（控制理论与控制工程专业论文）基于profibusdp总线智能控制器从站研究与开发.pdf

0rl ! 一 at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rs l a v e s t a t i o nb a s e do np r o f i b u s d p b y h u a n gw e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rm as h u h u a 9jjjji舢0 肌7，眦j_7， iiiiiy 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 摘要 基于p r o f i b u s d p 总线智能控制器从站研究与开发 摘要 现场总线控制系统已逐渐发展成为继集散控制系统之后的新一代控制系统，成为当 前控制领域内的热点之一。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。本文也正是在此背景下选题的。 本文根据校过程控制实验室的现场总线控制改造的具体项目，从应用出发针对现场 锅炉的温度控制进行研究并开发了集通信传输、数据处理、现场控制于一体的基于 p r o f i b u s d p 总线的智能控制器从站。 在硬件方面，本文采用西门子生产的p r o f i b u s d p 协议专用芯片s p c 3 协议处理 芯片，a t 8 9 s 5 2 作为控制器的微处理器完成现场采集数据的处理以及信息的接收与发送 功能。现场数据采集与控制部分采用a d c 0 8 0 9 、d a c 0 8 3 2 、带冷端补偿的热电偶放大 器芯片a d 5 9 5 ，完成现场数据的采集和温度控制。 在软件方面，本文采用模块化的设计思路，设计了系统所要工作的各种模块，给出 了各模块的详细实现流程。各模块间的通信采用固定r a m 的方式，方便了模块的设计。 此外，本文的控制算法采用先进的模糊自整定p i d 算法，并给出了具体的设计过程、仿 真和程序流程。 文章最后给出了设计中所取得的一些经验和存在的不足，与大家共勉 关键词：p r o f i b u s d p ，s p c 3 ，控制器从站 i i 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rs l a v es t a i t i o n b a s e do np r o f i b u s d p a b s t r a c t f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) w h i c hi san e wg e n e r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma f t e rt h e d i s t i l b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) h a sb e e nt a k e na sah o t s p o ti nt h ec o n t r o lf i e l dr i g h tn o w o f v a r i o u sf i e l db u ss t a n d a r d s ，t h ep r o f i b u ss t a n d a r dh a sb e c o m et h es t u d yo b j e c ta th o m ea n d a b r o a di na d v a n t a g e 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 ga n di n d e p e n d e n tf r o mt h ed e v i c e m a n u f a c t u r e i ti st h er e a s o nw h yt h i ss u b j e c ti ss e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to fr e v i s e df c s o fp r o c e s sc o n t r o ll a b o r a t o r y , t h ep a p e rp r e s e n t s 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题的背景及课题的来源1 1 2 国内外研究现状及前景3 1 2 1 现场总线国外发展历程及现状3 1 2 2 现场总线国内发展历程及现状3 1 3 几种常见的现场总线4 1 4p r o f i b u s 现场总线发展现状。6 1 5 本论文的主要研究内容6 1 6 本章小结一7 第2 章基于p r o f i b u s d p 总线智能控制器从站总体设计9 2 1 过程控制温度系统组成9 2 2p r o f i b u s d p 智能控制器从站实现功能9 2 3 基于p r o f i b u s d p 总线智能控制器从站硬件总体设计1 0 2 3 1 智能控制器从站通信协议实现方案1 0 2 3 2 硬件总体结构设计1 l 2 3 3 主要部件的实现功能1 2 2 4 基于p r o f i b u s d p 总线智能控制器从站软件总体设计1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章p r o f i b u s 总线与p r o f i b u s d p 技术15 3 1p r o f i b u s 总线技术1 5 3 1 1p r o f i b u s 组成15 3 1 2p r o f i b u s 协议结构15 3 1 3p r o f i b u s 传输技术1 6 3 1 4p r o f i b u s 总线存取协议1 8 3 2p r o f i b u s d p 技7 r 1 9 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 2 1p r o f i b u s d p 设备类型和组态1 9 3 2 2p r o f i b u s d p 的功能2 0 3 2 3p r o f i b u s d p 扩展功能2 1 3 3p r o f i b u s d p 通信原理研究2 2 3 3 1p r o f i b u s - d p 网络结构和传输控制机制2 2 3 3 2p r o f i b u s d p 通信原理2 3 3 3 3p r o f i b u s d p 主从站通信任务2 3 3 3 4p r o f i b u s d p 服务访问点2 4 3 3 5p r o f i b u s d p 从站状态机制2 5 3 - 3 6p r o f i b u s d p 报文通信顺序2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章基于p r o f i b u s d p 总线智能控制器从站硬件设计。2 9 4 1 硬件系统核心器件选择2 9 4 1 1 单片机的选择2 9 4 1 2 专用协议芯片s p c 3 。2 9 4 1 3a d 、d a 芯片的选择3 3 4 1 4 带e e p r o m 的看门狗芯片及r a m 的选择4 1 】【4 2 】【4 3 1 3 4 4 1 5r s 4 8 5 接口芯片选择3 4 4 1 6 热电偶放大器的选择【4 3 】3 4 4 2 系统存储空间分配3 5 4 3 通信接口部分硬件设计3 5 4 3 1s p c 3 与a t 8 9 s 5 2 接口电路设计3 6 4 3 2r s 4 8 5 通信接口设计3 7 ：；7 ：；7 ：； ； ：；9 4 0 从站软件设计4l z ll 4 1 4 ：! 4 4 东北大学硕士学位论文 目录 5 1 4 数据交换程序模块设计4 7 5 1 5x 2 5 0 4 5 中e e p r o m 访问模块程序设计4 8 5 2 控制部分软件设计4 9 5 2 1a d 转换程序模块设计4 9 5 2 2d a 转换程序模块设计一5 0 5 2 3 模糊p i d 算法模块程序设计5 1 5 3g s d 文件编制及说明5 2 5 4 本章小结5 5 第6 章模糊p i d 控制设计与仿真5 7 6 1p i d 控制简介5 7 6 2 模糊自整定p i d 控制原理5 9 6 3 模糊自整定p i d 设计5 9 6 3 1 确定系统的输入输出变量6 0 6 3 2 模糊规则的建立6 2 6 3 3 模糊推理及解模糊化6 4 6 4 仿真研究与分析6 6 6 4 1 常规p i d 控制6 6 6 4 2 模糊自整定p i d 控制6 7 6 4 3 分析与结论7 0 6 5 本章小结7 0 第7 章测试与分析：7 1 7 1 智能控制器从站测试7 l 7 2 现场应用7 2 7 3 本章小结7 3 第8 章结论7 5 参考文献7 7 致 射8l v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景及课题的来源 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业信息交换沟通的领域正在迅速 盖从现场设备、控制到管理的各个层次，引起了工业控制系统体系结构与设备的重大变 革。作为工业控制系统领域技术向现场仪表智能化、控制功能分散化、控制系统开放化 方向发展的必然结果，8 0 年代末、9 0 年代初，新一代全分布式控制系统现场总控 制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 应运而生，现场总线( f i e l d b u s ) 正是这种新 控制系统的核心技术。 什么是现场总线? 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o nt e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接 智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n 儿刳，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 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。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代，那 么现场总线则使自控系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层，企 业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 从结构上，现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式，采用智能现场设备 使得控制系统功能能够直接在现场完成，实现彻底的分散控制。由于采用数字信号替代 模拟信号，可实现一对电线上传输多个信号( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故 障信息) ，同时又为多个设备提供电源。这就为简化系统结构、节约硬件设备、减少连 接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 从技术上，现场总线控制系统具有开放性、互操作性与互用性；现场设备实现了智 能化和功能自治；系统结构高度分散，构成了新的全分散性控制系统的体系结构。由于 现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装到正 常生产运行及检修维护，都具有优越性。 现场总线系统的优点主要体现在以下几个方面：( 1 ) 节省硬件数量与投资；( 2 ) 节 省安装费用；( 3 ) 节省维护开销；( 4 ) 用户具有高度的系统集成自主权；( 5 ) 提高了系 统的准确性与可靠性口3 。此外，由于现场总线设备标准化、功能模块化，还具有设计简 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 单，易于重构等优点。作为新一代的过程控制系统，现场总线控制系统无疑具有十分广 阔的发展前景。它的出现，必将对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起 到极大的促进作用。现场总线型智能化仪表及主控系统成套产品代表着自动化仪表产业 的发展方向，而在现有的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 总线是一种主流的现场总线标 准，用于设备级控制系统与分散式i o 通信的p r o f i b u s d p 是市场占有率领先的总线技 术。但是目前我国对于p r o f i b u s - d p 技术的应用和研究主要以系统集成和工程应用为主， 许多具有p r o f i b u s - d p 接口的底层设备和智能仪表都是国外大公司直接提供的，这些公 司在仪表和设备的价格上具有垄断地位，使得整个p r o f f i b u s d p 总线系统的成本增加， 阻碍了p r o f i b u s - d p 技术在我国的应用及发展。 因此，为了跟好的与实际接轨，更好的服务于教学提高设备的利用率，我校对自动 化工程系过程实验室进行了d c s 和现场总线的电气化改造。即对原有的六台分立式的过 程控制装置进行了改造，将原有的分立继电器控制系统改造成为应用p r o f i b u s d p 现场 总线的d c s 系统。如图1 1 所示，系统由管理计算机工控机、p l c - 3 0 0 控制器、分布式 i o 控制站e t 2 0 0 m 和p r o f i b u s - d p 工业网络组成。每台锅炉由带p r o f i b u s d p 总线的分 布式i 0 控制站直接控制，完成模拟信号和开关量信号的输入和输出。各控制站通过 p r o f i b u s d p 现场总线工业网络与中央控制器p l c 一3 0 0 联网，从而实现了分布式控制点 功能。 工控机 炉对象 m p r o p l b u s l 】p 图1 1 系统改造结构图 f i g1 1s y s t e mr e c o n s t r u c tc o n f i g u r a t i o n 本文的选题就是基于上述的改造项目。该项目中的控制对象是用电加热的模拟工业 炉，所以炉中的水温的控制是一个关键也是一个难点，本文研究的主要是炉温控制过程 中的带有p r o f i b u s d p 总线接口的智能温度控制器从站，用于温度的恒温控制并且能够 将数据传送到p r o f i b u s 主站中进行处理。 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 国内外研究现状及前景 1 2 1 现场总线国外发展历程及现状 现场总线( f i e l db u s ) 的概念起源于2 0 世纪7 0 年代，到8 0 年代中后期在国际上 快速发展起来。1 9 8 3 年，h o n e y w e l l 推出了最早的智能化仪表s m a r 变送器，此后几 十年，世界各大公司相继推出各有特色的智能仪表，这些都为现场总线的出现奠定了基 础。从1 9 8 4 年世界上各大公司协会和行业相继开始制定现场总线标准直到今天。由于 近十几年现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多已经约有5 0 余种： 如德国s i e m e n s 的p r o f i b u s ，e c h e l o n 公司的l o nw o r k s ，p h e n i xc o n t a c t 公司的 i n t e r b u s ，r o b e rb o s c h 公司的c a n ，r o s e m o u n t 公司的h a r t ，丹麦p r o c e s sd a t a 公司 的p - n e t ，c a r l og a r a z z i 公司的d u p l i n e ，p e t e rh a n s 公司的f m u x ，以及m o d b u s ， s d s ，基金会现场总线f f ，w o r l d f i p b i t b u s ，d e v i c e n e t ，c o n t r o l n e t ，f i p 等等嘲5 埘。 到了9 0 年代开始纷纷成立标准化组织，1 9 9 3 年成立的h a r t 通信基金会( h a r t c o m m u n i c a t i o nf o u n d a t i o n ) ；1 9 9 3 年成立l o n w o r k s 用户标准化组织l o n m a r k 国际；1 9 9 7 年7 月成立了c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 组织；i s p 和w o r l d f i p 北美部分于1 9 9 4 年6 月合并成立了现场总线基金会等。 近年来主要的现场总线组织纷纷进军以太网领域，涉足较早的是w o r l df i p ，现在 p r o f i b u s 也急起直追，以相当快的速度发展，可以说是该组织建立以来最大的动作，也 许是它摆脱技术相对落后的根本措施。虽然由于以太网的基础技术t c p i p 协议的限制， 进展都不理想，但是当前快速发展的c i p 和以太网c i p 技术将有力地改变这个局面。c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a ti o np r o t o c 0 1 ) 是为t c p u d p i p 定义的基于主机客户机的控 制和信息协议。以太网的c i p 则称为e t h e r n e t i p ，它有c o n t r o ln e t 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、 p r o f i b u s 等现场总线组织的支持。它为解决t c p i p 技术进入控制领域提供了一个有前 途的方案。 随着f f 和w o r l d f i p 向f i e l d b u sf o u n d a t i o nh s e 发展；d e v i c e n e t 向e t h e r n e t i p 发展；t r a n s p a r e nf a c t o r y 和i n t e r b u s 向i d a 发展；p r o f i b u s 向p r o f i n e t 发展，现 场总线技术在进一步和以太网结合。 1 2 2 现场总线国内发展历程及现状 国内的现场总线起步的比较晚，不过由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大， 各种现场总线在中国展开了激烈的竞争，这也使得近年来看发展势头强劲，国内自己开 发的现场总线产品也开始投入市场，各行业的现场总线应用工程迅速发展。国内现场总 线的发展趋势是：多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；国 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 内自己开发的现场总线产品开始投入市场；国内各行业的现场总线应用工程迅速发 展。 1 9 9 8 年8 月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国 f i s h e r r o s e m o u n t 公司引进，该系统采用p l a n t w e b t m 基于现场结构的最新技术，同时 也是在中国第一次运用f f 技术。 c a n 在我国的应用较早，我国华控技术公司基于c a n 协议开发了s d s 智能分布式系 统；和利时公司开发的h s 2 0 0 0 系统的内部网络也是应用c a n 。 2 0 0 1 年以浙大中控为主承担c i m s 主题重点课题“基于高速以太网技术的现场总线 控制设备”，开始制定新一代工业控制通讯标准e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) ， 2 0 0 3 年e p a 列为实时以太网标准i e c 6 1 7 8 4 - 2 中的第1 4 族( c p f l 4 ，c o m m o np r o f i l ef a m i l y 1 4 ) 。这为e p a 成为国际标准打开了大门，将使我国在自动化领域的国际竞争中占有更 有利的地位，将大大改变国内工业自动化技术、产品和应用体系。 另外浙江机电工程研究所( z i m e e ) 还将p - n e t 应用于风轮的控制器和中心控制、 中国南部最长的高速路隧道及其风力柴油机系统的控制与监控。 p r o f i b u s 技术受到国内各界的重视，并在我国制造业、流程工业、冶金、电力、交 通、制药、水利、水处理、食品、楼宇等自动化领域得到广泛的应用。 2 0 0 1 年中国将f f 、p r o f i b u s 、h a r t 等立项为行业标准，其中p r o f i b u s 标准中文本 已于2 0 0 1 年1 1 月批准为中国的现场总线首个行业标准，标准编号j b t1 0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 。 2 0 0 3 年，根据i e c6 11 5 8 的完善和补充，修订j b t0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 。计划在2 0 0 4 年拟完 成对其的行业标准制修订。 目前国内的现场总线发展趋势也是多种现场总线并存，展开激烈竞争局面。中国仪 器仪表行业协会已成立了中国现场总线委员会，简称c f c ，并参加了国际f f 组织；建设 部还成立了基于l o n w o r k s 技术的中国智能建筑技术协作网；中国机电一体化技术应用 协会也于1 9 9 7 年成立了下属的中国现场总线p r o f i b u s 用户组织c p o ( c h i n e s ep r o f i b u s u s eo r g a n i z a t i o n ) 等。 在近几年内国产现场总线技术产品主要机会在现场设备及仪表领域。主要产品可能 是：与电力驱动有关的产品( m c c 、p c c 、交直流驱动等) ；传感器类( 压力、温度、流 量仪表，水份、湿度测量等) ；现场总线i o ；专用控制设备及分布式控制系统( 车辆、 食品生产等) 。 1 3 几种常见的现场总线 目前较流行的现场总线系统有：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 ) 、控制 局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、局部操作网络l o nw o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g - 4 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 n e t w o r k ) 、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 ) 和可寻址远程传感器数据公路协 议h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等标准。 ( 1 ) 、p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 现场总线自1 9 8 4 年开始研制现场总线产品，现已成为欧洲首屈一指的开 放式现场总线标准，欧洲市场占有率大于4 0 ，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、 过程自动化、发电与输配电等领域。最多可挂接1 2 7 个站点。p r o f i b u s 总线标准包括3 个方面内容：f m s 、d p 、p a ，适用于不同的应用领域。 ( 2 ) 、基金会现场总线 基金会现场总线f f ，在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术， 目前主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。f f 总线分低速h l 和高速h 2 两 种通信速率。h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) 。h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支 持双绞线、光缆和无线发射。 ( 3 ) 、l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 是唯一一个支持o s i 通信模型七层协议的现场总线，采用了面向对象的 设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持多种通信介质。l o n w o r k s 支持各种网络拓扑结构并能运行在 任何处理器上。l o n w o r k s 将l o n t a l k 协议固化在神经元的芯片中，为l o n w o r k s 的二次 开发提供了很好的便利条件。 ( 4 ) 、c a n 现场总线 c a n 总线，最早由德国b o s c h 公司推出，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输 距离最远可达l o k m 5 k b p s ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。信号传输采用短帧结构，因而 传输时间短，受干扰的概率低，具有较强的抗干扰能力。c a n 的一个最大特点是弃用了 传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，采用这种方法的优点可使网络内 的节点个数在理论上不受限制。c a n 采用多主的通信方式，使得总线上的设备之间的传 输变得灵活简单。 ( 5 ) 、h a r t h a r t 总线其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字 系统转变过程中过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能 力。h a r t 的物理层采用f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 技术，在4 - 2 0 m a 模拟信号上迭 加一个频率信号，频率信号采用b e l l 2 0 2 国际标准，逻辑“0 的信号频率为2 2 0 0 h z ， 逻辑“1 ”的信号传输频率为1 2 0 0 h z 。 其它还有p - n e t 、d e v i c e n e t 、w o r l d f i p 等现场总线，在这不做进一步介绍了。 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4p r o f i b u s 现场总线发展现状 p r o f i b u s 是1 9 8 7 年由德国西门子等1 3 家公司和5 家科研机构联合开发，1 9 9 1 年 成为德国国家工业现场总线协议标准，代号为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 8 年p r o f i b u s p a 批准纳入e n5 0 1 7 0v 2 ，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 i 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。p r o f i b u s 技术在欧洲等发达国家和地区已经趋于成熟， 形成了系列产品，并在各个自动化控制领域得到广泛应用，调查数据显示，它约占4 3 的德国市场，4 1 的欧洲市场h 1 。到目前为止，p r o f i b u s 国际用户组织p n o ( p r o f i b u s n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 已拥有6 0 0 多个成员，在2 3 个工业国家和地区成立了地区性 组织，会员超过1 1 0 0 家，有2 2 个资格中心( p c c ) ，7 个产品测试实验室。中国于1 9 9 7 年7 月组建成立了中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会，简称c p o ，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h 1 ，2 0 0 1 年中国将f f 、p r o f i b u s 、h a r t 等 立项为行业标准，其中，p r o f i b u s 标准( 中文本) 已于2 0 0 1 年1 1 月批准为中国的行业标 准，编号：j b t1 0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 。目前，c p o 有1 2 0 多个会员( f u l l i n f o r m a t i v em e m b e r ) ， 其中有2 0 多家企业正在从事p r o f i b u s 产品的研发，调查数据显示，目前p r o f i b u s 在 中国现场总线市场占有率中居第一位n m l 。 1 5 本论文的主要研究内容 本文正是针对现场总线在我国的应用和发展现状，在研究p r o f i b u s - d p 现场总线基 本理论的基础上，结合过程控制实验室改造的对温度控制的具体要求，从硬件和软件两 个方面详细叙述了如何采用单片机与p r o f i b u s d p 通信接口芯片来实现p r o f i b u s - d p 智 能温度控制器从站，该智能控制器从站有如下功酏b m - ( 1 ) 、为p r o f i b u s - d p 通信接口将现场的温度数据接入p r o f i b u s 网络。 ( 2 ) 、在智能从站中集成p i d 控制算法模块，可以实现现场一级的控制。即 p r o f i b u s - d p 智能从站能将传感器所采得的一系列信号接入并经过一定的前向通道变换 成符合控制计算和通信的数字信号量。然后，按编制好的程序和上位机组态好的参数及 算法进行运算，并按通信协议传给上位计算机来用于显示和监控，再将上位计算机发出 的信号与智能从站运算后的控制信号经过逆向变换输出给现场执行设备，从而实现一个 完整的回路控制方案。 ( 3 ) 、不仅具有数字量输入输出功能，还具有模拟量输入输出功能。 本论文的各部分主要内容如下： 第一章绪论部分。主要介绍了论文的研究背景及课题的来源，现场总线的国内外发 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章 展情况及现状，几种流行现场总线的发展动态，p r o f i b u s 现场总线的国内形势， 出了本文研究的主要内容。 第二章基于p r o f i b u s - d p 总线智能温度控制器从站总体设计部分。主要介绍 所研究的智能温度控制器从站的整体的硬件与软件的设计方案。 第三章p r o f i b u s 总线与p r o f i b u s - d p 技术部分。主要介绍了p r o f i b u s 现场 场的组成、协议结构、传输技术以及总线存取协议，以及p r o f i b u s d p 的概述， 议和通信原理研究。着重讲述了d p 通信原理以便再后续章节中的应用。 第四章基于p r o f i b u s - d p 总线智能温度控制器从站硬件设计部分部分。主要 本论文所研究的根据控制要求而设计的控制器从站的硬件部分的设计。并且分为 控制两部分详细阐述。 第五章基于p r o f i b u s d p 总线智能温度控制器从站软件设计部分部分。主要 一章的硬件的具体设计以及控制功能的要求设计了控制器从站的软件程序。并且 和控制两部分详细介绍。 第六章模糊p i d 设计与仿真部分。主要是根据系统所要实现的功能设计智能 法即本文所选择的模糊p i d 智能控制算法，并且对所设计的控制算法进行了仿真 第七章测试与分析部分。主要是对设计完成的p r o f i b u s d p 智能控制器从站 信测试，并将其应用到现场模拟工业炉的温度控制当中。 第七章总结与展望部分。主要是对本文研究的成果进行总结并对今后的工作 展望和目标。 1 6 本章小结 本章首先探讨了现场总线的概念、产生的背景以及基于现场总线控制系统的 优点，然后介绍了现场总线的国内外发展情况及现状，几种流行现场总线的发展 p r o f i b u s 现场总线的国内形势，最后给出了本文研究的主要内容。 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章基于p r o f i b u s - d p 总线智能温度控制器从站总体设计 第2 章基于p r o f i b u s d p 总线智能控制器从 站总体设计 2 1 过程控制温度系统组成 根据我校过程控制实验室的改造的具体要求，以及研究的具体实践，本文着重研究 过程控制实验装置中的模拟工业炉的简单恒温控制。该恒温系统如图2 1 所示，由两部分 组成：温度检测和温度控制。 温度检测部分由两个k 型热电偶组成，分别检测模拟工业炉的夹套温度和内胆温度。 其中内胆温度是恒温控制系统的核心参数，夹套温度是副参数。两者的测量结果分别送给 智能控制器从站进行分析。 温度控制部分由一个电动调节阀和一个控制电热丝的固态继电器组成。其控制信号 来自智能控制器从站，控制的目的是使模拟工业路中的水温恒定不变。 夹套温度检测内日日温度检测 、 电动 图2 1 控制系统结构图 f i g2 1s t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m 2 2p r o f i b u s d p 智能控制器从站实现功能 阀2 本文所研究的智能控制器所要实现的总体功能是实现过程控制实验装置的模拟工业 炉的恒温控制。其具体实现过程如下： 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章基于p r o f i b u s - d p 总线智能温度控制器从站总体设计 ( 1 ) 、根据需要通过p r o f i b u s 主站在智能从站控制器中设定所要求的控制器温度。 ( 2 ) 、由温度检测装置k 型热电偶检测出工业炉的内胆和夹套的现场温度，并将其送 入智能从站控制器与先前设定的控制温度进行比较，如果相同则不做任何控制操作，如果 不相同则根据控制算法的具体计算得出要控制的输出量进行输出，并将控制数据以报文的 方式传给p r o f i b u s 主站。 ( 3 ) 、智能控制器将要控制的输出量送给固态继电器，由固态继电器驱动电加热丝给 锅炉内胆加热或者给电动调节阀信号使其增大夹套内的冷却水流量从而是炉内胆水温迅 速下降到所要求的温度。 ( 4 ) 、智能控制器将控制的结果再以报文的形式传给p r o f i b u s 主站。 其信号传输过程如图2 2 所示。 上位机监控 p r o f i b u s - d p 主站p l c 图2 2 系统信号传输过程 f i g2 2s y s t e ms i g n a lt r a n s m i s s i o n 2 3 基于p r o f i b u s d p 总线智能控制器从站硬件总体设计 2 3 1 智能控制器从站通信协议实现方案 p r o f i b u s d p 智能从站，有两种实现方法，一种是利用开发包中所带的从站接口模块 来实现。从站接口可将第三方设备通过设备接口作为智能从站连接到p r o p i b u s - d p 上，最 大数据传输速率为1 2 m b i t s ，可自动检测总线数据传输速率。这种方法能减少自主开发 的时间，能满足大多应用场合的要求，对于要求高传输速率而又无须占用大量处理器资源 的应用场合一般采用这种方式，但此方式成本较高且不能满足复杂的智能从站要求。另一 种方法是直接用微处理器及一些外设来实现通信接口和智能从站的开发。这种方法成本较 一10 东北大学硕士学位论文第2 章基于p r o f i b u s - d p 总线智能温度控制器从站总体设计 低，非常灵活，能满足各种需要，但开发较为复杂。而后种方法从通讯协议的实现上又 可分为两种方式： ( 1 ) 、利用单片机实现p r o f i b u s d p 从站 p r o f i b u s 是开放的，与制造商无关，无知识产权保护的标准。任何人都可以获得这个 标准并设计各自的软硬件方案。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， 在微处理器内部或外部安装串行通信接口( u a r t ) 就可以完成。利用p r o f i b u s 模型中的服 务访问点，通过单片机编程来实现p r o f i b u s - d p 的状态机制。但是用单片机实现的 p r o f i b u s - d p 从站的传输速率受单片机晶振的限制。无法达到p r o f i b u s d p 所要求的最大 传输速率，而且编制程序的工作量也很大。 ( 2 ) 、使用专用集成电路a s i c 使用a s