（控制理论与控制工程专业论文）燃料乙醇生产工艺dcs控制系统及其控制策略研究.pdf

两安建筑科技大学硕士论文 燃料乙醇生产工艺d c s 控制系统及其控制策略研究 专业：控制理论与控制工程 硕士生：李惠君 指导教师：席爱民教授 摘要 进入2 l 世纪，我国经济的可持续发展面临的能源和环境问题越来越突出。燃料 乙醇作为燃料具有节能和环保的优点，在国际上广受重视。玉米油作为乙醇生产的 重要的副产品，具有很好的经济效益。 本文结合吉林燃料乙醇有限公司的燃料乙醇生产线的建设，首先讨论了湿法粉 碎工艺生产燃料乙醇的工艺特点和自动控制系统的设计。该控制系统采用基于现场 总线的p c s 7 过程控制系统，结合了传统d c s 和p l c 的优点和功能。在网络配置 上采用工业以太网和p r o f i b u s 现场总线技术。系统硬件配置经济、合理，有较强 的抗干扰能力，软件设计功能丰富，人机界面友好，操作简便。 其次，玉米油生产浸出工序的蒸脱机温度控制回路中，被控对象具有难以建立 精确的数学模型，且具有大惯性、大滞后的特点，研究运用模糊控制算法和经典p i d 控制算法相结合的控制策略，分析了模糊p i d 控制算法的原理和实现方法，并运用 m a t l a b 软件对设计1 的系统进行仿真，仿真结果表明，达到较好的控制指标。 关键词：现场总线d c s模糊p i d自适应 论文类型：应用基础 t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m & r e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g y a b o u tf u e la l c o h o lp r o d u c t i o nt e c h n i c s s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ：l i h u i j u n i n s t r u c t o r ：p r o x ia i m i n a b s t r a c t i nt h e2 1c e n t u r y ，t h ep r o b l e m o f e n e r g ys o u r c e sa n de n v i r o n m e n t ，w h i c hi sf a c e dt o o u re c o n o m i c a lc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t ，i sm o r ei m p o r t a n t f u e la l c o h o lh a st h em e r i t o f e c o n o m i z i n ge n e r g ys o u r c e sa n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，s oi t i s w i d e l yr e g a r d e d c o mo i l ，w h i c hi st h ei m p o r t a n tb y p r o d u c to ft h ea l c o h o lp r o d u c t i o n ，h a sv e r yg o o d e c o n o m y b e n e f i t f i r s t l y , t h ew e tc r a s ht e c h n i q u e sa n dt h ed e s i g no fa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r e d i s c u s s e d ，w h i c hb a s e do nt h eb u i l d i n go ff u e la l c o h o lp r o d u c tl i n ei nj i l i nf u e la l c o h o l c o ，l t d ，j i n l i np r o v i n c e t h ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hu s e ss i m a t i cp r o c e s sc o n t r o l s y s t e m7 ( p c s7 ) b a s e d o nt h ef i e l d b u s ，c o m b i n e st h ea d v a n t a g ea n df u n c t i o no ft r a d i t i o n d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a n dp r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) o nt h e c o n f i g u r a t i o no ft h en e t w o r k ，t h et e c h n o l o g yo fi n d u s t r ye t h e m e ta n dp r o f i b u s i s i n t r o d u c e d d e s i g ns c h e m eo f h a r d w a r e i sr e a s o n a b l e ，e c o n o m i c a la n de f f i c i e n t s o f t w a r e h a sp l e n t yf u n c t i o n sa n ds a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c t s i t so p e r a t i o ni s s i m p l eb e c a u s eo f f r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r t h c e s e c o n d l y , d u r i n g t h e b r a i s i n g o f f i i n e t e m p e r a t u r e c o n t r o l l o o p o ft h eo i l p r o d u c t i o n l i x i v i n t i n gp r o c e d u r e ，t h ec o n t r o l l e do b j e c t ，w h i c hi sh a r dt ob u i l dt h ee x t r a c t m o d e l ，h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a r g ei n e r t i a l ，b i gt i m e d e l a y t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h e c o m b i n a t i o no ff u z z yl o g i ca r i t h m e t i ca n dn o r m a lp i da r i t h m e t i ci si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , t h eb a s i cp r i n c i p l ea n da c t u a l i z a t i o nm e t h o do ff u z z y p i da r ea n a l y z e d t h e d e s i g nm o d e l i ss i m u l a t e di nm a t l a ba n dt h er e s u l tp r o v e sg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：f i e l d b u s ，d c s ，f u z z y - p i d ，a d a p t i v e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t 声明 y 6 1 7 0 13 本人郑重声明我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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：鸯蔑君 日期：加毕，占7 弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者躲孳琵君翩躲庳氖眺砒纠弓 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技火学硕士论文 1 绪论 1 1 课题的来源和背景 本论文以作者部分参与吉林市吉林燃料乙醇有限责任公司年产6 0 万吨乙醇工程 的控制系统的设计、安装、渊试为研究背景，论述了过程控制系统设计及基于工控 组态软件的计算机监控系统的软件设计，并且针对蒸脱机温度控制回路难以建立精 确数学模型的特点，提出了运用模糊控制技术和经典控制算法p i d 结合的智能控制策 略，详细讨论了控制算法的设计过程，并运用 a t l a b 软件进行仿真研究，仿真结果 表明，采用模糊p i d 控制算法，系统的动、静态性能指标均优于常规p i d 控制，对控 制对象有较强的自适应能力，是一种值得采纳的控制算法。 1 2 国内外燃料乙醇生产的现状 乙醇，俗称酒精，它以玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏而制成， 除大量应用于化工、医疗、制酒业外，还作为能源工业的基础原料燃料。乙醇 作为发动机燃料始于2 0 世纪3 0 年代。所谓燃料乙醇是指对浓度为9 5 左右的乙醇 经进一步脱水，再加上适量变性剂使之成为水份小于0 8 ，且不可食用的无水乙醇。 车用乙醇汽油，就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配形成的一种汽车燃料， 在国外被视为替代和节约汽油的最佳燃料，具有价廉、清洁、环保、安全、可再生 等优点。这项技术在国外已十分成熟。 燃料乙醇作为可再生能源，是人类可以利用的大宗能源之一。由于燃料乙醇作 为燃料具有节能和环保的优点，可节省石油资源，消化库存粮食，促进农业发展和 显著的经济效益，在国际上广受重视。美国是世界上燃料乙醇的主要生产国。早在 2 0 世纪3 0 年代，美困就开展了燃料乙醇的研究及开发工作。2 0 世纪7 0 年代的世 界石油危机和1 9 9 0 年美国凶会通过的空气清净法( 修j 下案) ，是美国燃料乙醇产业 发展的两个主要推动力。1 9 7 8 年美国燃料乙醇的生产能力为3 万吨，至1 9 9 0 年产 量即达2 6 5 万吨，1 9 9 5 年增加到3 5 0 万吨，2 0 0 0 年达5 5 9 万吨，到2 0 0 4 年，计划产 量达到1 0 0 0 万吨。美国政府实施燃料乙醇政策以来，促进了美国农业的发展，改 善了环境，减少了原油进u ，为社会提供了大量的就业机会。巴西政府大力发展燃 料乙醇行动计划始于1 9 7 5 年，起因第一是从国家能源安全和经济发展考虑( 当时 巴西8 0 的燃料依赖进口) ，第二是为了促进国内农业、种植业的发展和保护农民 利益( 巴西是全世界最大的j 十蔗种植区) ，第三是为本国发展绿色可再生能源创出 新路和保护环境。1 9 7 7 年，巴西正式以2 0 乙醇与汽油混配，推向市场，2 0 世纪 1 硝安建筑科技人学硕士论文 8 0 年代乙醇与汽油混配比提高到2 2 ，1 9 7 9 年，纯乙醇也被推向市场。2 0 世纪7 ( ) 年代的后f i 年内乙醇产量由每年4 5 万吨猛增至2 6 8 万吨，年增长率为4 2 9 。目 前，巴西年产乙醇1 0 0 0 万吨左右，高居世界首位。燃料乙醇计划的实施，给巴西 带来了二大收益：一是形成了独立的经济能源运行系统；二是刺激了农业和乙醇相 关行业的发展；三是大气质量和生态环境显著改善。目前，巴西成为世界上最大的 燃料乙醇生产和消费国。在欧洲，乙醇作为燃料使用尚未全面展开。目前，欧共体 乙醇产量在1 7 5 万吨年左右，乙醇汽油的使用量大约在1 0 0 万吨。欧盟的目标是 到2 0 1 0 年可替代能源将占】2 的份额，这有可能引起人们对酒精的更大兴趣。欧 共体积极发展燃料乙醇是基于以下几方面原因：一是石油价格的不断攀升；二是减 少对石油的依赖；三是为了增加就业机会；四是将资金留在本国：五是乙醇汽油提 高了汽油的动力性能：六是环境污染问题。此外最直接的动力是欧洲国家的农业丰 收形成的农产品过剩问题。现在欧共体中法国、西班牙和瑞典已生产和使用乙醇汽 油。欧共体中其它成员国如荷兰、英国、德国、奥地利等国家的农业部也已向政府 提出规划，要求发展燃料乙醇工业。泰国是亚洲第一个由政府开展全国生物燃料项 目的国家。在短短的两年时间内，泰国成功地开展了乙醇和燃料酒精项目，这些项 目提供了利用过剩的食用农产品的途径，对提高泰国农村几百万农民的生活水平起 到了积极的作用。 进入2 l _ 世纪，我国经济和社会可持续发展面临的能源、环境、农业等问题越 来越突出，开发燃料乙醇，节省石油消耗，是我国重要的战略举措。我国现在已从 石油出口国变为石油进口国，石油进口量已突破7 0 0 0 万吨，且仍呈上升趋势。石 油为彳：可再生能源，从国家能源战略出发，新能源和可再生能源的开发利用，是我 国政府大力倡导的。我国粮食相对过剩，缺乏有效转化手段，严重影响我国粮食生 产的可持续发展。推广使用车用乙醇汽油可以有效解决粮食转化问题，稳定粮食价 格和农民收入，也使国家拥有一个可靠的粮食转化和调控手段，促进农业生产和消 费的良性循环。随着经济的发展，我国城市大气污染f ：_ i 趋严重，应用汽油乙醇，也 有利丁二环境的改善。中国已经开始了燃料乙醇产业的建设。我国“十五”计划纲 要提出，要开发燃料乙醇，以节约石油资源。2 0 0 1 年国家计委已经把搞好车用乙 醇汽油推广使用试点作为调整和优化产业结构的重点工作来抓。变性燃料乙醇、 车用乙醇汽油两项国家标准发布实施。这意味着，作为一种新型的燃料，乙醇 汽油将在我国j f 式启用。目前，我国河南天冠集团公司和黑龙江华润金玉事业有限 公司两个工厂燃料乙醇改扩建项目已投产，我国最大的燃料乙醇项目吉林省年产6 0 万吨燃料乙醇经过历时三年的建设已投产。 西安建筑科技大学硕二 ? 论文 1 3 课题的意义及主要内容 奉课题针对燃料乙醇玉米油的生产，采用了国内外先进的生产工艺和设备，系 统采用基于西门子“全集成自动化概念”的过程控制系统s i m a t i cp r o c e s sc o n t r o l s y s t e m7 ( s i m a t i cp c s7 ) ，是一套完善的管控一体化系统，该控制系统具有高度 自动化水平，也是国内乙醇生产行业的首次使用，在幽内具有广泛的应用前景。 在乙醇生产工艺的过程摔制中，温度、压力、料位、流量等的控制性能，对产 品的安全生产，质量的提高，降低成本，提高经济效益，具有重要的意义。但在过 程控制中，自动化控制传统上大多采用p i d 控制，而随着工业生产过程的大型化， 精细化，又要求进行生产过程优化控制，由于生产过程的复杂性，高要求，一般的 常规控制方法无法满足过程的控制要求，对先进的控制算法的研究，具有现实的意 义。 针对燃料乙醇生产工艺中的浸出工段，研究了蒸脱机温度控制系统的特点，详 细分析了模糊控制和经典p i d 控制相结合的策略，并采用m a t l a b 进行仿真研究， 其结果证明，达到较好的控制指标，建议在以上控制系统中采纳。 两安建筑科技大学硕士论文 2 燃料乙醇生产工艺及系统概述 在乙醇生产中常用的谷物原料有玉米，小麦，黑麦，高粱，燕麦和大麦等。改 革开放前，由于我国粮食相对紧张，乙醇行业用粮食作原料较少。近年来，由于粮 食的丰收，加之环保工作的要求，用玉米等谷物作原料做乙醇的工厂越来越多。尤 其以玉米做原料。 玉米是很好的生产乙醇的原料，不但如此，玉米胚芽中含有3 0 一4 0 的脂肪， 玉米油巾的不饱和酸含量达7 2 ，是很好的食用油脂，玉米还含有丰富的蛋白质。 因此，玉米不仅是乙醇生产的良好原料，在生产乙醇的同时，还可以进行提取玉米 油，制造蛋白质饲料等工作，具有很好的经济效益1 3 1 。 2 1 燃料乙醇生产工艺 吉林燃料乙醇工程采用国外的先进工艺，以湿法粉碎工艺生产乙醇，综合利用 玉米原料，其主要工艺是以玉米为原料生产淀粉，然后以淀粉直接液化、糖化生产 乙醇，同时，全而回收淀粉以外的各种副产品，组成淀粉、乙醇、油脂、饲料等生 产的火型企业。 湿法粉碎工艺生产流程在美园应用较早，特别是近年来新建的工厂，通过制淀 粉工艺除去纤维、蛋白质、玉米油等。如美国最大的乙醇公司( a r c h e rr a p i d s ，i o w a ) m i d l a n d ( c e d a rr a p i d s ，i o w a ) ，简称a d m 公司即采用该湿法工艺。 在乙醇做燃料乙醇的工艺上，传统的方法是采用苯或环己烷脱水共沸精馏工 艺，现普遍采用分子筛脱水工艺。 工艺流程图如图2 + l 所示 嚣安建筑科技火学硕+ 论文 引2 1 燃料乙醇1 ：艺流程图 玉米原料经除杂净化后，进入浸泡工序，浸泡后，送入胚芽分离装置，分离出 的胍芽，作为原料，送入玉米油车间，经预榨、浸出、精炼环节，生产玉米油；由 曲安建筑科技大学硕十论文 胚芽分离装置出的另一部分玉米物料，进入粉碎环节，粉碎后经过滤，回收出纤维， 纤维和来自玉米油车间的浸出饼粕和来自蒸馏车i l 白j 的酒糟浓浆混合干燥，生产玉米 纤维蛋白饲料添加剂( d d g s ) ：过滤出的物质进入淀粉蛋白质分离装置，将蛋白质 利淀粉分离，分离出的蛋白质可回收出售；淀粉作为生产乙醇的原料，经净化、液 化糖化、发酵、酵母分离与浓缩、蒸馏等工序生产出乙醇，分离与浓缩出的酵母， 可进入发酵环节，循环使用；生产出的乙醇，经分子筛进一步脱水，再加上适量变 性剂使之成为水份小于0 8 ，且不可食用的燃料乙醇：生产酒精蒸馏排出的酒糟液， 采用全干燥法制取全价干酒糟( 英文全称是d i s t i l l e r sd r i e dg r a i n sw i t h s o l u b l e s ，简称d d g s ) 。该技术首先是将酒糟用沉降式离心机分离为清液和滤渣。清 液的4 0 回流至液化糖化工序，其余的6 0 的清液经蒸发器浓缩成浓浆，浓浆和 滤渣混合后进入干燥机内干燥纤维蛋白饲料添加剂( d d g s ) ，这不仅消除了酒糟废 液的污染，同时，又提高了经济效益。 2 。2 控制系统设计方案 吉林6 0 万吨年燃料乙醇工程是我国最大的燃料乙醇生产基地，工程浩大，地 域分散，控制回路多，监控点数多，自动化程度高，管控一体化程度高。根据总体 设计方案和实际工艺对过程控制的要求，并考虑当前自动控制技术的发展及企业管 理的需要，通过国际招标，决定采用s i e m e n s 公司的p c s7 ( 过程控制系统) 作为 全厂的自动监控系统。p c s7 是一种模块化的、基于现场总线的过程控制系统，它 结合了传统d c s 和p l c 的优点及功能。系统的所有硬件都基于统一的硬件平台，所 有软件也都全部集成在s i m a t i c 程序管理器下，具有统一的软件平台，在网络配置 上使用标准的工业以太网和p r o f i b u s 现场总线。由于p c s 7 消除了d c s 和p l c 的界 限，真正实现了仪控和电控的一体化，使系统应用范围更广。它是一种适用于现在、 面向未来的开放型现场总线过程控制系统。控制系统配置图如图2 2 所示： 6 ，塑圣垄壑坠垫当兰堡；：篁奎 。： 。， lt 2 0 n m e i e t 2 n m e t 6 t e t 2 l ! l 2 0 0 m e 米韶尴肚净化站脱胍$ 慌站下米汕站 蒜发干燥站液化韩化站发酵蒸馏站 库m 厦敢f ) ( 站 图2 2 燃料乙醇_ i 二程系统配置图 吉林6 0 万吨年燃料乙醇采用p c s7 过程控制系统，配置一台工程师( e s ) 站、 7 台( o s ) 操作员站、7 台带冗余的a s i 1 7 h 控制器共计8 0 0 0 多个i 0 点。本工艺 系统分为七大单元：玉米储运及净化系统，脱胚制浆系统，玉米油系统，蒸发干燥 系统( 蛋白饲料单元) ，液化糖化系统，发酵蒸馏系统，库区和罐区系统。生产装 置地域分数，特别适合现场总线的应用。 本装置按照现代化工厂的模式进行管理，实现高度自动化控制和管理。控制水 平达到困内同行业先进水平。工程采用基于现场总线的d c s 控制方式( 又称f c s 现 场总线控制系统) ，集中管理，分散控制。这七个二【。艺系统在控制上相互独立，各 用一套系统a s 站( p l c 擦制系统) 来实现控制，并实现双机冗余，在现场的远程 0 站通过p r o f i b u s d p 现场总线与a s 站相连。在上位机方面，所有工段的监控将 7 西安建筑科技大学顶+ 论文 集中在中央控制室，进行统一管理。充分体现了集中管理，分散控制的思想。 整个控制系统采用p l c 加上位机的两级控制结构，通过上位机计算机的人机接 口对系统设备发出控制命令，同时系统中各设备的运行状态信息在上位机c r t 卜直 观动态地显示，上位机和p l c 之间通过数据通讯接口进行通讯，p l c 通过远程站对 现场设备进行数据采集和控制。 重要的1 艺参数的显示、控制、操作、联锁、报警等是通过d c $ 系统来实现的。 在现场设置d c s 的远程i o 站，并通过高速冗余的通讯总线与乙醇装置的其它工段 连接起来进行通讯实现集中监控。 中央控制室配置1 l 台：l 业p c 机，其中1 台工程师( e s ) 站，两台服务器( s e v e r ) 站，由于通信量比较大，特设1 台网络服务器，主要用于网络通信的处理，用于对 第三方的通信：7 台操作员站，7 台a s 站( 有冗余的双c p u ，型号为a s4 1 7 h ) 。服 务器和操作员站以客户服务器的模式构成，作为服务器，负责上位机系统中的数 据处理和与p l c 网络直接进行通信，要显示和处理的数据从服务器的p c 中来，并 把数据处理的结果存储到服务器的数据库中。两台服务器互为冗余，如果一台服务 器出现故障，系统将自动切换到另一台服务器上正常工作。 中央控制室内还设置了闭路电视系统、火灾报警系统，可为玉米油装置及其它 控制装置提供接入接口。d c s 与局域网通讯，管理部门可随时调用d c s 上的数据， 实现生产和管理高度自动化。 此外公用工程一污水厂处理单独使用一套p l c 处理，建立单独的网络系统，并 通过网络与中央控制室互连，由中央控制室与管理网相联。 2 3p c s7 软件应用介绍 过程控制系统s i m a t t cp c s7 是西门子基于全集成自动化思想，功能强大，面 向工艺的现场总线解决方案。s i i a t i cp c s7 是西门子公司在t e l e p e r m 系列集散 系统和s 5 ，s 7 系列可编程控制器的基础上，结合先进的电子制造技术、网络通讯技 术、图形及图像处理技术、现场总线技术、计算机技术而产生的先进技术。s i m a t i c p c s7 的突出特点有： 基于全集成自动化思想； 与p r o f i b u s 现场总线有机地结合在一起； 吸收了各种先进技术，面向工艺； 更分散的系统配置，特别适用于分散的过程控制应用场合； 系统配置灵活，易于扩展； 西安建筑科技大学硕l 论文 模块化结构，通用的硬件模块； 强人的系统软件，组态与编程轻松简单； 丰富的人机界面产品提高了监控与管理的水平 全集成自动化思想就是用 种系统或者一个自动化平台完成原来由多种系统 搭配起来才能完成的所有功能。应用这种解决方案，可以大大简化系统的结构，减 少大量接l j 部件，应用全集成自动化可以克服上位机和工业控制器之间，连续控制 和逻辑控制之间，集中与分散之间的界限。同时，全集成自动化解决方案还可以为 所有的自动化应用提供统一的技术环境，这主要包括： 统一的数据管理； 统一的通信： 统一的组态和编程软件。 基于这种环境，各种各样不同的技术可以在一个用户接口下，集成在个有全 局数据库的总体系统中。工程技术人员可以在个平台下对所有应用进行组态和编 程。 2 4s i m a t i cp c s7 中的网络通信技术 为了处理自动化工程中的各种不同的任务，s i m a t i cn e t 提供了不同的通讯网 络以针对特定的应用。为满足各种不同的需要，s i m a 、i cn e t 提供了下列遵从国际 标准的通讯网络： ( 1 ) a s 接口：执行嚣传感器接口( a s i ) ，用在自动化系统的最低层通讯网络。 用于把二进制的执行器或传感器经a s i 总线电缆连接到p l c 。 ( 2 ) p r o f i b u s ：车间级和现场级的通讯网络，遵从e n 5 0 1 7 0 一卜2 ，使用令牌总 线和主一从混合的总线访问技术。组网基于双绞线对，光缆或无线传输。 ( 3 ) p r o f t b u s p a ：是p r o f i b u s 用于过程自动化( p a ) 。它应用i e c 6 1 1 5 8 2 传 输技术连接p r o f i b u s d p 协议。 ( 4 )k l k 以太网快速工业以太网：用于局域网及车间区域的通讯网络，应用 基带传输技术，遵从i e e e 8 0 2 3 ，采用c s m a c d 介质访问技术。 通讯系统的基础是局域网( l a n ) ，它可以通过电气的、光学的、电气光学无 线的组合等方式实现。 在吉林燃料乙醇工程中，使用的通讯网络技术主要是p r o f i b u s 现场总线和工 业以太网，以下主要介绍这两种技术：p r o f i b u s 现场总线和工业以太网。 9 p 安建筑科技火学硕士论文 2 4 1p r o f i b u s 现场总线概述 西门子公司p r o f b u s 产品原来称为s i n e cl 2 ，现在称为s i m a i i cn e tp r o f i b u s ， 以前符合德国标准d i n1 9 2 4 5 ，自1 9 9 5 年以后，西门子公司的p r o f i b u s d p 现场总 线产品遵从欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。p r o f i b u s d p 允许小的数据量的快速循环通讯，传 输速率可达1 2 m b p s 。s 1 m a l 、i cn e tp r o f i b u s d p 用于连接e i 、2 0 0 分布式i o 系统的 部件和带有高级可编程控制器的现场设备以及编程设备。s i m a t i cn e t p r o f i b u sf m s 为现场和车问级复杂的通讯任务而设计。传输速率可达1 5 m b p s 。两 种协议都基于相同的总线部件。p r o f i b u s 因此成为从现场级扩展到车间级的全系统 的解决方案。 作为一种_ _ ：l 业现场局域网络，p r o f i b u s d p 在世界范围内广泛应用。 目前，针对不同应用领域有三种协议可供选择： 1 ) p r o f i b u s d p串行总线s i m a t i cn e tp r o f i b u s d p 足s i m a t i cs 7 站与现场 设备( d p ) 从站之间用于过程输入和过程输出数据的标准化的接口，在d p 主站与 d p 从站之间循环地进行着少量数据的交换。为高速数据交换而优化的p r o f i b u s 版 本是真正的适用于p l c 与现场级分布式i o 之问的通讯。 分布式i o 是指经p r o f i b u s d p ( c p u 、i m 或c p ) 与中央控制器相连接的i o 模板组成的现场设备。s 7 系统中使用的d p 从站按配置与功能可划分为三组： 紧密型d p 从站一具有不可变更的i o 结构，e t 2 0 0 b 系列的数字站属这一类。 模块化的d p 从站一它的i o 结构是可变的且在配置时指定。这种类型的d p 从 站的典型代表是e t 2 0 0 m ，一套e t 2 0 0 m 首要的模块( i m l 5 3 ) ，可以连接最多8 块的 $ 7 - 3 0 0 系列的i 0 模板。 智能d p 从站一这些从站的i 0 结构在硬件配置期问定义。智能从站的特点是 对于d p 主站卅变得i o 区域对应一个预处理c p u 映射的i 0 范围，而不总是真f 存在的i 0 区域。 分布式i o 还可以是经a s 接r 总线的分布式i o 。p r o f i b u s d p 网络可以 d p a s 接【_ | 连接a s 接口刚络h 所连接的设备形成分布式的i o 。d p a s 接口连接 如同一个d p 从站一样工作，般工作状态下使人感觉不到系统底层有接口的存在。 2 ) p r o f t b u s f m s s i m a t i c n e t p r o f i b u s f m s 用于s w m 7 c 7 站与p c 之间的车问级上的数据 交换。f m s 允许两个支持f m s 标准的p r o f i b u s 站之间进行数据的传输。f m s 特有的优越性是数据结构以设备无关的格式传输，而在通讯伙伴处则转换成设备相 关的格式。这意味着可以与所有理解f m s 的设备进行通讯，在站上的用户程序中， 还可以利用各种程序设计语言。 1 0 舶安建筑科技大。浮预f 论文 p r o f i b u s f m s 与p r o f i b u s d p 使用了相同的传输技术和共同的总线访问 协议，因而二者可以在网络上同时操作，即这样的两套系统可以在同一p r o f i b u s 网络电缆同时操作。 3 ) p r o f i b u s p a p r o f i b u s p a 是特地为过程二【_ ：程设计，元件传感器执行器连接到共同的现场总 线，即使是在易爆环境下应用。p r o f i b u s p a 使用了扩展的p r o f i b u s d p 协议进行 数据传输，也使用了p a 协议准则。在这个准则中定义了现场设备的响应。传输使 用了i e c 6 1 1 5 8 - 2 ( 同步传输) ，这意味着系统配置是本质安全的，而且现场设备可以 通过总线获得电源。p r o f i b u s p a 设备很容易集成到p r o f i b u s d p 网络，只需相应 的段耦合器元件( p a d p 连接器) 即可。 p r o f i b u s - p a 可以配置成总线型、星型或树型结构，可以是独立的，也可以是 互联的。一个总线段上所连的站数取决于电源，一个站的电源输入，所用的总线电 缆类型以及总线系统的覆盖范围。一个在本质安全配置下的p r o f i b u s p a 网络段 可以最多连接l o 个站，而在非本质安全配置下的每个网段则最多可以连接3 2 个站。 传输速率3 1 2 5 b p s 。为了增加系统的实用性，可以把总线网段加倍以达到冗余之目 的。一个p a 总线段与d p 总线段连接，需要用总线段耦合元件或d p i ) a 连接器。 2 4 2p r o f i b u s 现场总线的访问技术 p r o f i b u $ 总线的介质访问方法为令牌总线主一从方法，对应e n 5 01 7 0 卷2 所 规定的方法，即对主动站使用“令牌总线”而对被动站使用“主一从”。访问技术与 传输介质无关，令牌总线主从的总线访问技术解释如下： 所有主动站( 主站) 形成有固定次序的逻辑令牌环，每一个主动节点知道其 它 e 动节点以及在逻辑环中的次序。访问介质的权力，即“令牌”，按照这个逻辑 次序从一个主动节点向另一个主动节点传递。如果一个节点收到了令牌，它即可以 发送帧。令牌持有时间说明了允许它发送数据的允许时间。一旦超过这个时问，这 个节点便只允许发送一个高优先权信息，如果这个节点无信息可发送，它直接把令 牌传递给逻辑环中的下一个节点。总线上地址最高的主动站( h a s ) 是一个例外， 它直接把令牌向地址最低的主动站传递，因此使得逻辑令牌环成为封闭的。用来计 算令牌持有时间的令牌计时器在所有的主动节点上配置。如果一一个主动节点占有令 牌，并且它有被动接点的连接配置( 主一从连接) ，则这被动节点论询或数据发送到 这个从站。被动节点不会得到令牌。 p r o f i b u s 的这种访问技术允许网络操作期间有节点进入逻辑环或从逻辑环退 出。 曲安建筑科技入学硕l 论文 2 4 3 工业环境下的通讯与s i m a t i cn e t 工业以太网 在工业环境下的通讯要求与常规的办公室环境下的通讯要求有很大的不i 司。这 利1 不同实际上已经影响到了通讯的各个方面，如丰：动的与被动的网络部件，所连接 的d t e ，网络概念拓扑结构，有效性，数据传输，以及环境条件等。 尽管来自办公室通讯的一种经典的通讯协议t c p f l l p 近年来已开始在制造自动 化和过程自动化领域普及并逐渐占优势，但对工业通讯而言，仍有特别优化的网络 通讯协议。 t 业以太刚的基本设计思想是利用现有的标准( 以太刚标准i e e e 8 0 2 3 ) ，并增 加专门用于_ ：_ l = 、i k 通讯的必要而有用的细节，由此便产生了具有适用于制造和过程环 境特性的产品s i m a t i cn e 3 1 _ 业以太网。 t e e e 于1 9 8 5 年制订了第一个以太网标准i o b a s e 5 。这个基于同轴电缆作为传 输介质的标准成为第一代工业以太网的基础。第一代的工业以太网称为s i n e ch 1 ， 它在多年的制造自动化与过程自动化应用中不断得到改进。 工业以太网子网的应用领域包括管理级和车间级的自动化系统。在管理级上， 处理影响整个工厂( 管理功能) 的监控任务。车间级上自动连续地处理所有的自动 化和优化函数，在这一级上，p l c 、p c 和人机接口互相连接。 s i m a t i cn e t 工业以太网是车间级的通讯网络，使用基带传输技术，遵从 i e e e 8 0 2 3 标准，采用c s m a c d 介质访问技术。网络工作在三轴电缆、石英光纤光 缆或带屏蔽双绞线电缆上，传输速率为i 0 m b p s 。 s i m a t i cn e t 快速工业以太网是以l o o m b p s 速率传输的工业以太网，使用石英 光纤光缆或带屏敞双绞线电缆实现。 从一丌始，不论是i e e e 标准还是s i v a 1 i cn e t 工业以太网，都在不断地改进 和发展，主要在于增强以太网的灵活性和性能。这种改进和发展包括，例如：光缆 传输的引进，双绞线电缆传输的引进以及把传输速率提高1 0 倍的快速以太网的引 入。 所有这些各种以太网版本的公共基础是基带信号传输技术和c s m a c d 介质访问 技术。 以太网技术要点 局域网符合i s o i e c8 8 0 2 3 的最重要的特性是所有网络用户对传输介质具有 同等的访问权力和机会。为了处理不可避免的冲突，必须要有绝对遵从这个标准的 冲突检测和明确的规定。 1 ) 基带信号传输按照i e e e 8 0 2 3 ，以太网采用了基带传输技术。这意味着 信号传输不经渊制，在传输介质上( 如总线电缆上) ，以脉冲形式传输。传输介质 1 2 幽安建筑科技大学硕十论文 形成一个单一的通道，其传输容量为所有的d l e 共享。任一时刻只允许有一个d t e 发送数据。如果有多于一个d t e 在i 司一时刻发送数据，则在传输介质上就发生了碰 撞。这就使得试图发送的d t e 数据的信号被破坏。因而必须协调对公共的传输介质 的访问。为了解决这个问题，i e e e 8 0 2 3 采片j 了c s m a c d 协议。 2 ) c s m a c d ( 载波侦听多路访问冲突检测) 协议的网络访问，也称为边听边 讲( l w t ) 。这是种分御式的访问技术，即与网络相连的每一个d t e 都有相同的访 问权力。如果一个d t e 欲发送数据，它首先进行“侦听”介质，以确定是否有其他 的d t e 已经在进行数据传送。如果没有，则它可以立即发送数据；如果这个d ，r e 检 测到传输介质正由一个不同的d t e 使用，则它只有等待，等待介质再次空闲。 所有的d t e 都侦听传输的数据。根据数据中的目的地址的信息，各d t e 可以识 别出是甭应该接收这些数据。 如果有多于个d t e 在同一时刻试图发送数据，它们都检测到介质空闲，于是 同时发送。过一会儿，传输的数据将碰撞，与碰撞有关的各d t e 随后立即停止发送。 各自等待一个自己计算的随机时间之后再试图重新发送。而其它d t e 等待直至传输 介质再次空闲。若没有中心站点来监视和控制局域网的访问，网络上的每一成员都 监视网络上的通信，如果网络是空闲的，都可以立即启动数据发送。 丌始一个数据传输的顺序： 一载波侦听：各网络成员检查传输介质是否空闲。 一多次访问：如果介质空闲，任何成员都可以启动数据发送。 一冲突检测：如果网络上多于一个成员同时启动数据发送，将导致一个数 据碰撞冲突，发送数据的成员将检测这种冲突并中i 上发送。 用一种策略决定何时这些成员可再进行数据发送。 冲突及冲突检测机制 c s m a c d 介质访问机制将导致一种可能性，即有多个用户同时进行对介质的访 问。因此，访问方法必须有在发生冲突时能够处理冲突的机制。这种机制需要： 一由参与的网络成员进行每个冲突的检测。 一在冲突发生时l _ _ i 止数据发送。 一如粜前一次发送尝试因发生冲突而失败，则能重新发送。 2 5 工业以太网和现场总线在吉林燃料乙醇工程中的应用 2 5 1 工业以太网配置 吉林燃料乙醇工程基础自动化系统采用西门子公司推出的采用交换技术的工 西安建筑科技大学硕士论文 业以a 网，剐m 0 s m 组成的冗余光纤环结构的工业以太网为主干，传输速率1 0 0 i b p s 。 如图2 2 所示。经光缆把一个由六个o s m 组成的总线结构闭合，形成一个冗余双光 纤环。这种冗余的工业以太网主于环网提供了快速的介质冗余，可以增加网络的有 效性和可靠性，较适合于大型网络。 具有交换功能的光学连接模块o s m 是重要的网络设备，其主要功能包括：存贮 一转发( 帧交换) 、错误检查、及传输速率转换等。它把收到的整个的信息先存贮 来，经过分析，然后按数据信息中的目的地址将它们转发到相应的一个或多个输出 端厂| 卜；它检查收到的数据是否有传输错误，只传递无错数据，因而o s m 可以通过 放弃损坏的数据而减轻网络负担。o s m 分析数据包中的源和目的地址，基于这些信 息，模块具有一个自动刷新的地址表形式的网络“图”( 系统配置期间生成) 。在这 个地址表中，各网络节点的以太网地址( m a c 地址) ，都对应着o s m 的相应的端口， 可以访问在数据包中要寻址的网络节点。只有要送往另一个子网中的网络节点的数 据才从输入口交换到o s m 的相应的输出端口，而对于本地的数据通信，仍留在本地。 o s m 能够同时处理几个这样的数据流，只要这些数据的目的地址不在同一个口上。 与o s m 各个端口相连的是按常规l o m b p s 以太网数据速率工作的，即通过o s m 端口 挂在l o o m b p s 快速工业以太网上的p l c 或i p c 上，在它与o s m 之间的传输速率是 l o m b p s 。如图所示2 2 自动化系统配置图中，p l c 工业以太网接口卡为c p4 4 3 1 ， 工程师站和服务器p c 与工、址以太网接口卡为c p 1 6 1 3 。 2 5 2 现场总线p r o f i b u s d p 的配置 在基础自动化系统中，由各p l c 负责完成各子系统的控制任务，包括电控和仪 控。对于多数的子系统都有大量的现场信号需要采集，包括开关量和模拟量信号。 从控制任务的角度来讲，需要高性能的控制器；而从系统总成本角度讲，又需要满 足一定的性能价格比。根据生产现场的实际需要，各子系统在设计系统配置采用了 以下方案，即p l c 选用高性能的s i m a t i c s 74 0 0 ( c p u 4 1 7 4h ) ，i 0 模板选用s i m a t i c $ 7 3 0 0 系列模板，以远程t o 站( e t 2 0 0 m 系统) 的形式配置。s i m a t i cs 74 0 0c p u 通过其p r o f i b u s d p 端l 7 经p r o f i b u s 网络与各e t 2 0 0 m 系统相连。由于e t 2 0 0 m 系 统充分利用了s 73 0 0 系列模板的优点，包括最佳的性能价格比和快速的响应时问， 同时山于s i m a t i cs 74 0 0 ( c p u 4 1 7 4h ) 的高性能，这样的硬件配置成为适合于大巾 型控制系统的最佳配置。 p r o f i b u s d p 是s i m a t i cs 74 0 0 c p u 与远程i o 站e t 2 0 0 m ( d p 从站) 之间用于 过程输出数据传输的标准化的接口，在d p 主站与远程i o 站e t 2 0 0 m 2 ：f j 循环地进 行希