（电力电子与电力传动专业论文）基于profibusdp总线的风机电参数测量系统.pdf

一 ! ! 壅奎望叁堂堡主垒茎 一 p _ _ 一一 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t d e v i c e sh a v ep r o f i b u s d pi n t e r f a c e p r o f i b u s d pb u si st h eo n e o fm o s tp o p u l a r b u si nm ew o r l d f i r s t ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，c h a s s i f i c a t i o na n d s t u d ys i t u a t i o no ff i e l d b u s ，t h e ne x p o u n d sc o m m u n i c a t i o np a t t e r n ，d e v i c e s t y l ea n d p r o t o c o lo fp r o f i b u s d p , t h e nd e t a i l e dg i v e sh a r d w a r ec h o i c e ，c o n f i g u r a t i o n a n d s o 脚a r ea c h i e v e m e n to fm a s t e rs t a t i o no nb u s ，t h e nd e t a i l e di n t r o d u c e st h e s t r u c t u r e a n df u n c t i o no fs l a v es t a t i o nc o m m u n i c a t i o nc h i ps p c 3 ，s l a v e s t a t em a c h i n ea n d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea c h i e v e m e n t t h ec o n c r e t ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fb u si n t e r f a c eo nt h i sd e s i g ni se l e c t r i c a l p a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e mo f w i n dt u r b i n eg e n e r a t o r e l e c t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u n n g m a k e sg r e a ts e n s eo nc o r r e c tm e a s u r i n go fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o rp a r a m e t e r ，w a t c h i n g w i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs t a t e t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no fm e a s u r i n gs y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e ss a m p l i n g c i r c u i td e s i g n ，t h e a p p l i c a t i o no fc o m p u t a t i o nc h i pa t t t 0 2 2 b ，d a t as t o r a g ec i r c u i t ，p o w e r d e s i g n ；t h e s o f t w a r ed i s c u s s e sm a i np r o g r a m ，e l e c t r i c a lp a r a m e t e rp r o c e s s i n gp r o g r a m ，s e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o np r o g r a m l a t e r , t h ep r i n c i p a l ，p l a na n dr e s u l to fp a r a m e t e rc a l i b r a t i o ni s i n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ea c h i e v e m e n ta n dt h ef a u l ta r es u m m a r i z e di nt h e c o n c l u s i o n k e yw o r d s ：p r o f i b u s d p ，s p c 3 ，w i n dp o w e r , a t t t 0 2 2 b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期：年月日签字f t 期：年月日 独创性声明 9 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：王旭辉签字日期： 致谢 本论文的工作是在我的导师李杏春教授和王占国老师的悉心指导下完成的， 李杏春教授和王占国老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响。在此衷心感谢三年来李杏春老师和王占国老师对我的关心和指导。 李杏春教授和王占国老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向李杏春老师和王占国老师表示衷 心的谢意。 李杏春教授和王占国老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，才永胜、郭宏榆、劳力等同学对我论文中疑 难问题研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人的理解和支持，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 引言 1 引言 1 1课题的研究意义 在生产和科研实践中，尤其在针对我院风力发电机相关产品的开发中，我们 意识到p r o f i b u s d p 现场总线应用极其广泛，相关产品的研究具有十分广阔的研 究和市场价值。我们试验室从国外引进的风机振动检测模块和后续研究应用到的 w a g o 模拟数字模块均带有p r o f i b u s d p 通讯接口，专业相关的p l c ( 可编程 逻辑控制器) 、变频器等设备也大量使用到p r o f i b u s d p 总线。目前对这种总线 的研究尚处于在国外总线产品的基础上进行二次开发，未触及底层通讯机制和协 议，严格来说属于应用而非开发层面。同时，我国对p r o f i b u s d p 总线的研究也 处在初步阶段，目前针对从站的开发已经起步，主站产品尚属空白，大量的产品 需要进口，而国外公司的产品价格通常十分昂贵，p r o f i b u s d p 总线产品的国产 化具有巨大的市场前景。因此，研究p r o f i b u s d p 现场总线具有十分重要的意义。 近些年来，随着传统能源的短缺、温室效应和全球气候异常，传统能源的缺 陷和危害逐渐暴露，新能源研究成为能源领域的重剧。其中风能以其储量巨大、 分布广泛、无污染等优点，受到各国的重视。近年来，我国的风电事业有了较快 的发展，但是也面临一系列障碍和问题，如风力发电成本过高，如何监控风机， 风力不稳难以合理安排工作状态等【2 】【3 1 。因此，监控和测量风力发电机的各类电参 数显得格外重要。在风力发电机组中，p r o f i b u s d p 总线应用同样十分广泛，大 量的设备需要d p 总线连接、通讯。本课题提出了一种基于p r o f i b u s d p 总线的 风机电参数测量系统，将风力发电机的各种电参数，如电压、电流、功率等进行 采样、计量、校准，同时通过p r o f i b u s d p 总线与上位机和控制系统相连接，实 现主从站实时交换数据。值得一提的是，其总线通讯接口模块，在底层上遵从 p r o f i b u s d p 协议，根据具体要求稍作修改即可适应各个行业领域，在其基础上 参照行规可开发出应用于不同行业的总线产品，它可以作为一个p r o f i b u s d p 通用的通讯接口，具有很强的实用性和扩展性。 1 2 课题背景介绍 1 2 1现场总线简介 9 北京交通大学硕士论文 现场总线( f i e l d b u s ) 是近年来迅速发展起来的一种用于工业控制的数据总线， 是实现现场总线数字化、网络化的一种工业现场层网络通信技术。国际电工委员 会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i a c a lc o m m i s s i o n ) 对现场总线的定义是：安装 在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、 多点通讯的数据总线【4 j 。现场总线是一种开放式的互连的网络，其协议是公开的， 不同厂家的设备之间可以互连并进行信息交换。现场总线是一个底层的网络协议， 在其之上，还允许有上级的监控和管理网络。它主要用于自动化系统的控制单元 与现场设备之间安全、可靠、快速地传递信息。应用现场总线技术可用一条电缆 将现场设备连接，使数字化通信取代传统4 2 0 m a 2 4 v d c 模拟信号传输，完成对 现场设备的控制、监测、远程参数化等功能。 1 2 2几种主要的现场总线 由于行业、地域、经济利益等原因，现场总线本应是唯一的、标准的、开放 互连的通信网络，目前情况却是在不同领域形成多个颇具影响力的总线标准。 过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 符合德国标准d i n l 9 2 4 5 欧洲标 准e n 5 0 1 7 0 ，也符合i e c 标准i e c 6 1 1 5 8 。p r o f i b u s 被广泛应用于制造业自动化、 流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。p r o f i b u s 由三个部分 组成：分散化外围设备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 ) 、过程自动化 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 ) 和现场总线报文规范p r o f i b u s f m s ( p r o c e s s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是由现场总线基金会( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ) 组织开发的，已成为i e c 标准i e c 6 1 1 5 8 。f f 是为适应自动化系统在 功能、环境和技术上的需要而设计的，在过程自动化领域得到了广泛的支持，具 有良好的发展前景。它的体系结构参照i s o o s i 参考模型的物理层、数据链路层 和应用层，并在应用层上增加了用户层。其物理传输介质可支持双绞线、光缆和 无线发射，协议符合i e c l l 5 8 2 标准，传输信号采用曼彻斯特编码。f f 分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b i t s ，通信距离可达1 9 0 0 米( 可 加中继器延长) ，可支持总线供电防爆环境。h 2 的传输速率可为1 m b i t s 和2 5 m b i t s 两种，其通信距离分别为7 5 0 米和5 0 0 米，后改为h e s ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) ，传 输速率为10 0 m b i t s 。 控制器局域网络c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 是由德国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协议。其总线规范已被i s o 国际标 准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于o s i 模型， 1 0 引言 但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其 节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发 送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。c a n 总线采用短消息报 文，每一帧有效字节数为8 个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可 靠性高。 局域操作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 是美国e c h e l o n 公司开 发，它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构。l o n w o r k s 技术的核心是具备通 信和控制功能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片实现完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信 协议。其上集成有三个8 位c p u ，一个c p u 完成o s i 模型第一和第二层的功能， 称为介质访问处理器，一个c p u 是应用处理器，运行操作系统与用户代码，还有一 个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选 择、网络通信管理等。由神经元芯片构成的节点之间可以进行对等通信。l o n w o r k s 支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活。l o n w o r k s 应用范围主要 包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。 1 3课题任务 本课题主要研究p r o f i b u s d p 总线的通讯原理和实现方法，在此基础上，将 具体的应用背景风力发电机电参数测量和校准引入，构成完整的总线应用系 统。主要内容包括： ( 1 ) 详细研究和探讨了d p 总线的标准、协议和状态机制，主从站硬件设计 及软件开发。 ( 2 ) 风力发电系统电参数测量，主要电参数有电能、电压、电流、功率、功 率因数、频率等。 ( 3 ) 上位机自动校表软件的开发。 北京交通大学硕士论文 1 4系统的整体结构 整个系统实际上为一个基于d p 总线的主从站自动化系统，如图1 1 所示。本 设计为单主单从的结构。主站为一台西门子s 7 3 0 0 的p l c ，控制整个系统的运行， 在每个总线循环时间内读取从站采集的信息，实施监控功能。从站的应用模块为 电参数测量，负责测量并校正风机的各种电参数，通过总线通讯接口，接受主站 命令，上传数据。 从站从站 图1 - l系统整体结构图 、 f i gl - l ( w h o l 多s t r u c t u r eo fs y s t e m 电参数测量模块( 虚线包围部分) ，如图1 2 所示，包含以下功能： 首先对电压和电流进行采样，取得合适的采样信号，送入计量芯片；a 厂r 7 0 2 2 b 是一款高精度三相电能专用计量芯片，它首先将采样进来的信号进行模数转换， 转换成易于处理的数字量，由于内部提供了所有计量相关的算法实现，其集成的 2 4 位d s p 随后即可进行数字信号运算，得到一系列电参数的数值，通过s p i 接口 或脉冲信号上传。 1 2 引言 - 一j 图1 - 2电参数测量模块 f i g l - 2e l e c t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r i n gm o d u l e 测量模块的核心是一块摩托罗拉h c s l 2 系列单片机m c 9 s 1 2 d j 6 4 ，支持b d m 调试方式，p c 机通过b d m 接口模块就可以完成对单片机的程序下载和硬件仿真 调试，开发环境集成度高，开发方便。它负责以下功能： l 、通过s p i 与7 0 2 2 b 通讯，采集计量参数、提供校表参数。 2 、通过4 8 5 方式实现与上位机的通讯，实现校表功能。 3 、通过1 2 c 方式读写存储器f m 2 4 c 6 4 ，实现重要数据的存储备份。 4 、初始化d p 从站芯片s p c 3 ，并向总线提供各种电参数。 电源模块负责向系统各个部分提供稳定可靠的工作电源，保证系统的安全、 可靠运行。 1 3 北京交通人学硕士论文 2p r o f i b u s d p 总线设计 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写) 是一种国际化的、开放式的、不依赖 于设备生产商的现场总线标准。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。由三个兼容部分组成：p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s - d p 。f m s 旨在解决车间一级通用性通信任务，用于大范围和复杂的 通信系统；p a 是专为过程化而设计的，具有本征安全规范；d p 用于传感器和执行 器级的高速数据传输，是一种高速的低成本通信连接，用于设备级控制系统与分 散式通信，是p r o f i b u s 总线中应用最广泛的类型睛1 。 p r o f i b u s d p 以d i n l 9 2 4 5 的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对 通信功能加以扩充。其协议具有如下特点： 支持大数据量传输，数据最大长度可达2 4 4 字节。 网络拓扑是总线型，两端带终端器或不带终端器。 介质、距离、站点数取决于信号特性。例如，对屏蔽双绞线，单段长度小于或 等于1 2 0 0 米，不带中继器，每段3 2 个站点。传输速率取决于网络拓扑和总线 长度，从9 6 k b i t s 到1 2 m b i t s 不等。 在传输时，使用半双工，异步方式，为了保证报文的完整性，用海明距离( h d = 4 ) 来纠错。 地址定义范围：肛1 2 7 ( 对广播和群播而言，1 2 7 是全局地址) 。 使用两类站：主站( 主动站，具有总线存取控制权) 和从站( 被动站，没有总 线存取控制权) 。总线存取基于混合、分散、集中3 种方式：主站间用令牌传 输，主站与从站之间用主从方式。令牌在由主站组成的逻辑令牌环中循环。 数据传输服务有两类：非循环的和循环的。本设计因从站通信芯片s p c 3 只集成d p v 0 协议，只能支持循环的数据交换；集成了d p vl 协议的芯片可 以支持循环和非循环两类数据传输。 2 1p r o f i b u s d p 的通信模型 p r o f i b u s d p 使用了i s o o s i 模型中的第l 层、第2 层和用户接口层。这 种精简的结构确保高速数据传输。 2 1 1物理层 1 4 p r o f i b u s d p 总线设计 物理层符合e i ar s - 4 8 5 标准，导线一般采用屏蔽双绞线，总线段两端带有有 源终端电阻，每个总线段最多可挂接3 2 个站，使用中继器最多可挂接1 2 6 个站。 传输速率从9 6 k b i t s 到1 2 m b i g s 可选。 ( 1 ) 字符格式 数据的传输是半双工、异步的，采用n r z ( 不归零) 编码，每个字符帧为1 1 位。在传输期间，二进制“1 对应于r x d t x d p 线上的正电位，而在r x d t x d - n 线上则相反。各报文间的空闲状态对应于二进制“1 信号，如图2 1 所示。 不o b 二进制信号 l01101 a 图2 1 字符格式 f i 醇- 1 c h m c t e rp a u e r n ( 2 ) 总线连接 p r o f i b u s d p 标准e n 5 0 1 7 0 推荐使用9 针d 型连接器，针脚定义如表2 1 所 针脚号信号名称设计含义 1s h i e l d 屏蔽或功能地 2m 2 42 4 v 输出电压的地( 辅助电源) 3i t x d p 接收发送数据正b 线 4 c n t r p方向控制信号p 5d g n d基准电位( 地) 6 v p 供电电压正 7p 2 4正2 4 v 输出电压( 辅助电源) 8r x d t x d n 接收发送数据一负a 线 9c m t r n方向控制信号n 表2 - 19 针d 型连接器的针脚分配 l i s t 2 - 1 p i na s s i 印o f 9p mdt y p ec 0 皿e c t o r ( 3 ) 终端电阻 总线的两端需要加上终端电阻。当在总线上没有站发送数据时，也就是说在 两个报文之间总线处于空闲状态时，确保在总线上有一个确定的空闲电位，如图 北京交通人学硕士论文 2 2 所示。 v p ( 6 ) v p ( 6 ， d g n d ( 5 )最多3 2 个站d g n d ( 5 ) 图2 - 2终端电阻 f i 9 2 2t e r m i n a lr e s i s t a n c e 如图所示，终端电阻只需存在于总线的第一个站和最后一个站的连接器上( 直 接将连接器上的s w i t c h 拨到”o n 啦置即可以使终端电阻有效) 。为使连接器上的 终端电阻有效，处于总线第一和最后位置上的两个设备，在提供网络数据线连接 的同时，还必须额外提供5 v 的电源。 2 1 2现场总线数据链路层 根据o s i 参考模型，数据链路层规定总线存取控制、数据安全性以及传输协 议和报文的处理。在p r o f i b u s 中，数据链路层( 第2 层) 称为f d l 层( 现场总 线数据链路层) ，其报文格式【6 】如图2 3 所示： 1 6 p r o f i b u s d p 总线设计 有固定信息字段长度的格式 l ls d ld as a f cf c se d i l = 3 ( 固定) 带数据的有固定信息字段长度的格式 i is d 3d as a f cd uf c se d l 、l = i1 ( 固定) 7 有可变信息字段长度的格式 i ls d 2l el e rs d 2d as ad af cd uf c se d i 、，r 梏七脯l 斗2 4 9 图2 3报文格式 f i 9 2 - 3m e s s a g ef o r m a t 各符号意义如下： l ：信息字段长度。 s c ：单字符，仅用于应答。 s d l 。s d 4 ：起始界定符，用于区别不同的报文格式。 l e l c r ：长度字节，指出可变长报文中信息字段的长度。 d a ：目的地址字节，指出将接收此信息的站。 s a ：源地址字节，指出将发送此信息的站。 f c ：帧控制字节，包含用于此信息的服务和优先权的详细说明。 d u ：数据单元，包含报文的有用信息，必要时还包含扩展地址的详细说明。 f c s ：整校验字节，包含报文校验和。 e d ：终止界定符，指出此报文结束。 1 7 文一m 一鹜 北京交通火学硕士论文 第2 层报文格式提供高级的传输安全性。所有报文均具有海明距离h d = 4 。其 含义是：在数据报文中，可以检查出最多3 个同时出错的位。可以检查出以下类 型的出错：字符格式出错( 奇偶校验) 、协议出错、起始和终止界定符出错、帧校 验字节出错、报文长度出错。出错的报文至少要自动重发一次。在第2 层中，报 文的重发次数最多可设定为8 次。除逻辑的点对点数据传输外，第2 层还允许进 行广播和群播通信的多点传输。 p r o f i b u s d p 用到的第2 层提供的服务有：发送数据无需回答、发送和请求 数据需回答。上一层通过第2 层的s a p ( 服务存取点) 调用这些服务，每一个服 务存取点分配一个确定的功能。所有主站和从站允许同时使用若干个服务存取点。 有两类服务存取点：s s a p ( 源服务存取点) 和d s a p ( 目的服务存取点) 。 2 1 3p r o f i b u s d p 行规 p r o f i b u s d p 只使用了第1 层和第2 层，而用户接口定义了p r o f i b u s d p 设备可使用的应用功能以及各种类型的系统和设备的行为特性。p r o f i b u s d p 协 议的任务只是定义了用户数据怎样通过总线从一个站传送到另一个站，并没有对 所传输的用户数据进行评价，这是d p 行规的任务，它可以使不同的制造商生产的 d p 部件通用，目前已制定的d p 行规有：n c r c 行规，编码器行规，变速传动行 规，操作员控制和过程监视行规。 2 2p r o f i b u s d p 的总线设备类型和数据通信 作为一个开放、全分布式控制的通信网络，p r o f i b u s 支持主从方式、纯主 方式、多主多从三种通信方式，可以方便地构成集中式、集散式和分布式控制系 统。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权，令牌 传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权。主站与从站之 间采用主从方式，从站只能被动接收当前处于总线控制状态的主站发送的报文， 从站被主站按轮询表依次访问。本设计为单主单从的结构。 2 2 1总线设备类型 l 、一类d p 主站 一类d p 主站主要是中央控制器，它与分散的i o 设备( 从站) 交换数据， 使用如下协议： p r o f m u s d p 总线设计 ( 1 ) s e t _ p r m 和c h kc f g 在启动、重启动和数据传输阶段，d p 主站使用这些功能发送参数给d p 从站。 它发送所有参数，而不管它们是不是对整个总线普遍适用。 ( 2 ) d a t a _ e x c h a n g e 此功能循环地与指定给它的d p 从站进行输入输出数据交换。 ( 3 ) s l a v e _ d i a g 在启动期间或循环的用户数据交换期间，用此功能读取d p 从站的诊断信 息。 ( 4 ) g l o b a l _ c o n t r o l d p 主站使用此控制命令将它的运行状态告知给各d p 从站。 2 、二类d p 主站 二类d p 主站一般作组态、监视，被用来设定网络或参数。除了一类主站 的功能外，二类主站还支持下列功能： ( 1 ) r di n p 和r d o u t 在与1 类d p 主站进行数据通信的同时，用这些功能可读取d p 从站的输 入和输出数据。 ( 2 ) g e t _ c f g 用此功能读取d p 从站当前的组态数据。 ( 3 ) s e t _ s l a v e a d d 此功能允许d p 主站( 2 类) 分配一个新的总线地址给一个d p 从站。 3 、d p 从站 d p 从站一般是直接连接i o 信号的外围设备，典型的有输入、输出、驱动器、 阀门、操作面板等，它只与装载此从站的参数并组态它的主站交换用户数据，还 可以向此主站报告本地诊断中断和过程中断。 4 、d p 组合设备 可以将一类主站、二类主站和从站组合在一个硬件模块中形成一个组合设备， 一些典型设备组合如下： ( 1 ) 1 类d p 主站与2 类d p 主站的组合 ( 2 ) d p 从站与l 类d p 主站的组合 2 2 2d p 设备之间的数据通信【7 】 在d p 主站可以和从站交换用户数据之前，主站必须定义从站的参数并组 态从站。为此，主站首先检查从站是否在总线上。如果是，则通过请求从站的诊 1 9 北京交通火学硕士论文 断数据来检查从站的准备情况。当从站报告它己准备好参数时，主站装载参数和 组态数据。随后，主站再次请求诊断数据已查明数据交换已准备好，如果这些工 作都完成后，主站才开始循环地与从站交换用户数据。d p 从站初始化阶段的主要 顺序如图2 - 4 所示。 图2 - 4d p 从站初始化阶段的主要顺序 f i 9 2 - 4 m a i ns e q u e n c ei ni n i t i a t i o no fd ps l a v e ( 1 ) 参数数据( s e tp r m ) 参数包括预定给从站的本地和全局参数、特征和功能。主要有： s t a t i o ns t a t u s 、w a t c h d o g 、i d e n t n u m b e r 、g r o u p _ i d e n t 、u s e r p r m d a t a 等。 ( 2 ) 组态数据( c h kc f g ) 组态数据告知从站要被交换的输入输出区域的范围和结构。 ( 3 ) 诊断数据( s l a v ed i a g ) 主站使用诊断数据来检查从站是否存在和是否准备就绪接收数据。 ( 4 ) 用户数据( d a t a _ _ e x c h a n g e ) 如果参数和组态数据设置正确，从站发送诊断报文告知主站它已为交换数据 准备就绪，从此时起，主站与从站交换用户数据。 p r o f i b u s d p 总线设计 2 2 3电子设备数据文件( g s d ) 【8 】 g s d 文件是一种用于识别不同p r o f i b u s d p ( 主站及从站) 设备的文本文件。 它使得d p 设备可以被不同厂家的组态工具识别，是一种p r o f i b u s 开放性的体现， 如图2 5 所示。因此，使用根据g s d 文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设 备集成在同一总线系统中。g s d 文件可以由厂家提供，也可以根据自己开发的d p 设备自行制作。 p r o f l b u s c o n f i g u r a t o r n ，、一 ；撵澜 黑一剐钙k 图2 5g s d 文件 f i 9 2 5 g s df i l e g s d 文件可分为三个部分： ( 1 ) 总规范：包括了生产厂商和设备名称、硬件和软件版本、波特率、监视时 间间隔、总线插头指定信号。 ( 2 ) 与d p 有关的规范：包括适用于主站的各项参数，如允许从站个数、上装 下装能力。 ( 3 ) 与d p 从站有关的规范：包括了与从站有关的一切规范，如输入输出通道 数、类型、诊断数据等。 2 2 4总线存取协议9 】 北京交通大学硕士论文 3 种p r o f i b u s ( d p 、f m s 、p a ) 均使用一致的总线存取协议，通过o s i 参考 模型的第2 层实现，包括数据可靠性技术、传输协议和报文处理。介质存取控制 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输的程序，确保在一个时刻只有一个 站点发送数据。p r o f i b u s 协议的设计要满足介质控制的两个基本要求： ( 1 ) 在复杂的自动化系统间的通信，必须确保在限定的时间间隔中，任何 一个站点要有足够的时间来完成通信任务。 ( 2 ) 在复杂的程序控制器和简单的设备( 从站) 间通信，应尽可能快速又 简单地完成数据的实时传输。 因此，p r o f i b u s 总线存取协议，主站之间采用令牌方式，主站和从站之间 采用主从方式。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存 取权( 令牌) ，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存取令牌时可与从站 通信。每个主站均可向从站发送或读取消息。 令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环。在这个环中，令 牌在规定的时间内按照地址的升序在各个主站中依次传递。 在总线系统初建时，m a c 的主要任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。 在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中切除，新上电的主站必须加入逻 辑环。此外，m a c 保证令牌按照地址升序在各主站间传递。各主站令牌的具体保 持时问取决于该令牌的配置的循环时间。m a c 的特点是可以监测传输介质及收发 器是否损坏，检查站点地址是否出错以及令牌错误。 2 3总线设计概述 本设计为单主一单从系统，主站选用西门子s 7 3 0 0 系列p l c ，c p u 为3 14 c 一2 d p ， 是一种通用型p l c ，能适合自动化控制领域的任何场合，尤其是生产制造工程中的 自动化，其采用循环扫描工作方式，内部集成了p r o f i b u s d p 的全部协议，可以 配置为主站或从站【1 0 1 。从站为自行开发的基于总线接口芯片s p c 3 的通讯模块和具 有应用背景的数据采集单元的集合。 2 3 1主要功能和设计要求 主要功能：主站不断地向从站输出l 字节数据，从站根据这1 字节的内容， 判断并读取7 0 2 2 相关参数寄存器的值，并输入给主站，实现电参数在总线上的实 时刷新。 相关设计参数如下： p r o f i b u s d p 总线设计 1 、上电后不支持地址改变。 2 、总线参数、诊断字节采用缺省设置，分别为7 个字节和o 个字节。 3 、配置为4 字节输入，1 字节输出( 输入输出相对于主站而言) 。 4 、主站设为2 号站，从站设为3 号站。 5 、波特率采用9 6 0 0 ，根据协议规定，必须采用偶校验。 2 3 2开发环境所需设备 硬件情况： 1 、带有d p 接口的p l c - 3 1 4 c 一2 d p 2 、d p 电缆 3 、p l c 用的适配器：p ca d a p t e r 软件：s t e p 7v 5 3s p 3 2 3 3总线调试环境 如图2 - 6 所示，p c 机装载s t e p 7 软件，硬件组态和软件编程均通过m p i 方式 下载到p l c 中，程序运行时变量监控也通过m p i 方式实时刷新到s t e p 7 程序中。 p l c 与从站间采用p r o f i b u s 专用电缆，建立d p 连接，循环刷新数据。 图2 石总线调试环境 f i 9 2 - 6 b u sd e b u ge n v i r o n m e n t 北京交通人学硕士论文 2 4主站设计 s 7 3 0 0 属于模块式p l c ，其系统硬件主要包括中央处理器模块、信号处理模块、 功能模块、接口模块、通信处理器、通讯网卡1 。其结构如图2 7 所示： 按钮 选择开关 限位开关 电源 图2 - 7 p l c 结构示意图 f i 9 2 - 7 p l cs 仇l c t l l r es k e t c hm a p s 7 3 0 0 的c p u 模块有一个多点接口m p i 和p r o f i b u s d p 接口，可以建立 一个m p i ( 多点接口) 网络或d p 网络。本设计中c p u 采用3 1 4 c - 2 d p ，其带有一个 p r o f i b u s d p 接口和一个m p i 接口，以便于跟其他设备进行p r o f i b u s 或m p i 连接。表2 2 是c p u 3 1 4 c 一2 d p 的主要技术规格。 可7 工 i o中中 d p 位装 作 定 计，地央央 接 指存载 技术规范 存时数址数模 口 令储 块 储器，。器范字拟速 器数 器 围 且 量率亘 量 2 5 6 2 1 k1 0 2 41 2 m 3 1 4 c 2 d p6 4 k字2 5 62 5 61 0 2 41 0 1 62 5 3 条1 0 2 4b i t s 节 表2 - 2 3 1 4 c 2 a p 主要技术规范 l i s t 2 2 31 4 c 一2 d pm a i nt e c h n o l o g y 可见其功能强大，非常适合总线及其他工业控制开发。 p i 的f m u s d p 总线设计 2 4 1g s d 文件制作 为了使主站识别自行开发的从站，必须制作相应的g s d 文件。本文件根据 p r o f i b u s 标准设计，在s t e p 7 中创建工程后需安装才可使用。下面简要介绍主要 参数，具体说明请参阅( ( d e s c r i p t i o nt oc r e a t eg s d f i l e s ) ) 。 o o o o o o i d e n t n u m b e r = 0 x 8 ；设备标识号 9 6 _ s u p p = 1 1 9 2 _ s u p p = 1 o o o o o o m a x t s d r9 6= 6 0 m a x t s d r1 9 2 = 6 0 o o o o o o s e t _ s l a v e _ a d d _ s u p p = 0 ：支持9 6 k 波特率 ；9 6 k 波特率对应最大延时 ；不支持从站地址改变 m a x _ i n p u t _ l e n 2 3 2 m a xo u t p u t _ l e n= 3 2 m a xd a t al c n= 6 4 ；最大输入输出长度 m o d u l e = ”b e i s pl ：9 b y t ei n ，21b y t eo u t ”0 x l8 , 0 x 2 0 1 e n d m o d u l e m o d u l e = ”b e i s p 2 ：4b y t ei n ，lb y t eo u t ”0 x 1 3 ，0 x 2 0 2 ；4 字节输入，l 字节输出 e n d m o d u l e 2 4 2硬件连接 l 、m p i 连接 p ea d a p t e r 作为m p i 方式的通讯接i z l ，一端接到p c 机的2 3 2 串口，一端接到 p l c 的m p i 口，同时设置波特率拨码开关，本例为1 9 2 k 。 软件上，打开s t e p 7 ，点击“设置p g p c 接口 ，选择p ca d a p t e r ( a u t o ) 方 式，而没有选择p ca d a p t e r ( m p i ) ，因为此方式可以自动检测通讯方式，同时可以 测试通讯是否正常，p ca d a p t e r ( m p i ) 只能指定通讯方式而不能测试。下一步选择 北京交通人学硕十论文 串口和通讯速率，注意要与拨码丌关设置的致。 2 、d p 连接 d p 电缆一端接到p l c 的d p 口，一端接到从站的d p 口，因为本设计为单主 币从系统，一主一从均为总线的终端，所以电缆两端的终端电阻开关都要打开。 2 4 3 硬件组态 1 2 】 首先运行s t e p 7 软件，利用向导，建立一个s 7 3 0 0 的工程s 7 p r 0 1 ，如图2 8 所示。 图2 8 s 7 3 0 0l ：程窗口 f i 9 2 - 8 s 7 - 3 0 0p r o j e c tw i n d o w 点击“硬件”，进入组态窗口。系统一般默认选择机架u r 0 ，1 号槽放置电源， 2 号槽放置c p u ，对本设计而言，这两个槽位已经可以满足需要，如果需要其他 数字模拟的输入输出模块，可在2 号槽以后放置。向导在创建工程时，因为已经 将c p u 选为了3 1 4 c 一2 d p , 所以可以看到c p u 已经添加进了机架u r 0 的2 号槽位， c p u 本身集成的d i 、a i 等模块也在机架中展开。f 面添加电源：首先选中机架1 号槽，然后在在右侧硬件配置列表中，选择“p s 一3 0 0 ”，选中本设计应用到的p s3 0 7 5 a 电源，此时，如果槽位和硬件匹配，槽位会变绿，如图2 - 9 所示，显示可以添 p r o f i b u s d p 总线设计 加，我们只需双击“p s3 0 75 a ”，即可看到电源被添加成功。 睫冀专霸辑夥、伍) p l c 屯) 毫看够掣黄锄窗口哩) 帮母 - 寿。 塑豳 啦 矗 磊簇赢 订赞导 固时z 地址日地址 芏释 徽麓麓g 瓣缘鬈枣l 嬲徽：黧嚣黪隧獬麓荔貉嚣翳黪端缀露鬻蘩疚 腰c f u 3 1 4 c 一2 f f 0 )5 e s t 弧4 一q 1 一日n n2