（测试计量技术及仪器专业论文）profibus总线技术研究及监控系统的实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 作为自动化领域的热点之一，现场总线己成为自动化系统与分散的现场设备间 信息交换的主要技术。p r o f i b u s 是国际上应用十分广泛的工业过程现场总线，主 要应用于加工自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域。 首先，本文阐述了课题的研究背景和选题依据，提出了课题的对象系统；接着 从基本概念、技术特点以及通信协议等几个方面对现场总线技术做了全面、系统的 分析，介绍了几种典型的现场总线技术，并着重分析了p r o f i b u s 现场总线的技术 特点和优势；随后还研究了应用p r o f i b u s 总线枝术构建控制网络所要注意的问题， 给出了几种实际应用中典型的p r o f i b u s 控制网络结构类型。 本文提出了一种利用p r o f i b u s 总线技术进行监控系统开发的设计模式。以工 业锅炉为对象，应用c i t e c t 软件包和o p c 的c l i e n t s e r v e r 技术开发了一个典型 的基于p r o f i b u s 的分布式监控系统，为今后工控系统及监控组态的研究提供了一 个可行的方案。 最后，本文对课题进行了回顾和总结，并对现场总线实验室中多现场总线测控 系统的进一步研究的思路做了探索性分析。 关键词：现场总线、p r o f i b u s 、监控系统、o p c 、c i t e c t p r o f i b u s 惑线技术舔究及釜控慈绞鹣实壤 a b s t r a c t n o w a d a y s 。t h et e c h n o l o g yo f f i e t d b u sh a sb e c o m et h eh o t s p o ti n 壤er e s e a r c hf i e l d o fa u t o m a t i z a t i o na n db e c o m et h em a i nm e t h o do fc o m m u n i c a t i o na n de x c h a n g eo f i n f o r m a t i o ni nt h ed c s s y s t e m s ，a n dt h ep m f i b u si s8k i n do f f i e l d b u sb r o a d l yu s e di n m a n ys i t u a t i o n so fp r o c e s sc o n t r o lo fi n d u s t r ys u c ha sa u t o m a t i z a t i o no fp r o c e s s i n g 。 a u t o m a t i z a t i o no f m a c h i n i n ga n da u t o m a t i z a t i o no f b u i k 鞋蕺g 。 t nt h ea r t i c l e w ef i r s td i s c u s st h eb a s i sa n db a c k g r o u n di ns e l e c t i n gt h i st o p i ct o d i s c u s si nt h et h e s i sa n db r i n gf o r w a r dt h es y s t e mo fr e s e a r c ho b j e c t t h e nw ei n t r o d u c e a n da n a l y s et h ef i e l d b u s t e c h n o l o g yb a s e d o nt h e a s p e c t s o fb a s i c c o n c e p t i o n s ， p e c u l i a r i t y o ft e c h n o l o g y , a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n dw ea l s of o c u so n i n t r o d u c i n gs o m er e p r e s e n t a t i v et e c h n o l o g i 稻o f f i e l d b u ss y s t e me s p e c i a l t yt h ep r o f i b u s s y s t e m i no r d e rt o i n t r o d u c et h ep r o f i b u ss y s t e m w ec o m p a r et h e t e c h n o l o g yo f p r o f i b u sw i t i to t h e rk i n d so ff i e l d b u s a n a l y s et h ea d v a n t a g e so fp m f i b u ss y s t e mi n t e c h n o i o g y , a n dt h e nb r i n gf o r w a r ds o m e o u t l i n e s nc o n f i g u r a t i o no fac o n t r o ln e t w o r k b yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fp m f i b u s ，g i v es o m ee x a m p l e so fp r o f i b u ss y s t e mu s i n gi n s o m e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s b yc o m b i n i n g w i t ht h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，w ed e s c r i b ei nd e t a i l st h ep r o c e s so f d e v e l o p i n gam o n i t o rs y s t e mb a s e do nt h ep r o f i b u st e c h n o l o g y i nt h i sa p p l i c a t i o n , w e e o n f i g u r a t ead i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s 。i nt h i sp r o j e c t , w eu s et h e s o f t w a r eo fc i t e c t c o m b i n i n g w i t l lt h et e c h n o l o g yo fo p ct od e v e l o pac l i e n t s e r v e r m o m t o r s y s t e m i nt h ee n d ，w eh a v ear e v i e wa n ds u m m a r i z a t i o no ft h i sa r t i c l e ，a n dr a i s ean e w h y p o t h e s i so f t h e t e s ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em u l t i p l i c a t ef i e l d b u s 。 k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，p r o f i b u s tm o n i t o rs y s t e m ，o p c ，c i t e c t 承诺书 本人声嚼所至交的硕士学位论文楚本人在静师指导下进 行蕊研究工作及取褥的硬究成暴。除了文中特别加隧标注撩致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰弼过的研究成 暴，也不包含为获褥南京航空靛天大学或其镳教育机构的学位 或证书蕊使用j 逢我材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部域部 分内容编入有关数据库进行检索，可班采用影鼙、缩印或扫描 等复制手段傺存、汇编学俊论文。 传者签名：霹襄：年雳 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和选题依据p l i z 3 控制论的创始人n o r b e t w i e n e r 说，“如果一门科学是真正具有生命力的，它的 引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移。”自动控制技术的历史，就是从 简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能化到高级智能化的 发展过程。 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 y s t e m ) 是继基地式气动仪表控制 系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、数字计算机集中式控制系统和集散式控 制系统( 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 ) 后的新一代控制系统。f c s 是信息数字 化、控制功能分散化、开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、 数字化、网络化向生产过程现场的发展。现代工业控制思想的核心是“分散控制， 集中监控”，使得“危险分散，控制分散”。现场总线控制系统把控制彻底下放到 现场，由现场的智能仪表完成诸如数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等大 部分功能，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，有益于设备管理。 在发达国家，现场总线技术从2 0 世纪8 0 年代开始出现并被逐步推广，现在已 经被广泛接受和使用。2 0 0 2 年欧洲有4 0 的自动化工程项目采用了现场总线控制系 统，预计到2 0 0 5 年将达6 5 7 0 。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投 资的生产线，如外资汽车生产企业的生产线大多用到了现场总线技术，后来啤酒灌 装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。此外，市政工 程、楼宇、智能化小区建设也开始使用现场总线。可以预见，随着现场总线技术发 展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的d c s 必将为f c s 所全面取代。 现场总线技术的推出虽然只有短短二十几年，但其技术的先进性已经得到了工 业界的广泛认可，其良好的应用前景和广阔的市场受到诸如s i e m e n s 、m o t o r o l a 、 h o n e y w e l l 等诸多世界大公司的高度重视。就国内而言，自二十世纪末以来，现场 总线技术的研究开始进入起步阶段，1 9 9 7 年5 月中国现场总线( f f ) 专业委员会建 立，并筹建f f 现场总线产品认证中心：同年7 月中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委 员会组建，同时开始筹建现场总线( p r o f i b u s ) 产品演示及认证实验室。此后，包括 清华大学、浙江大学在内的许多高校、科研院所先后建立自己的现场总线实验室， 用于现场总线控制技术的教学实践与研究开发。2 0 0 1 年1 1 月，国家发展计划委员 会在当前优先发展的高技术产业化重点领域指南( 2 0 0 1 年度) 中将现场总线技 p r o f i b u s 总线授术研究及监控系统的实现 末及冀密链莰袭翁磅究、开发及推广癍藤列为绕先笈展静蓠科技重点领域之。 作为新一代的过襁控制系婉，现炀总线控制系统光疑具静叶”分广阔的发展前景。 它戆爨疆，必憋鹫控铡镁蠛产生澡瓤瀚变革，舞薅社会生产力游发鼹艇赛较大酶髭 进作用。对予我国这样的发展中国家而言，篡意义更为重大。必须抓住有利条件， 获投开展对爨黼慈线控裁系统的臻究，特繁爨蹲基奄簸熬建爨经验、癍焉矮域覆羞 面大的现场总线控制繇统的跟踪研究，勇于尝试这项先进技术，尽早提高我豳企业 叁动纯水平。 1 2 本课题的对象系统 1 2 1 多藐蛎慧线渊控系统篱奔 现场慧线技零靛遗爨黠爨臻控裁镶壤产生了美怼谯嚣影嗡，褒壤戆线整裁系统 已经成为未来控制系统发展的必然趋势。现场总线技术已经成为国内外相关杼业的 研究热点。鉴予姥，穗意靛空兢天大学叁羲纯学陵建立了多瓒爆慧线实验室，主要 从事蒸于p r o f i b u s 的多现场总线测控系统的研究和开靛。 霭1 - ! 系统嬲络示意鬻 蓉绫方案臻穆鬣鳖i - t 爨豢。该系统鞋誊靛校鏊辩鸯筏援，将p r o f i b u s 、c a n 、 2 瀚巅航空航天太学硕士学位论定 l o n w o r k s 、m i l s t d 。t 5 5 3 b 簿雾褥惑线翁控髑嚣络与戳太翔羧连接谨一超，影或妖 p r o f i b u s 惠线烫潼疆懿溅控系统挺黎。溅控系凌率戆援控辩象蠢工数镳炉帮毫褥等。 蒸绫榘戏a b b 、s i e m e n s 、c i t 等多家公霹嬲缀态软襻翻蕊场设备。建成后豹现黼总 线测控系统可以实现对被控物理装置的备种测量控制功能；完成网络集成、数据采 黎窝集袋、壶鬻缀惫浆套静熨验；霪理疑惑线蹲羧婺缀涟蓬黢嚣茨弼络蕊援与努攒： 实瑗瓣蕊场便装的设餐营璎；在互袋瓣上羧褪控辩瓣莰熬实对运幸亍状态：进好网络 避褪般视与控制的研究。 1 2 。2 本谋爨簸矮突对象 课题工作熬南京航空航漱犬学现场总绒实验室的“多现场总线测糖系统”项圈 匏个蕴藏部分，耋煮莛基予p r o f i b u s 慧线秘薤控象簸鹣磋究鞠秀茨。游现场慧线 救零应蘑 二工犍褒臻辩，系统簿底层设餐痰该呈劳散式分毒，系笺辩赢层爱器裔较 潞的傣悫集感嚣求，系统的嶷融毪要采鞍麓。锅炉控制系统满足了邈榉兹条转，谢 h 系统的组成殿控制方案也檄具代表性。在本课题中，激用现场总线技术，结合o p c 等裰关鼓零，避簿王照镊妒羧控系夔翡设计器发，蒡蒎筵镊妒蓬控裂绞嶷开王整袋 统蘸控蕴态餐裙关技零翡磷必。 1 2 3 课题渺及的关键搜米和软件工其邮悯 王蝗蓝按添统戆研究开发需要多耱关键技术帮较骚捧芝葵戆台瀵融合。褒锅炉 脓控系统的设计中涉及的比较重要的技术或工具，除了现场总线技术，还包糕 9 0 7 a c tt 3 1 编槛软孛 、c i t e c t 骚茬缝态鞔糖、o p c 鼓零、s i m a t t cn c m 警瑾款释、 d e l p h i 开爱平螽。其诲螽绍氯下： 鎏l 奄o p c 瓣蠡蒌嚣每 p r o f i b u s 总线技来毳拜究及釜控系统羲实琥 o p c 技术o p c ( o l e f o r p r o c e s sc o n t r o l ，过程控制中的对象连接嵌入技术) 是套开放的接口标准，它是由m i c r o s o f t 及多个太公司联合开发的。o p c 提供了 一种将不周制造商的部件寨成在一起的解决方案。闺l - 2 显示了o p c 对数据源与数 据丽户闯连接关系的改善，闺中静服务器袭示数据源郾数瓣提供者，应用客户表示 数据使用者，它从数据源获取数据并进一步进行处理。如果没有统一的规范和标准， 裁必须奁数撵提供嚣帮霞焉耆阕分溺建立一薅一懿驱动链谈。一个数据源胃蕤爻多 个客户提供数据，个客户又可能需要从多处获取数据，因而逐一开发驱动或服务 程缪豹工佟塞缀大。o p c 冀骧务嚣，客户瓣链接提供了绞一、标准戆接日援菠。o p c 已经成为逑接现场信号与系统管理、系统监控软件的桥梁。 9 0 7 a c l l 3 1 编程软 牛a b b 公司为箕p l c 接铡器提供豹配套绲态编疆软 牛。 9 0 7 a c i l 3 l 软件可以运行在w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 系统，符合i e c 6 1 1 3 3 标准，支 持五枣争标臻编程语富( 指令表i l 、结构化文本s t 、顺序功能图s f t 、功能块圈f b d 及梯形图l d ) ，组态编程时可以穰据工艺控制要求，选择一种或几种语言编写控制 程序，经编译下载剔p l c 控制器。9 0 7 a c l1 3 l 编獠软件支持d d e 、o p c 簿标准开 放穗数据通信接日。 c i t e e t 监控组态软件c 汀公司提供的基于w i n d o w s 平台的监控组态软件。 c i t e c t 秀d c s 詹c s 系统提嚣冬了一个冀正懿、多级嚣余兹裁端襟终瓣。英哥 枣臻结稳 适应任何i o 点数、任何用户数的系统。在大型网络上屏幕更新逮度还能做n d , 于 1 秒。c i t e c t 软锌氛包援一个珐憨强大戆墅澎驱动嚣，1 5 0 多个设器驱动强净，簧蠢 的开发工舆，w e b 的客户和服务器功能，报表，趋势，s p c ，s q c ，毫秒级报警，多 逶蠢s l 力，o d b c 客户和服务器功毙，以及是置的s c a d a 编程谬言c i c o d e 。它支 持许多高级的网络通讯，支持所有潦于n e t b i o s 的网络( 如：n e t w a r e w i n d o w s 9 x 2 0 0 0 n t ) ，支持双网，提供真正的l a n 冗余。另外，c i m c t 支持o p c 的c l i e m s e r v e r 技术。 s i m a t i cn c m 软件s i e m e n s 公司的通信网络管理软件，可以用来配置、管 理p r o f i b u s 、m p i 、i n d u s t r i a le t l l e m e t 等通信总线，并琵将觚各种慧线上采集静数撰 处理打包威，统一用o p c 标准接翻的方式提供给其他应用程序使用。 d e l p h i 开发平台d e l p h i 是b o r l a n d 公司疆袋豹基予秘i c r o 辩鑫公司麴3 2 整操 作系统w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 x p 的开发平台。其使用的语裔是面向对象的p a s c a l 语 言，具袁缀强夔舅鬻处理髓力，受大魏臻点是其搦骞功能强太、使舄方便豹各静开 发工具和种类齐全、功能完备的可视组件席v c l ，并可直接调用w i n d o w sa p i 函数， 使其提高了现场数据的采集速度。阂时，d e l p l l i 避具有强犬的数攒库管理功能，其 b d e 数据等i 擎使应用程序在数据存储、鸯询方面遴度更快，操作黧简单，并可应厢 大型数据库如o r a c l e ，s q ls e r v e r 等。 4 南泶航空航天大学硕士学位论文 1 3 本文内容总述 本文首先分羲了溧惩静磷究背黎和选瑟掖据，确定了课题静对象系统，并对课 题涉放的关键技术做了简要的介绍；然后从总体上对现场总线技术做了介绍，包括 凌爨惑线戳及蕊瑗慧线控裁琴绫蕊萋零概念，疆场慧线懿黪患帮筑赢，蕊场憨线翡 一般性通信协议，并对目前流行的几种典型现场总线的技术特点做了比较；紧接着， 缝合逡设数参现场总线溪接系统豹实甄嚣簧，详缀褥突窝分辑了过程魂场蕊线 p r o f i b u s 的技术要点，包括它的基本特性，协议结构以及独特的技术优势；对将 p r o f i b u s 总线技术蜃予擒建惫虢纯控鲻系统酌若干其体润题避行了攘讨? 羹蕊分耩 和礴懿了系统采用现场总线技术时皮该考虑的一些情况，为将来进行现场总线控制 系统的实际工程设计提供技术上的矬餐。论文的主体郫分绘凄了锅炉监控系绞的详 缅翡设计和开发过稷，包括系统酶瞬络结构藏其软硬件构成岛设计，以及在靛控系 统上逃行的二次开发。文章缀后对整个课题的工作进彳亍了回顾和总结，并对课题进 一步繇究馥愚貉骰了霖索往分褫。 p r o f i b u s 总线技术研究及监控系统的实现 第二章p r o f i b u s 总线技术研究 2 1 现场总线和现场总线控制系统蛰l 黻 2 1 。1 现绥总线技术的基本概念 髂患捩拳瓣遮猛发震，导敢了鑫动控裂鞭壤藤深粼变摹。随著接涮技术、诗羹 机技术、通信技术、网络技术的发展，信息交换沟通的领域难在迅遴覆盖从现场设 备囊控裁、譬瑷煞各个层次，覆盖王袋、车阉、工厂、查盟乃歪蓬赛备建弱蠢场， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线( f i e l d b u s ) 正是 这场变革孛黪关键技术； 什么是现场总线? 根据阑际电工委员奢i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 莽珏现场总线基金念f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 盼定义，现爨总线是连 接餐麓现场设铸和自确纯系统豹数字式、双商传输、多分支结构的通信网络。现场 总线的意义不仅仅在予用数字仪表代蛰模拟仪表，更爨要的是它对整个控制系统的 结构产生了黎本牲豹交革。疆场葱线披零在裁造翌、瀛程工效、交遗藕楼字等领域 的自动化系统中具有广阔的威用前景。 瑗壤葸线技寒将专题皴延疆器萋入传统翡努敦匏测量控露铰表，经缝稻器塞帮 具有了数字计辣和数字通信能力，采用普通双绞线等雾种传输介质，把多个测量控 裁袋袭、诗冀极等连搂残弱络系统，势接公开、窥范魏逶售协议，在位于现场蝰多 个微机化测量控制设铸之间阻及现场仪表与进程监控计算机之间，实现数据传输与 信息交换，形戏蚤辩逡应实黪嚣要螅冬动控剁系统。翔暴涎毒 算楹睡络把太类弓l 入 到信息时代，那么现场总线剃使自控系统与设备加入刹信息网络的行刿，成为企业 信息网络的底鼹，使企业信息沟通的覆盖范毽延伸至4 生产现场。因此，把现场总线 技术瓣出现说硪是工濂控铡技术进入一个薪时代酶棘怒并不过分。 现场总线披术的歼发始予2 0 世纪8 0 年代。随着微处理嚣和计算机功能的不断 增强及其徐播黪急裁降低，诗薄瓿与计算藐涎络系统褥饔逐疆发震。翁楚于企蝗生 产底朦的测控自动化祭统，由于仍采用一对连线，用电压、电流的模拟信母进行 涎量控澍，或莱薅蠡封耀式斡嶷鼗系统，难默实璎设备之嚣戳及系统与箍秀之润麓 信息交换，使得自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了自身的发展。要实现整 个企监豹售惠集残，要实整综金耋动纯，裁登须设诗爨一耱疑在王监袋场繇境运行 的、健能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之 阁的多点数字遇售，实现底屡瑷场设餐之间娃及生产璎矮与外界鳇信崽交换。疆坯 6 南京航空航天大学硕士学位论文 总线就是在这耱爽骣鬻隶赞驱动下盛遐磊垒静。它弱掇璇，为襁底打破耋动亿系绕 静“信惠孤麓”锱造了蠢释。 由于现场慈线适照了工戴控稍系统的分散纯、羽络傀、餐能纯的发震方离，它 一缀产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全墩界的普遍关滋。该项技术的 秀笈，霹豢动楚个王效控制、搂宇妻秘讫、铰表甏逢、工泣接鼗襄诗葵摄较疆捧簿 行娩技术、产黼的更新换代。传统的模拟仪袭逐步让位于智能纯数字仪表，出现了 一熬乏袋捡测、避箨、羧铡袭8 予一终黪交邀羧测器；滋现了霹集检溅滋度、疆力、 流嫩予一身的雾变量变送器：出现了带控制模块和具谢故障债息的执行器。现场总 线鹣整霾，梵我嚣叁魂谯纹表行、监蠢瘀整顿域提鬓了蘸好戆发震瓤遇，鞫露氆掇壤 了严峻的挑战。 2 , 1 。2 蕊场总线控潮系统 现场总线强敬了传统控剌系统结擒韵菠革，形或了辩垄静随络熟成式全分布掇 制系统现场总线控制系统f c s 。现场总线控制系统足以现场总线为基础的全数 字撞麓系统，窀莱臻纂予公辩纯、器壤强鹣歼蔽式纂淡方案，实现了真正翡全势布 式结构，将控制渤能下放飘现场，使按制系统聪加趋予分布依、扁平仡、网络他、 鬟戏饯秘磐能化。现场总线蕊缓采用繁纛键裁佳节点的嗣终羧铡模式，取代佟绞黔 集中控制模式。阉2 1 显示了阐络控制模式与传统的集中控制模式的比较。 壤巾掩甜瓣妓 鞭 黼g 礴挺建 群释溅纯惜辩黼化啦烈 麓冬l 两释控制搂袁戆魄鞍 毅型的城场总线控制系统突破了d c s 系统中邋惯融专用网络骢封闭系统米实 现所造成的缺陷，把旗子封闭的、专用的解决方案变成了基予公开化、标准化的解 凌方褰，羁胃淤恕寒爨不羁厂褒蠢遵守霜一爨蔽撬蕊鹣惫费纯设备，遴过魂场总线 瞬络连接成系统，实现练合商动讫匏各群秘能：露露辩d c s 集中与分散相结会酶黎 散系统结构，溅成了新型全分布结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能 设嚣零赛实魏戆零控铡磅蕤。 凌酝慧线接秘系绞熬镕系结聿毒翅嚣2 2 瑟示。与蕊绞鹃爨数燕潮系统辕壤，骥 撼总线控毒l 系缝誊嚣个毅特糕：一。凌场总线控裁系统戆将建绞集教接潮系缓中熬数 7 p r o f i b u s 总线技术研究及监控系统的实现 摆公路、控制器、卡及模拟售号传输线四部分月统一撂准的现场总线泉替代， 减少了层次传递，使控制系统的结丰句趋于扁平化；二现场总线控制系统用智能现场 仪表代替传统集散系统中的模拟现场仪表，其智能化体现柱变送器不仅具有信号变 换、补偿、累加功能，还具有诸如p i d 等运算控制功能，执行器不仅其有驱动和诵 节功能，还具有特性补偿、自校验和自诊断功能。 图2 - 2 现炀总线控制系统的体系结构 2 1 3 现场总线系统的特点和优点 结穆羔，臻场总线系绕努破了传统控裁系统静缝褐形戏，采强智能褒滋设备， 使得控制系统功能能够直接在现场完成，实现彻底的分散控制。由于采用数字信母 替代模数臻号，可实瑗一辩电线上传辕多令信号( 毽括多令运行参数篷、多个设泰 状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源。这就为简化系统结构、节约硬件 设备、减少连接电缆与各季中安装、维护费用创造了惫 牟。 技术上，系统其有开放性、互可操作性与互用性；现场设备实现了智能化和功 能自治；系统结构溉度分散，现场总线已构成了新的全分散性控制系统的体系结构。 由于戮场总线的以上特点，特掰是现场总线系统结构的简亿，使控制系统从设 计、安装到正常生产运行及检修维护，都舆有优越性。现场总线系统的优点主要体 褒在既下凡个方面：l 、节省硬传数萱与投资；2 、带雀安装费雳；3 、节省维护开锖； 4 、用户具有高度的系统集成自主权；5 、提高了系统的准确性与可靠性。此外，由 予凌场慧线浚各耘灌佑、功麓模块健，还粪有设诗麓单，荔于重擒豹壤点。 2 2 现场总线的逶信协议掰 现场总线是用于支持现场装置，实现传感、变送、调节、控制、监督以及各种 装蹩之间透明通信等功能的通信网络，傈i 难网内设备闯相驻透明有序地传递信息和 正确理解信息是它的主要巢成任务。此外，随着披术发展和应用需求的提高，将现 8 南京航空航天大学硕士学位论文 场总线与土艨信惠网络有效熊成也燕必然韵，于是，对现场憨线的实质内容通 信协议提出如下要求： 1 逶信舟震韵多稃毪：菠籍多种通信奔鹰，滏满足不阕蕊汤环辘翁要求； 2 ，实时性：信息的传送不允许谢较大的时延或时延的不确定性： 3 。痞惑黥完整挂、耩确褴：要确绦逶黪蔽量； 4 可靠性：具器抗各种干扰的能力和宪普的检镄、纠锚能力： s 霹要搽终缝：不丽厂窳籀造的瑷场莰签致表可透过窝一总线逶信器撵终； 6 开放性：基本符合o s i 参考模型，形成一个开放系统。 | 鳓蕊l 礤鬻避龋惑蠛i 静i 菠裕壤繁p r o f l b u s v 稷，擎r o f 轴p f 燃 寝i l 鹾 难p 毯 功慷壤 澄箍搬述 抟嫦装 尊缝豢l 攀 - - 蘧黼棱 数拟谜箍j ，； 镑镬装魏鹱驳 隧2 - 3 现场总线的通信辨议 琏瑚爱接f 1 1 户攮 绒j j 蹦 臻淑蟪拖憾 黼； i 愁童旃：l跑童麓：； 蓥磴裁繁最鬟 效姑谎始聪戢揣醚臻赫 嚣纛培渤鹱鬟 如图2 3 所示。现场总线通信协议是参照国际标准化组织i s o 制定的i s o o s i 嚣发黎统互连参考模型薯经篱诧建立靛，蓬c 锺s a 臻臻葸线道售协议摸墅综合了多 种现场总线标准，规定了现场应用进棵之间的相互可氨操作性、通信方式、层次化 鲍遇傣照务功剡分、信惠的流彝及健递擐粼。o s i 参考模墼共势屯屡，瑗濒慧线 通信协议则根据自身特点加以简化，采用了物理层、数据链路层和成用层，同时考 虑到现场装鬟的控制功2 和具体运行又增擞了愚户爨。各层抟珐能如下： 第一层：物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义了弼络储道上的信号与连接方式、传输 介质、传输遴率、每条线路适接仪表的数量、最大传输距离、电源等。处予数据发 送状态时，该震接受数据锭路屡( d l l ) 下茨韵数据，渡菜稀电气信号进行编码并 发送；处于数据接收状态时，将相应的电气信号编码为二进制数，并送到链路层。 第二霉；数蠢键黪瑟( d a t al i n kl a y e r ) 定义了一系尉服务予应鼹屡鳃霸藐帮 向下与物理滕的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息传输的 差错检验。d l l 撵供原诿黢务彝褪关攀佟、与原语黢努辍关懿参数格式，潋歉这些 服务腮事件之间的相关关系。d l l 为用户提供了可靠且透明的数据传输服务。 数据链路基是现场总线鹣核心。艨有连接戮霹一秘理逶遵上獒建薅遴疆寞舔上 * l 63： p r o f i b u s 总线技术研究及监控系统的实现 都是灞过链鼯屡静安对管遂采褥谲豹。蠹了突密蜜辩往，筑场憨线没有采黼戳往 i e e e s 0 2 4 橼准中所定义的分布式物蠼通道管理，粼是采用? 集中式管理方式。在 这薛方式下，潮缮蘧遂被漆效遗黎蔼越来，舞露营效融减少袋避筑实辩通售豹廷遮。 繁三豢：庭凌震f i e l d b u sa p p l i c a t i o nl a y e r ) 为臻户爨洪了一悉戮浆爨努，穗 商篱他或安麓分毒式羧涮累绞中瘟薅避程之阕戆遴镄，嚣霆雩为势漆式糯场总线经销 系统提供了腱l 用接口的操作标准，实现了系统的开放性。应用层与其他层的网络管 疆鼹搀一起辩辩终数瓣澈臻、耀终设餐及鼹终鼗努邋嚣警瑾。 繁遥罄：箱户落( u s e rl a y e r ) 怒专门赞辩王照韪灏健颁域现场装嚣静控翻积具 体应鼷两设诗憋，它定义了理疑设备数糖疼瓣耀互襻凝耱统一麓粼，藤户邋过糠准 璃能浚可维态成系统，也怒使现场总线系统开放与w 鬣操作性的笑键。 2 3 典型蕊场慧绫搿翻 壤疆t 9 9 9 年? 蔫残瀑泰鬻举嚣懿壤蕊蕊线檬臻潮迩工佟尝议鹳既要，鏊搭电王 委羹念( i e c ，i n t e m a t i o n a te l e c t r o t e e b n i c a lc o m m i s s i o n ) 装溪繇蕊线褥准i e c 6 1 1 5 8 毽摇，羚褒溺总线舔壤捺滚，圭要寄蒸金会袋臻慧拽蓉f ，f o u n d a t i o nf i e l f f b u s ) 、 c o n t m l n e t 、p r o f i b u s 、s w i f l n e t 、w o r l d f i p 等。很明鼹，这一标凇是稀方妥协的结 暴，它攀实上港莰了a 家大壤气裁逢衡瓣囊鸯胬议。罴努，c a n b l i s 、l o n w o r k s 、 d e v i c e n e t 等魏殛慧凌瞧投蒸囊套力和疲瘸鹜蘩。述窝，e t h e m e t 恐经滏入王馥控麓 颁域并逐步成为礤究热点。这意噱着今嚣现殛慧线豹教震仍将璧蕊多辩总线势枣静 蜀面。鑫2 0 髓纪8 0 举代沭戬来，国辩上现弱总线技术及其产品、系统发展迅猛。 器兹濯际上大多数警磐戆蠡麓凭、仪表、毫器裁逡瓷，热r o c k w e l l 、s i e m e n s 、 s c h n e i - d e r 、a b b 、r o s e m o t m t 、h o n e y w e l l 等，筠有蕊场蓉线产菇或系统。藕踌绱讦， 国际上现有现炀总线不下西余种，其中熊型的有一宛影响并占有一定市场份额憋主 器骞基金会瑷臻慧线( 鞭) 、c a n 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、h a r t 等。下霭对这足 秘瑷强慧线醛准熬接零黪赢终麓单夯绥，然塞鬟煮磋究p r o f i b u s 蕊线豹赘滚缀稳霹 技术谯势。 2 , 3 1 基象套瑗场慧线 基金会现场总线( 糌) 楚在过程爨动他矮域释刹广泛支持瓣鼹考照好发袋戆景 翁蔹零。萁辩痔是以美辫f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为酋，联合f o x b o r o 、a b b 、s i e m e n s 等黪蒙公蔼趔定鳇i s p 稔议秘鞋h o n e y w e l l 公霹为篱，联合欧涎簿避懿1 5 0 家公霹 裁定翁w o r l dh p 狯议。溪予麓产熬悉力，这掰麦爨鞠子t 9 9 4 年台俸，成立了税场 总线熬众会，数力于开发困际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 开放系统飘连 模墼螽鏊秣，取其物理滋、鼗撂莲黯鼹、虚弱臻为黯逶蔷摸燮翡辐疯层凌，辫在 l o 南京航空航必大学硕士学位论文 应熏瀑上璃麴了焉户嫠。鼹产层主要锌潞自动诧渊擦瘫焉静霈癸，定义了倍崽存取 的统一规则，采用设备描述谢言规定了通用的功能块集。 羚分为低速 壬l 耧麓速 毪两乖孛邋信速率。酲l 鞠揍输遥率辫3 l 。2 5 k b p s ，通信 距蓦霹达1 9 0 0 m ( 霹热巾继瓣延长) ，莓支特慧线供迄，支持零往安全茨瀑垮疆。 h 2 懿蕊输送率隽t m b p s 寝2 , 5 m b p s 掰耱，逶售蹉离分爨羹7 5 0 m 嚣5 0 0 m ，物邂传 输介质可支持双绞线、光缆、无线发射，协议符合i e c l1 5 8 2 标准，物理媒介的传 输信号采用曼襁蘩特绫磁。 2 3 。2l o n w o r k s l o n w o r k s 褒场葸线囊荚嚣e 建e l o n 公司攘蹬势由它与m o t o r o l a 、东芝等公司共 嗣堰蹲，予1 9 9 0 年委式公毒褥形戒豹。宅采爝t s o o s t 垒黎七艨协议，采用鬣商对 象的设计方法，通过网络变鬣把网络邋信设计简化为参数设置，通信速率为3 0 0 b p s 1 5 m b p s ，畿按遗信爨离谢这2 7 0 0 m ( 敝绞线，7 8 k b p s ) ；支撩瑕绞线、丽麓嘏鹱、 是缆、射频、歉乡 线、惫力线蒋多秘逶壤分爱，著开发了稳建瓣零蔟安全茨瀑产燕， 被誉为逶焉摭裁甄终。l o n w o r k s 技术掰采琴鹣洳n 瓿l k 蛰议教糖袋在稼受n e u r o n 的神缀元芯片中而得以实现。集成芯片中有3 个8 饿c p u ，一个用于完成开放豆连 模型申第一髅秘第二层的功熊，稔为媒体访潞控制处理器，实现奔袋访问懿控铡与 楚瑾；第二拿c p u 焉予突藏露三囊六瑟鹃凄耱，称菇溺络楚囊器，遴霉亍网络交爨兹 寻址、处理、鬻景诊断、踌饺选择、软件计时、礴络管理，势受蠹掰络通信按索， l | 受发数据包豁。第三个c p u 甄应用处趱器，执行操律系统服务等用户代码。蕊片中 还具蠢存健信患缓；孛送，以实现c p u 之阕的傣患传递，莠作为髑络缀 串匿_ 季珏应餍缓 诤区。l o n w o r k s 已技广泛盔瓣予搂字巍动稼、家麓舞动往、稼安系统、办公设备、 交通运输、工业过程控制等行业。 2 3 。3c a n c a n 怒控制局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，最早由德国b o s c h 公司捺出，嬲予汽车内部测量与执霉亍龆 孛之耀的数搭遴僖。其总线爆菠已被i s o 匡 舔标壤纯缀缀裂定为器黻标准。由于褥弱m o t o r o l a ，i n t e i ，p h i l i p 麓公霹熬支簿，宅 广泛成用于离散控制领域。c a n 协议只取o s i 底瀑的物理层、数据链路层和骥滚酶 应焉艨。萁倦号传输介质为双绞线。邋倍速率最高w 遮1 m b p s 4 0 m ，赢接传输距离 最远可达1 0 k m s k b p s 。w 挂接设备最多可迭1 1 0 个。 c a n 耱譬蕊稔慕霜瓣赎缭梅，每竣育簸字节数舞8 ，薮健输对溺滚，受予挠概 率低。当节点严重错误时，有自动关闭的功能，使总线上其他节点及通信不受影响。 p r o f i b u s 慧绫按零簿 宠爱益控蓉麓熬蜜现 2 3 。4 嚣o 歉薯 h a r t ( h i g h w a y a d d r e s m b l er e m o 姆t r a n s d u e 材) 最旱交r o s e m o u n t 公弱开发 藩褥嚣瓣多褰蓉鬈致表公霹鹣支替，予t 9 9 3 年或立了h a r t 避信基金会。这释蔽 秣为霹寻敬远程传感器嵩邋懑道匏搿激懑髂协谈，葵特点建程璇帮穰毅信号传输线 上安蠛数字髂鸯逶信，藩予攥熬系统潜散宰系统转燮过程审静避渡产菇，驻麓在瓷 翡黪j 妻渡对簸兵膏较强的卷场竞争力，褥剿了较糗的麓矮。 h a r t 瀛定了系弼鹣命令，羧禽令方式工终。辍嫁簟采麓统一熬设备攒遂瓷 言d d l ，瑷撼设器浮发蔑激周这秘拣礁漤京采搓述设攥特陡，由h a r t 基念念爨囊 激避棼理这揍设备援逮势把稳镣缡逸浚罄搬述字典，黧设备运耀d d l 技本来理勰这 憝设备款特往参鼗蘑不盛为设冬嚣发专麓攘西。 严牾来说，h a r t 秘议誉携翼襻总线，哭是撼擞了一种絮能工她终端鹃邋僚协 议和接口梅礁。但由予它熊存橹当大盼开放像，并感耀戳智能终端为基础的技求标 准，辑戳2 0 槛纪s 0 颦我戡来器裂了广泛鹣建冤。 表2 - 为足释典鎏瑗璐憨绫产鑫获褥缝对爨表。 表厶熟型璇蘑总线姆照裹 产滟姆葭e a nf i rl 蕊瑟恕斑#。蠢0 孰嚣 基盎嚣王 鞠l l 蒙蔫鼗控戮躜霹鸯激瑟蔫隽藏遗麓馥到袋蔽表 0 嚣l 屡i 受l 。叠，7l - ：。?l 一l ，：，7l ，2 。7 聚唆粪鹜基娥慧缝翳络慧琏 慧趱 凳矮访溺e 瓣涯射c d羔放跨辫e s m 矗髅盎童敞冷髀童款玲攫 $ 诿棱嚣e 茕c囊乇0c 建ee r 0 疆l e 警鼗、 黢绕境、 薅轴蕺i 瓢 遴然奔爨淡箨、 毫添蠛、巍鳟、 蹊缭缝巍释、无缝电双燃 鞭绞缝 鬏外发瓣 、缈燃 麓纛、务擎患、鍪菇瓢鼙豢、势攀惑参 嚣璇隽式厂箍 纛、厂撩广播燕r 蹬蠡，厂搔 将赫逮零 5 k 滞3 1 。黜羚 3 鞠孙肄；魏国牟“ 3 耀蠡蝴 l 胁辩墨l m ，蝴j 馘滞t j 1 2 婚岱 5 程玉搿v 1 0 0 r t r 一 倦辅距蔫l 瞪e 搬2 7 k 嫩3 k m l b i 敲1 0 k m 辫络溅蓊否是霆最 姥巍缀熏：瓣搽支捺赛掩蔓持 飘睫控制窍令惫令、蚨惑令、状态状态 螽令、拣态 2 4 p r o f i b u s 惑线搜术潮瓣辨麓 磁场憨竣这一技寒领域敬发最楚卡分邈迷移瀵戥媳，堂瓣戏熬并被广泛馒怒瓣 南京航空航天大学磷士学位论文 现场慧线称拣不下死卡辩。簿释总线豁准都霄自身静特点，弗奁特定静窿焉领域显 示自身的优势。过程现场总线p r o f i b u s 作为一种国际化、开放式、不依赖设镛生产 裔静凝场总线标准，怒礁一鹘全集成过程霸王厂自韵纯的现场总线辩捷方案，b 被 广泛纛月予燕互翻造、j 妻疆蠢袋字叁麓诬矮域。笔赣在江苏菜零滋厂寒淀生产线鳇 龚凄张改造中，将蕊线技术与集簸控麟技寒麓霸巍起，戏魂渡计、开发了莲子 p r o f i b u s 总线技术的水泥缴产线混合型控制系统。考虑到p r o f i b u s 总线在加工制造、 过程控垂l 领域的独特饶势，嚣显许多鑫动纯按术厂家懿产品都提供了p r o f i b u s 按日， 南蕊巍动纯举院匏现场惑线癸验室班p r o f i b u s 总线毙蒺本夤予总线瓣，荠翻c a n 、 l o n w o r k s 、m i l s t d 1 5 5 3 b 等冥构总线一起遴毒亍潮络嚣连，农j 鲑：蕊戳上构成彩鼹场 总线涮控系统，用于开展对戮场总线披术标准的行粼、通信协议辉的研究，以及采 鼹现场总线技零麴建鑫麓纯蓉绫戆嚣发。 2 4 1 概述 p r o f i b u s 凝矮慧线壹s i e m e n s 公霹鼗合冗家镶因公司、磺究艨荚园蓑塞，惫蓑 d p ，f m s ，p a 三嫠努。d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 震予分毅羚设藕夔蔫遮数据 传输，适用予加工自动化领域；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 ) 意为现场信 息援藩，适建予绽织、楼字窘旗纯、可缡程控剿器、低压开关簿一般鑫动他；筒p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 粼是怒予过疆鑫动绽蕊惑绫粪鳘。p m f i b u s 耱蒋赣速率为 9 。6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 澍为l o o m ，1 5 m b p s 融为4 0 0 m ，可题 中继器延长黧1 0 k m 。其传输介质可越是双绞线，镪w 以是光缆。p m f i b u s 总绒最多 可挂接1 2 7 个蜞点。 过程蕊蛹慧线p r o f i b u s 獒蒋谎鞠了率毒亍瑗场憨线瓣按零鞠麓麓姆毪，宅可谈分 散式数字化控制器从现场底层到车间缀网络化，该系统分为主站和从站。主站决定 总线熊数据懑信，当囊辩襁戮总线控制粳( 令薅) 辩，不震舞界请求虢可主麓发送 信患；拭戆必耱萤设餐，獒鍪豹获菇整援：羲天，输凌装嚣、阕门、囊凌器秽测爨交 送器，它稻没骞基线控制蔽，饺怼接收弱售惫给予骥钛或当变斌菠邀请求蹲淘它发 送信息。 2 4 。2p r o f i b u s 秘议结擒 p r o f i b u s 协议结构怒根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，珏开放式攀连累统o s i ( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) l 擘为参考模型。如匿2 - 4 艨淤。 p r o f i b u s 总线技术研究及监控系绒的实现 谢p 塔产翳 ( 3 一r 戡剩祷臻耀