（检测技术与自动化装置专业论文）电动钻机柴油发电机组控制系统通信单元的开发.pdf

中文摘要 硕士生：申小会( 签名) 聋心! 垒 指导教师：李 琳签名鼋岛卜 摘要 国内油田电动钻机数字式电控系统多采用西门子p l c 作为控制核心，并应用p r o f i b u s 现场总线技术实现了西门子p l c 与电气传动控制系统和配电控制系统之间的通信功能， 但柴油发电机组控制系统尚没有实现与西门子p l c 的通信。为积极完善电动钻机的数字 化控制程度，西安石油大学电动钻机重点控制实验室基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 研究开发了柴油 发电机组数字控制器。而该单元本身具有c a n 总线接口，要实现该数字控制器与西门子 p l c 的通信功能，需要开发p r o f i b u s 和c a n 总线协议转换模块。 论文首先对电动钻机控制系统做了简单的介绍，对国内外电动钻机的发展现状作了 比较，并着重介绍了电动钻机和柴油发电机组的主控单元、p r o f i b u s 和c a n 两种总线技术。 接着，给出了该通信单元硬件和软件的设计方法，该通信单元的硬件设计中主要给出了 p r o f i b u s 和c a n 协议转换模块的设计方法，该模块主要由p r o f i b u s d p 从站和c a n 节点组 成，应用双i e i r a m 实现两种总线协议的数据交换；软件设计部分由p r o f i b u s 和c a n 协议 转换模块程序，主站控制程序及柴油发电机组控制系统e c a n 通信程序组成。最后，将 该通信单元在搭建的网络通信平台中加以验证，实验表明：该通信单元可实现主站p l c 对柴油发电机组控制系统的远程控制和监测功能，数据传输可靠性强，速率高，该通信 单元的开发可进一步完善电动钻机控制系统的数字化控制程度，具有现实意义。 关键词：电动钻机柴油发电机组p l c 通信 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e e t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： c o m m u n i c a t i o n sm o d u l ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a l l yo p e r a t e dd r i l l i n g m a c h i n ed i e s e ld y n a m oc o n t r o ls y s t e m d e t e c tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t s h e nx i a o h u i ( s i g n a t l l 呐已乜幺龇 l il i n ( s i g n a t u 代i f l ；2 l z 4 一一 a b s t r a c t t h ed i g i t a le l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r i cd r i l l i n gm a c h i n ea l m o s th a su s e dt h e s i e m e n sp l ca st h em a i nc o n t r o l l e r , a n du s e dp r o f i b u sf i e l d b u st e c h n o l o g yr e a l i z e dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns i e m e n sp l cc o n t r o ls y s t e ma n de l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nc o n t r o l s y s t e m , d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ，b u tt h ed i e s e lg e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e mh a s h tr e a l i z e dt h e c o m m u n i c a t i o nw i t ht h es i e m e n sp l c i no r d e rt oi m p r o v et h ed i g i t a lc o n t r o ld e g r e eo f e l e c t r i cd r i l l i n gm a c h i n e ，t h ek e yc o n t r o ll a b o r a t o r yo fe l e c t r i cd r i l li nx i a l ls h i y o uu n i v e r s i t y h a sd e v e l o p e dd i e s e lg e n e r a t o rd i g i t a lc o n t r o l l e rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812 ，w h i c hh a sac a n b u si n t e r f a c e ，w en e e dt od e v e l o pap r o f i b u sa n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l c o n v e r s i o nu n i tt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d i g i t a lc o n t r o l l e ra n ds i e m e n sp l c f i r s t l y , t h ep a p e rh a sab r i e fi n t r o d u c t i o nf o r e l e c t r i cd r i l l i n gc o n t r o ls y s t e m , a n d c o m p a r e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fe l e c t r i cd r i l l i n gb e t w e e nd o m e s t i ca n da b r o a d ，w i t ha l l e m p h a s i so nt h em a i nc o n t r o lu n i to fe l e c t r i cd r i l l i n ga n dd i e s e lg e n e r a t i n gs e t s ，t h ep r o f i b u s a n dc a nb u st e c h n o l o g y s e c o n d l y , i ta l s og i v e st h eh a r d w a r ea n ds o f i c 、：v a r ed e s i g nm e t h o do f t h ec o m m u n i c a t i o nu n i t , t h eh a r d w a r ep a r tm a i n l yg i v e st h ed e s i g nm e t h o do fp r o f i b u sa n d c a n p r o t o c o lc o n v e r s i o nm o d u l e ，i tc o n s i s t so fp r o f i b u s d ps l a v ea n dc a nb u sn o d ew h i c h a p p l i e sd o u b l er a m f o rc o m m u n i c a t i o no fe a c ho t h e r ；t h es o t h v a r ep a r tc o n s i s t so fp r o f i b u s a n dc a np r o t o c o le o n v e n s i o np r o g r a m , m a i nc o n t r o lp r o g r a ma n dd i e s e l - e n g i n ec o n t r o l s y s t e me c a np r o g r a m f i n a l l y , t h ec o m m u n i c a t i o nu n i ti sa p p l i e di nt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k p l a t f o r m a n dd e m o n s t r a t e di t sc h a r a c t e r s ，t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e c o m m u n i c a t i o n su n i tc a na c h i e v et h er e m o t ec o n t r o la n dm o n i t o r i n gb e t w e e nm a s t e rp l ca n d d i e s e l e n g i n ec o n t r o ls y s t e m ，t h ed a t at r a n s m i s s i o ni ss t r o n gr e l i a b i l i t ya n dh i 曲r a t e ，t h e c o m m u n i c a t i o nu n i tc a l lf u r t h e ri m p r o v ed i 西t a lc o n t r o ld e g r e eo fe l e c t r i cd r i l l i n gc o n t r o l s y s t e m , i th a sm o r ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e l e c t r i c a l l yo p e r a t e dd r i l l i n gm a c h i n e ，d i e s e lg e n e r a t e rs e t s ， p l c ，c o m m u n i c a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：牲一一 日期：辞上丛_ 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 监 一 厶，卫 y 一，、i 业 迎 蟑珏 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电动钻机概述 石油电驱动钻机是近年来发展非常快的钻井专用工具，广泛应用于海上油田和陆上 油田的开发。随着钻井方法、钻井工艺的发展，钻机装备和技术也得到不断的发展。2 0 世纪9 0 年代以来，钻机控制系统由模拟式控制技术逐步转化为数字式控制技术，并朝着 智能化控制方向发展。电动钻机数字式电控技术是目前电控系统的主流，具有完善的故 障诊断、运行、显示和保护功能，同时数字式电控系统各控制环节的参数可实时调整， 可满足钻井工艺的新要求和钻井工况的实时变化l l l 。 电动钻机数式字电控系统以p l c ( 可编程逻辑控制器) 为控制核心，通过现场总线技 术用数字化设备组成p r o f i b u s d p 网络，可实现司钻操作台、多套变频器、自动送钻、 m c c ( 交流电动机控制中心) 系统等系统之间的高速通信。这种通信方法简单可靠，传输 速率高，实时性强，而且它的应用使得整套钻机电控装置的自动化程度有了很大的提高， 节省了大量电缆，增加了可靠性，减少了系统干扰，便于工作人员操作和维护，且后续 功能开发空间很大 2 1 。 如图1 1 所示，电动钻机数字式电控系统主要由数字式发电控制系统、数字式电气传 动控制系统和数字式配电控制系统组成。发电控制系统主要实现对柴油发电机组的控制， 电气传动控制系统完成对绞车、转盘、顶驱、钻井泵等主设备交直流电动机的控制，配 电控制系统对非调速电动机进行控制及指配照明和生活用电。 坐型巳型匕型出型 t 奉卒事卒蕊 翮肉内网肉阳l f j ：挖槐 焉 叫 猷鲻必由遣 l s i p # , l m y b2 m p b3 m p l l 啪r r m c c 奈 i j i 乜甲，亡 图1 - 1 电动钻机数字式电控系统示意图 1 发电控制系统 发电机组典型配置是由多台柴油发电机组组成，每台柴油机组又由柴油机、交流发 电机及其控制系统组成。该控制系统采用闭环控制，实现柴油机调速，发电机调压，以 使其主要性能指标满足精度要求；同时要完成柴油发电机组有功功率和无功功率的均衡 蟠线 现总姒百乖 西安石油大学硕士学位论文 分配、同期自动并网、功率限制及过压、欠压、过频、欠频、逆功等的继电保护，以保 证整套钻机电力供应的稳定可靠。 2 电气传动控制系统 电气传动设备主要指绞车、转盘、顶驱、钻井泵等交直流调速装置。该控制系统采 用全数字直流调速控制技术或全数字变频调速控制技术构成传动控制单元，通过数字化 参数设置，使系统具有优异的调速性能，理想的过载能力；同时通过p l c 、h m i 及现场 总线，以实现对钻机运行状态的监控及其钻井参数的集中处理1 3 j 。 系统工作过程中，主站p l c 对来自司钻台的操作信号进行高速实时处理，通过 p r o f i b u s d p 网络传送到各个有关电控装置，可实现以下功能：( 1 ) 对绞车电机，完成两台 电机单双机的正、反转控制及调速功能；( 2 ) 对转盘电机，完成单台电机的正、反转控制、 调速及扭矩限制功能；( 3 ) 对泥浆泵电机，完成每台电机的启、停及调速功能；( 4 ) 对自 动送钻电机，完成电机的正、反转控制及调速功能；( 5 ) 完成以上电机的风机及其它辅助 电机的启、停联锁控制；( 6 ) 完成大钩位置的显示及减速点自动投入以及防止上碰下砸的 功能；( 7 ) 完成部分钻井参数的读取及显示；( 8 ) 完成整个系统的远程在线监视功f l 皂t 4 j 。 3 配电控制系统 该系统主要指交流电动机控制中心( m c c ) ，监控其电力运行参数，具有集中和就地 两种控制方式。3 0 k w 以上电动钻机采用软启动控制方式，并具有现场总线通讯功能，以 实现各个单元的参数传输， 1 2 国内外电动钻机的发展现状 1 2 1 国内电动钻机的发展状况 我国电动钻机电气控制系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代中期。2 0 世纪8 0 年代末， 在借鉴国外先进技术的前提下，生产出我国第一台直流驱动的z j 4 5 d 陆地电动钻机。 2 0 世纪9 0 年代，通过引进国外核心电气控制模拟单元，生产出深井直流电动钻机，如 z j 5 0 d 和z j 7 0 d 。2 0 世纪9 0 年代后期，在引进国外数字式控制技术的基础上，开始数 字式钻机电气控制系统的研究，如采用国外数字直流调速器，将模拟控制直流电动钻机 升级为数字控制直流电动钻机。数字式电控系统是目前电控系统的主流，它是用微处理 器实现软件控制，具有完善的故障自诊断、运行、显示和保护功能。全数字控制系统各 环节的控制参数可实时调整，以满足钻井工艺的新要求和钻井工况的实时变化。 近几年将交流变频调速技术应用于石油钻采设备上，生产出数字式交流驱动电动钻 机。交流驱动电动钻机采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻 机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性，且绞车体积小、 质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速；能够以极低的速度横扭矩 输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十 2 第一章绪论 分有利。新型司钻控制系统控制精确、操作简单，使司钻摆脱了繁重的体力劳动，并注 重了操作技巧和钻井参数的优选。 国内目前电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式。驱 动方式上有直流驱动和交流驱动。电控装置品种齐全，可满足用户的不同需求。在功能 上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能( 即防止上碰下砸功能) ，外加盘式刹车的使 用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度；同时还增加了自动 送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同的岩层结构，提高钻井质量【5 】。 1 2 2 国外电动钻机的发展状况 近几年特别是2 0 世纪9 0 年代以来，国外研制和发展了许多新型的石油钻机。如小 井眼石油钻机、套管石油钻机、液压石油钻机、交流变频石油钻机、连续软管石油钻机、 激光石油钻机、自动化石油钻机等。下面简单介绍几种新型石油钻机的发展状况。 1 小井眼石油钻机 美国对小井眼的定义是：对直井来说，全井9 0 以上井眼的直径小于7 i n 或7 0 的 井眼直径小于5 i n 的井称为小井眼井；对水平井来说，水平段井眼直径小于6 i n 的井称 为小井眼井。 小井眼石油钻机具有大大减少常规钻机的体积和质量，降低钻杆、套管、钻井液等 材料的消耗，装机功率小、占地面积小，节约运输和安装费用等优点。 2 套管石油钻机 与套管钻井工艺相配套的钻机就是套管钻机，它取消了常规的钻杆，用套管代替钻 杆进行钻井。钻机的钻进过程也就是下套管的过程，套管下到井底将不再提起，完钻后 即可进行固井。 3 交流变频石油钻机 交流变频调速电驱动( a c g t o a c ) 石油钻机是国外新发展起来的一种先进的电动 石油钻机。这种钻机在满足石油钻井要求方面具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机 无可比拟的优越性能，是当代石油钻机的发展趋势。 4 新型液压石油钻机 2 0 世纪9 0 年代初期，挪威m a i it u n e 液压装置公司与英国石油公司联合研制成功 了一种新型液压石油钻机。该钻机采用液缸作为提升机构，取消了传统的绞车、井架和 游车等常规设备。整体钻机由双液缸、游动轭、提升钢丝绳、平衡器总成、液缸导向架、 顶部驱动装置和液压系统等部件组成。 5 连续软管石油钻机 1 9 9 1 年美国o r y x 能源公司应用2 i n 连续软管和井下马达在美国得克萨斯钻了一口 1 0 6 2 m 的水平井。有许多国家采用了连续软管技术，其中美国、加拿大是应用软管钻井 技术钻井最多、最活跃的国家【6 j 。 西安石油大学硕士学位论文 1 3 本课题的选题背景和意义 目前，国内油田电动钻机数字式电控系统多采用西门子p l c 作为控制核心，并应 用p r o f i b u s 现场总线技术构成网络通信系统，将不同厂家的设备相互连接，实现了主站 西门子p l c 与电气传动控制系统和配电控制系统之间的通信功能。但对于柴油发电机 组控制系统，目前尚没有实现与西门子p l c 的通信，仍采用独立控制形式。为进一步 完善电动钻机电控系统的数字化控制程度，实现西门子p l c 对柴油发电机组控制系统 的控制和监测功能，提高系统的互可操作性与互用性，需要研究开发具有通信功能的柴 油发电机组数字控制器。为此，西安石油大学电动钻机重点控制实验室应用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 开发了柴油发电机组数字控制器，而该控制器本身具有c a n 总线通信接 口，要实现该控制器与西门子p l c 的通信功能，需要开发p r o f i b u s 和c a n 总线协议转 换通信单元。 该通信单元的开发，可实现主站p l c 对柴油发电机组控制系统的监测和控制功能， 可进一步完善电动钻机控制系统的数字化控制程度，为实现井队监控室对柴油发电机组 控制系统的远程监测和控制奠定了基础。 1 4 本课题的创新点 将p r o f i b u s 和c a n 协议转化通信单元应用到电动钻机控制系统中，实现了电动钻 机控制系统和柴油发电机组控制系统之间的通信功能，进一步完善了数字式电动钻机的 数字化控制程度。 1 5 题目来源 陕西省科技厅，电动钻机动力设备智能控制器的开发( 2 0 0 6 k 0 4 g 2 0 ) 。 1 6 本文研究内容和章节安排 本文的研究内容和结构安排如下： 第一章绪论。对电动钻机控制系统的相关知识进行介绍，并对该领域的国内外研 究现状进行了分析。针对电动钻机控制系统国内外的发展现状，结合本实验室的研究情 况，确定本文的研究内容、研究思路，并阐明本课题的研究意义及创新点。 第二章电动钻机主控单元和柴油发电机组核心控制器介绍。着重介绍了各自的结 构特点和通信功能。 第三章p r o f i b u s 和c a n 总线技术。研究了p r o f i b u s 和c a n 总线的通信模型、通 信报文结构等技术。 第四章电动钻机柴油发电机组控制系统通信单元硬件设计。根据整个通信单元要 实现的功能，设计出该通信单元的系统硬件结构图，给出p r o f i b u s 和c a n 协议转换模 块的设计方案、器件的选型及接口电路设计，并对各部分的功能进行了描述。 4 第一章绪论 第五章电动钻机柴油发电机组控制系统通信单元软件设计。主要包括：p r o f i b u s 和c a n 协议转换模块程序设计，主站控制程序设计和柴油发电机组控制系统c c a n 通 信程序设计。 第六章功能验证。在搭建的网络测试平台中，对该通信单元在电动钻机控制系统 中的运行结果进行分析，实验结果表明该通信单元达到了课题研究的目的。 第七章总结与展望。对本论文的工作做了总结，并就接下来需要完善的工作给出 了几点建议。 5 西安石油大学硕士学位论文 第二章电动钻机主控单元和柴油发电机组核心控制器 电动钻机控制系统的主控单元采用西门子s 7 3 0 0p l c ，并以p r o f i b u s 现场总线方式 实现数据的传输，柴油发电机组数字控制器基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现。以下主要介绍这 两种装置的结构特点和通信功弛 2 1 西门子s 7 3 0 0p l c 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 简称为p l c ，它是以微处理器为基 础，综合计算机技术、自动化技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装 置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性 和较强的适应恶劣环境的能力，备受用户青睐，因而在冶金、化工、交通、电力等领域 获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。 s i m a t i cs 7 系列p l c 是德国西门子公司在s 5 系列p l c 基础上于1 9 9 5 年陆续推 出的性能价格比较高的p l c 系统。其中，s 7 2 0 0 系列为微型p l c ，s 7 3 0 0 系列为中小 型p l c ，s 7 - 4 0 0 系列为中高型p l c 。 s 7 3 0 0 的每个c p u 都有一个使用m p i ( 多点接口) 通信协议的r s 4 8 5 接口。有的 c p u 还带有集成的现场总线p r o f i b u s - d p 接口、p r o f m e t 接口或p t p ( 点对点) 串行通信接 口。s 7 3 0 0 不需要附加任何硬件、软件和编程，就可建立一个m p i 网络。使用c p u 集 成的p r o f i b u s d p 接口或通信处理器，s 7 3 0 0 可以作d p 网络上的主站或从站 7 1 。 2 1 1s 7 3 0 0p l c 的基本结构 s 7 3 0 0 属于模块式p l c ，主要由机架、c p u 模块、功能模块、信号模块、接口模 块、通信处理模块、电源模块和编程设备组成( 如图2 1 所示) ，各种模块安装在机架上。 通过c p u 模块或通信模块上的通信接口，p l c 被连接到通信网络上，可以与计算机、 其它p l c 或其它设备通信【引。 按钮 选择开关 限位开关 电源 图2 - 1p l c 基本结构示意图 6 第二章电动钻机主控单元和柴油发电机组核心控制器 1 c p u 模块 c p u 模块主要由微处理器( c p u 芯片) 和存储器组成。在p l c 控制系统中，c p u 模 块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。 s 7 3 0 0 将c p u 模块简称为c p u 。 2 信号模块 输入( i n p u t ) 模块和输出( o u t p u t ) 模块简称为i o 模块，开关量输入、输出模块简称 为d i 模块和d o 模块，模拟量输入、输出模块简称为舭模块a o 模块，它们统称为信 号模块，简称s m 。信号模块是系统联系外部现场设备和c p u 模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、 数字拨码开关、限位开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号。模拟量输入 模块用来接收电位器、测速发电机和各类变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信 号，或者直接接收热电阻、热电偶提供的温度信号。 开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警 装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。 c p u 模块内部的工作电压一般是d c5 v ，而p l c 的外部输入输出信号电压一般较 高，为d c2 4 v 或a c2 2 0 v 。 3 功能模块 为了增强p l c 的功能，扩大其应用领域，减轻c p u 的负担，p l c 厂家开发了各种 各样的功能模块( 简称为f m ) 。它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的 控制任务，如高速计数、位置控制和闭环控制等。 4 接口模块 c p u 模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设 一个或多个扩展机架。接口模块( 简称为i m ) 用来实现中央机架与扩展机架之间的通信， 有的接口模块还可以为扩展机架供电。 5 通信处理器 通信处理器( 简称为c p ) 用于p l c 之间、p l c 与远程i o 之间、p l c 与计算机和其 他智能设备之间的通信，可将s 7 3 0 0 接入工业以太网、m p i 、p r o f i b u s d p 和a s i ，或 者用于实现点对点通信等。c p u 模块集成有m p i 通信接口，有的c p u 模块还集成了其 它通信接口。 6 电源模块 p l c 一般使用a c2 2 0 v 电源或d c2 4 v 电源，电源模块( 简称p s ) 用于将输入电压 转换为稳定的d c2 4 v 电压，供其它模块和输出模块的负载使用。 7 编程设备 s 7 3 0 0 一般使用安装了编程软件s t e p 7 的个人计算机作为编程设备，可以生成和编 辑各种文本程序或梯形图程序，实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载 7 西安石油大学硕士学位论文 到p l c ，也可以将p l c 中的程序上传到计算机。 2 1 2s 7 3 0 0p l c 的存储区 s 7 3 0 0c p u 有三个基本存储区【9 】= 1 系统存储区。r a m 类型，包含c p u 为用户程序提供的存储器组件，如过程映像 输入和输出表，位存储，定时器和计数器等。系统存储器还包含块堆栈和中断堆栈。 2 装载存储区。物理上是c p u 模块中的r a m ，加上内置的e e p r o m 或选用的 e e p r o m 卡，用于存放用户程序。 3 工作存储区。物理上占用c p u 模块中的部分r a m ，它包含与运行程序相关的那 部分s 7 程序，如逻辑块和数据块。 另外还有两个累加器、两个地址寄存器、两个数据块地址寄存器和一个状态字寄存 器。s 7 3 0 0 存储区如图2 2 所示。 c p u 通过外设( p ) 存储区直接 读写总线上的模块 这些系统存储区的大小由 c p u 的型号决定 累加器3 2 b i t 外设i o 存储区p 输出 q 输入i 位存储区 m 定时器 t 计数器c ls t a c k 临时变量l 图2 - 2 $ 7 - 3 0 0 存储区示意图 系统存储区 工作存储区 )装载存储区 2 1 3s 7 3 0 0p l c 的通信功能 西门子公司在1 9 9 6 年提出了全集成自动化的概念。全集成自动化是将企业的供应 链、生产现场和管理层无缝地整合在一起，实现企业信息系统的横向和纵向的集成。其 优异特性充分体现在3 个方面：统一的数据管理、统一的编程和组态、统一的通信。全 8 第二章电动钻机主控单元和柴油发电机组核心控制器 集成自动化的开放性体现在：对所有类型的现场设备开放；对办公系统开放并支持 i n t e m e t ；对新型自动化结构开放。在通信协议的选择方面，全集成自动化采用国际公认 的开放协议，如p r o f i b u s 、工业以太网、p r o f m e t 、a s i n t e r f a c e 等，因此，全集成自动 化系统具有极强的兼容性。 s i m a t i cn e t 是西门子的工业通信网络解决方案的通称。一般而言，企业的通信 网络可划分为3 层：管理层、车间层和现场层，如图2 3 所示。 工 图2 3s i m a t i cn e t 1 现场层通信网络 现场层通信网络处于工业网络系统的最底层，主要功能是连接现场设备，如分布式 i o 、传感器、变送器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间 连锁控制。主站负责总线通信管理及与从站的通信。总线上所有的设备生产工艺控制程 序存储在主站中，由主站执行。 西门子的s i m a t i cn e t 网络系统将执行器和传感器单独分为一层，主要使用a s - i 网络。 对于现场层通信网络来说，p r o f i b u s 是其主要解决方案，同时s i m a t i cn e t 也支 持a s i n t e r f a c e 等总线通信技术。 2 车间层通信网络 车间层通信网络介于管理层和现场层之间。车间层又称单元层，用来完成车间主生 产设备之间的连接，实现车间级设备的监控，包括生产设备状态的在线监控、设备故障 报警及维护等，通常还具有生产统计、生产调度等车间生产管理功能。 对于车间层通信网络来说，所使用的主要解决方案是p r o f i b u s 和工业以太网。 3 管理层通信网络 管理层通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据，通过 信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。 车间操作员工作站通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管 理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网，通过交换机、网桥或路由器等设备连接到 厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。 9 西安石油大学硕士学位论文 管理层通常采用符合i e e e 8 0 2 3 标准的工业以太网，及采用t c p i p 通信协议标准 的i t 技术【1 0 1 。 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司推出的一款用于控制领域的数字信号处理器，它是一款专 为电机控制而设计的d s p 控制器，最高可在1 5 0 m h z 主频率下工作。f 2 8 1 2 片内集成 众多资源：存储资源f l a s h 、r a m ；标准通信接口，如串行通信接口( s c i ) 、串行外设 接口( s p i ) 、增强型e c a n 总线接口，方便与外设之间进行通信；在f 2 8 1 2 内部还集成 了一个1 2 位的a d c 转换模块，最高采样速率达1 2 5 m s p s ；f 2 8 1 2 片上还包括时间管理 器( e v ) 、定时器、看门狗以及大量的用户可开发利用的g p i o 口等资源。以下着重介 绍在开发电动钻机柴油发电机组控制系统通信单元过程中所用的增强型e c a n 模块【1 1 】。 2 2 1e c a n 模块概述 f 2 8 1 2d s p 中应用的增强型e c a n 总线接口，与e c a n2 0 b 标准接口完全兼容。 该总线使用确定协议串行地与其它控制器进行通信。e c a n 模块具有3 2 个独立完全可 配置的邮箱和实时邮递功能，因此可以作为通用的实时的串行通信接口。e c a n 模块的 特点如下【1 2 】： 1 与c a n 2 0 b 协议完全兼容。 2 最高支持总线通信速率达1 m b p s 。 3 3 2 个邮箱，每个邮箱具有以下特点： ( 1 ) 可配置为接收或发送邮箱； ( 2 ) 标识符可配置为标准标识符或扩展标识符； ( 3 ) 具有一个可编程的接收过滤器屏蔽寄存器； ( 4 ) 支持数据帧和远程帧； ( 5 ) 支持的数据位由0 8 位组成； ( 6 ) 3 2 位定时邮递发送、接收消息模式； ( 7 ) 保护接收新消息； ( 8 ) 可软件设置发送消息的优先级( 决定发送消息的顺序) ； ( 9 ) 采用两个中断优先级的可编程中断选择； ( 1 0 ) 采用可编程中断的发送、接收超时报警。 4 低功耗模式。 5 总线唤醒功能可编程。 6 自动应答远程请求消息。 7 在仲裁或错误丢失信息时，自动重发一帧信息。 8 通过一个特殊的消息与3 2 位定时邮递计数器同步。 l o 第二章电动钻机主控单元和柴油发电机组核心控制器 9 自测模式。 在自测模式下，会得到一个自己发送的信息，会提供一个虚构的应答信号，因此不 需要其它节点提供应答信号。 2 2 2e c a n 模块的结构 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中的e c a n 模块是增强型c a n 控制器，性能较之2 4 0 系列d s p 有 较大的提高，在进行c a n 总线通信时，数据传输更加灵活方便、数据量更大、可靠性 更高、功能更加完备，它通过一个3 3 v 的c a n 收发器可以使t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 直接接入 c a n 总线网络。e c a n 模块的结构如图2 _ 4 所示【l3 1 。 图2 - 4c a n 模块结构 根据c a n 模块的结构图可以看出f 2 8 1 2 e c a n 模块的主要作用如下： 1 根据c a n2 0 b 协议对总线上的数据进行解码，然后发送到接收缓冲器内等待 c p u 读取数据； 2 c a n 模块根据c a n2 0 b 协议将数据发送到总线上。 消息控制器负责判决由c a n 协议内核接收到的消息是留给c p u 使用还是丢弃。在 初始化阶段，c p u 通过应用程序设置所有消息的标识符。而且，消息控制器根据消息 的优先级将下一个消息发送到c a n 协议内核中。 2 2 3e c a n 模块中的消息邮箱 e c a n 模块映射到存储器的两个地址空间，两个地址空间对应着两个存储器空间。 第一个存储器空间主要存储控制寄存器、状态寄存器、接收过滤器、实时传输和消息对 象超时等内容。访问状态寄存器的地址宽度为3 2 b ，本地的接收过滤器、实时传输和消 息对象超时的存储空间可以8 b 、1 6 b 或3 2 b 寻址。第二个存储空间主要存储邮箱信息， 可以8 b 、1 6 b 或3 2 b 寻址。这两部分存储空间模块都是5 1 2 b 的地址空剐1 1 j 。 西安石油大学硕士学位论文 每个邮箱都由消息标志寄存器m s g i d ，消息控制寄存器m s g c t r l ，消息数据寄 存器c a n m d l 、c a n m d h 构成。其中，m s g i d 包含消息标识符( 扩展数据帧为2 9 b ， 标准数据帧为l i b ) ，标识符扩展位i d e ，接收屏蔽位a m e ，自动应答模式位a a m | m s g c t r l 指定了要发送的字节数和发送的优先级，同时还确定了远程帧操作；消息寄 存器用来存储数据。 1 2 第三章p r o f i b u s 和c a n 现场总线技术 第三章p r o f i b u s 和c a n 现场总线技术 现场总线是应用在现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字 通信系统【1 4 1 。或者说，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为 网络节点，以总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控 制系统。现场总线实现了数字和模拟输入输出模块、智能信号装置和过程调节装置与 可编程序控制器( p l c ) 和p c 之间的数据传输，把i o 通道分散到实际需要的现场设备 附近，从而使整个系统的工程费用、装备费用、硬件成本、设备调试和维修成本减到最 少，标准化的现场总线具有“开放 的通信接口、“透明”的通信协议，允许用户选用 不同制造商生产的分散i o 装置和现场设备。因此，在很多行业得到了广泛的应用。现 场总线的种类有很多，本章仅介绍p r o f i b u s 和c a n 两种总线技术l l o 】。 3 1p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是由西门子等公司组织开发的一种国际化的、开放的、 不依赖于设备生产商的现场总线标准。先后成为德国和欧洲的现场总线标准( d i n l 9 2 4 5 和e n 5 0 1 7 0 ) ，并于2 0 0 0 年成为i e c 6 11 5 8 国际现场总线标准之一，2 0 0 1 年成为我国的 机械行业标准j b t 1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 。1 9 9 5 年成立了p r o f i b u s 用户组织，该组织遍布世界各 地。19 9 7 年我国成立了p r o f i b u s 专业委员会c p o ( c h i n e s ep r o f i b u su s e ro r g a n i z a t i o n ) 1 5 j 。 p r o f i b u s 已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，是成熟技术，其应用范围见图 3 1 【1 6 1 。 图3 - 1p r o f i b u s 应用范围 1 3 西安石油大学硕士学位论文 3 1 1p r o f i b u s 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 ，p r o f i b u s p a 三个兼容版本【l 7 】 【1 8 】 o 1 p r o f i b u s d p ：d p 为d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y 的缩写，意思是分散化外围设备。这是 一种经过优化的高速而便宜的通信模块，专用于解决对时间有苛刻要求的自动控制系统 ( 如p l c p c ) 与高度分散的现场设备( i o 、驱动器、阀门等) 之间的通信任务。使用 p r o f i b u s d p 可取代价格昂贵的2 4 v 或4 - 2 0 m a 信号传输。 自动控制系统与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性的，而智能化现场设备 还需要有非周期性的数据交换( 如组态、诊断、报警处理等) 。周期性的通信由d p 基本功 能完成，非周期性的通信由d p 功能完成。 2 p r o f i b u s p a ：这是西门子公司专为过程自动化而设计的。p r o f i b u s p a 是在 p r o f i b u s d p 的基础上通过优化、扩展而来的，增加了p a 行规以及相应的传输技术，使 p r o f i b u s 能更好地满足各种过程控制的要求，主要用于化工等对安全性要求高的场合，通 信采用扩展的p r o f i b u s d p 协议。传输技术改用i e c 1 1 5 8 2 ( 称为h 1 ) 标准，确保了本质安 全性和通过总线对现场设备供电，可用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的 通信。使用分段耦合器可以将p r o f i b u s p a 设备很方便地集成至l j p r o f i b u s d p 网络中。 p r o f i b u s p a 将自动化系统和过程控制系统与现场设备连接起来，代替了4 2 0 m a 模拟 信号传输技术，在现场设备的规划、敷设电缆、高度、投入运行和维修等方面可节约成 本4 0 之多，并大大提高了系统功能和安全可靠性。因此，p a 尤其适用于石油、化工、 冶金等行业的过程自动化控制系统。 3 p r o f i b u s f m s ：它的设计旨在解决车间级通用性通信任务，f m s 提供大量的通信 服务，用以完成以中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。它对应德国标准 d i n l 9 2 4 5p a t t i 2 ，1 9 9 1 。由于它是