（轮机工程专业论文）基于profibusdp现场总线的风送平衡控制系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现场总线在当今自动化领域中被广泛应用，被誉为自动化领域的计算机局 域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生 前所未有的冲击和影响。 论文介绍的基于p r o f m u s d p 现场总线的风力送丝平衡控制系统，是以 该系统的完成为例子来说明基于工业现场总线的控制系统的构建、安装调试工 作。系统能够完成对现场的监控和报警，并提供趋势分析，是现场总线应用到 工业自动化控制的典型方案。 系统下位控制部分为西门子s 7 2 0 0 系列p l c 及扩展模拟量模块，并通过通 讯模块e m 2 7 7p r o h b u s d p 连接到p r o f i b u s 现场总线。系统上位基于 p r o f i b u s ，c o n t r o l n e t 和d h + 三层网络来实现远程控制，用p r o 助u s 作为底层传 输网络，c o m r o l n e t 作为上位传输网络，d h + 作为人机界面接口网络；通过建立 与p a n e l b u i l d l 4 0 0 e 的人机接口，达到远程监控现场的目的。 系统完成以下功能： ( 1 ) 在工厂原有系统上增加了p r o f m u s 模块，设计通信程序实现了异种 p l c 不同网络间的通信。基于p r o 肋u s ，c o n t m l n e t 和d h + 三层网络来实现远程 控制，用p r o f i b u s 作为底层传输网络，c o n t r o l n e t 作为上位传输网络，d h + 作为 人机界面接口网络，实现远程监控现场的目的。采用以太网实现超长距离的通讯、 控制、数据存储。 ( 2 ) 设计制作人机界面，方便系统监控、操作和维护。风送风速平衡控制 系统采用可视化的操作平台，将整个工艺流程在显示屏幕上直观的展示，并通 过简单的操作切换到需要观测的界面，对风速进行直观的监控。 ( 3 ) 设计变速积分算法，使风力送丝具有良好的稳定性。当偏差太大时p 1 d 的积分作用自动减弱，咀防止积分饱合，减小超调，而在偏差很小时p i d 的积 分作用又自动增强，以尽快消除静差。 关键词：现场总线，p r o 兀b u s ，p l c ，p l d ，变速积分，通信，人机界面 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w j d e l yu s e di nt h ea u t o m a t i ca r e a ，f c i l d b u si sc a l l e dc o m p u t e rl a ni na u t o m a t i c a r e a f o l l o w i n gi t sr i s j n 吕j ti st h es j g no fa u t o m a t i ca r e ac o m e st oan e wp e r j o d ，a n d i tw i l ia r i s eb i ge f f e c ta n di l p a c ti nt h i sa r c a t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sak i i l do fw i n d f o r c eb a i a n c e dc o n t r o ls y s t e mo fg i v i n 2 t o b a c c ob a s e do np r o f i b u s - d pf c i l d b u sn e t 1 tc a nr e a l i z et h ec o n t m la n do b s e e o ft h ef i e l da n dg i v ea l a m l o f f e ft r e n da n a l v s i s t h i sw i n d f o r c eb a l a n c e dc o n t r o l s y s t e mo fg i v i n gt o b a c c ob a s e do np r o f i b u s d pn e ti so n eo ft h em o s tp r a c t i c a l s c h e m e so fi n d u s t r y sa p p l i c a t j o ns y s t e mo ft o b a c c o s u b s t t a t ec o n “0 1p a no ft h es y s t 嘲a d o p t e ss i e m e n ss 7 2 0 0s c t i e sp l ca n d e x t e n d e da n a l o g b l o c k i n g ，a n du s et h ec o m m u n i c a t i o nb l o c l 【i n gt h ee m 2 7 7 p r o f m u s d pl i n kt ot h ep r o f i b u sf e i l d b u s s u p e r s t r a t 啪c o n 仃o lp a r to ft h e s y s t e mb a s e so np r o f i b u s ，c o n t r 0 1 n e ta i l dd h + t h r c el a y e rn e t w o f k st oc a 盯vo u tt h e l o n gr a n g ec o n t r 0 1 u s ep m f i b u s 蕊s u b s t r a t eo ft h e 仃a n s m i s s i o nn e t w o r k ，t h e c o n t r o l n e ta ss u p e r s t r a t u mo ft h et r a s m i s s i o nn e t w o r k ，d h + a st h em a n m a c h i n e i n t e r f a c ec o n n e c t i o nn e t w o r k ；p 踮s e sm ee s t a b l i s h m c n tb u i l d i n 足c o n n e c t i o no n p a i l e l b u i l d l 4 0 0 ，a t t a i i i l gt h ep u r p o s eo ft h el o n gr 吼g es u p e i s i o nt h es p o t o b t a i n e dt 量l er e s e a r c hr e s u l ta sf o l 王o w s ： ( 1 ) 1 1 l c r e a s ep r o f i b u sm o d u l ei no r i 西n a l 丘a m e ，d e s i 星田t h ec o m m u n j c a t i o n p r o g r a ma n dr c a l i 2 et h ec o m m u n i c a t i o na m o n gd i f f e r c n tk h do fp i i nd i f f e r e n t n e t w o r k s a c c o r d i n gt om et h r e el a v e rn e t w o r k so fp r o f i b u s ，( b n t m l n e ta n dd h + t o c a r r yo u tt h el o n 譬r a n g ec o n t r 0 1 ，t h ef i r s tf l o o rt od e l i v e rt h en e t 、o r ki st h ep r o f j b u s ， t h ec 0 n t m l n e ti st h es e c o n dl a v e rt od e l i v e rd a t ai nt h en e t w o r k ，a n dd h 十i sa h u m a n - m a c h i n ei n t e d h c et oc o i l n e c tt h en e t w o r kc a “yo u tt h ep u r p o s eo ft h el o n g r a n g es u p e r v i s j o nt ot h ef i e l d ( 2 ) d e s 幢na n df i n i s ht t l eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) ，m a k i n gt h es v s t e m e a s vt oc o m i o l ，o 口e r a t ea i l dm a i n t a i n t h ew i n d f o r c eb a l a n c e dc o n t r o ls v s t e mo f g i v i n gt o b a c c oa d o p tad e s i 乒o fo b s e r v a b l e ，m a k i n gt h e w h o l ec r a f tp m c e s ss h o w i n g o nm es c r e e n ，a n du s i n gas j m p l eo p e r a t j o nt os w i t c ht om ei n t e r l a c et h a tn e e dt ob e o b s e r v e d ，m a n a g et h ew i d s p e e dd i r e c t l v ( 3 ) d e s j g na j l df i n i s hs h i f t i n t e 譬r a la r i t l l m e t i c ，m a 虹n gw i n d f o r c eb a l a n c e d c o n t r o ls y s t e mo fg i v i n gt o b a c c 0h a v el r o o ds t a b i l i t i e s w h e nd e v i a t i o ni st o ob i gt h e p 1 di n t e 2 r a lc a l c u l u sf i l n c t i o nt a k e so f fa u t o m a t i c a n y ，i no m e rt op r c v e n tt h e s a t u r a t i o no fi n t e g r a lc a l c u l u st om i n i s hs u p e ra d i u s t ；w h e nd e v i a t i o ni sv e r ys m a n t h ei n t e 耵a lc a l c u l u sf u n c t i o no fap i ds t r e n g t h e n sa u t o m a t i c a l l ya g a i n ，t or e m o v e s t a t i ce r r o ra ss o o na sd o s s i b l e k e yw b r d s ：f e i l d b u s ，p r o f l b u s ，p u c ，p 1 d ，s h i f t i n t e 伊a 1 ，c o m m u n i c a t i o n sh m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 现场总线是用于过程控制现场设备仪表与控制室之间的一个标准的、开放 的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的 发展，以全数字式现场总线( f i e l d b u s ) 为代表的互联规范，正在迅猛发展和 扩大。由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于 维护：用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成 等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。近十几年由于现场 总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有4 0 余种：如德国谣 门子公司s i e m c n s 的p r o f i b u s ，法国的f l p ，英国的e r a ，挪威的f i n t ，e c h e l o n 公司的l o n w b r k s ，p h e n i x c o n t a c t 公司的h l t e r b u s ，r o b c r b o s c h 公司的c a n ， r o s e m o u n r 公司的h a r t ，c 盯1 0 g a m z z i 公司的d u p l i n e ，丹麦p r o c e s s d a t a 公司 的p n e t ，p e t e r h a i l s 公司的f - m u x ，以及a s i ( a c t f a t u r s e n s o r i n t e r f a c e ) ，m o d b u s ， s d s ，c n e t ，国际标准组织基金会现场总线f f ：f i e l d b u s f o u n d a j o n ，、r i d f i p ， b i t b u s ，美国的d e v i c e n e t 与c o n t r o l n c t 等等。 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等多种途径进行信息传输联络，把多个测量控制 仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统，把公开、规范的通信协议，在位 于生产控制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，形成各种适应实际需要的自动 控制系统。现场总线的应用有如下特点： ( 1 ) 低成本 由于现场总线的通信是全数字式的且它的控制功能完全由现场设备去执 行，因此不需要输入、输出及其它控制板；而且现场装置可直接与操作台相连， 不再需要用于联接各控制板的”数据高速公路”。现场总线系统只保留集散控制系 统( d c s ) 中的现场设备及操作站，操作站已不再是系统的关键部分。现场总线 设备可以执行多种测量、控制和计算，因此减少了变送器的数量，不再需要单 一 一蓝堡堡! ：丕堂堡主堂生迨塞 回路调节器和计算元件，从而节省了费用。 ( 2 ) 组念简单 由于所有仪表都引入了功能模块，组态变得非常相似或简单，不需要因为 自动化设备种类不同或组态方法的不同而进行培训或学习编程语言。数字通信 使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊断信息成为现实。而 且现场总线的多变量特性为仪表及其它自动化设备的革新提供了更广阔的天 地。 ( 3 ) 安装、运行、维修简便 由于现场仪表是并行连接，端子接头核对的工作量大大减少了，所以接线 简单，一条电缆通常可连接2 0 个设备。现场总线设备能够模拟输入值、输出值 或状态。这使得操作员在控制室内便能够测试系统对故障及过程状况的反应。 现场总线可以存储有用的信息以便于维修，信息不会丢失。大量的有用信息也 被存储于自动化设备中，这些既可以从手持终端获取，又可从操作站获取。 ( 4 ) 自由选择不同品牌设备 所有现场总线产品采用统一的标准，这使用户可以自由选择不同制造商所 提供的设备，并且各设备兼容性良好。 ( 5 ) 数据库的一致性 现场总线采用完全分散的数据库概念。任何同现场总线接口的人机界面都 可显示有关信息，这样就不会有重复的、不一致的数据库。现场总线只使用一 个数据库，即分散于现场仪表中的数据库，人机界面就是从此数据库中获取”定 标数据”的，手持终端所查索的也是同一个数据库。 1 2p r o f i b u s 现场总线应用现状 p r o f i b u s 是世界首屈一指的开放式现场总线系统，是一种国际化、开放 式、不依赖于设备生产商的现场总线标准；并且是应用最广、功能最强的车间 级和现场级网络。p r o f i b u s 在欧洲市场占有率第一，全球超过3 0 0 ，o o o 个应 用，总共安装的站点数超过3 ，5 0 0 ，o o o 个。p r o n b u s 用户组织，范围覆盖五大 洲；全球2 3 个区域用户组织，超过9 0 0 个会员，至今已有2 8 0 家厂商提供了 1 9 3 3 种p r o f i b u s 产品；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自动化。采用p r o f i b u s 标准的系统，不同厂商所生产的 武汉理工夫学硕士学位论文 设备不须对其接口进行特别调整就可通信，可以用于高速和时间苛求的数据传 输。许多世界知名公司的产品都支持p r o f i b u s 协议，西门子、a b b 等。 目前最具代表性的现场总线是p r o f i b u s ( p m c e s sf i e l d b u s ) 。p r o f m u s 是 由s 砸m e n s 公司推出的一种开放式现场总线标准，1 9 8 9 年成为德国标准 d l n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 9 年1 2 月被接受为国际标准 i e c 6 1 1 5 8 的一部分。用于工厂自动化系统三级网络中的底层，即车间级监控和 现场设备层数据通信与控制；使用于分散的、具有通讯接口的现场受控设备对 底层设备有较高的数据集成和远程诊断、故障报警及数字化要求的系统。 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 由三部分组成，p r o f m 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 ，现场总线报文规范) 、p r o f i b u s d p ( d e c e n t m l i z e dp e r i p h e r y ，分 散型外【羽设备) 、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 ，过程自动化) 。 1 3p l c 简介及系统采用的p l c ( 1 ) p l c 简介 p l c ，即可编程逻辑控制器( p m g r 锄m a b l el 0 百cc 0 n t m l l e r ) 。国际电工委 员会( m c ) 对p i c 的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字 的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及 其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原 则设计。在自动化控制领域，p l c 是一种重要的控制设备。目前，世界上有2 0 0 多厂家生产3 0 0 多品种p l c 产品，应用在汽车( 2 3 ) 、粮食加工( 1 6 4 ) 、化 学制药( 1 4 6 ) 、金属矿山( 1 1 5 ) 、纸浆造纸( 1 1 ，3 ) 等行业。 可编程序控制器从1 9 6 9 年问世以来，日本、德国、美国、法国等工业发达 国家以相继开发了各自的可编程序控制器，这使可编程序控制器得到了快速的 发展。特别是7 0 年代中期，在可编程序控制器中全面引入微机技术，微处理器 及其他大规模集成电路芯片成为其核心部分，这使可编程序控制器的性能价格 比产生了新的突破。微处理器( c p u ) 、只读存储器( r o m ) 、随机存取存储器 ( r a m ) 等已成为p l c 的核心。p l c 不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增 武汉理_ j = 大学硕士学位论文 加了运算、数据传送和处理等功能，而且随着其速度、容量、通信能力等的增 强，它已真正成为一种电子计算机工业控制设备。 近十年来可编程序控制器更是有了飞速的发展，1 6 位甚至3 2 位微处理器的 引入大大加强了p l c 数字运算、数据处理、图形显示、联网通信等功能，p l c 已经向过程控制渗透和发展。现p l c 比较知名的有美国g e 公司的g e p i _ c 、罗 克韦尔自动化公司的a _ bp l c ，德国西门子公司的s i m a t i c 系列，日本三菱、 o m r o n 、日立等公司的p l c 。 可编程序控制器系统一般具有以下特点： 1 ) 编程简单。大部分的p l c 都充分考虑到现场工程人员的技能与习惯，尽 量采用了简单易行的编程语言，例如梯形图或面向工业控制的简单指令形式。 2 ) 控制系统构成简单，通用性强。在构成可编程序控制器系统时，只需要 在其i o 组件的端子上接入相应的输入输出线即可，不需要诸如继电器之类的固 体电子器件和大量繁杂的硬连线线路。当控制要求改变需要变更控制系统的功 能时，可以用编程器在线或离线修改程序；同一个可编程序控制器用于不同的 控制对象时，只需要改变其输入输出组件和编程不同的控制程序即可。 3 ) 抗干扰能力强，可靠性高。可编程序控制器是专为工业控制设计，在设 计和制造中采用了多层次的抗干扰措施，并精选元器件，可在恶劣的环境下工 作。 4 ) 体积小，维护方便。一般的p l c 都具有自诊断功能，由于采用模块化设 计，在出现故障后只需要更换模块即可。 5 ) 缩短了设计、施工、投产调试和周期。 除了上述特点，p l c 功能也非常齐全。如具有开关量输入输出、模拟量输 入输出和大量的中间继电器、时间继电器、计数器等，具有逻辑控制、顺序控 制、信号数据处理等功能及各种接口功能等。现在的p l c 还具有强大的网络功 能，可以通过各种通信口将数据直接传送给上位机，以实现上位机的数据采集 和监控。 ( 2 ) 控制系统中采用的p l c a b 系歹up l c - l o g i x 5 5 5 0 l o i x 5 5 5 0 处理器是安装于1 7 5 6i o 框架的高速单槽处理器。它的处理速度 为0 0 8 m s k ( 逻辑) 指令，标准内存配罱为1 6 0 k 字节，一个l o g i x 5 5 5 0 控制器支 持1 2 8 0 4 个离散的或4 0 0 0 个模拟的i o 点，多任务操作系统可支持3 2 个可组态 4 武汉理工大学硕士学位论文 的连续性或周期性任务，这些任务根据具体应用程序将按照优先级来执行程序 代码。用户可以为每一个任务分配最多3 2 个程序，每一个程序都可以有自己的 本地数据或梯形图逻辑，而且在同一个处理器内还允许虚拟机独立运行。 l d g i x 5 5 5 0 处理器模块可以插在c o n t r o l l o g i xi o 框架中的任何一个槽内 并且多个处理器可以插在同一背板上。处理器之间可通过背板实现相互通信， 但它们的运行是相互独立的。l d g i x 5 5 5 0 处理器可以通过多种网络进行连接，以 实现与计算机、分布处理器和分布式i 0 的互连。l 0 9 i x 5 5 5 0 处理器可以通过 c o n t r o l l d g i 】( 背板以及i o 链路来监测、控制i o 。l d a i x 5 5 5 0 处理器还可以通 过r s 一2 3 2 一c ( d f l 协议) 、 d e v i c e n e t 、 d h + 、c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t 网络与计 算机或其它处理器进行通信。除了l o 西x 5 5 5 0 处理器自带的r s 一2 3 2 c ( d f l 协议) 端口以外，与通信网络的接口是模块化的。 c o n t r o l l o 西x 内核中设计有通信功能。它借助于c o n t m l l o g i x 的无源数据总 线背板，消除了系统瓶颈。该总线采用生产者，客户( p r o d u c e r c o n s u m 技术以 提供高性能的确定性数据传送。 图1 1l d 百x 5 5 5 0 处理器及1 7 5 6i 0 框架 西门子系列p l c ：s 7 2 0 0 s 7 2 0 0 是西门子自动化与驱动集团开发、生产的小型模块化p l c 系统。 s 7 2 0 0p l c 除了能够进行传统的继电逻辑控制、计数和计时控制，还能进行复 杂的数学运算、处理模拟量信号，并可支持多种协议和形式与其他智能设备进 行数据通讯。 s 7 2 0 0p l c 性价比极高，质量可靠，使用西门子s 7 2 0 0p l c 做自动控制 配套，使得产品的稳定性，抗干扰能力大大增强。s 7 2 0 0 的出色性能表现在： 极高的可靠性、极丰富的指令集、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特 性、丰富的扩展模块，这都使s 7 2 0 0 成为各种控制应用的理想解决方案。 武汉理工人学硕士学位论文 图1 2s 7 2 0 0 c p u 外形 s 7 2 0 0 将高性能与小体积集成一体，运行快速，并且提供了丰富的通讯选 项，具有极高的性能，价格比。s 7 - 2 0 0 的系统的硬件、软件都易于使用。s 7 2 0 0 系统坚持一贯的模块化设计，不但能够经济地满足目。前的项目要求，也为将来 扩展提供了开放的接口。s 7 2 0 0 易于编程，引入了编程工具箱( t 0 0 l b o x ) 概念， 设计了许多编程向导( w i z a r d ) 以方便用户完成一些比较复杂的程序设计工作。 s t e p7 m i c r o ，w 玳v 4 o 是s 7 2 0 0p l c 系列产品的最新版编程软件。软件 包括以下升级功能：p i d 自整定，超级项目树形结构，状态趋势图，p l c 历史记 录和事件缓存区，项目文件的口令保护，存储卡支持，t d2 0 0 和t d2 0 0 c 支持， p l c 内置p 1 d 指令向导，诊断l e d 组态，数据块页，新的字符串和变量。另外， s t e p7 m i c r o w i nv 4 o 兼容性极强，支持当前所有s 7 2 0 0 c p u 2 2 x 系列产品。 s 7 2 0 0 的主要特性有：快速的中央处理运算能力、极丰富的编程指令集、 响应快速的数字量和模拟量输入输出通道、操作便捷易于掌握、强大的通讯能 力、丰富的扩展模块。 s 7 2 0 0c p u 集成了丰富的内置功能：高速计数器输人、短暂脉冲捕捉功能、 高速脉冲输出、i ，o 硬件中断事件、特殊功能相关的中断功能、p i d 控制和p i d 自整定功能、支持多种生产工艺配方、数据记录( 归档) 。 此外，s 7 2 0 0 还支持以下功能：用户自定义的库指令，便于模块化编程： 完善的密码和知识产权保护功能；在r u n ( 运行) 状态下的在线编程能力；直接 读写实际i o ；可调整的数字量和模拟量的输人滤波；定义数字量和模拟量在 s t o p f 停止1 时的状态；多种数据保持设置。 选用s 7 2 0 0 系列c p u2 2 4p l c 的主要规格：程序存储区：8 1 9 2 字节( 运行 编程模式) ；数据存储区：8 1 9 2 字节；本机i 0 ：1 4 入1 0 出( 数字量) ；i o 映 像区：数字量2 5 6 ( 1 2 8 入1 2 8 出) ，模拟量6 4 ( 3 2 入，3 2 出) ：布尔指令运算速 度：o 2 2 鹕。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 选题背景及意义 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 0 点对设备的一个测控点) 所谓i 0 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 3 所示： 图1 3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 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 、，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，大量的数据如设各参数、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。 ( 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 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 7 武汉理一 大学硕士学位论文 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，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。 p r o f i b u s d p 的特性：p r o f i b u s d p 使用物理层，数据链接层和用户接 口，用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站地输入信息并周期地向 从站发送输出信息。此外，p r o f l b u s d p 还提供智能化现场设备所需的非周期 性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定。 p r o f i b u s d p 、物理层采用e i a - r s 4 8 5 协议，根据数据传输速率的不同， 可选用双绞线和光纤两种传输媒体。 7p(b)vl，(6) 图卜4 数据通信 p r o f i b u s d p 数据链路层协媒体访问控制( m a l ) 部分采用受控访问的 令牌总线( t o k e nb u s ) 和主从方式。其中令牌总线与局域网i e e e 8 0 2 4 协议一致， 令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照 关系表与从站或其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不 同，它符合h d l c 中的非平衡正常响应模式( n r m ) 。该模式的工作特点是： 总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主丘占 发出命令( c o m m a n d ) ，从站给出响应( r e s p o n d ) ；从站可以连续发送多个帧， 亟婆堡：兰盔堂亟主堂垡丝塞 直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程 分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。 标峦率段地址事墩挖删字段悄慰字段、帧技骏| 字段标志字段 p k 霄：p a r 聃e t e r l dp z d ：p r o c e s s 跳t h 图1 5 正常响应模式主站与从站问传输帧的格式 图1 5 中f 为帧标志字段( 8 位) 。a 为从站地址字段。控制字段c 表示 帧类型、编号、命令和控制信息，它将h d l c 帧分为三种类型：信息帧( 1 ) 、 监控帧( s ) 和无编号帧( u ) 。其中信息帧用于应用数据( u s e f u ld a t a ) 的传输 并捎带应答：监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应( 如 认可帧、请求重传或暂停等) ；无编号帧( 不含信息字段) 用于传输各种元编号 命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等。 p r o f i b u s d p 基本功能和特性如下： 1 ) 远程高速通信：支持9 6 k b p s 到1 2 m b p s 的传输速率；1 2 m b p s 时最大传 输距离为1 0 0 m ，1 5 m b p s 时为2 0 0 m ，另外还可以用中继器延长。 2 ) 分布式结构。各主站间令牌传递，主站与从站为主一从传送；每段可有 3 2 个站，用连接线可扩展到1 2 6 个站。 3 ) 易于安装，开放式的通讯网络。 4 ) 可靠性高，具备自诊断功能。 p r o f l b u s d p 主站分为一类主站和二类主站。类主站完成总线通信控制 与管理，完成周期性数据访问，包括p l c 、p c 或可做一类主站的控制器。二类 主站完成非周期性数据访问，如数据读写、系统配鼍、故障诊断等，包括操作 员工作站( 如p c 机加图形监控软件) 、编程器、h m i 等。p r o f i b u s d p 从站主 要进行输入、输出信号采集和发送，包括p i _ c 或其他控制器、分散式i o 、智能 现场设各等。 远处监控与人机界面 早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并 通过操作盘来进行集中式操作。而计算机监控系统是以监测控制计算机为主体， 武汉理工大学硕士学位论文 加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。在该 系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。在现代企业的生产 和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、 监督管理和自动控制。系统一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感 器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶段。各个 管理站点的服务还可以用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网。由于建 立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶段，在 一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。 远程控制所实现的功能如下： 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样 和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为 生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产隋况。 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令 和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据 和历史数据加以存储。 管理功能；利用已有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊 断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警。 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成 控制输出，直接作用于生产过程。 通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监 控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须 亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各 种参数，使受过专业训练的人员虚拟地出现在许多监控地点，方便地利用本地 丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从 而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。 人机界面产品的定义：连接可编程序控制器( p i _ c ) 、变频器、直流调速器、 仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元( 如触摸屏、键盘、鼠 标等) 写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备，由硬 件和软件两部分组成。 人机界面( h m i ) 产品的组成及工作原理：入机界面产品由硬件和软件两部 分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单 1 0 武汉理j 二大学硕士学位论文 元等，其中处理器的性能决定了h m i 产品的性能高低，是h m i 的核心单元。根 据h m l 的产品等级不同，处理器可分别选用8 位、1 6 位、3 2 位的处理器。h m i 软件一般分为两部分，即运行于h m i 硬件中的系统软件和运行于p c 机w i n d o w s 操作系统下的画面组态软件( 如j b h m i 画面组态软件) 。使用者都必须先使 用h m i 的画面组态软件制作“工程文件”，再通过p c 机和h m i 产品的串行通 讯口，把编制好的“工程文件”下载到h m 】的处理器中运行。 人机界面产品的基本功能：设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、 图形、曲线等：数据、文字输入操作，打印输出：生产配方存储，设备生产数 据记录；简单的逻辑和数值运算；可连接多种工业控制设备组网。 1 5 本文主要完成的工作 本文通过风速平衡控制系统项目的研究及设计为例子来说明基于工业现场 总线的控制系统的构建、安装调试工作。下文以风速平衡系统为对象，对风速 系统中设计到的管路、风速、设备进行了计算和选型，对整个系统控制网络进 行了安装调试后，本文完成的主要工作如下： ( 1 ) 系统设计，设备选型 ( 2 ) 风速平衡控制系统系统和软件调试 ( 3 ) 控制系统软件的优化 ( 4 ) 系统的组网，下位机和上位机的总线网络通讯 ( 5 ) 上位机人机界面的设计和软件编辑 本章小结：本章主要介绍了现场总线控制系统的定义，在应用中的优点， 然后介绍了p r o f m u s 发展现状并对系统采用的p l c 进行了详细说明，还主要 介绍了p r o f i b u s 的基本功能和特性、传输协议等，并且对传统的现场级与车 间级自动化监控及信息集成系统进行了比较来说明现场总线的优势。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章系统总体构思与设计 2 1 系统需求分析 某卷烟厂目前所采用的风送系统为多机组风力集中供给与除尘系统，该系 统运行时间已久，随着现代烟草业对工艺、品质及自动化程度的要求，现有的 系统越来越不能满足要求，需要对原有的系统改造。 改造的目标是通过控制总管和支管的调节阀来稳定风速，并且可以设定要 稳定的风速值。总管尾端和支管上安装一个气动控制阀，由p l c 控制阀门的位 置来调节管道风速使风速稳定。该系统由于总管风速可调而节约能源，每台机 台不需要补风阀而降低费用。由于取消平衡阀，总管的风速可以适当降低，通 过变频调速控制风机，降低耗电量。 2 2 系统功能 鉴于现有的系统功能简单，无法具体掌握操控，而且不能实现自动控制， 改造后的系统，能够达到自动控制、控制精度高、参数可设定、全程数字化显 示等等功能。具体有： ( 1 ) 改造后风送除尘系统风速可设定并且可根据工艺要求在集控室进行设 置。总管的设定范围为5 2 0m ，s ，支管的设定范围为1 6 2 7 m ，s 。风速设定显示 的分度为0 0 1i i l s ，并且能保证支管风速稳定运行在设定风速t 1 州s 范围内。 ( 2 ) 全数字化显示。显示项目有：总管风速、总管阀门开度、总管负压、 各机台支管风速、机台阀门开度、机台要丝情况和各机台风速历史记录。其中 j x l 速显示的分度为0 0 1m ，s ；阀门开度显示为o 1 0 0 ，显示的分度为1 ；负 压显示分度为1 p a i 风速历史记录为曲线显示，鉴于系统内存限制，显示时闽为 3 分钟。 ( 3 ) 系统可视化操作。可在集控室集中设鹭下位程序中的关键参数，如管 道风速、阀门开度、p i d 控制的比例、积分、采样时间等等。( 上位为集控室设 备，下位为现场控制设备) ( 4 ) 具有故障报警功能，当控制箱内关键部件出现故障时能够自动报警， 武汉理工人学硕士学位论文 报警指示灯以0 5 秒的频率闪亮。现场确认故障后，按复位按钮后报警指示灯长 亮，故障排除后指示灯熄灭。 ( 5 ) 具有纠错功能，当上位对下位控制参数进行设定而设定值超过正常范 围时，下位忽略上位的设定，执行已调试好的默认的参数，避免严重偏离平衡 位置。 ( 6 ) 故障自适应功能。出现严重故障时，如传感器无输出等，系统能够自 动工作在平衡位置附近。配合机械操作可以改变风速到要求值。”“ 2 3 系统组成与结构 风力送丝风速平衡控制系统控制原理见系统原理图2 1 。 神尘+ 撞 i i 图2 1 系统原理图 。2 露 氏 = 一1 了：蜚 蛔 u 。 改造后的系统能够使1 4 号机台平稳送丝，并且可由5 楼除尘集中控制室 通过人机界面直接调整1 4 号机台风速及各相关参数，并观测1 8 号机台的 风速。 在总管上最后一台烟机位置与除尘器之间安装风速传感器，检测风送风机 的总管i x l 速与设定值比较，经控制器运算输出控制总管术端的气动调节阀开度， 从而控制吸入旁通风量，将总管风速控制在设定值1 m s 。总管风速默认值为 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 m s ，可由上位设定。错机台上料阀后端安装一套风速传感器，检测风速与设定 值比较，经控制器p i d 运算输出控制传感器后端的气动调节阀开度，将各机台 料管的吸丝风速控制在设定值1 m s 。4 # 机台风速默认值为1 8 m s ，可出上位设 定。 总管和4 # 机台共用一个控制柜中，控制柜中主控制器采用西门子s 7 2 0 0 系列c p u 2 2 4 p l c ，扩展模块有模拟量输入模块e m 2 3 1 、模拟量输出模块e m 2 3 2 年口p r o f i b u s d p 模块e m 2 7 7 。 模拟量输入模块e m 2 3 1 为4 输入模块，输入的数据为总管和4 # 机台差压 传感器信号和控制阀位置反馈信号。模拟量输出模块e m 2 3 2 为2 输出模块，输 出为总管和4 # 机台气动阀门位置控制信号。p r o f i b u s d p 模块e m 2 7 7 接受 从主站来的多种不同的配置，向主站发送和接收不同数量的数据，实现 s 7 ，2 0 0 同主站的数据交流。 4 号机台电气柜 名称 编号数量 每个模块i o 点数备注 s 7 。2 0 0 控制器 c p u 2 2 41无 模拟量