（车辆工程专业论文）基于profibus现场总线的隧道监控系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 当今社会，信息技术的迅猛发展已经深入到各个领域，对传统的监控模 式盎生了极大的影响。现场总线技术以其结构简单、费用低、易于维护、可 靠性高、开放性等多种优势日渐成为自动化领域的热点。基于现场总线的控 制系统( f c s ) 以其诸多优点在工业膝控领域引起了一场划时代的变革。目 前，随着国家加大基础设施建设力度，路网建设将成为投资的重点之一，很 多地方因为所处的地理位置的缘故，隧道在线路总长中占有很大比例，个别 地段可达到4 0 5 0 以上。由于隧道特殊的通车环境，大部分需建隧道监控系 统，以保证隧道内通车的安全畅通。现在，新建隧道的监控系统以及i e l 监控 系统的改造需要种更安全、更可靠、更高教自解决方案，融合现场总线技 术的隧道监控系统方案，是一种很好的途径。， 本文首先介绍了隧道监控系统的现状，然后对p r o f i b u s 现场总线技术 进行了详述。在此基础上，对基于冗余光纤p r o f i b u s - - d p 的隧道监控系统 进行了设计研究，并对隧道现场主要监控设备区域控制器进行了研制，最后 详细介绍了作者所参入的达万铁路隧道通风监控系统和上界高速公路隧道 监控系统的网络结构和软硬件设计，并对其中的一些主要的控制问题进行了 研究。 关键词现场总线：p r o f i b u s ；隧道监控系统制器 西南交通大学硕士研究生学位论文 繁il 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a s t h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h e t r a d i t i o n a lw a yo fm o n i t o ra n dc o n t r o lh a sb e e ni n f l u e n c e dd e e p l y f ie id b u st e c h n o l o g yisb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a rb e c a u s eo fi t s s i m p l e n e s si ns t r u t t u r ea n de a s i h e s si nm a i n t a i na n dh i g hr e l i a b i l i t y a n do p e n n e s s c o n t r 0 1 s y s t e mb a s e do nf i e l d b u s ( f c s ) h a sc a u s e da n e p o c h m a k i n gc h a n g e i ni n d u s t r yc o n t r o l r e a l m n o w ，a l o n gw i t ht h e n a t i o n a l e n l a r g e m e n t f o u n d a t i o no nb a s i ce s t a b l i s h m e n t ，r o a dn e t d e v e l o p m e n t sw i l lb e c o m eo n eo ft h ei n v e s t m e n t sp o i n t s 1 0 t so f p l a c e sb e c a u s eo ft h e i rg e o g r a p h yp o s i t i o nh a v eal a r g en u m b e ro f t u n n e l b e c a u s eo ft h e i rs p e c i a le n v i r o n m e n t ，m a n yo ft h e mn e e dt u n n e l i o n i f o ra n dc o n t r o ls y s t e m ( t m c s ) s o ，n e wt u n n e lm o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e ma n do l do n e sn e e das a f e ra n db e t t e re f f i c i e n c yr e s o l u t i o n f i e l d b u si sag o o dr e p l a c e m e n t f i r s t ，t h i st e x ti n t r o d u c e dt h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft m c sa n dt h e p r o f i b u st e c h n o l o g y ，t h e nd e s i g nan e wt m c sb a s e do nr e d u n d a n c yr a y p r o f i b u s l a s t ，t u n n e lm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mo fd a w a nr a i l r o a d a n ds h a n g j ies u p e r h i g h w a ya r ei n t r o d u c e di nd e t a il k e yw o r d sf i e l d b u s ：p r o f i b u s ：t m c s ：d i s t r i c tc o n t r o l l e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 隧道监控系统的现状以及发展趋势 随着国家加大基础设施建设力度，路网建设将成为投资的重点之一。特 别是在西部路网建设中，因其所处的地理位置，隧道在线路总长中的比例， 平均达到1 0 1 5 ，个别地段可达到4 0 - 5 0 以上，据有关方面预测，在西部 路网建设中，隧道将达千座以上，其中2 0 需建隧道监控系统。然而，我国 隧道机电工程的建设目前还没有一个行业标准。其建设模式基本上是由建设 单位委托相关设计单位做出招标文件，由中标单位实施完成。由于牵涉的技 术面广，招标文件只能对隧道监控系统做出大致的功能要求，承包商则各显 其能，实施的工程项目从技术手段到建设、维护费用差异很大，因而对相关 技术进行系统研究，实现监控设备的产品化、系列化的要求十分迫切。几年 前参与我国高速公路世行、亚行贷款项目机电工程竟标的多为国外公司，运 营隧道中的监控系统( t m c s ) 基本上是照搬国外的系统。从监控系统体系结 构来看，多采用星形拓扑，中控室对各子系统控制柜构成点对点的通信，接 口采用r s 4 2 2 、r s 4 8 5 或r s 2 3 2 ，长距离通讯采用调制解调器进行模拟数据传 输，其系统的开放性、可靠性、互操作性差，安装维护复杂，难于形成产品 化、系列化。与此同时，在其它行业则正在兴起被誉为工业控制、通信技术 领域一次革命的现场总线技术，因其系统的开放性、可靠性、易操作性高且 降低了建设和维护费用而得到广泛应用。2 0 0 0 年1 1 月，中国公路学会隧道 专委会在浙江召开了隧道机电工程研讨会，会议透露出现场总线已成为技术 发展的必然趋势。 1 2 基于p r o f l b u s 现场总线的隧道监控系统 1 2 1 现场总线技术简介 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展信息交换应用的领域正 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在迅速覆盖丛工厂的现场设备到中央控制、管理的各个层次，覆盖丛工段、 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。 根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义，现场总线( f i e l d b u s ) 是“安装在 生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的种 串行、数字式、多点通信的数据总线”。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，用总线相连接，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。其中，生产过程 应包括断续生产过程和连续生产过程两类。现场设备仪表指位于现场层的传 感器、驱动器、执行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及 信息集成的数字化网络技术，基于这项技术的自动化系统称为f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) 。 5 0 年代以前，过程控制采用只具备简单测控功能的基地式气动仪表，即 第代过程控制体系结构( 直动式或p c s ) 。接着，4 - - 2 0 m a 模拟信号标准 使得模拟控制延续了2 5 年，即第二代过程控制体系结构( 模拟式或a c s ) 。 但是，并非所有的传感器和执行器都使用相同的信号，大量仪器仪表使用了 其他类型的信号。7 0 年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数 字计算机，从而产生了集中式控制，即第三代过程控制体系结构( c c s ) 。 到了8 0 年代，由于微处理器的出现而产生了集散控制，即第四代过程控制 体系结构( d c s ) 。 计算机技术的发展使控制领域发生了深刻的变化，d c s 系统、p l c 系统 以及其它基于计算机技术的控制系统得到了充分的发展和运用。但是，传统 的d c s 系统有其固有的缺点，表现在： ( 1 ) 一对一结构。一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号。这种 对一结构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。 ( 2 ) 可靠性差。模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。为此采用 各种措施以提高抗干扰性和传输精度，其结果是增加了成本。 ( 3 ) 失控状态。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作状况，也不 能对其进行参数调整，更不能预测事故，导致操作员对其处于失控状态。由 于操作员不能及时发现现场仪表的故障而发生的事故已屡见不鲜。 ( 4 ) 互操作性差。尽管模拟仪表采用统一的4 2 0 m a 的信号标准， 可是大部分技术参数仍由制造商制定，致使不同品牌的仪表无法互换。这就 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 导致了用户依赖制造厂商，无法使用性能价格比最优的配套仪表，甚至出现 个别制造商垄断市场的情况。 因此，新型的、开放性的、容易进行数据交换的控制系统就成为控制系 统发展的新目标。 智能仪表的出现为新型控制体系的出现奠定了基础。智能仪表将传统模 拟仪表的电流传输方式变为数字通信，并且增加了数据处理的功能，使仪表 不再仅仅具有测量功能，而是测控结合。与之相适应的是，控制系统突破了 一个仪表和一对端子这种一一对应的方式，而是可以采用总线型的数据通信 的方式。因此，许多仪表的生产厂商都进行新型智能仪表的研究和生产。为 了使不同厂商的仪表能够相互通用，国际上一些大公司联合起来，制定统一 的数据通信标准，这些标准成为现场总线的基本协议，与之相适应的控制系 统为了符合这些新标准也要进行改进，于是新型的现场总线控制系统就诞生 了。 自8 0 年代未以来，有几种现场总线技术已经逐步形成其影响并在一些特 定的应用领域显示了自己的优势，主要有基金会现场总线、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等几种。他们具有各自的特点，也显示了较强的生 命力。特别是近年来国际上现场总线技术及产品、系统发展迅猛。以德国西 门子公司的p r o f i b u s ( 包括d p 、f m s 和p a 总线) 为例，目前支持p r o f i b u s 标准的产品超过1 5 0 0 多种，分别来自国际上2 5 0 多个生产厂家。在世界范 围内己安装运行的p r o f i b u s 设备已超过2 0 0 万台，年增长率2 5 ，现场 总线系统占整个自动化系统市场份额平均为2 5 。 现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统 采用一对的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于控制室的控制器与 位于现场的测量变送器、执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 中处于控制室 的控制模块、各输入输出模块置于现场设备，加上现场设备具有通信能力， 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 分散控制。图l 一1 为现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比。 由于采用数字信号代替模拟信号，因而可实现一对电缆上传输多个信号 ( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) 同时又可为多个设备 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、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 了条件。 图l l 现场总线控制系统和传统控制系统结构比较 现场总线系统在技术上具有以下特点： ( 1 ) 系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性， 强调对标准的共识与遵从。现场总线致力于建立统一的、开放的工厂底层网 络。用户可以按照自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随 意的系统。通过现场总线构建自动化领域的开放互连系统。 ( 2 ) 互操作性和互用性。互操作性指实现互连设备间、系统间的信息 传送与沟通；互用性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。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。现场智能设备将传感测量、补 偿测量、工程处理与控制的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以随时诊断设备的运行状态。 ( 4 )系统结构的高度分散性。现场总线已经构成了一种彻底分散的控 制体系结构，简化了系统的结构，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的现场总线专门为工 业现场设计的系统，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爆要求等。 出于现场总线的以上特点，采用现场总线系统具有许多优点： ( 1 ) 节省硬件数量与投资。现场总线系统中分散在现场的智能设备能 实现传感报警和计算控制功能，如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处 理等，提高了现场仪表的自主性和可靠性。因而可减少变送器的数量，简化 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，还可以用工控 p c 机作为操作站。从而节省了一大笔硬件投资。并可减少控制室的占地面积。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 ( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单。一对双绞线或一 条电缆上通常可挂多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减 少，连接设计与接头校对的工作量大大减少。当需要增加现场控制设备时， 只需就近连接在原有的电缆上，无需增加新的电缆。这样既节省投资，也 减少了安装工作量。 ( 3 ) 节省维护开销。由于现场设备具有自诊断与简单故障处理的能 力，并通过数字通讯将相关的运行参数、报警诊断等信息送往控制室，用 户可以查询所有设备的运行状况，以便早期分析故障原因并迅速排除，缩 短了维护停工时间，同时由于系统结构均简化，连线简单而减少了维护工 作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成自主权。用户可以自由选择不同厂商所 提供的设备来集成系统，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 ( 5 ) 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，与模拟信号相比，它丛根本上提高了测量与控制的精确度减少了 传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部 功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于现场总线设备标准化、功能模块化，因而还具有设计简单、 易于重构等优点。 1 2 2p r o fib u s 现场总线在隧道监控系统中的应用 隧道监控系统t m c s ( t u n n e lm o n it o r & c o n t r o s y s t e m ) 工程是一个包 含通信、控制、数据管理于体、由多厂家机电设备构成的系统集成，这就 要求运营隧道中的监控系统( t m c s ) 的主干系统必须具备开放性和互操作 性；系统2 4 小时的不间断监控要求系统具有高度的可靠性；考虑到中国的 国情，要求系统具有较低的建设维护成本和运营费用，系统易于安装、便于 使用。基于不同的通信协议，有不同的现场总线。通过比选研究，我们认 为p r o f i b u s 更适合隧道监控的应用环境，其丰富的模块( 仅s i e m e n s 公司 就提供数干种选择) 、业绩( 工控界销量第一、欧洲销量第一) 、开放的标 准( i e c 、欧洲和德国国家标准，非公司行为开发的标准) 是其他现场总线 难以比拟的。 把p r o f i b u s 现场总线引入隧道监控系统的必要性在于： ( 1 ) 隧道监控系统自动化程度以及复杂性的提高，要求系统内部各 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 功能模块之阃以及功能模块和上位机之间能够实现双向通信。 ( 2 ) 用户对各功能模块的可控性、可靠性和易维护性要求越来越高。 ( 3 ) 控制元件的数字化和智能仪表的发展，要求控制系统的结构能够 与之相适应。 p r o f i b u s 同时具有传感器级和设备级通信能力，既支持离散控制设 备，也支持变送器等过程仪表，因此可以满足隧道监控系统的需要。 在隧道监控系统中采用p r o f i b u s d p 现场总线有以下优点： ( i ) 开放性、可互换性、可集成性：不同厂商的支持p r o f i b u s - d p 的产品都可很容易地集成到控制系统中，他们遵循p r o f i b u s 的设备行规， 因此设备具有很好的开放性和可互换性。 ( 2 ) 系统可靠性高、可维护性好：基于p r o f i b u s d p 的隧道监控系 统采用总线连接方式代替对一的i o 连线，减少了由接线点造成的不可 靠因素。物理层一般采用带屏蔽的双绞线或光纤电缆，抗干扰性强，数据 链路层有较强的纠错能力，同时，系统具有现场设备的在线故障诊断、报 警、记录功能，也增强了系统的可维护性。 ( 3 ) 有利于实现高速、高精度的隧道监控系统。 ( 4 ) 降低了系统及工程成本。 1 3 本文的主要内容 随着现场总线技术及其产品的快速发展，现场总线在隧道监控系统中也 得到了迅猛的发展，这就要求我们尽早掌握这一技术及其应用，本文结合达 万铁路隧道通风监控系统项目和上界高速公路隧道监控系统项目，对隧道监 控系统中的软硬件件进行了设计研究。 论文的主要内容如下： 1 隧道监控系统的现状和存在的问题概述，以及p r o f i b u s 现场总线技 术在隧道监控系统中的应用。 2 详细介绍了p r o f i b u s 现场总线技术的情况，深入研究了p r o f i b u s 现场总线的通信协议。 3 根锯作者的实际工作，对基于冗余光纤p r o f i b u s 的隧道监控系统进 行了设计研究，并设计制造了一种具有通用性的隧道监控区域控制器，包括 电气系统、通讯系统、网络部件和模板布局。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 4 根据作者参加的达万铁路隧道通风监控系统工程项目和上界高速公 路隧道监控系统项目，详细介绍了这两个隧道监控现场总线网络系统结构的 软硬件设计，并对其中主要的控制问题进行了研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章p r o f ib u s 现场总线技术研究 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、开放式的、己在世界范 围内得到广泛应用的现场总线。它于8 9 年成为德国标准d i n1 9 2 4 5 ，于9 6 年成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0v 2 ，于9 9 年底成为国际标准i e c6 11 5 8 的组成部 分( t y p ei i | ) ，国际上许多公司的产品支持p r o f i b u s 总线，现场总线仪表 系列齐全，市场占有率第一，德国西门子公司则是p r o f i b u s 产品的主要供 应商。到目前为止，p r o f i b u s 现场总线的用户群和制造商一直保持着高的增 长率，p r o f i b u s 技术相关的产品和开发工具也在不断的推陈出新，使得 p r o f i b u s 技术的应用越来越简单容易。 2 1 p r o f i b u s 的基本特点 p r o f i b u s 广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、 电力等其他领域的自动化，主要有三个兼容部分组成，p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s s a 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 s m 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 d p 是种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散 i 0 的通信。使用p r o f i b u s d p 可取代2 4 v d c 或4 2 0 m a 信号传输。 p r o f i b u s p a 是专为过程自动化设计的，可便传感器和执行机构连在一根 总线上，并且有本征安全规范。p r o f i b u s f m s 用于车间级网络监控，是 一个令牌结构、实时多主网络。 2 1 1 协议结构 p r o f l b u s 协议的结构定向根据i s 0 7 4 9 8 国际标准以开放系统互联网络 0 s i 为参考模型，其结构如图2 一l 所示。 i s 0 0 s i 模型将通讯过程分为七层，p r o f i b u s 应用了其中的第一层，第 二层，第七层。为了满足大多数工业通讯系统的要求，覆盖大多数工业领域， p r o f i b u s 有三种方案： p r o f i b u s - - f m s ：第一、二、七层均加以定义。应用层包括现场总线 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 报文规范( 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 f m s ) 和低层接口( l o w l a y e r i n t e r f a c e 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功能 强大的通信服务。l l i 协调不同的通信关系并向f m s 提供与设备无关的访问 第二层，第二层( f i e l d b u sd a t al i n k - - f d l ) 可完成总线存取控制和数据 的可靠性，它还为p r o f i b u s - - f m s 提供r s 4 8 5 或光纤传输技术。 p r o f i b u s - - d p ：使用第一层、第二层和用户接口，第三层到第七层 未加定义，这种流体性结构确保了数据传输的快速和有效的进行，直接数据 链路映像( d i r e c td a t al i n km a p p i n g - - d d l m ) 使得用户接口易于进入第二 层。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 明了各种不同的p r o f i b u s d p 设备的设备行为，还提供了传输可选用的r s 一4 8 5 传输技术或光纤传输技术。 p r o f i b u s p a ：p r o f i b u s p a 的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p a 行规。根据i e c i l 5 8 2 标准， 这种传输技术可保证其本质的安全性并通过总线给现场设备供电，使用段耦 合器，p r o f i b u s - - p a 设备能很方便的集成到p r o f i b u s d p 网络中。 f m sd p p a i s o o s i 模型 1r d p ：规d p 行规 t + d p 扩展层 刚户层 f m s 设备行规 d p 基本功能 应用层( 7 )现场总线报文规范( f m s ) 未使用米使阚 3 6 层 未使用 数据链路层( 2 )现场总线数据链路( f d l )i e c 接口 物理层( 1 )r s 4 8 5 , 光纤 i e c l l5 8 2 2 1 2 传输技术 图2 1p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 提供了三种数据传输类型： 用于d p 和f m s 的r s - 4 8 5 传输：由于d p 和f m s 系统使用了同样的传 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可以在同一根电缆上同时操 作。r s 一4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一种技术。这种技术通常称之为h 2 ， 采用的电缆是屏蔽双绞线。 用于p a 的i e c l l 5 8 - - 2 传输：i e c l l 5 8 - - 2 是一种位同步协议，可进 行无电流的连续传输，通常称为h 1 。这种传输技术能满足化工和石油工业 的要求，可保持其本质安全，并通过总线给现场设备供电。 光纤传输技术：p r o f i b u s 系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可 使用光纤导体，以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体，一种是塑料 光纤，供距离小于5 0 米情况下使用：一种是玻璃光纤，供距离小于1 公里 情况下使用。需要专用的总线接头将r s - - 4 8 5 信号转换成光纤导体信号或将 光纤导体信号转换成r s 一4 8 5 信号。 2 1 3 总线存取协议 三种p r o f i b u s ( d p 、f m s 、p a ) 均使用致的总线存取协议。该协 议通过数据链路层实现。包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处 理。 在p r o f i b u s 中，第二层称之为现场总线数据链路层( f i e l d b u sd a t al i n k f d l ) ：介质存取控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l - - 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只有一个站点发送数据。协议的 设计要满足两个基本要求： 在复杂的自动化系统( 主站) 间通信，必须保证在确切限定的时间 间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。 在复杂的程序控制器和简单i o 设备( 从站) 间的通信，应尽可能 快速又简单的完成数据的实时传输。 因此，p r o f i b u s 总线存取协议，主站间采用令牌传递方式，主站与从 站间采用主从方式。 在总线系统初建时，主站介质存取控制( m a c ) 的任务是制定总线上的 站点分配并建立逻辑环。第二层的另一个重要工作是保证数据的可靠性。 p r o f i b u s 第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性。p r o f i b u s 的 第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点 通信，其中包括广播和有选择的广播。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 p r o f i b u s 的应用领域 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信 与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字化通 信和现场层通信网络。 2 2 1 p r o f l b u s 总线在系统中的位置 个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线 p r o f i b u s d p p _ a 控制系统位于自动化系统的底层，即现场级，p r o f i b u s f m s 用于车间级的信息传输。示意如图2 2 所示。 工厂管理级 车间级 现场级 图2 - - 2p r o f i b u s 总线的应用范围 现场设备层：主要功能是连接现场设备，如分散式i 0 、传感器、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制：如 一台加工设备控制、一条生产线上现场设备之间的连锁控制。主站负责总线 通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站 中，并由主站执行。 车间监控层：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如 一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监 控包括生产设备在线监控，设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统 计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控网络可采用p r o f i b u s f m s ，它是一个多主网，这一级的传输速度不重要，而是能够传送大量的信 息。 工厂管理层：车间操作员工作站可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， 子网通过交换机、网桥、路由器等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工 厂管理层。 2 2 2 常用的系统配置模式 根据现场设备是否具有p r o f i b u s 接口可分为三种形式： 总线接口型：现场设备不具有p r o f i b u s 接口，采用分散式i 0 作为 总线接口与现场设备连接，这种形式在现场总线技术初期容易推广。如果现 场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会很好的发挥现场总线技术的 优点。 单一总线型：现场设备都具有p r o f i b u s 接口。这是一种理想情况， 可使用现场总线技术实现完全的分布式结构，这种方案成本较高。 混合型：现场设备部分具有p r o f i b u s 接口，这是一种相当普遍的现 象。应采用p r o f i b u s 现场设备加分散式i o 混合使用的方法。希望全部使 用具备p r o f i b u s 接口现场设备的场合不多，分散式i 0 可作为通用的现场 总线接口。 因此，可以根据实际需要实行以下几种系统结构方案： 结构类型l ：以p l c 或控制器作为一类主站，不设监控站，但调试 阶段配簧一台编程设备。这种结构类型以p l c 或控制器完成总线通信管理、 从站数据读写、从站远程参数化工作。 结构类型2 ：以p l c 或控制器作为一类主站，监控站通过串口与p l c 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 一对一的连接。这种结构类型，监控站不在p r o f i b u s 网上，不能直接读取 从站数据和完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能丛p l c 中读 取。 结构类型3 ：以p l c 或其他控制器作为一类主站，监控站作为二类 主站连接到p r o f i b u s 总线上。这种结构类型，监控站可完成远程编程、参 数化及在线监控功能。 结构类型4 ：使用p c 机加p r o f i b u s 网卡作为一类主站，监控站与 一类主站一体化。这是一个低成本方案，但p c 机应选用具有高可靠性、能 长时间连续运行的工业级p c 机。对于这种体系结构，p c 机故障将导致整个 系统瘫痪。 结构类型5 ：坚固式p c 机+ p r o f i b u s 网卡+ s o f t p l c 的结构形式。 这是一台监控站与一类主站一体化控制器工作站，要求它的软件完成如下功 能： 夺支持编程，包括主站应用程序的开发、编程、调试。 夺执行应用程序。 夺通过p r o f i b u s 接口对从站的数据读写。 夺从站远程参数化设置。 夺主丛站故障报警及记录。 夺图形监控画面设计、数据库建立等。 夺设备状态再现图形信息、数据存储及统计、报表等功能。 s o f t p l c 是将p c 机改造成一台由软件实现的p l c 。这种软件将p l c 的编 程及应用程序运行功能和操作员监控站图形开发、在线监控功能集成到一台 坚固式p c 机上，形成个p l c 与监控站一体的控制器工作站。 结构类型6 ：使用两级网络结构，车间级和现场级。这种方案充分 考虑了未来扩展的需要。车间级干网连接各个现场级支网，使得扩展支网非 常方便，同时，纵向扩展也非常容易，信息丛车间级到管理级的传送只需扩 展车间级监控站的接口。这是未来现场总线的方向。 2 3 物理层规范及服务 物理层基本特性归纳如下： 网络拓扑：线性总线，有或没有终端电阻，也可连接一段星型总线。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 贪质、传送距离、站个数、中继器个数：屏蔽或非屏蔽的双绞线、 光纤； = 1 2 k m ( 没有中继器) ；3 2 个站； 4 0、 冗余：支持介质双冗余。 传输速度：取决于网络拓扑结构和传输距离，9 6 1 2 0 0 0 k b i t s 。 传输特性：半双工，异步，有滑窗保护机制的同步。 站编址：0 到1 2 7 ( 1 2 7 为全局地址，用于广播或组播) 。 站类型：主站( 主动站，具有总线访问权限) ；从站( 被动站，无权 访问总线) 。主站个数一般不应超过3 2 个，在时间要求不严格的应用中，可 以是1 2 7 个主站。 总线访问方式：主站之间是令牌环方式，主从之间是主一丛方式。 数据传输方式：非循环的( 发送有确认的数据，发送无确认的数据， 发送、请求有应答的数据) ；循环的( 发送、请求有应答的数据) 。 帧长度：每帧l 到2 5 5 字节或3 到2 5 5 字节。 数据完箍性：海明距离- - - - 4 ；同步滑窗机制：特殊序列等避免数据丢 失或重复发送。 2 3 1 物理、电气、机械特性 总线导线在e n 5 0 1 7 0 标准中规定为a 型导线，导线参数见表2 1 表2 一l 总线导线参数 参数a 型导线b 型导线 阻抗( q )1 3 5 1 6 5l o o 13 0 单位长度电容( p f m ) o | 3 4 于各型导线。传输速度与电缆的距离见表2 2 所示。 表2 2 传输速度与电缆距离 传输速率 9 61 9 29 3 7 51 8 7 。55 0 0】5 0 01 2 0 0 0 ( k b i t ，s e c ) a 型导线( m ) 1 2 0 0 1 2 0 01 2 0 01 0 0 0 4 0 02 0 01 0 0 b 型导线( m ) 1 2 0 01 2 0 01 2 0 06 0 02 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 短接线在1 5 0 0 k b i t s 波特率以下时应小于6 6 m 。若使用的数据传输速率 为1 2 m b i t s 波特率时，则应避免短接线。 总线插头连接器为9 针d 插头，使得每个从站以插头连接，每个站应保 证提供必要的信号。总线插头连接器的针脚分配见表2 3 。 表2 3 总线插头连接器的针脚分配表 针脚号信号说明 1屏蔽屏蔽保护地 2m 2 4 2 4 v 输出电压的地 3r x d 厂i x d p + 接收数据发送数据( + ) 4 c n t r p +对中继器的控制讯号( 直接控制) 5d g n d + 数据传输地 6v p + 终端电阻供电电源p ( p = 5 v ) 7p 2 4 输出电源2 4 v + 8r x d ，t x d n 接收数据发送数据( 一) 9c n t r n 对中继器地控制讯号( 直接控制) + 表示由用户支持地信号 数据线通过插头连接器连接，因测一个站点的故障不会影响其他站点， 如果从站发生故障，则p r o f i b u s 主站能在下一次数据循环中检查出故障并 指示。要桥接更长距离和旁路e m c 干扰，则应采用光纤导体传输，标准总 线插头连接器可用于光纤导体传输，该连接器转换r s - - 4 8 5 信号为光纤导体 信号，反之亦然。此外，也可用中继器来处理信号转换。 一个p r o f i b u s 系统可连接1 2 6 个站，总线系统分为若干段，段与 段之间用中继器连接，中继器不占用总线地址，但作为一个站存在，要覆盖 更长距离，可建立连接段，连接段不连接任何站。使用玻璃光纤，在两个中 继器之间的传输距离可达几公里，塑料光纤传输一般的距离为5 0 米。 p r o f i b u s - - d p 和p r o f i b u s f m s 的编码方式为n r z 码，即不归零 码，在位持续期间，二值信号“0 ”或“1 ，不改变。p r o f i b u s - - p a 传输数 据符合i e c l l 5 8 - - 2 国际标准，传输技术为“m a n c h e s t e r ”码，即由0 跳 变到“1 ”为“l ”信号，由“l ”跳变到“0 ”为“l ”信号。 一个字符在p r o f i b u s 总线上为l l 位，一个起始位，一个奇偶校验位， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 和一个停止位。没有数据传输时，空载电位位“l ”，起始位使之变为“0 ”a 2 3 ，2 物理层和数据链路层接口 物理层向数据链路层提供的服务由两个原语实现：请求原语和指示原 语。支持数据的按位传输。原语如下： p h y d a t a r e q u e s t p h y d a t a i n d i c a t i o n f d l 控制器通过p h y d a t a r e q u e s t 原语提出请求， p h yd a t a i n d i c a t i o n 原语告诉f d l 控制器接收到了一个请求。时间关系如 下面所示。 鼎p 甄k r c q fr 蛔r e q u e 文 眦j m 如n ) 虹 ； i 咔、 j 原语参数及物理层传输信号 p h y d a t a r e q u e s t l参数含义传输信号 l ( f d l s y m b 0 1 )t x d r t s z e r o“0 ”o 1 o n e“l ”ll s i l e n c e 信号传输结束 x p h y d a t a i n d i e a t i o n 参数含义传输信号 ( f e l s y m b 0 1 ) r 1 s z e r o“o ”l o n e“l ”l ，o n 一 一 正 一 n 一 竖 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 3 3 物理层介质可冗余 物理层介质冗余可保证网络的可靠性，在实现上，需要两根独立的总线 和两个相互独立的发送接收器。冗余结构如图2 3 所示。 总线a 总线b 图2 3 冗余结构图 l s s ：( l i n es e l e c t s w i t c h ) 总线选择器，决定哪一根总线上的数据有效。 2 4 数据链路层 24 1 传输服务 数据链路层提供以下服务： s d a ( s e n dd a t aw i t h a c k n o w l e d g e ) 发送有应答的数据( 仅对f m s ) 。 主站的f d l m p ( 本地用户) 用这个服务发送数据道单个远端站，如果没有 错误，远端站的f d l 把数据提交给用户( 远端用户) ，本地站会接收到应答， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 报告数据是否被远端用户收到，出错时，本地用户会重发数据。 s d n ( s e n dd a t aw i t hn oa c k n o w l e d g e ) 发送没有应答的数据( 对 d p 和f m s ) 。本地用户可以通过此服务发送数据到一个、多个、全部远端用 户，实现组播和广播的功能。在数据发送结束时本地用户会接到来自数据链 路层的确认，但只说明是否正常发送，数据是否到达远端用户不被确认。 s r d ( s e n dd a t aw i t hr e p l y ) 发送和请求有应答的数据( 对d p 和 f m s ) 。此服务允许本地站发送数据到单个远端站，同时请求远端站已准备好 的数据。此服务允许本地站只请求远端数据而发送数据为空。远端站的应答 信息包括数据接收到、数据没有接收到、数据没有准备好，如果出错，则本 地f d l 会重发数据。 c s r d ( c y c l i cs e n da n dr e q u e s td a t aw i t hr e p l y ) 循环发送和请 求数据( 仅对f m s ) 。此服务允许本地用户循环的发送数据到远端用户，同 时请求远端数据。允许发送数据为空，只请求远端的数据。本地用户会循环 的接收到应答信息，包括数据接收到、数据没有接收到、数据没有准备好。 各种服务的实现原语： s d a ： f d l _ d a t a r e q u e s t ( f o r m a s t e r ) f d ld a t aa c k i n d i c a t i o n ( f o rm a s t e ra n ds l a v e ) f d ld a l aa c k c o n f i r m ( f o rm a s t e r ) s d n ： f d ld a t a r e q u e s t ( f o rm a s t e r ) f d ld a t aa c k i n d i c a t i o n ( f o rm a s t