（机械电子工程专业论文）现场总线技术及其应用研究.pdf

郑州大学硕士论文 摘要 现场总线技术是当今炙手可热的自动化技术，它对自动化领域的影响不是浅 表的触动，而是观念的彻底更新和控制体系的彻底变革，其研究意义是非常巨大 的。本文研究了p r o f i b u s 总线技术及其在模块化自动生产系统中的具体应用。 论文首先综述了现场总线技术的概念、特点、系统组成、通讯协议。然后对 现场总线技术的形成背景、研究现状及发展趋势作了全面系统地分析，并具体介 绍了国际上几种典型的现场总线技术。随后本论文其中着重介绍了p r o f i b u s 现场 总线技术，对它的技术特点、协议结构、总线存取协议等方面作了全面论述，并 分别对p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a ，p r o f i b u s f m s 三种技术分别作了深入研究与探 讨。 本文结合工程实例，详细论述了应用p r o f i b u s d p 技术到实际控制模块化加 工生产系统中的应用过程。阐述了整个控制生产加工系统中的送料工作站和颜色 识别与测深工作站的电气控制、气动控制、p l c 程序控制和计算机监控程序这四个 系统部分。该项目采用的是德国s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列的3 1 5 - 2 d pp l c ，用 s t e p 7 编程软件通过梯形图语言进行了模块化的编程、调试。上位机用w i n c c 工控 组态软件监控组态，实现现场数据实时记录和监控，设计了实时监控、记录查询、 报警、实时模拟等具有w i n d o w s 风格的动态操作画面。 此外，文中对系统中的测深设备线性电位器的工作原理，以及阀岛气动技 术都作了较为详尽的探讨。 关键词：现场总线p l c 控制系统模块化 1 1 郑州大学硕上论文 a b s t r a c t f i e l d b u si st h eh o t t e s ta u t o m a t i o nt e c h n o l o g yt o d a y , w h i c hh a sag r e a ti n f l u e n c e o nt h ea u t o m a t i o nf i e l d i tm e a n se n t i r e l yu p d a t i n go fc o n t r o li d e ao fp e o p l ea n d a b s o l u t e l yr e v o l u t i o no ft r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r u c t u r e s oi t i sv e r ys i g n i f i c a n tt om a k e s o m er e s e a r e h so nf i e l d b u st e c h n o l o g y t h i sp a p e rs t u d i e sp r o f i b u st e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ni nt h em o d u l e s o fa u t o m a t i cp r o d u c t i o ns y s t e m f i r s tt h ep a p e ro v e r v i e wt h e c o n c e p t o f f i e l d b u s ，i n c l u d i n gi t sf e a t u r e s ， c o m p o n e n t ，a n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h e n ，t h eb a c k g r o u n do ff i e l d b u s ，r e s e a r c h s t a t u s ，d e v e l o p m e n tt r e n do fi ta l ea n a l y z e ds y s t e m i c a l l y , a n dd e s c r i b es e v e r a lt y p i c a l f i e l d b u st e c h n o l o g yi nd e t a i l m o r e o v e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo f p r o f i b u sf i e l d b u s ，a c r o s st h ef e a t u r e s ，c o n s t r u c t i o no fi t sp r o t o la n da c c e s sp r o t o c o l f i r s ta n dt h e n a n a l y z e s t h e p r o f l b u s - d p , p r o f i b u s - p a , p r o f i b u s - f m s t e c h n o l o g i e s t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no f p r o f i b u s d pt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h e m o d u l e so fa u t o m a t i cp r o d u c t i o ns y s t e m ，w h i c hit a k ep a r ti nd e s i g n i n gd i s t r i b u t i o n s t a t i o na n dt e s t i n gs t a t i o n e l e c t r i c a ld e s i g n ，p n e u m a t i c sd e s i g n ，a n dt h ep r o g r a m m eo f p l co ft h et w os t a t i o n s ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i t hw i n c et om o n i t o rt h ep r o d u c t i o n l i n ea r ed e s i g n e d nt h i s p r o j e c t ，p j cw i t hs 7 - 3 0 0 , 3 1 5 - 2 d po fs i e m e n sc o m p a n y , t h e p r o g r a m m ei nl a d d e rd i a g r a ml a n g u a g e ；u s i n gw i n c es o f t w a r e i nt h eh j i g hl e v e l s u p e r v i s o r yc o m p u t e rt oc o n f i g u r et h es u p e r v i s o r ys o f t w a r e ，r e a l i z i n gt h er e a l - t i m e d a t a l o g g i n g , s u p e r v i s i n ga n dc o n t o l l i n g ，a sw e l l a sv a r i o u sv i s u a lh m lw i t h w i n d o w sf e a t u r e s t h ep a p e ra l s om a k ed i s c u s s i o no nh o wt h em e a s u r i n gd e v i c e s - - p o t e n t i o m e t e r w o r k si nt h es y s t e m ，a n dt h ev a l v eb o xt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：f i e l d b u s p l cc o n t r o ls y s t e mm o d u l a rp r o d u c t i o ns y s t e m i u 塑塑查塑主兰塞望! 璺墨望呈璺 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学 位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行 为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后 果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 猴 砂毋厂月2 0 日 郑州大学硕士论文 绪论 1 研究本课题的目的和意义 科学技术的发展日新月异，特别是计算机技术、通信技术及网络技术的发展 与应用，给各行业都带来了深刻的系统变革，同时也使传统的控制方式注入了新 的生机。现场总线技术使系统信息交换沟通的领域迅速覆盖到工厂的设备层到控 制层、管理层，逐步形成以自动化系统为基础的企业信息系统【l i 。 现场总线技术的关键标志是它能支持双向、多变量总线式全数字通信，而传 统的4 2 0 m a 模拟直流回路只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数。随着控制 系统的日益复杂、信息量的增多，会出现4 2 0 m a 传输的瓶颈现象，而现场总线 由两根导线组成的网段上可挂接多个现场仪表，通过网络节点问操作参数和数据 的调用，实现信息共享与系统的各项自动化功能。从根本上改变了原有模拟仪表 的一对一方式，同时还节省了硬件数量、安装费用，提高了系统的准确性与可靠 性，并为设计，安装，维护带来了许多方便。所以现场总线技术替代4 2 0 m a 模 拟信是控制系统发展的必然趋势。现场总线技术及现场控制系统已成为世界自动 化技术的热点。现场总线技术的产生掀起了自动控制行业的一场革命，它以系统 的开放性、互可操作性、互用性、系统结构的高度分散性及现场设备的功能自制 性等诸多优点必将取代了传统的dcs ( 集散式控制系统) 。i z 】 现场总线作为一种正在发展的新技术，在外国迅速发展，但其种类和标准太 多，如基金会现场总线，l o n w o r k s ，p r o f i b u s 和h a r t 而实际上没有一种能 覆盖所有应用面。为此我们有必要对各种有影响的现场总线技术的性能和范围作 一比较。另一方面现场总线技术在国内可以说只是刚刚起步，较之国外有相当大 的差距，就目前的状况而言，独立研究一套现场总线技术还不太现实，我们应该 引进、吸收成功现场总线技术，深入了解现场总线的技术细节，研究掌握他们的 不同之处和应用范围，才能使之更快、更好的应用到自动控制工业领域中去。现 场总线技术及其产品的发展，迫切要求我们尽早掌握这一门技术及其应用。 基于以上所述，我们可知选作现场总线这方面的课题是十分有意义的，有使 用价值的。本课题结合实验室建设，以西门子和费斯托公司的产品为研究平台， 着重研究p r o f l b u s d p 现场总线技术及其在模块化生产加工系统中的应用。这 些研究，对于现场总线技术在国内的推广应用具有一定的实际意义和参考价值。 郑州大学硕士论文 2 本论文的主要工作 本论文对现场总线技术的基本特性作了细致地分析研究，并结合具体工程实 例详细论述了p r o f i b u s d p 现场总线技术在模块化生产加工系统的应用过程，包 括系统的工艺流程设计、工作原理、控制方式、硬件的总体的设计、s t e p 7 软件 的编程及用w i n c c 监控软件的编程等几个主要方面。 论文的第一章首先对现场总线的定义概念、特点、通讯协议、现场总线控制 系统组成一一进行了探讨分析，并具体分析探讨了国际上几种典型的现场总线技 术的发展背景、研究现状与发展趋势。随后在第二章中着重介绍了p r o f i b i j s 现 场总线技术，对它的技术特点、协议结构、总线存取协议等方面作了全面论述， 并分别对p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a ，p r o f i b u s f m s 三种技术分别作了深入研 究。第三章主要对模块化生产加工系统进行了介绍：包括系统的工艺、总线的控 制方案选取、硬件的总体设计及应用软件的介绍；第四章主要介绍p l c 控制系统 的设计：主要包括送料工作站和颜色识别与测深工作站的p l c 模块组成部分的介 绍、i o 地址分配、电路设计与程序流程功能图及编程思路；第五章主要介绍了 基于w i n c c 监控软件开发的人机监控组态画面的设计，主要包括人机交换界面的 开发过程及思路。 在该项目中，本人主要参与了p r o f i b u s 控制网络的结构选型和整个生产系 统中送料工作站模块和颜色识别与测深工作站模块的电路设计、硬件组态。并独 力应用s t e p 7 软件进行了编程控制系统生产流程和用w i n c c 软件完成了人机交换 监控画面的设计。 郑州大学硕士论文 第1 章现场总线技术概述 随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业 乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展引起了自动化系统结构的深刻变革， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线的突破性进展在于把所有的现场 设备连接成网络，实现了工业控制系统的分散化、智能化、数字化、开放化，因 此具有强大的生命力，现场总线技术成为当今自动化领域发展的热点之一。i q 1 1 现场总线技术本质含义 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 点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。按照 国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准将其定义为“安装在制造和过程区域的现场装置 与控制室内的自动控制装置之问的数字式、串行、多点通信的数据总线”。简单 的说就是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线。它在制造业、流程工 业、交通、电力、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 1 2 现场总线系统的特点与优点 1 2 1 现场总线系统的结构特点 现场总线是计算机、通信、控制等技术的的融合。它把专用微处理器置入现 场自控设备，使设备本身具有了数字计算和数字通信能力，这样不仅便于现场设 备的信息传输和交换，还为信息远程传输创造了条件。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，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，加上现场设备各具有通信能力， 现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，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，实现了彻底的现场分散 控制i jj 。图1 1 为现场控制系统与传统控制系统的结构对比图。 郑州大学硕士论文 传统控制系统结构示意图现场总线控制系统示意图 图1 1现场控制系统与传统控制系统的结构对比 现场总线控制系统采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对信号线上传 输多种信号( 包括多个运行参数值、多个设备状态和故障信息等) ，同时还可为现 场设备提供电源，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、节约硬件设备与各种安装、维护费用创造了条件 1 2 2 现场总线系统的技术特点 现场总线系统具有以下特点：1 1 】i q 系统的开放性现场总线系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准 的共识与遵从。通信协议致公开，各个不同厂家的设备之间可实现信息交换。 互可操作性和互用性互可操作性指互连设备间、系统问的信息可以传送与 沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 现场设备的智能化和功能自治性现场总线将传感测量、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控制的基 本功能，并可随时诊断现场设备的运行状态。 系统结构的高度分散性现场总线构成了一种新的全分散型控制系统的体 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，提高了控制系统的可靠性。 对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线对现场环境有较强地 适应性，是专门为现场环境设计的，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现 供电与通信，并可满足用户本质安全防爆要求。 4 郑州大学硕士论文 1 2 3 基于现场总线的控制系统的优点 基于现场总线技术的上述特点，现场总线控制系统从设计、安装、投运到正 常生产以及维护，都体现出其强劲优越性。d 1 提高了系统的准确性和可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，大大 降低了信号传输过程中的外部环境的干扰，从而提高了现场仪表的精度， 减少了信号传送误差。 节省硬件数量与投资 由于现场总线控制系统中分散在现场的智能设备能 将底层控制、累计、报警监视等功能在现场仪袁中直接实现。现场总线系 统不需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，从 而节省了大笔硬件投资，还减少了控制室的占地面积，大大降低了成本。 节省维护开销 由于现场控制设备的智能化，具有自诊断与简单故障处理的 能力，并且可通过网络将现场设备相关的诊断信息送往控制室，用户可以 在监控站点查看所有设备的运行信息，这样大大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。 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。不会为系统中协议不兼容而一筹莫展。使系统集成过程中 的主动权牢牢掌握在用户手中。 1 3 现场总线控制系统的组成 现场总线控制系统通常由以下3 部分组成：现场智能仪表，控制器和现场总 线系统，监控、组态计算机。这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线 网卡及通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡及通信协议软件是现场总 线控制系统的基础和神经中枢。 1 4 现场总线的通讯协议 现场总线是用来支持现场装嚣，实现传感、变送、调节、控制、监督以及各 装置之间透明通信等功能的通信网络，保证网内设备间相互透明有序地传递信息 和正确理解信息是它地主要集成任务。现场总线的般通信协议，如图i 2 所示。 现场总线协议是参照国际标准化组织i s o 制定的i s o o s i 开放系统互连参考 模型并经简化建立起来的，目前尚无最终完整的国际标准。o s i 参考模型共分t 郑州大学硕士论文 层，现场总线协议则根据自身的特点加以简化，采用了物理层、数据链路层和应 用层，同时考虑到现场装置的控制功能和具体运用又增加了用户层。现场总线协 议结构的各层功能定义如下：【3 】 第一层：物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义了网络信道上的信号与连接方式、 传输介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。 第二层：数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 定义了一系列服务于应用层的功 能和向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息 传送的差错检验功能。 第三层：应用层( f i e l d b u sa p p l i c a t i o nl a y e r ) 为用户提供了一系列的服 务，拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场 总线控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开放性。应用层与其它 层的网络管理机构一起对网络数据流动、网络设备及网络服务进行管理。 第四层：用户层( u s e rl a y e r ) 是专门针对工业自动化领域现场装置的控制和 具体的应用而设计的，它定义了现场设备数据库问相互存取的统一规则。 i s o o s i 模型现场总线协议f f 模型p r o f i b u s - d pp r o f i b u s - f m s 应用层 表示层 会话层 传辅层 网络层 披据链路层 物理层 应用层 用户层 功能块 设鲁描述 传送块 总线接口子层 一 通信栈 翦据键路层 物理层物理层 应用层接口 用户接口 应用层 信息规范 低层接口 隐去第3 隐去第3 至第7 层至第6 层 数据链路层 数据链路层 物理层物理层 图1 2 现场总线的通信协议 1 5 现场总线的发展背景、研究现状与趋势分析 1 5 1 现场总线的产生与发展 2 0 世纪5 0 年代前，第一代过程控制体系结构：基地式气动仪表控制系统。 随后的2 5 年，第二代过程控制体系结构使用的是4 2 0 m a 的模拟信号。到了7 0 年代，人们丌始用数字信号代替模拟信号，在测量、模拟和逻辑控制领域率先使 用了数字计算机为基础加上扩展j o 接e l 而构成的数字控制系统，企图用一台计 6 郑州大学硕士论文 算机取代控制室的几乎所有的仪表盘。中心控制是一台计算机，当然，它可以是 单片机，也可以是个人计算机，或者是通用型工业控制机。这个控制系统的缺点 是：模拟信号数字化的工作在计算机端，使得太多太长的现场连线通过各类干扰 环境才到达现场，这些连线传递着不同性质的信号，有微弱电流、电压信号，也 有大功率的脉冲、开关信号，加上环境干扰，使系统抗干扰的设计和实现都十分 困难，另外计算机出现故障，就会造成整个系统瘫痪。 到了8 0 年代，第四代过程控制体系结构( d c s ) ：把微处理器被嵌入到各种现 场仪器设备，使现场设备产生了智能化。这种体系结构中，多台微处理器分散在 现场，它们之间利用高速数据通道连接在一起，构成分布式网络控制系统。分布 式网络控制系统的众多基本调节器是以微型计算机为核心、加上扩展的i o 接口 电路而组成，担负着系统的基本控制任务。由于多台微型计算机分散在现场进行 控制，避免了集中式控制系统风险高度集中的缺点。然而，分布式控制系统仍然 存在如下问题：1 4 ( 1 ) 以微处理器为核心的调节器硬性地被指定一组特定的任务，在绝大多数情 况下，通信由一个具有“网关”的专用网络来完成，而且网关的大部分程 序是用户编写的，所以开发技术相当复杂。 ( 2 ) 对于通信网络中的控制站或输入输出单元，现场仪表依旧是一对一的模拟 信号传输，而工业生产现场环境十分恶劣，既有各种电磁场干扰，又有各 种酸、碱、盐等腐蚀性有害物质，仅采用一般的通信网络很难克服恶劣环 境对对网络系统的影响。 另外d c s 体系结构仍然有许多不尽人意的地方，比如各个公司都有各自的标 准，不能互联。而且所谓分散控制也不是完全彻底的，所谓的数字化也仅是半数 字化而己等等。被控现场的网络问题也一直是困扰传统的d c s 的问题，长期以来 无法解决的问题之一。分析其原因，除了受被控现场环境制约外，还有就是被控 现场现场级要求数据响应的时间是几毫秒到零点几秒，车间级网络响应时间要求 在几秒内，而工厂级网络响应时间要求在几分钟。 现场总线技术，它使现代c i m s 网络体系结构简化为三级网络：计划层，监 控层和传感器层。现场总线的实时、可靠、低成本、使用方便等特点使其在被控 现场层得到广泛应用，它很好地解决了上几代控制系统中遗留的问题，无论从信 郑州大学硕士论文 号标准、通信标准到系统标准，还是从体系结构、设计方法、安装调试到产品结 构都有革命性的变革。以现场总线为核心的现场总线控制系统( f c s ) 必将取代传 统的d c s 系统，成为第五代过程控制体系结构。【2 】 1 5 2 国内外现场总线的研究现状与发展趋势 现场总线技术由于在减少系统线缆、简化系统安装、维护和管理、降低系统 的投资和运行成本等方面的优越性，引起了人们的广泛关注，它的诞生导致了自 动控制领域的一场革命，并在世界范围内得到了大范围的推广发展。现场总线技 术已广泛应用于过程自动化，加工制造，医药，交通运输等各个领域。 我国自8 0 年代后期即开始研究将现场总线技术以跟上国际自动化控制技术 的发展，并于9 6 年正式将现场总线技术的研究和产品开发列为。九五”国家重点 科技攻关项目。这期间国家机械工业局，教育局和中科院组织力量对h a r t 、f f 等现场总线展开研究和开发，到现在已经取得了阶段性成果。目前生产现场总线 系统产品的有：浙大中控公司、北京华控技术有限责任公司、冶金自动化研究院、 沈阳自动化研究所和上海工业自动化仪表研究所等。采用的现场总线有：c a n 、 h a r t 、f f 、l o nw o r k s 、p r o f i b u s 等。生产智能现场检测仪表和执行器产品的有： 上海自动化仪表股份有限公司、西安仪表有限责任公司、北京华控技术有限责任 公司、重庆自动化仪表研究所和上海工业自动化仪表研究所等；另有一批民营企 业从前述企业购买核心现场总线模块，自行组装各种类型的现场总线仪表。产品 包括变送器、执行器、分析仪表等4 0 余种基型产品。在我国现场总线技术已经 度过了启蒙宣传期，进入推广应用期，正在健康、茁壮地迅速发展。1 5 j 国际上，自八十年代中期开始，相继成立了一些组织机构以制定标准，这些 组织的工作已取得了一些成效。在欧洲，德国的p r o f i b u s ，法国的f i p ，英国的 e r a ，挪威的f i n t 等都相继成为该国的国家标准；一些公司也都建立了自己的标 准，如e c h e l o n 公司的l o nw o r k s ，b o s c h 公司的c a n ，r o s e m o u n t 公司的h a r t 。 目前国际、国内现场总线技术的发展呈现以下几种趋势：i 6 】 由于众多行业需求各异，加上各公司的商业利益以及用户习惯的继承，预 计在今后很长一段时问内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场 有几种异构网络互连通信的局面。但发展共同遵从的统一标准规范，真正 形成开放互联系统，是大势所趋。 郑州大学硕士论文 现场总线作为自动化领域的一种新技术，同其它控制理论技术结合的可能 性非常大，尤其是它与高级过程控制理论( 如智能控制，模糊控制) 的结合， 值得深入研究和探索。 h a r t 协议作为从模拟仪表向现场总线系统转变过程中出现的过渡技术，在 一定时期内具有一定的生命力。 努力使控制网络和数据网络结合，使以太网的引入成为热点。随着计算机网 络技术的发展和计算机价格的降低，使i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 之间 的相互通信使这种希望成为可能，现场总线接入i n t e r n e t 在一定条件下可 以通过i n t e r n e t 监视并控制这些生产系统和现场设备的运行情况和各种参 数，从而可以节省大量的人力和物力。【2 】 1 6 国际上几种有影响的现场总线技术的由来、技术特性与 现状分析 自8 0 年代未以来，国际上几种典型的、有影响的现场总线技术已逐渐形成 其影响，并在一些特定的控领域显示了其卓越优势。它们具有各自的特点和优势， 下面我们一一简单介绍一下： 1 6 1 基金会现场总线 1 ) 由来 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e d b u s ) 标准是现场总线基金会组织开 发的。现场总线基金会是一个中性的，不以盈利为目的的国际性的协会组织，它 致力于制定一个符合i e c i s a 标准的国际现场总线并加速现场总线的实用化。它 得到了世界上主要自控设备供应商的广泛支持，在北美、亚太、欧洲等地区具有 较强的影响力。基金会现场总线系统是为适应自动化系统、特别是为过程自动化 系统的需要专门设计的。它能适应本征安全防爆的要求，还可通过传输数据的总 线为现场设备提供工作电源。【5 】 2 ) f f 总线技术特性 f f 总线采用了i s o o s i 的第、二、七层，即物理层、数据链路层和应用 层，另外还增加了用户层。这样，可以将其通信模型视为四层。其中，物理层规 定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备问共享网络和调度通信；应用层 郑州大学硕十论文 被化为两个子层。上层是应用服务，它由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 ) 定义，并向用户层提供服务。f m s 与用户层对象字典o d 配合，为现场设备规定 了功能接口。下面子层是现场总线访问子层f a s ( f i e l d b o sa c e s ss u b l a y e r ) 它与数据链路层联结，提供了3 种服务：发布索取、客户服务器、报文分发； 用户层规定了2 9 个标准的功能模块，供用户组态为系统。其中基本功能块t o 个， 先进功能块7 个，计算功能块7 个，辅助功能块5 个。 3 ) f f 现场总线现状 基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率，h 1 现场总线技术已 经完成，而h 2 则尚在开发中。h l 低速总线通过了一致性与可互操作性测试， 但经过登记的产品并不多。因此f f 虽然一再声称系统如何好，如何先进，但 推广应用尚待时日。在国内，冶金部自动化研究所在1 9 9 5 年4 月加入了f f ，1 9 9 6 年华控技术有限公司也参加了f f 。1 9 9 7 年4 月我国成立了现场总线专业委员 会，并申请加入了f f 。 1 6 2l o nw o r k s 现场总线 1 ) 由来 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e tw o r k ) 局部操作网络是由美国e c h e l o n 公 司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。 2 ) l o nw o r k s 总线技术特性 l o nt a l k 协议是l o nw o r k s 技术所使用的协议，它提供了i s o o s i 服务的 全部七层服务。l o nw o r k s 协议支持不同通信介质分段的网络，即可以使用不同 的通信介质。不同信道之间通过路由器互连。 l o n w o r k s 技术所采用的l o nt a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的芯片中。 神经元芯片是l o n w o r k s 的核心，它的显著特点是既能管理通讯，又具有1 o 和 控制功能。神经元芯片高度集成，所有得到和处理信息、作出决定、生成输出和 传输控制信息、七层网络模型标准协议和使用不同的通信介质所需的功能都固化 在蕊片内。集成芯片中有3 个8 位c p u ：1 个用于完成开放互连模型中第l 和第 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第2 个用 于完成第3 - 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背 】0 郑州大学硕士论文 景诊断、函数路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据 包等；第3 个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储 信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。1 1 】 3 ) l o nw o r k s 现场总线现状 目前，已有2 6 0 0 多家公司在不同程度上卷入了l o nw o r k s 技术，1 0 0 0 多家 公司已推出了l o nw o r k s 产品。这些厂家进而组织起国际l o nm a r k 互操作协会， 开发和推广l o nw o r k s 技术与产品。它已经被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动 化、保安系统、办公设备、运输设备和工业过程控制等行业，尤其在建筑领域， l o nw o r k s 技术己成为国际公认的标准。我国建设部为此成立了“中国智能建筑 技术l o nm a r k 协作网”，中国计算机学会工控专委会为进一步推动l o nw o r k s 技术的产品开发、应用，成立了控制网络l o nw o r k s 协作网。 1 6 3p r o f i b u s 现场总线 1 ) 由来 1 9 8 7 年德国联邦科技部集中了1 3 家公司的5 个研究所了力量，按照i s o o s i 参考模型制定现场总线的德国标准。在1 9 9 4 年4 月在d i n l 9 2 4 5 中发表，正式成 为德国现场总线的标准。后来又成为欧洲的标准e n 5 0 1 7 0 。 2 ) p r o f i b u s 总线技术特性 p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线。 i s 0 o s i 模型也是它的参考模型。由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 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领 域；f m s 意为现场信息规范，适合于纺织、楼字自动化、可编程控制器、低压开 关等一般自动化；而p a 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从i e c l1 5 8 2 标准它采用了o s i 模型的物理层和数据链路层。 3 ) p r o f l b u s 现场总线现状 p r o f i b u s 的优点是产品品种比较齐全，从芯片软件到开发工具，己有1 5 0 0 余种产品，并有一定的市场份额。p r o f i b u s 在欧洲已获得广泛应用，据调查在 1 9 9 6 年赢得了4 1 的欧洲市场。在国内，1 9 9 7 年7 月3 日在中国机电一体化技 术应用协会下成立了现场总线p r o f i b u s 专业委员会。p r o f l b u s 已在我国已获广 郑州大学硕士论文 泛应用，如青岛啤酒厂，海尔冰箱生产线，云南玉溪卷烟厂等单位。 1 6 4c a l l 现场总线 1 ) 由来 控制局域网络c a n 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。其总线规范现己被i s o 国际标准组织制订为国际标准，得 到m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p s ，n s c 等公司的支持，己广泛应用在离散控制领域。 目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。 2 ) c a n 总线技术特性 c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 即控制器局域网络，主要用于过程监测及 控制。c a n 属于总线型结构，采用同步、串行、多主、双向通信数据块的通信方 式，不分主从，网络上每一个节点都可以主动发送信息，可以很方便地构成多机 备份系统。c a n 控制器是c a n 的核心，c a n 网络的通讯和网络协议主要是由它完 成。c a n 控制器对外部微控制器( c p u ) 来说是一个存储器映像的i o 设备，它 包括了所有控制c a n 网络通讯的硬件及功能。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。不过，其 模型结构只有3 层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和应用层。其信号传 输介质为双绞线，可挂接设备数量最多可达l l o 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。因为传输时间短，受干扰的概率低。当节点严 重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点信息，支持点对点、一点对多点 和全局广播方式接收发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在 网络止传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动 停止发送，从而避免了总线冲突。【1 l 3 ) c a n 现场总线现状 目前，已有多家公司开发生产了符合c a n 协议的通信芯片，还有插在p c 机上 c a n 总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开放系统和价格便宜等优点。c a n 现用于五大行业即汽车、公共交通的车辆、机器人、液压系统及分散型i o ，另 外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等行业也有应用。 由于它的字节短、速度快、可靠性强，比较适用于开关量的控制的场合。故 郑州大学硕上论文 c a n 的销量在增加。据欧洲市场的调查，c a n 的占有率从1 9 9 4 年的5 增加到1 9 9 6 年的9 。 1 6 5h a r t 现场总线 1 由来 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 即可寻址远程传感器数据 通路是美国r o s e m o u n t 研制的。h a r t 通信协议被为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性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的 市场竞争力。1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。 2 h a r t 总线技术特性 h a r t 通信协议简介：h a r t 协议参照i s o 的o s i 模型的第l 、2 、7 层，即物 理层、数据链路层和应用层。物理层：采用基于b e l l 2 0 2 通信标准的f s k 技术， 即在( 4 2 0 ) m a ( d c ) 模拟信号上叠加f s k 数字信号，逻辑l 为1 2 0 0 h z ，逻辑0 为 2 4 0 0 h z ，波特率为1 2 0 0 b p s ，调制信号为土0 5 m a 或0 2 5 v 。用屏蔽双绞线单台 设备距离为3 0 0 0 m ，而多台设备互连距离为1 5 0 0 m ；数据链路层：数据帧长度不固 定，最长2 5 个字节。寻址范围为o 一1 5 ，当地址为0 时，则处于( 4 2 0 ) i i l a d c 与 数字通信兼容状态：当地址为卜1 5 时，则处于全数字通信状态。通信模式为”问 答式”或“广播式”；应用层：规定了三类命令，第l 类是通用命令，适用于遵守 h a r t 协议的所有产品；第2 类是普通命令，适用于遵守h a r t 协议的大部分产品： 第3 类是特殊命令，适用于遵守h a r t 协议的特殊产品。另外，为用户提供了设 备描述语言d d l ：d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 。 h a r t 协议使用了f s k 技术，在4 2 0 m a 信号过程测量模拟信号上叠加了一 个频率信号，它成功地使模拟信号与数字双向通信能同时进行，而不相互干扰。 h a r t 还可在一根双绞线上以数字的方式通信。【7 】 3 h a r t 现场总线现状 目前世界上h a r t 协议的产品仍就在生产，但它属于模拟系统向数字系统转 变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力。但从长 远观点来看，它必将被别的现场总线技术代替。1 6 】 郑州大学顶十论文 第2 章p r o f l 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 ) 是一种国际性的、开放的、已在世界范围内 得到广泛应用的现场总线。 2 1p r o f i b u s 现场总线概述 1 9 8 4 年，德国慕尼黑大学的一位教授提出了p r o f i b u s 构想，从这以后，联 邦德国科技部组织十几家生产自动化控制系统的公司和研究所，子8 9 年制定了 德国标准d i n1 9 2 4 5 ，并于9 6 年成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，于9 9 年底成为国际标 准i e c6 1 1 5 8 的组成部分。【卅 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。其中p r o f i b u s d p 是种经过优化的高速通信网络，专为自动控制 系统和分散i o 设备之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输： p r o f i b u s f m s 主要解决车间级通用性通信任务，完成中等速度的循环和非循环 通信任务；p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，提供标准的本质安全传输技术， 用于对安全性要求较高的场合及有总线供电的站点。f m s 和d p 一般可混合使用。 2 1 1p r o f i b u s 的基本特点 p r o f i b u s 是一个多主站系统，它允许若干个带各自分散外设的自动化系统、 工程系统或可视化系统在一条总线上联合运行。 p r o f i b u s 系统中的设备类型可分为主站和从站。主站决定总线上的数据通 信。当主站持有总线存取权( 令牌) 时，它可以发送报文，而不需有外部请求。从 站是外围设备，如i 0 设备、阀门、驱动器和测量变送器等。它们没有总线存取 权，只能应答接收到的报文或当主站请求时向主站回发报文。 2 1 2p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 协议的结构是根据o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 参考模型 制定的。p r o f i b u s 的协议结构见图2 1 。 p r o f i b u s d p 只使用第l 、2 层和用户接口。为了获得快速和高效率的数据 传输，第3 7 层没有定义。直接数据链路映射( d d l m ，d i r e c td a t al i n km a p p e r ) 为用户接口提供第2 层的访问服务。用户需要的应用功能，以及各种类型 1 4 郑州大学硕上论文 p r o f i b u s d p 设备的系统和设备行为在用户接口中定义。 在p r o f i b u s f m s 中，第1 、2 、7 层