（系统分析与集成专业论文）基于profibus现场总线控制系统的研究与应用.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 现场总线作为计算机技术、通信技术、仪表技术以及控制技术高度集成与综合的产物， 已成为当今自动化领域技术发展的热点之一。它是连接智能现场设备和自动化系统的全分 散、数字式、双向、多变量，多点、多站的通信网络。在众多现场总线标准中，过程现场 总线( p r o f i b u s ) 以其团际化、开放式，高灵活性、高可靠性等优势，在过程自动化、制 造自动化、楼宇自动化等领域内得到广泛的应用。 首先，本文阐述了课题的研究背景与选题依据，接着从基本概念、技术特点、典型标 准等方面对现场总线技术进行介绍，并研究了p r o f i b u s 现场总线的协议组成、技术特点和 优势，着重介绍了p r o f i b u s - d p 协议标准的特点、主要功能以及通信类型。 在此基础上，本文研究、设计了一套采用i l i f l 子$ 7 - 3 0 0 系列p l c ，构建基p r o f i b u s - d p 的主从结构控制系统的整体方案，并针对该系统的网络组态、硬件组成、软件设计以及监 控界面组态进行了详细论述。该基于p r o f i b u s - d p 的主从结构控制系统实现了主站 ( c p u 3 1 5 2 d p ) 对三个智能从站( c p u 3 1 3 c - 2 d p ) 的实时监控 在详细研究模糊控制基本理论、系统组成、技术优势及特点的基础上，本文针对三个 子系统之一的锅炉温度控制系统，研究、设计了一套基于二维模糊器的锅炉温度模糊控制 系统，详细研究了该二维模糊控制器的设计方法，并探讨了采用s 7 3 0 0 p l c 编程软件s t e p 7 进行模糊控制算法的编程，以及通过组态软件组态王对监控界面进行的设计与开发的方法 该锅炉温度模糊控制系统，在不依赖被控对象的精确数学模型，以及精准的p 、i 、d 参数 的基础上，实现了对锅炉温度的较好的控制。 关键词：现场总线，p r o f i b u s ，主站，智能从站，可编程控制器，模糊控制 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ei n t e g r a t e dp r o d u c to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , a n dc o n t r o it e c h n o l o g y , f i e l b u si so n eo ft h ef o c 璐e so ft h e c u r r e n tt e c h n i c a ld e v e l o p m e n ti na u t o m a t i cf i e l d f i e l b u si sw h o l es c a t t e r e d , i n t e l l i g e n t ,b i - d i r e c t i o n a l ，i n t e r c o n n e c t e x l , m u l t i v a r i a b l ea n d m u l t i p o i n t c o m m u n i c a t i o nn e 咖r kw h i c hc o n n e c t si n t e l l i g e n tw o r k i n ge q u i p m e n tw i t h a u t o m a t i cs y s t e m p r o f m u s 。a s eo f t h ei n t c m m i o n a ls p e c i f i c a t i o n so ff i e l d b u s ， h a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi na 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 n m c h l , 1 i l l ga n da u t o m a t i z a t i o no f b u i l d i n g f i r s t , t 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 or e s e a r c hi nt h et h e s i s 、e 拂d i s c u s s e d t h e n , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n c e p t p r o p e r t y , t y p i c a l p r o t o c o l so ff i e l d b u st e c h n o l o g y , a n dt h ec o n s i s to fp r o t o c o l s ，p r o p e r t i e sa n d a d v a n t a g e s o fp r o f i b u sw e r er e s e a r c h e d n 圮p a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h e p r o p e r t y , t h ef u n c t i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo f p r o f i b u s d e o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho ns t a n d a r do fp r o f m u s o n el d n do fm a s t e r - s l a v e r s t r u c t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np r i ) f i b u s - d pw i t hs m 加ss 7 3 0 0s e r i e s p l cw a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d 啊圮p a p e rd i s c u s s e dt h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o n , t h eh a r d w a r es t r u c t u r e s o f t w a r ea n dm o n i t o r i n gi n t e r f a c e sd e s i g ni nd e t a i l t h c m a s t e r - s l a v e rs 缸 u g t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f m u s - d ph a sr e a l i z e dt h et e s t a n dc o n t r o lt ot h et h r e ei n t e l l i g e n ts l a v e rs t a t i o n s ( c p u 3 1 3 c - 2 d p ) b yt h em a t e r s t a t i o nf c p u 3 1 5 - 2 d p ) b a s e do nt h es t u d yo f t h et h e o r y , t h es t r u c t u r ea n dt h ep r o p e r t i e sa n da d v a n t a g e s o ff h 乃可c o n t r o l ，as e to ft w od i m e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e rb yw h i c ht h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mo f g a sb o i l e ri sa c h i e v e dw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt oo n eo f t h e t h r e es u b s y s t e m s i nt h ep a p e r , t h ed e s i g nm e t h o do ft h et w od i m e n s i o nf u z z y c o n t r o l l e rw a sr e s e a r c h e di nd e t a i l a tt h es a l q l et i m e ，t h ep r o g r a m m i n gm e t h o dw i t h s t e p7 t h es o r w a r ef o rs 7 3 0 0p l ca n dt h ed e v e l o p m e n to fm o m t o r i n gi n m r f a c 七 w i t hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ek i n g v i e w 、 帆a n a l y z e d w i t h o u td e p e n d i n go nt h e p r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e la n dw i t h o mt h ep a r a m e t e r so f 只i ，d ，t h ef u z z y t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fg a sb o i l e rh a sa c h i e v e dt h eg o o de f f c c t si nc o n t r o l l i n g t h et e m p e r a t u r eo f t h eg a sb o i l e r k e y w o r d s ：f i e l d b u s , p r o f i b u s ，m a s t e rs t a t i o n , i n t e l l i g e n ts l a v e rs t a t i o n , p l c ， f u z z yc o n t r o l 果 学位论文独刨性声明 本人郑重声明； 1 ，坚持以。求实，付新。的科学籍神从事研究工作 2 、本论文是囊个人在导师捂导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外。所有实验、数据和有关材科均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外。不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果 意 5 、其他同意对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 作者签名：如缸 日 期- 皇坚z ：兰2 一 学位论文使用授权声明 本人完垒了解南京信息工程大学有关保留，使用学位论文的规定学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质舨；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学技圈书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关致据库迸行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：主釜也 日期：立幸毕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：盔鑫塑主占 日期；删 导师签名： e t 期；竺! 皇：g 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和选题依据 近几十年来，随着社会的发展和科学技术的进步，自动化仪表技术、控制技术、计算 机技术和通信技术得以迅猛发展。上世纪年代末、9 0 年代初，工业控制领域发生诸多 重大变革，出现了新一代的工业控制技术现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 。这项以控制技术、智能仪表技术，计算机网络技术以及数字通信技术为支撑的综 合技术，已成为世界范围内工业自动化领域广为关注的热点，并将成为该领域的发展方向。 现场总线( f i e l d b u s ) 是一种应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化最底层现场 设备或仪表互连的全数字化、双向、多站式通信网络【l i 。该技术将位于生产现场具有信号 输入、输出、运算、控制和通信功能的数字通信仪表或设备，通过双绞线连接成网络，采 用标准的通信协议，使位子生产现场的设备与设备之间，以及设备与控制站之间实现数据 交换与信息共享。目前已开发4 0 多种现场总线，其中最具影响力的有p r o f i b u s 总线、 f f 总线、c a n 总线、l o nw o r k s 等【1 _ q 。 与传统的d c s 相比，现场总线控制系统主要具有以下几方面的特点及优势融i s - 1 9 ： ( 1 ) 彻底的分散性结构 和传统d c s 相比，f c s 采用彻底的分散性结构，将d c $ 系统中处于控制室的控制站 功能化整为零，控制模块和各种输入输出模块分散到各现场设备，分散在生产现场的设备 本身就可完成传感测量、计算处理、控制调节、自校验、自诊断等功能，在现场总线上构 成分散的控制回路，可以灵活组态，易于系统的扩建和维护。 ( 2 ) 系统采用全数字式通信 传统的d c s 采用4 2 0 m a 模拟信号，传输精度低、抗干扰性差。而f c s 采用多变量、 多点、多站的数字信号传输，可以通过网络远程访问所有的现场设备，不离开工作站就能 了解设备的工作状态，设定新的量程，对设备进行及时的诊断，且实现传输信号的检错和 纠错，提高了传输的精度和抗干扰性 ( 3 ) 系统开放与良好的通用性 由于采用开放的国际标准，并且严格遵守通信协议标准，使得设备与设备问、控制站 与设备间能够实现点对点或点对多点的数据通信。在进行系统集成或扩建、维护时，用户 可以自主选用不同厂商的性能类似的产品，实现同一系统中不同厂商同类产品之间的相互 南京信息工程大学硕士学位论文 兼客及相互操作1 4 。 ( 4 ) 使用与维护更经济、便捷 由于f c s 采用的系统结构是有别于传统d c s 采用的一对一的多分支式结构，网络拓 扑类型有总线型、树型等。设备在一对双绞线上实现多挂接的系统结构，极大节省了电缆、 端子、线盒、桥架等的建设成本，且减少了设计工作量和安装周期。此外，现场设备或仪 表都是具有测量计算，控制调节、自校验、自诊断功能的智能仪表，操作人员可以实时掌 握现场设备的工作状态，能够第一时间发现并分析问题，及时排除故障，提高了系统维护 的便捷性，有力地保证了生产活动的顺利进行。 过程现场总线p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场 总线标准，用于将分散的现场过程控制设备与集中控制系统在底层进行连接，可实现现场 级到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设 备智能化提供了可行的解决方案l l “，现已广泛应用于制造业自动化，过程自动化、楼宇自 动化等领域。 为了顺应这一数字化、网络化的时代发展特点，进一步推进实践教学，促进产学研相 结合，我们在原有过程控制实验系统的基础上，构建了一套基于p r o f i b u s 总线技术的主 从结构控制系统，并以此系统为研究对象，对p r o f i b u s 总线的组态、设备之问的相互通 信、用户程序的设计与开发，监控界面的设计与开发以及锅炉温度控制系统的模糊控制算 法进行了分析与研究。该课题的研究对于过程控制系统的设计与开发具有一定的现实意义 和参考价值，并将有利于我校网络化过程控制实验室的学科建设，并为学生的实践教育以 及教师的科研提供更好的软硬件环境。 1 2 国内外研究及应用现状 现场总线技术的研究及应用现状大体如下p 川： 第一，就现场总线本身而言，目前市场上存在着多种不同的现场总线，如p r o f m u s 、 f f 、h a r t ，c a n 、l o n w o r k s 等。各种现场总线在不同应用领域内，具有不同的设计要求 和技术特点，使得不同总线在不同领域的应用显示出各自的优势，如p r o f i b u s 适合于工 厂自动化、流水线操作等，l o n w o r k s 适用于楼宇以及电力自动化，c a n 适用于溯控阿络 等i ，l 。然而，在工业控制领域中用户需求具有多样性，为了满足不同控制要求往往需综合 应用多种总线，以达到满意的生产控制效果。所以在当前及今后一段时间，一个控制系统 中会出现多种不同的现场总线互连共存的现象。 第二，现场总线控制系统在目前及今后一段时间内还将与传统的d c s 共存。d c s 经 历了二三十年的理论研究与实际应用，目前已处于成熟的大规模应用阶段，众多企业都已 2 南京信息工程大学硕士学位论文 将d c s 作为最主要的控制手段。与其相比，虽然f c s 在诸多方面有其突出的技术优势， 但目前仍处于应用研究阶段，可靠性、稳定性等方面还需广泛验证，离满足技术成熟并能 大规模应用于生产实践的要求尚有一定距离。此外，将现已广泛应用的d c s 更新为f c s 必须投入大量的人力、物力，这首先需要将大量的采用模拟信号通信的现场仪表更新为采 用数字信号通信具有测量、计算、控制，检错功能的智能仪表，不仅增加成本的投入，且 对技术改造期间的正常生产活动造成不利影响。另外，采用不同通信协议的多种现场总线 在一个控制系统中共存，技术开放难度大，系统维护困难，与之相应的技术人才目前也较 缺乏。这些实际因素都将导致f c s 不能短期内完全取代d c s ，需要经历一个f c s 与d c s 并存的过渡阶段i o j 。 第三，工业控制领域需要一种高速廉价的网络，引入以太网是现场总线技术发展的一 个趋势。现场级网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更 能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本i t 。工业以太网直接应用于工业现场设备控 制，凭借其自身具备的优势必将产生巨大的效益，并给工业控制技术带来深远的影响。 综上所述，现场总线控制技术凭借其自身的诸多优势已引起工业控制领域的广泛关注， 并成为该领域的热点研究课题，具有巨大的发展潜力。因此，研究现场总线的核心技术及 其相关应用，将给工业控制水平带来深远的影响，并对全面提升国际竞争力有着重要意义。 在众多的总线标准中，p r o f i b u s 现场总线在过程控制领域占据着主要地位，并有着广阉 的发展前景，因此，本课题深入研究了p r o f i b u s 现场总线技术的特性，设备之间、主站 从站之间的通信的方法，构建了基于p r o f i b u s 总线的主从结构控制系统的实验平台，对 过程控制系统的设计与开发有着一定的现实意义和参考价值。 1 3 本文研究的主要内容和论文结构 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 深入研究p r o f b u s 现场总线的通信机制、协议模型和技术特点。 ( 2 ) 深入研究s i m a t i c $ 7 - 3 0 0 系列可编程序控制器( p l c ) 的原理和应用。 ( 3 ) 以过程控制实验系统为研究对象，研究p r o f i b u s - d p 的网络组态、主站与从站 以及主站之间的数据通信、系统人机监控界面的开发。 ( 4 ) 在现有实验设备的基础上，采用p r o f i b u s 现场总线技术，完成基于p 目0 f i b u s d p 的主从结构控制系统的设计与开发。 ( 5 ) 以锅炉温度控制子系统为研究对象，针对锅炉温度系统具有非线性等特点，研究 基于二维模糊控制器的锅炉温度模糊控制系统的设计与开发，验证温度模糊控制的可行性 与适用性。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 论文的结构安排如下： 第一章为绪论部分，阐述本课题的来源、研究的背景、目的以及意义。介绍了现场总 线技术的特点及发展现状与未来趋势。 第二章介绍p r o f i b u s 现场总线，主要介绍p k o f i b u s 总线的基础知识，主要技术 特点，以及p r o f i b u s 总线技术各主要组成之间的关系，协议的构成等。 第三章为基于p r o f i b u s - d p 的主从控制系统的设计与开发。将p r o f i b u s 总线技术 应用于过程控制系统，采用主从结构构建两级p l c 控制系统，阐述$ 7 - 3 0 0 系列p l c 的原 理及应用，详细研究$ 7 - 3 0 0 系列p l c 的p r o f i b u s 网络控制系统的硬件组态、软件开发、 人机监控界面的开发。 第四章针对锅炉温度控制系统的特点，在研究模糊控制理论的基础上，采用二维模糊 控制器设计与开发了锅炉温度模糊控制系统。 第五章为总结与展望，对全文所做的工作予以总结，并指出存在的不足之处，结合现 场总线技术的发展趋势指出下一步可展开深入的工作 4 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章p r o f i b u s 现场总线技术分析研究 2 1 现场总线概述 2 1 i 现场总线的概念 现场总线( f i e l d b u s ) 是一种应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化最底层现场 设备或仪表互连的全数字化、双向、多站式通信网络 3 1 现场总线将位于生产现场具有信 号输入、输出，运算、控制和通信功能的数字通信仪表或设备，通过双绞线连接成网络， 采用标准的通信协议，使位于生产现场的设备与设备之间，以及设备与控制站之间实现数 据交换与信息共享，是现场通信网络与控制系统的集成。 现场总线的节点是集信号的输入、输出、运算、控制、自校验、自诊断等功能为一体 的智能仪表和设备。现场总线的传输介质为一般的双绞线，并可以通过总线供电，也可采 用同轴电缆、光纤或红外线作为通信介质。现场总线的网络拓扑类型有总线型，树型等椰。 现场总线标准既规定了通信协议，又规定了控制协议。既可以共享挂接在现场总线上的智 能仪表和设备的数据，也可以共享它们内部的功能块，以便在现场总线上构成控制回路i 蝴。 简而言之。现场总线是连接微处理器化现场仪表或现场设备的通信网络，并直接在现场总 线上组成分散的控制回路，在生产现场构成分布式网络自动化系统。 基于现场总线技术的控制系统，即现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是 基地式气动信号控制系统、电动模拟信号控制系统、计算机集中式数字控制系统、集散控 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 ) 之后的第五代控制系统。现场总线控制系统以具有 信号的输入、输出、运算、控制、自校验、自诊断等功能为一体的智能仪表，以及能够进 行现场级设备互连、全数字化，双向，多站式通信网络为基本组成，以控制技术、智能仪 表技术、计算机网络技术以及数字通信技术为主要技术支撑，目前已成为世界范围内工业 自动化领域广为关注的热点，正越来越多地显现出其强大的生命力刚。 2 1 2 现场总线的特点与优点 与传统的d e s 相比，现场总线控制系统主要具有以下几方面的特点及优势： ( 1 ) 系统采用彻底的分散性结构 和传统d c s 相比，f c s 采用彻底的分散性结构( d c s 系统与f c s 系统结构比较如图 2 - i 、图2 - 2 所示) ，将d c s 系统中处于控制室的控制站功能化整为零，控制模块和各种输 5 南京信息工程大学硕士学位论文 入输出模块分散到各现场设备，分散在生产现场的设备本身就可完成传感测量、计算处理、 控制调节、自校验、自诊断等功能，在现场总线上构成分散的控制回路，可以灵活组态， 易于系统的扩建和维护。 现场设鲁( 铡量，执行) 图2 - id c s 系统结构示意图 具篡 ( 2 ) 系统采用全数字式通信 传统的d c s 采用4 - 2 0 m a 模拟信号，传输精度低、抗干扰性差。而f c s 采用多变量、 多点、多站的数字信号传输，可以通过网络远程访问所有的现场设备，不离开工作站就能 了解设备的工作状态，设定新的量程， 对设备进行及时的诊断，且实现传输 衰二11 e c6 1 1 5 8 国际标准定义购8 种现场总线 信号的检错和纠错，提高了传输的精 度和抗干扰性。 ( 3 ) 系统开放与良好的通用性 所谓开放，是指通信协议的公开， 它可以与世界上任何一个遵守相同标 准的其他设备或系统连接。现场总线 国际标准经历了漫长、艰苦而纷争的 制定过程，最终国际电工委员会于 2 0 0 0 年公布了正c 6 1 1 5 8 国际标准， 南京信息工程大学硕士学位论文 如表2 - 1 所示，目前已开发4 j d 多种现场总线，其中最具影响力的有p r o f i b u s 总线、f f 总线、c a n 总线、l o n w o r k s 总线等。用户在组建系统的时候，可以根据需要对不同生产 商具有类似功能的产品进行自由选择，具备更大地系统集成主动权阁。 由于现场总线控制系统采用开放的国际标准，并且严格遵守通信协议标准。使得设备 与设备间、控制站与设备间能够实现点对点或点对多点的数据通信。在进行系统集成或扩 建、维护时。用户可以自主选用不同厂商的性能类似的产品，实现同一系统中不同厂商同 类产品之间的相互兼容及相互操作【4 】。 ( 4 ) 使用与维护更经济、便捷 由于现场总线控制采用的系统结构是有别于传统集散系统采用的一对一的多分支式结 构，网络拓扑类型有总线型、树型等。设备在一对双绞线上实现多挂接的系统结构，极大 节省了电缆、端子，线盒、桥架等的建设成本，且减少了设计工作量和安装周期；此外， 现场设备或仪表都是具有测量计算、控制调节、自校验、自诊断功能的智能仪表，操作人 员可以实时掌握现场设备的工作状态，能够第一时间发现并分析问题，及时排除故障，提 高了系统维护的便捷性，有力地保证了生产活动的顺利进行唧。 2 2p r o f i b u s 现场总线概述 过程现场总线p r o f i b u s 是p r e 路f i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场 总线标准，在1 9 9 6 年被批准成为欧洲标准e n 5 0 1 0 7 ，2 0 0 0 年1 月成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分闭，用于将分数的现场过程控制设备与集中控制系统在底层进行连接，现已广 泛应用于制造业自动化、流程工业自动化、楼字自动化等领域。p r o f m u s 以l s o ，o s i 的 网络参考模型为基础，提供了三种兼容的通信协议类型：p r o f i b u s d p 酬i z e d p e r i p h e r y ) 、p r o f 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 b u sm e s s a g e s p e c i a t i o n ) 。这三个相互兼容的协议既有共性，又有个性，应用各有侧重。 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总 线技术可实现现场级到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂 综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案【1 0 】。 2 2 1p r o f i b u s 协议简介 p r o f m u s 以i s o o s i 的网络参考模型为基础，提供了三种兼容的通信协议类型 f 2 - - 4 , 5 ”2 1 ：p r o f i b u s - d p 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s - f m s “。协议结构如图2 3 所示 ( 1 ) p r o f l 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 ) ：主要用于现场级的高速数据传输，解 决自动控制系统( 如p l c 、p c 等) 通过高速串行总线与分散的现场设备( 如阀门等) 之 间的通信任务。它定义了第一，二层和用户接口采用线形、环形，星形等多种拓扑结构， 7 南京信息工程大学硕士学位论文 可实现光纤双环冗余。使用p r o f i b u s - d p 可取代现场的“v 或4 - 2 0 m a 信号传输。 ( 2 ) p r o f i b u s - p a 懈a u t o m a t i o n ) ：主要用于过程自动化领域，其数据传输采 用扩展的p r o f i b u s - d p 协议，并定义了p a 行规它将过程控制系统与现场设备( 如压 力变送器、温度变送器等) 通过总线连接起来，并解决它们之间的通信任务。本质安全， 并通过总线对现场设备供电1 2 1 l 。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i a t i o n ) ：主要用于车间级监控，定义了第 一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范( 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 - f m s ) 和低 层接口( l o w e r l a y e r i n t e r f a c e l l i ) ，f m s 包括应用协议，并向用户提供大量的通信任务 以及管理及服务任务”j 。 d p 设鲁行规p a 设鲁行规 基本功能f m s 置备行规基本功能 用户层 扩展功能扩展功能 用户接口应用层接口d p 用户接口 接数据链略( a l t )接披据链路 ( u h )( d d u h ) 第7 层赶甩展 ( 应用屡)现场总线报文规 来使用 范( f m s ) 来使用 第3 6 层未使用 第2 层数据链路层数据链路屡l e e 接口 ( 敛据链路屠)现场兽线数据链瑗场总线数据链 路( f d l )路( f d l ) 第1 层物理层物理层m b c l l 5 8 2 ( 物理层)( r s 鹌5 ，l w l )( r 啪纠l 肌) 图2 - 3p r o f i b u s 协议结构 其中，p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - p a 无应用层，p r o f i b u s - d p 和p r o f i b u s - f m s 具有相同的数据链路层和物理层，物理层采用e i a ( 美国电子工业协会) 标准e i a - 4 8 5 ( r s 4 8 5 ) ，传输速率为9 6 k b p s , - 1 2 m b p s ：p r o f i b u s - p a 物理层采用e i a l l 5 8 2 标准，传 输速率为3 1 2 5 k b 口s ，总线供电，本质安全。 2 , 2 2p r o m u s 传输技术 现场总线系统的应用既要考虑传输距离以及传输速度，又必须经济、可靠，为了满足 复杂的工业应用的实际要求，p r o f i b u s 提供了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 8 南京信息工程大学硬士学位论文 传输以及光纤传输州j “删。 ( i ) d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输 r s 4 8 5 通常称为h 2 ，传输速度可选用9 6 k b p s o 1 2 m b p s ，是p r o f i b u s 最常采用的 一种传输类型。它采用屏蔽双绞线电缆，共用一根导线对。电缆的最大长度取决于传输速 度；网络拓扑为线形总线，两端有有源总线终端电阻；不带转发器，每段3 2 个站，带转发 器最多可达1 2 7 个站；采用9 针d 副插头连接器。 ( 2 ) 用于p a 的i e c l l 5 8 - 2 传输技术 i e c l l 5 8 - 2 传输技术通常称为h 1 ，用于p r o f i b u s - p a ，能满足化工和石化工业的要 求，可保持其本质安全并使现场设备通过总线供电，是一种位同步协议，可进行无电流的 连续传输。i e c l l 5 8 - 2 采用屏蔽或非屏蔽双绞线，传输速度为3 1 2 5 k b p s ；拓扑类型为线形 或树形，或两者结合；不带转发器，每段3 2 个站，可扩展至4 台转发器，最多可达1 2 6 个站。本质安全，总线供电。 耦合器可将r s 4 8 5 信号与i e c l l 5 8 2 信号相适配，从而实现i e c i1 5 8 - 2 传输技术的总 线段与r s 4 8 5 传输技术的总线段的连接。 ( 3 ) 光纤传输技术 在电磁干扰很大的环境下，可使用光纤以增长高速传输的最大距离，降低干扰。 2 2 3p r o f i b u s 总线存取协议 d p 、p a 和f m s 采用一致的总线存取协议，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 层称为现场总线数据链路层( 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 u ma c 淄sc o n t r 0 1 ) 控制数据传输的程序，m a c 必须确保在任何时刻只能有 一个站点发送数据。p r o f i b u s 协议的设计要满足介质存取控制的基本要求： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 在复杂的程序控制器和简单的i o 设备( 从站) 间通信，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闯的主 从方式口。j 1 删。令牌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( 令 牌) ，令牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时问是事先规定的，在 p r o f i b u s 中，令牌只在各主站之间通信时使用。 主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或 所取信息，通过该方法可实现以下几种系统配置方式： 9 南京信息工程大学硕士学位论文 1 ) 纯主站一从站系统( 主一从机制) 2 ) 纯主站一主站系统( 令牌传递机制) 3 ) 混合系统 纯主站一从站系统中配置有多个从站，而只有一个主站。主站享有控制权，可以发送 信息给从站。并且可以从从站获取信息。 由三个主站和四个从站构成的纯主站一主站系统配置如图2 - 4 所示。三个主站构成令 牌逻辑环，当某主站得到令牌电文后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段 时间内，它可依照主一从关系表与所有从站通信，也可依照主一主关系表与所有主站通信。 令牌 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 i i i l 图2 - 4 纯主站一主站系统 令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定 的时间内安装地址的升序在各主站中依次传递。 在总线系统初建时，m a c 的主要任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环，在总 线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。此外， m a c 保证令牌按地址升序依次在各主站间传送，各主站的令牌具体保持时间长短取决于 该令牌配置的循环时闯。m a c 的特点是监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。 数据链路层的另一个重要任务是保证数据的完整性，这是依靠所有电文的海明间距 h d 为4 ，按照国际标准i e c 8 7 0 - 5 - l 制定的使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节 同步传输及每个字节的奇偶校验保证的。数据链路层按照非连续的模式操作，除提供点一 点逻辑数据传输外，还提供多点通信( 广播及有选择广播) 功能。 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3p r o f i b u s - d p 协议 p r o f i b u s - d p 用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线与分散的现 场设备( 如阀门、驱动器等) 进行通信，大部分数据交换是周期性的，此外，智能现场设 备还需要非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处理。 2 3 1p r o f i b u s d p 的基本功能 ( 1 ) 功能 d p 主站和d p 从站间的循环用户数据传送 各d p 从站的动态激活和撤销 强大的诊断功能，三级诊断信息 输入或输出的同步 通过总线为d p 从站赋予地址 通过总线对d p 主站进行配置 每个d p 从站最大为2 4 6 字节的输入和输出数据 ( 2 ) 传输技术 r s 4 8 5 双绞线双线电缆或光缆 波特率9 6 k b p s - 1 2 m b p s ( 3 ) 总线存取 各主站间令牌传送，主站与从站间数据传送 支持单主或多主系统 主一从设备。总线上最多站点数为1 2 6 ( 4 ) 设备类型 一类d p 主站( d p m l ) ：中央可编程控制器，如p l c ，p c 等 二类d p 主站( d p m 2 ) ：可编程、可组态、可诊断的设备 d p 从站：带二进制或模拟输入输出的驱动器、阀门等 d p 主站的主要任务有： 1 )启动时初始化主站系统，通过读取诊断数据检查d p 从站是否准备就绪，检查其它 主站是否组态、配置了该从站，然后进行从站配置； 2 )检查从站组态是否与主站组态一致，一致则开始循环数据传输，否则，读取诊断 信息，并报告错误信息； 3 )与d p 从站进行循环数据传输； 4 ) 对d p 从站的监测 l l 南京信息工程大学硕士学位论文 5 ) 采集诊断信息； 6 ) 处理控制请求，包括输入输出同步控制，d p 从站起停控制等； 7 )读取共享输入输出数据； 8 )当d p 主站停止或故障时，系统进入安全状态。 d p 从站的主要任务有； 1 ) 接收来自主站的信息，包括组态参数、配置参数等； 2 ) 提供过程数据； 3 提供诊断数据； 4 ) 提供输入输出数据等。 ( 5 ) 系统配置 一一：! 艺照， p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多!： i l 图2 - 6 多主站系统 ( 6 ) 运行模式 运行：输入和输出数据的循环传送。第一类d p 主站由d p 从站读取输入信息并向d p 从站写入输出信息。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 清除：第一类d p 主站读取d p 从站的输入信息并使输出信息保持为故障一安全状态 停止；只能进行主一主数据传送，第一类d p 主站和d p 从站之间没有数据传送。 ( 7 ) 通信 点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) 循环主一从用户数据传送和非循环主一主数据传送 ( 8 ) 同步 控制指令允许输入和输出同步 同步模式：输出同步 锁定模式：输入同步 2 3 2p r o f l b u s - d p 的数据通信 l 、d p 主站之间的通信 d p 主站之间采用令牌环方式进行通信，主站按地址的升序依次排列，控制令牌按顺序 一次在主站之间进行传递，获得令牌的站具有控制权，可发送数据，令牌的工作传递过程 如图2 - 7 所示。如主站l 需向主站3 发送数 据，当令牌传递到主站l 时，主站l 将要发 送的数据按图2 8 所示的格式发往主站2 ， 主站2 将本站的地址与接受到的帧信息中的 目的地址进行比较，两者不同则主站2 将 图2 7 逻辑令牌环 帧信息继续传递后到达主站3 此时，主站3 将本站的地址与接受到的帧信息中的目的地 址进行比较，比较相同后，主站3 对帧信息进行差错校验，并将校验结果以肯定或否定应 答填入a c k 段中，把该帧信息复制之后将其继续向下传递给主站i 。主站i 将本站的地址 与源地址进行比较，比较相同后检查a c k 是否为肯定应答，若检查到已为肯定应答，则 去除帧信息，将令牌交出继续在环内传递。如果a c k 的检查结果为否定应答，则主站i 需重新发送。 i 竺! 竺i ! 竺竺兰l 望兰兰i 苎型竺里i ! 兰竺i 兰竺竺兰i 全! 兰l 竺竺i 图2 - 8 帧结构 2 、d p 主站从站之间的通信 ( i ) d p 通信关系和d p 数据交换 通信作业的发起方为请求方，通信的另一则为响应方。一类d p 主站的请求报文使用 第2 层( 数据链路层) 的“高优先权”报文服务级别而d p 从站发出的响应则以第2 层 中的“低优先权”报文服务级别处理。d p 从站将当前出现的诊断中断或状态事件通知给d p 南京信息工程大学硕士学位论文 主站，仅在此刻，可通过将d a t a 的响应报文服务级别从“低优先权”改变为“高_exchange 优先权”来实现。 ( 2 ) 初始化阶段、再启动和用户数据通信 d p 从站初始化阶段的主要顺序如图2 - 9 所示。d p 主站首先检查从站是否在总线上， 如果检查到d p 从站已在总线上，则d p 主站通过请求从站的诊断数据来检查d p 从站的准 备情况。检查到d p 从站已准备就绪之后，d p 主站装在参数集和组态数据。然后d p 主站 再请求从站的诊断数据以判断从站是否准备好进行数据交换，进行完上述工作一切就绪之 后，d p 主站采开始循环地与d p 从站进行用户数