（航空宇航制造工程专业论文）基于can总线的focke包装机的数据采集.pdf

南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 可编程控制器( p l c ) 、机器人、c a d c a m 是工业自动化领域的三大基础。本 文通过对香烟包装工艺过程的研究，应用现场总线技术、p l c 技术及其网络技术、组 态监控技术，针对f o c k e 包装机设计了香烟包装生产线的数据采集系统。论文的主 要内容如下： 1 分析原来的p l c 控制程序，确定要采集的数据在程序中的具体位置。 2 分析了生产线原来的通信控制网络，设计了新的p l c 通信网络，并编制了相 应的网络通信程序。 3 使用西门子的组态软件编制了监控程序，实现了对生产线的监视和控制，并 把生产数据发送到厂级局域网，实现生产数据的采集。 现场运行情况表明本系统是完善的，具有一定的先进性。 。7 b 一 关键词：可编程控制器 迥 i 参) 现场总线守p l c 3 选! 蕉里i ! 默、从 ，一 基于c a n 总线的f o c k e 包装机的数据采集 a b s t r a c t t h e r ea r et h r e e i m p o r t a n tp a r t s i ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n f i e l d ，s u c h a sp l c ( 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 ) ，r o b o t a n dc a d c a m i nt h i s p a p e r , t h r o u g h r e s e a r c h i n g t h e c i g a r e t t ep a c k i n gt e c h n o l o g y , p l c ，p l cn e t w o r k ，f i e l d b u s a n d c o n f i g u r a t i o ns u p e r v i s i o n ，a u t h o rd e s i g n sad a t a c o l l e c t i o ns y s t e mt h a ts u p e r v i s e sf o c k e p a c k i n g m a c h i n e t h em a i n a c h i e v e m e n t sa l ea sf o l l o w i n g ： 1 t 0a n a l y s et h ef o m a e rp l cc o n t r o lp r o g r a m m a k es u r eo ft h ed a t ap o s i t i o ni nt h e s o u r c ep r o g r a m 2 t oa n a l y s et h ef o r m e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s e tu pt h en e wp l cc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ka n d d e v e l o p t h en e wc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m 3 t o d e s i g nt h en e wp r o d u c t l i n es u p e r v i s i o n c o n t r o ls y s t e ma n dd e v e l o pt h es u p e r v i s i o n - c o n t r o ls o f t w a r ew i t hs i m a t i cw i n c c t h r o u g ht h es o f t w a r e 、v o r k e r sc a ns u p e r v i s e a n dc o n t r o lt h ep r o d u c tl i n e a tt h es a m et i m e s e n dt h ec o l l e c t e dd a t at of a c t o r yl a n k e y w o r d ：p l c ，s i e m e n s ，f i e l d b u s ，c o n f i g u r a t i o n ，w i n c c 南京航空航天人学硕十学位论文 第一章概述 1 1 可编程控制器( p l c ) 发展史 1 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 根据市场形势与生产发展的需要，提出了“多 品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。要实现这个战略决策，依靠原来的 工业控制装置显然不行，而必须有一种新的工业控制装置，它可以随着生产品种的改 变，灵活方便地改变控制方案以满足对控制的不同要求。这种新的工业控制装置，应 当是什么样子，大家还都不知道。g m 公司用它应当达到的十项功能指标描述了这个 设想中的全新的工业控制装置，并向社会公丌招标。1 9 6 9 年著名的美国数字设备公 司( d e c ) ，按g m 的功能要求研制出了这种新的工业控制装置，并在g m 公司的一 条汽车自动化生产线上( 位于底特律) 首次运行取得成功。人们根据这种新型工业控 制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控制的情况，称这种 新的工业控制装置为可编程逻辑控制器( 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 。 从1 9 6 8 年到现在，p l c 经历了四次换代：第一代p l c ，大多用一位机开发，用 磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能。在第二代p l c 产品中换成了8 位微 处理器及半导体存储器，p l c 产品开始系列化了。第三代p l c 产品随着高性能微处 理器以及位片式c p u 在p l c 中大量的使用，p l c 的处理速度大大提高，从而促使它 向多功能及联网通信方向发展。第四代p l c 产品不仅全面使用1 6 位、3 2 位高性能微 处理器，高性能位片式微处理器，r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 精简指令系 统c p u 等高级c p u ，而且在一台p l c 中配置多个微处理器，进行多通道处理。同时 配备了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代p l c 产品成为具有逻辑控制功能、 过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功 能控制器。同一时期，由p l c 构成的p l c 网络也得到飞速的发展。p l c 与p l c 网络 成为工厂企业中首选的工业控制装置，由p l c 组成的多级分布式p l c 网络成为 c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 绷缺少的基本组成部分。人们 高度评价p l c 及其网络的重要性，认为它是现代工业自动化的三大支柱( p l c 、机 器人、c a d c a m ) 之一。 1 2 几种常用的现场总线 现场总线是自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通 讯网络，遵循i s o 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。( 现场总线 是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系 一薹i ：曼垒型：垫垡塑! 旦里坠垦鱼茎塑塑墼塑墨堡 统，也称为开放式、数字化、多点通信的低层控制网络) 。它在制造业、流程工业、 交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 ( 1 ) 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 基金会现场总线f f 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一 种技术。其前身是以美国f i s h e r - - r o 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1 5 0 家 公司制定的w o r l df i p 协议。这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金 会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 基金会现场总线分为h 1 和高速h 2 两种通信速率。h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ， 通信距离可达1 9 k m ，可支持总线供电和本质安全防暴环境。h 2 的传输速率可为 l m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可为双绞线、光 缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以i s o o s i 丌放系统互连 模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应 用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统 一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集合。f f 总线包括f f 通信协议、i s o 模型中的2 7 层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的d d l 设备描述语 言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态 管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 ( 2 ) c a n 总线( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 控制局域网络) c a n 总线最早是由德国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 数据通信协议。其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于 离散控制领域。它也是基于o s i 模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链 路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广 播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。 c a n 总线采用短消息报文。每一帧有效字节数为8 个；当节点出错时，可自动关闭， 抗干扰能力强，可靠性高。 ( 3 ) l o n w o r k s 总线( l o n l o c a l o p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司开发，并与摩托罗拉和东芝公司共同倡导的 现场总线技术。它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构。l o n w o r k s 技术的核心 是具备通信和控制功能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片实现完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信协议。其上集成有三个8 位c p u 。一个c p u 完成o s i 模型第和第二层的功能， 称为介质访问处理器。一个c p u 是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一 个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、 网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。l o n w o r k s 支持多 种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其本质安全的物理通道使得它可以 应用于危险区域。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分 南京航空航天人学硕十学位论文 布式监控网络方面有较优越的性能。 ( 4 ) p r o f i b u s 总线( p r o c e s sf i e l d b u s ) p r o f i b u s 是符合德国国家标准d 1 n 1 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总线， 包括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 三部分。它也只采用了 o s i 模型的物理层、数据链路层、应用层。p r o f i b u s 支持主从方式、纯主方式、多 主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站问通过传递令牌来传递对总线的控制 权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。p r o f i b u s - - d p 用于分敞外设 问的高速数据传输，适合于加工自动化领域。f m s 型适用于纺织、楼宇自动化、可 编程控制器、低压丌关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型。 ( 5 ) h a r t 总线( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r ) h a r t 协议是由r o s e m o u n t 公司于】9 8 6 年提出的通信协议。它是用于现场智能 仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括i s o o s i 模型的物理层、数据链路层和 应用层。h a r t 通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高 速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于 模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞 争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。 1 3 现场总线系统的特点 现场总线系统是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器 和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。 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一对一的 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和位于控制室的控制器 之间，控制器和位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统采用了智能现场设备、能够把原来分散控制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，这样现场的测 量变送仪表就可以和阀门等执行机构直接通信，因此控制系统的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。 现场总线系统采用数字信号替代了模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信 号( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源， 省去了模拟数字、数字，模拟转换部件，这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节 约连接电缆和各种安装、维护费用创造了条件。 现场总线系统在技术上有以下特点； ( 1 ) 系统的开放性。开放是指相对标准的一致性、公开性，强调对标准的共识 与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系 统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息的交换。现场总线开 一 垄! ：曼垒堕璺垡盟! 旦里鉴! 鱼茎塑堕堑塑墨叁 发者就是要致力于建立统的工厂底层网络的丌放系统。用户可按自己的需要和考 虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的 开放互连系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性。互可操作性，是指实现互连设备问、系统问的信息 传送与沟通；而互用性则意味着不同厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。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，仅靠现场设备即可完成自动测量的基本功能， 并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成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集散控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 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。 ( 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，是专为现场环境而设计的，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，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全 防暴要求等。 1 4p l c 网络系统概述 随着生产技术的发展，必然会使p l c 的应用从单机向全厂生产自动化过渡。这 就要求各p l c 之间，p l c 与计算机和其他控制设备之间能迅速、准确、及时地进行 通信，以便能步调一致地进行控制和管理。 8 0 年代以前，各个企业均采用自己的专用通信网。8 0 年代初，美国通用汽车公 司( g m ) 建议采用制造自动化通信的协议标准( m a p ) ，它是一个七层模式、段频 宽、以( 令牌) 总线为基础的通信协议，得到了广大p l c 和计算机生产厂家的支持， 逐步形成了企业自动化通信标准。m a p 作为高效能、低价格的通信标准，在企业生 产自动化、管理自动化中已确立了无可争辩的地位。目前，几乎所有p l c 的网络都 与m a p 兼容，如s i e m e n s 的s i n e c - h i 。 p l c 通信功能有三种类型。( 1 ) 远程控制，即p l c 进行远程的i o 控制，它采用 串行数据传输的方式将主站p l c 与远处从站的i ，0 终端或p l c 连接起来，这时在主 站的一端应安装一个远程i ，0 主单元，而在从站一端则要安装远程i ，0 从单元或称为 i o 链接单元。( 2 ) p l c 与上位机进行点对点通信，一台上位机可以连接多台p l c 。 这时各个p l c 均可以接受上位机的命令，并将执行结果送给上位机。这就构成了一 个简单的“集中监督管理，分散控制”的分布式控制系统。( 3 ) p l c 局域网络系统， 是指将分布在不同位置的p l c 及其它数据终端设备( d t e ) 通过传输介质连接起来， 按照网络协议进行通信的系统。 德国的西门子( s i e m e n s ) 公司是欧洲最大的电子、电气制造商，它的s 5 系列 南京航空航天大学硕士学位论文 可编程控制器又称为s i m a t i cs 5 ，在国内大中型自动化生产线应用较多。s i e m e n s 为s 5 系列的可变程序控制器发展了网络系统，即s i n e c 系统。该系统采用总线拓朴 结构，比一般星形或环形网性能更加优越，尤其是在自动化控制系统中，能组成巨大、 复杂的局域网，网中所有的工作站都接到网络总线上，总线承载了所有站与站之间的 通信。网络中每个站( p l c 或d t e ) 只需要一个通信处理器，这种简单的连接方式 所用设备和传输介质都最少，所有站都共享一个通信链路，十分易于系统扩展。 1 5 项目介绍 本课题的主要内容是：对某卷烟厂f o c k e 包装机进行数据采集和编制相应的监 控软件。设计的主要内容有下面三方面： ( 1 ) 分析、研究f o c k e 包装机的运行和控制机理，了解香烟包装的工艺过程。 ( 2 ) 分析、研究原来的p l c 程序、通信网络，构建新的通信网络完成p l c 之 间的通信，进行生产数据的采集。 ( 3 ) 采用s i e m e n s 的组态软件s i m a t i cw i n c cv 5 0 编制上位工控机的监控 软件，并且把采集到的生产数据发送到厂级局域网。 苎王坠塑璺垡塑! 竺竺鉴! 鱼茎塑塑塑塑墨箜 第二章通信网络的设计 通信网络的设计包括选择合适的网络结构，选择必要的硬件设备，为连入网络的 p l c 编制相应的控制程序和通信程序，把监控软件需要的数据通过s i n e c l 2 网传输 到工控机上。 2 1 原有通信网络的分析 从现场调研的情况分析( 主要是现场的布线、p l c 之间通信所用的通信处理器、 卷烟厂的内部资料、源程序的分析) ，可以确定原来的网络为s i 】n e c l 2 ，采用 p r o f i b u s - f m s 协议。其结构如图2 - 1 。 图2 1 原来通信网络的框图 】终端电阻2 f o c k e 公司专用网卡3 c p 5 2 7 可以看出原来的生产线主要分三大段工序，每一段有一台p l c 和工控机，p l c 负责控制该段工序内现场设备的运行，工控机上有专门软件负责与p l c 通信、交换 数据，监控该段工序的运行。c p 5 2 7 用于将p l c 连接到s i n e c l 2 网上，负责p l c 之间的通信。f o c k e 公司的专用网卡将工控机连接到s i n e c l 2 网上，负责工控机 和s i n e c l 2 网上的p l c 之间的通信。终端电阻用于吸收残余信号，防止反射。 该通信网络中有几个不利因素。( 1 ) 通信处理器c p 5 2 7 ，s i e m e n s 公司已不生 产此型号的通信处理器，如果该处理器坏了，将使生产线停顿，无法运行。这是烟厂 要求改造的一个原因。( 2 ) 三台工控机分别监控三段工序，不利于操作人员的操作。 因为在生产过程中需要设置、修改f o c k e 包装机的运行参数，三台工控机分布在三 段工序，操作人员需要在三台工控机之间来回走动，很不方便。这是需要改造的另一 个原因。( 3 ) 1 控机上的监控软件，该软件是f o c k e 公司在d o s 平台上开发的，人 机交互界面不好，不利于操作。( 4 ) 监控软件是f o c k e 公司自己开发的，它采用 南京航空航天大学硕士学位论文 f o c k e 公司自己的通信协议与网络上的p l c 通信，该协议不公开，因此无法对监控 软件进行升级、改造。( 5 ) 该控制网络阻碍了企业信息化。根据国家烟草总局的有关 要求，烟草行业的前5 0 名企业要在2 3 年内全面实现信息化。而信息化的一个最基 本、最核心的问题就是生产车间数据的上网，包括机器设备的维修次数、停机时间、 易损件的更换次数、生产原料的消耗、生产产量等，只有把这些数据采集到，并发送 到厂级局域网上，才有可能实现信息化，它是企业信息化的基础。但是监控软件是 f o c k e 公司采用自己的协议开发的，因此无法通过监控软件取得现场的生产数据， 也就无法实现信息化。这是烟厂要求改造的一个最主要的原因。 2 2 改造后的通信网络 根据2 1 的分析，决定采用s i n e c l 2 网，采用p r o f i b u s f m s 协议。其结构如 图2 2 。该控制网络有几个有利因素。( 1 ) 能避免2 1 中所提的不利因素，达到企业 信息化的要求。( 2 ) 大大减少了现场的布线、接线工作量。因为采用的网络结构和原 来几乎一样，不用重新布线、接线。 c p 5 4 3 1 - f m s 通信处理器用于将s 5 ，1 1 5 u h ，s 5 1 3 5 u h 和s 5 1 5 5 u h 可编程程 序控制器连接到s i n e c l 2 局域网上。c p 5 4 1 2 t f 通信处理器用于将工业微机( i p c ) 连接到现场总线系统p r o f i b u s 。c a n 总线网卡用于将企业信息化需要的数据发送 到厂级局域网上，它是厂级局域网和生产车间现场总线网络的接口。 2 图2 - 2 改造后通信网络框图 1 终端电艏2 c p 5 4 1 2 t f3 c a n 总线网卡4 c p 5 4 3 1 f m s 2 3 生产现场数据的获取 生产现场的数据包括f o c k e 包装机的运行数据( 例如包装机的运行参数、停机 次数、停机时间、易损件的更换等) 和生产数据( 例如香烟产量、各种生产原材料的 消耗等) 。如何准确地获取这些数据是本次设计的重点和难点，只有取得了这些数据 7 茎：竺垒登璺垡塑! 旦! 坠垦鱼茎垫塑墼塑墨塞 才能进行p l c 的连网、通信以及上位机的组态监控。设计中采用分析、研究源程序和 现场校对相结合的方法获取现场数据。 2 3 1 源程序的分析 分析源程序要注意方法，要考虑p l c 编程语言s t e p 5 、t l c 通信、组态监控的特 点和香烟包装的工艺，不能“死”看程序。因为源程序比较长，而且程序里又有复杂 的包装机控制和香烟包装工艺过程，所以“死”看程序可能需要很长的时间，甚至很 难分析出要采集的数据的确切位置。 p l c 之间的通信是通过通信处理器完成的，通信处理器自身带有c p u ，能自身完 成数据的发送和接收，只要在p l c 程序中调用专门的发送和接收程序并给与定的参 数就可完成p l c 之间的通信。 p l c 程序可以定义数据块( d bd a t a b a s eb l o c k ) ，d b 中可以存放系统参数、中间 变量等。般情况下p l c 程序中都定义了若干个d b 用于之间p l c 的通信，用于存放 发送数据和接收数据。p l c 程序把一些数据放到这些d b 中，供通信发送程序使用： 或者从这些d b 中读取网络上其它p l c 发送过来的数据。 监控程序一般有若干个监控界面组成，这些界面之间有一定的相互调用关系。界 面上一般有3 种类型的数据：位变量，一般监控设备的某一部分是否正常工作或监 控某一个i o 口，它对应着p l c 程序中的某一个位变量。整形变量，一般对应p l c 程序中的一个整形变量或监控一组i o 口。表达式变量，它是p l c 中某个变量经过 加减乘除运算或某种逻辑运算后产生的变量。 下面以“铝箔纸装置”( 如图2 3 所示) 为例说明源程序的分析。 图2 - 3 铝箔纸装置 南京航空航天人学硕士学位论文 铝箔纸是香烟包装过程中第一层包装纸，图2 3 主要用于检测铝箔纸的情况，当 铝箔纸出现问题时应报警或停机，提醒操作员。可以看出图中1 2 个监测点分别对应 1 2 个位变量，因此分析源程序时要重点注意位变量，结合现场布线的情况( 主要注 意这些监测点传感器和p l ci 0 点的连接) ，可以确定这些数据在源程序中的位置如 下： 茎主! 垒型壁垡塑! 旦兰坠堡垡茎垫塑塑塑墨塞 从上面的程序分析中可以看出监控“铝箔纸装置”的数据存放在d b l 2 5 的数据字 d w l 2 中，程序中使用了中间变量f y 2 2 、f y 2 3 ，通过位操作对它们进行赋值，例如“s f2 3 2 ”、“= f2 3 1 ”，然后把变量f w 2 2 的值存放到d b l 2 5 中，因为标志字f w 2 2 是由标志字节f y 2 2 和f y 2 3 组成的。通过分析源程序把需要的现场数据全部定位到 d b 中的数据字d w ，这些叫将用于p l c 的网络通信。 2 3 2 现场校验 通过分析源程序得到的数据有2 种情况：基本可以确定的数据；不能确定的 数据。对于第一种数据可以不校验，对于第二种数据必须要去现场校验以确定数据的 正确性。 现场校验的基本思路是：使用西门子的专用编程器( p g 7 2 0 ) 和p l c 通信，在线 查看d b 中的数据变化。现场校验时要区分2 种情况： ( 1 ) 对于监控界面上可以修改的数据，先在界面上修改，接着在线查看p l c 中 对应d b 中对应d w 是否也相应地发生了变化，然后在编程器上在线修改该d w ，查看 监控界面上的数据是否发生了相应的变化。如果2 次都发生了相应的变化则说明分析 源程序时确定的数据是正确的，否则就说明数据定位有错，要重新分析相应的程序。 校验时要区分位变量和整形变量。整形变量比较容易校验，因为它一般都对应着d b 中某个d w ；位变量校验比较麻烦，因为一个d w 有1 6 位，最多可以对应监控界面上 1 6 个位变量，也可能该d w 只利用了1 位，对应一个位变量，所以校验这种数据比较 繁琐，只能通过反复校验来检查数据的正确性。 ( 2 ) 对于监控界面上不可修改的数据，只能在线修改d b 中对应的d w ，然后查 看监控界面上的变量是否发生了相应的变化。这类数据一般是系统参数和一些预先设 置的数据，用户的p l c 程序只能从这些d w 中读取数据用于程序的运行，不能修改。 南京航空航天人学硕十学位论文 如果要修改只能使用编程器手工在线修改。 2 4 通信网络的设计 通信网络的设计主要是把三台p l c 和一台工控机连在一起组成通信网络，实现 p l c 之间、p l c 和工控机之间的相互通信。本次设计的通信网络如图2 - 2 所示，采用 s i n e c l 2 的网络，通信协议采用p r o f i b u s f m s 。 2 4 1p l c 通信硬件的选择 西门子p l c 装置的种类很多，目前主要有s 5 、s 7 两大系列，可以连入的p l c 网络也有多种，例如s i n e c h 1 、s i n e c l 2 等，为了方便用户的使用，西门子公司 设计了多种通信处理器，通过这些通信处理器连入不同的网络，完成网络通信。当不 同的p l c 连入s i n e c l 2 网对，需要选择相应的通信处理器来完成通信任务。这些 通信处理器均带有微处理器，能单独处理通信任务，无需p l c 的c p u 提供服务。通 信时，只需p l c 将数据送到通信处理器中，通信处理器自行完成通信任务。 在本次改造中，为了最大限度的利用原来的设备和布线，仅更换了三块通信处理 器和一台工控机，以及现场接线的少量变动。改造后的主要硬件如下：三台s 5 1 3 5 u p l c ( 分别命名为，3 5 0 、4 0 1 、4 0 8 ) 。三块c p 5 4 3 1 - f m s 通信处理器。一块c p 5 4 1 2 t f 通信处理器( 也称为现场总线网卡) 。一台工控机。连接电缆、屏蔽双绞线若干。 2 4 2s i n e c - l 2 网的通信原理 s i n e c l 2 工业局域网是依据p r o f i b u s 现场总线协议建立的，其通信协议采用 p r o f i b u s 的通信协议，下面分2 部分介绍其通信原理。 一s i n e c l 2 的存取控制方式 s i n e c l 2 网采用令牌方式与主从方式相结合的存取控制方式，如图2 - 4 所示。 s i n e c l 2 网中的站分为主动站和从动站两类，一般各种s 5 可编程控制器、联网 的个人计算机、编程器等都可作为主动站，而智能传感器、变送器、执行元件等可作 为从动站。主动站享有网络的访问权，而从动站处于被动地位，当它收到主动站要求 时才能发送或者接收数据。主站之间采用令牌方式通信，令牌是唯一的。网上的主动 站( 不一定全部) 组成逻辑环，并且使一个令牌在逻辑环中按定的方向一次流动。 凡是获得令牌的站也就获得了s i n e c l 2 网的访问权，并且获得预先定义的令牌持有 时间。在这段令牌持有时间内，该主动站也就成为整个s i n e c l 2 网的主站，这就是 所谓“令牌控制主站浮动”的概念。一旦一个主动站获得了令牌，这个站在令牌持有 时间内就成了全网唯一的主站，在这段时间内该主站按照主一从方式控制和管理全网。 里竺垒型垫垡塑! 旦竺坠! 鱼茎塑塑垫塑墨叁 逻辑环中每一个站都有一张l a s 表，该表中存放着p s ( 前站地址) 、t s ( 本站地 址) 、n s ( 下站地址) 。在般情况下，每个站都是按照l a s 表进行令牌传递。对于某 个站而言，令牌一定是从它的p s 传来，令牌将要传给它的n s 。这就是令牌的传递过 程。 m ：m a s t e r ( a c t i v es t a t i o n ) 主站 s ：s l a v e ( p a s s i vs t a t i o n ) 从站 图2 - 4s i n e c l 2 存取方式 p r o h b u s 协议规定逻辑环中地址最小的主动站作为环首。环首首先自己给自己 发一个令牌帧，用这个特殊的令牌帧来通知其它主动站要开始建立逻辑环了，并告诉 大家谁是环酋。然后环首按地址增大的顺序把“r e q u e s tf d ls t a t u s ”发送给自己的 下一站。如果它的下一站用“n o tr e a d y ”或“p a s s i v e ”应答，则环首把此下一站地 址登记到g a p l 表中；如果它的下一站用“r e a d yf o rt h el o g i c a lr i n g ”应答，则 环首把这个下一站地址登记到l a s 表中。以此类推，这就是逻辑环的建立过程。 逻辑环中每个站都要负责从自己的本站地址到自己的下站地址这段地址空间中 各站状态的检查和修改。这段地址空间称为g a p ，这段地址空间中站的状态表称为 g a p l 。逻辑环上每个站都要周期性地对自己负责的g a p 进行检查。主动站用“r e q u e s t f d ls t a t u s ”对g a p 空间站进行检查，这些站可能用“n o tr e a d y ”或“p a s s i v e ”应 答，或者“r e a d yf o rt h el o g i c a lr i n g ”。如果是“r e a d yf o rt h el o g i c a lr i n g ”， 则说明g a p 中增加了一个新主动站。假如某个主动站退出逻辑环，则相应的g a p 表 要作相应修改，该站的上一站和下一站之间的地址空间构成新的g a p 。这就是逻辑环 中站的添加和删除。 二p r o f i b u s 的通信原理 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e d b u s ) 是s i e m e n s7 1 ：发的一个工业控制现场总线的标准， 主要用于过程控制和制造业的分布式控制。它主要由三部分主成： p r o p i b u s im s ， 这是最通用的模块，提供了大量的通信服务。用以完成以中等传输速度进行的循环和 南京航空航天大学硕士学位论文 非循环的通信任务。p r o f i b u s d p ，这是一种经过优化的高速而便宜的通信模块， 专用于对时间有苛刻要求的自动控制系统和设备级分散i 0 之间进行通信。 p r o f i b u s p a ，这是s 1 e b l e n s 专门为过程自动化而设计的。本次设计r ”采用的是 p r o f i b u s f m s 。 p r o f i b u s 是i s o o s l 参考模型的一种简化，其通信协议按照应用领域进行了优 化，只包含参考模型的第1 、2 和7 层，是参考模型的一种塌缩结构，这样加快了现 场信号的传输，更好地符合工业现场实时性要求。其体系结构如图2 - 5 所示。 a l i f m s f m a 7 l l i 未定义 未定义 未定义 未定义 f l c f m a l ，2 m a c p h y 应用层 表示层 对话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 - 5p r o f i b u s - f m s d p 体系结构 p h y ( 物理层) 主要是指传输介质和总线接口的选择，p r o f i b u s 标准对于不同 的传输技术定义了唯一的介质存取协议。电缆，按照e i ar s 一4 8 5 标准，使用双绞 线，屏蔽任选，可广泛地用于制造业、智能大楼、设备驱动等应用领域。光纤，采 用p n o 标准，使用光纤传输可以较大幅度地增加总线的长度和数据传输速率以适合高 度分布系统环境。 o s i 参考模型的第二层提供了介质存取控制功能、数据的完整性检查以及传输执 行的协议。在p r o f i b u s 中称第二层为现场总线数据链路( f d l ) 。其中m a c ( 介质存 取控制子层) 描述了连接到传输介质的总线存取方法。p r o f i b u s 采用了令牌传递和 主一从结合的混合访问方法，令牌在主动站之间流动，从动站由主动站循环查询。f l c ( 现场总线链路控制子层) 规定了f d l 对l l i ( 低层接口) 提供的有效服务，包括s a p ( 服务访问点) 的管理和提供l l i 相关的缓冲器。f m a l 2 ( 现场总线管理) 完成m a c 特定的总线参数设定和物理层的设定，f l c 和l l i 之间的s a p 可以通过f m a l 2 激活 或撤销，第1 层和第2 层出现的错误事件被传递到f m a 7 。 i s o o s i 参考模型的第3 - 6 层在p r o f i b u s 中没有具体应用，这些层的重要功能 都集成到l l i ( 低层接口) 中。 基于c a n 总线的f o c k e 包装机的数据采集 第7 层的l l i ( 低层接口) 将f m s ( 现场总线信息规范) 的服务映射到第2 层f l c 的服务，监控数据链路的连接和数据的传输，检查建立连接期间用于描述个逻辑连 接通道的所有重要参数。f m s 主要用于协议数据单元的编码和译码，将通信管理的应 用服务和用户数据分组，访问某个应用过程的通信对象。f m a 7 ( 第7 层的现场总线管 理) 保证了f m s 和l l i 子层的参数化以及总线参数向第2 层f m a i 2 的传递，在某些 引用过程中还可以通过f m a 7 把各个子层的事件和错误显示给用户。 第七层之上的应用层接口( a l l ) 是应用过程的接口。a l i 的目的是将过程对象 转换成通信对象。因为每个过程对象都是出它所在的对象字典( o d ) 中的特性( 数据 类型、存取保护、物理地址) 所描述的。 p r o f i b u s f m 8 通信模型利用通信关系表( c r l ) 把分散的应用过程统一到一 个共用的过程中。在应用时，一个现场设备中被用来通信的部分称为v f d ( 虚拟现 场设备) 。一台实际设备可能含有数个v f d ( 如一台p l c 带有多个通信处理器) ，但 在大多数情况下，一台p l c 、p g 和i p c 都只代表一个v f d ，在编程中应给其取名， 以便程序识别。在p r o f i b u s 通信模型中，a l i ( 应用层接e 1 ) 完成v f d 到实际设 备的功能映射。图2 - 6 表示了实际现场设备和虚拟现场设备之间的关系，图中只有某 几个变量( 如产量、温度) 可通过2 个关系表读写。 实际现场设备 虚拟现场设备( v f d ) 固一固 对象字典( o d ) 静态对象字典 索引对象代码数据类型内部地址符号 3 0v a r整数 3 0 0 0 h产量 3 1v a d t 浮点4 0 0 0 h温度 图2 - 6 带对象字典的虚拟现场设备 现场设备1 际 现场设备2 际 通信关系表( c r l ) 由一系列p r o f i b u s f m s 通信关系( c r ) 组成，这些c r 描述 了本地通信索引和第二层以及l l i 地址间的关系。和计算机网络通信一样，p r o f i b o s 网络上设备之间的通信也是通过“虚电路”进行的，此“虚电路”在p r o f i b u s 中称 为“逻辑信道”。一个信道的所有参数都放在c r l 中，每个信道在c r l 中有一个入口， 它通过c r 唯一寻址。对于简单站，c r l 已由制造商预先定义好；而其它情况下c r l 则由网络管理服务在本地或通过p r o f i b u s 在远程组态并加载。通信关系表的结构如 南京航空航天大学硕十学位论文 图2 7 所示。 图2 - 7 通信关系表结构 p r o f i b u s 总线上主动站的通信示意图如图2 8 所示。从图中可以看出一个通信 关系是由站地址寻址、第二层服务和l l i 服务访问点( s a p ) 组成，总线上传来的任 何个报文都必须通过一个特定的s a p 和一个相关的通信关系( c r ) 才能传到有关 的f m s 应用。 图2 - 8 主动站通信示意图 基于c a n 总线的f o c k e 包装机的数据采集 2 4 3 通信网络的建立 在介绍了s i n e c l 2 网络的通信原理后，下面将详细叙述s i n e c l 2 网络的建立。 主动站之间的通信是依靠通信处理器进行的，通信处理器本身带有c p u ( 微处理器) ， 不需要p l c 中c p u 的干涉就能实现p r o f i b u s 协议结构中的功能，完成p l c 之间 的通信，在p l c 程序中只需启动通信服务模块即可完成p l c 之间的通信。可见，只 要正确地对通信处理器进行编程就可建立通信网络。 本次设计中采用了三块c p 5 4 3 l f m s 通信处理器和一块c p 5 4 1 2 t f 通信处理器， 把p l c 和工控机连成网络，组成通信控制网，其网络示意图如图2 - 2 所示，图中p l c 和工控机均设置为主动站。下面分别介绍这2 种通信处理器的编程。 1 c p 5 4 3 1 - f m s 的编程 c p 5 4 3 1 一f m s 通信处理器用于将s 5 1 1 5 u h 、s 5 1 3 5 u 和s 5 1 5 5 u h 可编程序控 制器连接到s i n e c l 2 网络上。该通信处理器具有以下特点： ( 1 ) c p 5 4 3 1 - f m s 直接插入s i m a t i cs 5 可编程序控制器底板中并占一个槽位。 ( 2 ) 有1 个1 5 针的d 型插座用于连接s i m a t i cs 5 编程器，通过编程器对 c p 5 4 3 i - f m s 进行配置，然后通过该d 型插座下载到通信处理器的存储器模块中。1 个9 针d 型插座用于连接s i n e c l 2 总线( r s 4 8 5 通信) 。c p 5 4 3 1 f m s 可通过p , $ 4 8 5 总线耦合器与s i n e c l 2 总线电缆相连。 ( 3 ) 有一个存储器模块插槽，可插3 7 6 e p r o m 或3 7 7 r a m 子模块，最大容量 均为6 4 k b 。通信处理器的相关配置就存放在存储模块中。 c p 5 4 31 可使用