（电力电子与电力传动专业论文）plc控制网络的远程电气故障诊断.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea u t o m a t i z a t i o n ，c o m p l i c a t i o na n dc o n t i n u i t yo fi n d u s t r i a lc o n t r o l l i n g e q u i p m e n t s ，w em u s t e n s u r et h a tt h ee q u i p m e n t sa r er u n n i n gn o r m a l l y ，r e l i a b l ya n d e f f e c t i v e l y ，a n da l s o e n s u r et h a tt h e p e o p l e a tt h es p o ta r ei ns a f e t y w i t ht h e f i e r c e n e s so fc o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ee n t e r p r i s e si nt h em a r k e ta n dt h es p e e d y d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y - - e s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n to fi n t e m e t a n di n f o r m a t i o n - h i g h w a y ，t e c h n o l o g yo fr e m o t ef a u l t d i a g n o s i sw a se m e r g e da n dh a sb e e nw i d e l yp u ti n t ou s e n o w a d a y s ，p l ch a s l a r g e l yb e e n u s e da tt h ei n d u s t r i a ls p o t ，c o n s e q u e n t l yp l c c o n t r o l l i n gn e t w o r kh a s b e e na ni m p o r t a n td i a g n o s t i co h e e lo fr f d s ( r e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m ) i nt h eb a c k g r o u n do fp l c c o n t r o l l i n gn e t w o r ko ft i r et r e a de x t r u d i n gl i n e a n d a c c o r d i n g t os y s t e ms t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e o ft h el i n e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e t y p e s ，r a n g e ，a n d c a u s e so ft h el i n e o nt h eb a s i so f s t u d y i n gt h et h e o r y o f t r a d i t i o n a la n dm o d e mf a u l td i a g n o s i s ，w ee s t a b l i s h e dt h ef a u l td i a g n o s i sm o d e lo f t h e s y s t e mb yu s i n gf 1 a ( f a u l t t r e e a n a l y s i s ) w e a l s ob u i l tt h e s u p e r v i s i o n & c o n t r o l l i n gs t a t i o nw i t hf a u l td i a g n o s i sf u n c t i o na tt h es p o tb yu s i n g t h es t r o n gd i a g n o s i sf u n c t i o na n d a b i l i t yo fs 7 - 3 0 0p l c a n di p c ，t h eh i g hs p e e d ， b i d i r e c t i o n a ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o no fp r o f i b u sa n ds e l f - d i a g n o s i so f i n t e l l i g e n t d r i v e r s u b s e q u e n t l y ，w em l i a z e di f d s ( i n t e l l i g e n c ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m ) o f t h e p l c c o n t r o l l i n gn e t w o r kb yu s i n ge x p e r ts y s t e mw i t l lv i a , a n dc o m p l e t e dt h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fi f d s - - i n c l u d i n gt h ek n o w l e d g e b a s e ，r u l e b a s e ， d a t a b a s ea n de t c f i n a l l y ，w er e a l i z e dt h ec o o p e r a t i v er e m o t ed i a g n o s i sm e c h a n i s m b e t w e e nt h ee n t e r p r i s ef a u l td i a g n o s i sc e n t e r ，r e m o t ef a u l td i a g n o s i sc e n t e ra n d d i a g o n s i se x p e r ti nt h ei n t e r a c tb yu s i n gw e bt e c h n i q u e ，d i s t r i b u t e dt e c h n i q u ea n d s t r u c t u r ep a t t e r no fb s ( b r o w s e r s e r v e r ) w i t hc s ( c l i e n t s e r v e r ) , s ot h ep l e n t y r e s o u r c eo f t e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e n c e ，a n dd i a g n o s i s i nt h ei n t e m e tc o u l db eu s e d a tp r e s e n tt h i sf a u l td i a g n o s i ss y s t e mh a sb e e np u ti n t o u s e ，i tm e e t st h e e x p e c t e dd e s i g nd e m a n d sv e r yw e l l ，h i g h l yi m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n d s a f e t yo f t h e s p o ti n d u s t r i a le q u i p m e n t s ，a n de n h a n c e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c t q u a l i t y , t h u sw eh a v eb e e n a c h i e v i n gn o t a b l ys o c i a la n de c o n o m i c b e n e f i t k e yw o r d s ：t i r et r e a de x t r u d i n gl i n e ，p r o f i b u s d p ，p l cc o n t r o l l i n g n e t w o r k ，f f a ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) ，r f d s ( r e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m l n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 第1 章绪论 本课题来源于本人导师作为项目负责人的武汉理工大学自动化学院与桂 林橡胶工业设计研究院的横向课题，该课题包括山东青岛赛轮全钢子午胎信息 化生产示范基地和山东招远玲珑轮胎厂“全钢子午胎胎面复合挤出联动生产线 电气控制系统”等子项目。 1 1 2 课题的背景及意义 随着科学技术和现代工业的发展，现代控制设备日益大型化、自动化和复 杂化，对设备的状态检测和故障诊断提出了越来越高的要求。为保障设备的可 靠运行和人身安全，提高生产过程及过程控制系统的可靠性，提高系统的控制 性能，将状态监控与故障诊断技术融入过程控制系统中，具有非常重要的意义。 近几年来故障诊断技术得到了快速发展，现已逐渐形成为一门新兴的交叉学 科，而网络化的分布式远程监控与智能诊断理论、方法和技术业已成为自动控 制及相关学科领域的一个热点和重要的研究方向。故障诊断技术的研究内容主 要包括故障诊断基本概念与原理、监测与诊断系统的架构理论与方法、故障信 号分析与特征提取技术、诊断理论与方法等。而基于网络技术建立远程监控与 诊断网络系统是下一代诊断技术与系统发展的必然趋势。基于i n t e r a e t i n t r a n e t 的远程诊断技术，不仅仅是定位于狭义的远程诊断概念，而是作为代表新的诊 断思想、方法和先进技术集成与融合的下一代故障诊断技术。基于i n t e m e t 的 远程诊断系统模式也将成为企业建立产品售后服务方式的一个重要方面，远程 状态监测与故障诊断将成为企业界进行i n t e m e t 应用的一个极其重要的内容。 当今我国汽车工业持续快速增长极大地带动了轮胎行业的高速发展。轮胎 作为汽车必不可少的部件对于整车的性能、质量和安全起着重要的作用。目前 制造业工业控制现场中大量的采用p l c 控制，在轮胎制造工业中也不例外。 p l c 网络已成为现代工业数字控制的支柱；计算机网络则成为快速、高效、普 遍的信息传递媒介。p l c 网络因而成为远程故障诊断系统的一个重要环节。故 障诊断系统通过p l c 网络，与异地设备实现远程联接；利用数字技术将物理 制造系统结合起来，成为基于信息的系统，使之有效运作；同时，借助多媒体 武汉理工大学硕士学位论文 声像技术，实现设备状态监测，从而进行诊断和控制。因此，研究基于p l c 网络的远程故障诊断对于建立企业远程故障公共服务平台具有现实意义。 1 1 3 国内外研究的现状和存在的问题( 1 ，2 1 远程监控与故障诊断技术是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极 的研究。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大 学和麻省理工学院联合主办。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于 i n t e m e t 的下一代远程诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机 业和仪器仪表业的b o e i n g 、f o r d 、s e g a t e 、i n t e l 、s u n 、h p 等1 2 家大公司的 热情支持和通力配合。著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司就在他的产品 l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过、 ，、 m ，、兀甲、e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。b e n t l y 、e n t e k 、s o l t r a n 等大 公司也纷纷推出他们最新的网络化设备监测产品。法国“a l a r m ”研究组对 生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应 用。另外，还有许多著名的国际组织m i m o s a 、m f t p 、c o m a d e m 等，也 开展了对远程监控与故障诊断技术的研究。并提出了一定的信息交换和数据处 理的标准；在国内，一些高校和企业也纷纷展开了对于远程监控和故障诊断技 术积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工 大学等高校的研究成果较为先进，这些大学也都建立了宣传远程监控技术的站 点。例如，由西安交通大学联合其他几所高校共同创建的c e r n e t ( c h i n a m o d e md e s i g nn e t w o r k s ) 、合肥工业大学的全球范围内的智能网络数控系统 ( 唧c n c ) 等。针对在不同的领域对企业远程故障诊断技术进行研究，目 前都处在起步阶段。 虽然近年来远程故障诊断技术得到迅速的发展，但是仍然存在一些问题。 这主要是： 网络通信技术的不足的问题。网络通信技术是远程故障诊断技术中最为 关键的技术，然而，通信传输的延迟性和不稳定性成为了束缚远程控制的瓶颈。 目前的远程故障诊断系统结构复杂，分布距离远，而且还存在着不同局 域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言的不同。这就 要求集成网络中的不同平台，实现不同平台的通信问题，而这些问题都是传统 的方法难以解决的。 远程故障诊断系统通常要通过i n t e m e t 这个大型的公共网络传输数据包， 数据包在传输过程中可能会被窃听、篡改或受到重播攻击，因此安全问题也不 武汉理工大学硕士学位论文 容忽视。 1 2 论文的主要工作 根据课题的背景并结合胎面复合挤出联动线工程的实际情况，在研究传 统、现代故障诊断技术、网络通讯技术、计算机控制技术、检测技术的基础上， 完成p l c 控制网络的远程故障诊断系统的分析、设计。在p l c 控制网络环境 下运行的关键技术的基础上，实现p l c 控制网络的远程故障诊断和远程协作 诊断技术。 论文的主要工作有： 根据胎面复合挤出联动线p l c 控制网络的总体结构设计和性能特点， 分析了胎面联动线p l c 网络控制系统的发生故障的类型、范围、征兆及原因。 采用故障树分析( f 1 a ) 方法建立了控制网络的故障诊断模型。 利用工控机( i p c ) 丰富的软件、硬件资源，西门子s 7 3 0 0p l c 强大的 软件、硬件诊断功能和现场智能化的具有一定自诊断功能的驱动设备，建立了 具有一定诊断功能的现场监控及故障诊断工作站。 完成了智能故障诊断系统的软件、硬件设计，包括数据库、规则库、知 识库的设计以及故障诊断人机界面的设计等。采用故障树分析结合专家系统 ( e s ) 的诊断方法实现了对p l c 控制网络故障诊断的分析。 为了利用科研院所、高校强大的技术资源、知识资源和i n t e r n e t 网上丰 富的诊断资源，采用w e b 技术、分布式对象技术和多层浏览器服务器( b s ) 结合客户机朋展务器( c s ) 的结构模式实现了基于i n t e r a c t 的企业故障诊断中 心、远程故障诊断中心和诊断专家的协作诊断机制。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章胎面复合挤出联动线p i g 控制网络 2 1 胎面复合挤出联动线的生产工艺 2 1 1 胎面复合挤出联动线的工艺流程 双复合胎面挤出联动生产线主要用于满足全钢载重子午线轮胎的胎面、胎 侧、三角胶等复合挤出以及挤出之后的收缩、冷却、定长、称重等生产工艺需 要。整条生产线主要由主机、辅线和压延几大部分构成，工艺流程如图2 1 所示【6 1 。 图2 1 胎面双复合联动线工艺流程 接取环节之前为双复合挤出机主机，主机系统主要由d 已5 0 热喂料挤出机、 d 1 5 0 冷喂料挤出机、双复合机头、机头十段温控加热系统、机头液压控制系 统、0 1 5 0 冷喂料供胶机和金属探测器等构成。两台挤出机由2 2 0 k w ，4 4 0 v ， 5 4 0 a 直流电机驱动，配减速箱和润滑油泵，转速为3 4 5 研m i n 。复合机头为 两复合镶嵌式流道板，由液压装置实现机头全自动地开合模和锁紧。十段温控 加热系统由软化水循环水泵、加热器、冷却器、电磁阀、1 0 台日本r k c 温度 控制仪组成。加热过程采用闭环温度控制，检测、控制上下流道的喂料段、挤 4 茎堡堡三丕兰堕主堂垡堡塞 出段、塑化段、上模、中模和下模的温度。液压系统主要由液压站油泵电机、 液压系统油缸以及用于检测机头开合馍的接近开关等构成，从而实现机头开 模、合模的液压驱动和控制。d1 5 0 冷喂料供胶机用于给d1 5 0 挤出机提供连 续的冷喂料胶带，采用交流电机变频调速并具有金属探测器、压胶装置以及打 标记装置；辅线包括接取段、强制收缩段( 收缩1 3 段) 、连续称段、定中 心装置、贴合段、提升段、喷淋段1 2 、浸泡段1 2 、下坡段、定长裁断、 快速分离段、分选称段、减速输送段，胎面拾取段等部分。辅线以裁断为界， 裁断以前部分称为i 线，挤出的胎面呈连续状态。裁断以后部分称为i i 线，胶 料呈分离状态。压延部分负责在连续称段对胎面进行基部的胶料贴附。当生产 子午胎胎面时，需要经过上述的所有工艺流程；当生产胎侧、三角胶时，不需 要经过浸泡段1 2 和白9 0 挤出机、横向供胶、纵向供胶、两辊压延等环节组 成的压延部分，即如图2 - 1 中的虚线框所示。 2 1 2 胎面复合挤出联动线的工艺要求 胎面复合挤出联动线的工艺要求主要为：机头上模、下模挤出段、塑化段、 螺杆各处的温度需按不同胶料的不同工艺指标加热到预先设定的温度，当机头 各段温度加热到设定温度时方机头可允许锁模；机头装有压力传感器以监测挤 出机复合挤出时的工作压力，当压力过大时将产生报警直至停机；热喂料由生 胶料经密炼机密炼辊压后送入1 舀2 5 0 挤出机喂料口。冷喂料由0 1 5 0 供胶机输 送送入囝1 5 0 挤出机喂料口。当冷喂料中含有大于0 5 m m 金属杂质时由金属探 测仪实现报警并自动实现t 乃1 5 0 供胶机的停机。停机后经人工切断含有金属的 胶带并确认复位后方可再次启动供胶机；胶料经过冷、热喂料口送入双复合机 头，胎面复合挤出后经接取辊道进入强制收缩段1 3 ，胶料需按照工艺预先设 定好的收缩率进行强制收缩；经收缩后的胎面由连续称实现胎面的连续称重。 进入连续称时由定中心装置实现胎面的自动纠偏，纠偏后的胎面由连续称段下 面的压延系统实现胎面基部的贴附。压延向上贴附要实现与上面的连续称胎面 的自动速度匹配；尤为重要的是，胎面( 胎侧、三角胶) 在经过辅线i 线各段 时要实现各段辊道的速度匹配，使胎面在运行过程中保持张力恒定做到胎面既 不拉伸又不堆积。进入i i 线后能够实现胎面的自动或手动连续的裁断，裁断后 显示合格品并自动筛选，在主操作台和裁断操作台能够实现人机交互功能。 由上面叙述可见，胎面复合挤出联动线的生产过程是由胎面经机头复合挤 出以及挤出后的收缩、贴合、冷却、裁断、拾取等一系列连续且复杂的工艺过 程组成，其生产过程的复杂性具体表现在以下几个方面( 9 】：1 ) 多变量、多参 亟堡里三盔兰耍圭堂垡鲨塞 一 数系统，影响传动系统的因素很多，例如，张力、速度、电流、电压、负载等； 2 ) 交流电动机的菲线性；3 ) 负载的不确定性；4 ) 多电机间性能的不匹配。 整个胎面联动线生产工艺环节繁多，工艺要求严格、复杂。 2 2 现场总线技术- - p r o f i b u s 现场总线技术 2 2 1p l c 与现场总线技术 2 2 1 1 可编程序控制器( p l c ) 可编程序控制器( 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 ) 简称p l c ，其定义是： 专门为在工业环境应用而设计的一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可 编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型 的机械或生产过程。p l c 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制 技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功 能强、灵活通用和维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应 恶劣环境的能力，在冶金、化工、电力等领域获得广泛的应用，成为现代工业 控制的三大支柱之一( 工业机器人、c a m c a d 、可编程序控制器) 。 1 可编程序控制器的历史和发展趋势【3 3 】 从2 0 世纪8 0 年代开始进入p l c 的开放阶段，主要表现在通讯系统的开 放和协议的标准化，使各个制造企业的产品可以互连。p l c 的功能不断完善， 规模增大，编程软件的设计高级化和多样化，增加了高级编程语言。现代p l c 已经不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、p i d 调节和数据通讯的 功能。随着p l c 应用领域的不断扩大和微处理器的技术的发展，可编程控制 器也得到迅速的发展，其发展趋势表现在下列几个方面： 向小型化发展 向大型化方向发展 - 编程语言和编程工具的多样化、高级化和标准化 发展智能模块 向网络化方向发展 2 p l c 的主要特点 武汉理工大学硕士学位论文 可靠性高，抗干扰能力强 编程简单，使用方便 功能强大，应用灵活 2 2 1 2 现场总线和现场总线控制系统简介 现场总线( f i e l d b u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，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互连通讯网络。 1 现场总线目前的发展状况和发展趋势【圳 现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分 广泛。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术 的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大 影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，总体说来，自动化系 统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。 既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准 规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分厂泛，几乎覆盖了所有连续、离 散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼字自动化、家庭自动化等等。 大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标 准。目前，市场上存在着4 0 多种现场总线。多种现场总线既相互竞争，又相 互并存，同时多种现场总线也可共存于同一个控制系统。国际上有多种现场总 线，但是并没有那一种适合所有控制过程的现场总线，这些现场总线都有着各 自不同的技术特长及其擅长的应用领域。如p r o f i b u s 是从p l c 发展而来， 其特点是速度快( 最大1 2 m b p s ) ，特别适合工厂自动化、装配流水线和自动仓库 等；f f 是在d c s 基础上发展起来的，其特点是智能程度高、实时性强、组态 灵活，在过程自动控制上有优势；p - n e t 在农业自动化有很好的前景；l o n w o r k s 更适合物业领域等。 2 现场总线控制系统( f c s ) 的基本结构 现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备 之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是 一种开放式、新型全分布控制系统。最底层的i n f r a n e t 控制网即f c s ，各控制 器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构 任意，可为总线形、星形、环形等，通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、 无线、红外线等各种形式。f c s 形成的i n f r a n e t 控制网很容易与i n t r a n e t 企业 7 武汉理工大学硕士学位论文 内部网和i n t e m e t 全球信息网互连，构成个完整的企业网络三级体系结构。 常见的3 层现场总线控制系统的基本结构如图2 2 所示。 图2 2 现场总线系统( 3 层) 基本组成结构 3 现场总线的特点1 5 1 一对n 结构。一对传输线，n 台仪表，双向传输多个信号。这种一对 n 结构使得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护方便。如果增加现场仪 表或现场设备，只需并行挂到电缆上，无需架设新的电缆。 可靠性高。数字信号传输抗干扰性强、精度高，无需采用抗干扰和提高 精度的措施。 可控状态。操作员在控制室即可以了解现场设备或现场仪表的工作状况， 也能对其进行参数调整，还可以预测和寻找事故，始终处于操作员的远程监视 与可控状态，提高系统的可靠性、可控性和可维护性。 互换性。用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场 设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表进行互换。即使某台仪表发生故障，换 上其他品牌的同类仪表，系统仍能照常工作，实现即接即用。 互操作性。用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一 组态，构成它所需要的控制回路。用户不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品 而在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。 综合功能a 现场仪表既有检测、变换和补偿功能，也有控制和运算功能。 实现了一表多用，不仅方便了用户，也节省了成本。 。分散控制。控制站功能分散到现场仪表中，通过现场仪表可构成控制回 茎堡堡三：盔堂堕圭堂焦丝皇 路，实现彻底的分散控制。提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 统一组态。由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造 商都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使组态非常简单，用户不需 要因为现场设备或现场仪表的不同而采用不同的组态方法。 开放式系统。现场总线为开放式互联网络，所有的技术和标准都是公开 的，所有制造商都必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络， 既可以与同层网络互连，也可以与不同层网络互连；另外，用户可以极其方便 地共享网络数据库。 2 2 2p r o | i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s 是目前最成功的现场总线之一，得到了广泛的应用。它是不依 赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的 接口交换信息。p r o f i b u s 已经成为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准 e n 5 0 1 7 0 。为数众多的生产厂家提供了优质的p r o f i b u s 产品，用户可以自由 选择最合适的产品。可以说p r o f i b u s 是成熟的技术，它已经广泛应用在加 工工业、过程自动化及其它自动控制场合。 2 2 2 1p r o f i b u s 现场总线技术简介【2 9 , 3 3 】 1 p r o f i b u s 的适用范围 p r o f i b u s 协议主要有三个互相兼容的版本：p r o f i b u s f m s 、 p r o f l b u s - p a 和p r o f i b u s d p 。f m s 为现场总线报文规范。p r o f i b u s f m s 主要用于解决车间级通用性通讯任务。它提供大量的通信服务，完成中等速度 的循环和非循环通信任务；p a 代表过程自动化。p r o f i b u s p a 满足过程工业 的要求，提供本质安全和非本质安全区域的应用以及总线给现场设备供电；d p 代表分散化的外围设备。p r o f m u s d p 由经过高速廉价的通讯网络连接，用 于传感器和驱动器级的高速数据传送，是一种经过优化的模块。适用于系统与 外部设备的通讯，对于远程分布i o 系统尤为适合。 2 p r o f i b u s 基本特性 p r o f i b u s 具体规定了串行总线的技术和功能特性，它使分散式数字化设 备从现场底层到车间级网络化。p r o f i b u s 系统中的站点分为主站和从站。 主站决定总线上的数据通讯，采用令牌总线的通讯方式。主站得到总线控 制权( 令牌) ，就可以主动发送信息。在p r o f i b u s 协议中，主站也称为主 亟堡墅三查兰坠主兰垡笙奎 动站，典型的主站有p l c 、p c 等。从站式为外围的简单设备。典型的从站包 括：输入，输出设备、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。 3 p r o f i b u s 现场总线的协议结构 p r o f i b u s 协议的结构是根据i s o7 4 9 8 国际标准以开放式系统互联网络 ( o s i ，o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c f i o n ) 作为参考模型的，如图2 - - 3 所示。 一 掰卯i 1 9d i n e l 9 2 4 m u 崩o 口p r o f i b u st 睦a q j 图2 3p r o f i b u s 现场总线协议结构 p r o f i b u s d p 使用第1 层、第2 层和用户接口，第3 层到第7 层末加描 述，这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像( d d l i v l ， d i r e c td a t al i n k m a p p e r ) 提供易于进入第2 层的用户接口，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详细说明了各种不同 p r o f i b u s d p 设备的设备行为，还提供了传输用的r s 4 8 5 传输技术或光纤。 p r o f i b u s f m s 第1 、2 和7 层均加以定义，应用层包括现场总线信息规 范( f m s ，f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和低层接口( 砌，l o w e rl a y e r i n t e r f a c e ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服 务，u 协调了不同的通信关系并向f m s 提供不依赖设备访问第2 层。第2 层现场总线数据链路( f d l ) 可完成总线访问控制和数据的可靠性，它还为 p r o f i b u s f m s 提供了r s 4 8 5 传输技术或光纤。 p r o f i b u s p a 数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议，另外还使用了 蓝堡堡王盔堂堡i 上堂焦堡塞 描述现场设备行为的行规，根据i e c l l 5 8 2 标准，这种传输技术可确保其本质 安全性并使现场设备通过总线供电。使用分段式耦合器p r o f i b u s p a 设备能 很方便地集成到p r o f i b u s d p 网络之中。 4 p r o f i b u s 的传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术。既要考虑一些 总的要求( 传输的可靠，传输的距离和高速) 又要考虑一些简便而又费用不大的 机电因素。当涉及过程自动化时，数据和电源的传送必须在同一根电缆上。由 于单一的传输技术不可能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供以下三种类 型：d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输；p a 的i e c l l 5 8 2 传输；光纤( f 0 1 传输。 5 p r o f i b u s 的存取协议 p r o f i b u s 的d p 、f m s 和p a 均使用单一的总线存取协议，通过o s i 参 考模型的第二层( 数据链路层) 实现，包括数据的可靠性、传输协议和报文的 处理。介质存取控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输，m a c 必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。 p r o f i b u s 总线存取协议包括主站间的传送方式和主站与从站之间采用 的主从方式。p r o f i b u s 系统中可以实现下列配置：纯主一从系统；纯主一主 系统；混合系统。令牌传送方式保证主站在一个确切规定的时间间隔内得到总 线的存取权( 令牌) 。令牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最 长时间是事先规定的。在p r o h b u s 中，令牌只在各主站之间通讯时使用。 主从方式允许主站得到总线存取令牌时可与从站通讯。每个主站均可向从站发 送或读取信息。令牌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升序在主站中依次传递。 2 2 2 2p r o f i b u s d p 技术特性 2 9 , 3 3 】 在上述p r o b u s 协议结构中，我们知道p r o b u s d p 用于传感器及驱动 器级的高速数据传送。在这一级，控制器如p l c 通过高速串行线同分散的外 设交换数据。同这些分散的外设的数据交换是周期性的。中央控制器( 主站) 读 取设备的输人信息并发回输出信息保证总线循环时间比控制器的程序的循环 时间短是很重要的，对很多应用程序循环时间大约为1 0 m s 。本系统的现场底 层通讯采用p r o f i b u s - d p ，故下面只对p r o f i b u s d p 的技术特性作一下简 要的介绍。 1 基本特性：对于一个成功的现场总线来说，仅仅提供一个高的数据传 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 输能力是不够的。安装和维护的简易性，良好的诊断能力和无差错的传输，都 是用户所要求的。p r o f i b u s d p 为满足这些需要提供了一个优化的方式。在 一个总线系统中，各个站共享传输媒体，通道访问控制决定了站节点什么时候 接收访问传输媒体；p r o f i b u s d p 使用了复合的访问方法，令牌环传递辅以 更低级别的主从协议。响应方法可以区别主站和从站；当一个主站接收到令牌 环，就获得了对系统的控制权，在规定的时间过后，它把令牌环传递到网络的 下一个主站；如果该主站不希望发送信息，就立刻传递令牌环到相邻的主站模 块。从站不接收令牌，它们通过主站模块进行所安排地址的设定。 2 传输技术：使用r s 一4 8 5 双绞线、双线电缆或光缆；r s 4 8 5 双绞线是 工程实践中使用最广泛的传输技术，网路拓扑使用线性总线，两端带有有源的 总线终端电阻。传输速率从9 6 k b p s 到1 2 m b p s ，传输介质采用带屏蔽的双绞 电缆，对抗干扰要求不高时也可取消屏蔽。每段网最多3 2 个站，使用中继器 可多达1 2 7 个站。 3 介质存取：主站间采用令牌方式，主站与从站间采用主一从方式；支 持单主站或多主站；总线上主从设备站点数最大为1 2 6 。 4 设备类型：分为三类。第一类d p 主站( d p m l ) 是中央可编程控制器( 如 p l c ， p c 等) ，在通信循环中和分散的站点( 从站) 交换信息；第二类d p 主站 ( d p m 2 ) 是可编程、可组态、可诊断的设备，用于组态、操作或监视d p 系统； d p 从站是带二进制或模拟输入输出的驱动器、阀门等。 5 。主要功能：d p 主站和从站间的循环用户数据传送；各d p 从站的动态 激活和撤销；d p 从站组态的检查：强大的诊断功能( 3 级诊断，包括本站诊断、 模块诊断和通道诊断) ；输入和或输出的同步；通过总线给d p 从站赋予地址； 通过总线组态d p 主站( d p m i ) 每个从站的最大输入、输出数据为2 4 4 字节。 6 运行模式：d p 规范包括了对系统行为的详细描述以保证设备的可互换 性。系统行为主要取决于d p m i 的操作状态。这些状态由本地或总体的配置设 备所控制，主要有以下三种状态：1 ) 运行，此时输入和输出数据循环传送。 d p m l 由d p 从站读取输入信息并向d p 从站写入输出信息。2 ) 清除，d p m l 读取d p 从站的输入信息并保持输出信息。3 ) 停止。 7 通信方式：包括点对点逻辑数据传输( 用于用户数据传送) 和广播及有选 择广播( 控制指令) 。 8 ，同步：控制指令允许输入和输出的同步。输出同步是同步模式，而输 入同步是锁定模式。 武汉理工大学硕士学位论文 9 安全和保护机制：系统中传输的所有信息在海明距离h d = 4 进行；每 个从站带看门狗定时器；d p 从站的输入输出有访问保护；主站带可编程定时 器对用户数据传送监视。 1 0 诊断功能：诊断功能使d p 能够快速定位出错位置。诊断信息在总线 上传送并由主站收集。诊断信息分为三类：站诊断，该类信息指示站的整体操 作状态；模块诊断，该类信息指示在个站的特定i o 模块出现故障；通道诊 断，该类信息具体指示某一个模块的一个单独通道( 位或字节) 出现故障。 1 1 系统配置：d p 允许组成单主站或多主站系统，这就为系统配置组态 提供了高度的灵活性。系统配置的描述包括：站点数目、站点地址、输入输出 数据格式、诊断信息的格式以及所使用的总体参数。 1 2 d p m l 和d p 从站之间的循环数据传输。用户数据在d p m l 和有关 d p 从站间的传递由d p m l 控制，按照确定的递归顺序自动进行。 1 3 d p m l 和组态设备( d p m 2 ) 之间的数据传输。p r o f i b u s d p 允许主站 之间进行数据交换，即组态或编程设备p m 2 ) 与d p m l 之间的数据交换。 2 3 胎面线p l c 控制网络的硬件设计和拓扑结构 2 3 1 胎面线p l c 控制网络主要模块的选择删 经过比较我们最终决定选用基于p r o f i b u s 现场总线的西门子s 7 系列 p l c 构成的p l c 控制网络的控制方案。其中p r o f i b u s 现场总线在整个系统 中起着关键的作用，它把系统的各部分构成一个有机统一体。系统的底层网络 采用p r o f i b u s d p 网络，而p r o f i b u s d p 作为一种新型现场总线，可承担 现场、控制和监控三级通信。可见，西门子s 7 通过p r o f i b u s 现场总线构成 的系统，是一个很好的工厂自动化解决方案。它具有以下优点：p l c 、分布式 i o 模块、智能化现场设备可通过现场总线来连接；分布式i o 模块能安装在 传感器和执行机构的附近，过程信号能就地转换和处理；编程仍旧采用传统的组 态方式。 s 7 3 0 0 系列是模块化的p l c ，能够满足中等规模要求的应用，各种功能模 块可以很好的满足和适应自控任务。主要采用分散式结构和多界面网络功能， 当任务增加时可以自由的扩展。它由电源模块( p s ) ，c p u 模块、信号模块f s m ) 、 用于通讯扩展的通讯处理器( c p ) 和当模块超过8 个时进行扩展的接口模块f i m ) 等组成a 而且s 7 - 3 0 0 系列p l c 具有强大的组网能力。它由各种不同的通讯接 亟堡堡王- 大堂堡主堂焦笙塞 一 口可以实现p r o f i b u s 、工业以太网系统和点到点( p p i ) 、多点接口( m p i ) 的数 据通讯。 本系统选用的p l c 控制网络的模块主要包括c p u3 1 5 2 d p ，远程i o e t 2 0 0 m ，通讯处理器模块c p 5 6 1 1 ，c p 3 4 0 以及一些i o 信号模块和功能模块 等。下面就各模块的功能作一简单的介绍。 1 系统的控制核心一c p u3 1 5 2 d p 3 1 5 2 d p 是s 7 3 0 0 系列p l c 的c p u 模块，它有两个接口：符合e n 5 0 1 7 0 标准的p r o f i b u s d p 接口和符合s i e m e n s 公司内部协议的m p i 接口。其中 d p 接口使p l c 系统可以直接连接到d p 网上。d p 传输速度选择范围广泛，最 高可达1 2 m b p s 。c p u 3 1 5 2 d p 一般作为d p 的主站，主要完成整体的控制过程。 m p i 接口用于和c p u 等编程、组态设备的多点通讯。c p u 3 1 5 2 d p 将远程f o e t 2 0 0 m 的所有输入输出作为自身的输入输出来处理，通过网络通信与现场的 智能从站交换数据，同时通过令牌与二类主站交换监控数据。 2 系统的上位机( 监控工作站) 和通讯处理器c p 5 6 1 1 选用研华工控机6 1 0 作为上位机主要运行s 7 3 0 0 编程软件包s t e p7 ，该 开发环境可以对设备进行硬件组态、编辑、下载、调试p l c 程序。还可在工 控机上运行组态软件对整个系统进行上位机监控软件的组态和系统运行状况 的监控，过程数据及报警信息的归档等。我们主要强化上位机的数据处理以及 监控功能，并保证系统具有抗干扰性，提高整个系统的可靠性。c p 5 6 1 1 是插 在p c 机中的m p i 网络通信处理器，提供一个m p i 接1 2 ，使p c p g ( 编程器1 接入m p i 网络，并具有初始化、数据库管理、故障诊断、数据传送及控制等。 3 远程分布式i o e t 2 0 0 m e t 2 0 0 m 是一种模块化结构的远程分布式i ，o ，由i m l 5 3p r o b i b u s d p 信号接口模块、电源