（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线的自动配米控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 配米技术作为大米由粗加工向精加工发展的方向之一，越来越受到各科研院所和大 多数大米加工企业的重视。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点，被誉为自动化 领域的计算机局域网。现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始， 基于现场总线技术的自动控制系统被越来越广泛地应用于工业生产中。本课题就是在这 样的背景下设计研究的。 本课题来源于某米业有限公司的精制米生产线中的配米工艺。论文详尽分析了精制 米自动生产线以及自动配米控制系统工艺流程，结合相关的技术要求和用户需求，以现 场总线技术为设计基础构建了自动配米控制系统的总体网络结构，并采用德国西门子产 品( 可编程序控制器p l c 、上位机监控软件w i n c c 等) 完成对自动配米控制系统的设计和 实现过程，并对自动配米控制系统进行了算法研究。 论文主要设计开发了p l c 控制程序和上位机监控系统。重点研究了系统总体实现过 程，对系统硬件配置、w i n c c 和s t e p7m i c r o w i n3 2 软件的应用、配米系统的模型都 作了详细的分析。具体说明了设备点的配置和组织、人机界面的设计以及其中涉及的细 节问题。 整个系统经过现场调试，现已成功投入运行，工作稳定可靠，实现了生产自动化及 企业信息化，大大提高了产品的产量及质量，有效的提高了生产效率，增加了企业效益。 关键词：现场总线；配米：w i n c c ；p r o f i b u s d p ；p l c ； a b s t r a c t a b s t r a c t i l lp r e s e n tt i m e ，b l e n d i n gr i c et e c h n o l o g y a so n eo ft 量l ed i r e c t i o n so fd e v e l o p m e n to f r i c e ， h a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o n a n tt o w a r d ss o m er e s e a r c hl n s t i t l l t e s 觚df o n n so fr i c e p r o d u c t i o n f i e l d b u si s l eh o ts p o ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i o nc 0 n 仃d 1 1 ti sk n o w n a st h el o c a l a r e an e m o r k ( l a n ) o fa u t o m a t i o nc o n 缸d 1 t h ea p p e a r a l l c eo ff i e l d b u ss i 盟st h es t a r to fa n e w p e r i o do fi n d u s t i 。yc o n t r d lt e c h n o l o g y ：i tw i l lh a v eas t r d n ge f f t 赋o nt h i sf i e l d a n dt h e s e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m sb a s e do nf i e l d b u st e c h n o i o g ya p p l yp o p u l a 订yi ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n t h e 廿l e s i si sr e s e a r c h e da 1 1 dd e s i g n e du n ( i e rt h i sb a c k g r o u n d t h i ss u b j e c tc o m e sf 而mr e f i n e dr c ep r o d u c i n gt e c i l l l o l o g yp r o j e c to fs o m ec o m p a l l y t m st h e s i sa n a l y z e sn o wc h a no fr e f i n e dr i c e ，f o c u s i n go ni n t e 耐e dr e q u i 斑n e n t so f a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fr e f i n e dr i c ep r o d u c t i o nl i n e ，b a s i n go na d v a n c e df i e l d b u s t e c h n o l o g y a n di tm a i n l ya d o p t ss i e m e n sa d v a n c e de q u i p m e n t s ( p l c ，w i n c c ) ，a n d d e s i 趴sac o n t r o ls y s t 锄o fr e f i n e dr i c ea i l dr e s e a r c h e st h ec r 狃、帕r kb l e n d i n gr i c e a n dt h e r e s e 卸c ho fa l g o f i 恤 no nc o n 臼o ls y s t 锄o fa u t o m a t i cb l e l l d i n gd c ei su n d e rm e w a y a c c o r d i n g t om ea n a l y s i so nm e 觑h 1 1 e w o r kf l o wo fr e 6 n e dr i c e ，t e c l l r i i c a ld e m a n da n d r e q u i 闻m e n to fu s e r s ，t h es c h 锄eo ft h i ss u b j e c ta b o u tc o n 仃o ls y s t e i nf o r b l e l l d i n g c eb 嬲e d o np r o f i b u st e c h n o l o g yi sp u to u t t l eb u i l d i n gp r o c e s so fn 咖o r ki sd e s c r i b e di nd e t a i l a 佥e r 觚a l y z i i l go ft h ew h o l es c h e m eo fb l 舒l d i n gr i c e n t r o ls y s t m ，m et h e s i se x p a t i a t e s h 莉w a r ea n ds o 胁a r e d e s i g no fc o n t n d ls y s t e ma n dh a sas u c c e s s 龟le f f c c to nm ep r a c t i c a l p r o d u c t i o n t h i sm e s i sc o m p i l e sp l cc o n 臼0 lp r o 舯ma n dd e s i 萨ss u p e r v i s o r ya 1 1 dc o n t i | o ls y s t e m a n di tm a j i l l ye x p a t i a t e sm ei m p l e m e n t a r yc o u r s ea b o u ts y s t 锄s u p e r v i s o r ya n dt h e a p p l i c a t i o no f h 羽w a r ec o n f i g u r a t i o n ，w i n c c ， s t e p7m i c r o 厂w 玳3 2s o 脚a r e ，a n dt h e m o d e lo f b l e n d i n gf i c es y s t 锄t h e nt 1 1 eh u l n a n - m a c h i n ei n t e r f a c c sa r ed e s i 盟e da n d d e v e l o p e db yu s i n gc o n f i g u r a t i o ns o 胁a r ew i n c ci n c l u d e di ns i e m e n sp c s 7 s 0 m e p e c u l i a rt e c h n o l o g ya n d 允n c t i o n so ft 1 1 eh u m a n - m a c h i n ci n t e r f a c e sa r ed i s c u s s e d t h es y s t e l t lh 硒b e c i lp u ti n t ou s es u c c e s s m l l y i ti m p r o v 铭b o t l lt h ep r o d u c tq u a l i t y a 1 1 dt l l ec 0 叩o r a t i o nb e l l e 6 t i ta l s oi m p r o v e sm ei n f o m a t i o n i z a t i o na i l da u t o m a t i z a t i o nd e 伊e c o ft h ec o l l “l t i o n k e y w o r d s ：f i e l d b u s ；b l e n d i n gr i c e ；w i n c c ；p r o f i b u s - d p ；p l c l l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 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作了明确的说明并表示谢意。 签名：量逸锻日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：盔f 垒筵 导师签名： 日 期： 、 土 第一章绪论 第一章绪论 l 。l 课题背景及意义 配米，又称配制米，主要是指为实现稻米品质的优势互补，按不同功能、不同风味， 将不同品种、不同品质、不同规格的大米按一定比例经过机械设备混合制成成品米的过 程。配米的目的在于：首先是均衡营养。由于我国稻米种植面积很广，品种很多，各品 种的营养成分含量各不相同，除籼稻、粳稻、糯稻主要品种外，还有许多特种稻米资源， 如色稻米、香稻米和专用稻米，不同的特种稻米又有不同的营养成分。通过不同营养成 分的大米进行配制，可以使得配好的大米营养全面、平衡。其次是经济效益。在大米精 加工过程中会产生较多的碎米，将这些碎米搭配到档次低一些的大米中去，可以卖出比 碎米更高的价格。再者是由于储备的需要免不了要加工陈粮。如将不同程度的陈粮以不 同的比例搭配到不同档次的大米中也不失为提高经济效益的一个途径。因此，配米技术 作为大米加工的发展方向之一，越来越受到大多数大米加工企业和世界各国科研院所的 重视。通过配米可以提高大米的食用品质，改善大米的食用口味，合理利用稻谷资源， 具有良好的社会与经济效益，是一种方便易行、利国利民的措施，也是现阶段配米的主 要内容【。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，是用于现场仪表与控制系统和控 制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通讯系 统，被誉为自动化领域的计算机局域网【2 】。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称 为现场总线控制系统。纵观工业控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的 推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞 争两大外因的推动下占据市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例 外。现场总线控制系统( f c s ) 是继基地式气动仪表控制系统( p c s ) 、电动单元组合式模拟 仪表控制系统( a c s _ ) 、集中式数字控制系统( c c s ) 、集敖式控制系统( d c s ) 之后，蓬勃发 展起来的一种新型网络集成式全分布控制系统。f c s 将是2 1 世纪控制系统的主导产品， 必将得到大力推广p j 。 计算机自动控制技术是将自动控制理论与计算机信息科学紧密结合的新兴学科，它 给工业生产过程带来了技术革新。计算机自动控制技术作为一门r 新月异的先进技术， 其提供的整套数据采集和自动控制系统以高可靠性、易用性方便了工业现场的使用。计 算机自动控制技术建立的系统可以显著提高企业的生产效益，使企业得以实现深层次的 信息化，是目前满足我国工业自动化改造与创新发展的一个强大的动力。 本文将配米技术、现场总线与计算机自动控制技术相结合，设计研究基于现场总线 的自动配米控制系统，以改善配米的精度和速度，提高配米技术的自动化程度。配米过 程是一个典型的大延迟、非线性、时变的复杂过程，除了要求较高的配米精度外，还必 须配备先进的自动控制系统，以不断提高配米的速度和自动化程度。因此对配米的自动 控制系统进行研究，在控制技术、计算机信息技术等先进工业技术的基础上，设计高水 江南人学硕l ：学位论文 平的自动配米控制方案，对于提高我困农产品生产的自动化程度，乃至全国人民的健康 生活和社会经济发展都有积极深远的意义。 1 2 国内外发展现状 配米技术是大米加工中的一项实用技术。随着经济与科学技术的开新月异，配米技 术受到世界各国广泛的关注。自2 0 世纪6 0 年代，美、日等国就开始普及配米生产，尤 其是r 本对配米技术的研究历史较长。该国十分重视优质稻谷的生产，从选育优良品种 到推广先进种植技术，乃至收获后的品质检测与管理，都建立了一套科学的质量标准体 系和生产营销体系。在生产实践中还应用了许多先进的稻米品质检测技术以及计算机图 象处理技术、生物检测技术来评价稻谷品质。在此基础上，同本对各种大米的营养成分、 蒸煮特性及食用口味等做了许多研究，积累了大量的资料，能够更加科学、合理的确定 配方，从而使生产的配制米更符合消费者的需求，同时也给生产厂家带来明显的经济效 益【4 1 。 我国在9 0 年代初丌始在广东引进配米生产线，近些年在华南、华东等地区又兴建 了不少精制米加工及配米生产线。但是在我国，配米技术作为一种较新的稻米加工技术， 相对发达国家而言，有一定差距，比如在搭配方面仅限于新陈搭配、不同品种搭配等， 在食用口味和营养方面还缺乏系统的研究，尤其在设备的开发上也还有待发展【4 】。 本文针对现阶段我国配米在技术方面的某些不足，提出基于现场总线技术的由上位 机和下位机组成的二级网络控制系统的解决方案，设计研究了自动配米控制系统，从而 减轻工人劳动强度，提高了企业的生产效率，重要的是提高了企业的经济效益以及配米的 精度、速度和自动化程度。 1 3 生产工艺简介 1 3 1 精制米生产的工艺流程 整个精制米生产线的生产工艺包括进仓前的稻谷烘干、初清、清理、砻谷、碾米、 整理、包装等几大部分。我国稻谷大部分来源于个体农民生产，品种多杂；收割、干燥 条件差，原粮含杂较多，给稻谷加工带来了较大的难度。针对这种现象，稻谷清理工艺 设计多道筛选、多道去石，实际生产中依据原粮含杂量灵活选用筛选、去石的道数。本 课题中初清部分设计为两道筛选和一道去石。在包装之前的整理这部分工艺中，包括色 选、抛光、白米分级以及厚度分级等几道工序。整理工艺完成后，通过流量控制器对不 同仓中的米按一定的比例进行配比，再通过混合机混合后，即为成品米流到包装站包装。 具体的工艺流程如图1 1 所示。 2 第一章绪论 稻谷 ， 初清 图卜l 精制米自动生产线的工艺流程图 f i g 1 1f l o wc h a r to fa u t o m a t i cp r o d u c t i o ni i n e o fr e f i n e dr i c e 1 3 2 配米工艺及要求 配米主原料( 主流程大米) 由主提升机输送至主原料配米仓储存，配米辅原料 需配入 的各种大米或杂粮等) 由辅提升机输送至辅原料配米仓储存，以保证配制米生产过程的 连续和流量稳定。配米仓的大小和数量可根据配制米的种类和产量来确定。生产配制米 时，从各配米仓中流出的大米，通过流量控制器按事先设定的配制比例控制各种大米的 流出量，再由混合机混合均匀后，经磁选( 目的是去除大米中的磁性金属杂质) 后进行成 品打包。大米生产过程中，配米工艺一般设置在大米色选之后、成品打包之前【。因此，对 配米工艺的控制，既可与生产工艺流程结合起来进行控制，也可单独进行控制。本系统 是将配米的工艺流程与生产车间的主流程结合起来，配米的工艺流程如图1 2 ( a ) 所示。 四 配米仓l r 一流量控制器。 f 蕊塑尊r 删踟 主提升机 辅提升机 ( a ) ( b ) 图卜2 配米工艺流程图 f i g 1 2f l o wc h a r t0 ft e c h n o l o g yo fb l e n d i n gr i c e 3 江南人学硕i ：学位论文 图1 2 ( b ) 是1 # 流量控制器的具体控制过程，由1 j 6 | 配米仓流出的主原料米，经过1 撑 流量阀门开关，此开关的旋转角度大小( 由伺服电机m l 控制) 控制流量大小，然后通过 1 翻板式流量传感器读出该流量的瞬时值。对其他三个配米仓( 2 j | j 6 ，3 ，4 j f j ) 的流量控制与图 1 2 ( b ) 的控制方法相同。 配米的技术要求是：1 按设定的配方准确配料，即配比要求精确。 2 配方中每种大米的配料精度误差应1 o 。 1 4 本文主要研究工作 本文首先阐述了现场总线在现代控制领域中的重要作用，并重点研究p r o f i b u s 现场总线的结构特点以及技术应用，进而以p r o f i b u s d p 现场总线为设计基础，详细论 述了整个精制米生产线的总体网络设计框架，从而构建了配米控制系统的网络设计框架 及其控制流程图。继而，在确定系统模型后，对自动配米控制系统的算法进行深入的研 究。在此基础上，进一步研究系统具体的设计。系统的具体设计主要分为两大部分：上 位机部分硬件部分设计、软件部分设计；下位机部分硬件、软件设计。最后研究了上位 机( p c ) 与下位机( p l c ) 的通讯部分。本文在整个项目的设计开发过程中主要做了以下几 个方面的工作： 1 方案的总体设计：确定了采用以p r o f i b u s d p 为基础的两级网络结构的自动控 制方案，即p c 作为上位机，进行配比设置、数据记录和报表生成等；p l c 作为下位机， 对流量控制器及生产线进行控制等。 2 系统硬件的设计：包括p l c 、p c 机以及流量控制器等控制元件的选型。 3 组态软件的设计：包括组态软件的选型和具体软件程序的编制。 4 算法研究：确定系统的总体模型，并提出基于b p 神经网络的p i d 控制算法。 4 第一二章现场总线综述 第二章现场总线综述 2 1 现场总线概要 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之问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。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。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了一定 的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们分 别通过普通双绞线、同轴电缆、光纤等多种途径进行信息传输，这样就形成了以多个测 量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照公开、规范的通信 协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的 远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控 制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带， 把它们连接成可以互相沟通的信息，并可共同完成自控任务的网络系统与控制系统。如 果说，计算机网络把人类引入到信息时代，那么现场总线则使自控系统与设备加入到信 息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产 现场【5 1 。 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n 仃o ls y s t e i t l ) 是信息数字化、控制功能分散化、 开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、数字化、网络化控制向生产 过程现场的发展。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控，使得“危险分 散，控制分散 。现场总线控制系统把控制彻底下放到现场，由现场的智能仪表完成诸 如数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等大部分功能，只有一些现场仪表无法完 成的高级控制功能才由上位机完成，而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场 节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于设备管理f 5 】。 2 2 现场总线的发展及特点 2 1 1 控制系统的发展 自上世纪4 0 年代以来，工业控制系统开始了逐步发展成熟的步伐。控制系统的发展 大体分以下五个阶段【6 j ： 第一阶段：p c s ( p n e w l 赫cc o n 臼0 ls y s t e m ) 。当时采用只具备简单测控功能的现场基 地式仪表，即第一代过程控制系统( 气动控制系统或p c s ) 。气动控制系统一直沿用到2 0 世纪6 0 年代才结束其主导地位，而目前在类似防爆等特殊场合下仍发挥着不可替代的作 用。 第二阶段：a c s ( a n a l o gc o n 们ls y s t e m ) 。开始应用4 2 0 r n a 模拟信号标准的第二代 控制系统( 模拟控制系统或a c s ) 标志着控制系统的又一次飞跃。但是由于不同的传感器 和执行器信号的定义有所不同，大量仪表的信号标准难以规范，这样限制了控制系统的 规模和性能，降低了系统集成度。 5 江南人学硕l ? 学位论义 第三阶段：c c s ( c o n c e n t r a t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。随着数字计算机在测量、模拟和逻 辑控制领域被广泛使用，产生了第三代过程控制系统( 集中控制系统或c c s ) 。采用单片 机、p l c 或微机作为控制器传输数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低 的缺陷，提高了系统抗干扰能力。在控制方式、控制时机的选择上可以任意凋度和安排。 但集中式计算机控制系统存在可靠性问题，一旦作为控制中心的计算机发生故障，将导 致生产全面瘫痪。 第四阶段：d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t m ls y s t e m ) 。为了改善c c s 的缺陷，第四代过程控 制系统( 集散控制系统或d c s ) 应运而生。它采用集中管理，分散控制的方法，有力地克 服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。因此d c s 系统在电 力、石油、化工等重要领域得到普遍应用。但是，出于垄断经营的目的各大系统集成厂 商采用各自封闭的控制通信模式，不同设备难以实现通信与信息连接。因此，d c s 成为 一种封闭专用的、不具有大范围可操作性分布式控制系统。 第五阶段：f c s ( f i e l d b u sc 伽仃o ls y s t e m ) 。电子信息技术的飞速发展又给自动化工 业控制系统带来了深刻的变革，逐步形成了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息 系统( 现场总线控制系统或f c s ) 。它具有开放、数字化、容易进行数据交换的特点，利用 现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成数字式、双向传输、多分支结构网络特色 的自动控制系统。 综上所述，现场总线成为当今3 c ( c o m p u t c o n 细1 ，c o m m u n i c a t i o n ) 发展的结合点， 是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，也是信息技术、网 络技术的发展在控制领域的集中体现，更是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。 因此，现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种分布式控制系统，它作为 智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为控制节点的智能设备连接为网络系统，并进 一步构成自动化控制系统。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面得到越来越广泛 的应用【刀。 基于以上介绍的f c s ( 现场总线控制系统) 特点及优势，本文主要研究基于f c s 的自动 配米控制系统。f c s 研究的核心内容是现场总线，下面简要分析一下与现场总线相关的 技术背景。 2 1 2 现场总线的发展 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增 强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的 测控自动化系统，由于采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采 用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化 系统成为“信息孤岛 。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计 出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络， 完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界 的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的【5 1 。总之，现场总线是 6 第二章现场总线综述 综合自动化的发展需要，而智能仪表又为现场总线的出现奠定了基础，未来它将朝着开 放系统、统一标准的方向发展。 在发达国家，现场总线技术从2 0 世纪8 0 年代丌始出现并被逐步推广，现在己经 被广泛接受和使用。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，如外资汽 车生产企业的生产线等，后来啤酒灌装、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场 总线。此外，市政工程、楼字、智能化小区建设也丌始使用现场总线。可以预见，随着 现场总线技术的发展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的d c s 必将被f c s 全面 取代，f c s 技术将得到越来越广泛的应用。这正是本文的设计背景。 2 3p r o f l b u s 现场总线 目前国际上出现了几种有代表性的现场总线标准及其系列产品，如：基金会现场总 线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、p r o f i b u s 现场总线、l o n w 6 r k ( l 0 c a lo p e r a t i n gn e m o r k ) 现场 总线以及c a n ( c o n t r o la r e an e i l w o r k ) 总线等。p r o f i b u s 是其中最典型的也是应用最广 泛的一种，它是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是德国国家标准d 烈1 9 “5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准，也是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。 它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其它领域自动化。 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 c i l 昀l i z e dp e r i p h e 劝、 p r o f l 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 ) 、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 ) ， 如图2 1 所示，其特点如下嗍： 图2 1p r o f i b u s 系歹1 3 特点 f i g 2 一lc h a r a c t e ro fs e r i a lp r o f i b u s 1 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信链，专为自动控制系统和设备级 分散i o 之间通信设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代昂贵的o 5 v 或4 2 0 n 认并行 信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输。 2 p r o f i b u s f m s ：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，用于纺织 工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程控制器、低压开关设备等一般 自动化控制。它是一个令牌结构，实时多主站网络。 7 江南人学硕l j 学位论义 3 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准多本质安全多传输技术，实现了 i e c “5 8 2 中规定的通信规章，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。 总之，p r o f i b u s 适用于工厂内车间级和现场级的设备间数字化的数据交换和通 信，以实现工厂现场底层到车间级分散式数字控制和现场通信网络化，从而为实现工厂 综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。综合以上p r o f i b u s 的三个兼容 部分的特点和适用范围，本文采用p r o f i b u s d p 作为控制网络实现方案。 2 3 1p r o f i b u s 的通信协议 p r o f i b u s协议的结构定向根据 i s 0 7 4 9 8 ( i n t e n l a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n 一国际标准化组织) 国际标准，以0 s i ( 0 l p e l ls y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 一开放 系统互连) 为参考模型，结构如表2 1 所示。 tt a b 2 1l s o o s lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dm o d e l 荔 ；第7 层 应埘层 面 向 用 户 面 向 网 r 虿焉厂1 夏i 一 络 ii：-一一 由表2 1 看出，i s o o s i 通信标准模型由7 层组成，并分成两类。一类是面向用户 的第5 层到第7 层，另一类是面向网络的第1 层到第4 层。第l 层到第4 层描述数据从 一个地方传输到另一个地方，而第5 层到第7 层给用户提供适当的方式去访问网络系统。 p r o f i b u s 只采用了i s o o s i 协议中的第1 层、第2 层和第7 层，其层次结构如图2 2 所示。 a l i 第7 层应用层f m s 冈l a 7 第6 层表达层 l l i 第5 层会话层 无 第4 层传输层 第3 层网络层 f l c 第2 层 数据链路层 珊i a m a c 1 2 第1 层物理层 p h y 图2 2p r o f i b u s 的层次结构图 f i g 2 2h i e r a r c h i c 8 ls t r u c t u r ec h a r t0 fp r o f i b u s 8 一一 一 一一一 ；曩到割 第_ 二章现场总线综述 在p r o f i b u s 的层次结构图( 图2 2 ) 中： 第l 层规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。p r o f i b u s 通过采用差分 电压输出的r s 4 5 8 实现电流连接，在线型拓扑结构下采用双绞线电缆。树型结构还可 能用到中继器。 第2 层罩面包含有三个子层【9 】： 1 介质存取控制( m a c ) 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 采用一种混合访问方法。由于不能使所有设备在同一时刻传输，所以在p r o f i b u s 主 设备( m a s t e r s ) 之问用令牌的方法。为使p r o f i b u s 从设备( s l a v e ) 之间也能传递信息， 从设备由主设备循环查询。 2 现场总线链路控制( f l c ) 子层：规定了对低层接口( l l i ) 有效的第2 层服务，提 供服务访问点( s a p ) 的管理和与l l i 相关的缓冲器。 3 现场总线管理( f m a l 2 ) 子层：完成对第2 层( m a c ) 特定的总线参数的设定和第 1 层( p h y ) 的设定。f l c 和l l i 之间的s a p s 可以通过f m a l 2 激活或撤消。此外， 第l 层和第2 层可能出现的错误事件会被传递到更高层( f m a 7 ) 。 第3 6 层在p r o f i b u s 中没有具体应用，但是这些层要求的任何重要功能己经集 成在“低层接口( l l i ) 中。 第7 层同样包含有三个子层。低层接口( l l i ) 将现场总线信息规范( f m s ) 的服务映 射到第2 层( f l c ) 的服务。l l i 不仅进行监控连接或数据传输，还检查在建立连接期间 用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。在l l i 中，可以选择不同的连接类型， 如主主连接或主从连接，数据交换既可以是循环的也可以是非循环的。 a l i 是位于第7 层之上的应用层接口，它构成了到应用过程的接口。a l i 的目的是 将过程对象转换为通信对象。转换的原因是每个过程对象都是由它在所谓的对象字典 ( o d ) 中的特性( 数据类型、存取保护、物理地址) 所描述的。 在p r o f i b u s 的三个兼容版本中，根据i s o o s i 协议，p r o f i b u s d p 使用了七 层协议的第1 层、第2 层及用户接口层，没有定义第3 到第7 层。这种精简的结构确保 高速数据传输。直接数据链路映象程序( d d l m d i r e c td a t 猷i l l l 【m a p p 砷提供对第2 层的 访问。在用户接口中规定了p r o f i b u s d p 设备的应用功能，以及各种类型的系统和设 备的行为特性，还提供了传输用的r s - 4 8 5 传输技术或光纤。这种为高速传输用户数据 而优化的p r o f i b u s 协议特别适用于可编程控制器与现场级分散的i o 设备之间的通信 【l o 】 o p r o f i b u s f m s 第1 层、第2 层和第7 层均加以定义，应用层包括现场总线信息 规范( f m s ，f i e l d b u sm e s sa _ g es p e c i 6 c 撕o n ) 和低层接口( l l i ，l o w c rl a y 贯i n t e r ：f a c c ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供可广泛选用的通信服务，l l i 协调了不同的通信关系并向 f m s 提供不依赖设备访问第2 层。第2 层现场总线数据链路( f d l ) 可完成总线访问控制 和数据的可靠性，它还为p r o f i b u s f m s 提供了r 5 4 8 5 传输技术或光纤。 p r o f i b u s p a 数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议，另外还使用了描述现场 设备行为的行规，根据i e c l l 5 8 2 标准，这种传输技术可确保其本质安全性并使现场设 9 江南人学硕f j 学位论义 备通过总线供电。使用分段式耦合器p r o f i b u s p a 设备能很方便地集成到 p r o f i b u s d p 网络。 2 3 2p r o f i b u s 的传输技术 p r o f i b u s 现场总线提供以下三种类型的传输技术：d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输；p a 的i e c l l 5 8 2 传输；光纤( f o ) 传输。 1 用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输。为网络拓扑线性总线。传输速率：9 ，6 kb p s 1 2 mb p s 。采用屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件。不带中继时每段3 2 个 站，带中继时最多到1 2 7 个站。 2 用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输。数字式、位同步数据传输。传输速率：3 1 2 5 kb p s ， 电压式。采用双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。可通过数据线远程电源供电。能进行本征及 非本征安全操作。每段3 2 个站，总数最多到1 2 6 个站。最多可扩展至4 台中继器。分段 偶合器将i e c l l 5 8 2 传输技术总线段与r s 4 8 5 传输技术总线段连接。偶合器使r s 4 8 5 信号与i e c l l 5 8 2 信号相适配。它能为现场设备的远程电源供电，且供电装置可限制 i e c l l 5 8 2 总线的电流和电压。 3 光纤。在电磁干扰很大的环境下可使用光纤，以增加高速传输的距离。一般可使 用两种光纤，一是价格低廉的塑料光纤，供距离小于5 0 m 情况下使用。另一种是石英光 纤，供远距离情况下使用。另外许多厂商提供专用总线插头可将r s 4 8 5 信号转换成光 纤信号或将光纤信号转换成r s - 4 8 5 信号。 2 3 3p r o f l b u s 的总线存取协议 三种p r o f i b u s ( d p ，f m s ，p a ) 均使用一致的总线存取协议。该协议通过o s i 参考 模型第2 层( 数据链路层) 来实现的。它包括了保证数据可靠性技术、传输协议和报文处 理。在p r o f i b u s 中，第2 层称为现场数据链路层( f d l ) 。介质存取控制( m a c ) 具体控 制数据传输的程序，m a c 必须确保在任何一个时刻时只有一个站点发送数据。 p r o f i b u s 协议满足了对于总线访问方式的两个基本要求【l l 】： 1 对于两个在同等状态下的复杂站点( 主站) 之间的通信，必须确保这些站点在给定 的时间间隔内有充分的机会处理他们的通信任务。 2 对于在主站和简单i o 设备之间的通信，必须以最小的消耗实现循环地、实时地 数据交换。 因此，p r o f i b u s 总线访问控制方式采用令牌传递的方法实现主站一主站之间的通 信以及主一从关系原则实现主站与简单i 幻设备之间的通信。令牌传输方式保证了访问 总线( 令牌) 的权利在精确定义的时间内被分配。令牌作为一种特殊的信息帧，由一台主 站向下一台主站传送总线访问权，在一个最大令牌循环时问内令牌必须给每个主站一 次。主一从关系原则使得拥有令牌的主站( 主动节点) 向隶属它的从站( 被动节点) 寻址。 主站发送信息( 用户数据) 给从站或从从站获得信息( 用户数据) 【1 2 】【1 3 】。p r o f i b u s d p 是 一种为速度而优化的协议。它是为了在p l c ( d p 主站) 和分布式i o ( d p 从站) 之间的通信 而特别设计的。三种系列的p r o f m u s 均使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混 合介质存取方式，即主站间按令牌方式、主站和从站间按主从方式工作。得到令牌的主 l o 第_ 二章现场总线综述 站可在一定的时间内执行本站的工作，这种方式保证了在任意时刻只能有一个站点发送 数据，并且任意主站在一个特定的时间内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。 这样的好处在于传输速度较快。p r o f i b u s 协议在任何微处理器上都可以实现。 2 4p r o f i b u s d p 现场总线 p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速便宜的通信连接，专为自动化控制系统与分 散的l 幻设备级之间通信而设计的。它提供了一种具有高速数据通过能力、良好的诊断 能力和无差错传输的技术【1 4 】。远距离通信速率从9 6 kb p s 到12 mb p s ，并可用中继器加 长。除周期性用户数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供了强有力的珍断和配置功能。 p r o f i b u s d p 的基本功能如下【1 5 】： 1 传输技术：r s 4 8 5 双绞线电缆或光缆：波特率从9 6 kb p s 1 2 mb p s ( 与距离有关) ； 总线存取；各主站间令牌传送；主站与从站问数据传送；支持单主或多主系统；总线上 最多站点数为1 2 6 。 2 功能：d p 主站和d p 从站问的循环用户数据传送；各d p 从站的动态激活和撤消； d p 从站组态的检查；强大的诊断功能，三级诊断信息；输入或输出的同步；通过总线给 d p 从站赋予地址：通过总线对d p 主站( d p m i ) 进行配置：每d p 从站最大为2 4 6 字节的输 入和输出数据。 根据以上阐述的r r o f i b u s d p 现场总线的基本特点、功能以及应用范围，结合配 米的生产工艺以及客户的实际需求，本文在设计自动控制系统时选择p r o f i b u s d p 总 线作为上位机与p l c 之间的通信方式，取得了满意的控制效果。 第三章自动控制系统的总体设计 第三章自动控制系统的总体设计 在本课题中根据生产线的具体情况和企业提出的要求，设计采用了p l c 和工业控制 计算机( 工控机) 相结合的总体设计思路。其中p l c 完成对流量控制器及生产线的工作控 制，上位机( 工控机) 和p l c 相连