（机械电子工程专业论文）modbus+tcp总线型阀岛的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 常规方式实现的气动系统，通常包含大量功能单一的分立元器件，若某单个元件 出现故障就可能导致整个系统的瘫痪，为系统的组装、调试、管理和维护带来诸多不 便。m o d b u st c p 总线型阀岛就是克服该缺点，着眼于大幅度简化系统组件接口、提 高系统可靠性的智能化装置。 本课题根据阀岛装置的功能特点，并在对当前工业控制领域中炙手可热的多种现 场总线性能对比的基础上，本着先进、实用、功能易扩展和智能化等设计原则，提出 了将m o d b u st c p 总线技术与阀岛技术相融台的系统设计方案。 在阀岛结构设计中，引入了模块化的设计思想，有效地节省了新型阀岛的开发周 期，减小了设备投资。实现其控制模块硬件电路时，采用了嵌入式系统i p c c h i ps c l 2 作为电路核心构件，使阎岛具备实时多任务处理能力，支持存储区保护功能，并且降 低了处理器功耗。特别值得指出，s c l 2 高度集成媒体访问控制和编码解码功能，从而 精简了e t h e r n e t 端口的电路结构，增强了抗电磁干扰性，尤其是提高了阀岛实时通信 能力。 在控制软件编制过程中，选择性能优越的c 语言作为开发工具，确保了程序的易 读性和可移植性：采用网络套接字编程技术，使得程序结构简洁和运行可靠；多线程 技术的应用，提高了软件的执行效率，很大程度她优化了阀岛的实时性能。 m o d b u st c p 总线型阀岛通过与p c 模拟主站之间的通信过程，完成了系统一致性 测试和互操作性测试，其结果表明，阀岛能够按照主站发送的命令要求准确、实时地 完成动作。 关键词：阀岛现场总线模块化嵌入式系统一致性测试 互操作性测试 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nac o n v e n t i o n a l p n e u m a t i cs y s t e m ，t h e r e a r e a l w a y s l o t so f s i n g l e f u n c t i o n a l c o m p o n e n tt h a td o e s n td e p e n d0 1 1 o t h e r s s ow h e no n l yo n ec o m p o n e n tb r o k ed o w n ，t h e w h o l es y s t e mc a r l tw o r ka g a i n ，a n dm a k et h ea s s e m b l a g e ，d e b u g g i n g ，m a n a g e m e n ta n d m a i n t e n a n c eo ft h es y s t e mm o r ed i f f i c u l t yf o ru s t h em o d b u st c p v a l v et e r m i n a li sak i n d o fi n t e l l i g e n te q u i p m e n t ，w h i c hc a no p t i m i z et h eh a r d w a r ei n t e r f a c e so fc o m p o n e n t si na p n e u m a t i cs y s t e m a n d i m p r o v e i t sf u n c t i o n a l r e l i a b i l i t y i n a w o r d ，t h ep n e u m a t i c t e c h n o l o g y i sl o o k i n gf o r w a r dt ot h ea p p e a r a n c eo f v a l v et e r m i n a l a f t e rc o n t r a s tm o d b u sa n do t h e rf i e l d b u si nc a p a b i l i t y , a n da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i co f v a l v et e r m i n a l s ，an e wv a l v et e r m i n a lw i t hg o o dp e r f o r m a n c ei nu s a b i l i t y , e f f i c i e n c y ，a n di n t e l l i g e n c e i s e x p e c t e d t ob e d e v e l o p e d t h a tc o m b i n et h ef i e l d b u s t e c h n o l o g y w i t ht h ev a l v et e r m i n a lt e c h n o l o g y b e c a u s em o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni d e o l o g yi su s e dd u r i n gt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h e v a l v et e r m i n a l ，t h er e s e a r c h i n gt i m ea n do p e r a t i n gc o s t sa r eb o t hr e d u c e d d u r i n gt h e m a n u f a c t u r eo f t h ec o n t r o lm o d u l e ，a l le m b e d d e ds y s t e mi p c c h i ps c l 2m i c r o c o n t r o l l e r i su s e da st h ek e r n e lc o m p o n e n t ，s ot h ev a l v et e r m i n a lc a nd e a lw i t hm u l t i - t a s ka to n et i m e ， p r o t e c t i t s s t o r a g e ，a n dd e c r e a s et h ew a s t a g eo fe n e r g y i np a r t i c u l a r , f u rt h em a c a n d e n d e cf u n c t i o no fs c12 ，m a k et h ee t h e m e tp o r t sc i r c u i t s i m p l e r , a n de n h a n c et h e c o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c eo f v a l v e t e r m i n a l b e s i d e s ，s e v e r a lk e yt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e di nt h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g n a t f i r s t ，t h e a p p l i c a t i o n i ncc a nb eu n d e r s t a n d e a s i l y ；s e c o n d l y , s o c k e tp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y e n s l i r e st h a tt h e p r o g r a mi s a b b r e v i a t e da n d r e l i a b l e ；t h i r d l y ，t h e l l s eo f m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g yi n c r e a s e st h ep a c eo fs o f t w a r e ，o p t i m i z et h er e a l - t i m ec a p a b i l i t y o fv a l v et e r m i n a l a f t e rc o m m u n i c a t i n gw i t l lp cs i m u l a t i v em a s t e r , t h em o d b u sv a l v et e r m i n a lf i n i s h e d i t sc o n f o r m a n c et e s t i n ga n di n t e r o p e r a t i o nt e s t i n g ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e v i c e i i 华中科技大学硕士学位论文 c a l le x e c u t et h em a s t e r sc o m m a n dc o r r e c t l ya n dr a p i d l y i nc o n c l u s i o n ，m o d b u sv a l v e t e r m i n a lc o m b i n e sf i e l d b u st e c h n o l o g yw i t hv a l v et e r m i n a lt e c h n o l o g yv e r yw e l l k e yw o r d s ：v a l v et e r m i n a l f i e l d b u sm o d u l a r i z a t i o ne m b e d d e ds y s t e m c o n f o r m a n c e t e s t i n gi n t e r o p e r a t i o nt e s t i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。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： 司磊 日期：如4 年4 月扣日 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，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电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中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。 保密口，在 本论文属于 不保密匦 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 日期：如4 年4 月 葛l 磊 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：毒r 富仁 ? 。日日期：年月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章在简要介绍气动技术知识的基础上，详细地阐述了阀岛技术的发展历史及其 特点从而引出了本课题的目的、意义及主要亟待解决的问题。 1 1 气动技术的特点、发展现状和最新发展方向 1 i ，1 气动技术的特点 气动技术是利用压缩空气作为工作介质，实现能量传递、转换、分配及控制的一 门技术“。 同其它的传动技术，如液压传动、电气传动、机械传动相比，气动技术具有以下 优点叫5 j ： ( 1 ) 压缩空气为工作介质，能源简单易得，而且用量不受限制。 ( 2 ) 可防爆、防磁，抗干扰能力强，不受温度1 奇影响，即使在极端温度情况下亦 能保证可靠地工作。 ( 3 ) 清洁，不污染环境。未经润滑处理的压缩空气是清洁的，不存在污染环境的 问题。 ( 4 ) 气动系统结构简单，设备成本低。 ( 5 ) 压缩空气是迄今为止传递动力最快的介质之一，故气动系统可获季导较高的工 作速度：由于各种元器件的使用，系统速度和工作压力可大范围的变化。 ( 6 ) 气动机构和工作部件具有缓冲性和柔韧性，无过载危险，系统安全可靠。 ( 7 ) 气动系统所能产生的能量密度较小，大体相当于人的肌肉所能产生的能量密 度，可代替工业生产自动化流程中大量的人工劳动。这就是气动技术在工业生产自动 化中得到广泛应用的原因所在。 但是，气动技术同样也存在不足之处【】 ： ( 1 ) 压缩空气必须进行除尘、除水处理。 华中科技大学硕士学位论文 f 2 1 空气的可压缩性降低了系统的工作效率，且使气动系统的刚度低、定位精度 差。 ( 3 1 气动信号的传递速度远比电信号低。 f 4 、系统运行时排放空气的噪声较大。 使用气动技术实现生产过程自动化，是工业自动化的一种重要技术手段，而且是 一种低成本自动化控制技术。目前，气动技术倍受工业界欢迎，其发展呈现急剧上升 的趋势，工业生产中采用气动技术的程度已成为衡量一个国家工业自动化程度的重要 标志之一。 11 2 气动技术的发展状况 气动技术是由风动技术及液压技术演变、发展而来的一门技术，其发展经历了一 个从单个元件到控制系统，从单纯机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。 在传统气动系统中，其控制阀多采用频率较低的电磁阀；控制方式大多为开关控 制，只能在两个机械设定位置可靠定位；其运动速度只能靠单向节流阀单一设定。所 以，气动系统仅仅局限于矿山输送机械、机床、汽车制造、冶金等行业中应用i s 。 近几年来，一方面随着工业自动化的发展，对气动控制系统的性能提出更高的要 求，如要求气动元件的输出位移、压力、流量等按比例进行伺服控制：另一方面由于 技术进步、新型材料采用和制造工艺改进，为气动元件性能和功能的完善提供了有利 条件；而且众多气动厂家为了在气动领域占得一席之地，根据气动技术发展趋势制 订了气动元件技术含量多元化和功能多样化的指导方针，积极地进行最优性能元件开 发。总之，各种因素都在促使气动技术飞速向前发展。 微电子技术、现代控制理论与气动技术结合产物电一气比例伺服技术的推广 使用，使得各种结构的比例伺服控制阀不断推向市场，现在的气动比例伺服阀在性 能上有很大的提高，如f e s t o 公司的通径为2 m m 的m p y e 型比例方向控制阀( 如图 卜1 所示) 最大工作频率可达1 5 5 h z 甜。 随着模块化、标准化逐步成为大工业基本要求，气动、电子、机械技术的融合将 传统气动系统多种独立元件经过优化设计，有机的集成为一体，成为模块化产品，节 华中科技大学硕士学位论文 省了大量的设计开发和生产安装时间。图1 2 所示h m p 型直线坐标气缸，内置多个位 鸯传感器，具有高精度的坚硬导轨和无间隙滚珠轴承，可精确定位，是多功能模块化 产品的代表。 图1 - 1m p y e 型比例方向阀图1 - 2h m p 型气缸 德国f e s t o 公司研制的气动肌腱可以说是气动技术向外部发展的典型代表，如图 l 一3 所示。气动肌腱是一种新型的模仿自然肌腱运动的拉伸执行元件。与常规气缸相比， 它有很大的初始拉伸力，随着收缩运动过程拉伸力逐渐减小，从而使得它可以获得很大 加速度且能够平稳地达到目标位置。气动肌腱结构十分简单：一段加强型纤维管，其 两端由连接器固定。气动肌腱的设计思想已经突破了传统执行元件框架的束缚，并已 立足于廉价自动化和高技术应用领域。可以说，气动肌腱是气动技术的一场革命 4 】。 图l - 3 气动肌腱 七十年代以来，世界主要工业国家气动产品的产量和品种均有不同程度增长。资 料统计表明，原苏联有百分之五十的自动化装置是靠气动技术实现的，远大于电动和 液压所占的比重；日本从1 9 7 5 年至1 9 8 5 年1 0 年中，气动元件销售额增长了4 1 倍， 1 9 9 1 年液压与气动元件的总产值为七千亿日元，其中气动元件的总产值达三千亿日 元，占4 3 ，可见其气动技术应用已接近液压技术的应用：德国气动元件产量1 9 8 3 年是1 9 7 0 年的2 5 倍；美国气动元件销售额平均增长率是机械工业的i ，5 倍左右。目 前，国外2 2 2 9 的机器人，9 0 的包装机械，7 0 的铸造焊接设备都装有气动系统 华中科技大学硕士学位论文 或元件。在工业领域里，如机械、电子、钢铁、运行车辆及其制造、橡胶、纺织、轻 工、化工、食品、包装、印刷、烟草等领域，气动技术己成为不可缺少的基本部分。 不可忽视的是，如同电气、电子由工业应用逐步发展到广泛的家用样，气动不仅在 尖端技术领域如核工业或宇航中取得地位，而且也开始进入农林、园艺、楼宇自动化 等范畴。毫无争议地说，气动技术已经成为2 0 世纪应用最广、发展最快、也最易被接 受及重视的技术之一1 2 。 相对来说，我国的气动技术起步较晚，且比例胴服技术的应用还不是很广泛，有 待进一步的大力发展。从1 9 6 7 年上海建立第一家气动元件厂开始，经过3 0 多年的发 展，气动技术已形成了一个独立的行业。然而无论从产品质量、品种、规模、应用数 量与范围，还是从研究水平、研究人员数量上来看，都与国际先进水平相距甚远，而 且，气动技术的应用水平远远低于国际先进水平。如国外工业发达国家，气动行业产 值为机械工业总产值的1 2 ，而我国仅仅只有0 1 一0 3 。国内控制技术仍然局限 于普通的点位开关控制，气动伺服技术，尤其是电一气比例伺服技术的高精度、高响 应应用甚少。 加强气动技术基础研究，以及在工业上推广应用，对加快我国工业自动化发展速 度，提高我国工业产品在国际市场的竞争能力，抢占科技制高点，以至整个国民经济 生产力的发展都有着重大的深远意义。 1 1 3 气动技术的最新发展方向 随着工业自动化技术的不断发展，工业现场不断对气动技术提出新的应用方式和 领域。气动技术与电子技术、机械技术、传感器技术、计算机技术及现代控制理论的 结合更加深入广泛，无论在近期和未来，气动技术都将朝着气动元件及系统的模块化、 集成化、智能化以及气动系统的整套供应方向发展【2 】。 ( 1 ) 模块化和集成化 模块化和集成化虽是两个不同的概念，然而两者又密切相关，并都体现了气动的 最大优点之一，即单独元件的组合能力：无论是各种不同大小的控制器，或是不同功 率的控制单元，在一定应用条件下，都具随意组合性。图1 4 所示高度集成的气缸由 华中科技大学硕士学位论文 换向阀、3 个传感器、2 个节流阀和小型电子控制器组成，该气缸用于机械加工中心的 换刀装置。在当前气动元件小型化和微型化的趋势下，气动集成化将成为不可逆转的 潮流。 图1 4 高度集成的气缸 ( 2 ) 智能化 图1 5s p c 2 0 0 控制器 智能气动是指具有集成微处理器，并融入了处理指令和程序控制功能的元件或单 元。典型的智能气动通常是在单个元件中，如气缸( 驱动) 或电磁阀( 控制) 中，内 置可编程控制器( p l c ) 并装入特殊软件，从而实现智能化。图1 5 所示是f e s t o 公司 研制的智能位置控制器s p c 2 0 0 ，该控制器集成了电源模块、数据传输模块、数据处 理模块、控制模块以及编程模块等等，通过u s b 与上位微机通讯，调试、编程非常方 便。通过更换模块，可以实现三坐标轴的精确位置联动控制。 r 3 整套供应 完整的模块及独立的功能单元使用户只需进行简单的组装即可投入使用，一方面 可以大大节省现场装配、调整时间，减小了劳动强度，提高了工作效率；另一方面对 现场操作人员的专业技术要求也降低了，无需经过专门培训，因此整套供应将对未来 气动技术的发展产生深远影响。 1 2 阀岛技术的研究意义和发展状况 1 2 1 阀岛技术的研究意义 华中科技大学硕士学位论文 常规气动系统中包含丈量的分立元件，并且这些分立元件是通过大量的管件及接 插件实现连结的。如有一个元件发生故障往往会引起整个设备的运行不正常，甚至引 发设备事故。同时，由于系统中带有大量信号、能量的管件和连线，尤其是当这些管 件和连线跟随设备的运动部件移动时，因泄漏、堵塞、虚接或短路面引发故障的机率 高，也给设备的管理和维护带来诸多不便。除此之外，制造这一系统必须经过对所有 分立元件的选型、验收、组装、调试以及整机安装等繁多步骤，必须投入大量的人力 物力。这不仅使设备的开发、制造周期延长，而且常常因人为因素出现设计或制造错 误，从而延误设备的投用日期甚至影响设备的功能和质量口】。 针对上述问题，f e s t o 公司率先发明并引入应用新一代的电- 气一体化智能控制元 件阀岛，其特点是i 各种电磁阀根据用户提出的要求集中安装于阀岛上，只有一 个气源口和一个排气口：电磁阀的电控信号连接到一个统一的插座上：电控信号输入 口和输出口的电路保护、防水措施等集成于阀岛上；可以与目前市场上多种形式可编 程控制器结合使用；阁岛的气动、气控组件的功能已经测试、检查完毕。基于此，用 户只需将电磁阀的输出口连接到对应的气动执行机构上，把阀岛信号传输电缆与可编 程控制器的输入输出端口相连，完整的气动系统就可以建立起来。 总之，阀岛技术的最大意义在于从根本上简化了气动系统接口的硬件结构，提高 了系统可靠性，并完善了系统功能。 l22 阀岛技术的发展状况 “阀岛”词译自德语的“y e n t i l i n s e l ”，英文译为“v a l v e t e r m i n a l ”，阀岛技术是 由德国著名气动厂家f e s t o 公司于8 0 年代后期开始致力开发的【扪。 第一代阀岛是如图1 - 6 所示的带多针接口的阀岛，可编程控制器的输出信号、输 入信号均通过根带多针插头的电缆与阀岛相连，而传感器输出信号则通过多股电缆 连接到阀岛的电信号输入1 2 1 上。因此，可编程控制器与气动阀、传感器输入电信号之 间的接口简化为一个多针插头和单根多股电缆。与常规方式实现的控制系统比较可知， 采用多针接口型阀岛后，系统不再需要接线盒。同时，所有电信号的处理、保护功能 ( 如电信号的极性保护、光电隔离、防水等) 都已在阀岛上得以实现。显然，通过采 华中科技大学硕士学位论文 用多针接口型阀岛使得系统的设计、制造和维护过程大为简化。 图l 6 多针接口型阈岛 虽然多针接口型阎岛一定程度地简化了设备的接口，但还是需要一定的接线工作 量，即用户必须根据设计要求将可编程控制器输入端口、输出端口与来自阀岛的电缆 进行连接。而且该电缆随着控制回路的复杂化而加粗，随着阀岛与可编程控制器的距 离增大而加长。为克服这一缺点，出现了新代阀岛现场总线型阀岛，如图1 7 所示。每个阀岛都带有一个总线输入口和一个总线输出口，这样系统中的多个现场总 线型阀岛或其它现场总线设备之间可以由近至远串联连接。阀岛与外界的数据交换只 需通过一根两股或四股的屏蔽电缆实现，不仅简化了结构，还使数据传输的抗干扰性 强，可靠性高。 图l 一7 现场总线型阀岛 鉴于多数简单的自动装置往往只有十个以下的执行机构，于是出现了一种集电磁 阀、可编程控制器以及现场总线为一体的可编程阀岛，即将可编程控制器集成在阀岛 华中科技大学硕士学位论文 上。软件工程师可离线对可编程阀岛中的可编程控制器用户程序进行设计和调试，大 大缩短了整机的调试时间。图1 8 所示为带有西门子公司可编程控制器的s f 5 0 型可编 程阀岛和带有f e s t o 公司可编程控制器的s f 3 型可编程阀岛。 图1 - 8 司编程阀岛 分散控制在复杂、大型的自动化设备上得到了越来越广泛的应用。在该类设备上 通常有完成一些特定任务的基本动作单元，如工件的抓取、转向、放置这一系列动作 就需要由真空吸盘、摆动缸以及普通气缸组成的动作单元，为了减少气缸控制管路流 量损失，电磁阀应尽可能地安装在动作单元附近。鉴于分散控制系统的要求，基于c p 型紧凑阎的紧凑型阀岛( 如图1 9 所示) 被推向了市场。紧凑型阀岛( 又称c p 阀岛) 主要优点在于紧凑型阀的外形很小，但输出流量非常大，即其体积，流量比特别大。 图1 - 9 紧凑型阀岛 总之，以阀岛形式实现的电气一体化技术适应了当前自动控制技术的发展趋势， 为自控系统的网络化、模块化提供了十分有效的技术手段，并且理想地解决了分散与 8 华中科技大学硕士学位论文 集中控制问题。因此，阀岛技术一经出现即得到工业界的普遍欢迎，其应用己极为广 泛。 1 3 课题的来源、目的及意义 1 3 1 课题的来源 由于近几十年来电子技术的飞速发展，机电一体化技术己越来越广泛的应用到工 业设备中。在该类设备上往往大量地采用电子元器件来实现测量、控制以及操作和显 示，由气动或电动执行机构实现送料、夹紧、加工等动作。因此，与之相应存在许多 信息流和能量流，也必然离不开大量的接口技术：控制器与传感器以及操作和显示单 元之间的接口，控制器与能量转换单元之间的接口，能量转换单元与执行单元之间的 接口等，即电信号、各种物理量或气动、液压、电机及其它方式的驱动能量有机地结 合、转换，毫无疑问，接口技术应当得到高度重视。该技术的要点是如何简化接口的 硬件结构，提高可靠性，从丽在自控系统中可靠地实现更多的信息流和能量流，使设 备的功能进一步完善，运行可靠性进一步提高【5 j 。 同时，随着计算机、控制、通信、网络等技术的飞速发展，最显著的连锁效应是 全球市场逐步形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量离、更新换代快。工业生 产为了适应市场竞争需要，采用系统集成、信息集成的观念来组织现代工业生产，即 把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务作为统一考虑的生产过程，并用 计算机、自动化、通信等技术来实现整个生产过程的综合自动化，以改善生产加工、 管理决策，提高企业的市场应变能力和竞争能力。整个生产过程可看作是信息的采集、 传送及加工处理的过程信息交换沟通领域覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的 各个层次，覆盖工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场，因而信息技术成为工 业生产制造过程的重要因素。为了达到整个生产过程信息集成，要实施综合自动化， 就必须设计出种能在工业现场环境运行的、性能可靠、价格低廉的通信系统，以完 成现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场 设备之间以及生产现场与外界的信息交换。同时，智能化仪表的出现也迫切呼唤具备 9 华中科技大学硕士学位论文 通信功能的、传输信号全数字化的通信系统的出现。从而，现场总线技术就在这种实 际需要的驱动下应运而生了 6 】o 鉴于接口技术和现场总线技术在工业控制领域举足轻重的作用和极其广阑的市场 前景，并考虑以简化接口和提高系统性能为目标的阀岛技术发展趋势，f e s t o 公司提出 了一个拥有较强经济效益的产品研发方案，即现场总线型阀岛的研制，并作为本文的 研究课题。 1 3 ，2 课题的目的 本课题最终目的是研制出一种带m o d b u st c p 现场总线接口的模块式可编程阀 岛，从而需要从两个方面去展开具体的工作： ( 1 ) 阀岛必须具备通过m o d b u s t c p 现场总线网络通信的能力，实现m o d b u s t c p 总线通信的从站功能； ( 2 ) 阀岛要求具有模块化的物理结构形式，且必须满足可编程功能要求。 1 3 3 课题的意义 、 现场总线技术是当今自动化领域的技术发展热点，一经出现就对该领域的发展产 生重要的影响，并标志着工业控制技术领域一个新时代的开端。它不仅具有系统开放 性、信号传输实时性、现场设备智能化和功能自治性、超强的安全与稳定性等技术特 点，而且，现场总线技术的出现导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络 集成式全分布控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l c l b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。如图 1 1 0 所示，现场总线控制系统与常规控制系统、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 ) 相 比，在系统构成、功能等方面尽管存在许多类似之处，但是，现场总线系统具有其它 控制系统无法比拟的优点：其控制单元在物理位置上可与测量变送单元及操作执行单 元台为一体，因而可以在现场构成完整的基本控制系统；又由于控制单元所具有的通 信能力，可以与多个现场智能装置沟通、综合信息，便于构成多个变量参与的复杂控 制系统与精确测量系统：另外，由于现场总线装置的数字通信特点，使它不仅可以传 递测量的数值信息，还可以传递设备标志、运行状态、故障诊断状态等信息，因而能 华中科技大学硕士学位论文 够构成智能仪表的设备资源管理系统”。 图1 1 0 控制系统基本构成 虽然现场总线技术具有众多的优点，但似乎很难应用于作为实现生产机械化和自 动化重要手段的气动技术中。然而，阀岛技术的出现轻易就解决了这个气动领域的瓶 颈问题，总线型阀岛的研制并投入应用使气动技术和现场总线技术相辅相成，充分体 现各自的优越性，并最大程度地优化了气动系统的硬件结构和运行稳定性。 1 4 论文的主要工作 根据本课题的主要目标，结合实际遇到的问题和所达到的任务要求，课题期间所 完成的工作大致概括如下： ( 1 ) 针对目前常见的多种现场总线标准，了解、比较各自的优缺点，并以协议实 现的硬件电路简洁程度和一些通信性能为依据，择优选择使用m o d b u st c p 总线与阀 岛相结合，并在此基础上进一步全面掌握m o d b u s 总线协议，明确实现该协议的软硬 件具体要求。 ( 2 ) 参考现有阀岛的外型和功能，结台模块化思想，从而完成新型阀岛的模块式 结构设计。由于左右两边的功能模块从标准件中选用即可，且阀岛的功能改进主要也 是体现在控制模块上，则模块式阀岛研制的主要工作就着眼于控制模块的开发。根据 左右模块与控制模块的多针接口形式，设计出控制模块中输入输出信号电路的分布及 走线形式。 ( 3 ) 阀岛中央控制模块硬件平台的实现。m o d b u st c p 总线的信号传输是基于局域 网技术和t c p i p 协议的，一方面鉴于实现模块硬件上的e t h e m e t 通信端口要求，另一 方面则考虑简化电路结构和提高线路抗干扰性要求，电路核心组件采用i p c c h i p 系 列s c l 2 微控制器。 华中科技大学硕士学位论文 f 4 1 采用c 语言开发工具，并引入多线程技术编写阀岛应用控制程序。控制程序 用于阀岛与总线上其它站点间建立通信连接，传输数据，实现m o d b u st c p 协议。另 外，阀岛的智能性和众多功能也依靠程序实现。该控制程序完全由c 语言完成，可以 增强软件的可读性、可移植性和快速响应性。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 阀岛总线类型方案设计 现场总线技术是电子、仪器仪表，控制、计算机和网络等技术的发展成果，是工 业自动化事业进展的需要，也是控制技术进步的必然。本章首先对现场总线技术作简 单介绍，然后通过多种常见类型总线对比，以达到对该技术更深层次的了解，从而确 定适用于本课题的现场总线类型，最后着重详细地介绍了课题选定的现场总线协议。 2 1 现场总线技术简介 2 1 l 定义 现场总线即安装在制造或过程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。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通 等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间以及与 更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件引。 212 现场总线系统的技术特点 继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 制系统和d c s 之后的新一代控制系统，f c s 在技术上具有以下特点【6 f l o 儿j ： ( 1 ) 系统的开放性 开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。而开放系统是 指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统实现连接，通信协议一致 公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通；而互用性则意昧着 不同厂家的性能类似设备可实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性 华中科技大学硕士学位论文 它将传感测量、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，即 仅靠现场设备就可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 1 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有 d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 f 5 ) 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门针对现场环境设计 的可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰 能力，能够采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2 1 3 现场总线的优点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用独立的设 备连线，按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与控制室控制器之间，控 制器与位于现场的执行器、开关、马达间均为一对一的物理连接。而现场总线系统由 于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 中处于控制室的控制模块、各输入输出模块 置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场测量变送仪表可以与阀门等控制元 件直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室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【l o 】。两者的对比参见图2 1 。 图2 - 1 传统控制系统结构( 左) 与现场总线控制系统结构( 右) 对比 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电缆上传输多个信号( 包括多 孕奄 主 暴 华中科技大学硕士学位论文 个运行参数值、多个设备状态和故障信息等) ，同时为多个设备提供电源；现场设备以 外不再需要模拟数字、数字模拟转换部件。这样就为简化系统结构、节省连接电缆与 系统安装、维护过程的人力和物力投入创造了条件。 现场总线系统由于具有上述的技术特点和系统结构特点，从而使得控制系统从设 计、安装、投运到正常生产运行及其检测维护，都体现了优越性。如节省了硬件数量 与投资、降低了安装费用和维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统 的准确性与可靠性、设计简单、易于重构等。 2 2 几种常见的现场总线对比 大千世界，众多行业，需求各异，加上制定现场总线标准的众多国际组织考虑到 已有各种总线产品的投资效益和各自的商业利益，导致了目前多种标准总线技术共存 的局面。面对众多类型性能优越的现场总线技术，如何选取恰当的类型是一个至关重 要的问题。系统开发过程中，如果设计者能够无误地确定合适的总线相当于为后期工 作拟定了正确的指导方向，从而达到事半功倍的效果。表2 1 从网络结构层次、通信 介质、传输速率和安全性等多方面对几种现场总线作了详细的比较，这对于总线系统 开发，特别是确定本课题中阀岛接口所使用的总线类型很有帮助。 表2 - 1 六种常见现场总线性能对照袭 6 i 【8 删p 9 j 现场总线类型 l o n w o r k sh a i l tf fc a np r o f i b u sm o d b u s 特性楼宇自动化、石油化丁、连p l c 、其改型 汽车监控、开 及工业自动化续t 业过程用于过程自p l c 、i 0 模块、 智能变送嚣关量控制、制 应用和电力行业控制中的仪动化、楼宇自网关 造业等 范围 譬裘 动化等 0 s i l 一71 、2 、7l 、2 、3 、8l 、2 、l 、2 、77 阚络层次 华中科技大学硕士学位论文 双绞线、电力取绞线、电 双绞线、光纤、 通信介质线、电缆、光电源信号线缆、光纤、无职绞线、光纤双绞线、光纤 无线等 纤、无线等线辞 介质 p - p c s m a 令牌、查询令牌、主从位仲裁 令牌、主从主从 访问方式 纠错方式c r cc r cc r cc r c c r cc r c 通信速率 1 2 5 ( m b p s ) i 2 ( m b p s ) 25 ( m b p s l 1 ( m b p s ) 1 2 ( m b p s ) 25 ( m b p s l 最大 2 4 81 53 2 1 1 01 2 8 】2 7 节点数 优先级有有有 有 确有 保密性身份认证 身份认证 本质 是 是是 是 是是 安全性 开发工具有 有有 有有 美国s m a r 、德国b o s c h 、 美国a c t i o n 、 代表公司 h o n e y w e l l 美国a b 、台西门子 施奈德 美国e c h e l o n r o s e m o u n t r o c k w e l l 湾研华 2 3 阀岛通信接口总线类型的确定 2 _ 3 1 初步筛选 参照表2 1 中的比较结果，无论从技术开发角度，还是从应用角度出发都不难发 现，m o d b u s 总线技术在通信速率、安全性和最大节点数等方面均不亚于其它总线：而 且，m o d b u s 协议对应用层以下的网络层没有特殊的要求，使得系统设计、使用和维护 更加方便。 工业控制领域中，系统的安全性和实时性是相当重要的两个指标。同时，作为市 场主角的工控系统生产厂商最为关心的就是产品利润，而对于性能相同的产品只有尽 16 华中科技大学硕士学位论文 可能降低其成本才能获得更多的利润。考虑到上述三点基本要求，纵观目前市场上流 行的总线类型，可以发现m o d b u s 能够很好地满足所有的要求a 另外，m o d b u s 现场总线还具有简单易用、开发成本低、易于集成不同设备和广泛 的知识资源支持等优点。所以，m o d b u s 总线理应成为阀岛接口总线类型的首选。 23 2 总线方案确定 虽然大致选择范围己被确定在m o d b u s 总线上，但是由于m o d b u s 总线存在m o d b u s r t u ，a s c i i 和m o d b u st c p 两种协议，则需要进一步比较在二者中做出最优扶择。 ( 1 ) 传输速率对比 m o d b u st c p 协议将以太网作为现场总线信号传输载体，而m o d b u sr t u a s c i i 协议是基于串行通信技术的。为了判断两者在传输速率方面的差异，可以参考 s c h n e i d e r 公司做出的类似功能的对比试验：s c h n e i d e r 的p l c 分别连接l o 、2 0 、3 0 、 4 0 台m o m e n t u m 的远程分布式r o 块，数据和长度为输入一个字输出个宇，采用基 于吞吐量方式测量时间，即测量处理器处理的整个过程的时间，包括读一个物理输入， 扫描时间，然后写到一个物理输出口。试验结果证明1 0 m 自适应以太网的m o d b u s t c p i p 的传输速率要明显高于m o d b u sr t u a s c i i 的传输速率。尤其是s c h n e i d e r 在 酒钢2 号高炉使用了1 0 0 m 交换式以太网，4 0 0 0 多个i o 点，当采用m o d b u st c p 协 议时，网络速度远远高于传统的现场总线系统。 ( 2 ) 网络特性对比 单从网络的通信速率进行比较，多少还带有片面性，应从以太网和串行网络两类 网络的不同特性，编程性能，网络对设备类型的可连接性，网络可伸缩性( 支持设备 的台数) 以及最大的传输距离等指标作进一步比较。当采用m o d b u st c p 时，既可用 作控制，又可传输文件，两者兼可，使传输文件和实现控制功能两个轮子同时运转。 如采用1 0 1 0 0 m 自适应以太网，1 0 m 作i o 控制，1 0 0 m 作p l c 通信，无论从运行速 度，还是从性能和投资上看，基于m o d h n st c p 协议的解决方案都要优越于m o d b u s r t u a s c i i 串行通信的解决方案。 f 3 ) 实用性对比 华中科技大学硕士学位论文 基于m o d b u st c p 协议实现工业自动化的解决方案具有较强可伸缩性和高性能价 格比，节点数范围在1 0 1 0 0 0 0 之间，以太网的结构可以是一个简单的i o 网络，也可 以是复杂的高档计算机网络。工业自动化使用网络技术时，除了应考虑网络的规模和 投资费用，也要考虑网络维护工具的方便和实用性。由于r s 2 3 2 和r s 一4 8 5 串行通信 与日常生活联系并不十分紧密，用户对其多少存在一点神秘感觉：而当网络技术飞速 发展时，大家都已知道以太网和网卡，熟悉互联网和p c 机，单从这一点讲，用户对 工业以太网多少有亲切感。因此，m o d b u s t c p 具有明显的优越性。 ( 4 ) 可视化效果对比 使用t c p i p 后，最大的好处是可引入网页技术。即m o d b u st c p 除了作为现场总 线使用外，还可在设备中内置网页服务器，使以太网的远程i o 设备具备了在网上浏 览该远程i o 状态的功能。如一台内置网页的变频器，可在网上浏览其工况信息和状 态参数，对一个自动化系统来说，这是一个非常重要的优点，通过网页不仅能在网上 知道该系统中各种设备的类型，还能实时知道它们在系统中的作用和体现的功能价值。 对于m o d b u st c p 工业以太网自动化系统，可以专门为其建立一个完整网址，使 p l c 具备了在网上的诊断功能，从网上了解i o 状态，系统工况，以及网络信息的繁 忙度，也可为用户的某些特殊节点定义一些特殊的网页，如生产信息，库存状态，维 护工具等。浏览生产过程的报警记录，给维护人员发送e - m a i l 信息等。相对来蜕，在 串行通信技术中这些都是难以实现的。 f 5 ) 智能传感器连接有效性对比 一个大型制造业自动化系统包含制造执行系统( m e s ) 和先进过程控制系统 ( a p c ) 。系统设备通常集成有传感器装置，用于实时检测生产过程中出现的问题，并 及时处理，控制工艺流程，提高产品质量。这类以智能传感器为基础的解决方案，必 须达到毫秒级的