（控制理论与控制工程专业论文）基于控制网络技术的纸业生产过程监控系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 控制网络技术不仅将工业生产过程推向了更高的自动化水平，实现了协调控制和优 化控制，而且还为与信息网络的集成，构建统一的企业管控一体化系统提供了强大的技 术支撑。本文就如何将这种技术应用于现实系统进行了一些研究，并总结了一些实践经 验。 文章首先从控制网络技术现今的发展状况，工业企业对控制网络的一般性要求以及 它的基本技术要点等方面简要介绍了控制网络技术。 接着，针对虢控系统对设备层提出的开放性、互操作性、可靠性以及全数字化等方 面的要求，提出了p r o f i b u s 现场总线方案，并从f c s 相对于i ) c s 的优点以及p r o f i b u s 相对于其他类型现场总线的技术优势两个方面，概括性的说明了这种选择的合理性。在 此基础之上，就两个最主要的p r o f i b u s 总线优势进行了论证。对于配置灵活的优势， 则列举了p r o f i b u s d p 网络体系的构建过程及其通信软件设计的方便性，进行例证：对 于总线存取协议，则将其支持多主一从结构的特点，与软件设计中的结构化设计概念联 系在一起，提出p r o f i b u s 系统结构化设计的概念，并用实例验证了这个概念，以此证 实p r o f i b u s 总线存取协议的优异。 然后，针对监控系统耍求将整个车间所有子系统或设备都纳入其内，形成一个统一 有机系统的要求，提出了将以太网技术引入控伟网络的方案。为使方案可以成功实施， 针对以太网实时 生问题，介绍了高速全双工以太网交换技术及其在系统中的具体实现， 并根据本系统的特点提出了如何采用合理软硬件结构，减小网络负担的方式：针对以太 网可用性问题，介绍了冗余技术及其具体运用，同样根据系统特点提出了采用异构数据 库增强网络系统可恢复性的方式；针对网络安全性问题，结合工厂实际给出了具体的解 决方式。随后，介绍了工业以太网技术的具体应用方式，向人们展现了引入它所带来的 巨大好处。 最后，文章以东莞九龙纸业公司四期完成车间传送和生产监控系统为例阐述了以控 制网络技术为基础的监控系统的具体构建，分析了系统软件设计中的一些重要问题。 2 0 0 3 年1 0 月系统建成投产，从实践上验证了现场总线和工业以太网可以很好地相 互融合，进行优势互补。也表明了系统设计的合理性、实用性和先进性。 关键词：控制网络，现场总线，工业以太网，p r o f i b u s ，监控系统 武汉理工大学硕士学位论文 t h ei r l f i a s t m c t u r en e t w o r k t e d m i q u e n o t o n l y m a k e st h ei n d u s t r yp l o d u c t i o nr e a c h t h eh i 曲e ra u t o m a t i o nl e v e lb u ta l s oc r e a t e st h ee s s e n t i a lc o n d i t i o nf o r 豫峨t h e i n t c g r a l i o n o fc o n t r o la n da d m 妯j s i 功血mi nt h ew h o l e 铷主e 噼t h i s p a p e ri n t r o d u c e d h o w t o a p p l i e d t h e t e d m i q u e t or e a l i s t i c s y s t e m , a n d s u m m e d u p t h e e x p e r i e n c e f i r s t l y , t h ea r t i c l e i n t r o d u c e d t h e i n f r a n e t i n b r i e f f r o m t h er , r e m 吐d e v e l o p m e n t , t h e g e n e r a lr e q u e s ta n d i t st e c h n i q u ep o i n te t c i m m e d i a t e l ya f t e r , 幻f o r mt h ee q u i p m e n t sl a y e ro fc o n t r o ls y s t e mw i t ho p e n 。 m u t u a lo p e r a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dn u m e r i c , t h ep r o f i b u s p l 嘲e c tw a sb r o u 曲t f o r w a r d t h er a t i o n a t i t yo ft h er 删c c tw a s p r o v e db yf c s a d v a n t a g e st od c s a n d p r o f i b u s a d v a n t a g e st o t h e o t h e rf i e l d m s b a s e do nt h ea n a l y s i s , t h ea l t i d e d e m o n s t r a t e st h et w om a i na d v a n t a g e so f p r o f i b u s ：a p p l y i n g c o n v c n i e 日c ea n db u s a c c e s sp r o t o c o lt h r o u g hp r o f i b u s - d p a p p l i c a t i o n p r a c t i c a l l y , t h ec o n v e n i e n c ew a s e x e m p l i f i e d t h e s t m c t o r e d d e s i g no f p r o f i b u ss y s t e m i n d i c a t e db u sa o c e s s p r o t o c o l s a d v a n t a g e s t h e n , t oi n t e g r a t ea l ls u b - s y s t e mo rd e v i c e si n t ot h es y n t h e t i cs y s t e m , i tw a sp u t f o r w a r dt ol e a dt h ee t h c m e tt d m i q u ci n t ot h ec o n t r o ln e t w o r k t os o l v ee t h e m e t r e a l - t i m e , f u i l - d u p l e x 鲫血曲g w 璐矗1 0 p t c d a n d 吐圮s y s t e n m u c a t r e w a s u p f i m i z 缸t o s o l v ee t h e m e t r e l i a b i l i t y , r e d u n d a n c yt e c h n i q u ew a sa d o p t e da n di s o m e f o u sd a t a b a s e s b e t w e e n c o n t r o l n e t w o r k b e a d o p t e d a i m a t t h e n e t w o n k s a f e t y p r o b l e m , p u t f o r w a r d t h e m e t h o d s o f s o l u t i o n a c c o r d i n g a s f a c t o r y s c o n d i t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rm i l l s c o n l l o ls y s 蛔ma d o p t e dt h ek i n do f 姬a n c ts 仃u c t u r e m e l g i n g i n d u s t r i a le t h c r n c ta n df i c l d b u s t h ep a p e li n t r o d u c e dt h ed e s i g np m j ta n d t h e p r i n c i p l e o f t h ec o r m , o ls y s t e m , d e t a i l e dt oe x p a t i a t ee a c h l a y e r s s e l e c t i o nr e a s o ma n d f u n c t i o n s i n t h e c o n l l o l n e t w o r k t h es y s t e mh a sg o n et of u n c t i o no no c t2 0 0 3 i tc o m p l e t e l ya d l i c v e st h ed e s i g n r e q u e s t s a c c o r d i n g l y , i t i ss h o w e dt h a tt h e s y s t e m i sa d v a n c e da n d p r a c t i c a l k e y w o r d s ：丑l f 田剜n l c 毫l n e t w o 出f i e l d b u s , n d u s t r l a l e t h e m e t , p r o f i b u s , m o n i t o r i n gs y s t e m i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题背景 第一章绪论 随着计算机、通信、网络、控制等技术的发展，企业的信息集成系统 正在迅速壮大，将覆盖从生产现场到企业计划、决策的各个层次以及从原 材料采购、生产加工到成品销售的各个环节，以适应企业管理控制一体化 的应用要求f i j 。企业信息系统的发展对工业数据的开放性、对底层控制网 络的功能以及性能都提出了更高要求。顺应这种要求，计算机技术、控制 技术、网络与信息技术相互结合，逐步形成了以网络集成自动化为基础的 综合控制网络技术。并且在这些技术的共同推动下，控制网络技术也得到 了飞速发展：首先，以现场总线作为基础层的控制网络，在现场总线的体 系结构与参考模型、设备的数字化与智能化、应用软件的开发平台与工具 等各方面都取得了非常大的发展；同时还在o s i 体系结构、控制网络的组 网技术、实时网络操作系统、可靠性技术等方面都进行了深入研究，特别 是以太控制网络的研究，更是极大地推动了控制网络技术的应用层次和应 用深度，实现了远程监控以及现场监控与管理的一体化。此外，控制网络 与信息网络的集成技术已经成为控制网络技术领域的一个研究热点，各种 控制网络与信息网络的集成技术越来越成熟，网络集成的产品化程度也越 来越高。使得综合网络系统在现代化企业中的作用愈加重要。 伴随着控制网络技术的发展，一些相关新技术也在不断的涌现，例如： 嵌入式技术中，嵌入式控制器不但可以即插即用，而且能与已有的控制网 络一起协调工作，这一努力让嵌入式技术不断朝着控制网络开放性方向发 展；其他的一些耳熟能详的技术，像o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术、 集成软件套件技术、w e b 技术等等，都已经逐渐融合到控制网络技术之中， 这些融合与发展都大大地促进了控制网络技术【2 】。可以说，作为一系列技 术综合产物的分布式控制网络技术，提供了一种全新的控制网络结构，不 但有效地解决了基础自动化控制网络与过程和管理控制系统之间的无缝集 成问题，还为企业实施e r p ( e n t e r p d s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 管理提供了良好 的必要条件。 武汉理工大学硕士学位论文 本文以广东东莞海龙纸业( 四期) 年产4 0 万吨高档涂布包装纸板工程 为背景，对作者所从事的“东莞九龙纸业公司四期完成车间传送和生产监 控系统的开发”课题的技术总结和理论研究。目前，国内一些较大的纸厂 都在进行产业的现代化改造和建设，以适应现代化管理要求和市场需求。 但这些纸厂的基础控制网络与管理控制系统大多是分开的，而且即便在基 础控制网络层内，各个生产单元的相对独立性也非常大，可以说是“各自 为战”【3 1 。这种控制系统模式结构不但降低了信息的有效利用率增高了生 产成本，而且阻碍了企业管理者对生产状况的及时了解，使得现代化企业 管理模式( 如e r p 管理) 的实现成为一句空谈。 因此，研制开发基于控制网络的生产管理系统，对生产单元的关键状 态和成品的生产状况进行及时跟踪监视，同时将基础自动化控制网络与过 程和管理控制系统紧密结合起来，为企业资源规划层提供可靠的决策依据， 具有很大的实际意义和明显的经济效益。 1 2 控制网络概述 控制网络一般是指以控制“事物对象”为特征的计算机网络系统，它 主要面向企业或者某个系统的底层 4 1 。控制网络可以将多个分散在生产现 场，具有数字通信能力的测量控制仪表和设备作为网络节点，采用公开、 规范的通信协议，以网络作为通信的纽带，把现场控制设备联接成可以相 互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。控制网络从结构 上一般可以分为面向设备的现场总线控制网络和面向自动化的主干控制网 络。在主干网络中，现场总线可以看作是主干网络的个接入节点。 1 2 1 对控制网络的要求 控制网络作为网络控制系统，首先要能够将现场运行的各种信息传送 到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息 等送往控制室的同时，又可以将各种控制、维护、组态命令等送往位于现 场的测量控制现场设备中，起着现场级控制设备之间数据联系与沟通的作 用。这就对控制网络的开放性、互操作性、通信的实时性、对环境的适应 性等方面的问题提出了要求。 控制网络的通信系统应是具有开放性的通信系统。它的通信协议公开， 不同厂商的设备可以相互连接构成系统，同时其相关标准也具有一致性和 2 武汉理工大学硕士学位论文 公开性，厂商能够也愿意接受它。作为开放系统的控制网络，还应该可以 与世界上任何地方的遵守相同标准的其他设备或系统连接。只有这样，用 户才可以真正按照自己的意愿，把来自不同供应商的产品组成所需系统。 控制网络中的控制设备应具有互操作性和互用性。“互操作性”是指互 联设备问的信息传送与沟通；“互用性”是指不同生产厂家按照相同协议生 产的类似产品或设备可以进行相互替换。 控制网络作为一种现场控制系统一定要很好地完成现场的测量监控任 务。而在控制中，有许多测控任务是有严格时序和实时性要求的，若达不 到实时性要求或因为同步等问题影响了网络节点间的动作时序，则会造成 灾难性的后果。这就要求控制网络具备较高的实时通信能力。它应该提供 时间发布与时间管理功能，可以有效提高通信有效性。 控制网络所处的工作环境就总体而言是多样的、恶劣的，所以控制网 络还应该有很强的环境适应能力。它应该能够适应工业现场的各种环境， 比如：能抗热耐寒、抗振动、抗电磁干扰等，在极度危险的环境中可以保 证本质安全等等。 另外，由于现代企业对管控一体化系统的迫切需求，控制网络还应该 可以跟随互联网技术的发展，很好的融入其中，为达到这一目的提供良好 的必要条件。 1 2 2 控制网络技术简析 ( 1 ) 网络拓扑结构 就控制网络的网络拓扑结构而言，常见的拓扑结构如图1 - 1 所示，有环 形、星形、总线形和树形几种【引。 环形 星形总线形树形 图1 - 1 控制网络中常见的拓扑结构 环形拓扑结构中，通过网路节点的点对点链路连接，构成一个封闭环 路。构成环形拓扑网络所需的连接设备简单，网络吞吐量大，节点的变更 方便。但信号只能单向传输，而且一旦有节点无法工作将影响到整个网络。 武汉理工大学硕士学位论文 星形拓扑结构中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何两个节 点之间通信都通过中央节点进行。星形拓扑便于实现数据通信量的综合处 理，每个终端节点只承担较小的通信处理量，一条线路受损，不会对其他 节点的状态产生影响。但中央节点必须建立和维持许多并行数据通信，其 结构非常复杂。 总线形拓扑结构中，由一条主干电缆作为传输介质，各网络节点通过 分支与总线相连。这种拓扑结构易于实现，实现成本低，任何一个终端节 点受损，不会影响其他节点的正常工作。但随着信号在网段上传输距离的 增加，信号会逐渐变弱，而且总线上分支所引起的信号反射，也将降低信 号的传输质量。 树形拓扑结构可以看作是星形拓扑结构的扩展，是适应性很强的一种 拓扑，但其结构也相对很复杂。 实际应用中，往往会将几个不同拓扑结构的子网结合在一起使用，形 成一种混合拓扑结构的综合网络。 ( 2 ) 网络传输介质的访问形式 在前面所述的网络拓扑结构中，有几种结构需要共享传输线路，例如： 总线和环形拓扑结构。因而可能出现几个节点同时要求通信，引起争用传 输介质的现象。这就需要一种介质访问控制方式，来协调节点之间对介质 的使用顺序。常见的几种传输介质访问控制方式为【4 j ：载波监听多路访问 冲突检测( c s m c d ) 、令牌方式和时分复用。 采用载波监听多路访问冲突检测的介质访问控制方式，网络上的任何 节点都没有预定的通信时间，节点随机向网络发起通信。当遇到多个节点 同时发起通信时，信号会在传输上相互混淆而遭破坏，此称为“冲突”。为 尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要侦听传 输线上是否有信息在发送，这就是所谓的“载波监听”。这种方式的控制方 案遵从先听后讲。一个节点要发送信息，首先要监听总线，以决定介质上 是否存在正在发送信号的其他节点。如果介质处于空闲，则可以发送；如 果介质忙，则要等待一段时间间隔后重试。 由于传输线上不可避免的存在传输延时，所以可能有多个站同时监听 到传输线空闲，并开始发送，从而导致冲突，故每个节点在开始发送信息 后，还要继续监听线路，判定是否有其他节点同时向传输介质发送信息， 旦发现，便终止当前发送，这就是“冲突监测”。 4 武汉理工大学硕士学位论文 这种方式，在一些对实时性要求不高的控制网络中得到了应用。而对 实时性要求较高的系统，一般采用令牌方式和时分复用。 如上所述，c s m a c d 方式不能很好满足实时性要求的原因主要是因 为“冲突”，而“冲突”产生的原因是由于各节点发送信息的随机性。针对 这个问题，人们提出了一些解决方案，其中令牌方式和时分复用方式具有 代表性。 令牌访问是指各站点按照一定顺序在网络上传递令牌环，得到令牌的 节点才有发送信息的权利，从而避免了几个节点同时发起通信造成的冲突。 由于令牌访问的原理，所以实现它的网络应该是“环形网”，这里的“环形 网”包含物理环形网络和逻辑环形网络两个方面。前者一般被称为令牌环 网络，后者一般被称为令牌总线网络。 令牌环网络中，网上每一个站点都知道信息的来源去向，保证了通信 的确定性，同时由于可以控制令牌持有时间，所以很适合实时系统，但是 单环环路出现故障将使整个环路通信瘫痪，因而可靠性较差。 令牌总线网络中，网上各节点按预定顺序形成一个逻辑环，总线上各 节点的物理位置与逻辑位置无关，因而可以避免令牌环网络的可靠性问题。 同时，它又可以像令牌环方式那样在各逻辑环内节点中顺序的传递令牌， 以控制各站点对总线的访问控制权。 令牌总线网络的正常运行很简单，但网络必须由初始化功能要生成一 个访问次序。当网上令牌丢失，或出现多个令牌时，必须有故障恢复功能。 除此之外，还应该有取消站点和加入站点的功能，这些要求使令牌总线控 制的复杂性大大增加。 与令牌访问不同，时分复用是指对网络中每个节点预先分配好特定的 一段时间，让每个节点在这段时阆内占有总线。时分复用又分为同步时分 复用和异步时分复用。同步时分复用是指为每个节点分配相等的时间片， 而不管每个设备要通信的数据量大小。异步时分复用也叫统计复用，是指 根据给定时问内可能进行发送的节点数目的统计结果决定时间片的分配。 由于对时间片进行动态分配，所以可以大大减少信道资源的浪费。 1 3 本文主要工作 根据课题的相关背景和技术发展状况，结合工程实践，本文作者和智 能信息处理与故障诊断实验室的有关人员一起从2 0 0 3 年6 月开始针对东莞 武汉理工大学硕士学位论文 九龙纸业公司四期完成车间的生产要求以及九龙公司的管理要求开发了一 套基于控制网络的监控系统。系统采用现场总线技术与工业以太网相结合 的控制结构，实现了对生产数据的实时采集监控、对生产过程的监控和管 理，并在车间级范围内有效地解决了基础自动化控制网络与过程和管理控 制系统之间的无缝集成问题；并且还为实现e r p 管理提供了良好的必要条 件。整个系统人机对话方便简洁，系统构成灵活易于扩展，可靠性高，具 有很强的通用性和工程推广性。经过一段时间的运行，效果良好。综合上 述实际工作，本文主要作了以下工作： 1 首先从控制网络技术现今的发展状况，工业企业对控制网络的一 般性要求以及它的基本技术要点等方面简要介绍了控制网络技术。 2 针对监控系统对设备层提出的开放性、互操作性、可靠性以及全数 字化等方面的要求，提出了p r o f i b u s 现场总线方案，并从f c s 相对于 d c s 的优点以及p r o f i b u s 相对于其他类型现场总线的技术优势两个方 面，概括性的说明了这种选择的合理性。在此基础之上，就两个最主要的 p r o f m u s 总线优势进行了论证。对于配置灵活的优势，列举了 p r o f i b u s d p 网络体系的构建过程及其通信软件设计的方便性，进行例 证：对于总线存取协议，则将其支持多主从结构的特点，与软件设计中的 结构化设计概念联系在一起，提出p r o f i b u s 系统结构化设计的概念，并 用实例验证了这个概念。以此证实p r o f i b u s 总线存取协议的优异。 3 针对监控系统要求将整个车间所有子系统或设备都纳入其内，形 成一个统一有机系统的要求，提出了将以太网技术引入控制网络的方案。 为使以太网很好的应用于工业领域，针对以太网实时性问题，介绍了高速 全双工以太网交换技术及其在系统中的具体实现，并根据本系统的特点提 出了如何采用合理软硬件结构，减小网络负担的方式；针对以太网可用性 问题，介绍了冗余技术及其具体运用，同样根据系统特点提出了采用异构 数据库增强网络系统可恢复性的方式；针对网络安全性问题，结合工厂实 际给出了具体的解决方式。随后，介绍了工业以太网技术的具体应用方式， 向人们展现了引入它所带来的巨大好处。 4 以东莞九龙纸业公司四期完成车间传送和生产监控系统为例阐述 了以控制网络技术为基础的监控系统的具体构建，分析了系统软件设计中 的一些重要问题。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章基于p r o f i b u s 的控制系统 2 1p r o f i b u s 作为控制网络底层的原因 在本文中，所描述的以东莞九龙纸业公司四期完成车间传送和生产监 控系统构建项目为依托的控制网络，是一个以p r o f i b u s 现场总线为底层 联系纽带，将多个分散在纸厂生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪 表和设备作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，把它们联接成可以 相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统。之所以在底层采用 p r o f i b u s 现场总线，主要是从两个方面进行考虑的：一是现场总线技术 纵向相对于其他设备层控制技术的优势；二是p r o f i b u s 横向相对于其他 现场总线的优势。 2 1 。1 现场总线技术的优势 现场总线是种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感 技术于一身的新兴控制技术。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准的定义， 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制设备 之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络，是开放式、数字化、多节 点通信的底层控制网络。由现场总线的定义可知：它不仅是一种通信标准， 还是一种系统标准，是现场通信网络与控制系统的集成。现场总线控制系 统( f c s ) 是继集散式控制系统( d c s ) 后的新一代控制系统。作为d c s 的替代 者，f c s 对d c s ，做了如下变革： 第一，f c s 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器， 逐渐向上至最高层均采用通信网络互连。 第二，f c s 的系统结构是全分散式的。f c s 废弃了d c s 的输入输出单 元和控制站，由现场设备和现场仪表取而代之，即把d c s 控制站的功能化 整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散 控制。 第三，f c s 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可以互 联也可以互换，并可以同组态，彻底改变传统d c s 控制层的封闭性和专 用性。 武汉理工人学硕士学位论文 第四，f c s 的通信网络为开放式互联，既可以与同层网络互联，也可 以与不同网络互联，用户可以极其方便地共享网络数据库。 第五，f c s 的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何 人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向全世界的用 户。 由于上述五项变革，使得f c s 比d c s 更加符合现代工业控制的核心思 想：“控制分散，信息集中”。 自2 0 世纪8 0 年代中期，提出现场总线概念以来，现场总线已经得到 了很大的发展和广泛的应用。但由于技术原因和商业利益，现场总线国际 标准的制定至今还没有完成，因而形成了目前多种现场总线共存的局面。 当今，比较流行的现场总线主要有：c a n ，f f ，c n o t r o l n e t ，l o n w o r k s ， p r o f i b u s ，h a r t 等“。 2 1 2 采用p r o f i b u s 现场总线技术的原因 1 9 8 7 年德国工业界开始启动了p r o m u s ( p r o c e s sf i d db u s ) 联合开 发项目，1 9 8 9 年它被立项为德国工业标准，即d i ne 1 9 2 4 5 【2 】p r o h b u s 标准，从1 9 9 1 1 9 9 5 年先后批准实施p a r t l - - 4 ，1 9 9 6 年3 月，德国的国家 现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准e n5 0 1 7 0 t s l 。2 0 0 0 年3 月， p r o f i b u s 标准被批准为国际现场总线标准c 6 1 1 5 8 的组成部分 ( t y p e i i ) 。与其它得到广泛应用的现场总线技术一样，能够覆盖大多数 工业领域，既可以用于有严格时间要求、高速数据传输的场合，也可以用 于大范围复杂通信场合。 多年以来p r o f i b u s 一直在世界现场总线技术市场上占居领先地位。 它在化工、冶金、机械加工以及其他自动控制领域得到了迅速普及和应用， 从众多现场总线技术中脱颖而出。这其中固然有商家经营策略的因素，但 根本还是其自身的技术优势决定的。具体而言，p r o f i b u s 有如下优势： 1 灵活的配置 p r o f i b u s 包含三种兼容版本1 9 1 ：p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 和 p r o f i b u s f m s 。它们的特点如下所述，在工厂中的大致应用范围如图2 1 所示。 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，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 模块可取代价格 武汉理工大学硕士学位论文 昂贵的2 4 v 或0 一眦并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输。 图2 1p r o f i b u s 应用范围 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术， 实现了1 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 - f m s ：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务， 完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，经常应用于纺织工业、楼宇 自动化和电气传动系统，可以实现传感器和执行器、可编程序控制器、低 压开关等设备一般自动化控制。 根据不同的应用范围和领域，可灵活地选取不同版本p r o h b u s 进行 应用，同时由于这些版本的良好兼容性，它们之间还可以互相衔接，实现 跨领域，跨范围的控制系统。 而这些版本本身的应用方式也十分灵活，可以针对不同的应用对象选 取不同规格的总线系统。如简单的设备一级的高速数据传送，可选用 p r o f i b u s d p 单主站系统；稍微复杂一些的设备级高速数据传送，可选 用p r o f i b u s - d p 多主站系统；比较复杂一些的系统可将p r o h b u s d p 9 武汉理工大学硕士学位论文 与p r o f i b u s f m s 混合选用，两套系统可方便地在同一根电缆上同时操 作，而无须附加任何转换装置1 w 。 2 总线存取协议 p r o f i b u s 协议的结构参照i s o o s i 参考模型，只包含第1 ，2 和7 层。它们的体系结构比较如图2 2 所示。 应用层- r 摹哺i 屠。 套话j 章 鹤嘲i 屡t 网络层一 獭曦柏臼胃知 掳理届t i s o o $ i 劳考横塾p r o f i b u s 准则“ 图2 - 2p p o l c l b o s 协议结鞫“ 图2 2 所示的p r o f i b u s 总线存取协议是通过o s i 参考模型的第2 层 即现场总线数据链路层( f d l ) 实现的。它保证可靠地完成数据传输、传输 协议和报文处理。具体控制数据传输的是其中的介质存取控制( m a c ) ， m a c 必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。 由于p r o f i b u s 协议的设计旨在满足介质存取控制的基本要求，也 即：在复杂的自动化系统( 主站) 问通信，必须保证在确定的时间间隔中， 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 单的i o 设备( 从站) 间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传 输。所以p r o f i b u s d p 总线存取协议采取了一种混合协议，包括主站之 间的令牌传递协议和主站与从站之间的主从协议。 主站与从站之间的通信 主站通过获取令牌取得总线访问权。令牌是一种特殊的报文，它在主 站间传递总线访问权，令牌在所有主站间循环一周的最长时间是事先决定 的。 在建立总线系统时，主站m a c 检查总线上活动的主站并建立令牌逻 辑环；在总线运行期间，得到令牌的主站可以在令牌持有时间内进行操作， 武汉理工大学硕士学位论文 按照主站与主站和主站与从站通信关系表与其它主站和它的从站通信，从 逻辑环中删除断电或损坏的主站，接受新激活的主站进入逻辑环，监测传 输介质和收发器故障、站点地址出错和令牌出错( 出现多个令牌或令牌丢 失) 等。 主站与从站之间的周期性数据传输 主站与从站之间的周期性数据传输采用主从方式。主站在得到总线访 问令牌时除了与其它主站通信外，还将与它的从站通信。向从站发送或索 取信息。 用户对总线系统组态时，规定主站与从站的关系，确定哪些从站被纳 入信息交换周期。只有当实际数据与组态数据相匹配时，从站才进入用户 数据传输阶段。因此设备类型、数据格式、长度和输入输出数量必须与实 际组态一致。 不管哪种模式，站的加入和退出可在任何时刻发生。主站的加入和退 出采用令牌总线协议的处理方式。 这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任何一个 主站在一个特定的时间片内都可以得到总线控制权。这样完全避免了冲突， 其好处在于传输速度较快。而其他一些总线则采用的是冲突碰撞检测法。 在这种情况下，某些信息组需要等待，然后再发送，从而使系统传输速度 降低。同时，它对多种系统构建模式予以支持，这也在技术上保证了它应 用的灵活性。 3 本质安全性 本质安全一直是工控网络在过程控制领域应用时首先需要考虑的问 题，否则，即使网络功能设计的再完善，也无法在化工、石油等工业现场 使用。目前各种现场总线技术中考虑本质安全特性的只有p r o f i b u s 与f f ， 而f f 的部分协议及成套硬件支撑尚未完善，因此可以说，目前过程自动化 中现场总线技术的成熟解决方案只有p r o f i b u s p a 。它只需一条双绞线就 既可以传送信息，又可以向现场设备供电。由于总线的操作电源来自单一 供电装置，它就不再需要绝缘装置和隔离装置，设备在操作过程中进行的 维修、接通或断开，即使在潜在的爆炸区也不会影响到其他站点。使用分 段式耦合器，p r o f i b u s - p a 还可以很方便地集成到p r o f i b u s - d p 网络上。 武汉理工大学硕士学位论文 4 功能强大的f m s f m s 提供上下文环境管理、变量访问、定义或管理、程序调用管理、 事件管理、对v f d ( v i r t u a lf i e l dd e v i c e ) 的支持以及对象字典管理等服 务功能。 5 硬件支撑 由于p r o f i b u s 协议芯片具有众多的系列，故p r o f i b u s 协议的具体实 现既简单又经济。原则上，p r o f i b u s 协议在任何微处理器上都可以实现， 同时在微处理器内部或外部装上异步串行口即可，但当传输速度超过 5 0 0 k p s 或需要连接使用i e c1 1 5 8 2 传输技术时，最好使用a s i c 协议芯片。 可提供p r o f i b u s 协议芯片的厂商有i a m ，m o t o r o l a ，s i e m e n s ，d e l t a ，s m a r 等等。 由于s i e m e n s 自动化设备级通信解决方案p r o f i b u s 总线的上 述种种优势，它已被广泛采用。这也使得企业的管理人员和技术人员对该 总线的调试以及维护有一定了解，让系统日常的运行和维护更加可靠和方 便，进一步加深了用户对它的青睐。 2 2p r o f i b u s d p 技术在纸厂完成车间的应用 如前所述，p r o f i b u s 有3 种兼容版本，分别针对不同的应用对象和 应用要求。其中，p r o f i b u s d p 的应用场合为现场层，用于设备级自动 控制系统与分散的外围设备之间的通信连接。d p 为d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y 的缩写，意即“分散化外围设备”。 “l 它专为自动控制系统和设备级分散 y o 之间通信设计，非常适合东莞九龙纸业公司四期完成车间传送和生产 监控系统，本文要介绍的控制系统的底层部分正是基于p r o f i b u s d p 。 2 2 1p r o f i b u s d p 网络体系的构建 如上所述，我们采用p r o f i b u s d p 的电气网络配置形式。将监控系 统中上位监控工作站和传送链站p l c 设置为主动站。将传送链监控过程中 的变频器、外围i o 设备以及智能传感器等，设置为从动站。网络采用e i a r s 4 8 5 线缆，总线上的节点( 即主、从设备) 通过i i 、，u c p 接口或者集成 接口的e nr s 4 8 5 端子与p r o f l b u s d p 网络连接。 p r o f i b u s d p 使用2 种传输技术【1 2 1 ：e i ar s4 8 5 和光纤。由于成本 武汉理工大学硕士学位论文 原因选用了e i a r s4 8 5 ，它的传输基本技术特性如下： 网络拓扑：线型总线，总线连接站点的连接器可随时接通或断开通 过该连接器的站点的连接，而不会中断其他站点的连接； 传输速率：9 6 1 2 0 0 0 k b p s ； 传输介质：双绞铜线电缆或屏蔽双绞铜线电缆，屏蔽电缆在高电磁 辐射环境下使用； 站点数：每段总线最多3 2 个站； 中继器：总线站点数超过3 2 时，必须使用中继器( 对信号整形恢 复的放大器) 连接各个总线分段，最多可使用3 个中继器，一共带1 2 7 个 站； 终端器：每段总线的头尾各有一个有源总线终端器； 短截线：数据传输速率超过5 0 0 k b p s 时，避免使用短截线。 实际应用中，传输介质为屏蔽双绞铜线电缆，传输速率为1 5 m b p s 。 虽然网络中的站点数不多，但由于传输线的线长对数据传输速率有很大影 响( 数据传输速率与传输线最大线长的关系如表2 - 1 所示) ，而传送链的传 送距离较远且传送目的地分布在车间各处，所以p r o f i b u s d p 网络中加 装了r s 4 8 5 总线中继器( 对总线上信号进行整形恢复的放大器) 来连结 各段，以保证本系统1 5 m b p s 的数据传输速率。 表2 - 1 传输速率与传输线( a 型电缆) 长度关系表 数据传输速率最大传输距离数据传输速率最大传输距离 9 6 k b p s 1 2 0 0 l n 1 5 0 0 k b p s 2 0 m n 1 9 2 k b p s 1 2 0 0 m 3 0 0 0 k b p s 1 0 0 m 9 3 7 5 k b p s 1 2 0 0 m 6 0 0 0 k b p s 1 0 0 m 1 8 7 5 k b p s 1 2 0 0 m 1 2 0 0 0 k b p s 1 0 0 m 5 0 0 k b p s 4 0 0 m 使用e i a r s4 8 5 传输技术的p r o f i b u s d p 网络最好使用9 针d 型连 接器。总线连接器引脚定义见表2 - 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 总线连接器引脚分配表 引脚编号信号说明 1屏蔽屏i 皈保护地 2m 2 42 4 v 输出地 3r x d 厂i x d - p接收数据发送数据( + ) 4c n t r p对中继器的控制信号( 直接控制) 5d g n d数据传输地 6v p终端电阻供电电源( p = 5 v ) 7p 2 42 4 v 输出+ 8r x d f f x d - n接收数据发送数据( 一) 9c n i r n对中继器的控制信号( 直接控制) 引脚2 和7 提供外部设备2 4 v 电源，电流容量1 0 0 m a 。 引脚1 屏蔽连接到连接设备的保护地。 引脚6 和5 为终端电阻提供5 v 电压，电流容量 一1 0 m a 。 p r o f i b u s d p 标准没有要求使用绝缘接口，但本系统中仍然配置了带 光电隔离的绝缘接口，以防止设备对总线的干扰。 p r o f i b u s d p 站的电缆连接和总线终端器如下图所示。 ，1 r 1 l i l 。 电缆连接 站 r x d t x d p ( 3 ) d g n d ( 5 ) 数据 v p ( 6 ) r x d f r x d n ( 8 ) 数据 v p ( 6 ) 3 9 0 q r x d t x d p o ) 2 2 0 q r x d f f x d - n ( 8 ) 3 9 0 q d g n d ( 5 ) 总线终端器 图2 3p r o f i b u s d p 站的电缆连接和总线终端器 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 整个p r o f i b u s d p 网络基本配置情况如图2 4 所示。应该注意的是， 此图为了作图方便，对纸厂完成车间控制系统的p r o f i b u s d p 网络配置 进行了一些细微调整。例如：中继器的位置实际上位于升降机从站处( 升 降机从站负责将包装好的卷桶纸送入库房) ，这个从站在网络拓扑逻辑中离 主站较远；而由i m l 5 3 构成的从站实际上有三个，并非图中所示的一个。 但这些细节上的调整决不影响对p r o f i b u s d p 网络配置原理上的认识。 图2 4 纸厂完成车间p r o f i b u s d p 电气网络配置 武汉理工大学硕士学位论文 图中，监控工作站由c p 5 6 1 1 通信板卡接入p r o f i b u s d p 电气网络。 c p5 6 1 1 是短p c i 卡，可以在w i n d o w s2 0 0 0 下运行，并通过总线连结器或 者总线终端和p r o f i b u s 总线相连。c p5 6 1 1 作为d p 主站运行，可以将 输入、输出以及诊断数据存储在d pr a m 内，卡上的9 针d 型插头可成 为p r o f m u s d p 或m p i 接口。c p5 6 1 1 的硬件自律地处理高性能数据传 输。用户可以通过它直接读写d p r a m 。从站的过程数据总是一致的，即 用户可以从相同的d p 周期得到数据。 编程器采用编程器d p 接口与p r o f i b u s 总线连结。可以使用高性能 工具s t e p7 对p r o f i b u s 的i o 设备进行组态和参数化。通过s t e p7 ， 可以很方便的修改系统中任何一点的用户程序，从系统中的任何点都能够 进行组态、启动和故障定位。 传送链p l c 采用的是c p u3 1 5 2 d p ，它有两个通信接口，一个应用于 m p i 方式，一个应用于p r o f i b u s d p 方式。本系统通过d p 方式直接挂 在p r o f i b u s d p 总线上。值得注意的是：c p u 不带p r o f i b u s 接口，则 需要配置p r