（控制理论与控制工程专业论文）基于profibusdpv1的智能从站研究.pdfVIP

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e e x p l o i t a t i o n o f i n t e l l i g e n ts l a v e b a s e d o np r o f i b u s d p v1 b y l id a n d a n s u p e r v i s o r p r o f z h a oh u i j a n u a r y ，2 0 1 0 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，也不包含为获得天津理工大学或 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。 6 学位论文作者签名：黜签字日期：- - 矽o 年弓月旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗垄兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁盗堡墨盘望 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本和电子 文件。 ( 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： 绷 导师签名： 签字日期：少卜年月旷日 签字日期：矽口年 均 亏a 轴 摘要 现场总线是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，它在制造业、流程工业、 交通楼字等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。p r o f i b u s 总线作为现场总线中 的一种，具有可靠性高实时性强和灵活性好的特点。依据时间先后，通信协议分为d p v 0 、 d p v l 和d p v 2 ，p r o f i b u s d p v l 在d p v 0 的基础上增加了非循环服务和扩大了同二类主 站的通信，因此，现有的仪表产品可以得到成功的升级。目前国内的开发商通过认证的 产品主要还是符合d p v 0 的从站设备，d p v l 很少，d p v 2 还没有，以及技术含量更高的 主站设备也有待开发。因此，开发p r o f i b u s d p v l 智能从站在技术可行性和市场意义 上都具有一定的优势。 本文在详细研究了p r o f i b u s d p v l 的协议结构、传输技术、数据存储机制、通信 机理等理论基础后，采用a t 8 9 s 5 2 单片机以及p r o f i b u s d p 通信协议芯片s p c 3 的方案 来实现p r o f i b u s d p v l 智能从站。本文设计支持8 位数字量的输入和输出、现场工控设 备模拟信号的采集和数模转换以及模糊算法的应用。 研究内容主要包括： ( 1 ) 对p r o f i b u s d p v l 系统可能出现的故障进行研究分析，提高p r o f i b u s d p v l 现场总线控制系统的可靠性。 ( 2 ) 研究p r o f i b u s d p 协议芯片s p c 3 的结构，了解其协议实现方式以及过程，在 上述基础上深入研究，最终实现p r o f i b u s d p v l 通信。 ( 3 )完成主站与从站间软件设计，包括p r o f i b u s d p v l 的协议实现。 ( 4 )加入模糊控制器，实现对现场数据的计算并作用给现场工控设备。 ( 5 )搭建以p l c 为主站的单主从p r o f i b u s d p v l 网络来实验p r o f i b u s d p v l 通 信，并完成试验。 本文最后对课题的工作所取得的成果进行了总结，并对课题之后的研究工作提出了 展望与设想。 关键词：p r o f i b u s d p v ls p c 3a t 8 9 s 5 2 智能从站模糊控制器 a b s t r a c t f i e l d b u si sa l lo p e n ，d i g i t a l ，m u l t i - p o i n tc o m m u n i c a t i o n sb o r o ml a y e rc o n t r o ln e t w o r k 。 i t i sp r o m i s i n gf o ra p p l i c a t i o ni nm a n u f a c t u r i n g ，p r o c e s si n d u s t r y , t r a n s p o r t a t i o na n db u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m p r o f i b u si s h i g h l yr e l i a b l e ，f l e x i b l e a n dr e a l t i m e b a s e do n c h r o n o l o g i c a lo r d e r , p r o t o c o l i s i n c l u d i n g t h r e e t y p e s ( d p v 0 ，d p v1 ，d p v 2 ) p r o f i b u s d p v1i n c r e a s et h en o n - c y c l es e r v i c e sa n de x p a n s i o no fc o m m u n i c a t i o nw i t ht h e c l a s s2 ，b a s e do nd p v 0 s ot h ee x i s t i n gp r o d u c t sa r es u c c e s s f u l l yu p g r a d e d t h ec u r r e n t c e r t i f i e dp r o d u c t so fd o m e s t i cd e v e l o p e ra r em a i n l yc o n f o r m i n gt od p v 0 ，d p vll i t t l e ，d p v 2 n o n e ，a sw e l la st h es t a t i o nw i t hh i g h e rt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n tt ob ed e v e l o p e d t h e r e f o r e ， p r o f i b u s d p v1h a sc e r t a i na d v a n t a g e si ni t st e c h n i c a lf e a s i b i l i t ya n dm a r k e t a f t e rad e t a i l e ds t u d yo ft h et h e o r e t i c a lb a s i so fp r o f i b u s d pp r o t o c o l ，t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y , d a t as t o r a g em e c h a n i s m ，c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，t h i sp a p e ru s ea t 8 9 s 5 2 m i c r o c o m p u t e ra n ds p c 3t oa c h i e v et h ep r o f i b u s - d p v 1 i n t e l l i g e n ts l a v e i th a s8d i g i t a l s i g n a l si n p u ta n do u t p u t ，t h ea c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o no ft h ei n d u s t r i a le q u i p m e n ta n df u z z y c o n t r o l l e r t h es t u d yo ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： ( 1 ) r e s e a r c ha n da n a l y s i st h ep o s s i b l ef a u l t sa p p e a r i n go nt h ep r o f i b u s - d p v ls y s t e m ， a n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a lm e t h o d so fp r o f i b u s - d p v1f i e l db u sc o n t r o l s y s t e m ( 2 ) s t u d yt h es t r u c t u r eo fs p c 3 u n d e r s t a n di t sp r o t o c o li m p l e m e n t a t i o n s b a s e do nt h e a b o v eb a s i s a c h i e v et h ep r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o n ( 3 ) c o m p l e t et h es o f t w a r ed e s i g nb e t w e e n t h es t a t i o na n dt h e s l a v e ，i n c l u d i n g t h e i m p l e m e n t a t i o no fp r o f i b u s d p v 1p r o t o c 0 1 ( 4 ) a d df u z z yc o n t r o l l e rt oa c h i e v et h ec a l c u l a t i o no fd a t aa n dt h e nc o n t r o lt h ei n d u s t r i a l e q u i p m e n t ( 5 ) b u i l tas i n g l es t a t i o n - s l a v ep r o f i b u s d p v 1n e t w o r kb a s e do nt h es t a t i o no fp l ct o t e s tt h ep r o f i b u s d p v lc o m m u n i c a t i o n s f i n a l l y , t h ew o r k so ft h i sp a p e rw e r es u m m a r i z e d ，a n dp r o p o s e dt h er e s e a r c hw o r k i nt h e f u r t u r e k e yw o r d s ：p r o f i b u s d p v1 ，s p c 3 ，a t 8 9 s 5 2 ，i n t e l l i g e n ts l a v e ，f u z z yc o n t r o l l e r 目录 第一章绪论- l 一 1 1 现场总线简介1 一 1 1 1 现场总线的定义- 卜 1 1 2 现场总线的特点及优点一2 - 1 1 3 国内外研究现状和发展- 3 1 1 4 几种有影响的现场总线技术一4 1 2 课题的主要研究内容及论文章节安排- 6 - 第二章p r o f i b u s 现场总线技术- 8 - 2 1p r o f i b u s 简介一8 2 2p r o f i b u s 协议结构一l o - 2 3p r o f i b u s d p 物理层规范一1 0 2 4p r o f i b u s d p 数据链路层规范- 1 0 - 2 5p r o f i b u s d p 用户层规范一1 3 2 6r s 4 8 5 物理传输方式- 13 2 7 本章小结一1 6 一 第三章p r o f i b u s d p v l 智能从站硬件设计1 7 3 1p r o f i b u s 站点实现方案- 1 7 3 2a s i c 简介19 3 3s p c 3 功能介绍- 2 0 一 3 4d p v l 从站硬件设计- 一2 2 - 3 4 1 系统硬件整体结构和存储空间分配一2 2 3 4 2 各部分接口设计2 5 - 3 5 本章小结- 2 6 一 第四章p r o f i b u s d p v l 智能从站软件设计- 2 7 - 4 1 系统软件整体结构一2 7 4 2 系统软件模块介绍一2 8 4 2 1s p c 3 初始化- 2 8 4 2 2 从站数据接收模块- 2 9 - 4 2 3 从站数据发送模块一2 9 4 2 4 诊断数据的发送一2 9 4 3 中断程序模块一3 0 - 4 4m s1 ：与c l a s s l 主站的非周期性数据通信- 3 0 4 4 1d p v 1 参数赋值过程一31 - 4 4 2m s l 中的读数据服务一3 1 4 4 3m s l 中报警有关的帧结构一3 2 4 5g s d 文件的编写- 3 3 - 4 6 模糊控制器设计- 3 4 4 6 1 控制表的生成- 3 4 4 6 2 模糊逻辑推理一3 5 4 6 3 反模糊化处理- 3 6 - 4 7 软件实现设计- 3 7 - 4 8 本章小结一3 8 一 第五章组网及测试一3 9 - 5 1 组网步骤一3 9 5 2 测试结果一4 3 - 5 3 本章小结一4 3 一 第六章总结与展望一4 4 - 6 1 本文总结- 4 4 - 6 2 展望一4 4 - 参考文献一4 5 发表论文和科研情况说明一4 8 一 致谢一4 9 - 第一章绪论 第一章绪论 现今，数字技术不断向前发展，在工业控制领域中，数字信息通信逐渐覆盖各个层 次，从设备车间到商品销售，已经遍布全球市场。数字通信技术的飞快发展使自动化系 统结构发生了大范围的变动，并且，逐步形成的工业应用成套系统也是把网络集成系统 作为其发展的基础。现场总线就是根据这个发展形势和市场需要快速发展崛起的新技 术。 1 1 现场总线简介 现场总线是一种可以在生产现场应用的，并且可以实现现场工控设备相互之间的数 字通信，或者可以在现场设备与控制装置之间进行双向串行的数字通信技术。这项综合 技术的主要内容是计算机，网络中的数字通信，该项技术在信息集成系统及自动化监控 系统的应用中表现出了很多优点( 控制系统网络化；低成本等) 【1 1 ，这些优点已经得到 了全世界的关注，从而该技术成为了自动化领域中的技术热点，并且很有可能成为自动 化领域中的主流控制技术。 现场总线控制系统不仅是一个全分布的控制系统，而且也是一个开放的通信系统。 现场总线是智能设备之间的纽带，它把作为网络节点的并且连接在总线上的智能设备连 接成为网络系统，并且进一步形成现场自动化系统，使基本控制、计算补偿、控管、监 控、报警、显示、参数修改以及优化一体化的综合型自动化功能得到实现【2 j 。 1 1 1 现场总线的定义 现场总线的定义是什么? 定义由国际电工委员会和现场总线基金会给出：现场总线 是一种数字式、多分支结构、双向传输的通信网络，它能够把自动化系统和现场智能设 备互相连接起来，也可以被称为是一种能够实现数字化、开放式、多点数据通信的底层 实时控制网络【3 1 。 通过现场总线技术，专用的微处理器被置入了传统的现场测量控制仪表，此项技术 使微处理器和控制仪表都具有了数字通信和计算的能力，并月作为总线的双绞线等可以 进行简单的连接，连接成的网络系统可以包括多个测量控制仪表，并且按照规范和公开 的通信协议，在远程控制计算机与现场仪表之间，以及现场的多个微机化测量控制设备 之i 、日j ，能够实现设备i 、日j 的信息通信与数据传输，形成的自动控制系统可以适应各种实际 需要。简单的蜕，现场总线技术把分散的现场测量控制设备与测量仪表变成各个网络节 点，以总线为纽带，使这些节点连接成的控制系统与网络系统可以共同完成自控任务并 第一章绪论 且可以相互交换信息。现场总线技术给自动化领域带来的变化，就像网络把大部分分散 的计算机连接在一起，从而使计算机的作用、功能发生了很大的变化【4 1 。自动化现场控 制系统与测控设备，通过现场总线，拥有了通信能力，并且现场设备被连接成网络系统， 成为了信息网络中的一员。所以，现场总线技术可以被说成是一个自动化现场控制技术 新时代的开始。 1 1 2 现场总线的特点及优点 在结构上，传统控制系统的结构形式被现场总线技术的控制系统打破了，总线控制 系统采用智能的现场测控设备，这使得总线控制系统功能可以直接在工业现场完成，因 此，能够实现彻底的多点分散控制。因为模拟信号被数字信号所替代，所以，可以实现 多个信号在一对电缆上传输，同时这根电缆又可以为多个现场测控设备供叫引。这就可 以为减少硬件数量、简化连接电缆、简化系统结构与节省各种维护、安装等费用等创造 了有利的条件。 在技术上，现场总线控制系统是一种拥有开放性、互用性与互操作性的控制系统。 该控制系统使现场设备实现了功能自治和智能化，此系统的结构是高度分散的，因此， 构成了一种新的体系结构，这就是全分散性控制系统。因为现场总线具有以上特点，尤 其是简化了现场总线系统的结构，从而使控制系统从最开始的设计到最后的检修维护， 都具有很大的优越性。现场总线控制系统的优点集中表现在以下方面：( 1 ) 节省开发 时硬件消耗的投资；( 2 ) 节省在安装时的资金；( 3 ) 节省在维护时的开销；( 4 ) 系 统的可靠性与准确性得到了提高。此外，因为现场总线的设备模块化、标准化，所以设 计简单，而且容易重构【b j 。 现场总线具有了以上的有点，尤其是系统结构的大大简化，这就使得控制系统从设 计到应用等各个方面都体现出了绝对的优越性。 ( 1 ) 节省开发时硬件消耗的投资。由于在现场总线控制系统中分散的智能测控设 备能够直接运行多种传感控制报警和计算功能，因此变送器的个数可以减少，单独的调 节器、计算单元等也不再需要，同样也不再需要通过d c s 系统来进行信号调理、转换、 隔离等，及其复杂接线也省略了，还可以把工业控制用的计算机作为操作站，因此这样 可以节省开发时的硬件投资，并且可以减少控制设备所占用的面积。 ( 2 ) 节省在安装时的资金。现场总线控制系统的接线十分简单，多个控制设备可 以连接在一对双绞线或一条电缆上，因而大大减少了配件的安装数量，也同时减少了连 线设计与接头校对的工作量。当有新的现场控制设备需要添加时，不需要增加设定新的 连接线，可以连接到附近原有的电缆上，不仅减少了资金投入，也同样减少了设计、安 装的工作量。根据有关调查资料表明，这样的现场总线系统节约安装6 0 以上的资金。 ( 3 ) 节省在维护时的开销。因为现场的测控设备具有简单地处理故障与自我诊断 的功能，并且将相关的故障诊断和维护信息通过数据通信送往控制室，凶此，用户就可 以获得所有现场控制设备的运行信息和诊断维护等信息，这样就叮以在早期的时候分析 故障的原因，然后把故障快速地排除，不仅缩短了维护时所消耗的时间，而且还减少了 维护时的工作量。 第一章绪论 ( 4 ) 系统的可靠性与准确性得到了提高。因为总线的控制设备是数字化、智能化 的，相比于传统的模拟信号，总线设备在测量与控制的精确度上得到了提高，并且使传 送误差得到了减小。同时，由于现场总线系统简化了结构，所以，控制设备内部的功能 加强了，信号的来回传输也得到了减少。 此外现场总线系统的设备是标准化，模块化的，因而还具有设计简单，易于重构， 系统集成主动权高等优点【7 j 。 1 1 3 国内外研究现状和发展 现场总线可以追溯到上个世纪7 0 年代，并且在上世纪8 0 年代的中后期得到了快速地 发展。1 9 8 3 年，霍尼韦尔生产了第一个智能化的仪表s m a r 变送器，在之后的几十年 中，功能不同且具有不同特色的智能化仪表被世界的各个大公司陆续生产推出，这些产 品为现场总线的诞生奠定了良好的基础【8 】。从1 9 8 4 年现场总线标准被各大公司相继制定 开始起，到现在，这些年来现场总线标准在不断建立起来，因此现场总线的种类也增多 起来，大约已经有了5 0 余种。 到上世纪9 0 年代标准化的组织开始成立起来，h a r t 通信基金会在1 9 9 3 年成立起 来；同年l o n w o r k s 用户的标准化组织l o n m a r k 国际也成立了起来；1 9 9 4 年6 月成立的现 场总线基金会是由w o r l d f i p 和t s p ： l 美部分合并而成的；c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 组织 也在1 9 9 7 年成立了i g j 。 最近这些年来现场总线组织开始研究以太网，涉足以太网领域较早的是w o r l d f i p ， 现在p r o f i b u s 现场总线也是以很快的速度发展起来，这可以称作是这些组织建立之后 的最大的发展动作，现场总线也许可以让它们从根本上摆脱技术的相对落后。虽然因为 以太网协议t c p i p 的限制，所以进展不是很理想，但是以太网c i p 和c i p 技术的快速发展 会很快地改变这个情况【1 0 】。以太网的c i p 称为e t h e r n e t i p ，它拥有多个现场总线组织的 支持。因此它为了解决t c p i p 协议的限制，而不能进入控制领域的问题提供了一个拥有 可行性的方案。c i p 是一种控制和信息协议，该协议是基于主机客户机的，而且是为了 t c p 厂u d p i p 定义的。 随着总线技术的快速发展和过度，现场总线技术将会越来越紧密的结合以太网。 虽然我国的现场总线技术较晚j 起步，但是由于中国的经济正在飞速发展阶段，而 且市场潜力相当大，所以，国外的现场总线在我国展开了大规模的竞争，国内拥有自我 开发专利的总线产品也逐步推出市场，在各个行业中现场总线技术的应用也越来越广 泛。 我国1 9 9 8 年8 月从美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司引进了第一套现场总线系统，该系统采 用了最新的技术，并且也是f f 技术第一次在我国运用j 。 在我国应用比较早的总线是c a n ，s d s 智能分布式系统就是由我国华控技术公司利 用c a n 协议开发的，同样也应用c a n 技术的h 5 2 0 0 0 系统内部网络足由和利时公司开发 的【j 2 】。 2 0 0 1 年“基于高速以太网技术的现场总线控制设备”【l3 】是以浙江大学中控为主承担 的c i m s 主题重点课题，并且最新的工业控制通讯标准e p a 开始制定了。 第一章绪论 2 0 0 3 年e p a 被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 e f a m i l y1 4 ) 1 4 】。这将使得我国的自动化技术在国际中拥有越来越强大的竞争力，这也将 迅速推动我国自动化领域的发展。 p r o f i b u s 现场总线技术已经得到我国各界的重视，已经在我国很多行业中得到广 泛应用。 2 0 0 1 年我国将几项总线标准立项为行业标准，主要有p r o f i b u s 、h a r t 、f f 等， 尤其是2 0 0 1 年1 1 月p r o f i b u s 标准的中文本已经被批准做为我国的第一个个行业标准， 标准编号为j b t1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 。2 0 0 3 年，修订为j b t0 3 0 8 3 2 0 0 1 。并且计划在2 0 0 4 年完 成修 ：t p r o f i b u s 行业标准的工作【l 5 。 现在我国国内多种现场总线并存的局面促使各种总线问展开了激烈的竞争。中国现 场总线委员会已经由中国仪器仪表行业协会组织成立，简称c f c ，并且参加了国际f f 组 织【1 6 】；1 9 9 7 年中国现场总线p r o f i b u s 用户组织c p o 也成功地成立了。 最近几年中我国开发的现场总线产品主要集中在仪表及现场设备领域。主要产品 是：传感器、现场总线f o 接口等。 1 1 4 几种有影响的现场总线技术 ( 1 ) 基金会现场总线，f f 在自动化领域f f 拥有良好的发展前景和广泛的支持技术。f f 的前身是8 0 家大公司制 订的i s p 协议和霍尼韦尔公司联合欧洲1 5 0 家公司制订的w o r l df i p 协议。1 9 9 4 年9 月，以 上两个协议组织合并，然后成立了现场总线基金会，该基金会的主要工作是开发统一的 现场总线协议【i 刀。它基于i s o o s i 的开放系统模型，在此模型的物理层、数据链路层、 应用层的基础上搭建f f 的通信模型，并且在应用层之上加上了用户层。所加的用户层主 要是对于现场自动化测控设备的应用需要，定义了信息数据交互的统一规则，利用现场 设备描述语言定义了通用的功能块集【l 引。因为上述的公司是现场自控设备的主要供应 商，所以这些公司非常了解工业底层网络的功能需求，同样拥有可以左右自动化领域现 场自控设备发展的能力，因此由这些公司组成的基金会可以颁布拥有一定权威性的现场 总线规范。 f f 分高速h 2 和低速h l 两种通信速率。h 2 的传输速率有两种，分别是1 m b p s 和 2 5 m b p s ，这两种传输速率的通信距离分别是7 5 0 米和5 0 0 米，双绞线、光缆和无线发射 可以作为传输介质。h l 的传输速率是3 1 2 5 k b p s ，通信距离是1 9 0 0 米，如果需要延长距 离可以加中继器【i 圳。 ( 2 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 是另种有实力的现场总线技术。它是由美国e c h e l o n 公司推出并与 t o s h i b a 、m o t o r o l a 公司合作倡导的，并且正式公布彤成于1 9 9 0 年。它采用了互联开放 式系统模型第一层到第七层全部的通讯协议，其设计方法面向对象，网络通信设计简化 为参数设置，此项设置是通过网络变鼍完成的，该网络的通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，通信距离可以达至u 2 7 0 0 米，支持多种通信介质，并且开发出了相应的产品，该网 络技术被誉为通用控制网络【2 0 1 。 第一章绪论 在l o n w o r k s 技术中，n e u r o n 神经元芯片中封装了l o n t a l k 协议，因此l o n w o r k s 技术 得以实现【2 l 】。n e u r o n 神经元芯片中有3 个8 位c p u ，其中的一个用束实现i s o o s i 模型中 的第一层和第二层的功能，这个c p u 被称作是媒体访问控制处理器，其功能是实现控制 和处理介质访问；第二个c p u 用于完成第三层到第六层的功能，其被称作是网络处理器， 用于处理、寻址、背景诊断网络变量等，并且用于实现网络通信控制等。最后一个c p u 被称作是应用处理器，用来控制操作系统的服务和用户代码。这个集成芯片中还拥有存 储信息的缓冲区，用来实现这三个c p u 之间的信息传递，并且可以作为网络缓冲区和应 用缓冲区。 ( 3 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 现场总线标准集合了欧洲的标准e n 5 0 17 0 和德国的标准d i n 19 2 4 5 。 p r o f i b u s 系列由三部分组成，分别是p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a ，p r o f i b u s f m s 。 p r o f i b u s d p 用在实现分散现场设备间的高速数据传输，比较适合应用在加工自动化 领划2 2 1 。p r o f i b u s p a 主要是用于过程自动化领域，它符合i e c l1 5 8 2 标准。 p r o f i b u s f m s 则比较适合应用于楼宇自动化等领域，该总线是由s i e m e n s 公司为 主的多家研究所和公司联合推出的。f m s 采用的技术主要是基于i s o o s i 模型的物理层 和数据链路层。并且，该总线还采用了应用层。其传输速率为9 6 k b p s 至l j l 2 m b p s ，而且 传输距离在传输速率为1 2 m b p s 时可以达到1 0 0 米，在1 5 m b p s 是可以达至l j 4 0 0 米，如果中 间采用中继器，那么距离可以延长n 1 0 千米。p r o f i b u s 的传输介质可以是双绞线和光 缆。并且最多可连接1 2 7 个设备站点。 ( 4 ) c a n 控制局域网络的简称是c a n ，它由德国b o s c h 公司最早推出，用在汽车部件与测 量之间的数据通信。c a n 的总线规范现在己经被制订为国际标准。因为得到了摩多罗拉， 因特尔，飞利浦，n e c ，西门子等多家公司的支持，所以c a n 在离散控制领域应用广泛。 c a n 的协议也是建立在i s o o s i 互连模型基础上的，但是，c a n 的模型结构只有第一层， 第二层和第七层，分别是物理层、数据链路层和应用层1 23 。c a n 信号的传输介质只能是 双绞线。通信速率是1 m b p s ，距离达至l j 4 0 米，最远的直接传输距离可以达到1 0 千米。可 连接的设备数可以达到1 1 0 个之多。 c a n 总线采用短帧结构的信号，一帧的有效字节数是8 个，所以传输的时间较短， 并且降低了受干扰的概率。当网络节点发生严重错误时，会将其自动关闭，这样可以切 断这个节点与总线的联系，不会使总线上的其他网络节点受到影响，拥有强大的抗干扰 能力【2 4 】。 ( 5 ) h a r t h a r t 最先由r o s e m o u n t 公司开发，并且八十多家全球大公司表示支持，1 9 9 3 年， h a r t 通信基金会成立了1 25 | 。这种h a r t 开放通信协议，它的特点是能在原有模拟信号 传输线的基础上实现数字信号的通信，是在模拟信号控制系统向数字信号系统的转变过 程中的过渡性产品，所以在现在这个时期具有很强的竞争力，并且能够j j 有很快的发展。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场总线的设备开发商采用d d l 语言来描述 现场设备的特性，这些设备描述是由h a r t 通信基会会负责登记管理并且把这些描述编 第一章绪论 成设备描述的字典，主设备不必要开发专用的接口，只需要运用d d l 语言来理解这些设 备的特性参数。但是因为这种模拟信号和数字信号混合的制度，所以很难开发出一种能 满足各种要求的专用接口芯片。 h a r t 可以利用总线来供电，并且满足安全防爆的要求，而且组成的双主设备系统 的主设备可以由管理系统主机与手持编程器组成。 常用的几种现场总线如表1 1 所示。 表1 1 几种有影响的现场总线比较 总线 p r o f i b u sf fl o n w o r k sc a nh a r tp 小m t 类型 模拟系统加工、楼字、 石油化工、连 楼宇、航空、 交通车辆向数字系 食品、农业、 应用过程自动 续工业过程控 能源等领域等统的过渡 啤酒及饲养 领域化、发电与 制业等方面 输配电领域性产龆 传输 3 1 2 5 k b p s h 1 ， 9 6 1 4 - l z m b ph 2 有i m b p s 和3 0 0 b p s 1 5 m b p5 k - l m b p1 2 0 0 b p s7 6 8 k b p s 速率 2 5 m b p s 通信 第一、二、 第一，二、七第一、二、 第一、二、三、 七层及用全部七层第一、二层七层及服务 模型层及用户层七层 户接口层 通信双纹线、光双绞线、光缆舣纹线、同轴 介质缆和无线发射等电缆、光纤等 双绞线电缆屏蔽舣绞线 1 2 课题的主要研究内容及论文章节安排 在现场总线技术的选择上，本文设计选择p r o f i b u s d p v l 现场总线技术，主要是 因为p r o f i b u s 技术发展的比较成熟，而且拥有广泛的应用，并且占有全球很大的市场， p r o f i b u s 已经作为在我国国内的现场工业标准。因此开发p r o f i b u s d p v l 智能从站 的技术可行性和其市场意义都拥有很大的优势。 本研究课题以天津理工大学的天津市复杂工业控制理论与应用重点实验室为背景。 主要研究内容有： ( 1 ) 对p r o f i b u s d p v l 系统可能出现的故障进行研究分析，以及提出提高 p r o f i b u s d p v l 现场总线控制系统可靠性的理论方法。 ( 2 ) 研究熟悉p r o f i b u s d p 协议芯片s p c 3 的结构，了解其协议实现方式以及过程， 在上述基础上深入研究，来实现p r o f i b u s d p v l 通信； ( 3 ) 完成主站与从站间的软件设计，包括基于p r o f i b u s d p v l 协议的主从通信实 现。 第一章绪论 ( 4 ) 搭建以p l c 为主站的单主从p r o f i b u s d p v l 网络来实验p r o f i b u s d p v l 通 信，并完成试验。 本文的关键问题是：利用c 语言编写p r o f i b u s d p v l 智能从站中单片机a t 8 9 s 5 2 的程序，实现实时性，缩短反应时间以及g s d 文件编写成为本研究课题的关键问题 本课题是在充分阅读资料和研究多项课题等研究基础上提出的，是一个理论研究价 值和实际应用价值兼具的基础课题。本课题以工业控制系统实际需求为背景，强调理论 为实际服务，开展理论与技术的结合研究。 研究方案： ( 1 ) 利用c p u 4 1 4 3 实现进行主从站之间的通信 ( 2 ) 采用s p c 3 协议芯片构建智能从站 ( 3 ) 在d p v l 智能从站中加入模糊控制器 本文主要章节安排： 第一章绪论。介绍现场总线的发展情况、特点、意义等。以及本课题的主要研究 内容和大体方案。 第二章p r o f i b u s 现场总线技术。简要介绍p r o f i b u s 的类型和结构，以及 p r o f i b u s d p 所涉及的各层规范。 第三章p r o f i b u s d p v l 智能从站硬件设计。详细介绍了s p c 3 协议芯片以及本课 题所设计的智能从站硬件方案。 第四章p r o f i b u s d p v l 智能从站软件设计。说明了本课题设计的智能从站的软件 结构，d p v l 的非周期性数据通信，g s d 文件的编写，以及模糊控制器的设计。 第五章组网及测试。介绍了p r o f i b u s d p v l 的组网过程以及测试结果。 第六章总结与展望。总结了本文设计的特点以及创新之处，对p r o f i b u s d p v l 智能从站的发展进行了展望。 第二章p r o f i b u s 现场总线技术 第二章p r o f i b u s 现场总线技术 2 1p r o f i b u s 简介 过程现场总线的缩写是p r o f i b u s ， p r o f i b u s 系列一共分成三个部分： p r o f i b u s p a 。 该总线具有国际性和开放性。 p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 和 ( 1 ) p r o f i b u s f m s 是基于车间监控级的总线报文规范，可以支持的通信服务数 量很大【2 6 1 。用来执行在传输速度不是很高的情况下的循环与非循环数据通信。应用层为 用户提供了通信服务。f m s 还拥有管理功能，由第七层来实现。 ( 2 ) p r o f i b u s d p 是在现场级进行高速率数据交换的总线规范。现场级中，主站 通过总线和现场工控测试设备进行通信。主站程序的循环时间一定比总线循环时间长。 p r o f i b u s d p v l 除了p r o f i b u s d p v 0 支持周期性数据通信外还支持非周期性通信。 ( 3 ) p r o f i b u s p a 通过总线把设计的自动化系统和现场设备连接起来，并替代了 传统的4 2 0 m a 模拟技术【2 。 自动化系统分为三级机构。p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s p a 位于系统的最底层，现 场级，而p r o f i b u s f m s 则位于车问级。如图2 1 。 第二章p r o f i b u s 现场总线技术 图2 1p r o f i b u s 面向现场级与车间级的数字化通信网络 本课题的研究对象是p r o f i b u s d p ，其应用范围比其他两者都大。 o 第二章p r o f i b u s 现场总线技术 2 2p r o f i b u s 协议结构 i s o o s i 参考模型p r o f i b u s 层次结构 f f d 2 2i s o o s i 参考模型与p r o f i b u s 体系结构比较 图2 2 为i s o o s i 模型与p r o f i b u s 体系结构的比较。为了快速响应分散现场工控设 备的要求，所以通信协议要简单、传输速率高且可靠。所以p r o f i b u s 协议是以i s o o s i 模型为基础的。 2 3p r o f i b u s d p 物理层规范 总线电缆采用屏蔽双绞线的d p 系统应用最为广泛。 d p 的信号是以r s 4 8 5 形式传输的【2 8 】。因为d p 总线是半双工的，所以接收数据和发 送数据不能同时进行。 2 4p r o f i b u s d p 数据链路层规范 ( 1 ) 概述 第二层数据链路层常被称做f d l ，包括了介质访问控制子层和总线链路控制子层。 p r o f i b u s d p 总线控制中，主站之问采取令牌传递的控制方式，而主站和从站之 间采用主从控制方式。如图2 3 所示。 第二章p r f f i b u s 现场总线技术 图2 3p r o f i b u s 总线存取方式 ( 2 ) p r o f i b u s 的公共通