（检测技术与自动化装置专业论文）基于pc的profibus总线监视仪的研究和开发.pdf

摘要 摘要 目前，现场总线技术已经成为自动化技术发展的热点之一。它具有使控制 系统结构简单、安装费用降低、易于维护，并且用户可以自由选择不同厂商、 不同品牌的现场总线设备实现系统集成的优化等一系列优点。 在众多的现场总线中，p r o f i b u s 是目前市场保有量最大的总线，它越来 越广泛地应用于各个领域。但是，目前有很多已投入运行的p r o f i b u s 总线 系统处于亚健康状态，存在安全隐患。因此，对整个p r o f i b u s 系统运行状 态的诊断及对故障隐患的及时发现并修复具有重要的意义。 论文中，首先对现场总线技术进行了一定的理论分析，紧接着又研究了 p r o f i b u s - d p 的总线时序及其报文结构。同时对w i n d o w s 操作系统也进行了 进一步的深入学习，并对w i n d o w s 的实时| 生做了大量的试验探讨。最后提出 了基于p c 的p r o f i b u s 总线监视仪的设计方案。 该方案采用p c 机为平台，w m d o w s 为操作系统，v i ：+ + 作为开发环境， 通过软件实现对p r o f i b u s d p 系统运行状态的监视、分析；另外选择数据过 滤方式对总线数据进行自定义过滤，便于在线( 离线) 分析、诊断，并且能使 总线数据以报文原语显示，从而对总线事件一目了然；最后对常见的一些通信 错误能够及时发现并记录。通过验证，设计结果基本上实现了总线监视仪的功 能。 本课题的研究为国内p i 的f i b u s d p 相关产品做了很好的补充，同时 p r o f i b u s 的动态诊断技术也对国内p r o f i b u s 总线的发展具有更普遍的推 动作用。 关键词：现场总线p r o f i b u s 诊断实时性 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ef i e l d b u st e c h n o l o g yh a sb e c o m et h eo n eo f t h e h o ts p o t s i nt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g yb e c a u s ei th a sm a n ya d v a n t a g e s f o re x a m p l e ，i t sa d o p t i o nw i l lm a k et h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ms i m p l e ， t h ee r e c t i n ge x p e n s e sl o w , a n dt h es y s t e mm a i n t e n a n c ee a s y , a n di na d d i t i o n ， t h eu s e r sm a yc h o o s ed i f f e r e n tb r a n df i e l dd e v i c e sb yd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e s t oi n t e g r a t et h es y s t e m a m o n gm a n yf i e l d b u s ，p r o f i b u si st h el a r g e s tm a r k e th o l d i n g sc o n t r o l s y s t e m ，a n d i te m e r g e sm o r ea n dm o r ew i d e l yi nt h ev a r i o u sa p p l i c a t i o nf i e l d s b u t ，l o t so fp r o f i b u ss y s t e m sw h i c hh a v eb e e np u ti n t oo p e r a t i o nw e r ei n t h es u b h e a l t hs t a t e sa n dh i d d e nd a n g e r s s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o d i a g n o s et h es y s t e m ，i ti sh e l p f u lf o rf i n d i n ga n df i x i n g t h ef a u l t s t h i sp a p e r , f i r s t l y , a n a l y s e dd e e p l yt h ep r o f i b u sf i e l d b u st e c h n o l o g y f r o mt h et h e o r y , t h e nf o c u s e do nt h es t r u c t u r eo ft h ef r a m ea n dt h et i m i n go f t h ep r o f i b u s d ef i n a l l y ，p a p e rp r o p o s e dad e s i g np l a na b o u tp c - b a s e d s u r v e i l l a n c eo fp r o f i b u sb yd e e p l ys t u d y i n go nt h ew i n d o w so p e m t i n g s y s t e ma n df u r t h e rt e s t i n go nr e a l - t i m eo f w i n d o w s t h ep r o g r a m eu s e dp c - p l a t f o r m ，t h ew i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，a n d a d o p t e dv c + + a sd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r e ，i ta c t u a l i z e dm o s t o fa g r e e m e n to fp r o f i b u s d pb ys o f t w a r ea n da c h i e v e dt h es u r v e i l l a n c eo n t h ep r o f i b u ss y s t e m b ys e l e c t i n gt h ed a t af i l t e r i n gm o d e l ，t h eb u sd a t ac a nb ec u s t o m i z i n g l y f i l t e r e d ，a n di tc a nb ev e r yc o n v e n i e n tt ot h es y s t e mo n l i n ea n a l y s i sa n d d i a g n o s i s t h eb u sd a t ac a nb ed i s p l a y e db yd a t af r a m e ，s oi t i se a s yt o s u r v e i la 1 1t h ei n c i d e n t so ft h eb u s f i n a l l y ，t h ec o m m o nc o m m u n i c a t i o n e r r o r s 1 1 1 一 茎堡三堡奎堂堡主堂堡笙壅 - - _ - l - - _ - _ - _ - _ _ - _ _ _ _ 一一 c a nb ei d e n t i f i e da n dr e c o r d e dt i m e l y t h ed e s i g nb a s i c a l l ya c h i e v e da l lt h e f u n c t i o n so ft h eb u sm o n i t o rt h r o u g he x p e r i m e n t 。 t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sag o o dc o m p l e m e n tt ot h em l a t e dp r o d u c t so f p r o f i b u s d p ，a n dt h ed y n a m i cd i a g n o s t i ct e c h n i q u e sw i l lp r o m o t et h e w i d e ru s eo ft h ed o m e s t i cp r o f i b u sb u s k e yw o r d s ：f ie id b u sp r o f ib u sdia g n o s isr e ait im e i v 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。 、 一哆 g 学位论文作者签名：名巾筋_ 加以年么月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我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。本人授权武汉工程大学研究生处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。 本论文属于 保密o ，在年解密后适用本授权书。 不保密 。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：嘉勿 曲雷年月6 日 指导教师签名：弼 矾年1 只 第1 章前言 1 1 课题研究背景和意义 第1 章前言 目前现场总线的应用越来越广泛。作为目前市场保有量最大，应用最广泛 的现场总线，由p r o f i b u s 现场总线构成的控制系统也越来越多的出现在国 内各个应用领域。虽然其本身已在物理电缆、数据编码、通信链接的可靠建立 以及出错后重发等各个层面对工业控制环境中易出现的影响因素作了充分考 虑，可以保证绝大部分工业应用场合下的通信正常。但是，有很多目前已投入 运行的p r o f i b u s 系统存在亚健康状态，存在安全隐患，常常在运行时突然 停机，重启后又恢复正常。同时，在系统投入运行之前的调试、试车期间却需 要一种合适的调试工具来检查系统的状态是否正常。因此，对p r o f i b u s 总 线进行在线动态诊断的问题已经提到日程。总线监视仪就可以满足这些要求， 它可以作为种重要的维护、试车、发现并修理故障的工具。不仅可以在调试 期间发现各种总线错误，使用户可以根据可能的情况预先采取相应的设备维护 和管理措施。同时还可以通过总线读取某个总线接入设备的状态信息，在一个 合理的时间窗口下对设备的状态进行检验，判断其是否在正常工作状态。 因此，系统安装调试和运行维护人员利用总线监视仪可以全面、准确地掌 握p r o f i b u s 总线上通信状况和总线上各个设备的运行状况，对整个系统的 运行隋况做出综合评价。若有异常，进而找出扰动或故障原因，进行及时的处 理，提高系统运行的稳定性及可靠性。 1 2 国内外研究状况和进展 p r o f i b u s 是以德国西门子公司为主的十几家德国公司共同开发的一种 基于过程控制的现场总线技术，因此西门子自己首先推出了b t - 2 0 0 型 p r o f i b u s 诊断仪，但是它不能在网络运行过程中给出在线诊断，因而功能上 存在缺陷。欧洲有些小公司如德国s o f f i n g 的p r o f i b u s 总线监听器能提供动 态诊断，但价格较贵。并且以上诊断仪都是基于各种协议芯片开发的，成本较 高，在国内不能很好推广。此外，n i 公司开发的一种n i f b u s 总线监视仪也 可以实现在线动态诊断，该监视器是一个3 2 位的基于w i n d o w s 的应用程序， 武汉工程大学硕士学位论文 使用这一软件用户可以监视、调试和分析总线上的数据包。然而它是针对基金 会现场会总线，对p r o f i b u s 总线又无任何意义。 综上所述，在国内还没有一个很好的p r o f i b u s 总线在线动态诊断仪。 本设计的出发点就基于此，采用类似于m 公司的n i - f b u s 监视仪，不采用 a s i c 协议芯片，所有的底层协议的控制全由用户层的软件来实现。 p r o f i b u s 的介质控制使用的是基于t o k e ni r 培( 类似令牌总线4)_pass 8 0 2 的主从轮询协议，较之以太网的8 0 2 3 要复杂得多，也是所有现场总线中控制 机制最为复杂的协议之一。基于此，很多厂家都是通过a s i c 协议芯片或通讯 卡实现p r o f i b u s 产品的开发。本文设计采用的方法是通过r s - 4 8 5 u s b 转换 器把总线数据读到p c 机上，通过软件来实现p r o f i b u s 通信协议的分析与解 释。虽然有其成本低、软件编写自由度大等优点，但也有其难点。在软件方面， 没有采用a s i c 协议芯片，所以要对p r o f i b u s 协议作深入细致的了解，编写 p r o f i b u s 协议帧的分析、解释和诊断程序。 2 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，它将目前迅猛发展的网 络通讯技术等众多的计算机管理理念引入到工业控制领域。根据国际电工委员 会i e c 6 11 5 8 ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准和现场总线基金 会f f ( f i e l d b u sf o t m d a t i o n ) 的定义，现场总线是安装在制造和过程区域的现 场装置与控制室内自动化控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线， 也被称为开放式、数字化、多通信的底层控制网络。它是自动控制技术、测量 控制仪表技术和计算机网络技术三者的结合，代表了今后工业控制技术发展的 方向n 。 目前的d c s 控制系统，由于不同厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层 i n t e m e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该 角度而言实质是种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫 切要求。f c s 正剧顿应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互 操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控 制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s 实质是一种 开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。 现场总线技术自上世纪八十年代中期问世以来，经过二十多年的发展，前 后产生了近2 0 0 种结构体系圆。但其中较有生命力的只有十几种，如i n t e r b u s 、 b i t b u s 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、a r c n e t 、p - n e t 、w o r l d f 口、i s p 等。其中最有影 响力的有5 种，分别是f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。 究其原因，自动化技术对通信网络的要求不同于计算机技术对网络的要 求。一种计算机技术可以应用在众多应用领域，不受行业的限制，而现场总线 技术是没有脱离行业的自动化，不可能用一种现场总线标准面对种类繁多的自 武汉工程大学硕士学位论文 动化应用领域的应用需求。某一种现场总线应用在某些领域时，具有高性能价 格比，而应用在另外一些领域时，可能就不是最优的，甚至是不现实的。但是 市场的发展需要单一的现场总线，而技术才是实现单一总线的保证。因而在 1 9 9 9 年7 月，遵循c a 决议和i e c 主席的要求，s c 6 5 c w g 6 2 工作组正式通 过了i e c 6 11 5 8 作为现场总线标准，在现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 中采用了 以下8 类现场总线：类型1 ：f f ( h i ) ；类型2 ：c o n t r o l n e t ；类型3 ：p r o f i b u s ； 类型4 ：p 姗t ；类型5 ：f f ( h s e ) ；类型6 ：s w i t t n e t ；类型7 ：、d d f p ； 类型8 ：i n t e r b u s 。 修改后的i e c 6 11 8 5 标准已接纳多达8 种现场总线。经过几年的补充和完 善，在2 0 0 3 年4 月由i e c s c 6 5 c m t 9 小组负责制订的i e c 6 1 15 8 e d 3 ( 现场 总线标准第3 版) 正式成为国际标准，新版本标准共规定了1 0 种类型的现场 总线网，以反映工业网络通信技术的最新发展。 2 2 取代于传统控制系统的原因 随着计算机技术、通讯技术以及控制领域技术的不断发展，工业控制系统 的体系结构也在不断演变，相对于传统的集中控制系统，一些新型的工业控制 系统相续出现，主要包括：集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 、 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 ) 以及工业以太网控制系统 等。从总体上来看，控制系统不断沿着控制功能的分散化、通讯线路的总线化 及现场设备的智能化等几个方向发展。信号的数字化传输、系统的开放性及安 装与维护的方便性等成为新型控制的主要特点。总结起来，现场总线系统能够 取代传统控制系统的原因有如下两点。 2 2 1 简化的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，对其进行了简化。传统模 拟控制系统采用_ 对一的设备连线，位于现场的测量变送器、执行器、开关、 电机等设备和位于控制室的控制器之间均为一对一的物理连接。而现场总线系 统由于采用了智能设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室的控制模块、各 输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪 4 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统能够不依赖控制室的计 算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的现场分散控制嘲。 现场总线控制系统与传统控制系统结构对比，如图2 1 所示。 ：一幽登缴一一： 2 2 。2 先进的技术特点 !现场总线设备( 测量、执行、! ；输入输出、运算、控制)i ：一一一一一一一幽蚕毫笙数一一一一一一一一： 图2 1f c s 同d c s 系统结构对比图 现场总线作为一种先进的控制系统有其自身的技术特点，特点如下： ( 1 ) 全数字化。在采用f c s 的企业中，用于生产管理的局域网与用于自 动控制的现场总线网络紧密衔接，实现了全数字式通信，从而提高了控制系统 的可靠性。 ( 2 ) 双向传输。传统的4 - - - ，2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。 现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制 信息。 ( 3 ) 系统的开放性。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其它设备 或系统相连。开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要把 来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 4 ) 可互操作性与互换性。现场总线以统一标准或约定来规范系统部件 的接口、外部连接和相互通信，不同厂商的设备可互连、互操作，实现“即接 即用 ；不同品牌的同类设备可互换，实现了设备的供应不再依赖特定的制造 商。 5 武汉工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 现场设备的智能化与功能自治性。由于传感测量、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，自动控制的基本功能仅靠现场设 备即可完成，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 6 ) 系统结构的高度分散| 生。由于现场设备本身已可完成自动控制的基 本功能，而不再需要一个中央控制计算机，实现了彻底的分布式控制，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。 ( 7 ) 对现场环境的适应性。现场总线是专为在现场环境工作而设计的， 它支持双绞线、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，并可满足本质安全防爆等要求n 。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统 的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越l 生。表现在 如下方面： ( 1 ) 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能 设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可节省一大笔硬l q - 投 资。 ( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条 电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需 增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、 安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销。由于现场控制设备具有白诊断与简单故障处理的能 力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，使用户可以在早期分 析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间。同时由于系统结构简化、连线 简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提 供的设备来集成系统，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 ( 5 ) 可以将p i d 功或其它控制功能植入到变送器或执行器中，使控制周 期大为缩短。可以从d c s 每秒调节2 5 次增加到每秒调节1 0 - 2 0 次，从而 改善了调节性能。 6 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 ( 6 ) 提高了系统的准确性与可靠性。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准确度，减少了传送误 差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强， 减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性n 幻。 2 3 现场总线有待完善的方面 现场总线目前还在不断的完善，不断的发展，为了确保自身能够更广泛的 应用于工业控制领域并短期内不会被取代，需要不断的克服并完善自身存在的 问题。整体来看现场总线要做到自我完善需要有如下四种发展方向：1 ) 改善 响应时间的不确定性；2 ) 克服本安防爆对现场总线的限制；3 ) 改善网络结构； 4 ) 向工业以太网发展。下面对这四个方向分别加以简单介绍。 2 3 1 改善响应时间的不确定性 响应时间和巡回时间反映了实时i 生，而实时i 生与通信协议有很密切的关 系。现场总线采用两种技术来实现实时眭。 ( 1 ) 通信简化技术 该种方法主要有三种简化技术：1 ) 将网络形式简化成线形( 实际上已经 不称其为“网”了) ；2 ) 将通信模型简化为只有一、二层；3 ) 将节点的信息 简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极 大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的 节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以 在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理， 这时采用主从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制 在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现 场总线采用这种技术。 ( 2 ) 采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性 随着计算机通信系统的不断发展，数据的实时传输对网络的响应时间提出 了新的要求。对计算机通信的主要要求是快，而对现场总线不仅要求传输速度 快，在过程控制领域还要求响应快，即实时i 生要求。相比多媒体传输的几十毫 7 武汉工程大学硕士学位论文 秒，过程控制对系统的实时l 生要求是几毫秒到十几毫秒。多媒体对实时性的要 求是“软 的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没 关系的。过程控制对实时眭的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在 任何时间都及时响应，不允许有不确定性。 改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展 趋势。 2 3 2 克服本安防爆对现场总线的限制 大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线 型、星型、环行、回路型等。但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通 信路径是比较固定的。 线状结构的优点是：1 ) 解决网络供电比较容易；2 ) 解决本安防爆比较容 易；3 ) 使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时| 生。 很显然，在线状结构时，一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线 电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况， 各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。 我们目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容是随着电 缆的长度增加的，因此由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而 增加。在这种情况下，要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。 本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。因为它限制电缆的 长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下，大部分都消失 了。因此现场总线要求本安防爆理论要有所发展，目前各国都在对现场总线本 质安全概念( f i e l d b u si n t r i n s i cs a f e t yc o n c e p t ，h s c o ) 理论加强研究，争取有 所突破。 克服本安防爆对现场总线的限制是现场总线在应用理论上的发展趋势。 2 3 3 改善网络结构 现场总线的线状结构的优点在前面说明了，它的主要缺点是当一条总线支 路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息 8 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 还能够通过其它路径传递，尽管系统的性能会下降，但不会瘫痪。现场总线的 总线型结构所存在的缺点是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之 一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一n 。 2 3 4 向工业以太网发展 以太网从1 9 7 6 年推出后，经历了i e e e 8 0 3 2 标准和i s o 难既洛0 2 3 国际 标准。经过2 0 多年的发展，在工业环境中应用的难题逐渐得到解决，现正快 速应用到工业自动化领域，成为新兴的工业以太网络控制系统n 铂n 5 1 。 i e e e 8 0 3 2 标准把以太网速度从原始的1 0 m b p s 提高到了1 0 0 m b p s 以至到 了今天的1 0 0 0 m b p s 。以太网和交换技术的进一步结合产生了高性能的集线器， 从而解决了以太网不确定性问题，使以太网有能力满足实时系统的要求蹦诗3 。 随着网络技术的发展和以太网实时眭、稳定性和抗干扰等技术问题的逐步 解决，很多厂商投身到工业以太网开发研制的浪潮中。通过对支持t c p i p 协 议的远程i o 通信控制器、p c - b a s e d 控制器、及p l c 控制系统的以太网接 口的开发n 引，有些公司已经推出以工业以太网为基础的控制系统。如：法国施 耐德( s c m 姬i d e r ) 公司推出的“透明工厂”。该控制系统采用t c p i p 通信 协议，配备w r e b 、s e r v e r 功能以浏览p l c 内容，提供现场总线及以太网络和 i o 模块并提供工业用集线器、交换机、收发器和电缆。这样以太网不仅可以 成为工业高层网络上的通信系统，也可以向下延伸到底层网络，与现场设备相 连瞳儿1 5 1 。又如s i e m e n s 公司推出的s i m a t i cn e t 工业以太网。该系统是 s i e m e n s 公司设计的当前较为完备的控制中心型工业以太网之一，具有 l a n f i f l d b u s 结构，它是全集成自动化系统的一个重要组成部分u 副。 s i m a t i cn e t 工业以太网提供了三个层次的网络通信，即i t 通信、数据通信、 过程或现场通信。1 1 r 通信通过工业以太网将s i m a t i c 集成到现有的办公自动 化设备与智能设备( p c 等) 之间进行数据交换；过程或现场通信用来将执行 器和传感器连接到自动化系统中，通过同轴网络、双绞线网络和光纤网络实现 互连。s i m a t i cn e t 在过程和现场采用p r o f i b u s d p 现场总线和a s i 接口 【1 5 】 1 6 】 o 随着越来越多的厂家推出基于工业以太网的控制系统，我们有理由相信， 9 武汉工程大学硕士学位论文 现场总线逐渐转向工业以太网络是必然的趋势圆n 刀。 2 4 典型的现场总线 下面对世界工业生产控制领域有广泛用途的f f 、l o n w o r k s 、c a n 、h a r t 及p r o f i b u s 五种典型现场总线技术分另t i , d n 以分析介绍。 2 4 1 基金会现场总线 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，简称f f ) 在过程自动化领域得到 广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国f i s h e r - r o u s e m o u n t 公司 为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制定的i s p 协议和以 h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r d f i p 协议。这两大 集团于1 9 9 4 垒! z 9 月合并，成立了基金会现场总线，致力于开发出国际上统一的 现场总线协议。它以国际标准化组织( i s o ) 推荐的开放系统互连( o s i ) 模 型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为通信模型的相应层次，并在应 用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速瑚和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总 线供电，支持本质安全防爆环境。h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其 通信距离为7 5 0 m 矛l j 5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协 议符合i e c 6 115 8 2 标准川叫。 2 4 2l o n w o r k s 总线 l o n w o r k ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 是又一具有强劲实力的现场总线类型， 它是由美国e c h e l o n 公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正 式公布而形成的。它使用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对 象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大通讯速 率1 5 m b p s ，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持双纹线、同轴 电缆、光纤、射频、红j l - 线、电力线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆 l o 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 产品，被誉为通用控制网络旧。 2 4 3c a n 总线 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内 部测量与执行部件之间的数据通信，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 和n e c 等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。c a n i 撤也是建立在国 际标准组织推荐的开放系统互连模型基础上。不过，其模型结构只有3 层，只 取i s o o s i 模型底层的物理层、数据链路层和最上层的应用层。其信号传输介 质为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达 1 0 k m 5 k b p s ，最多可挂接设备1 1 0 个。c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧 的有效字节数为8 个，因而传输时间短、受干扰的概率低。当节点严重错误时， 具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，因而使总线上的其他节点及 其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力啊。 2 4 4h a r t 总线 h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 最早由r o s e m o t m t 公司 开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于19 9 3 年成立了h a r t 通信基金 会。h a r t 通信模型由i s o o s i 模型的3 层组成：物理层、数据链路层和应用 层。物理层采用f s k ( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 技术在4 - - 一2 0 m a 模拟信号上叠 加一个频率信号，频率信号采用b e l l2 0 2 国际标准；数据链路层用于按h a r t 通信协议规则建立h a r t 信息格式；应用层的作用在于使h a r t 指令付诸实 现，即把通信状态转换成相应的信息。这种被称为可寻址远程传感高速通道的 开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统 向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具 有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展嗍 武汉工程大学硕士学位论文 2 4 5p r o f i b i j s 总线 p r o f i b u s 即孙) c e s sf i e l d b u s ，是由s i e m e n s 公司推出的一种开放式现 场总线标准，1 9 8 9 年成为德国标准d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ， 1 9 9 9 年1 2 月被接受为国际标准i e c 6 11 5 8 的部分n 羽。2 0 0 6 年1 0 月1 6 日接 受为中华人民共和国国家标准g b t - 2 0 5 4 0 - 2 0 0 6 ，成为中国唯一批准的现场总 线国家标准n 鲫。据p r o f i b u s 国际组织( p i ) 在2 0 0 6 年3 月2 1 日发布的数字 表明，截止到2 0 0 5 年1 2 月，在全世界己安装约有1 5 4 0 万个p r o f i b u s 节点， 其中仅在2 0 0 5 年中就增加了2 8 0 万。截止到2 0 0 7 年底有2 0 0 0 万个节点投 入使用，比占第二位的i n t e r b u s 超出了许多嘲圈。 p r o f i b u s 是目前市场保有量最大、应用最广泛、也是产生历史最长的一 种总线标准。在目前的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 能达到的数据传输速 度最快，最高可达1 2 m b p s ，快于普通以太网叫1 。它速度快、成本低，几乎所 有的p l c 产品和极多的自动化外设产品都提供r o f i b u s 接口。它被广泛用于 制造业自动化、流程工业自动化、楼宇、交通等自动化领域豳。 p r o f i b u s 链路层m a c 协议是基于t o k e n 的主从轮询协议，使passing 得每个主站、每一个从站能在一个事先可确定的最大时间内获得对总线的占 有权。而这正是相对于8 0 2 3 以太网的c s m c d 协议各点可以随机占 有总线造成发送延迟不确定问题的优点嘲，但是较之以太网的8 0 2 3 要复杂得 多，也是所有现场总线中控制机制最为复杂的协议之一d 焖。 2 4 5 1p r o f u s 的分类 p r o f i b u s 根据应用特点分为p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - f m s 和 p r o f i b u s - p a 三个兼容版本。图2 2 所示为p r o f i b u s 系列各版本应用范围 比较图。 1 2 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 图2 , - 2p r o f i b u s 系列应用范围比较 ( 1 ) 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 a l ，分散外设) 是种经过优化 的、高速廉价的通信连接，是专为自动控制系统和设备级分散i o 之间的通信 而设计。使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或0 - - 一2 0 m a 并行信 号线。用于分布式控制系统的高速数据传输，其数据传输速率可达1 2 m b p s 。 自动控制系统同这些分散外设( 传感器、执行器等) 进行的数据交换多数是周 期性的，一般构成单主站系统，主一从站之间采用循环数据传送方式工作。 ( 2 ) 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 f i c a t i o n ，现场总线信息规 范) ，用于解决车间级通用性通信任务，要求面向对象，提供较大数据量的通 信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务，是一个令牌结构、实时多主 网络。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息 交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统的响应时间，应用过程通常 要求的是随机的信息交换( 如改变设定参数等) 。强有力的p r o f i b u s f m s 向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，可用于大范围和复杂的通信系 统。主要用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、低压开关设备等一般自动化 设备。 ( 3 ) 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) ，是专为过程自 动化而设计，具有本质安全性，主要用于安全性要求较高的场合以及有总线供 电的站点。因此，p r o f i b u s p a 尤其适用于化工、石油、冶金等行业的过程 自动化控制系统n 1 。 武汉工程大学硕士学位论文 2 4 5 2p r o f i b u s 主要特点 ( 1 ) 不支持长信息段大于2 3 5 b ( 实际最大长度为2 5 5 b ，数据最大长度 2 4 4 b ，典型长度1 2 0 b ) 。 ( 2 ) 不支持短信息组块功能。由许多短信息组成的长信息包不符合短信 息的要求，因此，r p o f b i u s 不提供这一功能( 实际使用中可通过应用层或用 户层的制定或扩展来克服这一约束) 。 ( 3 ) 网络拓扑是总线形，两端带终端器或不带终端器。 ( 4 ) 介质、距离、站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，单段长度 小于或等于1 2 k m ，不带中继器每段3 2 个站点。( 网络规模：双绞线，最大长 度9 6 k m ；光纤，最大长度9 0 k m ；最大战点1 2 7 ) 。 ( 5 ) 传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9 6 k b p s 到1 2 m b p s 不等。 ( 6 ) 地址定义范围为：0 1 2 7 ( 对广播和群播而言，1 2 7 是全局地址) ， 对区域地址、段地址的服务存取地址( 链路服务接入点l s a p ，l i n ks e r v i c e a c c e s sp o i n t ) 的地址扩展，每个6 b i t 。 ( 7 ) 使用两类站：主站( 主动站，具有总线存取控制权) 和从站( 被动 站，没有总线存取控制权) 。如果对实时f 生要求不苛刻，最多可用3 2 个主站， 总站数可达1 2 7 个。 ( 8 ) 总线存取基于混合、分散、集中三种方式；主站间用令牌传送，主 站与从站之间用主从方式。令牌在由主站组成的逻辑令牌环中循环。如果系 统中仅有一主站，则不需要令牌传送。最小的系统配置由一个主站和一个从站 或两个主站组成旧。 2 4 5 3p r o f i b u s 传输方式 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用哪种传输技术。除了一些通 用的要求外( 传输可靠性、传输的距离或高速传输) ，考虑一些简单而又费用 不大的机电因素也特别重要。当涉及过程自动化的应用场合时，数据和电源的 传送必须在同一根电缆上进行。由于单一的传输技术不可能满足所有要求，因 此，p r o f i b u s 提供了三种传输类型： 1 4 第2 章现场总线技术概况和发展趋势 ( 1 ) 用于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 - - 一1 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，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