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基于现场总线技术的制丝生产线管控系统的研究与实现 摘要 随着控制技术、计算机通信、网络技术的发展，自动化系统结构也正 在发生巨大变化。底层控制网络不再是孤立的控制系统，通过工业以太网 和现场总线技术实现网络集成，将基础自动化控制、过程控制和管理与企 业资源计划层e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 连接在一起；提高现 场数据采集能力，增强使用灵活性，有效解决了以往控制系统提供的信息 不全，自动化控制系统与企业管理系统之间的无缝集成问题，还为实现e r p 管理和管控一体化提供了良好的必要条件。本课题正是针对采用现场总线 技术的生产线管理与控制系统展开研究的。 本文第一章简要介绍了生产线自动控制及管控系统的发展概况和现 场总线技术：第二章详尽论述了p r o f i b u s 现场总线原理和网络模型；第三 章介绍了工业以太网交换技术和网络冗余原理；第四章分析生产线管控系 统底层控制采用p r o f i b u s 现场总线的可行性；第五章深入研究了基于现场 总线技术的生产线管控系统的设计：第六章探讨了基于现场总线技术的工 业控制系统组态画面的设计：第七章给出基于b s 结构远程监控信息发布 方法。最后对论文工作进行了总结。 关键词：p r o f i b u s管理与控制系统 智能节点管理计算机 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o nb a s e do nf i e l d b u so f c o n t r o l l i n g - m a n a g e m e n ts y s t e mi nt o b a c c op r o c e s s i n gl i n e a b s t r a c t ：w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc o n t r o l t e c h n i q u e ，c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m t a k e sp l a c eg r e a tc h a n g e b o t t o ml a y e ro fc o n t r o ln e ti sn o ta n yl o n g e rau n a i d e d a c n o d e i tj o i n sa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，p r o c e s s i n g c o n t r o l l i n g m a n a g e m e n t s y s t e mw i t he n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n gs y s t e mt oa p p l yt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a l e t h e m e ta n df i e l d b u s ，a sar e s u l t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n c a p a c i t ya n df l e x i b i l i t y i m p r o v e d ，t h ep r o b l e mo nc o n t r o ls y s t e mi n f o r m m i o ns h o r t a g ea n di n t e g r a t i o no f a u t o c o n t r o ls y s t e ma n de n t e r p r i s em a n a g e m e n ts y s t e ms o l v e d ，t h eq u a l i f i c a t i o nt o r e a l i z ei n t e g r a t i o no fe r pa n dm a n a g e m e n t c o n t r o ls y s t e mp r e s e n t e d i nt h i sa r t i c l e t h ed i s c u s s i o ni sc a r r i e do u ta b o u tt o b a c c op r o c e s s i n gl i n gc o n t r o l l i n g m a n a g e m e n t s y s t e mb a s e do nf i e l d b u s t h ef i r s te h a p t e ro ft h i sa r t i c l eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ed e v e l o p m e n to f a u t o m a t i o np r o d u c tl i n ea n dc o n t r o l l i n g m a n a g e m e n ts y s t e m a sw e l la sf i e l d b u s t h e s e c o n dc h a p t e rd e t a l l e dd i s c u s s e sb a s i ct h e o r ya n dn e tm o d e lo fp r o f i b u s t h et h i r d c h a p t e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a le t h e m e t t h ef o n l l c h a p t e ra n a l y z e s t h e a p p l i c a t i o np r o b a b i l i t y o fp r o f i b u s i n c o n t r o l l i n g m a n a g e m e n ts y s t e m t h e f i f t h c h a p t e rd e e p l y s t u d i e s d e s i g n o f c o n t r o l l i n g m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nf l e l d b u s n l es i x t hc h a p t e rp r o b e si n t o d e s i g no fc o n f i g u r a t i o np i c t u r eo fc o n t r o l l i n g m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nf i e l d b u s t h es e v e n t hc h a p t e rp r e s e n t sw a yo fd i s t r i b u t i o no nr e m o t e c o n t r o li n f o r m a t i o nb a s e d o nb ss t r u c t u r e k e yw o r d s ：p r o f i b u st e c h n o l o g y ；c o n t r o l l i n g - m a n a g e m e n ts y s t e m ；s m a r t n o d e ；s u p e r v i s o rc o m p u t e r v 插图目录 图卜l 简化的c i m s 网络体系结构3 图1 2 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统4 图卜3 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统6 图2 1p r o f i b u s 协议结构1 1 图2 2p r o f i b u d d p 和p r o f i b u s f m s 的电缆接线和总线终端电阻1 2 图2 3 每个分段上最多可接3 2 个站( 主站或从站) 1 2 图2 - 4p r o f i b u s p a 的网络拓扑结构图1 4 图2 - 53 个主站、7 个从站构成的p r o f i b u s 系统1 6 图2 - 6 单主站系统1 8 图2 7 多主站系统1 9 图2 8p r o f i b u s d p 用户数据传输2 0 图2 - 9 基于g s d 文件开放式组态2 2 图4 1 集散型控制系统3 4 图4 2 现场总线是控制系统3 5 图5 1 闭环控制原理图4 4 圈5 2 系统网络结构图4 7 图5 3 四层远程控制系统结构4 9 图5 - 4 三层远程监控系统结构5 0 图5 5 双机热备远程监控系统设计方案5 0 图6 一l 组态软件的数据处理流程图5 2 图6 2 i f i x 到s q l 数据源的路径5 3 图6 3 典型o d b c 结构5 4 图6 4 单层o d b c 结构5 4 图6 - 5 用d a oj e t 和d a oo d b c d i r e c t 访问s q l 数据源的比较5 5 图6 6 用r d o 访问s o l 数据源5 6 图7 1c g i 程序处理流程6 7 图7 2a s p 工作原理7 0 图7 3 系统结构图7 3 x i 表格目录 表2 1 段电缆长度i 3 表2 2 标准供电装置( 操作值)1 5 表2 - 3i e c l l 5 8 2 传输设备的线路长度1 5 表5 - i 传输速率与段电缆长度表4 4 表6 1 基于事件类型触发条件表6 2 表6 2 基于时间类型触发条件表6 2 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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，也不包含为获得 盒壁些鑫堂 域其他教育机构 的学1 1 i ) = 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己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：喧文友签字日期：二形年月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒胆王些厶堂有荧保留、使用学位论文的规 定，有权保留井向国家有关部r j 或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权 金壁兰业盘堂 可以将学能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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 ) 学位论文作者签名 签字日期：埘6 年牛月谚日 学位论文作者毕业后去向 1 = = 作单位 通讯地址 游川焖) l 拣叶备魂盘络b l l i 电话 邮编 日 是影 仉v 珥浇础 辄 吼三 致谢 本论文是在导师张维勇教授的悉心指导下完成的，三年来，张教授无论是 在学习上还是在工作上都给了我极大的关心和帮助，使我得以j i i 顷n 完成工程硕士 阶段的学习。在我所取得每一点成绩中都倾注了张老师的大量心血。张老师渊博 的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术思想、以及积极进取的科研精神是我终生 学习的楷模。在此谨向张教授致以衷心的感谢和崇高的敬意! 在论文撰写的过程中得到了我的领导和同事的支持和帮助，在此表示感谢。 同时还要感谢曾经关心、帮助过我的所有老师和同学。 在此还要特别感谢昆明船舶集团公司的技术人员，他们在我学习和项目实 施上给予了莫大的帮助和指导，衷心祝愿他们工作顺利! 最后要感谢我的父母和家人，感谢他们在生活和精神上给我的莫大支持和 无私帮助。 v i 台肥工业大学工程硕士论文基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 第一章概论 改革开放2 0 多年来，在国家的宏观经济政策和烟草行业主管部门正确的领导 下，卷烟企业遵循依靠企业技术进步和现代化管理的战略思路，迅速发展壮大。卷 烟企业在追求技术进步的过程中，引进先进的技术装备，使制丝、卷接、包装设备迅 速赶上国际先进水平，卷烟生产的管理与控制已到达较高的水平。如今，工业企业 现代化改造方向是综合应用自动控制技术、物流技术、信息技术，全面实现企业信 息化。发达国家已逐步实现的工业企业信息化，最初也是从企业自动化起步的，这 为我们提供了很好的借鉴。因此，卷烟企业的生产控制与管理的自动化是实现信息 化企业的基础，基于现场总线技术的制丝生产线管控系统的发展应用是未来几年烟 草企业应该关注的重点。 1 1 卷烟企业制丝生产控制系统的发展历程 1 1 1 自动控制技术的发展 工业过程自动控制包括对生产设备连续顺序控制，压力、温度、含水率、掺兑 配比等自动控制，产品物理结构、化学成分等品质检测等；其应用意义不仅仅在于 将人们从繁重单调的劳动中解放出来，而且是保证大规模工业生产的生产效率和产 品质量的有效手段。 自动控制技术伴随着工业生产的规模扩大和对产品质量的更高追求而不断发 展，企业为追求更大的效益和更高的产品竞争能力也促进了自动控制技术的发展， 国外自2 0 世纪6 0 年代初出现第一套工业过程控制系统以来，已历经3 个主要发展 阶段： ( 1 ) 工业生产线自动逻辑控制和模拟量p i d 调解等控制技术的应用，实现了工 业生产线的连续自动生产。该阶段主要采用机电逻辑控制技术和工业二次仪表，由 于控制落后，控制系统可靠性不高，工艺调节精度不高，加之检测手段落后，生产 过程必须有大量的人工参与，生产效率和产品质量无法保证。 ( 2 ) 随着计算机技术的发展，出现了可编程逻辑控制器( p l c ) 。由于采用了计 算机技术，可以应用算法复杂的模糊控制技术等先进控制理论，控制软件取代了大 部分硬件功能，控制系统的设计、制造、调试、更改和维护大大简化；同时计算机 技术也促进了检测技术的发展，因此，控制系统的可靠性和工艺调节精度大大提高。 ( 3 ) 随着计算机技术、通讯技术、控制技术发展，以及集中监控技术同趋成熟 并得到广泛应用，控制系统更向全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互 联网络的新一代现场总线控制系统( f c s ) 发展 ”。 合肥工业大学工程硕士论文 基于现场总线技术的制丝生产线管拉系统研究与实现 1 1 2 国内卷烟企业自动控制的发展历程 2 0 世纪8 0 年代初期我国卷烟企业开始引进国外先进的生产设备，全自动的进 口生产线( 设备) 反衬出国产烟机设备在自动化水平上与国际先迸水平的巨大差距。 经过l o 多年的努力，不断采用新的自动控制技术，从继电逻辑控制，到p l c 控制， 再到集中监控，发展到现在的工业现场总线控制技术和管控一体化控制系统。经过 几次大的跨越式发展，迅速缩小了与国外的差距，2 0 世纪9 0 年代以前，采用继电逻 辑控制，实现制丝生产线生产过程自动化，提高卷烟企业制丝生产自动化水平。2 0 世纪9 0 年代初，p l c 控制技术应用于制丝生产线控制，使控制系统的结构简化，可 靠性、稳定性提高，卷烟企业的自动化程度逐渐接近世界同行业水平。随着技术水 平的不断提高，集中监控系统应用于制丝生产过程控制，为生产线的生产管理提供 了现代化的管理手段，并采用现场操作站系统取代了电柜上的大量指示灯、操作按 钮、模拟显示屏等，极大方便了现场的操作、查询、维修。 如今，根据企业的信息化、网络化的发展需求，基于工业现场总线的控制系统 将目前世界最先进的控制技术应用于卷烟企业，形成管控一体化控制系统，为车间 数据采集、数据管理及卷烟企业信息集成奠定了基础。 1 1 3 卷烟企业制丝管控系统的新需求 随着烟草产品市场竞争的需要，卷烟企业提出了提质降耗、精细加工、小批多 品、开发新品、管控结合的新需求：l 、高可靠性、高稳定性，保证设备较高水平的 有效作业率；2 、先进的简化的电控系统结构，投资建设、运行维护的低成本；3 、 完备的检测项目，先进的检测手段，便于产品质量跟踪和控制；4 、稳定的流量控制， 精确的开环、闭环调节控制，便与稳定的质量控制；5 、完善的牌号管理和工艺参数 ( 配方) 管理体系，适应小批量多品种的生产方式；6 、全面可靠的数据自动采集和 人工录入系统、完善的数据处理系统，以满足对生产、工艺、质量、设备、能源进 行综合管理的需要。 1 2 卷烟制造企业制丝生产线管控系统发展趋势 随着网络技术、通讯技术、人机接口技术等信息技术的应用，制丝生产线管控 系统正逐步实现网络化、智能化、数字化控制。在管控系统结构方面正开发和应用 更优化的集散控制系统结构和网络结构：在硬件方面正开发和应用可靠性更高、速 度更快、配置更灵活的控制器、通讯模块、开发维护工具等；在软件方面正开发和 应用工业控制组态软件、数据管理软件、通讯软件、故障自动诊断软件和强大的开 发工具软件等。 合肥工业大学t 程硕士论文基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 1 3 现场总线技术 现场总线拉邪】( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是2 0 世纪8 0 年代中期在国 际上发展起来的，被誉为自动化领域的计算机局域网，现场总线控制系统既是一个 开放的通信系统，又是一个全分布控制系统，它适应了工业控制系统向分散化、网 络化、智能化发展的方向。按照国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 的标准定义，现场总线是 “安装在制造和过程区域的现场装置与控制室的自动化控制装置之间的数字式、串 行、多点通信的数据总线”【4 1 【7 】。简单的说就是从中央控制室连接到现场设备的双 向全数字通信总线。它是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串 行多节点数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络【8 。 1 3 1 计算机集成制造系统( c i m s ) 体系结构及工业数据结构的层次划分 根据工厂管理、生产过程及功能要求，c i m s 体系结构可分为5 层，即工厂级、 车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的c i m s 则分为3 层，即工厂级、车间级 和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程控制中工业数据 结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。如图1 1 所示。 图卜1 简化的c i m s 网络体系结构 1 3 2 自动化监控及信息集成是工厂c i m s 不可缺少的重要部分 现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控 制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计 等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传 送到工厂管理层，向工厂级m i s 系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下 达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是 实现工厂自动化及c i l v i s 系统的基础。 合肥工业大学工程硕士论文基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 1 3 3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统( 包括：基于p c 、p l c 、 d c s 产品的分布式控制系统) ，其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接 是一对一( 一个i o 点对设备的一个测控点) 所谓i o 接线方式，信号传递4 - 2 0 m a ( 传送模拟量信息) 或2 4 v d c ( 传送开关量信息) 信号。如图1 2 所示： 图卜2 ：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 1 3 4 传统系统主要缺点 ( 1 ) 信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠i o 连线连接，传送4 - 2 0 m a 模拟量信号或2 4 v d c 等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息 量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、 信息集成能力不强，不能完全满足c i m s 系统对底层数据的要求。 ( 2 ) 系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4 - 2 0 m a 2 4 v d c 连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、 互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控 制技术。如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的 监控系统很少。 ( 3 ) 可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的i o 电缆及敷设施工， 不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。 ( 4 ) 可维护性不高：由于现场级设备信息不全，使现场级设备的在线故障诊断、 报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数 化功能，影响了系统的可维护性。 4 台肥工业大学工程硕士论文 基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 1 3 5 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形 由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智 能化，即内置c p u 控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等 功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口( 如r s 一2 3 2 4 8 5 ) 是非 常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式( 而 不是i o 方式) 完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行 通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备 连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。 1 3 6 现场总线技术的产生 基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的 现场设各连接，这样，在设备层传递的不再是i o ( 4 2 0 m a 2 4 v d c ) 信号，而是基 于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信 息集成系统。 1 3 7 现场总线技术的特点 现场总线是3 c 技术( 计算机、通信、控制) 的融合。它把微机处理器置 于现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，提高了信息传输精度， 也为其远程传输创造了条件。简单地概括现场总线技术的特点就是信号传输全 数字、控制功篦全分散、标准统一全开放1 9 1 f 2 5 l 。 ( 1 ) 采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高 了可靠性和抗干扰能力。而且f c s 从传感器、变送器到控制器一直是数字信号， 这使得我们很容易地处理更复杂、更精确的信号，同时数字通信的差错控制可 检测出传输中的误码。 ( 2 ) 采用统一的国际标准，不同厂家产品相互兼容，整个系统具有开放性， 便于操作、维护和扩展。 ( 3 ) 控制功能下放到现场，控制室内控制器主要完成数据处理、监督控制、 优化控制、协调控制和管理自动化等功能。 ( 4 ) 硬件相对简化，初期系统投资相对较低使得蜘蛛网似的线缆很轻松 的被一根双绞线所代替。同时，现场总线可提供现场设备的管理数据，作为维 护的参考，将非正常停工损失降为最低。 ( 5 ) 采用功能模块方式组态，现场总线已有大量可满足过程控制的功能 模块，如输入、输出、p i d 调节等，一些模块还具有报警功能。 鱼望三些查堂三堡塑主堕茎 薹王墨堑壁垡苎查塑! ! 丝兰兰丝篁丝墨篓型! 壅兰! ! 翌 ( 6 ) 应用数据库管理技术，使任何同现场总线相连的人机界面都可显示 有关仪表与控制回路信息。 1 3 8 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如图i - 3 所 刁i ： 叶丝处理段混丝掺配段梗及梗丝处理段 图卜3 ：基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 1 3 9 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点 ( 1 ) 增强了现场级信息集成能力：现场总线可从现场设备获取大量丰富信 息，能够更好的满足工厂自动化及c i m s 系统的信息集成要求。现场总线是数字 化通信网络，它不单纯取代4 - 2 0 m a 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息 传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。 ( 2 ) 开放式、互操作性、互换性、可集成性：不同厂家产品只要使用同一 总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开 放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集 成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。 ( 3 ) 系统可靠性高、可维护性好：基于现场总线的自动化监控系统采用总 线连接方式替代一对一的i o 连线，对于大规模i o 系统来说，减少了由接线点 造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功 6 台肥工业大学工程硕士论文 基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维 护性 ( 4 ) 降低了系统及工程成本：对大范围、大规模i o 的分布式系统来说， 省去了大量的电缆、i 0 模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。 1 3 1 0 几种有影响的现场总线技术 下面对几种在实际中有影响的现场总线技术进行分析 4 0 1 。 ( 1 ) c a n 总线技术 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ，控制局域网络) 是主要用于各种监测及控制的 一种网络。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。其技术规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，由于得到了 m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持被广泛应用在分散控制 领域。其结构模型只有三层，即i s o 的物理层、数据链路层和应用层。通信介质 采用双绞线，通信速率可达1 m b p s 4 0 m ，直接通信距离可达l o k m s k b p s 。可挂接 设备数多达1 1 0 个。c a n 支持对等式结构，网络上的节点可设置优先级，以满足 不同的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术。可以点对点、点对多以及广播式 发送及接收数据。c a n 采用短帧结构，每一帧的有效数字为8 个。c a n 节点在错 误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，避免影响总 线上其它节点的操作。在s i e m e n s 公司的s i b a s 3 2 中曾在制动控制部分的总线中 采用c a n 总线。我国也有过这方面的研究和应用。 ( 2 ) f f 总线技术 现场总线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不属于任何企业的公正的非商业化 的国际标准化组织。其体系结构采用了物理层、数据链路层、应用层、用户层。 采用令牌总线工作方式，传输介质支持双绞线、光纤和无线介质。传输信号采用 曼彻斯特编码。 ( 3 ) h a r t 总线技术 h a r t 协议是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议。它是用于现场智 能仪表和控制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点对多连接模式。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。 ( 4 ) l o n w o r k s 总线技术 台肥工业大学工程硕士论文 基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 l o n w o r k s 控制网络是由美国e c h e l o n 公司推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公 司共同倡导，于1 9 9 3 年正式公布而形成的。其网络芯片n e u r o n 芯片集成了 i s o o s i 的全部七层协议，同时具有通信和控制功能，提供了3 4 种常见的i o 控 制对象，工作温度范围宽。 l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外线、 光缆，支持总线型、环形、自由拓扑形式，网络收发器由直接驱动、e i a 一4 8 5 型、 变压器耦合接口三种形式，采用差分曼彻斯特编码，使网络具有很强的抗干扰能 力。在采用双绞线、波特率为7 8 b k s 的通信网时，直接通信距离可达2 7 0 0 m 。控 制网络的介质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 坚持c s m a ( p r e d i c t i v e p - p e r s i s t e n tc s m a ) ，使得网络在超载时仍保持很高的吞吐量。 ( 5 ) p r o f i b u s 总线技术 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的简称。它是1 9 8 7 年德国联邦科技部按照i s o o s i 参考模型制订的现场总线德国国家标准，于1 9 9 1 年正式成为德国现场总线国 家标准( d i n l 9 2 4 5 ) ；并于1 9 9 8 年又成为欧洲的标准( e n 5 0 1 7 0 ) 。它具有如下特点： p r o f i b u s 由三部分组成： a p r o f i 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 现场总线报文规范) 。 此部分是完成控制器和现场器件之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此，它 考虑的是系统功能而不是系统响应时间，适应于完成中等传输速度进行较大数据交 换的循环和非循环通讯任务。 b 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 分散型外围设备) 是一种优化的 通讯模块，适用于自动控制系统和外围设备之间的通信，对时间要求苛刻的场合。 c 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 过程自动化) ，应用于过程自动化，实 现了i e c l l 5 8 2 中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站 点。 p r o f i b u s 遵循i s o o s i 模型，其通信模型由三层构成：物理层，数据链路 层和应用层。 p r o f i b u s 的通信速率为： a p r o f i b u s f m s ：使用r s _ 4 8 5 时，为9 6 k 一5 0 0 k b p s ，距离1 6 k m 一4 8 k m ， 最多可接1 2 2 个节点；使用f s k ( 频移键控) 时，最多3 2 个节点，距离可达5 k m ，介 质可为双绞线或光缆。 b 。p r o f i b u s - - d p ：r s 一4 8 5 双绞线或光缆，为9 6 k - 1 2 m b p s ；最大距离：1 2 m b p s 时为l o o m ：i 5 m b p s 时为2 0 0 m ，可用中继器加大距离，最大站数1 2 6 。 o p r o f i b u s p a 通信速率为3 1 2 5 k b p s ，最大距离为1 9 k m ，其每一段上可 连接的仪表台数3 2 台，但决定于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线 鱼! ! 三些查堂三堡堕圭丝苎 兰王翌堑璺垡垫查塑型丝皇兰垡竺丝墨竺! ! ! ! 塑生! ! 塑 电流，只要馈入总线的电源不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险 区域中运行的本质安全性 总线存取协议：三种系列的p r o f i b 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，主站和从站问按主从方式工作。 三种系列的p r o f i b u s 很容易集成在一起， d p 和f m s 使用了同样的传输技 术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电线上同时操作；p a 和d p 之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。 安全性：p r o f i b u s p a 采用总线供电，支持本安防爆要求。 p r o f i b u s 自1 9 8 9 问世以来，由于其严格的定义和完善的功能使其成为开放式 系统的典范，目前世界上约有五百多家厂商加入了p r o f i b u s 用户协会，并提供近千 种p r o f i b u s 产品，著名的s i e m e n s 公司可提供1 0 0 多种p r o f i b u s 产品，据统计到 1 9 9 9 年世界上已有3 5 万套p r o f i b u s 设备成功应用在5 万多个工业现场。 网络结构既可采用主从式也可采用对等式。具有配套的节点、中继器、网关等 设备的开发、调试和安装设备，集成的开发环境使得系统的开发调试简单易行，可 实现网络的离线、在线设计和调试，或通过i n t e n e t 网进行远程调试。 p r o f i b u s 控制网络的系统组态采用了面向对象的设计方法，应用编程时不 用花时间考虑通信部分的繁琐编程，而且它具有集成化的开发环境，易于开发、 安装和调试。 1 4 本课题的目的和内容 在我国加入w t o 后，为了增强国有烟草企业与国外跨国企业的竞争能力，各烟 草企业都在进行大规模的技术改造工程。基于现场总线的制丝线管控系统利用现场 总线技术把网络化、信息化概念引入到控制系统领域中，构建完整的生产控制网络 和信息网络；优化企业生产过程，实现企业的量化管理，提高生产效率，满足了企 业全面信息化的要求，成为本次技术改造的重点和亮点。本课题重点解决以下问题： ( 1 ) 研究分柝工业控制系统特别是集散式系统和现场总线系统的技术特点和 使用环境。 ( 2 ) 分析多种现场总线技术( 主要为p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、f f ) 的体系结构和技 术原理。 ( 3 ) 研究w e b 技术在工业控制网络中的相关技术。 ( 4 ) 根据烟草行业应用的具体要求，结合各种现场总线的特色，设计合理的现 场总线控制系统方案。 ( 5 ) 进行基于现场总线技术的工业控制系统组态面面设计与实现。 ( 6 ) 根据功能需求，设计并实现基于现场总线技术的制丝生产线管控系统。 9 台肥_ ：_ r = 业大学工程硕士论文 基于现场总线技术的制丝生产线管控系统剥究与实现 第二章p r o f i b u s 网络控制技术的原理与应用 2 1 概述 p r o f i b u s 网络控制技术在控制系统中引入了网络的概念，在该技术的基础 上，可以方便的实现分布式的网络控制系统，并使得系统更高效、更灵活、更易 于维护和扩展。具体有以下特点：“1 ( 1 ) 开放性和互操作性 网络协议是开放的，其协议已被一些国际组织确认为标准，如d i n5 0 1 7 0v 2 和i e c l l 5 8 。网络协议完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。该技术提供 的f i r m w a r e ( 微处理器接口程序) 软件允许开发各种高速低成本网关，方便了不同 系统的互连。也使得系统具有高的可靠性。 ( 2 ) 通信介质 用于d p f m s 的r s 4 8 5 传输、用于p a 的i e c i1 5 8 2 传输、光纤等多种传输介 质，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。这一特性使得不同工业现场的不 同设备实现互连。增强了网络兼容性。 ( 3 ) p r o f i b u s d p 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i o 钓通信。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。 ( 4 ) p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上并有本征安 全规范。 ( 5 ) p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。 ( 6 ) s i m a t i c 瞻n a g e r ；用于p r o f i b u s 网络组态和p l c 编程的开发和应用程序， 采用面向对象的方法管理网络设备，为网络设备管理和 i m i 建立提供了有效手段。 2 2p r f i b u s 基本特性 2 2 1p r o f i b 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 国际准，以开放式系统互联网络( o p e n s y s t e mi n t e r c e r m e c t i o n s i o ) 作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2 1 所示： 1 0 合肥工业大学工程硕士论文基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 图2 - 1p r o f i b u s 协议结构 ( 1 ) p r o f i b u s - d p 定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。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。 ( 2 ) p r o f i b u s f m s 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范( f i e l d b u s i e s s a g e s p e c i f i c a t i o n f m s ) 和低层接口( l o w e rl a y e ri 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强有力的通信服务。l l i 协调不同的通信 关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 ( 3 ) p r o f i b u s p a 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，p a 还描述了现场设备 行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术可确保其本征安全性，而 且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上扩展p a 网络。 2 2 2p r o f i b u s 传输技术 p r o f i b u s 提供t _ - 种数据传输类型：用于d p 和f 缸s 的r s 4 8 5 传输；用予p a 的i e c t l 5 8 2 传输；光纤。 2 2 2 i 用于d p f m s 的r s 4 8 5 传输技术 由于d p 与f m s 系统使用了同样的传输技术和统的总线访问协议，因而 这两套系统可在同一根电缆上同时操作。 合肥工业大学工程硕士论文基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 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。这种技术通常称之为h 2 。 采用的电缆是屏蔽双绞铜线。 r s 一4 8 5 传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：9 ，6 kh i t s 一- 1 2 mb i t s 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。 站点数：每分段3 2 个站( 不带中继) ，可多到1 2 7 个站( 带中继) 。 插头连接：最好使用9 针d 型插头。 2 2 2 2r s 一4 8 5 传输设备安装要点 ( 1 ) 全部设备均与总线连接。 ( 2 ) 每个分段上最多可接3 2 个站( 主站或从站) 。 ( 3 ) 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线 终端电阻必须永远有电源。见图2 2 所示。 ( 4 ) 当分段站超过3 2 个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一 般不超过3 个。见图2 3 所示： 图2 2p r o f i b u d d p 和p r o f i b u s - f m s 的电缆接线和总线终端电阻 图2 - 3 每个分段上最多可接3 2 个站( 主站或从站) i 2 舍肥工业大学工程硕士论文基于现场总线技术的制丝生产线管控系统研究与实现 ( 5 ) 电缆最大长度取决于传输速率。如使用a 型电缆，则传输速率与长度