（机械工程专业论文）现场总线技术在柔性制造中的应用研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：田h16 5 u d c ：6 2 1 3 9 e n g i n e e r i n gm a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n ( e n g i n e e r i n gm a s t e rc a n d i d a t e ) s t u d yo na p p l i c a t i o no ff i l e d b u s i nf l e x i b l e m a u n f a c t u r i n gs y s t e m c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： d e p u t ys u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： 。 d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n gb i n g p r o f y a n gs o n g l i n h i g he n g i n e e ry iw e i m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g o c t o b e r ，2 0 0 9 h e b e iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王每 御年j 月年日 指导教师签名： 莎dfd 年，月g 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 赤保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：玉支 j d 年1 月4 日 指导教师签名： 耘衅 占p 【q 年月6 同 摘要 现场总线技术在柔性制造中的应用研究 现场总线技术是现代企业综合自动化领域研究、应用、发展的一项新技术，它 可以将控制系统与通信网络集成，信息交换的范围从现场设备、制作车间逐步覆盖 到整个工厂甚至企业集团。它的出现使自动化领域产生了一场深刻变革，对其他相 关领域也产生着深远影响。 本文对目前国内外p r o f i b u s 现场总线的技术研究现状进行了分析，并在研究 传统柔性制造系统在通信网络存在的缺点基础上，提出了将嵌入式总线桥技术应用 于机加工的柔性制造系统的新方案。通过p r o f i b u s d p 现场总线技术研究，开发 了基于p r o f i b u s d p 总线协议的智能从站，并对智能从站进行软件及硬件系统开 发，使其具有基本的数字输入、输出、数显等功能，实现了从站与p r o f i b u s d p 主站进行数据通信的基本功能，为该技术在柔性制造领域的应用提供了重要依据。 通过本文的研究得出，将p r o f i b u s d p 现场总线技术应用于机加工的柔性制 造系统，可充分发挥p r o f i b u s d p 的各种优点，并能克服传统柔性制造系统中采 用4 8 5 总线技术的缺陷，对柔性制造技术中通信的改善和提高起到了积极的作用。 p r o f i b u s d p 智能从站的软硬件系统开发对我国p r o f i b u s 技术深入研究及实际 应用起到积极的促进作用。 关键词柔性制造系统；现场总线；p r o f i b u s d p ；嵌入式总线桥；智能从站 a b s t r a c t = = = = j | = = | = = = = = _ j ；_ | ；目= | ，_ _ - - _ _ _ - _ _ 日j = 目| 目| = _ _ j _ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 目= = j = 自口j = 皇i= , ：, i ii 蕾 s t u d yo na p p l i c a t i o no ff i e l d b u si nf l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h ef i e l d b u si san e wt e c h n o l o g yo fr e s e a r c h ，a p p l i c a t i o n s ，d e v e l o p m e n to fam o d e m e n t e r p r i s ei n t e g r a t e da u t o m a t i o n ，a n d i tc a n i n t e g r a t e d t h ec o n t r o l s y s t e m a n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o nr a n g i n gf r o md e v i c e s ， p r o d u c t i o nw o r k s h o pa n dg r a d u a l l yc o v e rt h ee n t i r ep l a n to re n t e r p r i s eg r o u p i ta p p e a r s t h a tt h ea u t o m a t i o nf i e l dp r o d u c e sap r o f o u n dc h a n g ei no t h e rr e l a t e df i e l d ，a n dh a sa p r o f o u n di n f l u e n c e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra n a l y z e st h es t a t u so fs t u d y i n go nt h et e c h n o l o g yo ft h e p r e s e n td o m e s t i cp r o f i b u si nf i e l d b u s ，o nt h eb a s i so fs h o r t c o m i n gf o rs t u d y i n gt h e t r a d i t i o n a lf l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a n dp r o p o s e san e wp l a nw h i c ha p p l i e sb u s b r i d g ee m b e d e di n t of l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h r o u g hr e s e a r c h i n gp r o f i b u s d p f i e l d b u st e c h n o l o g y , t h ea u t h o rd e v e l o p st h ei n t e l l i g e n c ep r o f i b u s d ps l a v es t a t i o n ，a n d d e s i g nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eb yi t ，m a k ei th a v et h ef u n c t i o n so fd i g i t a li n p u t ，o u t p u t a n dd i g i t a ld i s p l a yb a s i c a l l y , r e a l i z et h et e l e c o m 、 ，i t l lp r o f i b u s - d pm a i ns t a t i o ni nd a t a f o rt h i st e c h n o l o g yi n t h ef i e l do ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n ga p p l i c a t i o ni tp r o v i d e sa l l i m p o r t a n tb a s i s a c c o r d i n g t ot h e p a p e r ，a p p l y i n g t h ep r o f i b u s - d pf i e l d b u st of l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，i te x e r t sa l lk i n d so fa d v a n t a g e so fp r o f i b u s d p , a n do u t c o m e s t h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a lf l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mw i t ht a k i n g4 8 5t e c h n o l o g y i th a s p o s i t i v ei n f l u e n c et oi m p r o v ea n de n h a n c et h e f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi n t e l e c o m t h ep r o f i b u s d pi n t e l l i g e n c es l a v es t a t i o nb o t hi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a y sap o s i t i v er o l ei np r o m o t i n gf o r w a r dd o m e s t i cp r o f i b u st e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ： f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f i e l d b u s ，p r o f i b u s d p , b u sb r i d g e e m b e d e d ，i n t e l l i g e n c es l a v es t a t i o n i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i 第1 章绪论1 1 2 柔性制造发展现状2 1 2 1 柔性制造系统的产生和发展2 1 2 2 柔性制造系统发展中出现的问题3 1 3 选题依据及研究内容3 1 3 1 选题依据3 1 3 2 研究内容3 1 3 3重点解决的关键问题4 1 4 本课题结构4 第2 章构建p r o f i b u s d p 现场总线集成方案。6 2 1现场总线6 2 1 1 现场总线定义6 2 1 2 现场总线的结构特点6 2 1 3 现场总线的技术特点7 2 1 4 现场总线的优点7 2 2p r o f i b u s 现场总线的技术概述7 2 2 1p r o f i b u s 技术的主要发展历程8 2 2 2p r o f i b u s 协议模型与i s o o s i 协议模型的关系8 2 2 - 3p r o f i b u s 技术体系结构9 2 3p r o f i b u s d p 现场总线9 2 3 1 p r o f i b u s d p 的概念1 0 2 3 2p r o f i b u s d p 现场总线的基本原理及基本功能1 0 2 4 本章小结11 第3 章p r o f i b u s d p 从站总线桥技术解决方案1 2 3 1 嵌入式系统发展现状1 2 t t l 目录 3 1 1 嵌入式系统的定义1 2 3 1 2 嵌入式系统的特点1 2 3 1 3 嵌入式系统的分类_ 1 2 3 2p r o f i b u s d p 从站接口协议转换原理“1 3 f i g 3 - 1 t h ec o n v e r s i o np r i n c i p l ed i a g r a mo fp r o f i b u s d ps l a v es t a t i o ni n t e r f a c e p r o t o c o l 1 3 3 3p r o f i b u s d p 智能从站方案比较”1 3 3 3 1 单片机+ 软件的解决方案“1 3 3 3 2 使用p r o f i b u s 通信专用a s i c 方案1 4 3 3 3 应用总线桥技术的解决方案1 5 3 4 方案确定：1 5 3 5 本章小结1 5 第4 章p r o f i b u s d p 从站硬件选用1 6 4 1 总线桥特点及选用1 6 4 2 嵌入式p r o f i b u s 总线桥o e m 产品比较选择1 6 4 3p b o e m 2 s e 技术原理1 6 4 4p b o e m 2 s e 技术指标1 7 4 5p b o e m 2 s e 外形及布局图1 8 4 5 1j 1 1 6 针接插件管脚定义说明1 8 4 5 2s e 状态表1 9 4 5 3j 2 10 针接插件管脚定义说明1 9 4 6 1d 型插座的p r o f i b u s 信号定义2 0 4 6 2连接方式旺p b d 型插座2 1 4 6 3 外接口转接板与o e m 2 s e 模块连接2 1 第5 章p r o f i b u s d p 从站软件设计2 4 5 1 通信规约2 4 5 2 用户模板串口通信程序流程图2 5 5 3 软件程序编制：g s d 2 6 5 4 本章小结3 1 i v 目录 第6 章p r o f i b u s d p 在柔性制造实验系统中的应用3 2 6 1f m s 柔性制造实验平台搭建3 2 6 1 1 f m s 柔性制造实验平台基本功能要求3 2 6 1 2 系统硬件的搭建3 2 6 1 3 f m s 柔性制造实验系统通信系统构建3 3 6 2 系统的安装及软件调试3 3 6 2 1 软件、硬件的安装3 3 6 2 2 系统调试3 4 6 3 调试系统原理图3 8 6 4 实验结果分析3 9 6 4 1 对数控程序进行集中管理情况测试3 9 6 4 2 机床参数的远程管理测试3 9 6 4 3 机床加工状态的远程监控4 0 6 4 4 机床加工信息的实时采集4 1 6 5 本章小结。4 2 结论4 3 参考文献4 4 攻读硕士学位期间所发表的论文4 7 致 射4 8 个人简历4 9 v 河北科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1现场总线技术的产生与发展 现场总线技术是顺应企业综合自动化需求而发展起来的新技术，是控制系统与 通信网络的集成，信息交换的范围已从现场设备、制作车间逐步覆盖了工厂到企业 集n 1 4 。 第一代过程控制体系结构是2 0 世纪5 0 年代前的基地式的气动仪表控制系统。 第二代过程控制体系结构发展为使用模拟信号。第三代过程控制体系结构开始出现 用数字信号代替模拟信号，中心控制采用一台计算机或单片机，以取代控制系统中 大部分仪表盘，这种控制系统有很多缺点，比如模拟信号数字化是在计算机端完成， 使得信号在传输过程中受到各类干扰，使得系统在抗干扰方面的设计和实现十分困 难，此外，计算机一旦出现故障，便会造成整个系统的瘫痪1 5 j 。 2 0 世纪8 0 年代开始出现第四代过程控制体系结构，该结构采用嵌入式技术：在 现场仪器设备中嵌入微处理器，使现场设备具备了智能化特点，多台分散在现场微 处理器，利用数据总线连接在一起，避免了集中式控制系统整体瘫痪的缺点【6 】。但是 它也存在着一些缺点，如系统不开放、可扩展性不强、可靠性低、集成能力不强等。 随着集成电路的发展，许多现场设备内置微控制器，有智能化的功能，可以实 现线性化等功能，设计中，可以在这些设备的基础上增加一数据接口。这样，在现 场设备级传递的是数字信号。这种通信网络它克服了集散控制系统( d c s ) 存在的问 题，真正实现了分布式控制，具有高度的灵活性和开放性。在现代制造业中的集成 制造系统( c i m s ) - - 般是由和现场设备级、车间监控级和工厂管理级等构成的一个多 层的大规模控制系统【7 i ，如图1 1 所示。 图1 1总线系统分层控制图 f i g 1 1l a y e rc o n t r o ls k e t c ho fs y s t e m - b u s 河北科技大学硕士学位论文 是实现工厂自动化及计算机集成制造系统的基础。它们底层设备控制、通信、 状态监测及现场设备运行主要由现场设备级、车间监控级完成；同时也接受管理层 下达的生产管理命令并执行【8 9 】。 1 2 柔性制造发展现状 1 2 1柔性制造系统的产生和发展 随着产品复杂程度的不断增加以及产品更新换代加快，在生产过程中必须提高 产品制造的柔性以提高生产效率，采用柔性制造的概念可以缩短生产周期，降低能 耗，降低生产成本，获得更好的经济效益。柔性制造系统便是在由此应运而生的【1 0 1 。 在柔性制造系统领域，西欧、美国和日本走在世界的前列，而美国是最早的国 家，起初是由自动生产线改建，用数控机床代替传统机床再加上数字控制系统，便 构成f m s ，在美国，f m s 单元得到了快速的发展，到9 0 年代，柔性制造单元已超 过了1 万套。 日本与德国在这方面也得到了很好的发展。1 9 9 4 年初，世界各国已投入运行的 柔性制造系大概有3 0 0 0 多条，日本占世界首位，拥有2 1 0 0 多条。当前著名的f m s 生产厂家有：日本的l i j 崎、日立精机、法那科、丰田工机；美国的k e a m e y & t r e c k e r , i n g e r s o l lm i l l i n g ，c i n c i n n a t im i l a e r o n ，b e n d a xs u n d s t u n d ；w e m e r & k o l b ，b u r k h a r d t & w e b e r ，s i e m e n s ，h u l l e r h i l l e y 以及s c h a r m a n 等【l l 】。 我国发展的较晚，1 9 8 6 年1 0 月我国第一条f m s 投入运行，8 6 3 计划启动之后， 促进了我国f m s 技术的发展，自行开发和引进了一些系统，至1 9 9 5 年建成约3 4 套 柔性制造系统，与欧美、日本相比差距很大，图1 2 为典型的f m s 示意图。 蹴 图1 - 2 典型的f m s 示意图 f i g i - 2 s k e t c ho f t y p i c a lf m s 河北科技大学硕士学位论文 1 2 2柔性制造系统发展中出现的问题 柔性制造系统发展虽然日渐成熟，但在网络信息化、控制模式等方面还有许多 待改进的地方，早期，在柔性制造系统的控制方式中，多采用集中控制模式：所有 的现场设备都由中央计算机进行控制。这种控制模式使得系统软件很庞大，所有的 功能都要有中心实时去处理，导致计算机运行速度下降，进而可靠性降低。 有一个突出的问题是：管理层的网络技术发展相当迅速，而车间级和设备级的 网络传输技术相对落后，这样就使得设备级成为了“信息孤岛”。 现场总线技术的出现解决了柔性制造系统发展中出现的这些问题。早期的柔性 制造系统中，信息的传递较多的是采用r s 2 3 2 、u o 接口、m a p 网络方式或d c s 方 式，前两种方式的传输速度太低，已经无法满足f m s 的要求，对于后两种方式， m a p 不具备实时特性。d c s 相对来说是不错的解决方案，但与现场总线相比，现场 总线有更明显的优势。随着微控芯片工业生产中的应用，出现了大量的智能设备， 如温度变送器等，不但具有p i d 控制和运算功能，还具有输出特性补偿、自诊断、 自校验等功能，这使得f m s 的控制结构开始由集中控制的方式向分布式控制模式发 展，而现场总线技术正是这种方式的主要技术。 1 3 选题依据及研究内容 1 3 1选题依据 本课题是基于数控生产性实训中心开展的p r o f i b u s 现场总线应用技术的研 究。通过分析柔性制造系统发展的特点、现场总线技术发展的特点和优点以及嵌入 式系统的特点，提出了将现场总线技术中的嵌入式总线桥应用于f m s 的方案，以达 到改善和提高f m s 之目的。 1 3 2 研究内容 本课题将在充分研究目前国内传统柔性制造系统的前提下，结合目前我国国内 p r o f i b u s 现场总线的研究现状，提出将p r o f i b u s 现场总线技术应用于f m s 的方法， 在今后的研究中，将通过研究p r o f i b u s 现场总线技术，利用专用集成芯片开发基于 p r o f i b u s d p 协议的从站，对从站进行软件与硬件的开发，通过编写数据库文件，实 现与主站的基本数据通信。为了使研究具有实际应用价值，本研究将建立在一个小 型柔性制造系统模型基础上，通过对柔性制造模型中各个单元的控制与管理，验证 系统的性能，为实际应用提供理论与现实依据。具体内容分四个层次： ( 1 ) 研究p r o f i b u s d p 现场总线桥的原理及应用，构建柔性制造系统站点集成 方案在构建系统集成方案过程中，第一个要解决的关键技术就是传输方案的选择及 接口的匹配。p r o f i b u s 提供三种传输类型：d p 、f m s 的r s 4 8 5 传输、p a 的i e c l l 5 8 2 河北科技大学硕士学位论文 传输、光纤传输，考虑到光纤传输有良好的抗干扰性，本方案选用光纤，但目前现 场的大部分设备接口是r s 4 8 5 ，需要解决二者之间的转换。第二个问题是总线存取 协议，主站和主站之间采用令牌传送的方式，从站与主站之间采用主从传送方式。 ( 2 ) 研究p r o f i b u s d p 现场总线桥的通信原理，设计主站与从站的硬件结构在 完成集成安装的基础上，在p r o f i b u s d p 通信方面，关键是设备通信接口解决方案， 在设计从站的方案中，一般有三种：一种是直接用单片机实现，这种方案开发周期 长，测试复杂；第二种是采用从站接口模块，这种方案灵活性较差；第三种是采用 p r o f i b u s 专用a s i c 与单片机结合，其中单片机不参与处理总线协议，这种方案开发 成本较低，技术指标高。这一部分将对三种方案进行理论与实践分析，并最终确定 一种最合理的方案，同时，将进一步研究这种方案需要设计的外围电路，并搭建一 个调试与测试平台需要的p r o f i b u s 系统，用于以下在柔性制造系统中的应用。 ( 3 ) 研究p r o f i b u s d p 从站与柔性制造单元的接口及数据交换在以上系统方案 与通信原理建立的基础上，进一步研究通信单元与现场设备的接口电路与数据交换 技术。在现场设备端，p r o f i b u s d p 一般采用r s 4 8 5 传输技术，为了达到抗干扰的目 的，将进一步研究信号与电源的隔离技术，如在接口电路上采用光隔离及变压器隔 离技术等，这是这一部分设计的关键。在数据格式的定义上也是一个重点研究的内 容。 ( 4 ) 软件的编制通过讨论分析，软件应包含管理、控制、监控、报警等功能， 软件设计的技术关键在于接口的控制。 ( 5 ) 在实验系统中的应用通过搭建柔性实验平台，应用前面研究成果构建实 验通信系统，进行系统调试实验和实验结果分析，验证软硬件研究成果。 1 3 3 重点解决的关键问题 ( 1 ) 构建基于p r o f i b u s d p 总线的通信与控制的网络系统，以提高其可靠性， 保证高速的传输性能，使系统的集成能力加强。 ( 2 ) 现场总线单元与柔性制造单元之间的接口电路设计。 ( 3 ) 软件的编制以及对各接口的控制与管理。 1 4 本课题结构 本课题的研究工作主要是研究设计一个适合制造加工车间环境的实时数据采集 及远程监测系统，为机械加工生产管理及维护人员提供及时准确的环境信息，推动 柔性制造系统向自动化、智能化方向发展。 本论文各章的基本内容如下： 第1 章是绪论，简要介绍了现场总线技术和柔性制造技术发展及出现的问题， 引出选题依据及研究内容。 4 河北科技大学硕士学位论文 第2 章介绍了现场总线的概念、特点、发展历程、协议模型及技术体系结构； 论述了p r o f i b u s d p 现场总线的基本原理、功能、报文结构、总线定时及数据库文件。 第3 章论述了嵌入式系统的特点、分类，介绍了p r o f i b u s d p 从站接口协议转换 原理，并对其从站接口进行方案比较、选择。 第4 章论述了p r o f i b u s d p 从站接口的硬件嵌入式总线桥产品的选用，介绍了其 外形、布局图、插座、接口板连接及开关。 第5 章论述了p r o f i b u s d p 从站软件的通信规约、串口通信程序流程图及其软件 程序。 第6 章论述了p r o f i b u s d p 从站在柔性制造实验系统的应用。介绍了其试验平台 搭建，系统安装、软件调试、调试原理及实验结果分析。 河北科技大学硕士学位论文 第2 章构建p r o f i b u s d p 现场总线集成方案 2 1现场总线 2 1 1 现场总线定义 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、 双向、智能、多变量、互联、多点的通信网络，是自动化领域发展的热点之一，被 称为自动化领域内的局域网。作为工业通信网络的基础，它起到沟通生产过程现场 的控制设备之间以及与更高级别的控制管理层之间进行联系的作用。所以它不仅仅 是一个基层的网络，而且还是一种新型全分布式、开放式的控制系统【1 3 】。 2 1 2 现场总线的结构特点 现场总线系统远远优于传统的控制系统的结构形式。在传统模拟控制系统中， 一般设备之间采用一对一的连线，位于现场的设备和管理层的控制器之间均采用一 对一的物理连接。而现场总线系统与此有很大的区别，由于采用了智能设备，所以， 现场总线可以把控制室的控制模块置入现场设备中，同时现场设备也具有通信的能 力，这样就彻底实现了现场分散的控制【1 4 1 6 】。两种结构对比，如图2 1 所示。 x 传统控制系统结构示意图现场总线控制系统示意图 图2 1 现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比 f i g 2 1 s t r u c t u r ec o n t r a s ti nf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ma n dt r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m 6 萃、： 嗍j 一_ ， 河北科技大学硕士学位论文 2 1 3现场总线的技术特点 现场总线控制系统采用了智能现场设备，控制系统功能直接在现场完成，而不 依赖控制室，实现彻底的分散性控制。具有以下特点【1 7 - 1 8 】： ( 1 ) 系统的开放性开放系统是指各不同厂家的通信协议公开，不同设备之间能 进行互连，并实现信息交换，现场总线研究的目的就是要一个建立统一的基于工厂 现场级网络的开放系统。这个开放系统可以与任何相同标准的其它智能设备或系统 相连。 ( 2 ) 互可操作性与互用性所谓的互可操作性是指，可以实现互连的设备、系统 之间的信息沟通可实行一点对一点、一点对多点的通信，而互用性指的是不同生产 厂家之间的类似设备可以进行互换互用。 ( 3 ) 现场设备智能化与功能的自治性现场总线将数字处理与控制等智能功能 分散到各个现场的设备中进行完成，靠现场的设备就完全可完成诸多自动控制的基 本功能。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性现场设备可完成自动控制的诸多基本功能，这样就 从根本上改变了原来d c s 集中和分散相结合而构成的集散控制体系，大大提高了可 靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性现场总线的现场设备前端，支持同轴电缆、双绞线、 光缆、红外线、电力、射频线等，具有较强的抗干扰能力。 2 1 4 现场总线的优点 由于现场总线结构的简化，使控制系统体现出优越性，优点如下【1 9 】： ( 1 ) 节省硬件数量与投资现场总线系统不需要单独的计算单元，可以用p c 机 作为操作站，这样可节省硬件投资。 ( 2 ) 节省安装费用由于接线十分简单，这样既节省了投资，也减少工作量。据 有关试验的测算资料，可节约安装费用达6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销现场控制设备具有自诊断功能，这些诊断信息可送往控制 室，在控制室可以查询相关信息，以便快速排除故障，缩短维护时间。 ( 4 ) 用户具有高度系统集成主动权由于采用现场总线技术，用户便可以选不同 的厂商的设备进行集成系统，这样可避免系统集成不兼容的问题，使系统集成过程 中的主动权掌握在用户自己手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性现场总线设备在测量与控制的准确度大大 提高，同时由于系统的结构简化，现场仪表内部功能也有所加强，减少了信号的往 返传输，进而可提高系统工作的可靠性。 2 2p r o f i b u s 现场总线的技术概述 河北科技大学硕士学位论文 p r o f i b u s 符合国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，i e c 6 1 1 5 8 是一种国际性开放式的现场总线 标准，它具有独特的技术特点、开放的标准。自动化设备生产厂商目前都为他们的 设备提供标准的p r o f i b u s 接口。p r o f i b u s 根据应用特点可分为p r o f i b u s r p a ， p r o f i b u s - - d p ，p r o f i b u s - f m s 三个兼容部分【2 0 】。 ( 1 ) p r o f i b u s p a 主要是应用在面向过程自动化系统的设计方面，适合于防 爆场合，在传输方面，电源和通信数据全部采用总线并行传输。p r o f i b u s p a 所采 用的协议是扩展的p r o f i b u s d p 。传输技术方面采用的是i e c l l 5 8 2 ，硬件上采用分 段式的耦合器，可以方便地集成到p r o f i b u s d p 网络。 ( 2 ) p r o f i b u s - d pp r o f i b u s d p 的使用取代了模拟信号线，由于协议较简 单，它适用于分布式控制系统中的高速数据传输，主要应用在制造业中的现场级通 信网络，特点是高速低成，在传输速度上，可选用9 6 k b p s - - 一1 2 m b p s 。 ( 3 ) p r o f i b u s - f m s 用于解决车间级的通信任务，适用于大范围和较为复杂 的通信系统。p r o f i b u s f m s 与p r o f i b u s d p 在传输技术上是相同的，总线访问 协议也相同，所以说，两套系统可在一根电缆上操作。本设计将采用p r o f i b u s d p 总线技术。 2 2 1 p r o f i b u s 技术的主要发展历程 从8 0 年代就开始，学者们就对现场总线技术进行了研究，国际上众多设备制造 商陆续推出他们各自的总线标准以及总线产品。目前，像这样的现场总线在全球就 有2 0 0 多种，它们各有各自的优势和特点，但有个问题是，他们不能形成统一的标 准，国际电工委员会从1 9 8 4 年开始，经过长期的探讨，最终形成了国际现场总线标 准i e c 6 1 1 5 8 。标准中，共采用了8 种现场总线技术，而p r o f i b u s 就是其中第三种。 p r o f i b u s 是一种开放式的现场总线国际标准，它所应用的领域包括楼宇智能 化、过程自动化、加工制造等行业，它是目前广泛应用的一种非常成熟的现场总线， 设备生产厂商也都在自身的产品上提供p r o f i b u s 接口。到目前为止，在世界范围 内，已安装运行的带有p r o f i b u s 总线的设备超过1 0 0 0 万。 我国的中国现场总线专业委员会成立于1 9 9 7 年6 月，并建立了p r o f i b u s 现场 总线产品演示及认证实验室，其主要的职责是推广p r o f i b u s 现场总线技术的应用 研究，同时开展我国p r o f i b u s 现场总线产品认证工作。 2 2 2 p r o f i b u s 协议模型与i s o o s i 协议模型的关系 p r o f i b u s 现场总线可以将设备从底级到中间执行级分散开来。由于通信协议 进行了优化，所以不需要复杂的接口就可以实现。如果拿i s o o s i 协议模型进行比 较，p r o f i b u s 协议包含第1 、2 、7 层，如图2 2 所示 2 1 】。 应用行规i 通信技术 传输技术 e c 6 1 1 5 8 6 1 7 8 4 p r o f i b u sd p p - v o v 2 r s 4 8 5 ：n r zf i b e r ：g l a s sm u l f im o d e m b p 。) ：m a n c h e s t e rb p o w e r e d r s 4 8 5 - l s ：i n t r i n s i cs a f e t y o p t i c s ：g l a s ss i n g l em o d e m b p i p ：l o wp o w e r p c 聊a s t i cf i b e r m b p - i s ：i n t r i n s i cs i 蛳 图2 3p r o f i b u s 体系结构 f i g 2 3 p r o f i b u sa r c h i t e c t u r e 2 3p r o f 旧u s d p 现场总线 p r o f i b u s d p 现场总线有特定的硬件结构，专用的通信报文结构以及预先规定 的总线定时。下面就这几个方面分别叙述 2 2 3 2 。 9 _z一笛llzou：工。巴苗耳暑e。：。=j|。iu一 2三u：=_皇j0iiou：is_= 河北科技大学硕士学位论文 2 3 1p r o f i b u s d p 的概念 d p 的英文是d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ，即分散化外围设备。p r o f i b u s d p 主要是 应用于现场设备级，它响应的时间从几微秒到几百毫秒，数据传输速率为 9 6 k b p s 。1 2 m b p s ，传输的数据容量为每个报文多达1 4 4 个字节，传输介质为屏蔽双绞 线或光纤。p r o f i b u s d p 可以广泛地应用于电气传动领域，低压电控配电成套设备， 数控加工设备，楼宇自动化等。 p r o f i b u s - d p 协议是专为自动化工厂中的分布式i o 设备和现场设备所要求的 高速数据通信而设计的。典型的d p 配置为单主站结构，d p 主站和d p 从站之间的 通信是遵从主从原则的。也就是说当主站需要时，d p 从站仅仅可以变的主动一些， d p 主站和从站之间的用户数据可以进行连续不断的交换，而不需管用户的数据怎 样。 2 3 2 p r o f i b u s d p 现场总线的基本原理及基本功能 ( 1 ) 传输技术采用r s 4 8 5 传输技术，传输介质可以选择双绞线电缆或屏蔽双绞 线电缆，也可以选择光缆进行传输，传输波特率的范围为9 6 k b p s 一1 2 m b p s 。一般不 超过1 2 0 0 m 。 ( 2 ) 设备类型在p r o f i b u s d p 网络中，有两种设备：主站和从站。主站也有 两种类型：第一类d p 主站( d p m i ) 采用女n p l c 、p c 等设备的中央可编程控制器；第二 类d p 主站( d p m 2 ) 为可编程、组态的设备。 ( 3 ) 总线结构及其通信p r o f i b u s d p 支持单主站与多主站两种系统。单主站 系统只有一个活动主站，多主站系统是指在总线上连有多个主站。任何一个主站都 可以读取d p 从站上输入输出的信息，但有一个限制：只有一个d p 主站允许对从站写 数据。图2 4 为p r o f i b u s d p 系统。 若干个d p - 主可以用读功能访问一个d p - 从p r o f i b u s d p 多主系统的组成： - 多个主设备( 1 类o r2 类) 1 到最多1 2 4 个d p 从在同一个总线上最多1 2 6 个设备 图2 4p r o f i b u s d p 多主系统 f i g 2 - 4 t h em u l t i - m a s