v e l s ，n a m e l y d e v i c el e v e l f u n c t i o nl e v e la n da p p l i c a t i o nl e v e l ，a n dt h eo p e n i n t e r f a c e sw i l lb es e t u pf i r s t l yb e t w e e n t h e s el e v e l ss oa st or e a l i z ef u l lo p e n i n go f ac n c s y s t e ms t e pb y s t e p w i t hs u c ha na p p r o a c h ，i nt h et h e s i s ，af i e l d b u sa n do p c b a s e do p e ni n t e r f a c eh a s b e e n p u tf o r w a r df o rt h ec n cs y s t e m s i tn o to n l y c a nc h a r a c t e r i z eac n cs y s t e m a s d e v i c e i n d e p e n d e n ts oa st oi n t e g r a t ed i f f e r e n tc o n 仃o ld e v i c eo f d i f f e r e n ts u p p l i e r s ， b u ta l s oc a nr e a l i z et h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nw i t hc a d c a w c a p fs y s t e m s - w i t h i nv a r i o u sf i e l d b u s ，p r o f i b u si so v e r w h e l m i n ga n dh a sap r o m i s i n gf u t u r ei n t h em a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n i nt h et h e s i s t h ea r c h i t e c t u r ed ff r o f i b u sa n dt h e t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f p r o f i b u s d pa r ei n t r o d u c e d , a n da l s oa ne x a m p l e i s p r e s e n t e d t oi l l u s t r a t eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o np l a t f o r mo fo p e nc n cs y s t e m f u r t h e r m o r e ap r o f i b u s d ps l a v ed e v i c ei sd e v e l o p e d a f t e rt h ed e f i n i t i o na n d d e s c r i p t i o n o fo p c ( o l ef o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) ，a l l o p c b a s e ds o f b , v a r ea r c h i t e c t u r eo fc n c s y s t e mi sp r e s e n t e da n d t h ed e v e l o p m e n t o fa no p cc l i e n tp r o g r a mf o rd e v i c ed r i v e ri nc n c s y s t e ma n da c n c o p cs e r v e r p r o g r a mi s d i s c u s s e d t h es e a m l e s sc o n n e c t i o no fc n cs y s t e mt oi n t e r a c tw i t h 0 p c x m li sd e s c r i b e d a tt h el a s t a l lt h ew o r k so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e da n dt h ef u t u r er e s e a r c hi s p o i n t e d o u t k e y w o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ，f i e l d b u s ，p r o f i b u s ，o p c 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 本学位论文属于武汉市科委重点科技攻关项目“基于现场总线的c n c 系统 的研究与产品开发”( 项目批准号：2 0 0 0 1 0 1 0 0 9 4 ) 的重要组成部分。 1 1 2 课题的研究背景 信息技术的迅猛发展和全球性的经济竞争，正推动着制造业发生一场深刻 的技术革命，制造业正朝着智能化、集成化、网络化和全球化的方向发展。传 统的制造系统正逐步演化为数字制造系统。但是，新的制造模式的实现必须建 立在新型加工设备的基础之上。在整个制造系统中，最早实现数字化的是数控 机床。然而，传统的数控设备已不能适应数字制造系统的需要，因为它们采用 的是封闭式的体系结构，使得c n c 系统与c a d c a m c a p p 系统的信息集成成 为难点，同时也很难对c n c 系统重新配置和修改。因此，世界上各工业发达国 家都十分重视新一代开放式c n c 系统的研究与开发。 开放式c n c 系统的定义，虽然仍没有统的概念，但各方对开放式c n c 系统基本特征的认识是一致的，那就是开放式c n c 系统应具有以下特征： ( 1 ) 互操作性。提供一个统一标准的通讯平台来实现数据的交换： ( 2 ) 可移植性。系统软件应是设备无关的，即通过统一的设备接口可完成对 设备的控制，并要求各部件具有统一的数据格式、行为模型、通讯方式和交互 机制； ( 3 ) 可互换性。不同开发商开发的功能模块可以实现互换。开放式c n c 系 统的构成部件不受制于单一供应商，从而可以以较低的价格获得性能更好的系 统组件： ( 4 ) 可裁减性。c n c 系统的功能、规模应是灵活、可变的。配置的灵活性 可以使c n c 系统具有广泛的适应性，并易于形成规模化系列产品。 为实现具备以上特征的开放式c n c 系统，必须在对c n c 系统建立功能模 型的基础上，采用标准的硬件平台和软件平台，实现各控制功能模块之间以及 控制模块和外部设备之间的通讯协议和机制【2 1 【3 】【4 】。 目前，基于工业p c 的c n c 系统已成为工业界的一种潮流。采用工业p c ， 可以充分利用p c 机成熟的硬件和软件技术，便于实现c n c 系统各控制模块之 i 华中科技大学硕士学位论文 间的开放。国产c n c 系统如华中1 型或航天1 型等，都采用这种方案实现了一 定层次上的开放。但p c 技术无法解决c n c 系统控制模块和外部设备之间开放 式接口的问题，而现场总线技术则为解决这问题提供了捷径【5 】【9 】【1 0 1 1 1 “。 按照i e c 和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网纠9 1 1 2 0 1 。在c n c 系统中采 用现场总线有以下优点： ( 1 ) 具有开放性、互操作性、互换性、可集成性； ( 2 ) 增强了现场级信息集成能力： ( 3 ) 有利于实现高速、高精度的c n c 系统； ( 4 ) 系统可靠性高、可维护性好： ( 5 ) 降低了系统及工程成本。 采用现场总线的c n c 系统能够满足开放式c h i c 系统的发展趋势，已成为 数控技术的研究热点【1 8 】【3 0 】【3 ”。 1 1 3 开放式c n c 系统研究现状和趋势 开放式c n c 系统的概念( 6 】【7 1 【8 1 最先出现于2 0 世纪八十年代末。其产生的直 接动力，是各国、各企业对国际市场的竞争。到目前为止，开放式系统规范尚 未统，形成了几种主要方案，他们对开放式c n c 系统的定义也各有侧重( i ”。 ( t ) 美国的0 m a c 计划 自1 9 9 4 年起，美国三大汽车公司( g m 、f o r d 、c h r y s l e r ) 提出了o m a c ( 具有开放的，模块化的体系结构的控制器) 。o m a c 实际上并不是一个具体的 研究计划，它应当被看成直接来源于工业界的对开放式控制器的需求分析。该 计划勾画出了机床应用厂商理想的控制器。o m a c 的理想是实现以下要求： 开放性。把现成的硬件部件集成到实际的标准控制环境中： 模块化。允许部件“即插即用”，最大限度地满足特殊的应用控制要求： 可塑性。当要求的控制器变化时，能方便而有效地进行再构造； 可维护性。支持最长机床在线时间和最短机床离线时间，易于维修。 o m a c 直接引起了众多控制器生产厂商的重视，也引起美国政府部门的重 视。基于o m a c 的软件开发正在进行中。 ( 2 ) 欧洲的o s a c a 计划 1 9 9 1 年1 0 月，在e s p r i t i i i 中开始了一项整个欧洲的控制系统计划o s a c a ( o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r c o n t r o l s w i t h i n a u t o m a t i o n s y s t e m ) 。其研究目标 华中科技大学硕士学位论文 ( o d e n s y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 。其研究目标 是研制出自动化系统中的开放式控制系统体系结构。参加单位来自欧洲各国1 1 家机床厂、控制器厂商和高等院校。此项目工期从1 9 9 2 年5 月到1 9 9 6 年5 月， 投入8 9 人年，总投资1 1 4 0 万欧洲货币单位。目前o s a c a 已进入i d a s o s a c a ( i n f o r m a t i o na n d a w a r e n e s s a c t i o n ) ，该阶段的目标是使o s a c a 成为国际标准。 o s a c a 模型的理想是在标准平台上建立由可自由组合的模块组成的系统， 是诸多开放式控制器研究计划中最为理想化的模型。至今，o s a c a 已有若干试 验原型，但尚未形成完全遵循o s a c a 模型的产品。 ( 3 ) 日本的0 s e c 计划 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划是在日本国际机器人和 工厂自动化研究中心i r o f a ( i n t e m a t i o n a l r o b o t i c sa n d f a c t o r y a u t o m a t i o nc e n t e r ) 建立的开放式数控委员会( o p e nn cs c o p ea n dd i r e c t i o n sc o m m i t t e e ) 的倡导下， 由三个机床厂( t o y o d a ，t o s h i b a ，m a z a k ) 、一个系统厂( m i t s u b i s h i ) 年t l 二个信息公司 ( s m l ，日本i b m ) 发起的。其目的是开发基于p c 平台的，具有较高性能价格比 的开放式体系结构的新一代c n c 系统。o s e c 的主要研究目的为： 制订以计算机网络技术和通用处理器为核一0 的硬件平台的开放式控制器 的体系结构标准； 对开放式控制器的体系结构进行试验验证和标准化的活动。 ( 4 ) 中国的c o n u c 计划 面对开放式控制器研究的国际潮流，我国在国家经贸委、国家机械工业局、 信息产业部的指导下，由北京航天机床c n c 系统集团公司和华中c n c 系统有 限公司等八家单位共同发起制订符合我国国情的开放式c n c 系统技术规范，实 施中国开放式c n c 系统c o n u c 计划( c h i n ao p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m p r o g r a m ) 。其目的在于指导开发新一代具有我国自主版本的开放式c n c 系统平 台，推动数控产品向规范化方向发展，以及为今后数控产品的更新换代奠定基 础，促进我国的数控产业化发展。c o n u c 计划认为新一代开放式c n c 系统的 本质特征是开放性，其含义是c n c 系统的开发可以在统的运行平台上，面向 机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( a o ) ，形成系列化， 并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式 c n c 系统。系统平台保证了开放式系统体系结构的特征：互操作性、可移植性、 可伸缩性和互换性。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 基于工业p c 和现场总线的开放式c n c 系统的实现 为实现上述的开放式的c n c 系统模型，把p c 技术和现场总线技术引入 c n c 系统，已成为工业界的一种潮流。 1 2 1 基于p c 的控制技术 c n c 系统的一个重要发展趋势就是加强以p c 为基础的控制技术。采用p c 技术可以更好地实现开放和集成，充分利用p c 机丰富的硬件资源和软件资源。 但基于p c 的控制系统必须解决两大问题：可靠性和实时性。现在的工业控制计 算机的平均无故障时间可达5 0 0 0 0 小时以上，可以满足一般的控制系统的可靠 性的需要。为了解决实时性的问题，工业界广泛使用了各种实时多任务操作系 统，如v x w o r k s 、q n x 、p s o s 、r t - l i n u x 等”。 尽管w i n d o w s 并不是一个实时操作系统，但由于它良好的兼容性和友好的 窗口界面，仍在控制系统中获得了广泛的应用，采用w i n d o w s 操作系统，可以 在企业管理信息系统和自动化系统之间实现无缝连接，为控制系统走向开放奠 定坚实的基础。对于实时性要求不高的场合，w i n d o w s n t 就足以满足要求，在 c n c 系统这种实时性很强的系统中，般采用带实时扩展的w i n d o w sn t 或嵌 入式w i n d o w sn t 以及w i n d o w sc e 等，或者把实时任务交给硬件来完成，从而 实现基于p c 的控制i 2 】1 1 3 1 1 1 4 】1 1 6 11 ”。 基于组件的软件开发已成为软件业的主流，o l e c o m d c o m 技术定义了 分布式系统中软组件如何交互和共享数据，这已被证明是在w i n d o w s 环境下应 用程序之间数据交换的最先进最有效的技术，可以很好地实现软件的开放性。 o p c 基金会把o l e c o m 技术引入工业控制领域，提出了o p c ( o l ef o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 技术规范。为工业控制领域里最重要的数据交换环节提供了技术保证。 o p c 规范提供了访问工业控制中的现场数据的一种通用方式，规定了与不同控 制设备交互的统一的接口，而不用考虑使用的控制软件和设备，使系统真正实 现开放川f 5 2 5 3 1 1 5 4 1 。 1 2 2 基于现场总线技术的c c 系统 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术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口 1 2 2 1 | 2 3 】1 2 4 】【2 5 】f 3 2 脚1 。它们具有各自的特点，也显示 了较强的生命力。影响较大的现场总线有基金会现场总线( f f ) 、p r o f i b u s 和 4 华中科技大学硕士学位论文 c a n 等，基金会现场总线比较适合过程控制领域，而p r o f i b u s 和c a n 则适 用于制造、交通等离散控制场合。此外还有专用于运动控制的现场总线如 s e r c o s 和m a c r o 等。下面主要介绍三种现场总线： ( 1 ) p r o f i b u s p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是德国国家标准d 1 n 1 9 2 4 5 和欧洲标准 e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准，广泛适用于制造自动化、楼宇、交通、电力等其他 领域自动化。p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即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 m s 。p r o f i b u s d p 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。p r o f i b u s p a 专用于过程自动化领域。 p r o f i b u s f m s 则用于车间级监控网络【2 6 | 【2 7 1 【2 8 1 1 2 9 1 3 7 。 ( 2 ) c a n c a n 是控制局域网络( c o n t r o l a r e a n e r o ) 的简称，其总线规范现已被 i s o 指定为国际标准。它广泛应用在离散控制领域。c a n 的模型结构只有三层， 即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双 绞线。通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达1 0 k m 5 k b p s 。可 挂接设备数最多可达1 1 0 个【3 0 】【3 9 】【4 0 】。 ( 3 ) s e r c o s s e r c o s 总线是9 0 年代初德国工业界提出并制定的，于1 9 9 5 年被确认为 i e c l 4 9 1 国际标准。它是种用于数字伺服和运动控制系统的高速串行实时通 讯的现场总线接口和数字交换协议。由于s e r c o s 总线在实时通讯时的数据传 输速率较高，特别适合于多轴运动控制，易于高速度、高精度的c n c 系统的实 现 4 0 i n l j 【4 2 j f 4 射。 以上是众多现场总线中比较适合制造自动化的三种现场总线，其中，又以 p r o f i b u s 各方面性能都很适合于数控和加工自动化。它具有如下特点： 技术上的成熟性。p r o f i b u s 自1 9 8 9 年问世以来，在工业自动化，尤 其是制造和加工自动化方面获得广泛的应用，在欧洲的市场份额超过4 0 ； 技术的开放性。p r o f l b u s 保证不同厂商的产品均可相互通信。在加工 自动化领域，世界上有一百多家厂商生产近干种带有p r o f i b u s 接口的产品， 与p r o f i b u s 相连接的设备多达几十万台； 技术的适用性。p r o f i b u s 首先在加工业得到应用，标准制定的主要参 加者和产品的主要生产商均为在加工业具有领导地位的国际型企业。带有 华中科技大学硕士学位论文 p r o f i b u s 接口的控制设备已广泛应用于各种加工领域并取得了良好的成绩。 p r o f i b u s 所实现的数据传输的可靠性、实时性以及丰富的功能使其成为最适 合加工制造自动化的一种现场总线。 目前，基于现场总线的c n c 系统已成为c n c 系统的发展趋势s i e m e n s 公司的s i n u m e r i k8 0 2 d 是第一个集成了p r o f i b u s 接口的c n c 系统，它将 数控装置与伺服驱动之间的所有通讯连接通过一个p r o f i b u s 总线实现，简化 了安装和接线过程，并实现了对所有p r o f i b u s 用户的开放性。北京中机浦发 公司也在进行p r o f i b u s 应用于柔性加工系统的研究。带s e r c o s 接口和 m a c r o 接口的运动控制卡也已成功地应用于各种数控加工系统。很多厂商如 西门子、伦茨、i n t r a m a t 等公司的伺服系统也都带有p r o f i b u s 、s e r c o s 、c a n 等总线接口。 同国外相比，我国在这方面尚处于起步阶段。因此，加强这方面的研究与 开发非常必要，利用比较成熟的现场总线技术，既可以提高国产c n c 系统的性 能和可靠性，提高产品竞争力，同时也提高了系统的开放性，为实现车间自动 化和c i m s 系统打下了良好的基础。 1 3 基于现场总线的c n c 原型系统 本课题的目的是参照各种开放式c n c 系统的模型，实现一个如图1 1 所示 的基于现场总线和p c 技术的开放式c n c 原型系统。 该原型系统分为三个层次：设备层、功 能层和应用层。最底层是设备层，包括机床 本体及伺服系统、电机和i ，o 设备等。中间 是功能层，c n c 系统的代码解释、刀补、预 处理、插补和p l c 等功能都在这一层实现。 最上层是应用层，负责提供人机界面，以及 和c a d c a m ，c a p p 系统的接口。功能层是 系统的关键，它必须实现两个层次上的开放， 即向下对设备层的开放和向上对应用层的开 放。对设备层的开放是指提供一个通用的接 口访问外部控制设备，使功能层具有设备无 关性；对应用层的开放是指提供一个通用的 数据交换接口，接受来自应用层的命令并把 人机接口( i i m l ) v 应 t 中c 接口 用 v f 层 阿服务器 、c 控制和p l c 控错 功 能 现场总线接口 层 1 锻辅n 瓣撇愀 设 鲁 机床丰体层 图1 ic n c 原掣系统体系结构 相关的数据送到应用层，使功能层具有应用无关性。也就是说，无论在何种应 旦虫：苤旦盟登丝鱼：嫠鳇堡垃型丕筮笪篮：垒= 垡鲣星丕煎堕童：墨旦墨 华中科技大学硕士学位论文 场总线技术，可以实现对设备层的开放，而利用o p c 技术，则可以实现对应用 层的开放，同时又为实现网络数控提供了条件。 本课题的工作重点就是实现c n c 系统的功能层，使其满足开放性和实时性 的要求，最终实现一个原型系统。下面分别介绍各个模块的实现方案。 ( 1 ) 现场总线接口的实现 目前有多种现场总线可供选择。根据对各种总线特点的分析并结合课题的实 际情况，我们选择p r o f i b u s d p 作为c n c 装置和设备之间的接口，伺服系统和 i 0 模块都通过p r o f i b u s d p 连接到p c 。 ( 2 ) n c 和p l c 功能的实现 n c 和p l c 功能模块是c n c 系统的关键部分，对c n c 系统的性能有重要 影响。其中n c 功能模块又可分为代码解释、刀补、预处理、插补、位控等任 务模块，这些任务模块必须在个时间间隔内按一定优先级并行的执行，模块 之间存在着较强的耦合性，因此是一个非常复杂的实时并行多任务系统，它对 操作系统的实时性提出了较为严格的要求。w i n d o w sn t 能够实现弱实时眭， 但对于要求高速高精度的c n c 系统，w i n d o w sn t 就很难满足要求。工业界的 普遍采用两种做法：一是用硬件完成强实时性任务。用基于d s p 的p r o f i b u s 运动控制卡实现上下位机的主从模式控制。d s p 可以完成以上的n c 功能和p l c 功能，并和p r o f i b u s 专用接口芯片共同完成p r o f i b u s 的通信功能。由于 d s p 的运行和处理速度都比较快，因此易于实现一些较为复杂的算法，满足当 今c n c 系统高速高精控制的要求。另外一种做法是采用带实时扩展的w i n d o w s n t 操作系统，用软件实现n c 和p l c 功能。本课题采用后一种方案。 ( 3 ) 应用接口的实现 无论n c 和p l c 功能用硬件还是用软件实现，我们希望它对应用层是透明 的，并对各种应用提供一个通用的接口，方便的和各种h m i 软件交换数据。o p c 技术可以实现这要求。采用o p c 技术，数据可以很容易地存入数据库或发布 到i n t e m e t 上，便于实现远程控制和远程故障诊断。 ( 4 ) 应用层的实现 应用层主要提供人机界面，而且没有实时性的要求，因此可采用各种可视 化开发工具进行开发，为了减少重复性开发，便于二次开发，可利用c o m 技 术，对不同的应用使用不同的组件，加快丌发速度。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文所做的工作 本文主要在以下几个方面进行了研究和开发工作： ( i ) 在查阅国内外相关文献和调研的基础上，了解掌握开放式c n c 系统、 现场总线的发展现状和动态。 ( 2 ) 深入研究了p r o f i b u s 现场总线，提出并构建了一个基于p r o f i b u s 总线的c n c 原型系统硬件平台，可以在该平台上实现基于p r o f i b u s 的运动 控制和离散控制功能。 ( 3 ) 利用p r o f i b u s d p 从站协议芯片成功地开发了p r o f i b u s d p 智能从 站设备，采用该设备可将普通传感器和智能仪表连入p r o f i b u s 总线系统。 ( 4 ) 深入研究了o p c 技术及其应用，并在此基础上构建了基于组件结构的 开放式c n c 系统软件接口。开发了c n c 系统的访问低层硬件设备的o p c 客户 程序和用来与上层软件通信的o p c 服务器程序。 ( 5 ) 研究了如何利用o p c 技术来构建c n c 系统的基于w e b 的i n t e m e t 接口。 ( 6 ) 针对c n c 系统的性能要求，研究了p r o f l b u s 总线的可靠性和实时性 问题。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章p r o f ib u s 技术综述及配置实例 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是当今世界上应用最为广泛的现场总线技术之 一，是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准，并在1 9 9 9 年1 2 月成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的部分。它包括了波特率可达1 2 m b p s 的高 速总线p r o f i b u s d p ( h 2 ) 和用于过程控制的本安型低速总线p r o f i b u s p a ( h 1 ) ，使其在结构和性能上优越于其他现场总线。与其它现场总线系统相比， p r o f i b u s 的最重要优点是它的普遍性。它包括了加工制造、过程控制和楼宇 自动化等广泛应用领域，并可同时实现集中、分散和混合三种控制方式。 p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i d h e r y ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s f m s ( f i e l d m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。p r o f i b u s d p 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。p r o f i b u s p a 专用于过程自动化领域。 p r o f i b u s f m s 则用于车间级监控网络 2 6 1 2 7 】【2 8 1 1 2 9 1 。 2 2p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 的协议结构符合i s o 的开放式系统互连模型( o s i ) ，其协议模 型如图2 1 所示，其中p r o f i b u s d p 只定义了o s i 的第一层、第二层和用户接 口，第三层到第七层未加描述。这种协议结构确保了数据传输的快速和有效。 总线存取协议在第二层即现场总线数据链路层实现，包括主站之间的令牌传递 方式和主站和从站之间的主从方式。 2 2 1 物理层 p r o f i b u s 提供了三种传输技术： o r s - 4 8 5 ：用于d p f m s ，这是工程实践中使用最广泛的传输技术，网络 拓扑采用线性总线，两端带有有源的总线终端电阻。传输速率从9 6 k b p s 到 1 2 m b p s 。传输介质采用了带屏蔽的双绞电缆，对抗干扰要求不高时也可取消屏 蔽。每网段最多3 2 个站，使用中继器可多达1 2 7 个站。 光纤电缆( f o ) ：用于d p f m s ，可选，用于电磁兼容性( e m c ) 要求 高和长距离要求的场合。 9 华中科技大学硕士学位论文 图2 1p r o f i b u s 协议结构 i e c1 1 5 8 - 2 ：用于p a ，传输速率3 1 2 5 k b p s ，具有本质安全特性，由总线 对设备供电。 个p r o f i b u s 系统可连接1 2 6 个站，总线系统可分为若干个段，段与段 之间用中继器连接。每个总线网段最多可连接3 2 个站中继器也作为一个站点。 要覆盖更长的距离，可建立连接段，连接段不连接任何站。应用光纤传输，在2 个中继器之间的距离可达到几公里。在实际应用中，有再生和非再生的中继器， 再生的中继器处理信号条件因而能增加总线系统传输范围。 p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 的编码方式为n r z 码( 即不归零码) ， 在位持续期间，二值信号0 或“1 ”不改变。一个字符在p r o f i b u s 总线上 为l1 位，即1 个起始位，8 个数据位，一个偶校验位和个停止位。在没有数 据发送时，空载电位为1 。 p r o f i b u s p a 传输数据按照i e c l l 5 8 2 国际标准，编码方式为曼彻斯特码。 2 2 2 数据链路层 p r o f i b u s d p 脚m s 均使用一致的数据链路层协议，该协议是通过o s i 参考模型的第二层来实现的。数据链路层描述了用于数据传输中报文的一般格 式、安全机制和可用的传输服务。 为了满足各种工业自动化应用场合的需要，p r o f i b u s 提供了两种传输存 取方式：主站之间的令牌( t o k e n ) 存取方式和主站与从站之间的轮询( p o l l i n g ) 存取方式。它可以实现三种系统配置：纯主主系统，纯主从系统和混合系统， m 华中科技大学硕士学位论文 从而可满足各种自动化应用领域的需要a p r o f i b u s 标准规定了以下的传输服务： s d a ：发送有应答的数据( 仅对于f m s ) 。数据发送到主站或从站，在 应答中发送一组短的应答； s r d ：发送和请求有应答的数据( 对d p 和f m s ) 。在一个报文循环中 发送和接收数据； s d n ：发送没有应答的数据( 对d p 和f m s ) 。广播和有选择广播报文， 即报文送达有选择的一组节点； c s r d ：循环发送和请求数据( 仅对于f m s ) 。 p r o f i b u s d p 仅限于s r d 和s d n 服务。在s r d 服务时，主站发送输出 数据到从站和接收数据( 若输入数据存在于从站中) ，在规定的时间周期内应答。 若从站是输出设备，则用“e 5 h ”的短应答。s d n 服务是发送数据到规定的一 组从站，可按照要求触发s d n 服务，对s d n 报文没有应答。 数据链路层应该保证传输数据的安全性和完整性。海明距离是评价数据传 输质量的判据，p r o f i b u s 报文的海明距离为4 。可以检查以下的错误： 字符格式错误( 奇偶错误，帧错误，超限) ； 协议错误； 错误的起始终止定届符； 错误的帧校验字节： 错误的报文长度。 2 2 3 应用层和用户接口层 p r o f i b u s - d p 未使用应用层。这种结构确保了数据传输的快速性和有效 性。在d p 的用户接口层中，直接数据链路映像d d l m ( d i r e c t d a t a l i n k m a p p e r o ) 为用户接口进入第二层提供了简捷的途径。除此之外，用户接口中还规定了用 户、系统以及不同设备可调用的应用功能。d p 行规( p r o f i l e ) 详细说明了各种 不同d p 设备的设备行为。 p r o f i b u s - p a 也未使用应用层。在p a 的用户接口层，它以d p 的基本功 能为基础，采用扩展的d p 功能。除此之外，还用p a 行规描述了现场设备的各 种参数和设备行为的各种要求。 p r o f i b u s f m s 使用了应用层。应用层由现场信息规范f m s ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和低层接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 组成。f m s 包 括应用协议并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服务；l l i 协调各种通讯 羞丕l 麴呈m ! 量堡至堡整堡鱼些堕旦壁堕星堕里堑：垄星宝垄旦星塑塞! 华中科技大学硕士学位论文 f m s 设备行规。 2 3p r o f i b u s d p 技术特性 p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 是一种高速而价廉的通信连接a 它专门设计为自动控制系统和设备级分散的i ，o 之间进行通信使用。使用 p r o f i b u s d p 模块可取代2 4 v 或4 2 0 r n a 的串联式信号传输。直接数据链路 映像( d d l m ) 提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变得简单方便，传 输可使用r s - - 4 8 5 传输技术或光纤媒体。 下面主要介绍p r o f i b u s d p 的主要技术特性。 2 3 1d p 设备类型 每个p r o f l b u s d p 系统可包括以下三种不同类型的设备： 一类d p 主站( d p m l ) ：作为中央控制器，可在预定的信息周期内与 d p 从站交换数据。典型的d p m l 如p l c 或p c 。 二类d p 主站( d p m 2 ) ：可以是编程器、组态设备或操作面板，在d p 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。 d p 从站：这是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备( f o 设备、 驱动器、h m i 、阀门等) 。 p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多主站系统。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、诊断信息格式以及所使用的总线 参数等。p r o f i b u s 标准规定报文有效数据可到2 4 4 字节，连接的站地址为 0 - 1 2 6 。其中地址1 2 6 仅用于投运目的，不可用于数据交换。 2 3 2 运行模式 停止：d p m l 与d p 从站之间没有数据交换； 清除：d p m l 读取d p 从站的输入信息，并使输出信息保持在故障安全 状态； 运行：d p m l 处于数据交换状态。如在此阶段发生故障，系统将根据组 态参数“自动清除”( a u t o c l e a r ) 的设定值做出相应的反应。 这些操作状态由本地或由组态设备通过总线控制。 2 3 3 同步和锁定 d p m l 可向单个d p 从站、一组d p 从站或全体d p 从站同时发送控制命令， 此时使用同步和锁定模式来实现d p 从站的事件控制同步。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 3 4 保护机制 为确保数据传输的安全和可靠，除所有信息传输按海明距离h d = 4 进行之 外，d p 从站使用“看门狗”控制器监测主站和传输线路的故障；对d p 从站的 输入输出进行存取保护；d p 主站使用数据控制定时器对从站的数据传输进行 监视等。 2 3 5 故障诊断功能 p r o f i b u s d p 提供了广泛的诊断可能性，通过诊断信息能快速确定故障 的位置。诊断信息分为三级： 与站有关的诊断。站一般运行状态的信息，如温度过高，电压过低等： 与模块有关的诊断。设备中相关模块的信息，如模拟量输入模块有故障 等； 与通道有关的诊断。输入或输出某一信号位的信息，如某条输出线断线 等。 p r o f i b u s d p 对错误状态提供了方便和通用的处理渗断报文的方法。当启 动时，在参数化报文前和在状态机制呈现数据变换方式前，主站通常请求诊断 数据。 当从站设备监测到故障时，在当前数据通信时，向主站发送高优先级的响 应报文。主站在下一次总线循环时，向这从站请求诊断报文以获得故障信息。 在总线系统中的任一主站可向任一从站请求诊断数据。 d p 从站的诊断信息包括6 字节的标准诊断信息和用户相关的诊断信息。 2 3 6 电子设备数据库文件( 6 s o ) 和开放式组态 p r o f i b u s 设备的性能、特点和参数，对每种设备和每家生产厂商来说