（电力电子与电力传动专业论文）基于现场总线的多电机同步控制的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 砸ss u b j e c tc o m e sf r o ma l lu p d a t i n go l dp r o d u c t i o nl i n ep r o j e c to fa l la l u m i n u mf o i l m a n u f a c t u r e r a f t e ra c q u i r i n gt h ek n o w l e d g eo ft h ew h o l e p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h i st h e s i sf o c u s e so n o n ep a r to ft h ep r o c e s s ，a n a l y z i n gt h et e c h n i c a ln e e d sa n dt h er e q u i r e m e n t sf r o mt h ec u s t o m e r sa n d p r o p o s e sam e t h o do fr e a l i z i n gt h em u l t i - m o t o r s s y n c h r o n i z a t i o n d e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n ga na l | lr a i nl amf o i lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n df o rt h er e q u i r e m e n to ft h ed i v i d i n gt h e m o t o r si n t ot w oc a t e g o r i e s ：i n s i d ea n do u t s i d e ，a n db r i n gi nt w oa d v a n c e dc o n t r o lp r i n c i p l e ：f u z z y c o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kt og a i nab e t t e rc o n t r 0 1 t t l i st h e s i sd e s c r i b e st h ew h o l ep r o c e s so f d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gt h i sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，i nt h ee n dm a k eas i m u i a t i o na b o u tt h i s s y s t e m f i r s t , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eg e n e r a lp r o d u c tc o n d i t i o nh o m ea n da b r o a d ，t h ed i f f i c u l t i e sa n d r e q u i r e m e n to fc u s t o m e r f o c u s i n go nt h e s ep r o b l e m s ，t h i st h e s i sp r o p o s e saw h o l es y s t e md e s i g n a n dn e t w o r k s e c o n d l y ，i ta n a l y z e st h e w h o l en e t w o r k a c c o r d i n gt o t h el a y e r s ，d i s c u s s e sf i e l db u s ( p r o f i b u s - d p ) ，u s sa n dp p is e p a r a t e l ya b o u tt h e i rf o r m a ta n dp r i n c i p l e ，w h i c hm a k eu pt h ew h o l e m u l t i m o t o r sc o n t r o ls y s t e m t h i r d l y ，d i s c u s se v e r yl e v e lo ft h i ss y s t e m d o w nl e v e l ：m o t o r sc o n t r o l ，d i v i d e sa l lt h em o t o r s i n t ot w og r o u p s ，a ca n dd cm o t o r s ，a n du s e sd i f f e r e n tm e t h o d st ok e e pt h e i rs y n c h r o n i z a t i o n m i d d l el e v e l ：r e s e a r c ho np l c p r o g r a m m e ra n d t h ep o s s i b i l i t yo fb r i n g i n gt h ea d v a n c e dc o n t r o l p r i n c i p l ei n t op l c u pl e v e l ：m a i n l yf o c u so nt h ew o r ko fh m ia n dh o w t ob r i n gi nt h ea d v a n c e d p r i n c i p l e l a s t l y ，p u ta l lt h e s ep i e c e st o g e t h e ra n ds e t u pt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，u s i n gm a t l a b s i m u l i n k t om a k eas i m u l a t i o nt op r o v et h ee f f e c to ft h i sd e s i g n k e y w o r d s ：m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ；f i e l db u s ；m o t o rs p e e dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；b pn e u r a l n e t w o r k ；p l c 1 1 1 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：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： 导师签名：型日 堇复! 日 期： 绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 铝箔在日常生活以及工业生产中的是不可或缺的重要材料。广泛应用于各种生活品包装， 建筑建材，电力系统的各个领域。随着国民经济的不断发展，各行各业对铝箔的需求不断加 大，同时要求也不断提高，铝箔的厚度越做越薄，现在处于微米级水平( 国内目前可以达到5 0 l im 左右，而许多国际大公司却能达到l o i im ) 。这意味着材料的节省，和能源的节约，由此 可见将铝箔做薄具有很好的经济效益。在铝箔生产中，多电机的同步是非常重要的一个环节。 如果同步性不强，则铝箔本身受到的张力就会不稳定，从而拉断铝箔( 张力过大) 或产生波纹( 张 力过小) ，无论何种情况都会降低成品率。为了解决这一问题，各铝箔生产厂商需要充分利用 现代信息技术，建立自动化系统，引入新的电机调速方式，以提高产品的数量和质量。 国际上，铝箔行业自控从2 0 世纪7 0 年代后期开始兴起。早先的工业控制处于过程级，即 各个设备彼此独立，设备之间通讯协调能力差。后来，d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 与 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 以其优良的性能在工业控制中崭露头角，先后应用于工业 生产中，而自动化系统也逐渐由原来单一的过程控制向管理与控制一体化的综合自动化方向 发展。进入9 0 年代后，自动控制及仪表、计算机、通讯、以及信息集成等相关领域的技术发 展迅速，h o n e y w e l l 、g e 和s i e m e n s 等，公司提出的工业自动化整体解决方案更趋完整，有 效的与铝箔生产工艺结合，简单易行的p i d 控制已应用于铝箔生产线电机调速系统。进入2 l 世纪，出于对生产精度的考虑，各大公司相继将现代智能控制的高级算法引入到电机调速中。 通过这种方法，国际许多大公司可以把铝箔厚度加工到1 0 l am 左右i l 】。 与国际大致相同，我国铝箔业的自动化也是从过程级开始的。最初是采用硬件关联对各 电机进行单回路控制，继而引用计算机控制系统。随着计算机技术的发展，许多科研单位与 铝箔生产企业合作，对铝箔工业自动化系统从控制算法、系统软硬件组成以及实现技术等诸 多方面进行了研究，取得了一系列理论与应用成果，获得了相当好的经济效益。但是，目前 我国铝箔行业的自动化总体水平还比较差，老厂、小厂占有相当大的比例，设备普遍陈旧， 技术含量低，生产成本高，企业管理基础较弱。他们还是采用基于简单机械设备的传统生产 加工方式，或者采用单纯的p i d 控制，这些方式只能适用于小型控制任务，精度较低，受外界 环境影响大，成品率比较低l z 】。现在许多国内的铝箔企业已经意识到信息技术以及自动化系 统在提高整个企业经济效益中所起的重要作用以及，为满足市场及生产能力提高的需要，运 用高新技术改造或替代现有的落后的工艺技术设备是势在必行的。江苏某铝制品公司铝箔生 产线监控系统正是在这种形势下应运而生的。 多电机同步控制方面，传统的铝箔机械同步传动控制( 其它行业也类似) 都是以其中的一个 单元为主电机。其它单元通过同步装置向主电机看齐。实现同步传动，这种同步装置是由松 紧架带动角度传感器来实现，它可以由铝箔的松紧来反映出前后单元传动是否同步，角度传 感器的输入经过控制电路分析、转换输出个反馈电压，通过电机调速达到同步控制的目的。 这种方法虽然可以实现同步控制，但精度较差、可靠性不高。进入八十年代，随着可编程逻 江南大学硕士学位论文 辑控制器、单片机以及集散式控制系统的应用，越来越多的生产厂方通过改变原有的机械同 步装置，来提高多电机的同步性能。而控制理论也经历了从古典控制理论、现代控制理论到 智能控制理论的转变。在这一转变过程，工业自动控制系统也逐渐从开环控制系统、简单闭 环控制系统、p i d 闭环控制到今天的模糊控制、神经网络的多种高级控制算法的转变。各大制 造业公司早已将经典的p d 闭环控制理论应用的电机同步控制系统来。借助于单片机、p l c 等 设备的发展，使用程序上的软逻辑来替代设备上的硬逻辑已经越来越成为当今工业控制界的 一大趋势。经典p d 闭环控制具有易于实现，控制效果好等特点。但经典p d 算法只适用于线 性系统，其参数整定较困难，且受外界环境影响大。现代智能控制就是针对传统p i d 控制算法 的缺点，为了更好的解决非线性系统或者自动确定p i d 参数而提出的。在多电机同步系统研究 中，关注的问题是如何实现电机转速的同步问题。因此，如何将高级算法引入到多电机调速 系统中去，就成了非常重要的问题。 本课题针对某铝制品公司铝箔生产线技术改造工程项目，设计开发了铝箔生产线监控系 统，引入了模糊p i d 控制、神经网络控制等高级算法，改善了多电机同步性能。提高了企业的 自动化与信息化程度，提高了产品精度，降低工人的工作量，从而提高了企业的经济效益。 1 2 工艺及控制要求 铝箔生产包含熔炼、粗轧、横剪、纵剪、分卷退火、精轧、涂层等多个工段。在国内， 由于一般的铝箔生产单位规模较小，其实际生产主要包括粗轧和精轧两个工段。这两个工段 功能相似：将铝箔轧薄。通常，粗轧工段是将铝箔做到厘米级，而精轧工段则是将铝箔做到 毫米级甚至微米级。铝箔轧的越薄，其生产要求越高，多电机同步性要求越强。由此可见， 精轧工段是整个工艺最为关键的工段。精轧又可以分为两个部分：传动与拉伸。传动部分要 保证整片铝箔匀速运行，电机在受n ； i - 界干扰或启动、停止临界状态能达到较好的同步性； 拉伸部分则要求牵引铝箔的两台电机按一定转速比例运行。由于精度要求高，在实际生产中， 单纯考虑转速差来实现多电机同步是无法满足工艺要求的1 3 】。很多厂方会引入张力测试仪、 厚度测试仪等设备来保证铝箔的加工精度。本系统，使用恒张力控制，在拉伸和传动两工段 间引入张力测试仪，实时检测铝箔张力。铝箔张力作为闭环回路控制的一个输入，可以更好 的保证铝箔的加工精度。 铝箔生产工艺中最为关键的几个参数分别为：轧辊粗糙度，卷曲张力和轧制线速度。轧 辊粗糙度指的是轧辊与铝箔接触面的粗糙程度，它决定和影响了铝箔表面的光滑度和轧件变 形区的变形抗力；卷曲张力指的拉伸铝箔的张力，作用在于拉伸箔材，使卷材能展平、卷齐： 轧制速度是轧机运行的速度，提高轧制速度可以增加变形压油膜的厚度，减小摩擦系数，提 高加工率，但过快的速度又不利于板形控制。 以上各个参数的设定受许多因素的影响，如铝箔成分比例、车间温度、湿度等。其中最 为重要的是铝箔材料的成分比例( 主要为铁和硅) 。本次厂家主要使用的原料中，铁和硅的比 例分别为1 2 0 o - 1 7 和0 3 5 0 8 。其具体的生产工艺是：采用带式连续铸造机铸造出5 2 5 r a m 的带坯。冷轧( 粗轧) 到中间厚度，在大于4 0 0 。c 的温度下进行中间退火，冷轧( 精轧) 制到成品 尺寸，成品退火，成品厚度要求为1 7i lm 。考虑到原料成分及成品要求，厂方将轧辊粗糙度 2 绪论 r a 定为0 0 3i i1 1 1 ，轧制线速度设置为3 0 0 5 0 0 m m i n 。 从工艺要求上讲，应该保证各个电机间的线速度一致，但为了方便研究，此次论文中所 设计到的转速都是经过比例系数处理的，即电机转速一致，则线速度相同。 同时为了提高自动化和信息化程度，在生产管理中，实时将一些生产过程中的数据归档， 保存在计算机中。对这些数据，既要能够生产报表，打印出来，还可以在以后进行查询，以 便查阅分析，进行管理。由以上生产工艺及控制要求，设计系统需要实现以下功能：对单个 电机转速以及多电机协调要进行有效而合理的控制，并能对电机运转情况进行实时监控，对 数据进行定期归档；实现整个工艺过程的自动控制、自动检测、连锁保护及远程操作等任务。 此外，对于现场工业生产线，还需要考虑一些实际情况。一个好的生产监控系统必须具备一 些特性。实用性：工业控制系统的设计强调控制设备( p l c ，变频器) 与工业现场设备( 电机、 开关) 之间在功能上要合理搭配，在控制要求上符合工业控制的行业标准。在系统控制和功能 实现上，要求简单明确，显示信息直观清楚。操作上要方便易学，便于掌握；安全性：工业 控制系统的目的是通过采用先进的计算机技术，实现工业现场设备的自动化运行，减少人为 参与工业控制的行为，其目的就是为了提高系统运行的可靠性和安全性。 1 3 多电机同步监控系统的系统结构 按照工艺及电机自身特性，可将所有电机分为交流电机组和直流电机组。由于直流电机 具有精度高，稳定性好等特点，故把直流电机组应用于要求较高的拉伸工段，而使用交流电 机组用来处理传动工段。考虑到电机分组以及各工段的设备数量和s 7 2 0 0 本身的点数上限 ( c p u 一2 2 6 最多可扩展2 4 8 路数字量，3 5 路模拟量) ，这里选用3 台p l c 作为控制核心。i # p l c 负责拉伸工段的逻辑控制以及对直流电机组内进行同步控制：3 # p l c 负责传动工段的逻辑控 制以及对交流电机组内进行同步控制。2 # p l c 则负责余下的设备控制，以及接收两工段间张 力测试仪所得到的数据。组间同步控制则由p l c 和上位机通过网络通讯共同完成。由此可知， 整个系统既要保持以p l c 为核心，向上要向工控机、触摸屏提供实时数据，向下要通过直流 控制器、变频器来控制电机转速，保证同步。 经过以上分析，可以把整个系统分为四层：第一层为工控机、触摸屏和上位机监控软件 组成的上位机监控层；第二层为以p l c 为核心的下位机控制层；第三层为直流控制器、变频 器等组成的驱动层；第四层是由交流电机和直流电机构成的传动层。铝箔生产多电机控制系 统机构如下图所示。 江南大学硕士学位论文 p ct o u c hp a n e l ili r u r l 。u d i p l c l ip p 。i p l c 2 li p l c 3 i ili u s s u s s d cc o n t r o l l e r ld cc o n t r o l l e r 2d cc o n t r o l l e r 3a dd r i v 盯la dd r i v e r 2a dd r i v e r 3 i 。c m 。t o r id cm o t o r 2d cm o t o i ua c m o t o r la c m o t o r 2a c m o t o r 3 图卜l 系统构架图 f i g 1 1s y s t e mc o n s t r u c t i o n 其中监控层由p r o f a c e 触摸屏、研华工控机及相关的监控软件组成。其中触摸屏执行 实时监控、数据显示功能。工控机除了执行以上功能外，还包括数据归档、报警等功能。另 外通过嵌入一些功能插件，工控机还可以承担设定部分电机调速参数的功能。控制层由几个 西门子p l c 的s 7 2 0 0 构成。各c p u 按照需要，外挂相应的数字量，模拟量模块。驱动层由 西门子的直流控制器s i m o r e g 和m d v 系列变频器构成。 整个系统各层根据自身特点通过不同的网络有机的整合起来。上位机与p l c 之间通过现 场总线p r o f i b u s d p 协议进行通讯，可以高效的完成数据量较大的通讯任务；各个p l c 之 间通过p p i 通讯方式，高效、完成数据交换：p l c 与直流控制器、变频器之间采用u s s 方式 进行通讯。 软件方面，系统采用西门子和微软公司共同开发的w i n c c 作为工控机监控界面的开发软 件：选择p r o f a c e 公司自带的g p i i i 开发触摸屏监视界面；选择西门子公司s t e p 7 对p l c 进行编程：网络组态采用西门子的网络配置软件s i m a t i cn e t 进行组态。 1 4 本文所做的主要工作 本次系统根据工艺要求和现场需要，把整个系统分为监控层( 工控机h m i ) 、控制层( p l c ) 和执行层( 变频器，直流控制器) ，分别使用现场总线以及其它相关网络把它们有机的连接起 4 绪论 来，为多电机同步调速提供通讯保障。又按照工艺要求和电机特性，将系统中的电机分为直 流电机和交流电机两组，分别处理拉伸和传动工段的任务，并由此引入组内电机同步控制和 组间电机同步控制的概念。组内电机同步控制是通过在单个p l c 中引入模糊算法来实现的； 组间电机控制则是通过p l c 之间的通讯以及在上位机w i n c c 中引入神经网络算法来实现的。 通过以上方法，有效的解决了系统中的非线性( 交流电机) 问题以及通讯网络的时延问题，弥 补了传统p i d 控制算法的不足，达到了较好的控制效果。文章主要做了以下几个方面的工作： 1 对厂方的生产工艺和控制要求进行了充分的理解与分析，根据实际生产设备以及精度 要求，设计并构架了整个系统各层次。 2 根据系统要求，如数据传输速度、电机响应快慢，运用各种不同的网络协议将各个层 次有机的联系起来。根据监控系统通讯的实际情况和要求，将西门子三种数据通讯方式应用 于系统网络之中。对p r o f i b u s d p 、u s s 和p p i 三种数据通讯方式进行讨论，并分别对其 进行适当的设置和组态。 3 阐述了单个电机调速情况，以及多电机同步调速的协调控制方式以及精度要求。针对 以上控制要求，分析比较了传统p i d 、模糊控制以及神经网络控制之间的优缺点。 4 以s t e p 7 ( m i c r o w i n ) 为p l c 程序开发环境，开发了本铝箔生产线多电机同步控制 系统。提出了交流电机组组内电机同步调速的解决方案。着重分析了如何将模糊p i d 控制算 法引入到p l c 中。 5 上位机方面，利用p r o f a c e 的g p 软件对触摸屏进行组态，使其具有简单的监控功 能。利用西门子人机界面组态软件w i n c c ，开发了工控机监控系统，并利用m a t l a b ，v b 等 软件对系统进行了二次开发，将高级算法引入到w i n c c 中。 6 在综合分析以上各个环节的基础上，建立多电机同步监控系统。将整个系统的多电机 同步控制方式分为组内控制和组间控制。结合上文的研究，将模糊控制和神经网络控制引入 到系统中分别解决组内和组间电机同步控制问题，并分别对它们进行仿真，证明了整个系统 设计较传统方法的优点。 7 最后对文章进行了总结，提出了设计还存在的不足之处，并对该领域的技术前景进行 了展望。 5 现场总线及相关网络的构建 第二章现场总线及相关网络的构建 2 1 现场总线技术综述 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通讯的系 统，也被称作开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。 2 1 1 现场总线的基本概念 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备 与控制室内的自动控制装置之间的一种串行、数字式、多点通讯的数据总线。其中，“生产 过程 包括断续生产过程和连续生产过程两类。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。现场总线是工业控制领域中又一个新兴的技术热点，它是指在生 产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯、完成测量控制任务的系统，这种 开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布控制系统，因而又被誉为自控 领域的局域网。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等各种领域的自动化系统中具有广泛的 应用。现场总线具有很多优点：系统的开放性：互可操作性和互用性；现场设备的智能化与 功能自治性：系统结构的高度分散性；对现场环境的适应性。现场总线的网络拓扑结构一般 采用总线型、树型。传送介质采用双绞线、屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤以及少量的无线通 信。介质访问控制方式采用c s m a c d 方式或令牌方式阻1 。作为工业控制系统中的底层网络，可 靠性的要求要比数据带宽更重要，所以令牌方式使用得更为广泛。 2 1 2 现场总线技术产生的意义 现场总线的产生对于工业控制而言，意义重大。具体体现在以下几个方面： 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是实现现场级控制设备数字化通讯的一种现场层网络通讯技 术；是一次现场级设备通讯的数字化革命。现场总线技术可使用一条通讯电缆将现场设备( 智 能化、带有通讯接口) 连接，用数字化通讯代替4 - 2 0 m a 3 - 5 v d c 信号，完成现场设备控制、监 测、远程参数化等功能。 传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的，4 - 2 0 m a 3 - 5 v d c 信号，信息量有限，难 以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛 ，严 重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通讯技术，使自控系统与设备加入工 厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在 c i m s 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息 集成的技术基础。 现场总线系统既是一个开放的通讯网络，又是一个全分布控制系统。它作为智能设备的 联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动 化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控优化及控管一体化的综合 自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通讯、网络为主要内容的综合技 7 江南大学硕士学位论文 术。 由现场总线导致的新一代的网络集成式全分布控制系统我们称之为现场总线控制系统 ( f c s ) 。传统的模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的 测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与现场的执行器、开关、电机之间均采用一 对一的物理连接。现场总线控制系统由于采用了智能控制设备，可以把原来d c s 系统中处于控 制室的控制模块、各输入输出模块置入控制现场，加上现场设备具有的通讯能力，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，因而控制系统的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，实现彻底的分散控制。 2 1 3 现场总线的分类 自从问世以来，各大厂商和机构纷纷推出自己的现场总线标准。目前应用较广的主要有 p r o f i b u s 现场总线、f f 现场总线、l o n w o r k s 总线、c a n b u s 现场总线、w o r l d f i p 现场总 线以及p - n e t 现场总线等。 1 ) p r o f i b u s 现场总线 1 9 9 6 年3 月1 5 日批准为欧洲标准，即d i n5 0 1 7 0v 2 。p r o f i b u s 产品在世界市场上已被普 遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率2 5 。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。主要应用于制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇 以及铁路交通等领域。 2 ) f f 现场总线 1 9 9 4 年由i s p 基金会和w o r l df i p ( 北美) 两大集团合并成立f f 基金会，其宗旨在于开发出 符合i e c 和i s o 标准的、唯一的国际现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 。目前，f f 现场总线的应用 领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。 3 ) l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 现场总线全称为l o n w o r k sn e t w o r k s ，即分布式智能控制网络技术，希望 推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前l o n g w o r k s 应用范围广泛，主要包 括工业控制、楼宇自动化、数据采集、s c a d a 系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。 4 ) c a n b u s 现场总线 c a n b u s 现场总线已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准i o s1 1 8 9 8 ( 通讯速率小于 1 m b p s ) 和i s o1 1 5 1 9 ( 通讯速率小于1 2 5 k b p s ) 。c a n b u s 主要产品应用于汽车制造、公共交通 车辆、机器人、液压系统、分散型i o 。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场 合均有所应用。 5 ) w o r l d f i p 现场总线 9 0 年f i p 现场总线成为法国国家安全标准。9 6 年成为欧洲标准( e n5 0 1 7 0v 3 ) 。下一步目 标是靠近i e c 标准，现在技术上已做好充分准备。w o r l d f i p 现场总线采用单一总线结构来适应 不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。w o r l d f i p 现场总线适用范围广泛， 在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。 6 ) p n e t 现场总线 8 现场总线及相关网络的构建 p - n e t 现场总线筹建于己于1 9 8 3 年。p - n e t 现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用， 其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。 2 1 4p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s 现场总线用于解决逻辑控制器和上位机之间的连接。通过总线形式连接，可 以使整个系统的工程费用、装配费用、硬件成本减少到最少。 1 ) p r o f i b u s 的协议结构 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、以开放式系统互联网络( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o no s i ) 作为参考模型的。现场总线采用简化的网络体系结构，具有类似于o s l 模 型的物理层、数据链路层和应用层的3 层协议或进一步包括网络层或传输层在内的4 层协议。 流量控制和差错控制放在数据链路层执行，而报文的可靠传输可以放在数据链路层或者应用 层执行。这种协议具有结构简单、协议程序的设计灵活、执行直观、性能良好等优点。这种 流体型结构确保了数据传输的快速和有效，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调 用的应用功能【6 j 。 p r o f i b u s 采用r s 4 8 5 进行传输，采用屏蔽双绞线、双线电缆或光缆；总线存取上各主 站间采用令牌传递，主站与从站之间采用主一从传送，支持单主或多主系统，总线上最多站 点数为1 2 6 ：点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) 通讯，循环主一从用户数据传送和非循 环主一从数据传送；状态模式有运行、清除和停止三种；控制指令允许输入和输出同步。 p r o f i b u s 主要分为p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 几种。一其中 p r o f i b u s f m s 即为现场总线报文规范( f m s f i e l dm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ，采用i s o o s i 模 型中的第l 、2 和7 层，实现对变量的访问、程序调用和运行及控制等管理；d p 即分布式外 围设备( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ，在参考模型中使用第1 、2 层和用户层( 用户自定义) 。中央控 制器通过高速串行线同分散的现场设备( 如i 0 、变频器、阀门等) 进行通讯，多数数据交换是 周期性的；p r o f i b u s p a ，即过程自动化( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) ，它的第一层模型采用了 i e c l l 5 8 2 传输技术，通过现场总线馈电，提供本质安全特征，能够在易爆危险区域进行工作。 本监控系统使用了p r o f i b u s - d p 现场总线，下面详细论述。 2 ) p l 的f i b u s - d p p r o f i b u s d p 多用于现场级快速高效的数据交换。在这一级，中央自动化设备( p l c p c 或过程控制系统) 通过快速串行连接与分散的现场设备( 如i 0 、驱动器和阀门、测量变送器等) 进行通讯。自动控制设备与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性的。除周期性用户数 据传输外，p r o f i b u s d p 还提供扩展的非循环的通讯服务，用于智能现场设备的参数化、诊 断、操作监控和报警处理等。现场总线的网络模型分为物理层、数据链路层、网络层、传输 层、会话层、表示层和应用层，共八层。p r o f i b u s d p 在参考模型中只使用第一、二层，自 己定义了第八层一用户层。为了获得快速和高效率的数据传输，第三层到第七层没有定义。 对标准网络协议的简化，使网络的实时性大大提高。 3 ) p r o f i b u s d p 的系统配置与设备类型 p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多主站系统，使系统有多种组态方式。同一总线上最多 9 江南人学硕士学位论文 可连接1 2 7 个站点( 主站或从站) 。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入输出地址、输入 输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。 p r o f i b u s d p 允许主站之间进行数据交换，即组态或编程设各( d p m 2 ) 与d p m l 之间的数 据交换。该功能主要用于通过总线对各站进行组态。除上传和下载功能外。通过主站之间的 数据交换将改变d p m i 的操作方式，动态的允许或禁止d p m l 与一些d p 从站之间交换数据。 d p m l 的运行状态也可被改变。 2 2 其它相关网络 由于本次系统较为复杂，控制层分为3 层，故单纯的现场总线是无法解决所有通讯要求的。 这就需要引入其它层次的通讯协议。鉴于使用的硬件设备，以及现场的要求，本文选用西门 子公司开发的u s s 协议和其专门为s 7 2 0 0 设计的p p l 通讯协议。 2 2 1u s s 协议 u s s 协议是由s i e m e n s a g 定义的、简单的串行数据通讯协议。从功能上来讲，属于数据 链路层，r s 4 8 5 为其物理层。运用u s s 协议，用户可以在上级主站系统与多个从站系统之间 建立串行总线链接，例如上级主站可以是p l c 或p c 机，下级从站可以是变频器或直流调速 器等。一个主站和最多3 1 个从站连接到总线上，主站通过电报中的地址标志选择每个子站。 u s s 协议的波特率最高可达1 8 75 k b p s ，通讯字符格式为一位起始位、一位停止位、一位奇 偶棱验位和八位数据位。u s s 协议数据帧格式如下表： t a b 1u s sd a t a f o m 其中，起始标志符具体为0 2h e x ，帧长度为n + 2 ，校验码从起始符开始所有字节的异或 和。 信息将置于每个帧的净数据区中，数据区由参数标志值域( p k w ) 和过程数据域( p z d ) 组 成，结构如下： p k w 是由参数识别码( p k e ) 、子参数号( i n d ) 和参数值( p k w 元素) 三部分构成的。p k e 为 l 字长，其中第一位至第十一位表示参数号，第十二位为参数改变标志，由从站设置，高四 位有0 0 0 0 到1 1 l l 共1 6 种取值，每种取值都代表一种任务类型，比如0 0 0 1 表示请求参数值， 0 0 1 0 表示改变参数值等。在工程实际中，转速偏置量设置是通过改变直流调速器的7 0 2 号参 数来实现的r 7 0 2 号参数意义为主设定补偿) ，此时p k e 为0 0 1 000 1 0 1 0 i i i l l 0 ( 即h2 2 b e ) ， 前四位0 0 1 0 表示任务类型为更改参数值，后几位为7 0 2 的二进制表示。i n d 对于直流调速器 有所简化，固定为0 。p k w 元素部分中放置欲改变参数的参数值。偏置量高字节和偏置量低 现场总线及相关网络的构建 字节共l 字，为带符号的二进制补码表示，将其乘以0 0 0 6 1 即为叠加到主设定上的偏置量。 在p z d 域中，数据在主站和子站之间不断的交换，子站中需要交换的过程数据在通讯启 动时被设定。p z d 域的长度是由p z d 元素的数量和它们的大小( 单字或双字) 决定的。与p k w 区相比，它是可变的。每个帧中的最大p z d 数量限制为1 6 个字。如果只有p k w 数据在净数 据区中传输，p z d 的数量可以为零。 p z d 在传送方向为主站至子站时为控制字，传送方向为子站至主站时为状态字，其余的 传送内容由直流调速器参数设置决定。工程实际中传送的过程数据为转速、电枢电压、电枢 电流、励磁电流等。 启动标志s t x ( 0 2 h e x ) 本身对于子站清楚“识别帧”是不充分的，因为位组合0 2h e x 也 会出现在净数据中。因此主站在s t x 前定义了一个启动间隔，启动间隔为“工作帧 的一部 分。如果波特率为9 6 0 0 位秒，则最小启动间隔为2 3 0 m s 。工程实际中的波特率为3 8 4 0 0 b p s ， 此时最小启动间隔为0 5 8 m s 。只有具备上述启动间隔的“启动帧才被识别为有效。 主站“传送帧 的最后标志( b c c ) 与子站“应答帧 的启动标志( s t x ) 之间的时间间隔为应答 延时，应答延时必须大于启动时间且小于2 0 m s 。 一个完整的采样过程所需时间为： 采样周期= 启动间隔+ 主站传送帧时间+ 应答延时+ 子站应答帧时间 上述时序关系决定了控制系统的采样频率及快速响应能力。 2 2 2p p i 协议 对于s 7 2 0 0p l c ，它不仅支持m p i 、p r o f i b u s 、工业以太网等通讯方式，西门子还提供 了p p i 通讯方式。它通过$ 7 - 2 0 0c p u 自身的端口( p o r t o 或p o r t l ) 耳o 可完成，是s 7 2 0 0 系歹r 0 p l c 最 基本的一种通讯方式。 p p i 是一种主从协议：主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应。从站不发信息， 只等待主战的要求和对要求做出响应。主站靠一个p p i 协议管理的共享链接来与从站通讯。p p i 并不限制与任意一个从站通讯的主站数量，但是在一个网络中，主站的个数不能超过3 2 。 p p i 作为一种主从协议，主站、从站在一个令牌环网中。当主站监测到网络上没有堵塞 时，将接受令牌，只有拥有令牌的主站才可以向网络上的其他从站发出指令，建立p p i 网络。 主站得到令牌后可以向从站发送请求和指令，从站则对主站请求进行响应。p p i 并不限制一个 从站所能连接主站的数量，当网络上不只一个主站时，令牌传递前，首先要检测下一个主站 的站号。当一个新的主站添加到网络中来的时候，一般将会经过至少两个完整的令牌传递后 才会建立网络拓扑，接收令牌，且对于p p i 网络来讲，暂时没有接收令牌的主站同样可以响应 其他主站的请求。选择p p i 高级允许网络设备建立一个设备与设备之间的逻辑链接。对于p p i 高级，每个设备的链接个数是有限制的。用户在程序中使能p p i 主站模式时，s 7 2 0 0c p u 在运 行模式下做主站。在p p i 主站模式下，可以使用网络读写指令来读写另外一个s 7 2 0 0 。当s 7 2 0 0 做p p i 主站时，它仍可以作为从站响应其他主站的请求。 江南大学硕士学位论文 2 3 多电机同步监控系统网络的设计与实现 2 3 1 监控系统的通讯要求 根据现场需要，将系统分为三个层次：上位机与p l c 的通讯；p l c 与p l c 的通讯；p l c 与 直流控制器和变频器之间的通讯【丌。 1 ) p l c 与上位机之间的通讯 要在上位机上对整个系统进行监控，p l c 与上位机之间的通讯是木可避免的。p l c 所构 成的网络是整个监控系统得以实现的基础，也是所有数据进行采集、测量、处理和传输的具 体实现者。而上位机是监控系统和人进行交互的枢纽。因此，建立p l c 与上位机之间高效可 靠的通讯网络是系统的操作管理人员对整个监控系统进行有效科学管理的基础。 2 ) s 7 2 0 0p l c 之间的通讯 系统共有三个$ 7 - 2 0 0p l c 站，每个p l c 均带有若干个i o 模块，包括输入模块、输出模块。 这些输入输出模块与分散的现场设备连接【9 1 。每个p l c 所连接的设备按不同的工艺功能划分以 及其物理位置决定。有些p l c 只需监视与控制其所连接的设备，也有些p l c 需要对其他p l c 所连接的设备进行监视与控制，f l 口p l c 之间需要数据共享。这就需要s 7 2 0 0p l c 之间保证有 高实时性的通讯。有了这种通讯，一个p l c 对另一个p l c 下挂的i o 模块单元的访问就如同访 问本地的i o 单元一样了。 3 ) p l c 与直流控制器、变频器之间的通讯 系统的每个p l c 均连接有一定数量的现场直流控制器和变频器，以控制电机的转速，保 证同步。这些量也是监控系统上位机要显示的重要数据，在上位机上对这些生产流程的实时 信息进行动态显示以及进行故障报警功能。这些状态信号需要通过p l c 得到。所以p l c 与现 场直流控制器、变频器之间要建立通讯连接。 2 3 2 监控系统的网络设计 按照系统对通讯的要求和对上述三种通讯类型的分析，结合对s i e m e n s 数据通讯方式的 考虑，决定系统的网络以如下方式设计f l i 】f 1 2 1 ： 1 ) p l c 与上位机之间采用p r o f i b u s d p 上位机与p l c 之间数据通讯的主通道，存在传输距离远、数据量大、容易引入干扰等问题。 考虑到数据传输的效率，在上位p c 机与p l c 从站之间采用p r o f i b u s - d p 的方式进行