（机械电子工程专业论文）新型网络化矿井提升机电控系统的研究与设计.pdf

辽宁 二程技术大学硕j 二学位论文 摘要 论文分析了国内外矿井提升机电控系统的研究现状，利用p r o f i b u s 现 场总线辅以p l c 控制技术，实现了提升机电控系统的整体网络化，构建了矿 业企业网的底层控制网络。 首先对p r o f i b u s 的特性进行了分析，设计出整个电控系统的网络结 构，然后对各个子系统( p r o f i b u s 站点) 进行设计。其中重点设计了智能 变频调速系统，将模糊控制理论用于提升机速度给定图的跟踪并提出模糊控 制与现场总线技术结合的设想。 然后对不具备p r o f i b u s 接口的从站进行了接口电路的设计，使之能够 完成p r o f i b u s 的通信功能。 最后利用自主设计的智能从站进行了通信测试，分析表明系统具有通信 能力，该设计方案可行。 关键词：矿井提升机：p r o f i b u s 现场总线：电控系统；模糊控制： 变频技术 辽宁t 程技术大学颂士学位论文 n a b s t r a c t t h i sp a p e rs y n t h e s i z e st h e r e s e a r c he 1 a - r e n ts i t u a t i o no f t h ed r i v e - - b y - - w i r es y s t e mo f s h a f t h o i s ta th o m e l a n da n da b r o a d ，a n dr e a l i z e st h en e t w o r ko ft h ee n t i r ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hi st h er o c k - b o t t o mo f t h em i n i n gi n d u s t r yi n t r a n e t f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ep r o p e r t yo fp r o f i b u sa n dd e s i g n st h en e t w o r k c o n f i g u r a t i o n o ft h ee n t i r ee l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m ，t h e nd e s i g n se v e r ys u b s y s t e m ( p r o f i b u ss i t e ) i tl a y sh e a v ys t r e s so i lt h ei n t e l l i g e n t 矗e q u e n c y c o n t r o ls y s t e m ，u s i n gf u z z y c o n t r o lt h e o r yt ot r a i lt h es p e e dc u r v eo fh o i s t ，a n dp r o p o s et h ea s s u m p t i o no fc o m b i n a t i o no f f i e l d b u sa n d 晒t e c h n o l o g y t h e nt h ep a p e rd e s i g n st h ei n t e r f a c ec i r c u i tw h i c hs i t eh a sn op r o f i b u s _ d pp o r t ，s o t h e yc a nc o m m u n i c a t ew i t l le a c ho t h e rt h r o u g ht h ef i e l d - b u s f i n a l l y ，t h ea u t h o rm a k e sc o m m u n i c a t i o nt e s t o ft h ei n t e l l i g e n ts i t e ，a n dt h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mh a sc o m m u n i c a t i o na b i l i t y w ec a l lc o n c l u d et h ed e s i g np r o p o s a li s p r a c t i c a la n df e a s i b l e k e y w o r d s ：s h a f th o i s t ；p r o f i b u s ；e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；f u z z yc o n t r o l ；c o n v e r t e r t e c h n i q u e 创新点声明 本人声明所呈交的学位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。本文的创新点有如下三方面： ( 1 ) 剩用一p r q 雕曼h s 现场总线辅丝旦l 撞制技_ 怪l 建寞工三 层缝趁的臌组化破基握蠹机鱼控系统h 悫实觋绽盒直勃化扭工工基 硝i ( 2 ) 将模糊控制理论用王提升扭速鏖给定图龅跟踪，差握堂 模翘控趔与现场旋线攮j 挺摆绪盒鲍遘想土 ( 3 ) 益赢恿王咀场廖线通信接旦的数主1 = 匕超厶董傻囊的照诗，是 融金履蟹熊傻麦谗盐王佳盥二弛肩忝胁 尽我所知，在矿井提升机电控系统整体网络化和智能控制与现 场总线技术结合寿面的研究，目前国内外文献未见报道一 作者：声赫日期：砌一f ，2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i绪论 i i课题研究的重要性和意义 i i i课题研究的重要性 矿并提升机( 又称绞车、卷扬机) 下联系的纽带，素有“矿山咽喉”之称， 作用，有着重要的国民经济意义 i - 2 。 是矿山生产的关键设备，是井上、井 对矿井的生产和安全起着非常重要的 矿井提升机的主要任务是提升矿物，因此在大多数矿中，提升设备的提 升量就是矿井的主产量。另外提升设备也是升降人员的主要设备，它在垂直 或倾斜的状态下高速运行，且提升高度很大，因此提升系统一旦出现故障， 后果将十分严重 除去伤亡造成的人员损失，据估算，一个年产1 5 0 万吨的中型煤矿，如 果一天不能正常工作，将直接造成少生产4 千多吨原煤，即约八十万元的生 产损失；同时将造成约二十多万元的无效生产浪费，因为通风，排水、供电 都必须正常运行。另外，事故引起的不正常的生产作业和职工惶恐心理，造 成的社会效益损失也是不可估量的。 据统计，电控系统故障1 3 】引起的矿井提升事故占一定比例。因为电控系 统自动化程度不够高，生产现场需要大量的操作人员，导致现场事故的频繁 发生。在我国提升机发生的故障中。8 0 以上是电气故障。 提升机电控装置的技术性能，是矿井提升机发展的整体水平的标志，直 接影响矿山生产的效率及安全，提升机电控系统的技术水平是现代化矿井建 设的重中之重，己成为世晃上考核提升机性能时最关注的重要内容之一。 1 i 2课题研究的意义 随着3 c 技术和半导体电力电子技术的不断发展，现代矿井提升机系统 正在向数字化、信息化、网络化和智能化的方向发展。现代化矿井建设对人 辽宁工程技术大学硕1 ：学位论文2 的生命更加重视，对矿井提升机电控系统的自动化程度和安全可靠性提出了 更高的要求。2 0 0 5 年6 月国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见 提出加快高产、高效矿井建设，提高煤矿装备现代化、系统自动化、管理信 息化水平，淘汰落后的技术装备与工艺，推动煤炭工业科技进步。可见提高 电控系统的自动化程度、智能化程度和网络化程度具有重大现实意义和理论 意义j 自动控制技术【1 、通信技术、网络技术在矿产行业中的应用极大地提高 了矿业生产的产量、安全性、企业的自动化和管理水平。另外，作为能源工 业尤其是煤炭工业企业构建煤炭企业网i n t r a n e t 对提高其生产效率、效益， 增强企业活力具有十分重要的作用。 采用当前世界上先进的工业计算机、现场总线【5 j 和自动化技术，按照结 构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制适合生产需 要的网络化矿井提升机电控设备是进行设备改造和新建矿井设备选型的理 想选择i s - s ) ，也是矿并提升机电控系统实现综合自动化的关键一步，对企业 乃至整个矿山行业有着重大影响。 1 2矿井提升机电控系统的国内外发展状况 矿井提升机电控系统 9 - 1 1 1 在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技 术水平，它的电气传动及控制装置也一直是各国电气传动界的一个重要研究 领域。因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。 下面就国内外矿井提升机中的应用情况作一介绍。 1 2 1国外矿井提升机电控系统的发展现状 7 0 年代，国外将可编程控制器应用于提升机控制；8 0 年代初，计算机 又被用于提升杌的监视和管理。计算机和p l c 的应用，使提升机的控制出现 了崭新的面貌，其自动化水平、安全、可靠性都达到了一饼新的高度也是 在8 0 年代晶闸管交交变频的转差功率不变型调速系统应用在矿井提升机 上，开辟了提升机的节能时代。但就自动化程度而言，目前世界上最先进的 提升设备电控系统应该是瑞典的北方基律纳铁矿，1 1 台大型提升设备， 由 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 两个人监控即可。集散控制在国外已经普遍应用。可见，矿井提升机的综合 自动化和智能化程度已达到很高水平并且正在逐步提高 目前国外提升机的现状如下： ( 1 )在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功 能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能。这是 采用模拟控制无法实现的： ( 2 )提升行程控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定 地点准确停车，要求准确度高，目前可达到士2 e r a 。采用微机控制，在罐笼 提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如s i e m e n s ，a b b 等公 司已采用3 2 位微机来构成行程给定器； ( 3 )提升过程监视：由于近代提升杌控制系统的设计特别强调安全可靠 性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节提 升过程采用微机主要完成如下参数的监视：a 、提升过程中各工况参数( 如速 度、电流) 监视；b 、各主要设备运行状态监视；c 、各传感器( 如位置开关、 停车开关) 信号的监视。并能够运用先进的预测理论进行故障症诊断和预测， 使各种故障在出现之前就得以处理，防止事放的发生，并对各被监视参数进 行存储、保留或打印输出。作为当代工业自动化领域的热点现场总线技 术的应用，更为矿业生产的自动化、数字化、网络化提供了技术支持 ( 4 )安全回路：安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升 机进入安全保护状态极为重要的环节。为确保人员和设备的安全i 对不同故 障一般采用不同的处理方法。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一， 英、德几家公司都采用两台p c 微机构成安全回路，使安全回路具有完善的 故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出项故障讨都能准确地实施 安全制动。 1 2 2国内矿井提升机电控系统的发展现状 我国常用的矿井提升机形式主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。我国的矿 井与世界上矿业发达的国家相比，开采的井型较小、矿井提升高度较浅，煤 矿用的较多，其他矿( 金属矿、非金属矿) 用的较少。我国矿山的特色之一 是中小型矿山占绝大多数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 目前我国电控系统水平还处于中等水平： ( 1 )行程控制：提升机行程控制的水平还较低，对速度给定以时间给定 和机械式行程给定为主，而以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的 还没有得推广，目前我国大多采用机械给定方式； ( 2 )传动方面：虽然变频技术很早就有研究了，但是由于我国矿山的固 有特点，采用先进的变频技术的提升机并不多，有9 0 左右提升机采用绕线 式异步电动机转子串电阻调速系统，还有一小部分矿井提升采用直流传动设 备。缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，控制精度低， 安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济； ( 3 )监控方面：自1 9 8 6 年以来，针对制约提升安全的主要环节。陆续 增设了经常影响提升安全的深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备 保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的监 控，使提升安全状况有所改善；由于计算机技术的发展和智能仪器的发展， 各种组态软件的开发，监控系统的人机界面越来越友好。近几年一些大的矿 井提升机生产企业都开发了矿井提升系统专用计算机软件； ( 4 )安全回路：安全保护、闭锁及监测系统不够完普。但由于计算机技 术的引进，使提升机的安全保护系统得到了一定程度的完善。 目前我国对老式矿井的落后现状采取的是信息化和自动化的改造政策， 如中国神华集团神府东胜煤炭有限责任公司所属的大柳塔矿，2 0 0 0 年通过综 合自动化改造，将信息技术、高新科技应用到矿井的生产、管理中，改造后， 在生产规模、机械化、自动化程度上跃居国内领先水平。 总的来说，一系列有关煤矿生产安全 1 2 】的法律在制度上确保了煤矿生产 的安全性，先进的控制设备和控制策略f 1 3 1 4 1 也正在逐步应用，矿井提升机电 控系统的建设已经开始踏上网络化、智能化、自动化和数字化之路 1 3技术支持 1 3 1变频技术 九五计划把变频调速技术列为l o 项资源节约综合利用技术的示范工程， 在十五计划中把节能列为重点工程，在十一五计划中又强调要实施节能优先的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 方针，攻克主要耗能领域的节能关键技术变频技术在矿业上的应用是这一方针的最好 体现。 电力变频是针对固定的工频而采取的高效节能措施，变频技术 1 5 - 1 6 ) 开辟 了用电的节能时代。工频可谓发电的最佳频率。但它并不是所有用电设备的 最佳频率，因丽导致许多设备长期处于低效率、低功率因数运行的现状占 全国总耗电量近2 3 的交流电动机目前大多数处于全压、额频、恒速下运行， 运行效率只有6 0 左右，功率因数仅为o 7 左右。变频调速以其优异的调速 性能和起翩动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效采，广泛的适用范围 及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。中华人民共 和国节约能源法第3 9 条，已将交频调速技术列为通用节能技术加以推广。 变颓技术正逐渐走进入类生活和生产的每一个角落。 能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低 成本的重要途径作为能源的输送者一提升机本身还是巨大的能源消耗者， 因此节能也是设计电控系统时要考虑的重要因素。在矿山推广应用变频嚣， 节能是重要目的之一，同时还能达到提高生产效率、降低维修工作量等目的 1 3 2现场总线技术 随着计算机技术、电子技术、现代通信技术和自动控制技术的飞速发展， 一场牵动整个自动化和仪表工业界深刻“革命”的技术，受到国际自动化界、 仪表界和i t 领域的极大关注，并且正成为全世界自动化科学研究和发展的 热点，这就是现场总线技术 i t - i s 】以及基于该技术的智能化仪表和现场总线控 制系统。尽管现场总线技术的问世，并非单纯地出自一种新的控制理论。但 它将极大地改变我们现有的实现控制及设备维护与开发的全部方法它对传 统控制系统结构带来的变革，无论其深度还是广度都是空前的，必将开辟过 程控制的新纪元。 现场总线是一种工业数据总线，主要解决生产过程现场设备之间及其与 更高一级控制管理系统之闯的数字通信现场总线技术在矿产业的应用将网 络化引进了矿产业，把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，成为企业 信息网络的底层，从而为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了可行的 基础，更拓宽了现场总线技术的应用领域。 辽宁_ t 程技术大学硕_ = i ：学位论文6 通过目前现场总线标准化的深入，它所实现的最主要的功能有： ( 1 )使数字信号取代模拟信号成为可能； ( 2 )将控制、报警、诊断等功能分散到现场级仪表和装置中，产生了智 能化仪表，简化了上层网络系统； ( 3 )使现场的管理与控制的统一成为可能； ( 4 )实现了不同厂家产品的互操作性和互换性，为最终用户进行控制系 统的设计和组织提供了极大的方便； ( 5 )实现了自动化仪表技术从模拟数字混合技术向全数字技术改变。 现场总线是符合过程控制发展趋势的，即从信息分立发展到生产和设备 信息与过程知识的高度集成，以实现复杂工业生产的综合自动化，从而向最 终实现现代工业生产的自动化迈出坚实的一步。 p r o f i b u s ! 怫2 5 l 是众多现场总线其中的一种，它是一种国际性的、开放 的、己在世界范围内得到广泛应用的现场总线。1 9 9 6 年3 月1 5 日被批准为 欧洲标准，即d i n 5 0 1 7 0v 2 ；1 9 9 7 年7 月组建了中国现场总线专业委员会， 并筹建现场总线p r o f i b u s 产品演示及认证的实验室。目前，支持其标准的 产品已超过1 5 0 0 种，在国际上p r o f i b u s 具有大于2 0 的市场份额，居欧 洲首位，年增长率为2 5 。至今约有5 0 万个应用实例、超过5 0 0 万个节点， 据估计，到2 0 0 8 年将有1 0 0 0 万个节点。其产品被广泛应用到制造业自动化、 过程控制自动化、电力、楼宇、铁路交通等行业；在中国，p r o f i b u s 在离 散控制和过程控制方面，特别是在一些重大项目中( 如近期的三峡大坝闸门控 制系统1 有广泛的应用。 1 3 3模糊控制 现场总线系统使许多现代高级控制理论和智能控制技术有了更好和更 加广阔的应用和发挥平台。目前这方面的学术研究很活跃，取得的学术成果 1 2 6 1 也很多。本设计在调速系统方面做出了一些模糊控制理论和现场总线技术 结合的研究和探索。 模糊控制1 2 ： 1 属于智能控制的范畴，目前在很多领域都得到了广泛应用， 主要特点如下： ( 1 )模糊控制系统是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规 辽宁工程技术大学硕上学位论文7 则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，它是一种近似推 理的控制，具有人类恩维的若干特点，能够根据一系列的模糊知识和数据推 导出符合实际逻辑关系的结论，不需要系统精确的数学模型，因此特别适合 于系统复杂、难于或根本无法建立数学模型、而人工操作经验有效的非线性、 时变及纯滞后系统的控制。 ( 2 )模糊控制中的知识表示、模糊规则和推理是基于专家知识或熟练操 作者的成熟经验，并通过学习可不断更新，增强控制系统的适应能力。因此 它具有智能性和自学习性。 ( 3 ) 模糊控制器是基于包含模糊信息的控制规则所构成的控制系统，比 常规控制系统稳定性好、鲁棒性高，在改善系统特性时，不但像常规控制系 统那样能调节参数，还可以通过改变控制规则、隶属函数、推理方法及决策 方法来修正系统特性。因此，模糊控制器的设计、调整和维修变得更为简单， 而且在常规控制算法中，微小的错误和参数漂移都可能引起系统失控，而基 于控制规则的模糊控制系统对某一规则的变化敏感很小。系统抗干扰能力 强。 1 4 课题的研究内容和方法 1 4 1 研究内容 在分析了国内外现有的矿井提升机电控系统的现状和现场总线的技术 特性的前提下，研究设计了基于p r o f i b u s 的网络化矿井提升机电控系统， 其中重点设计了智能变频调速系统。同时，提出将现场总线技术与智能控制 技术模糊控制与现场总线技术结合的设想。网络化电控系统采用三层结 构的控制网络：三层即现场设备层，设备管理层和监控管理层从软硬件两 方面对p r o f i b u s d p 智能从始通信接口进行了设计，并且对提升机监测用 到的具有p r o f i b u s d p 接口的数字化智能仪表进行了简单研究和设计。 1 4 2研究方法 研究方法采用理论设计与实验相结合的途径。通过对矿井提升机电控系 辽宁工程技术大学硕士学位论文 统的现状和p r o f i b u s 的技术特性的分析设计，针对提升机电控系统的现有 缺点，设计了网络化矿并提升机电控系统。首先设计了网络化电控系统的网 络拓扑结构，然后分别设计了各个子系统。利用p r o f i b u s 从站开发芯片 s p c 3 2 。渤】进行了智能从站接口的软硬件开发。最后进行了系统的通信测试。 1 4 3 技术路线 设计根据矿井提升电控系统自动化，智能化和数字化的要求，在保证系 统安全可靠性的前提下，将现场总线技术应用到提升机电控系统，实现了网 络化其技术路线如下； ( 1 )矿井提升机现状的总结与分析； ( 2 )现场总线技术的技术特性分析及电控系统的网络结构设计； ( 3 )网络化电控系统实现的功能及器件选择； ( 4 )智能从站接口的开发方案选择及软，硬件系统开发； ( 5 )利用现有资源进行简单的试验： 用p c 机作为p r o f i b u s - d 卫级的监控主站，s t e p 7 和组态软件 w i n c c 3 0 3 2 1 ，进行编程、系统配置和组态： 利用已开发好的智能现场总线仪表进行通信测试； 1 5 本章小结 本章首先分析了此课题研究的重要性及意义，接着介绍了矿井提升机电 控系统的国内外现状以及存在的缺点，提出了课题研究的内容以及用到的相 关知识；简单介绍了论文所应用的基础知识，明确了论文的主要研究内容和 方法。 辽宁丁= 程技术大学硕1 ：学位论文9 2p r o f i b u s 及其在矿井提升机电控系统中的应用 2 1 现场总线概述 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装 置之间实行双向，串行、多节点数字通信的技术这是由i e c t c 6 5 负责测 量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的s c 6 5 w g 6 定义的。 现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设 备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还 是一种开放式、新型全分布式的控制系统。这项以智能传感、控制，p c p l c 、 数据通信为主要内容的综合技术，已受到世界范围的关注而成为自动化技术 发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 2 1 1 现场总线的缝构特点 现场总线t 3 3 剞 打破了传统控制系统的结构形式传统模拟控制系统采用 一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接位于现场的测量变送器与位 于控制室的控制器之间。控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均 为一对一的物理连接。 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中 处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具 有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因 而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成， 实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号代替模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信 号，如运行参数值、多个设备状态，故障信息等，同时又为多个设备提供电 源，现场设备以外不再需要模拟数字、数字模拟转换器件这样就为简化 系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用刨造了条件。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 2 1 2现场总线的技术特点 系统的开放性：开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之 问可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工 厂底层网络的开放系统这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性、强 调对标准的共识与遵从。 互可操作性与互用性：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。 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完成。 系统结构的高度分散性。 对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的 现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光 缆、红外线等，具有较强的抗干扰能力，并可满足安全防爆要求 2 1 3 现场笪线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系 统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体系出优越性具体 体现在：节省硬件数量与投资；节省安装费用；节约维护开销：用 户具有高度的系统集成自主权；设备更换和系统扩充更加方便；提高了 系统的准确性与可靠性；设计组态安装调试过程更加简便。 2 1 4现场总线类型的选择 由于技术和利益的原因，目前国际上存在着几十种现场总线标准，现在 比较成熟、应用较多的现场总线有f f 、c a n 、d e v i e e n e t 、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s 、h a r t ，i n t e r b u s 、c c l i n k 、c o n t r o l n e t 、w o r l d f i p 、p n e t 、 s w i f t n e t 等现场总线。 本设计选用的是p r o f i b u s 现场总线实现通讯，是基于以下几点因素考 虑的： ( 1 ) 速度方面的考虑： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 通讯速度与使用介质的长度、类型、站点数及数据传送量等因素有关， 可注意到p r o f i b u s 的数据传输率最快可达到1 2 m b p s ，完全能够满足矿井 提升机信息传输的需要： ( 2 )调试和维护方面的考虑： 由于p r o f i b u s 总线技术的应用，简化了系统的接线，易于查错和维护； 而且p r o f i b u s 应用比较广泛，技术也比较成熟。 ( 3 )使用经验方面的考虑： 就笔者所知，p r o f i b u s 技术已在制造业、流程行业、楼宇、电力、交 通、石油等许多行业已有应用业绩，另外很多研究机构也尝试着将现场总线 技术应用到矿业生产中。 ( 4 )系统可扩展方面的考虑： 从小的方面来说，系统本身后期扩展上很方便；从大的方面来说( 本设 计由于时间的原因，只做了电控系统的网络化研究) 由于p r o f i b u s 自身的 特点，本系统可以很方便与i n t r a n c t 或i n t e f n c t 互连，形成企业网，为广域 网提供信息。如图2 - l 所示 图2 - 1网络化企业信息网 2 2p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总 辽宁 = 程技来大学硕士学位论文1 2 线标准，即e n 5 0 1 7 0 欧洲标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它 们生产的设备提供p r o f i b u s 接口p r o f i b u s 已经广泛应用于加工制造、 过程和楼字自动化，是比较成熟的技术。 2 2 1现场总线p r o f i b u s 技术的组成 p r o f i b u s 由三个兼容子协议组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a i i z e d p e r i p 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 ) 、p k o f i b u s - 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 ) p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，用于传感器和执行 器级的高速数据传输，以d i n l 9 2 4 5 的第一部分为基础，根据所需要达到的 目标对通信功能加以扩充。这种设计主要用于设备一级的高速数据传送，在 这一级，中央控制器( 如p l c p c ) 通过高速串行线与分散的现场设备( 如i o 、 驱动器等) 进行通信，与这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。 p r o f i b u s - f m s ：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务， 完成中笠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 ：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。 2 2 2p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际准，以开放式系统互联网络 ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n o s i ) 作为参考模型的。该模型共有七层处 于底层的过程控制数字通信的基本要求是数据传输时间短、通信协议简单、 可靠，以满足控制系统与分散外围设备的快速响应要求。如果按照o s i 七层 模式的参考模型，由于层问操作与转换的复杂性，网络接口的造价与时间开 销显得过高。为满足实对住要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线 采用的协议结构大都在o s i 模型的基础上进行了不同程度的简化， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 p r o f i b u s 更不例外。i s o o s i 模型与p r o f i b u s 协议模型对比，如图2 - 2 所示。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 羔j - 嘲 ( 坠) i李 f m s 划d l 拓赫p a 行规 备行靓 d p 扩展 r d p 基本功能 现场总线 报文规范 ( f m s ) 未用 现场总线数据链路( f d l ) i e c 接口 r s - 4 8 5 光纤狂 c1 1 5 8 - 2 ( a ) i s o o s i 模型( b ) p r o f i b u s 协议模型 图2 2i s o ，o s i 模型与p r o f i b u s 协议模型的关系 p r o f i b u s d p 使用第一、二层和用户接口。这种精简的结构确保了数据传 输的快速和有效进行，直接数据链路映像( d d l m ) 为用户接口提供第二层 功能映像，用户接口规定了用卢和系统以及不同设备可调用的应用功能，并 详细说明了各种不同p r o l i b u s d p 设备的设备行为 p r o f i b u s f m s 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范 ( 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 ) 和底层接口( l l i ，l o w e rl a y e r i n t e r f a c e ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信 服务。l l i 协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口 p r o f i b u s p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s - d p 协议。另外，p a 还描 述了设备行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术可确保其本 征安全性；而且还可通过总线给现场设备供电使用连接器可在d p 上扩展 p a 网络。 2 2 3p r o f i b u s 传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑一 些总的要求( 传输可靠性，传输距离和高速) 又要考虑一些机电因数当涉 及过程自动化时，数据和电源的传送必须在同一根电缆上由于单一的传输 7 6 5 4 3 2 l 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 技术不可能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供以下三种类型：d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输、p a 的i e c l l 5 8 2 传输、光纤传输( f o ) ( 1 ) d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输 r s 4 8 5 是p r o f i b u s 最常用的一种，通常称为h 2 ，采用屏蔽双绞铜线 电缆，共用一根导线对。适用于需要高速传输和设施简单而又便宜的各个领 域，r s 4 8 5 传输技术的基本特性如表2 1 所示。 表2 - 1 r s 4 8 5 传输技术的基夺特征 线性总线，两端有有源的总线终端电阻短截线的波特率 网络拓扑 5 1 5 m b p s 介质屏蔽双绞线，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 站点数每段3 2 个站，不带转发器。带转发器最多可到1 2 7 个站。 插头连接器最好为9 针d 副插头连接器 r s 4 8 5 操作容易，总线结构允许增加或减少站点，分步投入不会影响到 其它站点的操作。传输速度可选用9 6 k b p s 1 2 m b p s ，一旦设备投入运行， 全部设备均需选用同一传输速度。电缆的最大长度取决于传输速度，如表2 - 2 所示 表2 2r s 4 8 5 传输速度与电缆的距离 波特率( k p b s ) 9 6 i 1 9 2 i 9 3 7 5 l 1 8 7 5 l 5 0 0 l 1 5 0 0 l 1 2 0 0 0 距离段( m ) 1 2 0 0 i 1 2 0 0 l 1 2 0 0 i 1 0 0 0 i 4 0 0 l 2 0 0 l l o o p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 使用相同的传输技术和统一的存取协 议。这样在同一根电缆上两种方式能同时工作。 1 )传输程序 用于p r o f i b u sr s 4 8 5 的传输程序为半双工、异步、无间隙同步为基础 的。数据的发送用n r z ( 不归零) 编码，即1 个字符帧为1 1 位( b i t ) ，当发 送位( b i t ) 时，由二进制“o ”到“l ”转换期间的信号形状不改变。 在传输期间，二迸制“l ”对应于r x d t x d p ( r e c e i v e t r a n s m i t d a t a - p ) 线上的正电位，而在r x d ，t x d n 线上则相反。各报文的空闲( i d l e ) 状态 对应于二进制“1 ”信号。 2 根p r o f i b u s 数据线也常称之为a 线和b 线。a 线对应于r x d ，t x d n 信号，而b 线则对应于r x d t x d p 信号 辽宁。 程技术大学硕士学位论文 i 孽里鬻：穹亍五 b 导线 二进制信号 a 导线 图2 - 4用n r z 传输时的信号波形 2 )总线连接 国际性的p r o f i b u s 标准e n 5 0 1 7 0 推荐使用9 针d 型连接器用于总线 站与总线的相互连接。d 型连接器的插座与总线站相联接，而d 型连接器的 插头与总线电缆相连。根据数据传输速率的不同，可选用屏蔽双绞线和光纤 两种传输媒体，设计中的使用的是屏蔽双绞线。 3 ) 总线终端器 p r o f i b u s d p 物理层与i s o o s i 通信标准模型的第l 层相同，采用 e i a r s 4 8 5 协议。在数据线a 和数据线b 的两端均加接总线终端器。r s 4 8 5 总线段的结构示意图如图2 5 所示 数据基准电位最多3 2 个站数据基准电位 圈2 - 5r s 4 8 5 总线段的结构示意图 ( 2 )用p a 的i e c l l 5 8 2 传输技术 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i e c l l 5 8 2 传输技术能满足化工和石化工业的要求，它可保持其本质安 全性并使现场设备通过总线供电，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 i ，用于p r o f i b u s p a 。i e c l l 5 8 2 传输技术原 理如下： 每段只有一个电源，供电装置； 站发送信息时不向总线供电； 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流； 现场设备的作用如无源的电流吸收装置； 主总线两端起无源终端线的作用； 允许使用线、树型和星型网络； 设计时可采用冗余的总线段，用以提高可靠性。 ( 3 )光纤传输技术 在电磁干扰很大的环境下应用p r o f i b u s 系统时，可使用光纤导体以延 长高速传输的最大距离。便宜的塑料纤维导体供距离在5 0 m 以内时使用，玻 璃纤维导体供距离l k m 内时使用。许多厂商如s i n e m e n s ，h o n e y w e l l 提供 一一 专用的总线插头可将r s 4 8 5 信号转换成光纤信号或光纤信号转换成r s 4 8 5 信号，这样就使得同一系统上既可以使用r s 4 8 5 又能使用光纤传输 2 2 4p r o f i b u s 总线存取协议 p r o f i b u s 的d p ，f m s 和p a 均使用单一的总线存取协议，通过o s i 参考模型的第2 层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在 p r o f i b u s 中，第2 层称之为现场总线数据链路( f d l ，f i e l d b u sd a t al i n k ) 。 介质存取控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输的程序，m a c 必须确保在任何时刻只能有一个发送数据p r o f i b u s 协议的设计旨在满足 介质存取控制的基本要求 在复杂的自动化系统( 主站) 问通信，必须保证在确切限定的时间间隔 中，任何一个站点要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i o 设备( 从站) 问通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传 输。因此，p r o f i b u s 总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与 从站之阕的主从方式，如图2 - 6 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 图2 6p r i 。f m u s 总线存取协议 ( 1 )令牌总线机制 如图2 6 所示的p r o f i b u s 系统由3 个和6 个从站构成3 个主站构成 逻辑令牌环。令牌环是所有主站的组织链，在令牌环中主站按照地址的升序 一个接一个排列，控制令牌按此顺序从一站传递到下一站。令牌提供存取传 输介质的权力，并用特殊的令牌帖在主站问传递。令牌传递程序保证了每个 主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权( 即令牌) 令牌是一条特 殊的电文，它在所有主站循环一周的最长时间是事先规定的，在p r o f i b u s 中，令牌只在各主站之间通信时使用。 在总线初始化和启动阶段，总线存取控制m a c 通过辨认主站建立令牌 环。在运行期间，断电或损坏的主站必须从令牌环中捧除，新上电的主站必 须加入逻辑环。此外，主站的令牌保持时间的长短取决于该令牌配置的循环 时间。 ( 2 )主从机制 如图2 6 所示，3 个主站分别通过p r o f i b u s 总线与其相连的从站构成 主从系统。主从程序允许主站当前有权发送信息、存取指定给它的从站设 备。这些从站是被动节点，主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。 除上述之外，介质存取控制还实现检测传输介质及收发器是否损坏，检 查站点地址是否出错以及令牌错误( 如令牌丢失或有多个令牌) ，以及保证数 据的可靠性。p r o f i b u s 第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。 p r o f i b u s 第二层按照非连接的模式操作。除提供点对点逻辑数据传输 外，还提供多点通信，其中包括广播及有选择的广播功能。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 1 8 d p 主站与从站间的数据传送分为三个阶段：参数设定，组态配置，数 据交换。在参数设定和组态阶段，每一个从站当自己的实际组态数据与所需 的组态数据相匹配时，从站才能进入用户数据传输阶段因此设备类型、数 据格式和长度以及输入输出量必须与实际组态数据保持一致。这些测试为用 户停工了可靠的保护以防止参数出错。除了d p 主站自动执行用户的数据传 输外，新的参数数据可根据用户的请求写入d p 从站 2 2 5p r o f i b u s 网络的构成 ( i )一类主站( p r o f i b u s 主站，必备) ： 一类主站指p l c ，p c 或可做一类主站的控制器。一类主站完成总线通 信控制与管理。在d p 网络中，1 个从站只能被1 个主站控制，这个主站被 称为这个从站的一类主站。一类主站在预定的周期内与分散的站( 如d p 从站) 交换信息。典型的一类主站如p l c 或支持主站功能的通讯处理器等 ( 2 )二类主站( 人机界面设备，可选) ； 二类主站是由通讯处理器连入网络的计算机及编程、组态的设备或操作 面板( t p o p ) ，完成各站点的数据读写、系统配置、监视和故障诊断等。 ( 3 ) p r o f i b u s 从站： p r o f i b u s 从站是进行输入和输出信息采集与发送的外围设备。包括i 0 设备、支持d p 接口的传动装置、传感器、执行机构等现场设备可由主站 在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。至于那些参数可进行通信 及参数格式由p r o f i b u s 行规决定 ( 4 ) p r o f i b u s 网络部件： 包括通信介质、总线部件和网络转换器。 ( 5 ) 工程及诊断工具： 包括网络配置、诊断工具、剥线工具。 p r o f i b u s d p 协议特别适用于可编程控制器与现场分散的i 0 设备之间 的通信，并且可满足交直流