（机械电子工程专业论文）面粉生产车间计算机控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 当今社会，信息技术的迅猛发展已经深入到各个领域，对传统的监控模式产生 了极大的影响。现场总线技术以其结构简单、费用低、易于维护、可靠性高、开放 性等多种优势日渐成为自动化领域的热点，基于现场总线的控制系统( f c s ) 以其诸多 优点在工业监控领域引起了一场划时代的变革。本文针对面粉生产的项目，论证了 基于p r o f i b u s d p 现场总线控制系统在面粉生产控制中应用的可能性和优越性。 p r o f i b u s d p ( p r o c e s sf i e l d b u s d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 是目前应用最广泛的国 际标准现场总线技术之一，是一种用于现场设备级控制系统和分散式i o 通讯的协 议，目前在工业控制领域中已成为发展速度最快、应用范围最广、最有发展前景的 现场总线。因此，深入研究p r o f i b u s d p 的技术特点，掌握网络的构建和配置方 法，已经成为顺应技术发展潮流，促进现场总线技术推广应用的迫切需要。 本文从分析p r o f i b u s 现场总线技术入手，研究p r o f i b u s d p 协议及其报文 结构，阐述s i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 中p r o f i b u s 总线的应用。在分析生产线工 艺流程及控制需求基础上，利用s t e p 7 完成了面粉生产线总体方案的论证与设计； 探讨了基于p r o f i b u s 现场总线的生产线网络化控制方案：同时利用西门子公司 w 谊c c 软件实现了上位机与p l c 的通讯，开发出了操作方便、监控合理的人及交互 界面，完成了面粉生产线的集成管理与监控系统软件的设计。 本文研究的目的在于实现基于p r o f i b u s d p 现场总线的s i e m e n sp l cs 7 3 0 0 控制系统设计及组态，包括p l c 控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。文中 对p r o f i b u s 总线的技术特征、系统构成、信息传递、控制方法等进行了归纳和总 结；对现场总线控制技术p r o f i b u s 的协议结构、传输技术、存取协议等技术问题 作了进一步分析和讨论，特别是整个系统的结构模型和相关的技术协议进行了深入 的分析。通过p i e 控制系统与现场总线技术的结合，实现了系统高速实时通信的目 的，增强了系统的稳定性，安全性和实时性。 关键词面粉生产；现场总线控制系统：p r o f i b u s d p ；s 7 3 0 0p l c ；w i n c e ： 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a st h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lw a yo f m o n i t o ra n dc o n t r o lh a sb e e ni n f l u e n c e dd e e p l y f i e l d b u st e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ep o p u l a rb e c a u s eo fi t ss i m p l e n e s si ns t r u c t u r ea n de a s i n e s si nm a i n t a i na n dh i g h r e l i a b i l i t ya n do p e n n e s s f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) h a sc a u s e da ne p o c h - m a k i n g c h a n g ei ni n d u s t r yc o n t r o lr e a l m t h i sa r t i c l e ，f o ra f l o u rp r o d u c t i o np r o j e c t ，d e m o n s t r a t e s t h ep o s s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo fa p p l i c a t i o ni nt h ew h e a tf l o u rc o n t r o ls y s t e mw h i c hi s b a s e do np r o f i b u s d pf i e l db u sc o n t r o ls y s t e m p r o f i b u s d pi so n eo ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df i e l db u s e sw h i c hh a sb e e no na w i d e rr a n g eo fa p p l i c a t i o n ，i ti sap r o t o c o lb e i n gi nf i e l dd e v i c ec o n t r o ls y s t e ma n d d i s p e r s i v ei oc o m m u n i c a t i o n a tp r e s e n t ，i th a sb e c o m et h em o s tp o p u l a rf i e l db u s t e c h n o l o g yw h i c hd e v e l o p sm o s tq u i c k l y , a n dh a sb e e no nt h ew i d e s tr a n g eo fa p p l i c a t i o n a n do w nt h em o s tb r i l l i a n tf u t u r e i no r d e rt ok e e pu pw i t ht h et e c h n i c a lt r e n d sa n dh e l pt o s p r e a dt h ea p p l i c a t i o no ff i e l db u st e c h n o l o g y , i ti su r g e n tf o ru st of u r t h e rr e s e a r c ho n p r o f i b u s - d pc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt om a s t e rh o wt ob u i l da n dc o n f i g u r ep r o f i b u s d p n e t w o r k s t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no fp r o f i b u si ns i m a t i cs 7 3 0 0p l c ， c o n f i g u r e st h eh a r d w a r eo ft h ep r o d u c t i o nl i n eo fw i r e si ns t e p7 ，s t u d i e st h et h e o r yo f p r o f i b u s ，a n a l y s i st h ep r o t o c o l sa n dm e s s a g es t r u c t u r eo fp r o f i b u s - d p d e f m eb l o c k s o fp l ca n dt a g so fw i n c c ，d e s i g nw i n c cs c r i p tp r o g r a m s ，d r a w i n ge v e r yp a d d l e so ft h e p r o d u c t i o nl i n ei nw i n c c b ya n a l y z i n gt e c h n i c a lf l o wo fp r o d u c t i o nl i n ea n dc o n t r o l d e m a n d s ，t h i sp a p e rc o m p l e t e sr e a s o n i n ga n dd e s i g no ft h es y s t e mg e n e r a ls c h e m e f u r t h e r m o r e ，t h i se s s a yd i s c u s s e dp r o d u c t i o nl i n en e t w o r kc o n t r o lv i ap r o f i b u s ：a tt h e s a m et i m e ，a c h i e v e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e rs t a t i o na n dp l cv i aw i n c c ， a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g n i n go fi n t e g r a t e dm a n a g e m e n ta n dm o n i t o rs y s t e ms o f t w a r eo f w h e a tf l o u rp r o d u c t i o nl i n e s t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e s i g ns i e m e n sp l cs 7 - 3 0 0c o n t r o ls y s t e mb a s eo n p r o f i b u sf i e l d - b u s t h i sc o n t r o ls y s t e mi n c l u d ep l cf i e l du n i t d e s i g n i n g , t h e m a n a g e m e n to fc o m p u t e rs t a t i o na n ds o f t w a r es i m u l a t i o n s t h ep a p e rh a sc a r r i e do n i n d u c t i n ga n ds u m m a r i z i n gt h et e c h n o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c ， s y s t e mc o n s t i t u t i o nc o n t r o l m e t h o d ，i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n ds oo nf o rb u st e c h n o l o g yo fp r o f i b u s ；a n dt h e p a p e rh a sf u r t h e ra n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h et e c h n i c a lq u e s t i o n so fp r o t o c o ls t r u c t u r e ， i l a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , a c c e s sp r o t o c o la n ds oo i lf o rf i e l db u sc o n t r o lt e c h n o l o g y p r o f i b u s s p e c i a l l yh a sc a r d e do i lt h o r o u g l la n a l y s i st ot h es t r u c t u r a lm o d e lo fo v e r a l l s y s t e ma n dt h ec o r r e l a t i o nt e c h n i c a lp r o t o c 0 1 b yt h ec o m b i n a t i o no fp l cc o n t r o ls y s t e m a n df i e l d - b u st e c h n o l o g y , t h es y s t e mh a sf u l f i l lt h e r e q u i r e m e n t o fh i 曲s p e e d c o m m u n i c a t i o n ，a n de n s u r et h es y s t e mt ob cm o r er e l i a b l es t a b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s t h ep r o d u c t i o no fw h e a tf l o u r , f c s ，p r o f i b u s - d p , s 7 - 3 0 0p l c ，w i n c c i i i ；- - i ：l t ：科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：白1 刎孑砷 指导教师签名： m 7 年月多日 ，_ ，r、)一、 l f m sd p p a 卜，卅卜、l ，一 1 l? ld p 行规l il p a 行规 f m s 设备行规 r d p 扩展功能 工，亡巴4 - 7 j 匕 1 r 现场总线报文规范 未使用 现场总线数据链路i e c 接口 r s - 4 8 5 光纤i e c l l 8 5 2 图4 - 1p r o n b u s 协议结构图 f i g 4 - 1 t h ef r a m ec h a r to fp r o f i b u sd e l i b e r a t i o n 2 9 河北科技大学硕士学位论文 此标准旨在制订自动化系统底层和就地控制层设备，如传感器、执行器、变送 器、p l c 、数字控制器、编程设备及人机接口设备等之间通过串行总线互联的技术要 求和功能特点。p r o f i b u s 的协议的结构以i s 0 7 4 9 8 国际标准开放式系统互连网络 ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n o s i ) 参考模型为基础，在这个模型中，每个传输层精确 地处理所定义的任务，具体的协议结构，如图4 1 所示。第一层( 物理层) 定义了物 理的传输特性，第二层( 数据链路层) 定义了总线的存取协议，第七层( 应用层) 定义了应用功能。其中，p r o f i b u s d p 定义了第一、第二层用户接口，第三至第七 层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并定 义各种不同p r o f i b u s d p 设备的设备行为。 4 3p r o n b u s d p 总线存取协议 现场总线作为应用在设备层的公共总线，必须解决各节点的网络使用权竞争问 题，同时保证通信的实时性。参照开放系统互联协议( o s i ) ，p r o f i b u s 协议第二层 的现场总线数据链路层( f i e l d b u sd a t al i n k f o e ) 协议定义了总线存取控制协议 ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 m a c ) 。通信网络的效率、利用率、可靠性、实时性很大程 度上取决于协议的m a c 协议方式。为分析p r o f i b u s d p 的网络性能，首先分析其 m a c 协议。 4 3 1p r o f i b u s d p 的m a c 层协议 p r o f i b u s d p 将总线上的节点分为主站和从站两类。其中主站又区分一级主 站、二级主站：一级主站( d p m l ) j e 要是中央可编程序控制器如p c ，p l c ；二级主站 ( d p m 2 ) 主要是可进行编程、组态、诊断的设备，如p c 等。从站设备如e t 2 0 0 系列 i o ，变频器，传感器，执行器等。其介质访问控制协议( m a c ) 包括主站之间通过令 牌传递取得对总线的占用权及主站与连接从站之间主从通信两部分。 p r o f i b u s 主站与主站通信，采用了简化的时间令牌( 皿协议方式，时间令牌 协议i e e e 8 0 2 4 是已经被证明的成功实时通信协议。p r o f i b u s 允许四种信息服务 方式：有确认数据传递( s d a ) 、无确认数据传递( s d n ) 、发送请求应答数据传递( s r d ) 、 周期发送一请求应答数据传递。p r o f i b u s d p 协议仅允许s r d 和s d n 两种信息服 务方式通信。 s r d 是发送和请求回答信息服务方式。在这种信息方式下，持有令牌的主站向 一个远程站传递数据，与此同时，请求远程站发送数据回来( 此数据远程站己经预 先准备好待发送) 。远程站将接收到的数据传递到应用层，主站亦可通过发送空数据 帧请求远程站的数据。主站可能收到所请求的数据，或是某信息表明所请求的数据 不可用，或是某信息表示发送数据未收到，在前两种情形下，主站收到的信息中都 包含对请求数据包的确认；若是第三种情形，主站将重新发送信息。s d n 是发送数 3 0 第4 章现场总线通信技术 据不需应答。此项服务使得主站可向单独、多个或所有远程站同时发送数据。主站 会收到一个表示传送完成的确认，但并不收到关于数据是否正确接收与否的确认。 远程站正确接收到数据则传递给自身的网络层，但并不发送确认帧。不论是s d n 或 是s r d ，主站总是立即得到回复的，这回复或来自远程站，或来自本站，这一特点， 对于保障p r o f i b u s 的实时性十分重要。 4 3 2p r o f i b u s d p 协议的几个概念 为了更好表达p r o f i b u s d p 的信息服务并进行定性的实时性能分析，首先引 入几个重要的概念。1 ) t a x ：令牌周转预定时间。该时间在网络定义阶段预先设定， 所有主站的t a r 相同。2 ) 砥：令牌周转实际时间。这一时间为令牌每次循环到达同 一节点的时间差。每个主站每次令牌循环的实际周转时间都可能不同。3 ) t a , n ：令牌 持有时间。是令牌预定周转时间与实际周转时间的差值，即t t n = h - t r r 。下面结 合p r o f m u s 总线的存取协议进行分析。 从站从设备。 图4 2p r o f i b u s 通讯方式示意图 f i g 4 2 p r o f i b u sb u sc o m m u n i c a t i o nf r a m e 如前所述，p r o f i b u sm a c 协议是简化的时间令牌协议，包括一个令牌传递过 程，用于主站之间的通信，令牌是一个特定的数据帧；还有一个主从信息传递过程， 用于主站与从站之间的通信。在实际工程应用中，通常需要使用周期传送方式。集 中控制周期访问的数据通信方式，对于扫描简单的现场设备，如传感器、执行器是 十分适合的。p r o f i b u s d p 允许在f d l 层建立扫描列表，并基于s d r 数据服务方 3 1 河北科技大学硕士学位论文 式进行通信。此处的讨论均基于信息周期的概念，一个信息周期包括从活动主站发 送请求信息直至相关的反馈信息完全被接受，还包括相应的数据重发周期，也就是 说，p r o f i b u s d p 中，每次信息传递都是双向的，在等待反馈信息期间，活动主站 不可启动新的通信过程。如上图4 2 所示，除持有令牌的主站节点( 活动节点) 外， 其他所有的节点同时监听所有的数据请求信息，如与自己相关，则发送相应的确认 或数据信息。确认信息或数据信息必须在预定的时间内到达主站节点，否则主站将 重新发送数据请求信息。在预定等待时间未到达时，主站不能发送重复的信息。 p r o f i b u s d p 中可设定信息最长等待时间，也是系统实时性的要求。 p r o f i b u s d p 中，信息分成高、低两个优先级，分别处于不同的处理队列。系 统处理完高优先级的信息，再处理低优先级信息。而在低优先级信息中，轮训表中 信息优先级又高于非轮训表中信息。 当主站接到令牌后，开始计算令牌周转时间，直到下次令牌到达同一个节点， 这个时间即时令牌实际周转时间。令牌实际周转时间t 腿对于执行低优先级的数据 尤其重要，只有砥 h 的情形下，才有可能执行低优先级数据，否则只处理一个 高优先级数据。为保证系统的实时性，防止低优先级数据阻碍高优先级数据的处理， 在定义p r o f i b u s 网络的时候，要设定其令牌周转时间k 。 p r o h b u s d p 协议的处理过程如图4 3 所示，p l l e n 代表轮询表的长度。令牌 到达主站后，同时执行三件事情：1 ) 将t a x 计时器的值减去的值，存入计时器 t m ；2 ) 将计时器复位，并立刻开始向上计时；3 ) t m 计时器开始向下计时。这时 候有两种情况：1 ) 若t a n 0 ，若主站有高优先级信 息则处理高优先级信息，并在处理完成后，比较此时是否t m 0 ，是则将令牌传递 到下一主站，否则再次查看是否有高优先级信息，有则处理此高优先级信息，重复 这个过程，直到t 0 。若在t m 0 ，则可以刷新主站地址间隙信息，该信息更新不同主站 p r o f i b u s d p 地址之间的差值。这个功能使在线插入或删除主站节点功能得以实 现。 从上述的处理协议流程可以看出，t m 的比较总是在信息处理之前进行，一个信 息周期一旦开始，不论h 是否用完，都会完成这个信息周期。这使得低优先级数 据的传送，有可能阻碍高优先级数据的传送。显然地，网络主站节点越多，信息处 理速度越低，高优先级信息处理的实时性越难保证。在下面的分析中，将进一步就 此作出说明。 3 2 第4 章现场总线通信技术 图4 _ 3p r o f i b u s d p 协议处理过程 f i g 4 - 3 t h ep r o c e s so fp r o f i b u s d pc o m p a c t 3 3 河北科技大学硕士学位论文 4 4p r o n b u s d p 网络性能分析 如前所述，p r o f i b u s d p 是简化的时间令牌协议，t a x 是决定网络性能的重要 参数，令牌设定周转时间与网络令牌实际周转时间之间必须满足2 t a x t m ，网络平 均令牌周转时间应为t a x 。实际应用中，h 的设置除考虑信息正常发送的情况外， 还应计入可能的重发时间，在满足系统通信要求的前提下，尽量减小t a x ，以提高通 信性能，h 设置太大，则造成带宽的浪费，系统实时性变差。本文中，考虑通信最 糟糕的情形下，p r o f i b u s d p 网络的性能。即每个主站接到令牌时刻，t m 均小于 o ，该主站只能发送一个高优先级的信息的情形。 4 4 1 网络模型 p r o f i b u s d p 根据总线长度不同而有不同的通信速率，如使用a 型电缆，具体 参数如表4 1 所示。在此，以工业应用中典型的1 5 m b p s