（检测技术与自动化装置专业论文）差压变送器profibusdp从站的开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着工业自动化水平的不断提高，控制策略变得越来越复杂，控制系统也越 来越庞大，这对现场仪表的要求也越来越高，未来现场仪表将向着多参数、微型 化、智能化和网络化方向发展。在众多的现场总线标准中，过程现场总线 ( p r o f i b u s ) 标准以其国际化、开放式、不依赖于设备生产商的种种优势，成为当 前世界及国内争相研究的对象。本文进行了差压变送器p r o f i b u s - d p 总线接口从 站模块的设计与开发，主要进行如下研究工作： 1 、首先介绍了本文的选题背景以及国内外动态，在此基础上讨论了 p r o f i b u s - d p 标准的各种特点以及协议的具体细节，并对p r o f i b u s - d p 通信过 程作了深入探讨。 2 、设计并实现了p r o f i b u s - d p 从站模块。给出了变送器的基本结构、从站 接口的总体设计，采用了m c u + s p c 3 的实现方案，并利用p r o f i b u s - d p 从站状态 机模型进行了从站软件的模块化设计。 3 、根据智能差压变送器嵌入p r o f i b u s - d p 总线接口的上位机设计要求，采 用v i s u a lb a s i c6 0 开发了相应配置软件d p t - c f g ，使变送器能有效地在生产 及使用过程进行参数标定、监视和组态。 4 、研究并仿真了差压变送器的非线性校正功能。提出了一种利用支持向量 机( s v m ) 进行传感器非线性误差校正的新方法。核函数的构造是该方法的关键， 本文选取了r b f 核函数，由于它数值限制条件少、模型相对简单，因此利用它可 以隐式地将训练数据映射到高维空间，实现非线性变换中的线性分类，得到用于 函数拟合模型的s v m 。根据差压传感器的实验数据仿真表明：算法取得了较好的 效果，传感器的非线性度达到0 0 3 f s ，为传感器或仪表的非线性校正提供了 一种新的方法。 最后对课题的研究工作进行了总结与展望。 关键词： p r o f i b u s d p ，差压变送器，协议，配置软件，支持向量机 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d a n dc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t o fi n d u s t r i a l a u t o m a ti o n ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dt h es i z e o fc o n t r o ls y s t e mi sb e c o m i n gb i g g e ra n db i g g e r ，w h i c hm e a n st h er e q u e s t o ft h ef i e l di n s t r u m e n t sism o r ea n dm o r es t r i c t i nt h ef u t u r e ，t h ef i e l d i n s t r u m e n tw i l ld e v e l o pi nm u l t i p a r a m e t e r 、m i c r o m a t i o n 、i n t e l l i g e n ta n d n e t w o r kd i r e c t i o n s i nm u l t i t u d i n o u sf i e l db u ss t a n d a r d ，t h ep r o f i b u s s t a n d a r dh a st h em e r i t so fi n t e r n a t i o n a l i z a t i o n ，o p e n i n g ，n o td e p e n d i n g o nt h ed e v i c em a n u f a c t u r ee t c ，w h i c hi sb e c o m i n gt h eo b j e c tm a n yc o u n t r i e s s t u d yo n a ni n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o nb a s e do np r o f i b u s d p i st h e r e s e a r c ho b j e c ti nt h i st h e s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n do fs e l e c t i n gt h i ss u b j e c ta n d t h ed e v e l o p m e n t a b o u tt h i ss u b j e c ta r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h e s e ，t h ec h a r a c t e r so ft h e p r o f i b u s d ps t a n d a r da n di t sp r o t o c o la r ed i s c u s s e d s e c o n d l y ，a ni n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o nb a s e do n p r o f i b u s d pi s d e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r eo ft r a n s m i t t e ra n dt h eo v e r a l l d e s i g no fs l a v ei n t e r f a c e sa r ei n t r o d u c e d s e v e r a ls o f t w a r em o d u l e sa r e i m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h es t a t em a c h i n eo fp r o f i b u s d ps l a v e t h i r d l y ，t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed p t c f gi si m p l e m e n t e du s i n g v i s u a lb a s i c6 0 ，w h i c hm a k e st h et r a n s m i t t e rr e a l i z et h ef u n c t i o no f p a r a m e t e rc a l i b r a t i o n 、m o n i t o r i n ga n dc o n f i g u r a t i o n f o u r t h l y ，s e l f - c a l i b r a t i o nf u n c t i o na n ds e l f - c o m p e n s a t i o nf u n c t i o n o ft h et r a n s m i t t e ra r er e s e a r c h e d t h en e wr e s e a r c ho fc o r r e c tn o n li n e a r e r r o r sm a k i n gu s eo fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n e f o rt r a n s m i t t e r si si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r i ti si m p o r t a n tt oc h o o s ea no p t i m a lk e r n e li no r d e rt o e n h a n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es v m t h e nw ec h o o s er b fk e r n e lf u n c t i o n ， w h i c hh a sf e w e rn u m e r i c a lc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa n dc o m p a r a t i v e l ys i m p l e m o d e l t h u s ，w ec a nu s et h ef u n c t i o nt om a pt h et r a i n i n gd a t ai n t ot h e u 二海文学硕士学位论文 h i g hd i m e n s i o ns p a c e 。r e a l i z et h e1 i n e a rc l a s s i f i c a t i o no ft h en o n l i n e a r t r a n s f o r m ，g e t st h es v mf o rf u n c t i o nm o d e l i n g i nt h ee n d ，t h r o u g h s i m u l a t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r s ， t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en o n l i n e a r i t yo f o 0 3 ，a n dt h u sa r e a l i s t i cn e wt e c h n i q u ei sp r o v e df o rt h en o n l i n e a rc o m p e n s a t i n go ft h e t r a n s m i t t e r s i nt h el a s t ，s u m m a r ya n de x p e c t a t i o no ft h er e s e a r c ha r es t a t e d k e yw o r d s ： p r o f i b u s d p ， d i f f e r e n t i a l p r e s s u r et r a n s m i t t e r ，p r o t o c o l ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：e l 期堂避：弓泸 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签釜篮日期 山q 侈弓扩 上海文学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术、自动控制技术、通信技术( 3 c 技术) 的迅猛发展，传统的仪表在软硬件、功能、结构上发生了很大变化，已从传统意 义上的仪表向多功能、智能化、网络化、模块化、小型轻量化等方向发展。由微 计算机，传感器和通讯等技术结合而产生的功能强大的智能传感器、变送器可以 准确、及时地获得并处理信息，提高了收集环境信息的有效性和速度。智能化、 数字化、网络化的变送器已成为当今科技界研究的热门课题。 另外，8 0 年代末、9 0 年代初，新一代全分布式控制系统现场总线控制 系统( f c s ) 应用而生，现场总线( f i e l d b u s ) 正是这种新型控制系统的核心技术。 该技术集控制、计算机、数字通信、网络、智能传感器、自动化仪表等技术为一 体，主要用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备的互 连通信。由于采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、 控制系统开放化，适应了工业控制系统领域的技术发展趋势，并且给自动化系统 的最终用户带来了更大的实惠和更多的方便，因此，它一经产生便成为工业自动 化技术的热点，受到全世界的普遍关注，并被称为控制技术新时代的开端。现场 总线控制系统( f c s ) 也必将成为工业自动化的主流。 本章将以变送器发展的历史进程为主线，对智能传感器、差压变送器和总线 式智能变送器分别进行介绍，阐明本课题的研究背景、内容和意义h _ 洲。 1 2 智能传感器的发展 通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这是智能传感器的关键标 志之一。智能传感器的出现将复杂信号由集中型处理变成分散型处理，即可以保 证数据处理的质量，提高抗干扰性能。同时又降低系统的成本。它使传感器由单 一功能、单一检测向多功能和多变量检测发展，使传感器由被动进行信号转换向 主动控制和主动进行信息处理方向发展，并使传感器由孤立的元件向系统化、网 上海大学硕士学位论文 络化发展。 现场总线( f i e l db u s ) 已成为自动化技术发展的热点。早在8 0 年代，就已提 出现场总线的概念，但由于刚开始没有一个统一的国际标准，各个企业和企业集 团相继开发自己的总线产品和制定总线标准，导致目前多种现场总线并存的局 面。目前较流行的现场总线主要有c a n 、d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、 f f 现场总线等。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结 构的通讯网络。它不仅是一种通信技术，也不仅仅是用智能仪表代替传统的模拟 仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统f c s 代替了传统的集散控制系统d c s ， 实现了现场通讯网络与控制系统的集成。 f c s 和d c s 相比其优点为： ( 1 ) 将大部分的基本控制任务下放到现场的智能仪表中去，实现了真正的“分 散控制 。 ( 2 ) 它用一对信号线双向传输多路信号，可减少1 2 - - 2 3 的隔离器、端子柜、 i o 设备、i o 卡件，并可大量减少电缆、导线、螺钉等材料费和现场安装费等 费用。 ( 3 ) 可应用先进的智能化的现场仪表。操作员在控制室里可直接了解现场设 备和现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，还可以预测或寻找故障， 提高了系统的可靠性、可控性、可维护性。 ( 4 ) 用于现场的设备和仪表引入功能块的概念，所用制造商都使用相同的功 能块，并采用统一的组态方法。这就使组态变得非常简单。 ( 5 ) 现场总线为开放式的互联网络，所有技术标准全是公开的，所有制造商 必须遵循，这样，就真正打破了以往d c s 系统的封闭性，用户可以自由选择不 同品牌的设备以达到最佳的系统集成。 目前，智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期，具有代表意义的典型产品如 霍尼韦尔公司的s t - 3 0 0 0 系列智能变送器，其敏感元件是在同一块硅片上用离 子注入等i c 技术制作差压、静压、温度三种敏感元件，测量差压信号的同时测 量了密切影响差压的静压和温度信号，最终经过内置微处理器的处理，有效解 决了交叉灵敏度对测量的影响问题。其精度高、量程宽、稳定性强并具有自诊 断功能和通讯功能n 3 1 0 1 。 2 上晦大学硕士学位论文 1 3 智能差压变送器 1 3 1 智能差压变送器的特点 智能差压变送器( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r ) 保持了常规变送器稳定性 高、体积小、结构简单、安装方便、采用电子传感技术的优点，还进一步提高了 测量精度，改善了温度特性，扩展了量程比，采用数字技术增添了远程通信、自 诊断智能化功能，极大地满足了工业过程测量对可靠性的更高要求。 1 3 2 智能差压变送器的应用 差压变送器是工业生产中重要的测量仪表，除了可以用来测量差压和压力 外，还可以用来检测生产过程中流体的流量、液位、密度等参数。 流量测量：在流量测量和计量中用差压变送器，简单可靠，使用方便。在流 体流过的管道上安装一个节流装置，流体流过时，在它的前后产生差压，差压的 大小与流过的流体流量有关。因此可以用节流装置( 孔板、喷嘴或文丘利管) 配用 差压变送器来测量流量。 流量与差压的关系为q = k p ，一般在用差压变送器测量流量时，都在输出 串接一个开方器，加入开方器后，流量与开方器的输出信号成正比关系。 液位测量：差压变送器的另一典型应用是检测液位，ap = yh ，y = 常数时， p 和h 成正比。所以在密度y 几乎不变的场合，利用差压变送器可以测量液 位h 。差压变送器测量液位只能在密度比较稳定的情况下使用，密度的变化对 测量精度有影响。 密度测量：从差压变送器测量液位的原理知道，在密度等于常数的情况下， 差压变送器的输出正比于液位；同样在液位等于常数的情况下，差压变送器的输 出正比于密度，所以可以利用差压变送器来测量密度上，配上微处理机，因此它 们是微机和通信技术进入变送器的产物n “5 。 1 3 3 智能差压变送器的现状及发展方向 进入9 0 年代，由于电子技术、计算机技术的高速发展以及微电子机械技术 3 上海文学硕士学位论文 ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a lt e a r h o n o l o g y 简称m e m t ) 的出现，使d p t 越做越 小，功能也越来越强，正向微型化、高精度、智能化、数字化方向快速发展。 1 3 3 1i ) p t 市场规模 d p t 在自动化仪表领域发展较早，5 0 年代就进入商品化工业应用，然而直 到7 0 年代开始才有很大发展，其后快速增长。由于d p t 应用范围广，用量大， 所以当前国外d p t 制造厂也特别多。较有竞争力的d p t 制造厂有美国 r o s e m o u n t 公司，以电容式传感器为主的1 1 5 1 系列和3 0 5 1 系列d p t ；美国 h o n e y w e l l 公司，以扩散硅复合传感器为主的s t 3 0 0 0 9 0 0 系列d p t ；日本 y o k o g a w a 公司，以单晶硅谐振式传感器为主的f a a 系列d p t ；日本f u j i 公司的硅微电容传感器为主的f c x 系列d p t ；美国f o x b o r o 公司扩散硅式传 感器的8 4 0 8 6 0 系列d p t 和多晶硅固态传感器的f a s 系列d p t ；法国 e l s a g b a i l c y 公司电感式p t s 系列d p t ；英国a b bk e n t - - t a y l o r 公司浮动双 电感传感器6 0 0 t 系列d p t ；德国s i e m e n s 公司的扩散硅式t m f 系列 d p t ；德国e n d r e s s + h a u s e r 公司陶瓷电容式p m c p m d 系列d p t ；英国 m o o r e 公司双硅电容式x t c 系列d p t 等畸7 8 1 。 1 3 3 2 我国的d p t 状况 随着工业水平的不断提高，控制策略将越来越复杂，控制系统越来越庞大， 控制要求也不断提高，对差压变送器的要求也越来越高。具体而言就是高精度， 对测量对象和使用环境的适应性强，小型化，安装维护简便，尤其是可靠性高， 因为变送器性能的稳定可靠将关系到整个自动化系统的可靠和安全。可以看出未 来变送器的多变量测量、小型化和全数字化通信将成为今后变送器的发展方向。 我国d p t 起步相对较晚些。由于我国工业基础相对落后，自主开发微位移 一电子式d p t 较为成功的企业较少，大多采取了引进技术或合资组装生产为 主。如西安仪表9 厂、北京远东仪表厂在8 0 年代，上海自动化仪表一厂在9 0 年 代初，均从美国r o s e m o u n t 公司引进1 1 5 1 系列电容式d p t 。1 9 9 5 年四川仪 表集团四川仪表七厂与日本y o k o g a w a 引进合资e j a 系列d p t 。上海光华仪 4 上海大学硕士学位论文 表厂依靠自己力量于1 9 8 1 年成功开发了相当于1 1 5 1 系列的c e c 系列电容 式d p t 。上海光华仪表厂不仅能生产常规d p t ，而且是国内唯一能生产符合核 电站要求的c e c ( h ) 系列核安全级d p t 。( 国外也仅有少数企业能生产核级 d p t ，如r o s e m o u n t 公司的1 1 5 2 1 1 5 3 系列核级d p t ：e l a g b a i l e y 公司的 b i b l o c 系列核级d p t ) 7 ，引。 1 4 总线式智能传感器的发展状况 总线式智能传感器采用的基本技术原理是：将传感器的微弱电信号放大后， 经a d 变换器转换为数字信号，送入c p u ，依靠灵活和丰富的软件对输入数据 进行数字滤波、误差补偿、工程量提取等，并能进行各种功能组态。每个智能传 感器配置一个数字通信模块，以标准通信协议将所需数据传输至监测节点并实现 传感器、执行器之间信息的对等交换。各传感器和执行器以这个数字通信模块为 基础构成分布式系统，如图1 1 所示。 图1 1 总线式智能传感器的内部示意图 2 0 0 1 年1 1 月1 2 日，北京华控技术有限责任公司开发的f f ( f o u n d a t i o n f i e l db u s ) 温度变送器h k - f 1 0 2 t t 在美国a u s t i n 通过现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的可互操作性测试。这是中国第一个得到该基金会认证的f f 智能仪表。 5 上海大学硕士学位论文 2 0 0 3 年甘肃工大郝晓弘研发出基于f f 协议的智能变送器，这个变送器是 在美国r o s e m o i 肘r 4 4 4 温度变送器的技术基础上，采用了先进的微处理器技 术及f f 协议通信技术，既有4 4 4 温度变送器的高可靠性，高稳定性，又有智 能化仪表的通信，自诊断，自校验，非线性修正，远距离调整等功能，仪表精 度达o 2 。 2 0 0 0 年大庆石油学院计算机科学系郭福田在现场检测仪表中应用与现行 4 2 0 m a 模拟信号兼容的数字通信h a r t 协议的研制工作。基于h a r t 协议的 仪表既保留传统两线制传输的优点，并且还可实现多主通信、多点控制，易于对远 距离现场仪表进行组态控制。这种仪表已用于大庆油气田射孔器材监测中心的 沙岩靶射孔检测系统该系统自投运以来，采集数据精确度高，运行可靠，满足了检 测系统要求。 1 9 9 9 年1 月浙江大学控制系杨江利用带c a n 控制器的高性能8 位单片机 8 0 c 5 9 2 ，研制了能同时接受8 路不同测温元件输入的带现场总线接口的新型智 能温度变送器，该智能温度变送器用高精度电子电位差计和标准电阻箱进行标 定，转换精度达0 2 。 2 0 0 4 年8 月上海大学王海宽提出了智能差压变送器d e v i c e n e t 现场总线从 站模块的设计实现方案。系统硬件主要由信号调理电路、进行数字信号处理及 组态的d s p 、实现网络协议及接口通讯的m c u 、c a n 控制器s j a l 0 0 0 等组成。 2 0 0 2 年北京科大信息工程学院史雪飞利用l o n w o r k s 设计了对有毒气体进 行检测的智能节点，他的硬件核心采用n e u r o n 芯片，根据它所拥有的1 1 个双 向，可编程的i o 口，可以灵活选择接口方式，软件编程语言采用n e u r o n 芯片 自带的n e u r o nc ，实现了在有毒气体超过一定浓度后报警的功能。 2 0 0 3 年，华北电力大学自动化系张奇智的设计了基于w o d d f i p 现场总线 技术的智能压力变送器，根据测量精度和微控制器接口的要求，利用可编程逻辑 器件实现设计要求，将支持w o r l d f i p 现场总线协议的通信微控制器m i c r o f i p 作为通信圆卡的硬件，实验证明，测量电路的测量功能满足设计要求，输出测量脉 冲稳定，同时通信圆卡可以实现基于w o r l d f i p 总线协议机制的变量传送功能，设 计达到预期目的。最后还提出，在未来1 0 年后全数字化的现场总线仪表将淘汰 市场现有的基于h a r t 协议的测量仪表国1 0 u 1 “1 “1 4 1 。 6 上海大学硕士学位论文 1 5p r o f i b u s 现场总线概述 1 5 1 现场总线概述 根据国际电工委员会 e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线是连 接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，也 被称为开放式、数字化、多点通信的底层实时控制网络。 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。 采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表、计算机等作为 网络节点连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的 多个微机化测量控制设备之间、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交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 现场总线不单单是一种通信技术，其意义不仅仅是用数字仪表代替了模拟仪 表，更重要的是引起了整个控制系统体系结构的根本性变革。它给自动化领域带 来的变化，正如计算机网络给单台计算机带来的变化n 仉1 “1 。 1 5 2 现场总线技术的特点与优点 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，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、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，它是以智能传感器、控制、计算机、数字 通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线系统在技术上具有以下特点： ( 1 ) 系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的 共识与遵守。 ( 2 ) 可互操作性与互作用性。可互操作性是指实现互联设备间、系统间的信 息传递与沟通；而互作用性意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替 换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处 7 上海文学硕士学位论文 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅依靠现场设备即可完成自动控制的基 本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新型的全分散控制系统体 系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简 化了系统结构，提高了可靠性。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构简化，使控制系统从设 计到正常生产运行及其检修维护，都体现出如下优越性： ( 1 ) 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直 接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独 的调节器。 ( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆 上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设 计与接头校对的工作量也大大减少。 ( 3 ) 节省维护开销。现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，通过 数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊 断维护信息，以便快速分析故障原因并快速排除。 ( 4 ) 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化， 与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同 时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场设备内部功能加强，减少了信 号的往返传输，提高了系统的工作可靠性n 仉1 1 一别。 1 5 3p r o f l b u s 现场总线 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l db u s 的缩写，由以s i e m e n s 公司为主的十三 家工业企业和五家研究机构联合推出，是联邦德国于九十年代初制定的国家工业 现场总线协议标准，代号d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年经欧洲电工委员会批准成为欧洲 标准e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 9 年1 2 月被批准成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分 ( t y p e l i i ) ，因此，p r o f i b u s 已经成为一种国际化的、开放的现场总线标准。 要进行现场总线系统设备的设计，必须对p r o f i b u s 的功能有深刻的理 解，这需从以下几个方面把握：深刻理解总线存取方式，由于现场总线集成在计 8 上海文学硕士学位论文 算机网络环境中，只有对总线存取方式有深刻的理解才可能对现场总线设备进行 设计；深刻理解d p 功能；主从站间的数据传送、地址分配；系统配置，包括 单主和多主配置方案；运行模式；通信协议等n h1 “1 。 1 5 3 1p r o f i b u s 现场总线的组成 p r o f i b u s 由3 部分组成：即p r o f i b 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 r a l i z e dp e r i p h e r y ，分 散型外围设备) 和p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ，过程自动化) 。 ( 1 ) p r o f i b u s f m s 的设计旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信 服务。可编程序控制器( 如p l c ，p c 机等) 之间需要比现场更大量的数据传送， 用以完成中等传输速度进行的循环与非循环的通信服务，但通信的实时性要求低 于现场层。其应用层提供了供用户使用的通信服务，它包括现场总线信息规范及 低层接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 两部分。其主要功能有上下关系管理、配 置管理及故障管理等。 ( 2 ) p r o f i b u s d p 是一种高速和便宜的通信连接，也是使用最广泛的总线系统之 一，用于自动控制系统和设备级分散的i 0 之间现场层的高速数据传送。在这一 级，中央处理器( 如p l c ，p c ) 通过高速串行线同分散的现场设备( i o 、驱动器、 阀门等) 进行通讯。总线循环时间必须比主站( p l c ) 程序循环时间短。除周期性用 户数据传输外，p r o f i 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。 埔f 口，i i h t o l t l m m ，i c p _ 1 0 f l t i s 口p ，柚，i v j f 聃 餮；ii i o ii 髓裤辨fl 猛蕃 图1 2p r o f i b u s 应用范围 它安装简单、拓扑结构多样、易于实现冗余、通信实时可靠、功能比较完善， 9 霭芷薪 上海大学硕士学位论文 这些使得它适用于各种工业自动化领域。p r o f i b u s d p 与p r o f i b u s p a 共享 一个通用的通讯协议。 ( 3 ) p r o f i b u s p a 专为过程自动化而设计的，它可使传感器和执行器接在一 根共用的总线上。根据i e c 6 1 1 5 8 2 国际标准，p r o f i b u s p a 可用双绞线供电技 术进行数据通信，数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议和描述现场设备的队 行规。p a 将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备 连接起来，并可用来替代4 2 0 m a 的模拟信号。 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信和控 制的现场总线技术。一个典型的自动化系统( p r o f i b u s ) 应该是三级网络结构， 如图1 2 所示。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网 络，从而为工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行方案n 15 1 6 ，1 7 1 。 1 5 3 2p r o f i b u s - d p 概述 p r o f i b u s d p 的设计旨在用于现场一级的高速数据通信。在这一级，中 央控制器( 如p l c p c ) 通过高速串行线同分散的现场设备( 如i o 、驱动器、 阀门等) 进行通信。与这些分散的设备进行数据交换多数是循环的。根据i e c 1 1 5 8 标准，这些数据交换所需的功能是由p r o f i b u s d p 的基本功能所规定 的。除了执行这些循环性功能外，智能化现场设备还需非循环通信以进行组态、 诊断和报警处理。这些非循环功能在p r o f i b u s 2 0 4 2 号规则中加以说明。 在实现通信时p r o f i b u s d p 采用主站和从站协调来工作。主站主要负责 总线通信的控制与管理。当主站获得总线控制权( 令牌) 时，不用外界请求就可 以主动发送信息。因此也称之为主动站。从站为外围设备，典型的从站包括：输 入输出装置、阀门、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权，仅对接收到的 信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。从站也称为被动站n 引6 1 7 3 。 1 5 3 3p r o f i b u s - d p 的基本特性 对于一个成功的现场总线系统来说，仅仅提供一个高速数据通信能力不是唯 一的标准。对用户来说，安装和服务的简便，良好的诊断能力和无差错的传输技 1 0 上海大学硕士学位论文 术也很重要。p r o f i b u s d p 则是这些特性的优化结合。 ( 1 ) 速率：在一个有着3 2 个站点的分布系统中，p r o f i b u s d p 对所有站 点传送5 1 2 b i t 的输入数据和5 1 2 b i t 输出数据，在1 2 m b i t s 时只需l 毫秒。与 p r o f i b u s f m s 相比，速率大大提高的主要原因是p r o f i b u s d p 采取了第二 层的收发数据( s l m ) 服务功能，这种功能使得输入和输出数据在单一周期内完 成。 ( 2 ) 诊断功能：通过扩展的p r o f i b u s d p 诊断功能可对故障进行快速定位。 诊断信息在总线上传输并由主站采集。这些诊断信息分为三级：站诊断，诊断信 息表示整个设备的一般运行状态，如温度过高，电压过低。 ( 3 ) 模块诊断：诊断信息表示一个站点的某具体i o 模块出现故障( 如8 位 的输出模块) ( 4 ) 通道诊断：诊断信息表示某个单独的输入输出位的故障( 如输出通道7 短路) n 5 1 6 州。 1 5 3 4p r o f i 叫s - d p 的发展状况 p r o f i b u s 由德国s i e m e n s 公司等1 3 家企业和5 家研究机构于1 9 8 7 年联 合开发是目前欧洲乃至全球应用最广泛的总线系统，他速度快且成本低，几乎 所有的p l c 产品和极多的自动化外设产品都提供p r o f i b u s 接口，这其中包括各 种传感器、变送器、气动阀、电磁阀和继电器等。截至2 0 0 5 年，全球已有上百 家企业( 如著名的s i e m e n s 、a e g 、a b b 公司等) 加入p r o f i b u s 组织，开发出 2 5 0 0 多种产品，已有超过一千万个节点成功应用于工业自动化领域。 目前，国外一些大的仪表制造厂商( 如著名的s i e m e n s 、a e g 、a b b 公司 等) 都推出了p r o f i b u s - d p 现场总线控制系统及相应的现场总线产品，许多 智能仪表和设备具备了p r o f i b u s d p 接口，这些智能仪表和设备包括传感器、 执行器、阀门、马达、继电器、开关电源等。随着p r o f i b u s - d p 现场总线控 制系统在国际市场上的广泛应用和不断发展，国外的仪表制造厂商也正加快研 制新的具有p r o f i b u s - d p 接口智能仪表和设备的步伐。就国内而言，我国的 自动化企业和科研单位在跟踪p p r o f i b u s - d p 现场总线技术发展的同时，也先 后开始了p p r o f i b u s - d p 现场总线的研究工作。1 9 9 7 年7 月中国现场总线 上海土学硕士学位论文 ( p r o f i b u s ) 专业委员会组建成立，同时开始筹建现场总线( p r o f i b u s ) 产品 演示及认证实验室。起初我国对于p r o f i b u s d p 现场总线技术主要以系统集 成和应用为主，处于系统底层的智能仪表和设备都是有国外大公司提供的。此 后，包括北京的鼎实公司、浙江的正泰集团以及华中理工大学、上海交通大学、 西安电子科技大学等企业和科研院校都开始研制p r o f i b u s d p 总线控制系统 底层智能仪表和设备，希望实现相关产品的国产化。目前，随着p r o f i b u s - - d p 总线控制系统在我国应用的深入，p r o f i b u s - - d p 总线技术产品的需求会越 来越大，因此，带p r o f i b u s 接口的智能从站的开发与研究在我国有着广阔的 市场前景口7 。 1 6 课题研究背景、内容和意义 1 6 1 研究背景 应用智能差压传感器的工作原理及其温度补偿的原理，探索传感器误差非线 性校正的分析方法，并进行误差校正评估与模型性能仿真，并选择德国西门子公 司开发的一种基于过程控制现场总线技术p r o f i b u s 作为传感器的总线接口，以求 研制开发出适用于工业过程控制的差压压力温度多参数传感器及智能变送 器，并具有多种现场总线功能可供用户选择。 本课题来源于上海市科委科技开发专项课题( 编号：0 5 d z 5 2 0 2 8 ) 。该项目主 要任务是研制开发适用于工业过程控制的嵌入p r o f i b u s d p 现场总线接口的 智能差压变送器。 1 6 2 研究内容 本课题所研究的网络化智能差压变送器具有高精度、智能化、数字化、网络 化等特点，也是国内较早进行研究的同类型差压变送器。针对现今较为流行的 p r o f i b u sd p 现场总线进行了研究，在深入了解其通信协议的背景下，结合总线 专用芯片s p c 3 进行了从站的开发。 根据课题的研究内容，论文共分五章： 第一章绪论，以变送器发展的历史进程为主线，对智能传感器、智能差压变 1 2 上海大学硕士学位论文 送器、和总线式智能变送器分别进行介绍和分析，阐明本课题的研究背景、内容 和意义。 第二章介绍了p r o f i b u sd p 总线的协议结构以及p r o f i b u sd p 的通信原理和 模型，对使用到的各个通信层做了说明，分析了总线设备之间的各种通信类型以 及从站的状态机，还介绍了p r o f i b u sd p 的数据报文结构，并结合本设计详细阐 述了对各种数据报文的处理机制，为后面的从站软件设计做好铺垫。 第三章详细论述了智能从站的软硬件设计，利用模块化设计思想，重点介绍 了s i e m e n s 公司开发的s p c 3 协议芯片，变送器系统的软件部分，包括信号处 理部分和从站通信部分，均采用c 语言编写，并在k e i l 环境编译。而从站通信 部分，讨论了s p c 3 初始化，中断处理以及从站接收发送等模块，并对其中的重 要程序段进行了分析。 第四章介绍了变送器配置软件的设计，另外，本文在智能差压变送器 p r o f i b u s d p 从站的开发基础上，分析了智能差压变送器的参数测量要求，并 根据需要设计了相应的配置软件d p t - c f g ，最后，对p r o f i b u s d p 主从站进 行了试验调试，主站采用w o o d h e a d 公司出品的5 1 3 6 p f b p c i 主站卡，可以 找到从站并进行组态通信。得出变送器的总线接口功能已经得到测试检验，达到 了预期要求。 第五章论述了变送器智能处理功能的研究，包括特性曲线非线性校正的方 法。在非线性校正方法的研究中，通过常用的非线性校正方法、b p 神经网络拟 合和支持向量机等方法的标定实验结果对比，可以看出在精度和速度，包括占用 内存大小方面，s v m 技术与传统神经网络算法相比有它明显的优势。 第六章中对本课题的研究工作进行了总结，并对未来的工作做了展望。 1 6 3 研究意义 本课题的研究的意义主要体现在： ( 1 ) 学术层面。嵌入总线接口的差压传感器由于工业过程中的压力、温度 流量参数具有相互影响作用，因此用单个传感器测量往往难于修正其他参数变化 对其产