（微电子学与固体电子学专业论文）基于profibusdp现场总线在吊车控制系统的应用研究.pdf

i i l l l l l l1i l l li iii iil lu l 17 3 6 8 8 7 t h e s t u d yo n t h ea p p l i c a t i o na tt h ec r a n ec o n t r o l s y s t e mb a s e d o n p r o f i b u s - - d po f t h ef i e l db u s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gq i c h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i e j uf a n g 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：乃嬖岛 日期：2 0 1 0 年6 月4 日 学位论文使用授权说明 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，l i p 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本 和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位论文的部分或 全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 磁易 指导教师签名： 谢影 日期：6 6 2 0 1 0 日期：6 6 2 0 1 0 摘要 在吊车控制系统中采用p l c 与现场总线技术实现控制器与各种设备之间的实 时通信，达到分布式控制集中处理的目的。将现场总线控制技术及p l c 的应用在 吊车控制系统中具有一定的创新。西门子公司创立的p r o f i b u s 现场总线与o m r o n 厂家生产的p l c 提供了完善的软硬件支持和系统的解决方案，使得现场总线技术 应用于吊车控制系统成为可能。 本文分析了p r o f i b u s 现场总线技术来源，研究p r o f i b u s 协议及其报文结构； 论述了变频器的原理和控制方式，及采用总线技术对变频器进行控制。阐述了 o m r o n 系列p l c 中p r o f i b u s 总线在吊车控制中的应用。完成了软硬件的配置，程 序的控制，实现了对吊车的p l c 控制及总线的实时通讯：采用的国产组态王软件实 现了上位机与p l c 的通讯，达到了对重要数据的监控，完成了吊车监控系统的设 计。 本文研究目的为实现基于p r o f i b u s 现场总线的p l c 通讯模块控制系统设计及 组态，包括p l c 控制系统设计、组态软件和人机界面的系统设计。对于p r o f i b u s 协议的研究可以更深入的掌握工业现场总线的通信机制。通过p l c 的控制与现场 总线技术的结合，实现了系统安全可靠的运行，增强了系统的稳定性，可操作性。 关键字：p r o f i b u s 现场总线吊车p l c 触摸屏 a b s t r c t t h eu s eo fp l ca n dt h ef i e l db u st e c h n o l o g yi nt h ec r a n ec o n t r o ls y s t e mt or e a l i z e r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o n t r o l l e r sa n de a c hk i n do fe q u i p m e n tc a n a c h i e v e st h ed i s t r i b u t i o n a lc o n t r o lc e n t r a l i z e dp r o c e s s i n gt h eg o a l t h i ss t u d yf o c u s e s o nt h en e wc o n t r i b u t i o no ff i e l db u sc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h ep l ca p p l i c a t i o no nt h e c r a n ec o n t r o ls y s t e m t h ep r o f i b u sf i e l db u se s t a b l i s h e db ys i e m e n sa n dp l c p r o d u c e db yo m r o nf a c t o r yh a v ep r o v i d e dt h ep e r f e c ts o f t w a r ea n dh a r d w a r e s u p p o r ta n ds y s t e m ss o l u t i o n ，m a k i n gt h ef i e l db u st e c h n o l o g yt oa p p l yi nt h ec 姗e c o n t r o ls y s t e mp o s s i b l e t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dt h eo r i g i n a t i o no fp r o f i b u sf i e l db u st e c h n o l o g y , s t u d i e st h ep r o f m u sa g r e e m e n ta n dt h em e s s a g es t r u c t u r ea n de l a b o r a t e st h e p r i n c i p l eo ff i e q u e n c yc h a n g e ra n dt h ec o n t r o lm o d e ，a sw e l la sh o w t ou s et h eb u s s i n g t e c h n i q u et oc a r r yo nt h ec o n t r o lt ot h ef r e q u e n c yc h a n g e r i ta l s oe l a b o r a t e st h e a p p l i c a t i o no ft h ep r o f i b u sm a i nl i n ei np l c o fo m r o ns e r i e si nc r a n ec o n t r o l a n dh a sc o m p l e t e dt h es o t h v a r ea n dh a r d w a r e sd i s p o s i t i o na sw e l la st h ep r o c e d u r e c o n t r o l ，h a v i n gr e a l i z e dt h ec r a n e sp l c c o n t r o la n dt h em a i nl i n e sr e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o n ；t h eu s eo ft h ec o n f i g u r a t i o nk i n gs o f t w a r ep r o d u c e di nd o m e s t i c c o m p a n i e sh a sr e a l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es u p e r i o rm a c h i n ea n dt h ep l c ， a c h i e v e dt om o n i t o rt h ei m p o r t a n td a t a , a n dc o m p l e t e dt h ec r a n es u p e r v i s o r ys y s t e m s d e s i g n t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e st h er e a l i z a t i o no ft h ed e s i g na n dc o n f i g u r a t i o no fp l c c o m m u n i c a t i o nm o d u l a rc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u sf i e l db u s ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no f p l cc o n t r o ls y s t e ma n dt h ed e s i g no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n d m a n - m a c h i n ec o n t a c ts y s t e m t h er e s e a r c ho np r o f i b u sa g r e e m e n tc a na c q u i r et h e m e c h a n i s mo ft h ei n d u s t r yf i e l db u s sc o r r e s p o n d e n c em o r et h o r o u g h l y t h r o u g ht h e p l cc o n t r o la n dt h ef i e l db u st e c h n o l o g y su n i o n , i th a sr e a l i z e dt h es y s t e m ss a f ea n d r e l i a b l em o v e m e n t ，a n ds t r e n g t h e n e dt h es y s t e m ss t a b i l i t ya n d f e a s i b i l i t y k e y w o r d ：p r o f m u s f i e l db u sc r a n ep l ct o u c hs c r e e n 目录 第一章绪论1 1 1 论文研究的背景和意义1 1 2 总线技术研究现状2 1 3 论文研究的主要内容4 第二章龙门吊车控制系统5 2 1 概述5 2 2 吊车电气结构5 2 3 控制系统整体方案提出7 第三章p r o f i b i j s 总线8 3 1p r o f i b u s 总线特点8 3 2p r o f i b u s 协议结构1 0 3 2 1 物理层1 0 3 2 2 数据链路层1 1 3 2 3 用户层1 2 3 3 基本通信机理1 2 3 4p r o f i b u s 从站软硬件设计1 4 3 5 本章小结1 7 第四章电气系统控制实现1 8 4 1p l c 方案设计1 8 4 2 变频器方案设计2 l 4 2 1 变频器原理2 l 4 2 2 变频器设计原则2 3 4 3 p l c 与变频器通讯2 5 4 4 吊车系统的控制实现3 1 4 4 1 运行起升控制实现3 l 4 4 2 联锁控制的实现3 3 4 4 3 纠偏系统控制实现3 4 4 5 本章小结3 6 m 第五章监控系统设计实现3 7 5 1 触摸屏的实现3 7 5 2 组态王的实现3 9 5 3 本章小结4 1 本文总结4 2 致谢4 3 参考文献4 4 攻读学位期间发表的学术论文4 7 i v 绪论 第一章绪论 目前在吊车控制领域中，应用现场总线技术与控制器相结合的方式，控制现 场设备、变频器、控制仪表以及上位机、人机界面等，组成高速、实时、可靠的 网络集成自动化控制系统。工业总线网络应用涉及现场总线网络互联等，具有确 定性、集成性、安全性可靠性等特点。现场总线具有标准的、开放的、双向多站 数字通信的功能，决定控制系统拥有更好的维护性和实施性。可使系统安装维护 升级费用减少，也可以自由选择不同厂商，不同品牌的现场设备实现系统集成的 最优化。与传统控制系统相比可以进一步提高生产效率，降低生产运营成本。所 以研究总线的开放式协议，开发符合协议的各种设备，发挥工业网络控制优势有 利于促进国民经济的进一步发展。 1 1 论文研究的背景和意义 随着工业自动化水平不断的发展，现场总线技术已成为当今自动化领域的亮 点。市场经济的飞速发展、竞争的加剧，使得吊车行业对功能要求也越来越多， 同时具有更高的营运效率和相对低的维护扩展费用。由于各个厂商提供了不同功 能的产品和子系统，采用了不同的通信协议，致使各子系统间实现互操作和系统 互连将很困难。不仅不能对整个系统进行统一的协调和管理，而且有较高的运行 和维护费用，对于系统扩展也不方便。基于以上问题提出了一种开放的、可互操 作的控制技术。现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场 网络通信技术。现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是在计算机 和网络技术飞跃发展的推动下形成的，它是现代计算机、通信和控制技术的集成， 称之为3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r 0 1 ) 技术n 1 。实际上是一种分布式 实时数据网络，它可以将生产过程中的各种信息通过传感器进行实时采集、传输、 显示，执行实时监测、控制任务，还可以完成现场设备的自动保护、设备故障诊 断等功能n 1 。现场总线是应用于生产现场，在智能测量设备之间实现双向串行多 节点数字通信的系统，又称为开放式、数字式、多点通信的底层控制网络。现场 总线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域，代表了今后自动化控制体系结 湖北大学硕士学位论文 构发展的一种方向。1 9 8 7 年开发到1 9 8 9 年诞生的p r o f i b u s 现场总线已经成为欧 洲的标准，也符合美国国家仪表学会的标准，它的应用也极为广泛。p r o f i b u s 总 线的严格定义和健全的特点使其成为开放式的典范，且有众多有影响力的公司支 持使其成为i s as p 5 0 的重要组成部分；并且它灵活的协议芯片比其他几种现场 总线有很大的优势，其价格低廉，易于推广。这些特点使它在化工，冶金，机械 加工及其自动化领域得到迅速普及和应用。 在吊车控制领域，常常由于人工操作失误，导致一些事故产生，为减少这些 失误，提高系统的可靠性，应用p r o f i b u s 现场总线成为一种趋势。由于现场总线 在系统结构上的根本改变，使得现场总线控制系统和传统控制系统相比，在设计， 安装，投运到正常运行，系统维护都有很高的优越性。 1 2 总线技术研究现状 随着自动化系统的不断发展，吊车行业的控制水平也得到了明显的提高。七 十年代前吊车系统大多是人工操作的，起重设备的应用受到局限性，只能依靠操 作人员的熟练程度控制，对操作人的素质有极高要求。八十年代，随着d e s 技术 的产生，人工操作逐渐被微机控制取代，实时稳定性能可提高，操作中只需要一个 控制器就可以解决现场人为因素的影响，增强了系统可靠性。但是在d c s 发展过 程中，由于受当时计算机封闭性的影响，不同厂家的产品自成体系，设备之间不 能互联，自动化过程信息很封闭。九十年代，计算机技术飞速发展，现场总线技 术的产生为吊车自动化带来极为广阔的前景。 目前国内吊车自动化水平与国外先进技术存在一定的差距，作业系统中主要 存在以下的问题：第一，系统准确度不高，准确度对吊车起吊多重的物体有参考 性意义。如果由于测量的不准，可能出现拉伤甚至拉断吊钩，发生重大损失。第 二，系统安装费用高，控制系统设计时需要大量的电缆，接线端子，线槽等。一 些主控设备体积也很庞大，控制室所占面积也很大。系统成本投入将加大。第三， 报警防护欠缺，如果系统在系统保护方面缺乏对异常情况采取缓解和处理措施， 系统快速恢复能力较低，影响了系统的可靠性。第四，网络维护不高，网络硬件 的管理和运行环境、使用人员的安全意识、软件及数据管理等都会产生安全漏洞， 轻者使信息系统瘫痪，重者发生失密、失窃事件，导致经济犯罪乜1 。 2 绪论 由于总线技术的提出与应用使的这些问题得到极大改善。各种现场总线发展 状况主要体现在：第一，技术更新很快，应用更加广泛。自从总线技术发展以来， 各个供应商对技术做了深入改进，力求扩大自己的市场。大部分控制系统都采用 了总线技术；第二，多种总线共存，它们既相互协调又相互竞争。有些总线既作 为自己国家的标准，也合并到一起作为地区标准。如p - n e t 为丹麦国家标准， p r o f i b u s 为德国国家标准，w o r l df i p 为法国国家标准，这三种总线成为并列的 欧洲标准e n 5 0 1 7 0i l l 。总线厂家开发灵活的总线产品。 m o d b u s 协议最初由m o d i c o n 公司开发出来，在1 9 7 9 年末该公司成为施耐德 自动化( s c h n e i d e ra u t o m a t i o n ) 部门的一部分，现在m o d b u s 已经是工业自动化领 域很流行的协议。m o d b u s 协议支持传统的r s - 2 3 2 、r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 和以太网设 备。许多工业设备，包括p l c ，d e s ，智能仪表等都在使用m o d b u s 协议作为他们 之间的通讯标准。 c a n 总线控制器局部网( c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是b o s c h 公司为 解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通 讯协议。它具有高性能、高可靠性、实时性等优点，现已广泛应用于工业自动化、 多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。c a n 属于 现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之 目前许多r s - 4 8 5 基于r 线构建的分布式控制系统而言，基于c a n 总线的分布式控 制系统在以下方面具有明显的优越性：c a n 控制器采用竞争式总线结构，具有多主 站运行和分散仲裁的串行总线以及广播的特点。且c a n 协议取消了传统的站地址 编码方式，而采用对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据， 这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构 成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。c a n 总线技术比较成熟，在汽车内部电 子系统，智能家电网络控制系统得到广泛应用3 1 。 p r o f i b u s ：是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准， d p 型用于分散外设间的高速数据传输适合于加工自动化领域的应用。与其它现场 总线系统相比，p r o f i b u s 的最大优点在于具有稳定的国际标准e n 5 0 1 7 0 作保证， 并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造。过程控制和自 动化等。p r o f i b u s 开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在1 0 多万成功应 湖北大学硕士学位论文 用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中p r o f i b u s 占开放性工业现 场总线系统的市场超过4 0 。p r o f i b u s 有国际著名自动化技术装备的生产厂商 支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务n 1 。 1 3 论文研究的主要内容 基于p r o f i b u s 的优点，将p r o f i b u s 总线应用于吊车控制系统中。p r o f i b u s 总线与其他总线的应用领域及特点，论述吊车控制领域应用总线的必要性。本次 课题的研究是针对吊车系统存在的一些问题，结合控制器与总线技术的通讯，设 计整个吊车控制系统的自动化过程。根据控制系统，本文主要研究以下内容： 1 分析吊车控制系统存在的问题，应用总线技术对吊车整体结构进行表述。 2 阐述p r o f i b u s 技术的基本原理以及软硬件实现等。 3 研究p l c 与变频器的通讯控制实现方式。 4 设计基于p r o f i b u s - d p 网络的吊车控制系统的整体方案，触摸屏监控，组态软 件组态实现等。 4 第二章龙门吊车控制系统 第二章龙门吊车控制系统 2 1 概述 古代灌溉农田用的桔是臂架型吊车的雏形。1 4 世纪，西欧出现了人力和畜力 驱动的转动臂架型起重吊车。1 9 世纪初，出现了桥式吊车。1 9 世纪后期，蒸汽 驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。2 0 世纪初，由于电气工业和内燃机 工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种吊车基本形成h 1 。 吊车系统主要包括起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构和金属结构等。 起升机构是起重吊车的基本工作机构，大多是由吊挂系统和绞车组成。运行机构 一般由电动机、减速器、制动器和车轮组成。变幅机构只配备在臂架型吊车上， 臂架仰起时幅度减小，俯下时幅度增大，分平衡变幅和非平衡变幅两种。回转机 构用以使臂架回转，由驱动装置和回转支承装置组成3 1 。 龙门吊车可分为三种形式：梁式、悬臂式、门式。梁式型吊车在长方形场地 及其上空作业，多用于车间、仓库、露天堆场等处的物品装卸。悬臂吊车有立柱 式、壁挂式、平衡吊车三种形式。门式吊车一般根据门架结构形式、主梁形式、 吊具形式进行分类4 。 本文主要讨论用于船舶制造业的门式吊车。龙门吊车常用来吊装各种船用装 备，造船厂往往对重量级的零件进行搬运，为了提高装备生产能力，提高龙门吊 机的吊重能力至关重要，同时各种大吨位的吊车也相继产生，国内各大船厂新建 的龙门吊机的吊重吨位也随着我国造船行业的迅猛发展而迅速提升。在龙门吊使 用过程中，大多采用的是三相交流滑环式电动机控n d , 车的运动，对电动机的控 制应用的是转子串大型启动电阻的方法进行调速，调速不平稳，启动性能差，耗 能高，大量的保护电器，故障频繁维护量大。针对龙门吊车存在的问题，将吊车 的运行特性采用变频技术，使其性能得到极大提高。 2 2 吊车电气结构 本文研究的电气系统结构主要包括主钩，辅钩起升机构，上、下小车行走机 构及大车行走等机构的控制、监测与保护，以及电源系统、照明、空调、通风、 电梯等供电控制，纠偏功能等。其电气控制结构如图2 - 1 所示： 湖北大学硕士学位论文 p l c 控制器d p 主站模块 i ，o 模块 l 1 l ，r1r 1 r i d p 从站3 d p 从站4d p 从站7 开模 lli 关拟 变 变 变 传传 频频频 感感 器器 器 器 器 厂、 m 开1 重量 当生 图2 - i 电气控制结构图 执行器件分别控制各自的对象，同时通过总线使对象的信息传递给控制器， 操作员能及时得到现场的重要数据。 工控机为工业现场而设计的计算机，工业现场一般环境恶劣，温度条件 都很差，灰尘特别多，有很高的电磁场力干扰。工控机具有很好的抗震，抗 干扰能力强。它用于监视现场采集的实时数据，及重要的历史数据，报警信息。 p l c 即可编程逻辑控制器件，是控制过程中的核心控制器。检测各个执行部 件的信息，同时能对各个部件进行控制，如各种开关动作，限位检测，重量压力 的数据采集，变频器的启动停止等。 触摸屏，以一定的符号和动作来实现，如击键，移动鼠标，显示屏幕上 的符号图形等。同控制器p l c 进行通讯，通过通讯方式进行数据交换，间接对 执行部件进行控制。 组态软件是数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监 6 第二章龙门吊车控制系统 控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构 建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。用于对吊车控制过 程监视，以及一些报警处理，历史数据保存与处理。 p r o f i b u s 通讯模块对从站变频器进行组网，通过通讯方式远程实时监控。 位置编码器是将信号( 如比特流) 或数据进行编制、转换为可用以通讯、 传输和存储的信号形式的设备。对小车的运行速度进行反馈检测，当检测到小 车速度过快时，提醒司机慢速行使，同时进行纠偏处理，使刚腿柔腿同步运行。 另外各种限位传感器，西门子6 s e 7 0 系列变频器，电动机等装置。 2 3 控制系统整体方案提出 根据电气系统结构，各个执行机构分布广泛，控制器，变频器，电机等分布 在不同地方。按传统d o s 方式控制很分散，各种监视控制很不方便，出现故障也 不便于分析。本文主要提出总线网络结构方式，使p l c 控制器，变频器等各个执 行机构信息汇总到p r o f ib u s 总线网络，采用总线通讯方式，实现集中控制的目的。 同时采用变频调速的方式，增强电动机运行性能，达到走行，起升平稳动作的效 果。利用触摸屏等人性化的人机界面，实时监视吊车运作状况，起到报警保护的 目的。另外针对吊车控制工艺要求，提出采用一个变频器控制两台电动机的方案， 大大减少系统成本。 本系统设计主要采用元器件为： p l c c j i h c p u 4 2 p r o f i b u s 主站 c j i w - p r m 2 1 数字量输入c j i w - i d 2 1l 数字量输出c j i w - o d 2 1 1 模拟量输入c j l w _ a d 0 4 卜v 1 变频器 6 s e 7 0 p r o f i b u s 从站 c b p 2 触摸屏 e v i e w 5 0 0 组态软件组态王 图2 2 电气元器件 7 湖北大学硕士学位论文 第三章p r o f ib u s 总线 在整个吊车控制系统中，p r o f i b u s 总线将各种执行器件联系起来，所有信息 通过总线共享。通过总线通讯的方式，迅速捕捉元器件的状态。如变频器出现故 障，触摸屏会很快做出响应，发出报警信号。它是整个系统的生命线，研究 p r o f i b u s 总线结构对吊车系统具有一定的意义。 3 1p r o flb u s 总线特点 现场总线技术是应用在现场的控制系统与现场检测仪表，执行装置之间进行 双向数字通信的串行总线系统。国际电工委员会在i e c 6 1 1 5 8 对现场总线一词的定 义为：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，多点通讯的数据总线称为现场总线n 1 。它主要使用场合为制造业自动 化，批量流程控制等。它是工业网络数据通信的基础，沟通了生产过程中现场控 制设备之间以及更高控制管理层之间的联系。 现场总线是标准化的设计和开放的结构。1 9 8 7 年德国工业界开始设立 p r o f i b u s 联合开发项目，由这个联合体开发的规则和标准不久成为德国工业标 准。德国的国家现场总线标准于1 9 9 6 年成为国际性标准( 欧洲标e n 5 0 1 7 0 ) ：2 0 0 0 年3 月，p r o f i b u s 标准被批准为国际现场总线标准i e c 6 11 5 8 的组成分。p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p 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 y ) 、 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 ) ，p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 1 7 1 结构如图3 - 1 所示： 第三章p r o f i b u s 总线系统 巍增层1 7 数据链路垤1 2 物联堪li 、) ( 3 d p l o ( f m s l j z 刁 王 f m s 瑷备 l d pf i m l 队拜撬i i 桎筑 r l d p 扩孵j j t d p 簇簟功琵 珑翳蘑线臻囊 耀抵ff h i s l瘩倥糟素使用 勇i 蟠蘑绞教搦键路( f d l m c 接掰 r s 描，鬼绛 琢贮1 1 5 孓2 甲 a l l 硼f m a 茏 f l c嗣嗵 u 2 p h y p r o f i b u s 搬嫒缡梅p i t o p i b u s 攫次绪鞠 图3 - 1p r o f i b u s 结构图 p r o f i b u s d p ：主要用于传感器和执行器之间的高速数据传输，是一种高速低 成本的通信协议。根据其所要达到的目标对通信功能加以扩充，d p 的传输速率可 达到1 2 m b p s 一般构成单主站系统。d p 有d p v o ，d p v 1 ，d p v 2 版本。d p v o 用于 第一类主站和从站之间数据交换：d p v 1 用于过程控制场合：d p - v 2 用于等时同步 与从站的通讯。 p r o f i b u s p a ：主要为过程控制的特殊要求而设计，可使传感器和执行机构联 在一根总线上，是具有本征安全规范特性的一种协议，可以用于对本质安全有要 求或一般控制过程的场合1 1 7 1 。 p r o f i b u s f m s ：它的设计旨在解决车间级层次上的通用性通信服务，f m s 提供 大量的通信任务，完成以中等传输速率进行传输的循环非循环的通信任务。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，应用过程中通常要求的是随机的 信息交换( 如改变设定参数等) 。主要应用在大数量的数据传输，或是若干分散部 分集成到一个公共过程里 1 7 1 。 p r o f i b u s 总线系统由主站和从站组成。主站作用是发送总线命令，当主站得 到总线控制权时可以主动发送信息。主站可分为一类主站和二类主站。一类主站 可以决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动 发送信息。1 类d p 主站能够对从站设置参数，检查从站的通信接i ：i 配置，读取从 9 湖北大学硕士学位论文 站诊断报文，并根据已经定义好的算法与从站进行用户数据交换。1 类主站还能 用一组功能与2 类主站进行通信。所以1 类主站在p r o f i b u s - d p 通信系统中既可 作为数据的请求方( 与从站的通信) ，也可作为数据的响应方( 与2 类主站的通信) 。 二类主站一般是工作站、编程器、操作员接口等，主要完成各站点的数据读写请 求、参数配置、系统故障诊断等。从站是具有特殊功能的外围设备，它可以为传 感器、执行器及变送器等，具体完成特定功能的模块。它们没有总线控制权，只 是对主站发出请求时回送给该主站相应的信息。典型的从站包括：输入输出装置、 阀门、驱动器和测量发送器。主站之间使用令牌环方式通信，主站与从站之间采 用主一从方式通信。本文中的一类主站是指p l c ，二类主站是通用p c 机“1 。 3 2p r o flb u s 协议结构 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以o s i 作为参考模型的。它的 协议结构符合开放性和标准化的要求。p r o f i b u s - d p 定义了第1 、2 层和用户接口。 这样大大简化了协议结构，提高了数据的传输效率。用户接口规定了用户及系统 以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同p r o f i b u s - d p 设备的设 备行为n 1 。p r o f i b u s f m s 定义了第一层、第二层、和第七层，应用层包括现场总 线信息规范( f m s ) 和低层接口( l l i ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广 泛选用的强有力的通信服务；l l i 将现场总线信息规范f m s 的服务映射到第二层， 具有监控连接与数据传输的功能。p r o f i b u s p a 的数据传输采用扩展p r o f i b u s - d p 协议。另外，p a 还描述了现场设备行为的p a 行规8 1 。d p ，f m s ，p a 它们的数据链 路层完全一样，即数据基本协议是一样的。虽然p a 的物理层使用m b p 技术，但 p a 也使用d p v o 的基本报文协议，所以d p 和p a 可以互相通信。 3 2 1 物理层 p r o f i b u s 提供了三种数据传输型式：r s 一4 8 5 传输、光纤传输和m b p 传输。分 别介绍如下： 第一种，r s 一4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术，通常称为h 2 。r s - 4 8 5 传输技术可以用于p r o f i b u s - d p 与p r o f i b u s - f m s 。 1 0 第三章p r o f i b u s 总线系统 图3 2r s 4 8 5 电气结构 图3 - 2 中两根数据线为a 线和b 线，分别对应r x d t x d n 和r x d t x d - p 信号。 r s - 4 8 5 传输技术基本特征是：网络拓扑为线性总线，两端接有有源的总线终端电 阻：传输速率一般为9 6 k b p s - 1 2 m b p s ；介质为屏蔽双绞电缆，如果环境干扰不大 也可以不用屏蔽层；不带中继时每分段可连接3 2 个站，带中继时可多到1 2 7 个站。 p r o f i b u s - d p 交换数据使用异步传输和n r z 编码，p r o f i b u s 特征码由1 1 位组成， 1 个起始位，8 个数据位，1 个校验位，1 个停止位。 第二种，d p 的物理层p r o f i b u s - d p 的第一层的另一种类型是通过光纤中光的 传输来传送数据。光缆允许p r o f i b u s 系统站之间的距离最大为1 5 k m 。光缆对电 磁干扰不敏感并能确保总线站之间的电气隔离。最常用的光纤是玻璃光纤和塑料 光纤，其中塑料光纤传输距离短，但价格相对偏宜。这一技术已经普遍地应用于 现场设备之间的数据通信。 第三种，m b p 传输技术。它使用固定传输速率3 1 2 5 k b i t s 和m a n c h e s t e r 编 码的同步传输技术。它能满足化学工业和石化行业的特殊要求，即采用总线技术 的本质安全和总线供电，一般此传输技术用于过程控制自动化领域。 3 2 2 数据链路层 根据协议结构及组成，我们可以认识到，p r o f i b u s 协议采用了1 5 0 0 5 1 模 型中的第1 ，2 层及必要时还采用第7 层。第2 层数据链路层用于数据传输中报文 的一般格式，它包含了对数据传输报文的一般结构描述，安全机制和可用的传输 服务，在i e c 6 1 1 5 8 定义的传输服务包括： s d a ( s e ：l l dd a t a w i t ha c k n o w l e d g e ) ：需要响应的数据传输服务( 仅对于f m s ) s r d ( s e n da n dr e q u e s td a t aw i t ha c k n o w l e d g e ) ：在一个信息循环内完成数据 发送和接收( 仅对于d p 和f m s ) 湖北大学硕士学位论文 s d n ( s e n dd a t aw i t hn oa c k n o w l e d g e ) ：无需响应的数据传输服务( 仅对于d p 和f m s ) c s r d ：需回答的循环数据传输和请求服务( 仅对于f m s ) p r o f i b u s d p 仅限于s r d 和s d n 服务，在s r d 服务时，主站发送输出数 据到从站和接收从站的输入数据，在规定的时间周期内应答。如果从站是纯输出 装置或设备，则它发回一个短报文作为确认报文。s d n 服务是发送数据到规定的 一组从站，可按照要求触发s d n 服务，其报文没有应答。 p r o f i b u s 数据链路层报文格式具有很高安全传输性，每个报文都有海明距 离为4 的保证，在这些报文中，可以检查最多3 个同时出错的位。出错的类型包 括：奇偶检验，溢出，协议出错，起始和终止界定符出错，报文长度出错等。 3 2 3 用户层 用户层主要包括d d l m 和用户接口用户等，他们在通信中实现各种应用功 能。d d l m 是预先定义的直接数据链路映射程序，将所有的在用户接口中传送的功 能都映射到第2 层f d l 和f m a l 2 服务。它向第2 层发送功能调用s s a p 、d s a p 和s e r vc l a s s 等必需的参数，接收来自第2 层的确认和指示并将它们传送给用户 接n 用户。d d l m 功能包括：d p 主站一d p 从站功能，d p 主站- d p 主站功能，d d l m 本地功能( d p 主站本地功能和d p 从站本地功能) 3 0 l 。 1 类主站用户接口与用户之间的接口包括数据接口和服务接口。数据接口包 括主站参数集、诊断数据和输入输出数据。从站的用户接口在d p 从站中，用户 接口通过从站的主一从d d l m 功能和从站的本地d d l m 功能与d d l m 通信，用 户接口被创建为数据接口，从站用户接口状态机实现对数据交换的监视嘲。 3 3 基本通信机理 p r o f i b u s d p 的主要目的是在功能强大的主站与若干简单的从站之间进行 快速循环的数据交换，此外p r o f i b u s 的混合总线访问方式也允许1 类主站与2 类主站之间的主一主通信。主要包括实现组态数据上装，下载，以及读取一类主 1 2 第三章p r o f i b u s 总线系统 站有关数据报文。p r o f i b u s d p 区分主动和被动站，主站形成虚拟令牌环，被 动站不参与令牌传递，因此，被动站不是虚拟令牌环中成员，被动站将在主从通 信中被周期性查询。一个d p 从站和唯一的一类d p 主站相连。一类d p 主站根据自 己的数据库周期性地查询与之相连的从站。二类d p 主站与从站的通信是非周期性 的。令牌循环：对于现场设备相连的一类d p 主站来说，一个非常重要的原因是固 定的循环时间。一个一类d p 主站必须有足够大的目标循环时间，以便他能在每个 令牌持有时间完成对相关从站的查询。 在p r o f i b u s d p 通讯系统中。d p m l 与d p 从站之间的通信类型主要有： 读取从站的诊断信息、参数化设置和组态、循环的用户数据交换。p r o f i b u s - d p 主一从通信过程，大致可以分为：主站发出请求报文，从站响应报文。报文主要 包括：诊断，参数化，组态，数据交换。 对于多主站通信系统，d p m l 和d p m 2 之间的通信有：读取有关d p 从站的 诊断信息，参数的上传和下载，激活总线参数( 无需确认) ，激活与解除激活参数 集，选择d p m l 的操作模式等。d p m _ 2 与从站之间的通信为非循环的，包括读取 从站的通信接口配置、输入输出数据和设置从站地址。 单主站系统模式如图3 3 所示： 图3 - 3 单主站方式 多主站系统模式如图3 - 4 所示： 湖北大学硕士学位论文 图3 - 4 多主站方式 3 4p r o flb u s 从站软硬件设计 设计从站模块让设备连接到p r o f i b u s d p 总线上，目前市场上p r o p i b u s 主站都采用专用芯片，而从站设备可以采用单片机和软件开发的解决方案，也可 以单片机和p r o f i b u s 通信专用a s i c 。前一种方式需要精通p r o f i b u s d p 协议， 开发周期长，难度较大，一般不选择。采用专用的芯片，如：p b s ，p b m ，s p c 3 ，s p c 4 ， 6 8 3 0 2 ，6 8 3 6 0 ，s p l v l 2 ，a s p c 2 等，开发者自己设计硬件电路，编写g s d 文件， 并对产品进行调试。对于设计者来说，不需要了解p r o f i b u s d p 协议细节，开发 所花费的时间较少，且产品的性能指标较高，能满足工业现场需求。 在设计时采用第二种方式，其硬件结构如图3 - 5 所示： 图3 5d