现场总线控制技术在汽车装配自动化中的应用研究.pdf

分类号密级 名座大乎 硕士学位论文 论文题目 现场总线控制技术在汽车 装醒自动丝虫的应用班窒 作者姓名 塞9 洼 豢鬻翟 周齐国副教授 称 学位及单位地址 型塑型里 型 蔓 重庆大学电气工程学院 申请学位级别 歪蛙专业名称 一生劐堡迨量控圭9 王猩 论文提交日期2 0 0 1 生1 2 旦 q 旦论文答辩日期 2 0 0 2 生 旦j 8 旦 学位授予单位和日期 重庆大学 答辩委员会主席 评阅 一僻一一 人 固丝放度胡i 塑 夕舻1 年 月馏日 庆人学硕十学位论文摘要 摘要 本文的研究工作是结合重庆长安集团某汽车装配车问的自动 改造实际工程进行的 对现场总线及智能控制技术在汽车装配 动化系统中的应用做出了一定的研究和成果 其主要贡献在于 应用p r o f i b u s 现场总线技术做出实际改造工程的设计方案 并 比传统集散控制系统 d c s 分析评价了该方案的功能特点 济合理性和优越性 2 针对汽车装配车间的一条车体储运链 用模糊控制技术和总线通信技术 设计出节能运行模糊控制调 方案 通过m a t l a b 程序仿真分析 结果表明能产生显著的经济 益 3 应用组态软件k i n g v i e w 6 0 设计了一个9 7 汽油加注站 人机界面监控系统程序 该程序具有易操作管理 界面直观和 好以及安全可靠的特点 而且适用于类似的控制系统 对于如 设计科学 合理和实用的面向过程控制的人机界面 提出了一 具有一定参考价值和指导意义的设计方法和原则 论文共分5 章 第1 章简要阐述了现场总线技术的产生 发展 研究方向 第2 章剖析了p r o f i b u s 总线技术的基本特性和通信 议 第3 章讲述了应用p r o f i b u s 现场总线技术 对重庆长安 团某汽车装配车间的自动化改造工程做出的设计改造方案 并 用模糊控制理论做出一条汽车储运链的模糊控制调速方案 采 m a 丁l a b 程序仿真进行分析 对其结果分析评价 由此评述总 系统中应用模糊控制方案的特点和优点 第4 章探讨了如何应 组念软件设计开发面向过程控制的人机界面 应用组态软件 n g v i e w 6 0 设计了一个9 7 汽油加注站的人机界面监控系统程 提出了一些人机界面监控系统程序的设计方法和面向过程控 的设计原则 第5 章总结了论文工作 键词 现场总线 p r o f i b u s 模糊控制 人机界面 组态软件 坠竺 里 g 篁 g q g 竖 堡 堡垒 型 a b s t r a c t t h i st h e s i si s b a s e do na na u t o m a t i o nt r a n s f o r m a t i o np r o j e c ti n o n ea s s e m b l ys h o po fc h o n g q i n gc h a n g a na u t o m o b i l ec o m p a n y i t m a k e sc e r t a i nr e s e a r c ha n dr e a l l ya t t a i n ss o m ea c h i e v e m e n t si nt h e a p p l i c a t i o n o ff i e l d b u sa n d i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y f o r a u t o m o b i l ea s s e m b l ya u t o m 3 t i o ns y s t e m i t sm a i nc o n t r i b u t i r n r a t h ef o l l o w i n g 1 i td e s i g n sat r a n s f o r m a t i o ns c h e m ef o rt h ep r o j e c t w i t hp r o f i b u st e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m d c s t h es c h e m ei sa n a l y z e df o ri t sf u n c t i o n c h a r a c t e r s e c o n o m i cr a t i o n a l i t ya n ds u p e r i o r i t y 2 i td e s i g n sa f u z z yg o v e r n i n gs c h e m e f o rt h e s a v i n g e n e r g yo p e r a t i o no f a n a u t o m o b i l es u p p l yl i n ei no n ea s s e m b l ys h o p w i t hf u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g y a n df i e l d b u sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y b y t h e m a t l a bp r o c e d u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a ti t b r i n g s r e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i t 3 i t d e s i g n s ah u m a n m a c h i n e i n t e r f a c es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mp r o c e d u r ef o ra9 7 g a s o l i n e f i l l i n gs t a t i o ni nt h ea s s e m b l ys h o p w i t hg r a p h i c a lc o n t r o ls o f t w a r e k i n g v i e w6 0 t h ep r o c e d u r eh a ss u c hc h a r a c t e r sa se a s yo p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n t f r i e n d l ya n dv i s u a li n t e r f a c e s a f e t ya n ds oo n m o r e o v e r i tc a nb eu s e df o rs i m i l a rc o n t r o ls y s t e m a sf o rh o wt o d e s i g n s c i e n t i f i c r e a s o n a b l ea n d p r a c t i c a lp r o c e s s c o n t r o l h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e s o m er e f e r e n c ea n d g u i d i n gd e s i g n m e t h o d sa n dp r i n c i p l e sa r ep r o p o s e di nt h et h e s i s t h et h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s c h a p t e rl g i v e sag e n e r a l e x p l a n a t i o n o ff i e l d b u s p r o v i d e sf i e l d b u sr e s e a r c hd i r e c t i o n s c h a p t e r 2 a n a l y z e s p r o f i b u sf u n d a m e n t a lc h a r a c t e ra n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i nc h a p t e r3 ap r o f i b u st r a n s f o r m a t i o n d e s i g ns c h e m e i s p r e s e n t e d f o rt h ea u t o m a t i o n p r o j e c t i no n e a s s e m b l ys h o p o fc h o n g q i n g c h a n g a na u t o m o b i l ec o m p a n y f u r t h e r m o r e af u z z yg o v e r n i n g s c h e m ei s d e s i g n e d f o ra n a u t o m o b i l es u p p l yi i n e a n dt h ee v a l u a t i o ni sd o n eo nt h es i m u l a t i o n r e s u l tm a d eb yt h em a t l a bp r o c e d u r e b yt h ew a y t h ec h a r a c t e r s a n dm e r i t so ft h ef u z z yc o n t r o ls c h e m ei nf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ma r e d i s c u s s e d i nc h a p t e r4 t h ea u t h o rd i s c u s s e sh o wt ou s eg r a p h i c a l 竺苎 里里 量 塑 堕 堡竺 竺皇竺里堡垒 堡型翌 堡垒堕型 c o n t r 0 1s o f l w a r et od e s i g np r o c e s sc o n t r o lh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ap r o c e d u r ef o rt h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c es u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mo fa9 7 g a s o l i n ef i l l i n gs t a t i o ni sd e s i g n e dw i t hg r a p h i c a l c o n t r o ls o f t w a r e k i n g v i e w6 0 s o m ed e s i g nm e t h o d sa r er a i s e df o r h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mp r o c e d u r e a n d s o m e d e s i g np r i n c i p l e s a r e p r e s e n t e d f o r p r o c e s s c o n t r o l h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e k e y w o r d f i e l d b u s p r o f i b u s f u z z yc o n t r o l h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e g r a p h i c a lc o n t r o ls o f t w a r e 重庆大学硕士学位论文1 概述 1 1 论文课题来源 1 概述 本论文课题的研究工作是结合重庆某汽车装配车间的自动化 改造工程进行的 该改造工程自2 0 0 1 年4 月开始进行 到2 0 0 1 年1 0 月竣工验收 承建单位是清华同方股份有限公司重庆合作公 司一集智电气自动化有限公司 指导老师周齐国副教授安排笔者 自始至终在该改造工程项目上进行调研 辅助设计和调试工作 笔者在认真参与该改造项目工程的过程中 提出了本论文课题 并经论证得到了指导老师的认可及有关专家和工程技术人员的赞 同和支持 1 2 现场总线技术的产生和应用 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低 计算 机与计算机网络系统得到迅速发展 而处于生产过程低层的测控 自动化系统 采用一对一连线 用电压 电流的模拟信号进行测 量控制 难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换 使 自动化系统成为 信息孤岛 要实现整个企业的信息集成 要实 施综合自动化 就必须设计出一种能在工业现场环境运行 性能 可靠 造价低廉的通信系统 形成工厂底层网络 完成现场自动 化设备之间的多点数字通信 实现底层现场设备之间以及生产现 场与外界的信息交换 l 现场总线就是在这种实际需求的驱动下 应运而生的 它作为过程自动化 制造自动化 楼宇 交通等领 域现场智能设备之间的互连通信网络 沟通了生产过程现场控制 设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系 为彻底打破自 动化系统的信息孤岛创造了条件 从1 9 8 4 年起 美国仪表协会 i s a 下属的标准与实施工作 组中的i s a s p 5 0 开始制定现场总线标准 1 9 8 5 年 国际电工委员 会决定由p r o w a yw o r m n gg r o u p 负责现场总线体系结构与标准的 研究制定工作 1 9 8 6 年 德国开始制定过程现场总线 p r o c e s s f i e l d b u s 标准 简称为p r o f i b i j s l 9 j 由此拉开了现场总线标准 制定及其产品开发的序幕 重庆大学硕十学位论文1 概述 当过程控制技术由分立设备向共享设备发展 自动化技术由 模拟仪表向智能仪表发展 计算机网络技术向现场延伸时 过程 控制技术 从控制手段来分 同时经历了5 个发展阶段 即人工 控制阶段 模拟仪表控制系统阶段 5 0 年代开始 计算机集中监 督控制阶段 6 0 年代开始 分散控制系统 d c s 阶段 7 0 年代 开始 现场总线控制系统 f c s 阶段 9 0 年代开始 现场总线控制系统 f c s 是2 1 世纪自动化控制系统的发展 方向 是继分散控制系统 d c s 后一种全新的控制体系发展 是 过程控制技术发展的一次质的飞跃 现场总线控制系统的核心是 现场总线技术 自8 0 年代末以来 有几种现场总线技术已逐渐形成其影响 并在一些特定的应用领域显示了自己的优势 它们分别是基金会 现场总线 f f f o u n d a t i o nf i e l d b u s p r o f i b u s l o n w o r k s c a n w o r ld f i p 和h a r t 等 表1 1 列出了上述几种典型现场总线 技术的基本特性和对照关系 表1 1 几种典型现场总线技术的特性对照表 名称 特性 c a nl o n w o r k sw o r l d f i pp r o 矗b u sh a r tf f 应用对蒙离教控制所有方短过程控制过程控制一次仪表所有方面 o s i 层次 1 2 7 i 一7 1 2 7l 2 71 2 7i 2 7 系统类型总线 叫络 总线总线总线总线 主从 令 介质访问 c s m a c ac s m a c a主从 令牌 主从 令牌主从 令牌 牌 错误校正 c r cc r cc r cc r cc r cc r c 同轴电缆 电 双绞线 原线 光纤 双绞线 双绞线 光 通信介质双绞线 光纤双绞线 光纤 光纤无线电 红外光纾纤 红外发射 线 单点 多单点 多单点 多点 单点 多点 寻址方式广播广播 点 广播点 广播广播广播 5 k b s l3 0 0 b s i 5 9 6 k h 一 3 1 2 5 k b s 一 传输速率 25 m b s 3 u p d a t e s s m b sm b s1 2 m b s2 5 m b l s 1 0 0 m 1 0 5 0 0 t n 1 9 k 传输距离 l o k m2 7 k m1 0 k m3 k i n k m 网络供电不是是是是是不是 优先级 支持支持 支持 支持支持支持 系统控制命令 命令 状态 命令 状态状态命令 状态命令 状态 重庆大学硕士学位论文1 概述 1 2 1 现场总线的概念 现场总线是一种工业数据总线 主要解决工业现场的智能化 仪器仪表 控制器 执行机构等现场设备间的数字通信以及这些 现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 所以现场总 线既是通信网络 又是自控网络 它作为通信网络 所传递的是 接通 关断电源及开关阀门的指令与数据 直接关系到处于运行 操作过程之中的设备和人身的安全 要求信号在粉尘 噪声 电 磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确及时到位 同时还具有节点 分散 报文简短等特性 它作为自动化系统 在系统结构上发生 了较大变化 其显著特性是通过网络信号的传送联络 可由单个 节点也可由多个网络节点共同完成所要求的自动化功能 这是一 种由网络集成的自动化系统 按照国际电工委员会i e c 6 n 5 8 的标准定义 现场总线是 安 装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之 间的数字式 串行 多点通信的数据总线 i 简单的说就是从 控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线 它是应用在生产 现场 在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信 系统 也被称为开放式 数字化 多点通信的底层控制网络 1 2 2 现场总线的特点 现场总线是3 c 计算机 通信 控制 的融合 它把微机处 理器置入现场自控设备 使设备具有数字计算和数字通信能力 提高了信息传输精度 也为其远程传输创造了条件 简单地概 现场总线控制系统的特点就是信号传输全数字 控制功能全分散 标准统一全开放 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式 传统模拟控制系统采用一对一的设备连线 按控制回路分别进行 连接 位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间 控制 器与位于现场的执行器 开关 电机之间均为一对一的物理连接 现场总线系统由于采用了智能设备 能够把原先d c s 系统中处于 控制室的控制模块 各输入输出模块置入现场设备 加上现场设 备具有通信能力 现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直 接传送信号 因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控 制仪表 直接在现场完成 实现了彻底的分散控制 图1 1 为现 场控制系统与传统控制系统的结构对比i lj 重庆大学硕士学位论文 1 概述 传统控制系统结构示意图现场总线控制系统结构示意圈 图1 1 现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较 f i g 1 1 s t r u c t u r e c o m p a r i s o n o ff i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ma n d t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m 现场总线控制系统采用数字信号替代模拟信号 因而可实现 一对信号线上传输多种信号 包括多个运行参数值 多个设备状 态和故障信息等 现场设备以外不再需要模拟 数字 数字 模拟 转换部件 这样就为简化系统结构 节约硬件设备 节约连接电 缆与各种安装 维护费用创造了条件 现场总线是一场技术革命 它带来了人们观念上的重大变1 以往开发新产品 往往只注意新产品本身的性能指标 对于新产 品与其它相关产品的关联考虑的就少一些 这样对于比较保守的 电工行业来说 新产品就不那么容易地被新用户接受 而现场总 线产品却恰恰相反 它是一个由用户利益驱动的市场 用户对新 产品应用的积极性比生产商更高 然而 现场总线新产品的开发 也与传统产品不同 它是从系统构成的技术角度来看问题 它注 重的是系统整体性能的提高 系统整体之间的配合 而不仅仅强 求局部最优 而且整体之间的这种配合在主控计算机软件运行下 能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能 这一点是传统产 品很难做到的 重庆大学硕士学位论文l 概述 1 2 3 现场总线控制系统的组成 现场总线控制系统通常由以下3 部分组成 现场智能仪表 控制器 现场总线系统 监控 组态计算机 这里的仪表 控制器 计算机都需要通过现场总线网卡及通 信协议软件连接到网上 因此 现场总线网卡及通信协议软件是 现场总线控制系统的基础和神经中枢 同时开放式现场总线控制系统还应具有组态技术 包括数据 组态及控制算法组态 生成的参数及算法不仅可以在控制器中运 行 所谓s o f tp l c 还可以在远程i 0 或智能设备上运行 按 照现场总线标准定义的功能块可以在智能仪表及执行机构中进行 运算 以实现真正的分布式控制 1 2 4 现场总线控制系统的体系结构 现场总线控制系统是一个实现电气传动控制 仪表控制和计 算机控制一体化的系统结构 它由三层网络组成 最底层 即i o 端 为低速现场总线 如f f 的h 1 d e v i c en o t 或p r o f i b u s 的 p a 连成的控制网络c n e t 连接各种智能仪表 包括压力变送器 温度变送器 流量测量仪表及调节阀等 等现场设备 各控制 节点下放到现场 构成一种彻底的分布式控制体系结构 中间的 一层采用中速网 如f f 的h 2 或p r o f i b u s 的d p 连接控制器 数据集中器 远程i 0 及智能i o 设备 形成系统网络s n e t 其 中低速现场总线通过耦合器连到中速现场总线并作为其一个节 点 最上一层即决策支持层m n e t 采用高速以太网连接各控制 与站级计算机 现场总线控制系统的网络拓扑结构可采用线形 总线形 星 形 环形等 一般情况下采用线形结构 这是由于线形结构比较 容易解决网络供电和本安防爆等问题 而且在线形结构时的现场 总线支路的电源负载是确定的 沿总线的电源电压的变化是可以 预料的 网络的通讯介质很多 常用的有电话线 双绞线 光导 纤维电缆 同轴电缆 无线等 选择传输介质时主要要考虑介质 的电气隔离和电磁兼容性这两个因素 一个典型 的企业网络信息集成系统也可以分成三层结构 即 i n f r a n e t 控制网 也叫做f c s 企业内部网i n t r a n e t 和全球信 息互连网i n t e r n e t i n t r a n e t 是企业内部小范围内的因特网 并 重庆大学硕士学位论文1 概述 采用防火墙或代理以防止外部闯入者 有效地集成网络的开放性 安全性和访问的透明性 i n t r a n e t 可以看作是因特网 万维网 w o r i dw i d ew e b 局域网等技术的集成物 并与i n t e r n e t 相 连 利用因特网提供的丰富的信息资源和各种服务 这时的f c s 只是其中的一个组成部分 实现现场级的测量和控制 f c s 通过网 桥将现场测量控制设备互连成为通信网络 实现不同网段 不同 现场通信设备之间的信息共享 同时f c s 又通过以太网或光线通 信网将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室 并进一步 实现与操作终端及上层控制管理网络的连接和信息共享 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 f c s 还通过网关接到上层管理网上 把工业现场的各种参数与 数据传到上层管理网络 为管理层决策提供第一手资料 从而实 现管控一体化 在企业综合自动化的条件下 现场总线控制系统不再是单独 分立的低层现场设备网络 而是企业信息网的测控子网 是整个 网络数据信息流的起点 因此现场总线控制系统应具备完善的同 上层信息网络交换 转换 数据的接口 这也是实现管控一体化 的硬件基础 而企业综合自动化系统也终于可以实现从最高决策 层到最低设备层的综合管理和控制 从而形成一个完整的系统 如果希望连接更多的智能仪表或连接距离更远的现场仪表 可在 现场总线上加中继器 如一条h 1 现场总线最多可加4 个中继器 加上4 个中继器后 h 1 总线全长可达7 2 公里 这一点同时也反 映了基于现场总线的控制系统的最主要的特点 即用户可以根据 自己的需求设计相应的控制结构 1 2 5 当今主要几种有影响的现场总线技术 自8 0 年代末以来 有几种现场总线技术已逐渐形成其影响 并在一些特定的应用领域显示出了各自的优势 它们具有各自的 特点 也显示出了较强的生命力 对现场总线技术的发展已经发 挥并将继续发挥较大作用 1 2 5 苎全会现场总线 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 是在过程自 动化领域得到了广泛支持和具有良好发展前景的技术 它是由以 美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首 联合f o x b o r o 横河 a b b 西 重庆大学硕士学位论文l 概述 西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以美国h o n e y w e l l 公司为 首 联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r l df i p 协议 于1 9 9 4 年合并统一而成的现场总线技术 它以i s o o s i 开发系统互连模 型为基础 取其物理层 数据链路层 应用层为f f 通信模型的相 应层次 并在应用层上增加了用户层 用户层主要针对自动化测 控应用的需要 定义了信息存取的统一规则 采用设备描述语言 规定了通用的功能块集 基金会现场总线分低速h 1 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 0m 可加中继器延长 可 支持总线供电 支持本质安全防爆环境 h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种 其通信距离分别为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 协议符合i e c l l 5 8 2 标准 其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码 基金会现场总线的主要技术内容 包括f f 通信协议 用于完 成开放互连模型中的第2 7 层通信协议的通信栈 c o m m u n i c a t i o ns t a c k 用于描述设备特征 参数 属性及操 作接口的d d l 设备描述语言 设备描述字典 控制 工程量转化 等应用功能的功能块 实现系统组态 调度 管理等功能的系统 软件技术以及构筑集成自动化系统 网络系统的系统集成技术 1 2 5 2l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉 东 芝公司共同倡导 于1 9 9 0 年正式公布而形成的 它采用了i s 0 o s i 模型的全部七层通信协议 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 其通信速率从3 0 0 b p s 至 1 5 j l b p s 不等 直接通信距离可达2 7 0 0 m 7 8 k b p s 双绞线 支 持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线等多种通信 介质 并开发了相应的本质安全防爆产品 被誉为通用控制网络 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现 集成芯片中有3 个8 位c p u 一个用 于完成开放互连模型中第1 和第2 层的功能 称为媒体访问控制 处理器 进行网络变量的寻址 处理 背景诊断 路径选择 软 件计时 网络管理 并负责网络通信控制 收发数据包等 第三 个是应用处理器执行操作系统服务与用户代码 芯片中还具有存 储信息缓冲区 以实现c p u 之间的信息传递 并作为网络缓冲区 和应用缓冲区 l o n w o r k s 技术与产品已被广泛应用于楼宇自动化 重庆大学硕士学位论文l 概述 家庭自动化 保安系统 办公设备 交通运输 工业过程控制等 行业 另外 在开发智能通信接口 智能传感器方面 l n w o r k s 神经元芯片也具有独特的优势 1 2 5 3p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n s 0 1 7 0 的 现场总线标准 由p r o f i b u s d p p r o f i b u s f m s p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列 d p 型用于分散外设间的高速数据传输 适合于加工自动化领域的应用 f m s 意为现场信息规范 p r o f i b u s f m s 适用于纺织 楼宇自动化 可编程序控制器 低压 开关等 而p a 型则是用于过程自动化的总线类型 它遵从 i e c i l 5 8 2 标准 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公 司 研究所共同推出的 它采用了o s i 模型的物理层 数据链路 层 f m s 还采用了应用层 传输速率为9 6 k b p s 一1 2 m b p s 最大传 输距离在1 2 m b p s 时为1 0 0 m 1 5 m b p s 时为4 0 0 m 可用中继器延长 至l o k m 其传输介质可以是双绞线 也可以是光缆 最多可挂接 1 2 7 个站点 可实现总线供电与本质安全防爆 1 2 5 4c a n c a n 是控制局域网络 c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称 最 早由德国b o s c h 公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间的 数据通信 其总线规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准 由于得到了m o t o r o l a i n t e l p h i l i p s i e m e n c e n e c 等公司的支 持 它广泛应用于离散控制领域 c a n 协议也是建立在国际标准组 织的开放系统互连模型基础上的 不过 其模型结构只有三层 即只取o s i 底层的物理层 数据链路层和顶层的应用层 其信号 传输介质为双绞线 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 s k b p s 可挂接设备数最多可达1 1 0 个 c a n 的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8 个 因而传输时间短 受干扰的概率低 当节点严重错误时 具有自 动关闭的功能 以切断该节点与总线的联系 使总线上的其它接 点及其通信不受影响 具有较强的抗干扰能力 1 2 5 5l 王 l l t h a r t 是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 的缩写 最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持 于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会 这种被称为可寻址远程传感 8 重庆大学硕士学位论文i 概述 于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会 这种被称为可寻址远程传感 器高速通道的开放通信协议 其特点是在现有模拟信号传输线上 实现数字信号通信 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡 性产品 因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力 得到 了较快的发展 它规定了一系列命令 按命令方式工作 它有三类命令 第 一类称为通用命令 这是所有设备都理解 执行的命令 第二类 称为一般行为命令 所提供的功能可以在许多现场设备 尽管不 是全部 中实现 这类命令包括最常用的现场设备的功能库 第 三类称为特殊设备命令 以便在某些设备中实现特殊功能 这类 命令既可以在基会会中开放使用 又可以为开发此命令的公司所 独有 在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 现场设备开发商采用这 种标准语言来描述设备特性 由h a r t 基金会负责登记管理这些设 备描述并把它们编为设备描述字典 主设备运用d d l 技术来理解 这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口 但由于这 种模拟数字混合信号制 导致难以开发出一种能满足各公司要求 的通信接口芯片 h a r t 能利用总线供电 可满足本质安全防爆要求 并可组成 手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统 1 3 现场总线与现场总线控制系统的研究方向u 3 f 1 4 目f f 对现场总线和现场总线控制系统的研究方向 笔者认为 主要有以下几个方面 现场总线控制系统f c s 和集散控制系统d c s 的集成 d c s 发展到今天可以说是一种比较成熟的理论了 而且目前国内大部 分的控制系统仍然采用的是d c s 结构 一部分的生产厂家和用户 热衷于将二者结合起来 扬长避短 即充分利用已有的控制系统 又能紧跟技术更新的步伐 在这方面一个成功典型的例子是8 0 年 代后期由r o s e m o u n t 提出的通讯协议h a r t h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t et r a n s d u c e r 可寻址远程传感器数据通路 主要是在4 2 0 m a 模拟信号上叠加f s k f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g 频率调制键控 数字信号 结果取得了很好的效果 实现几种现场总线系统的兼容 自8 0 年代末以来 有几种 现场总线技术已逐渐形成其影响 并在一些特定的应用领域显示 了自己的优势 它们分别是基金会现场总线 f f f o u n d a t i o n 重庆大学硕士学位论文1 概述 总线都有一些大公司或跨国集团在大力支持和推广 并且业已形 成了各自的一定应用领域和范围 几种现场总线标准共存 同一 生产现场有几种异构网络互连通讯的局面 被普遍认为会在今后 一段时期内保持存在 因此 研制和开发它们相互之间的兼容技 术成为当今各大公司及一些科研机构和组织竞相追逐的热门课 题 基于现场总线的一次仪表与二次仪表的研制 珂场萌姥格 制系统是基于仪表的控制系统 所以它不仅需要控制系统设备商 的支持 更主要的是要得到分散在现场的传感器及执行设备的支 持 以取代d c s 的数字 模拟混合技术 成为全数字式系统 这样 的系统才会比d c s 有更大的技术及成本优势 目前我国的自动化 装备水平还不是很高 自动化仪表的制造和应用和西方发达国家 相比还有相当一段距离 丰富我国的现场设备 不但能缩短在自 动化仪表制造和应用上和发达国家的差距 还能促使我们国家在 先进技术和新兴行业上不会起点太低 现场总线 与控制网络 下的分布控制即网络控制系统的 理论与技术的研究 网络中研究最多的是现场总线和以太网 现 场总线从一开始就是为连接现场控制设备而设计的 充分考虑了 其对各种运行环境的适应能力及实时控制中确定性的要求 所以 是否符合网络的规范协议 如通信速度 通信距离 物理链接等 决定了现场总线的可靠性 加强网络管理技术研制 我们都知道现场总线控制系统的 主要优点之一就是它的网络通信能力 所以网络的稳定性也就成 为影响控制准确性的主要因素 网络管理技术包括网络管理软件 网络数据操作与传输 努力使控制网络和数据网络结合 随着计算机网络技术的 发展和计算机价格的降低 人们迫切希望能通过i n t e r n e t 来管理 生产过程和与外部进行联系 而i n t e r n e t i n t r 8 n e t i n f r a n e t 之间的相互通信使这种希望成为可能 现场总线接入i n t e r n e t 在 一定条件下可以通过i n t e r n e t 监视并控制这些生产系统和现场 设备的运行情况和各种参数 通过网络实现对远程被控对象的监 控 从而可以节省大量的人力和物力 致力于现场 孟线的一高完蔷 玩场总线是一个翻奸争物 不可避免的会有一些不足之处 如一些简单的数字模拟混合系统 特别是当现场和控制室距离近时 它发挥的优点不太明显 现在 多用的解决办法是增加一些功能更丰富的算法功能块和开放的组 重庆大学硬士学位论文l 概述 态技术 其中组态技术包括网络拓扑结构 网络设备 网段互连 等 现场总线作为自动化领域的一种新技术 同其它控制理论 和技术结合的可能性非常大 尤其是它与高级过程控制理论 如 智能控制 的结合 值得深入研究和探索 现场总线控制系统能 够高效 快速地采集大量的现场节点信息 并且其高速通信网络 可实现快速数据信息交换 控制命令执行和结果反馈等 为高级 过程控制理论的应用和深刻化提供了巨大的应用空间和平台 智 能控制理论和技术发展非常迅速 其学术研究非常活跃 如何将 其与现场总线技术结合起来 从而产生巨大成果 同时使它们相 互促进和完善 是当今自动化控制领域的热门课题 1 4 本文所做的主要工作 笔者根据工程调研情况以及研究生阶段学习的研究方向 确定 本次论文的主要内容如下 剖析p r o f i b u s 现场总线的基本特性和通信协议 结合重庆长安集团某汽车装配车间的自动化改造工 程 做出用p r o f i b u s 现场总线技术设计的改造方案 深入分析该改造工程采用p r o f i b u s 现场总线系统的 必要性 优越性和合理性等 根据调研工程项目中的某一工艺一汽车车体储运链 设计一个节能运行的模糊控制调速方案 针对该方案 应用m a t l a b 开发工具 进行该控制对象能耗仿真 对 比分析在相同工况下 对象在未调速和模糊控制调速 两种情况下的运行能耗 从而得出应用模糊控制技术 调速的合理性和实用性的结论 进一步阐明现场总线 技术和智能控制技术结合应用在工业过程控制中的实 用价值和优越性 对用于过程控制自动化的监控组态软件做出分析 探 讨应用于现场总线控制系统的组态监控程序的开发设 计要求和思想 对于如何设计科学 合理和实用的面 向过程控制的人机界面 给出了一些具有一定参考价 值和指导意义的设计原则 设计制作了一个小型人机界面演示监控系统一某装配 车间9 7 汽油加注机系统 结合该演示程序提出了一 些实际易操作运用 经济合理和安全可靠的设计方法 重庆大学硕士学位论文 2p r o f i 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 d b u s 的缩写 是一种国际性的开放 式的现场总线标准 即e n 5 01 7 0 欧洲标准 目前世界上许多自动 化技术生产厂家都为它们的设备提供p r o f i b u s 接口 p r o f i b u s 已经广泛应用于加工制造 过程和楼字自动化 其应用范围如图 2 1 所示 引 图2 1p r o f i b u s 应用范围 f i g 2 1p r o f i b u sa p p l i c a t i o ns c o p e p r o f i b u s 根据应用特点分为p r o f i b u s d p p r o f i b u s f m s 和p r o f l b u s p a 三种应用模式 p r o f i b u s d p 经过优化的高速 廉价的通信连接 专为自 动控制系统和设备级分散i o 之间通信设计 使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或0 2 0 m a 并行信号线 用于分布式 控制系统的高速数据传输 p r o f i b u s f m s 解决车阒级通用性通信任务 提供大量的 通信服务 完成中等传输速度的循环和非循环通信任务 用于纺 织工业 楼宇自动化 电气传动 传感器和执行器 可编程序控 制器 低压开关设备等一般自动化控制 p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计 标准的本匝安全的传 输技术 实现了i e c l l 5 8 2 中规定的通信规程 用于对安全性要 求高的场合及由总线供电的站点 2 1p r o f i b u s 基本特性 1 i p r o f i b u s 可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络 化 该系统分为主站和从站 主站决定总线的数据通信 当主站 得到总线控制权 令牌 时 没有外界请求也可以主动发送信息 主站从p r o f i b u s 协议讲也称之为主动站 从站为外围设备 典型 的从站包括 输入输出装置 阀门 驱动器和测量发送器 它们 没有总线控制权 仅对接受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 由于从站只需总线协议的 一小部分 所以实施起来特别经济 2 1 1 协议结构 p r o f t b u s 协议的结构定向根据i s 0 7 4 9 8 国际标准以开剪幕 统互连网络o s i 为参考模型 结构如图2 2 所示 层次 用户i 粥f 3 一 6 j 数据链路j 2 物理 r 1 l 厂i 石 j 1 f 弋i 1 1卜 1 一7 tt f 皤 卯行规p 行规 设备 xx 行规 溉眷 姆 1 l 现场总线信思规范 f m si i 未使用 猁翼蝉璺鍪婺孽塑 曼 f 0 l hq q 恻 纠i e c 接口杉夕 o i 昭4 8 5 光矧 x x x 4 i i i c l l 5 9 2b e i l 翌h5 01 7 0e 刁d i ne1 9 2 4 5 第 部分口p r o f i b o s 蝴 图2 2p r o f i b u s 协议结构 f i g 2 2p r o f i b u sp r o t o c o ls t t u c t u r o 重庆大学硕士学位论文2p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s d p 使用第1 层 第2 层和胃户接口 第3 层到第7 层未加以描琏 这种认l 仰型结构佣俅j 烈诳阵栅的快速和有效 直接数据链路映像 d d l m d i r e c td a t a1 i n km 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