（机械工程专业论文）基于现场总线的车辆智能称重控制系统的设计.pdf

! ：ofi at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e rm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d e s i g ni n t e l l i g e n tw e i g h i n gs y s t e mb a s e d o n p r o f i b u s d p b yx i ay o n g p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gy a n g y i n e n g i n e e rw a n g t i a n h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 rirltr， ijiit【，i、 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 ，学位论文作者签名：趸瞻 日 期；伽1 年i 月c 。日 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、交流口 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 一h ， i， 厂1 导师签名： 签字日期： i ? 、l ： ： jj ； 、 ， i 羲j ? ， rr-i，lf lr-rliikt ll-ij， i j 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 为适应企业对物资运输计量数据的准确性、科学性、及时性的要求，并充分考虑 到计量系统的经济性及运行维护简易性，本课题提出将p r o f i b u s 现场总线技术运用 到车辆称重的设计上，实现车辆称重的智能化管理。 本文首先对国内车辆智能称重网络控制系统现状、存在的问题及原因进行了分析， 然后分析了将现场总线技术应用于智能称重系统的可行性，第二章对现场总线技术的 基本概念，基本特点，以及其产生的历史必然性，包括其网络构成，网络管理，软硬 件实现以及p r o f i b u s 技术的开发手段等展开叙述。由于i c 卡技术在智能称重中占 有的重要地位，本文第三章针对i c 卡技术做了较详细的分析，包括它的结构特性及 i c 卡技术在基于现场总线称重系统中的应用。在第四章中具体介绍了本人对车辆智能 称重系统设计的思路，及其所应具备的功能，第五章中给出了智能称重系统分布式智能 模块的设计，分析了从站专用芯片与c p u 的连接及从站工作方式。第六章对控制系统 主站及从站的软件设计进行了阐述。 关键词：现场总线；p r o f i b u s 技术；车辆智能称重；i c 卡；智能从站；检测 t，t 东北大学硕士学位论文 a bs t r a c t d e s i g no fw e i g h i n gc o n t r o ls y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r ti ni n t e l l i g e n ta u t o m o b i l e i n t h i sp r o j e c t ，p r o f i b u st e c h n o l o g yh a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h ed e s i g no fw e i g h i n g c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a l la d a p tw a n to fm e a s u r ed a t af o rv e r a c i t y , s c i e n t i f i ca n dt i m e l i n e s s o fc o r p o r a t e f i r s t l y , c u r r e n ts i t u a t i o n ，e x i t i n gq u e s t i o na n dr e s u l to fn e tc o n t r o l l i n gs y s t e ma r e a n a l y z e df o rv e h i c l ei n t e l l i g e n tw e i g h t i n g a th o m e ：t h e n , p r o f i b u st e c h n i q u eu s e d w e i g h t i n gs y s t e mi sa n a l y z e di t sf e a s i b i l i t y k n o w l e d g eo fp r o f i b u st e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e di nt h es e c o n dc h a p t e r ，i n c l u d i n gi t sb a s i cc o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i ca n dt h e i n e v i t a b i l i t y o fi t s d e v e l o p m e n t a f t e rt h a t ，p r o f i b u st e c h n o l o g yi sa n a l y z e di n d e t a i l ，i n c l u d i n gt h en e t w o r k sc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t ，i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n dt h ed e v e l o p i n gm e t h o do fp r o f i b u s i nt h et h i r dc h a p t e r , i ct e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ， w h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti ni n t e l l i g e n tp a r k i n gc o n t r o ls y s t e m i ti n c l u d e si t s c o n s t r u c t e rc h a r a c t e r i s t i c ，a p p l i c a t i o n sb a s e do nf i e l db u so fw e i g h t i n gs y s t e m n l ef o u r t h c h a p t e ri n t r o d u c e dm yt h o u g h ta n ds y s t e m sf u n c t i o n t h ef i f t h l yc h a p t e rd e s c r i b e st h e d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mm o d u l e sw h i c hi n c l u d ec o n t a c t i n gb e t w e e nt h ec p um o d u l ew i t h s p e c i a lc m o sc h i po fs l a v es t a t i o n , a n di t sw o r k i n gt y p e t h es i x t hc h a p t e rd e s c r i b e s s o f t w a r ed e s i g no nm a i ns t a t i o na n ds l a v es t a t i o n k e yw o r d s ：f i e l db u s ，p r o f i b u s ，a u t o m o b i l ei n t e l l i g e n tw e i g h i n g ，i cc a r d ，i n t e l l i g e n t s l a v es t a t i o n ，u l t r a s o n i cd e t e c t i o n i l t l 卜 j t 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要1 i a 】b s t r a c t 。i i i 第l 章绪论1 1 1 国内车辆智能称重网络控制系统分析1 1 1 1 国内车辆智能称重网络控制系统现状1 1 1 2 国内车辆智能称重系统存在的问题及原因3 1 2 现场总线系统在车辆智能称重中的应用分析4 1 2 1 智能称重系统应用现场总线技术的优点4 1 2 2 智能称重系统的发展趋势5 1 2 3 现场总线的技术特点在称重网络系统中应用6 1 3 课题研究目的和意义7 1 4 课题研究的主要内容及方案7 第2 章现场总线控制系统 2 1 现场总线控制系统特征。9 2 2 几种现场总线简介1 0 2 3p r o f i b u s 现场总线简介1 2 第3 章i c 卡技术在车辆智能称重中的应用1 5 3 1 非接触i c 卡1 5 3 2 非接触式i c 卡技术特点1 6 3 3 非接触性i c 卡的工作原理1 6 3 3 1 非接触性i c 卡的工作原理及过程。1 6 3 3 2 非接触型i c 卡读写系统硬件结构1 7 3 3 3l e g i e 非接触性智能卡及芯片技术参数2 1 3 3 4 非接触型智能卡读写器技术性能2 2 3 3 5 非接触型智能卡的授权与发卡2 3 3 3 6 非接触性智能卡的安全策略及信息安全技术2 3 3 4i c 卡在基于现场总线的车辆智能称重网络控制系统中的应用2 4 3 4 1 i c 卡技术应用在本系统中的工作过程2 5 3 4 2i c 卡技术应用在本系统中的优点2 5 东北大学硕士学位论文 目 录 第4 章车辆智能称重系统的设计2 7 4 1 基于现场总线的车辆智能称重网络控制系统设计2 7 4 1 1 秤台单元2 8 4 1 2 合同票据终端2 9 4 1 3 称重控制及网络部分2 9 4 2 智能称重系统主要性能特点2 9 4 3 系统功能与实现3 0 4 3 1 自动称重功能3 0 4 3 2 网络传输功能3 0 4 3 3 防止用假合同提单提货功能以及合同控制功能3 0 4 3 4 红外定位防作弊功能3 1 4 3 5 防止“峰”、“谷”值读数功能3 2 4 3 6 防止一车多牌以及改变皮重功能3 2 4 3 7 防止中途出厂以及中间作弊的功能3 2 4 3 8 数字压缩录像功能3 2 第五章称重系统智能从站的硬件设计3 3 5 1 控制系统硬件配置3 3 5 2 智能从站的设计与实现3 4 5 2 1 从站系统的整体设计3 4 5 2 2p r o f i b u s d p 从站专用集成芯片3 5 5 2 3p r o f i b u s d p 从站硬件接口电路设计3 6 5 3 称重数据采集3 8 第6 章控制系统的软件设计4 3 6 1 系统软件配置4 3 6 2 主站通信软件设计一4 3 6 2 1 一级主站d p ( d p m l ) 监控程序的设计4 3 6 2 1 二级主站d p ( d p m 2 ) 监控程序设计4 4 6 3 从站通信软件设计4 4 6 3 1p r o f i b u s d p 从站软件设计一4 4 6 3 2g s d 文件编写4 7 6 4p r o f i b u s 主站的程序设计5 0 6 4 1 初始化部分5 0 6 4 2 信息的发送与接受5 2 v 东北大学硕士学位论文 目录 6 4 3 设备关闭和驱动程序卸载5 3 第7 章主要结论及展望5 4 7 1 结论5 4 7 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢5 7 v i - v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着市场经济的不断深化和企业改制工作的持续发展。企业对物资运输计量数据 的准确性、科学性、及时性及权威性提出了更高的要求。 当前以称重衡器为代表的计量器已经被广泛地应用于生产与流通企业中，在保证 企业产品质量、提高企业生产效率过程中起着非常重要的作用。企业的生存离不开质 量的保证，质量离不开检验，检验离不开计量，计量是质量的保证，因此计量器具的 应用在企业生产、流通过程中已经非常普遍。我国是世界制造大国，拥有众多的生产 型企业，每个企业中或多或少都使用不同的计量器具，特别是称重衡器。汽车是物资 流通的重要工具，于是电子汽车衡成为企业重要的称重衡器。长期以来我国企业大多 数依靠人工取纸、人工抄表的方式进行统计，获取的计量信息少、传输速度慢、处理 周期长，因此实现企业计量数据的自动化、网络化、信息化管理，是建立现代企业管 理的必然要求。 电子汽车衡作为厂矿企业使用最广泛的计量工具，而车辆称重管理是企业物流管 理中的一个必不可少的重要环节，这个环节和采购、销售、财务等管理紧密相连，它 是企业进、出物流的主要关口，其计量管理的科学合理与准确性将直接影响企业的经 济效益。传统的称重管理模式中，物流、信息、财务与称重不能有机地结合在一起， 以手工方式输入产品信息、称重时间、称重数据等，信息的实时性、准确性很差，客 观性不强，效率不高，容易发生人为误差、作弊等情况。特别是作弊行为往往给企业 带来巨大的经济损失，且难以防范。 因此，车辆智能称重网络控制系统对厂矿企业的生产管理、信息化建设，特别是 对企业的发展有着极其重要的意义。 1 1 国内车辆智能称重网络控制系统分析 1 1 1 国内车辆智能称重网络控制系统现状 ( 1 ) 第一类、物流管理方面使用比较多的汽车衡称重软件 这类软件的主要作用是：针对发电厂、水泥厂、垃圾场等货物进出频繁的单位， 每天都会有大量的运输车辆需要停车登记、称重、记账、开票等工作，不仅耗时多、 误差大而且容易滋生作弊行为，应用称重技术和计算机技术，将称重仪表的数据直接 采集到电脑中，由电脑完成数据采集、记账、开票等管理工作。从而大大地提高工作 效率，提高数据的准确率，降低舞弊行为。有些软件针对使用单位的实际情况，还结 - 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 合了射频识别技术、监控技术、自动控制等技术，在车辆称重监管区，实时自动识别 并采集通行车辆所携带的电子标签( 即射频卡、电子车牌) 信息，并与重量、时间等 信息捆绑在一起，通过计算机网络，实现电子数据实时传递，使磅站对车辆称重及车 辆自动识别管理实现无缝衔接，实现了称重的智能化、自动化管理。 ( 2 ) 第二类、工业企业系统集成中嵌入的称重软件 它作为工业集成系统中的一个数据采集终端，其实际作用是为整个系统提供数据 接口，解决集成系统中的数据采集和数据的输出，在自动化生产和管理方面起到了较 好的作用。该类系统基本上是工业生产设备中配套的，市场上并没有单独零售软件， 而且这类软件所起的作用只是在生产中的某一个环节或流程，针对性强，只能在专用 的机器设备上使用，无法推广和复制，同时该类软件并不涉及到企业的整体管理过程， 所以对企业的管理和影响作用也不是很大。 ( 3 ) 第三类、综合性称重管理系统。 可以将企业的称重( 可以包括所有计量) 管理与生产、企业管理全部结合起来， 不仅在软件中应用了称重技术，同时也可以与射频技术、监控技术、自动识别、无线 网络技术等相结合，在发挥了称重技术对物流管理方面的优势的同时，系统贯穿了企 业管理的全过程，将企业的销售( 合同) 管理、客户资源管理、工艺管理、计划管理、 生产管理、材料管理、质量管理、人事管理、财务管理、办公管理等结合在一起，许 多重要数据直接从机器设备、仪表上自动采集，或从上个工序自动流转，达到了生产 数据的实时传递，减轻了人工操作强度，提高了劳动效率，减少了错误的发生；系统 将生产企业不同部门间的不同数据进行 可以将企业的称重( 可以包括所有计量) 管理与生产、企业管理全部结合起来， 不仅在软件中应用了称重技术，同时也可以与射频技术、监控技术、自动识别、无线 网络技术等相结合，在发挥了称重技术对物流管理方面的优势的同时；系统贯穿了企 业管理的全过程，将企业的销售( 合同) 管理、客户资源管理、工艺管理、计划管理、 生产管理、材料管理、质量管理、人事管理、财务管理、办公管理等结合在一起，许 多重要数据直接从机器设备、仪表上自动采集，或从上个工序自动流转，达到了生产 数据的实时传递，减轻了人工操作强度，提高了劳动效率，减少了错误的发生；系统 将生产企业不同部门间的不同数据进行统一管理分配，资源信息合理共享，从而解决 了传统软件的信息孤岛问题；系统还可以结合行业特点和企业自身管理特点，进行量 身定制或分步实施，从而使其操作简单，实用、方便；特别是系统在实践的基础上融 合了先进的管理思想，做到理论与实践结合，传统与科技统一，从而减少企业传统管 理中不合理现象，改变企业管理的状态，提高工作效率，提高企业的整体管理水平， 从最大限度上杜绝管理漏洞。 - 2 - j川叫1 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 国内车辆智能称重系统存在的问题及原因 根据调查了解及分析，目前国内的车辆智能称重系统软件普遍技术含量低，特别 是占称重软件市场绝大部分市场的第一类产品，许多公司的产品实际上是相互模仿， 或者是o e m 产品。据近几年召开的国际衡器展览会上展示的称重软件，我们发现一 方面几年来软件几乎没有变化；另一方面有些软件从界面到功能几乎全部一样。由于 产品技术含量低，市场竞争激烈，结果出现了软件的价格非常低廉的情况，厂商没有 利润，没有了开发的积极性；另一方面由于价格低，厂商在出售软件后服务跟不上， 用户得不到应有的服务，结果抱怨又比较多。 产生问题的原因我们分析主要有以下几个方面： 首先，国内在衡器发展方面起步晚，基础比较薄弱。 我国目前很多企业都是引用国外的芯片加工，自主研发的产品少之甚少，自主创新能 力非常薄弱。甚至许多企业仅停留在代理国外产品的水平上，发展空间捉襟见肘。国 产传感器企业按照长期依赖国外技术的惯性发展至今，在技术上形成了“外强中干”的 局面。硬件上如此，依托于此的称重软件基础就更差了。 其次，国内企业普遍对软件产品不够重视。在国外购买软件的费用往往会超过购 买硬件的费用，但在国内情况就完全相反，由于国内普遍存在着知识产权的意识比较 淡薄，用户购买硬件花多少钱都值得，但在软件上普遍想法就是最好不花钱或少花钱， 舍不得投入，舍不得购买。同时这个情况也表现在研发方面，许多企业在硬件的研发 上投入是大手笔，而在软件方面则舍不得投入。 同时，称重软件开发商不成规模。目前涉及称重软件开发的，绝大部分是衡器生 产商，但衡器生产商主要以生产、开发、销售衡器器具、仪表为主，所提供的软件一 般只具备解决称重数据与电脑的连接传输功能，因此在软件方面的人数一般也比较少， 鲜有专业配套软件的售后服务人员。其他的软件开发( 提供) 商大部分是个人或几个 人的小规模公司，其软件产品放在互联网上作为共享软件，通过网络销售，不提供服 务，也不具备深开发的经济条件和技术实力。 而称重软件自身存在着开发难、实施难、维护成本高的实际问题也是制约称重软 件发展的一个重要原因。对于汽车衡软件，由于仅仅是停留在称重环节上，功能比较 简单，实施也方便。但如果涉及到企业管理的综合性软件，除要熟悉称重技术外，还 必须熟悉和了解企业的管理，对于许多开发商是一个难于跨越的鸿沟。软件开发实施 中，不仅需要有较深的软件功底，还必须有过硬的电脑硬件知识和衡器知识。而在日 常使用中，由于衡器一般都在环境比较恶劣的生产车间、仓库或露天工地，线路、网 络方面容易出现不稳定问题；而涉及到生产管理，现场的系统操作人员一般文化知识、 - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电脑知识相对比较差，误操作或因不熟练造成的问题经常发生。这些因素造成了综合 性称重管理系统在应用中硬件、软件出现故障的概率要比单纯软件或单纯硬件的故障 多几倍到几十倍，而一旦出现问题，人们往往第一个反应就是软件不好，把责任都推 到软件开发商身上，所以对于软件开发商来说不仅人员素质要高，而且开发成本、实 施成本和维护成本都非常高。这也是绝大部分软件公司只愿意开发简单的汽车衡软件 或传统管理软件的原因。 此外，由于i t 行业的特殊性造成了人员的流动性远远要高于传统行业，对i t 公 司做大做强产生了制约。另外i t 行业入门要求低，所以有些i t 人员在企业学到技术 后，频繁跳槽或自己开公司，最后造成i t 企业普遍规模小，产品简单，只能靠恶性竞 争维持生存的局面。 1 2 现场总线系统在车辆智能称重中的应用分析 安装在制造和过程控制区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字 式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。【4 】 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 。f c s ) 是2 0 世纪9 0 年代后发展起 来的新一代工业控制系统。它是继计算机技术、网络技术和通讯技术得到迅猛发展后， 与自动控制技术和系统进一步相结合的产物。它的出现使控制系统的基本单元各 种仪表单元也进入了网络时代。从而改变了传统回路控制系统的基本结构和连接方式， 给工业控制带来了依次革命性的变迁。 现场总线系统在车辆智能称重中的应用，保证了称重计量和控制信息的网络化实 现，并使得车辆智能称重系统的系统结构趋于扁平化，为系统组织重构和工作协调的 实施提供了可能。 1 2 1 智能称重系统应用现场总线技术的优点 已有2 0 年历史的d c s 以分散控制集中管理的特点及诸多优点，使其至今仍被广 泛采用。随着计算机性能价格比的不断提高，由i p c 实现d c s 控制已成为一大趋势。 d c s 或i p c 现场仪表之间的信息、传输以4 2 0 m a d c 统一标准模拟信号为主，辅以 开关信息，其测控点越多，信息传输线也越多。 应用现场总线技术的优点主要有： ( 1 ) 节省硬件投资 现场总线系统的智能设备分散在现场，能直接执行控制和计算功能，可减少大量 的变送器及调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号传输处理单元及其大量 复杂的硬线连接，节省了可观的硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 4 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一条通信总线上可挂接几个甚至上百个设备，节 省安装附件，安装工作量大大减少，设计及接线校对的工作量也大大减少。资料显示， 与d c s 相比，现场总线系统的安装费用可节省6 0 以上。 ( 3 ) 减少维护费用 由于现场控制设备具有自诊断及一定的故障处理能力，并通过数字通信将相关信 息送往控制室，用户可实时监测及查询所有设备的运行，及时了解维护信息，以便早 期分析与排除故障，缩短维护停工时间。同时，由于系统结构简化、接线简单，减少 了维护工作量。 ( 4 ) 系统集成更简单、灵活 用户可选择不同制造商的产品来集成系统，避免或减少系统集成中因不兼容的协 议和接口带来的麻烦。 ( 5 ) 提高了系统的准确性和可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量 与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简化，现场智能化设备内部 功能加强，减少了信号的往返传输，设备可不依赖网络而工作，提高了整个系统工作 的可靠性。 1 2 2 智能称重系统的发展趋势 现场总线发展到了今天，随着控制系统的控制网络化和系统扁平化，得到了进一 步的完善，从而为实现控制系统的组织重构和工作协调奠定了基础。尤其是控制系统 扁平化的实现，保证了各种控制系统的开发性和互联性，使得智能称重的组织重构和 工作协调成为了可能。 ( 1 ) 控制系统的组织重构化 所谓控制系统的组织重构，就是指用于实现各种控制作用的子系统或单元能够根 据不同工作的需要，进行重新组织和调整，以适应实际生产的需要和变化。 在传统的计算机控制系统中，由于系统结构上的限制，各种控制用仪表单元的安 装和连接都是相对固定的，各种功能系统的功能实现也是相对固定的，很难根据工作 任务的变化进行重新组织和调整。以回路控制系统为例，由于每个仪表单元须与固定 的接口连接，一旦形成完成某种控制功能的回路系统后，就不能简单地变换其连接方 式以构成新的回路系统。 但在新一代计算机控制系统中，由于系统得到了扁平化处理，各个子系统和仪表 单元均只分属上下两层网络系统，而且其连接方式相对灵活，因而只要对起相应配置 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进行适当的调整，即可实现功能系统和仪表单元的重组。体现在回路控制系统的构成 上，就是只要改变回路控制系统的配置文件，根据控制任务的需要重新定义构成回路 控制系统的有关仪表单元，即可方便地实现功能子系统和仪表单元的重组。 如果计算机控制系统实现了组织重构的目的，即可方便地实现如下功能： 提高控制系统的灵活性可根据工作需要灵活改变系统中各功能子系统和仪 表单元的连接方式； 增强控制系统的适应性可适应控制任务的变化，提高系统完成控制任务的柔 性程度： 改善控制系统的可靠性可通过系统重构进行结构调整，及时和方便地更替故 障单元，保证系统的正常运行； 为系统从事控制任务的协同实现提供了支持平台和条件。 ( 2 ) 控制系统的工作协调化 计算机支持的协同工作( c o m p m e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k s 。c s c w ) 是 近年来发展极为迅速和备受关注的技术。它主要用于基于计算机环境下的较大规模任 务的协同完成，具体应用包括异地设计、并行工程、协同控制和企业管理等，新近发 展起来的电子商务也受c s c w 的支持，其中控制系统的协调工作是其在企业中的重要 应用之一。 控制系统的协调工作包括多种任务目标的群决策、多个部门间的工作协作、信息 的共享和管理以及复杂系统多目标的协调控制等。它们是基于控制系统的实时信息， 由任务需求来确定的。必要的实时信息是进行企业控制系统协调工作的基础，而系统 内部组织结构的重组则是协调工作得以实现的必备条件。 如前所述，新一代的计算机控制系统实现了从底层仪表控制单元到上层功能子系 统的整体网络化，形成了由企业网和现场总线网络组成的两层结构，从而使整体系统 出现了扁平化的结构形式，并在此基础上可实现内部底层仪表控制单元和上层功能子 系统的重组。系统架构的扁平化实现保证了实时信息的快速沟通和共享，为工作的协 调提供了必需的信息来源和保证；控制系统组织的可重构又为协调工作的实施提供了 可能。 1 2 3 现场总线的技术特点在称重网络系统中应用 ( 1 ) 现场通信网络 现场总线把通讯线一直延伸到测控现场的传感器，构成用于过程自动化和制造自 动化的现场设备和现场仪表互联的现场通信网络。它的信号传输实现全数字化，这种 方法极大地提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信号传输过程中存在的信号 6 i i 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 衰减，精度下降，干扰信号的引人等长期难以解决的问题。 ( 2 ) 现场设备互联 现场设备在现场总线系统中已成为由微处理器为核心的智能设备，彼此通过一对 信号线互联，所支持的通信媒体可以是双绞线，同轴电缆，光纤和电源线等。 ( 3 ) - f f 操作性 现场设备种类繁多，没有任何一家制造商能提供一个工厂所需的全部现场设备， 所以互相连接不同制造商生产的设备是不可避免的。由于遵守统一的生产协议和生产 规范，因此可以将不同厂家生产的性能价格比最优的产品连接起来，实现“即插即用”， 对不同品牌的产品统一组态构成所需的控制网络。 ( 4 ) 分散的功能块 f c s ( 现场总线系统) 废弃了d c s ( 分布式控制系统) 的i o 控制站，将这一级的功能 分散地分配给现场仪表，因此用户可灵活地选用各种功能块，经过统一组态构成控制 电路，实行彻底的分散控制。 ( 5 ) 开放式互联系统 现场总线是开放式的互联系统，既可以与同层网络互联，也可以与不同层网络互 联，不同制造商生产的产品也可以互联。开放式互联系统也体现在数据的共享，通过 网络对现场设备和功能块统一组态，将不同制造商的网络和设备连接在一起，构成统 一的f c s 。现场总线设备一般具有良好的通讯接口，可以方便地实现与计算机的通信。 现场总线的这些特点不仅保证了它完全可以适应车辆智能称重系统对数字通信和 自动控制的需求，而且使得与i n t r a n e t 互联构成不同层次的复杂网络成为可能。 1 3 课题研究目的和意义 通过对该课题的研究，本人提出了基于现场总线解决网络称重系统的方法，目的 是通过该课题的研究实现网络称重系统中台秤测控模块的标准化，从而实现安装，调 试，维护的便利性及在企业中的推广应用。 本课题集传感器技术，现场总线，数据采集与处理技术，视频监控技术于一体。 是各种技术的集成应用。通过本课题的研究。对类似系统的应用将起到典范作用。 本课题的研究是实现企业物资称重自动化，降低企业人力成本，提高数据实时性， 避免作弊的有效手段，如能研究成功，必能得到企业的大力支持。该系统较之传统d c s 系统，具有建设成本低，故障少，容易维护的特点。 1 4 课题研究的主要内容及方案 本课题主要研究p r o f i b u s 现场总线、非接触i c 卡在车辆智能称重网络控制系 - 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 统中的应用，设计一种新型的车辆智能称重系统。通过该课题的研究实现网络称重系 统中台秤测控模块的标准化，从而实现安装，调试，维护的便利性及在企业中的推广 应用。 通过研究，提出了一种车辆智能称重控制的新方案。根据车辆智能称重系统的特 点，本方案采用新型的控制系统结构理念，采用先进的p r o f i b u s - - d p 现场总线技术和 西门子公司的工业组态软件，组成工业控制计算机( i p c ) 和可编程控制器( p l c ) 为 站点的现场总线控制系统，该系统灵活多变、造价较低。 8 - t 东北大学硕士学位论文 第2 章现场总线控制系统 第2 章现场总线控制系统 2 1 现场总线控制系统特征 现场总线是现场通讯系网络与控制系统的组成，其节点是现场设备或现场仪表， 如传感器、变速器、执行器和控制器等。将这些进行了网络化处理的现场设备和现场 仪表通过现场总线连接起来，实现一定控制作用的系统就是现场总线控制系统。 现场总线控制系统f c s 是在集散控制系统d c s 的基础上发展起来的，它继承了 d c s 的分布式特点，但在各种功能子系统之间，尤其是在现场设备和仪表之间的连接 上，采用了开放式的现场网络，从而使得系统现场级设备的连接形式上发生了根本性 的变化，因而具有许多自己所特有的性能和特征。 全网络化、全分散式、可互操作、开放式和全开放是现场总线控制系统f c s 相对 于d c s 的基本特征。具体内容包括；， ( 1 ) 系统的彻底网络化从最底层的传感器和执行器均通过现场总线网络实现连 接，逐步向上直至最高层均与通讯网络连接； ( 2 ) 全分散式的系统结构f c s 废弃d c s 的输入输出单元和控制站，由现场设备 或现场仪表取代，即把d c s 控制站的功能化整为零，分散到了各种现场仪表中，从而 构成了虚拟控制站，实现了系统的彻底分散控制； ( 3 ) 现场设备的互操作性不同厂商的设备既可互联也可以互换，现场设备间可实 现互操作，通过进行结构的重组即统一组态。可实现系统任务的灵活调整，从而彻底 改变了d c s 控制层专用性； ( 4 ) 开放式互联网络既可以与同层网络互联，也可以与不同层的网络互联， 还可以极方便地共享资源； ( 5 ) 技术和标准的全开放从总线标准、产品检验到信息发布均是公开的，无专利 许可要求，面向世界任何的制造商和用户，可供任何用户使用。 由于现场总线控制系统f c s 的核心是现场网络系统，而现场总线系统又是计算机 技术、网络通讯技术和控制技术的综合和集成，因而它的出现从根本上改变了传统的 控制系统，包括系统结构、信号标准、通讯标准和系统标准，使得现代自动控制系统 在体系结构、设计方法、安装调试和产品结构上，都发生了革命性的变化。 显然，与现场总线相比，传统仪表单元存在一些难以解决的问题。一对一结构， 即一台仪表、一对传输线、单向传输一个信号，是传统单元的特征，它造成系统接线 庞杂、工程周期长、安装费用高和维护困难的问题。模拟信号传输精度低容易受干扰 9 东北大学硕士学位论文第2 章现场，6 - 线控制系统 是传统仪表单元的另外一个特点，它要求提供抗干扰的措施和提高精度的办法，却无 形中增加了成本。同时操作员不能方便地了解现场仪表电脑远的运行情况，不利于控 制调节作用的实施。因而与传统的仪表单元相比，现场总线除具有以上特征外，还具 有如下优点： 一对n 机构一对传输线。n 台仪表单元，双向传输多个信号，接线简单。 工程周期短，安装费用低，维护容易； 可靠性高数字信号传输抗干扰强，精度高，无需采用抗干扰措施，可有效减 少系统成本； 操作性好操作员在控制室即可了解仪表单元的运行情况，从而可以实现对仪 表单元的参数调整、故障诊断和控制过程检控； 综合功能强现场仪表单元可同时提供检测、变换和补偿功能，实现一表多用， 扩展了现场总线仪表单元饿应用范围； 统一组态由于现场仪表单元在软件实现了采用功能模块结构，各种仪表单元 在相互连接后即可实现统一组态。 2 2 几种现场总线简介 ( 1 ) 基金会现场总线 现场总线技术发展到今天，已经给各界一个明确的认识。1 9 8 9 年p r o f i b u s d i n l 9 2 4 5 的推出，并成立了p n o 组织。1 9 9 4 年由i s pf o u n d a t i o n 与北美 w o r l d f i p 合成f i e l d b u sf o u n d i t o n 即f f ，并在1 9 9 6 年发布了现场总线通信协 议第一版h 1 。 基金会现场总线被称之为用与智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化， 多节点的通信技术。基金会现场总线系统作为一种低带宽的通讯网络，由具有通信能 力，同时能完成控制，测量等功能的现场自控设备作为网络节点，通过现场总线把它 们互联为网络，由于它采用的串行数据通信，仅由两根导线组成的网段上可挂接多个 现场仪表，从根本上改变了原有模拟仪表的一对一方式，在节约了费用的同时，还给 设计，安装，维护带来了许多方便，它通过网络节点问操作参数和数据的调用，实现 信息共享与系统的各项自动化功能。作为网络节点的智能仪表具备通信接收，发送和 控制能力。它们的各项自动化功能是通过网络节点间的信息传输，联接几个分布节点 的功能集成而共同完成的。基金会现场总线作为工厂的底层网络，相对一般广域网， 局域网来说，它是低速网段，其传输速度的典型值是3 1 2 5 k b p s 、1 m b p s 和2 5 m b p s 。 它可以由单一总线段或多总线段构成。也可以由网桥把不同传输速度，不同传输介质 的总线段互联而构成。网桥在不同总线段之间透明地转换传送信息。还可以通过网桥 - 10 t 东北大学硕士学位论文 第2 章现场总线控制系统 或网关，将其与工厂管理层的以太网段挂接，彻底打破了多年来未曾解决的自动化信 息孤岛的问题，为实现管控一体化提供了工作基础。 基金会现场总线系统又是全分布式自动化系统。它作为自动化系统其主要功能是 对工业生产过程各个参数进行测量，信号变送，控制，显示，计算等，实现对生产过 程的检测监视，自动调节，顺序控制和自动保护，保障工业生产处于安全，稳定，经 济的运行状态。它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络接点组成为自动化 系统，实现综合自动化功能。 ( 2 ) c a n 总线 c a n 总线是一种有效支持分布式或实时控制的串行通信网络。c a n 是一个 多主站总线，各节点都有权利向其他节点发送信息。通信介质可以是双绞线、同 轴电缆或光纤。c a n 总线目前己由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准i s 0 1 1 9 8 ( 通 讯速率 lm b p s ) 和i s o1 1 5 1 9 ( 通讯速率 1 2 5 k b p s ) 。c a n 主要应用与汽车，公共交通 车辆、机器人、液压系统、分散型i o 。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼字自 动化、空调、开关量控制的场合多有应用。 ( 3 ) l o n w o r k s 总线 l o nw o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导于 1 9 9 0 年正式而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层协议，采用了面向对象的设 计方法，通过网络变量把网络通信简化成参数设计，其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ：支持双绞线、同轴电缆、光纤、射 频、红外线、电力线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。 ( 4 ) p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 总线是德国9 0 年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号是 d i n l 9 2 4 5 。德国科学技术部总结了8 0 年代德国工业控制技术发展的经验，认为为了 适应9 0 年代分布式计算机控制系统发展的需要，有必要对现有的各公司自 己定义的网络协议进行规范化，公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网 络通信级能够兼容，以利于工业整体标准的提高，于1 9 8 7 年列为德国国家项目，由1 3 家大公司( 如著名的s i e m a n s 、a e c 、a b b 公司) 及五家研究所经过两年多的时间完 成。 p r o f i b u s 所包括的种类： 令p r o f i b u s f m s ( f i e l d