（机械电子工程专业论文）基于现场总线的水库闸门控制系统的研究.pdf

，曩t7恤刈；1=_； at h e s i si nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ft h er e s e r v o i rg a t ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nf i e d b u s b yw a n gh u i p e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h o u e n t a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：芷 思。 学位论文作者签名：坦会鹕 日 期：z 口口伊刀一哆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：汪会碉鸯 签字日期：1 口。孑一0 7 9 3 导师签名：l 习恩畴 签字日期：2 口9 p ，0 7 - 哆 扎，一v 东北大学硕士论文摘要 基于现场总线的水库闸门控制系统的研究 摘要 某水库闸门控制系统改造项目是该水库2 0 0 7 年的重大技术改造项目，作为该项目的 子课题闸门控制系统的研究是该项目的重要组成部分。本论文以远程监控系统的开发和 电液比例系统应用为研究背景而展开工作的，具有一定的实用价值。 论文对现场总线技术做了全面、系统的介绍，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；并对应用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以及几种典 型的p r o f i b u s 控制网络结构类型进行了探讨。使用p r o f i b u s 通信协议完成工控机 与p l c 之间的通信，并研究其配套软件w i n c c 应用和系统配置等问题。 该系统的执行机构为电液比例系统，采用位移反馈，设计符合要求的闭环电液比例 系统。用传递函数的方法建立动态系统的数学模型，对模型进行分析，对建立的数学模 型进行p i d 神经网络控制，最后再用m a t l a b 软件对结果加以仿真。 最后通过仿真结果和实验表明建立的数学模型和控制系统的设计是正确的，p i d 控 制策略是很有效的控制方法，且系统通信正常。 关键字：现场总线；p r o f i b u s ；电液比例；p i d ；b p 神经网络 i i 东北大学硕士论文 a b st r a c t r e s e a r c n0 lr e s e r v 0 l r 1 、 一1 g a t ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nf i e d b u s a bs t r a c t t h er e b u i l di t e mo fr e s e r v o i rg a t ec o n t r o ls y s t e mi sav e r yi m p o r t a n tr e b u i l di t e mi n 2 0 0 7f o rr e s e r v o i r t h er e s e a r c ho fg a t ec o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ei t e m t a k i n gt h ed e v e l o p m e n to fr e m o t em o n i t o rs y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a ls y s t e ma sb a c k g r o u n d ，t h es y s t e mi sp r a c t i c a b l e w ei n t r o d u c ef i e l d b u st e c h n o l o g yg e n e r a l l ya n da n a l y z et h es p e c i f i ca n da d v a n t a g eo f p r o f i b u d si nt e c h n o l o g yi nt h ea r t i c l e t h e nw eb r i n gf o r w a r ds o m eo u t l i n e si n c o n f i g u r a t i o no fac o n t r o ln e t w o r kb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fp r o f i b i u s ，g i v es o m e e x a m p l e s o fp r o f i b u ss y s t e m u s i n g i ns o m e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s p r o f i b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sb e i n gu s e dt oc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni p ca n dt h e p l c w ea l s oi n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no fs u p p o r t i n gs o f t w a r ew i n c ca n dt h e s y s t e m c o n f i g u r a t i o na n ds oo n t h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e so ft h es y s t e ma r ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e m i n o r d e rt oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n de c o n o m i z et h ec o s t ，t h i st h e s i s a d o p t a d i s p l a c e m e n tf e e d b a c kd e s i g n ，a tt h es a m et i m e ，s e t t i n gu pt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h e s y s t e mb yu s i n gt h et r a n s f e rf u n c t i o nm o d e l ，s e t t i n gu pt h ep i dc o n t r o la n dn nc o n t r o lt a c t i c k ，f o rt h em o d e l i nt h ee n d ，t h i st h e s i ss i m u l a t i o nt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em o d e lo f e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mb yu s i n gt h em a t l a bs o f t w a r e b a s e do nt h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，t h ef i n a lr e s u l to fe x p e d m e n ti n d i c a t et h a tt h e e s t a b l i s h e dm a t hm o d e la n dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ec o r r e c t ，t h ec o n t r o ls t r a t e g y o fp i da n dn na r ee f f e c t i v ec o n t r o lw a y s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ni sn o r m a l k e yw o r d s ：f i e l d b u s ；p r o f i b u s ；e l e c t r o h y d r a u l i c ；p i d ；b pn e r v e rn e t w o r k i i i 幡 东北大学硕士论文目录 目录 独创性声明i 摘要一i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的背景与目的1 1 2 现场总线综述1 1 2 1 现场总线的特点和优点2 1 2 2 现场总线国内外发展现状一3 1 2 3 现场总线的展望一4 1 3 本文研究内容5 第2 章p r o f i b u s 现场总线技术的研究6 2 1 现场总线技术概貌6 2 1 1 现场总线的概念6 2 1 2 现场总线技术产生的意义6 2 2p r o f i b u s 现场总线简介一6 2 2 1p r o f i b u s 的基本型式7 2 2 2p r o f i b u s 系统的组成8 2 3p r o f i b u s 各层协议分析8 2 3 1p r o f i b u s 的协议结构8 2 3 2 物理层9 2 3 3 数据链路层9 2 3 4 应用层1 1 2 4p r o f i b u s 的传输技术1 1 2 5p r o f i b u s 总线的拓扑结构1 2 2 5 1p r o f i b u s 电气接口网络1 2 2 5 2p r o f i b u s 光纤接口网络1 4 2 6p r o f i b u s d p 技术简介1 8 2 6 1p r o f i b u s d p 的概念l8 2 6 2p r o f i b u s d p 的基本功能18 2 6 3p r o f i b u s d p 的组成21 i v 东北大学硕士论文 目录 3 7p r o f i b u s d p 在水库闸门控制系统的应用2 1 第3 章水库闸门远程监控系统的设计2 3 3 1 远程监控的技术基础2 3 3 1 1 远程监控的方式2 3 3 1 2 远程监控的设备接入技术2 4 3 1 3w i n c c 组态软件介绍2 4 3 2 利用w i n c c 实现监控自动化2 5 3 2 1w i n c c 与p l c 数据通信。2 6 3 2 2 监控界面的设计2 7 3 3w i n c c 组态步骤2 9 3 3 1 建立项目2 9 3 3 2 组态变量2 9 第4 章基于电液比例技术的系统建模3 1 4 1 电液比例技术简介3l 4 1 1 电液比例技术基本概念3l 4 1 2 电液比例技术发展概况3 l 4 1 3 电液比例控制系统的组成3 2 4 1 4 电液比例控制系统的分类3 4 4 2 水库闸门液压系统的设计与建模3 4 4 2 1 水库闸门液压系统设计3 4 4 2 2 液压系统的建模3 5 4 3 阀控非对称液压缸其他环节模型的建立4 3 4 3 1 阀控非对称液压缸系统方框图4 3 4 3 2 比例放大器和零阶保持器传递函数4 4 4 3 3 比例阀传递函数的确定4 4 第5 章控制系统的仿真与分析4 6 5 1 液压系统的仿真概述4 6 5 1 1 液压系统仿真的意义和目的4 6 5 1 2 仿真环境简介4 7 5 2 水库闸门系统模型仿真参数确定。4 8 5 2 1 比例放大器的增益4 8 v 东北大学硕士论文目录 5 2 2 液压油液参数的确定4 8 5 2 3 比例阀传递函数的确定4 8 5 2 4 液压缸传递函数的确定4 9 5 3 比例系统的特性分析5 2 5 3 1 比例系统的开环传递函数5 2 5 3 2 系统开环伯德图5 2 5 3 3 系统的瞬态响应5 3 5 4p i d 控制器5 5 5 4 1p i d 简介5 5 5 4 2p i d 控制器原理5 5 5 5 神经网络控制与仿真5 7 5 5 1 概述5 7 5 5 2 基于b p 神经网络的p i d 整定一5 7 第6 章结论一6 3 参考文献6 4 致谢6 7 附录6 8 v i 东北大学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景与目的 某水库是辽宁省著名七大水库之一，建于1 9 5 8 - 1 9 6 2 年。水库水面广阔，东西 长3 0 公里，南北宽2 5 公里。控制面积2 3 7 6 平方公里，最大库容9 7 1 亿立方米，大 坝长1 6 2 2 米，高3 9 6 米。是辽宁省防洪、灌溉、发电、养鱼、旅游等方面综合利用 的大型水库之一。 随着企业自动化程度的不断提高，对水库闸门的监控与控制系统也有更高的要 求。水库原有闸门系统长期失修，存在系统老化问题，为了安全期间对闸门系统进行 修复，并对闸门的控制系统进行改进。 水库阀门与办公楼距离为2 公里，原来的阀门系统的控制主要由现场工人手工完 成，存在如下不足：控制的实时性差；工作效率低；数据不精确；闸门室在野外，控 制不方便。为提高效率降低成本决定开发远程监控系统。 水库闸门的控制系统由p l c ( 可编程控制器) 和i p c ( - v 业控制计算机) 组成，该系统 分为以下四级：第一级为现场级，这一级包括各种工艺参数的传感器和各种电力、电 子、液压等执行机构；第二级为设备控制级，它用来接收各种参数的检测信号，并按 照要求的控制控制规律实现各种操作的控制；第三级为过程控制级，这一级完成各种 数学模型的建立和过程数据的采集处理；第四级为监控与信息处理级，这一级主要对 系统远程监控和信息处理。 p l c 在闸门控制系统的作用是实现闸门的自动控制和手动控制，它不仅要完成一 般逻辑控制功能，还要完成数据运算和过程显示等功能。同时p l c 还要能实现与上 位机的数据交换，为运程监控提供必要的数据。 因此p l c 在闸门控制系统中的地位十分重要，为了提高系统的稳定性，下位机 采用s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 ，上位机采用s i e m e n s 的工控机，上位机与下位机用光纤 通信。该系统通过s i e m e n s 公司的w i n c c 组态，实施过程监控。本课题的目的就是 完成对现场设备的控制及远程监控，使用p r o f i b u s 实现主从站之间的信息通信。 1 2 现场总线综述 我国的工业控制体系大体经历了四代：基地式气动仪表控制系统、电动单元组合 东北大学硕士论文第1 章绪论 式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和集散控制系统d c s ，目前刚刚兴起的 是现场总线控制系统f c s t l l 。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一个全分布控制系统。它作为智 能设备的纽带，挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接网络系统，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、优化及控 管体化的综合自动化功能。 。 由于现场总线适应了工业控制体统向分散化、网络化、智能化发展的方向，促使 自动化仪表、集散控制系统等产品面临体系结构和功能等方面的重大变革。它一经产。 生便称为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。 1 2 1 现场总线的特点和优点 现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求，设备一对一的分别进 行连线的结构形式。把原先d c s 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放 入现场设备，加上现场设备具有通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的 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。 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。它作为网 络节点的智能设备连接成自动化网络系统，实现基础控制、补偿计算、数修改、报警、 显示、监控、优化的综合自动化功能。是一项以智能传感器、制、计算机、数字通信、 网络为主要内容的综合技术。场总线系统在技术上具有以下特点【2 】。 ( 1 ) 系统具有开放性和互用性 通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要， 把不同供应商的产品组成开放互连的系统。系统间、设备间可以进行信息交换，不同 生产厂家的性能类似的设备可以互换。 一 ( 2 ) 系统功能自治性 系统将传感测量、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， 。 现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。 ( 3 ) 系统具有分散性 现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 4 ) 系统具有对环境的适应性 现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有强的抗 干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。 东北大学硕士论文第1 章绪论 由于现场总线结构简化，不再需要d c s 系统的信号调理、转换隔离等功能单元 及其复杂的接线，节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费用。设备 具有自诊断与简单故障处理能力，减少了维护工作量。设备的互换性、智能化、数字 化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易于重构等优点。 1 2 2 现场总线国内外发展现状 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功 能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实 现整个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，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生产现场与外界的信息交换【3 】。 1 9 8 3 年，h o n e y w e l l 推出了智能化仪表【4 】，它在原模拟仪表的基础上增加了计算 功能的微处理器芯片，在输出的4 2 0 m a 直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制 室之间的连接模拟信号变为数字信号。之后，世界上各大公司推出了各种智能仪表。 智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础。 智能仪表的出现为现场信号的数字化提供了条件，但不同厂商提供的设备通信标 准不统一，束缚了底层网络的发展。现场总线要求不同的厂商遵从相同的制造标准， 组成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。 基于这项技术的自动化系统就是f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) t 5 1 。现场总线控制系 统( f c s ) 用数字信号代替了模拟信号，以提高系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，并 延长信息传输的距离。它既是一个开放的通信网络，也是一种全分布的控制系统，是 一种新型的网络集成自动化系统，它以现场总线为纽带，把挂接在总线上的相关网络 节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动 化等多项功能1 6 j 。 现场总线控制技术给控制系统体系结构带来了一场新的革命，f c s 将会代替传统 的d c s 7 】。我国在“九五”期间为了加快现场总线技术在我国的发展支持成立了“中 国机电一体化技术应用协会现场总线专业委员会”和“中国仪器仪表协会现场总线专 业委员会 以推进行业工作，同时在重庆、西安、上海三大生产基地投资进行技术改 造，重点放在智能化仪表和现场总线技术的开发和工程化上，补充和完善工艺设备、 开发装置和测试设备、建立智能化仪表和开发自动化系统的生产基地，形成适度规模 经济。集中力量联合攻关，解决基础产品和基型产品等5 0 个品种和必要的支撑软件的 开发。 东北大学硕士论文第1 章绪论 2 0 0 0 年，“九五”国家科技攻关计划“新一代全分布式控制系统研究与开发 和 “现场总线智能仪表研究开发 两个项目相继完成。这两个项目以及先期完成的“现 场总线控制系统的开发”项目，针对国际上已经出现的多种现场总线协议并存的局面， 重点选择了p r o f i b u s 协议和c a n 协议现场总线技术攻关。 我国的工业自动控制系统发展，在经历了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、集中式数字控制系统以及集散控制系统( d c s ) 后，将朝着现 场总线控制系统( f c s ) 的方向发展。虽然以现场总线为基础的f c s 发展很快，但f c s 发展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统的维护和 改造还需要d c s ，因此f c s 完全取代传统的d c s 还需要一个较长的过程，同时d c s 本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是结合d c s 、工业以太网、先进控制等新技 术的f c s 将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、 可靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更 加重要的地位。 1 2 3 现场总线的展望 现场总线已经广泛应用于各个领域。虽然总线的类型众多，现在总线的标准难统 一，但已经发布的现场总线标准说明这些现场总线是有生命力的，已经在相关的应用 领域取得广泛应用并获得成功。现场总线的发展方向如下1 8 j 。 ( 1 ) 通信协议。对通信的实时性要求更高。现场现场总线技术是用于控制装置和 现场设备、在现场设备之间实行双向、串行、多点的数字通信技术。因此，实时性是 现场总线的发展方向之一。从数字通信要求来看，就是如何提高通信速率，减少无效 通信量，扩大通信距离，采用塌缩通信模型等。此外，还包括制定与互联网通信的通 信协议，使现场总线设备成为互联网的一部分，实现一网到底，实现互联网的访问， 使e 网进入工业领域。 ( 2 ) 硬件。向无线通信方向发展，向网络化发展。与无线通信技术相适应，在现 场总线中采用无线通信将成为现场总线的发展方向。 ( 3 ) 软件。采用x m l 和o p c 技术。x m l 和o p c 都是c o t s ( c o m m e r c i a l o f f - t h e s h e l f ) 商业应用技术的两个标准。他们允许控制和管理软件与其他硬件和软件 产品实现无缝集成。标准化软件是现场总线的重要发展方向。 ( 4 ) 互操作性与互换性。通常，互操作性和互换性指一个的现场总线产品可用另 外一个制造商的同类产品替代，而不会发生不能操作和不能进行数据通信的情况。由 4 东北大学硕士论文第1 章绪论 于有些制造商的现场总线仪表中有较多的功能模块提供，有些制造商的现场总线仪表 只有基本的功能模块，因此，这里的互换性和互操作性仅指可以是实现该产品的基本 功能。 ( 5 ) 通信接口。由于多种现场总线并存已成为不争的事实，因此研制各种现场总 线的接口和网关等转换或链接设备，实现它们之间的通信将成为今后无法回避的课题， 成为现场总线应用中的不和谐音。 ( 6 ) 分散控制。随着微处理器和存储器技术的发展，在现场总线设备中增加有关 的功能模块，例如比率r a 、分程s p l t 等功能模块，使常用的复杂控制能够在现场实 现。此外一些批量和混合控制也可以用柔性功能模块实现，使现场级的分散控制范围 更广泛、更彻底。 ( 7 ) 技术培训。现场总线仪表的应用与一般仪表的应用有所不同。现场总线控制 系统中现场总线的仪表选型、网段设计、工程安装和维护等是现场总线控制系统应用 的重要环节，对现场总线和仪表控制系统设计和应用人员的培训将是一项重要工作。 1 3 本文研究内容 本文以水库闸门控制系统的改进为课题背景，对以下几个问题进行深入的讨论及 阐述。 ( 1 ) 讨论了p l c 的功能，优点及其应用，并对其选型，应用到项目中。 ( 2 ) 研究了p r o f i b u s 现场总线通信协议，使其完成在水库闸门系统中主从站的 通信。 ( 3 ) 研究了西门子组态软件w i n c c 的应用，并用w i n c c 组态水库闸门远程控制 界面。 ( 4 ) 电液比例系统的仿真与建模。 ( 5 ) 利用b p 神经网络的学习算法对p i d 整定。 东北大学硕士论文第2 章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 第2 章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 2 1 现场总线技术概貌 2 1 1 现场总线的概念 根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义，现场总线( f i e l d b u s ) 9 】是“安装在生产过程区 域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点 通信的数据总线”。或者说，现场总线是单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设 备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络 系统与控制系统1 0 1 。其中，“生产过程 应包括断续生产过程和连续生产过程两类。 现场设备仪表指位于现场层的传感器、驱动器、执行机构等设备。因此，现场总线是 面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术【1 l 】。 2 1 2 现场总线技术产生的意义 ( 1 ) 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层 网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术使用一条通 信电缆将现场设备( 智能化、带有通信接口) 连接，用于数字化通信代替4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号，完成现场设备控制、监控、远程参数化等功能。 ( 2 ) 传统的现场自动化监控系统采用一对一连线的，4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号，信号 量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的 “信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 ( 3 ) 基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与 设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延 伸到生产现场。 2 2p r o f i b u s 现场总线简介 p r o f i b u s 是一种国际化的、开放的，不依赖于设备生产商的现场总线标准，它 是德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议标准。代号d i n l 9 2 4 5 由十三家工 业企业及五家研究所经过两年多时间完成。1 9 9 6 年经欧洲电工委员会批准为欧洲标准 东北大学硕士论文第2 章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 e n 5 0 1 7 0 。目前，该标准在许多方面己作为生产厂家和用户共同遵守的最高标准。近 年来，现场总线技术成为工业自动化领域技术发展的热点。p r o f i b u s 总线技术的开 放性适应了为在同一个工业控制系统中使不同生产商的设备( 如智能仪表、执行元件、 调节器等) ，能够连接起来，彼此交换数据和进行通讯要求。它是一种高度标准化的通 讯规范【1 2 1 。 p r o f i b u s 主要应用领域有： 制造业自动化：汽车制造( 机器人、装配线、冲压线等) 、造纸、纺织。 过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。 电力：发电、输配电。 楼宇：空调、风机、照明。 铁路交通：信号系统。 2 2 1p r o f i b u s 的基本型式 根据e n 5 0 1 7 0 标准，p r o f i b u s 具有三种型式，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 ，它们分别适用于不同的领域，但这三种型式使用的是统一的总线访 问协议。 ( 1 ) 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 ，分散型外围设备) 这是一种适用于进行高速数据传输的通信连接，它是专门为自动化系统与在设备 级分散的i o 之间进行通信而设计的。它可取代2 4 v 或0 - 2 0 m a 测量值的传输，并具 有非常短的响应时间和极高的抗干扰性能。 ( 2 ) 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 ，过程自动化) 这是一种适用于过程自动化的型式，它可以使传感器和执行器接在一根用的总线 上，根据i e c l l 5 8 2 国际标准，p r o f i b u s p a 采用双线进行总线供电和数据通信。由 于应用了本质安全传输技术，因此，p r o f i b u s p a 可以方便地运用于许多对安全性 要求较高的场合。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ，过程自动化) 这是种工业通讯层次结构，用来解决车间级的通讯任务，功能强大的f m s ( 现 场总线报文规范) ，向用户提供了广阔的应用范围和更大的灵活性，同时p r o f i b u s 还具有更加强大的数据通信功能。 东北大学硕士论文第2 章p r o f i b u s 现场，总线技术的研究 2 2 2p r o f i b u s 系统的组成 如图3 1 所示，一个典型的现场总线p r o f i b u s 系统由三类站设备点组成1 2 】： 5 2 主站 图2 i 一个典型单主站的p r o f i b u s 的系统结构图 f i g 2 1at y p i c a ls i n g l em a s t e rs t r u c t u r eo f p r o f i b u s 1 一类( c l a s s l ) 主站 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。 2 二类( c l a s s 2 ) 主站 二类主站指操作员工作站( 如p c 机加图形监控软件) 、编程器、操作员接口等。完 成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。 3 从站 ( 1 ) 以p l c 为代表的智能型i o 设备。 ( 2 ) 分散式i o 设备( 非智能站点) 。 通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。分散式i o 不具有程序 存储和程序执行，通信适配器部分接收主站指令，按主站指令驱动i o ，并将i o 输入 及故障诊断等信息返回主站。 通常分散型i o 是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式i o 与使用主 站的i o 没有什么区别。 2 3p r o f i b u s 各层协议分析 2 3 1p r o f i b u s 的协议结构 p r o f i b u s 的层次结构基于i s o o s i 开放系统互联模型( g b t 9 3 8 7 ) ，如图2 2 所 示。本标准定义了第一层( 物理层，p h y ) ，第二层( 数据链路层，f d l ) 和第七层( 应用 东北大学硕士论文第2 章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 层) 。第三到六层未使用，以使系统开销最小和提高效率【1 3 1 。 2 3 2 物理层 a l i 应用层f m s f 【a 7 表示层 l l i 会话层 传输层 无 ， 网络层 数据链路层 f d l f m a l 2 物理层 p h y 图2 2p r o f i b u s 协议结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fp r o f i b u sp r o t o c o l p r o f i b u s 标准中定义了串行现场总线的技术和功能特性。串行现场总线主要用 来连接数字现场设备中、低功能的系统，如传感器、执行机构、变频器、可编程控制 器( p l c ) 、数控装置( n c ) 、编程设备和本地人机接口等。p r o f i b u s 分为d p 和p a 两 种不同的物理标准，但它们采用的介质存取协议以及传输协议是相同的，并且它们与 应用层的接口也是一样的。 物理层是一种介质，包括长度、拓扑结构、总线接口、站点数和9 6 k p b s 到1 5 m p b s 之间可变的数据传输速率，可以适应不同的应用。在用户接口上，具有共同的存取方 式、传输协议和共同的服务。本课题所采用的物理类型是d p 协议，是基于e i a 标准 r s 4 8 5 制定的。其主要参数如下【1 4 】： 拓扑：线性总线，在两端有终端器，短截线0 3 m ，无分支； 介质：光纤； 总线长度：4 0 0 0 m ； 站点数：3 2 ( 主站，从站或中继器) ，站点数量可以通过中继器增加，一条总线可 允许的中继器最多为3 个，最多可接站点1 2 2 个； 数据传输速率：9 6 1 9 2 9 3 7 5 1 8 7 5 5 0 0 1 5 0 0 k p b s 。 2 3 3 数据链路层 三种p r o f i b u s ( d p 、f m s 、p a ) 均使用一致的总线存取协议。该协议是通过数据 东北大学硕士论文 第2 章p r o f i b u s j r z 场总线技术的研究 链路层来实现的。p r o f i b u s 总线存取协议包括：主站之间采用令牌传送方式，主站 和从站之间采用主从方式1 5 1 。 令牌传递程序保证每个主站之间在一个确切规定的时间间隔内得到总线存取权 ( 令牌) 。令牌报文是一种特殊的报文，它在主站之间传递总线存取权，令牌在所有主 站中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，令牌传递仅在各主站间通 信时使用，且在主站间按地址升序传递。 主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与其所属的从站通信。每个主站均可 向从站发送或索取信息。通过这种存取方法，可实现主站主站方式、主站从站方式 以及混和式配置。 1 帧结构 p r o f i b u s 按照国际标准i e c 8 7 0 5 1 制定帧字符和帧格式。每个帧由若干个帧字 符( 即u a r t 字符) 构成。每个u a r t 字符由1 1 个位组成：一个开始位( s t ) ，总是为二 进制“0 ”；8 个信息位，高位先发送；一个奇偶校验位( p ) ；一个停止位，总为二进制 “1 。u a r t 字符格式如下： 接收器的位同步总是从开始位下降沿开始的，即从“1 ”转换成“0 时。开始位 和后继的各个位在一个位时间内被扫描。开始应为“0 ，否则同步位失败并停止。u a r t 字符终止于二进制“1 的停止位。如果停止位是“0 ，则发出同步错误或u a r t 字 符错并报告。 传输规则： ( 1 ) 空闲时间相当于信号电平二进制“1 ； ( 2 ) 每个帧传送前必须有3 3 个空闲位时间( 同步时间) ； ( 3 ) 在帧的u a r t 字符之间不允许有空闲状态； ( 4 ) 接收器检查每个u a r t 字符的开始位、停止位、奇偶校验位和每个帧的起始 界定符、结束界定符、d a 、s a 、和f c s 1 6 1 。 p r o f i b u s 主要具有如下四种形式的报文结构，分别为：无数据信息的固定长度 帧、有数据信息的固定长度帧、具有数据信息的变化长度帧和令牌帧。所有信息( 包括 令牌信息) 在传输过程中要确保高度安全，以免传输错误，海明距离h d = 4 。h a m m i n g 距离用作数据传输质量的判断，h d = 4 可以检查以下错误：字符格式错误( 奇偶校验、 帧错误、超限) ；协议错误( 错误的起始终止界定符) ；错误的报文长度。 - 1 0 东北大学硕士论文第2 章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 2 f d l 控制器 f d l 控制器是各站点在通信中的主要执行者，在数据传输过程中p r o f i b u s 采用 混和式的介质存取方式，包括令牌传输和主从方式两种，每次通信都是由持有令牌的 主站初始化的，令牌根据逻辑环的连接从一个主站传递到另一个主站，每个主站的令 牌持有时间是有一定限制的【1 7 1 。 除了持有令牌的站点外，其它站点在通常情况下监视所有的请求，只有当自身被 寻址时，才会做出响应，而且该响应必须在一个预定的时间内到达通信的发起者，否 则将重新发出请求。其中必须注意的是，无论是再次请求还是新的请求，发起者都必 须经过一个空闲的时间周期，否则系统将出现错误。如果经过多次重启后，发送者仍 为收到任何响应，被寻址的站点将被标识为“n o n o p e r a t i o n a l ”。 2 3 4 应用层 p r o f i b u s 标准的应用层包括两个实体，即f m s ( 现场总线报文规范) 和l l i ( 低层 接口) 。 p r o f i b u s 致力于与过程密切相关的自动化应用并制定了一个具有实时操作能力 的简单总线接口，使不同厂家生产的现场自动化部件在分布式系统中互联，并保证部 件间通信可靠，这样的系统成为开放系统。此外，p r o f i b u s 协议易于与较高层次的 自动化系统集成( 制造自动化协议，m a n u f a c t u r i n ga u t o m - a t i o np r o t o c o l ，m a p ) ，只需 极少的互联开销。 应用层通过不同的