（机械电子工程专业论文）基于profibus总线的立体车库控制与管理系统的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 自动化立体车库是集机械自动控制技术和计算机技术等技术为一体的智能化 光机 电一体化物流储运系统 在我国汽车保有量越来越大 停车问题越来越严重的情况下 开发适合我国国情的自动化立体车库 是解决停车问题的有效途径 本文叙述了立体车 库的国内外技术与研究发展现状 阐述了本研究课题的背景及研究意义 在较深入而系 统地研究智能立体车库技术的基础上 开发了 d 型巷道式自动化立体车库 本文对车库控制和管理系统作了详细介绍 主要分为系统的硬件设计 软件设计 和通讯网络的连接三部分 硬件设计部分具体介绍了硬件配置和现场信号的连接 软件 设计方面具体介绍了p l c 的编程 w i n c e 的组态和v b 程序编制思路 通讯网络连接方面 介绍了现场总线技术以及o p c 通讯结构及其实现方式 p l c 的编程使用西门子开发的 s t e p 7 编程软件 下载到p l c 的程序主要完成数据的存储和计算 上位机组态同样使用 西门子公司的s i m a t i cw i n c c 通过形象的工控画面可在线监视车库整体运行情况 使 用v i s u a lb a s i c6 0 开发了车库管理软件 该软件通过自编的o p c 程序与w i n c c 内部 集成的o p c 程序接口相连进行数据传输 并通过数据库技术实现对停车信息进行记录 存储 更新 查询 收费 打印报表等功能的进行控制和管理 关键词 立体车库 p r o f i b u s w i n c c o p c 数据库 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i o n t h r e e d i m e n s i o n a l g a r a g e i sa l l i n t e l l i g e n t o p t o m e c h a t r o n i c s c a r s t o r i n g r e t r i e v i n gs y s t e m b a s e do na u t o m a t i c sc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y i no u rc o u n t r y a st h ea u t o m o b i l ea m o u n ti n c r e a s i n gc e a s e l e s s l y t h es i t u a t i o ni s m o r es e r i o u sa n dt h ep a r k i n gp r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ed i f f i c u l ta ne f f e c t i v em e t h o d t os o l v et h e p a r k i n gp r o b l e mi sd e v e l o p i n gt h ea u t o m a t i o nt h r e e d i m e n s i o n a l g a r a g ew h i c ha d a p t s t ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t r y t h i s p a p e rr e v i e w sa n d s u m m a r i z e st h ef o r e f a t h e r s r e s e a r c ho ft h r e e d i m e n s i o n a l g a r a g e a n de x p a t i a t e st h e b a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i s b a s e do nd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l ys t u d yo f t h r e e d i m e n s i o n a l g a r a g et e c h n o l o g y as m a l lt h r e e d i m e n s i o n a la l l e y w a yg a r a g ei s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri n 订o d u c et h es y s t e m sd e s i g no fh a r d w a r e s o f t w a r ea n dt h ec o n n c t i o no f n e t w o r k i nt h ep a no fh a r d w a r ei ti n 仃o d u c et h ee q u i p m e n ta n dt h es i g n a lc o n n e c ti nl o c a l e p a r t i c u l a r 1 nt h ep a r to fs o f t w a r ei ti n l t d u e et h ep r o g r a m m eo fp l c w i n c ca n dv b t h e p a r to fc o m m u n i c a t i o ni ti n 订o d u c et h et e c h n o l o g yo fo p ca n dp r o f i b u s a n ds h o wt h e s y s t e m ss t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o n t h ep l cw a sp r o g r a n u n c dw i t hs e i m e n ss t e p 7a n d c o m p l e t es t o r a g e t h es e n i o rp cw a sp r o g r a m m e dw i t hs i m a t i cw l n c ca n dm o n i t o rt h e s t a t eo ft h eg a r a g e g a r a g em a n a g e m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e db yu s i n gv b 6 0 t h es y s t e m c o n n e c t sw i t ht h ec o m p o s i t i v eo p ci n t e r f a c ep r o g r a m m eo f w i n c c b yau s e r sp r o g r a m m e b e s i d e sb e i n gr e c o r d s t o r a g e r e f l u s h i n q u i r e m e n t c h a r g ea n dp r i n tt a b l eb yu s i n gd a t a b a s e k e y w o r d t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g e p r o f i b u s w i n c c o p c d a t a b a s e 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者本 人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担 作者 签字 徽一 日期 7 年 j q 2e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留 使用学位论文 的规定 即 沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权沈阳理工 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 可 以采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 积钢 1 9 期 伽丁 j 乙 指导教师签名 移孩明 日期 7 一 第1 章绪论 1 1 立体停车库概述 第1 章绪论 立体车库是集自动化技术 机器人技术 计算机技术等高新技术为一体的智能化 立体化的物流运输系统 机械式停车库是指使用车辆之外其它带有动力的搬运器 完成 车辆停放 存储工作的整个设施 堆跺式立体车库主要由机械系统 电气系统和信息管理系统三部分组成 机械系统可分为堆跺机 输送机构和车位 堆跺机主要是在电机的驱动下上下左右 移动其作用是把车存到左右两边的货架车位上以及从车位上取车 输送机构是把由堆跺 机从货位上取下的车从巷道口移到出1 3 或把车从入口出移到巷道1 2 1 以便由堆跺机进行 入库操作 电气系统主要完成堆跺机和输送机构的驱动和电机控制 从而完成存取车任 务 信息管理系统的主要功能为 存车取车日常管理 打印收费单据和报表 存车客户 资料查询 故障报警及屏幕提示 巷道式立体车库如图1 1 所示 图1 1 巷道式立体车库 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 与本课题有关的国内外研究现状 1 2 1 国外立体车库的发展趋势 在美国 由于城市的发展进程较早 城市交通问题从上世纪初期就开始显现 城市 规划部门开始注重停车场的布局和配套管理 实行停车场管理的企业化 并实施停车管 制 收费统一而合理 早在上世纪三十年代 美国纽约便建成了一座可停放两千辆汽车 的2 4 层车库 二次世界大战以后 西德经济迅速恢复 私人拥有汽车数量激增 为了 满足停车需要 在上世纪五十年代中期相继建成了为数不少的半机械化停车库 1 日本从上世纪五十年代中期就开始关注停车问题 近年来 在日本的城市中 可用 来建设停车场的土地很少且价格昂贵 所以自动化停车场 尤其是装配自行式立体停车 库和能最大限度利用空间的机械化停车库得到了迅速发展 早在1 9 6 0 年 日本便建成 了一座四个车位的二段式机械化停车库 1 9 7 1 年开始发展装配自行式机械化停车库 现 在 日本在机械化停车库技术研究 开发 制造 及管理等方面都处于世界领先地位 所建成的机械化停车库的数量和容车量均居世界前列 近年来 尽管日本经济较为低迷 但其机械化停车设备仍能以每年1 0 万台以上的速度发展 从1 9 5 7 年日本制定停车法以 来 日本停车设备己有3 3 0 万台左右 目前 日本机械化停车库型号齐全 标准体系完 整 技术先进 1 2 2 国内立体车库的发展状况 我国立体车库的发展 始于上世纪八十年代 河北承德的华一机械车库集团有限责 任公司于1 9 8 9 年建造起国内第一台垂直循环类机械式停车车库 填补了国内机械式停 车车库的空白 虽然从二十世纪八十年代就开始研制和使用机械式立体车库 但由于币 场需求原因 十多年来缓慢发展 近年来 中国经济腾飞 城市化进程加快 汽车工业 和汽车需求市场得到快速发展 汽车保有量的不断增加 然而 城市停车设施的增长却 长期落后于车辆的增长 立体车库产业在上世纪九十年代迅速兴起 步入了引进 开发 制造和使用的快车道 国内立体停车库市场正以直线上升的态势在飞速发展 我国立体 停车设备的产品经引进技术和自主研究开发 生产技术水平有了很关的提高 许多设备 2 第1 章绪论 采用了当前机械 电子 液压 光学 磁控和计算机等领域的先进技术 如采用交流变 频调速系统 使运行高速 平稳 省电 减少振动和噪声 控制形式有按钮式 i c 卡式 触摸屏式 密码钥匙式 遥控式等 有些设备还采用了总线控制技术 传动装置采用内 藏式 以增大停车空间并保护各传动元件不受污染和腐蚀 提高了设备的耐久性 机械 结构中采用了模块化设计 便于组合使用 易于安装拆卸 缩短施工周期 还采用一些 新材料 新工艺 如采用 h 型钢做钢梁 组合的镀锌板或一体成型的镀锌板制作载 车板 安全保护方面采用了声光引导及定位装置 自动消防火火系统等 目前品种的满 足率己达9 0 左右 有的品种填补了国内空白 产品国产化率达到5 0 以上 目前国内 从事立体车库研发的企业已有1 0 0 余家 其中主机生产的企业有5 0 多家 首批获得国 家颁发的立体停车设备制造企业资质的有2 2 家 为适应立体车库行业迅猛发展的需要 保证产品质量和可靠性 以规范立体车库的生产和建设 国家己出台了 机械式停车设 备类别 型式与基本参数 等6 个标准 对推动我国立体车库事业起到了极大的促进作 用 1 但尽管如前所述 目前我国各主要城市停车设施的建设仍远远落后道路建设和汽车 工业的发展 有资料表明 现有停车数不到总需求的6 远远落后于城市汽车交通的 发展 由此将会带来的诸如影响城市形象 汽车消费等一系列社会问题 出现这种现象 除了和停车设备行业的发展本身涉及到停车立法 收费政策 城市规划 交通管理等诸 多方面困难和阻碍之外 停车设备设计本身存在缺限 设计制造成本过高而导致的车辆 收费过高 关键自动化技术水平低下也是主要问题之一 1 3 本文的选题意义及主要研究内容 1 3 1 选题意义 我国轿车保有量直线上升 据中国汽车工业协会公布的数据表明 1 9 9 7 年全国汽车 保有量1 1 0 0 万辆 其中轿车4 0 0 万辆 当年轿车生产量4 8 2 万辆 微型车生产量3 8 2 万辆 1 9 9 8 年轿车生产量5 0 万辆 1 9 9 9 年5 5 万辆 2 0 0 0 年5 7 万辆 2 0 0 2 年中国汽 车产量达到了3 2 5 万辆 比上年增长3 8 5 全球排位由2 0 0 1 年的第八位上升至第五位 3 沈阳理工大学硕士学位论文 2 0 0 5 年的轿车保有量己达到1 1 0 8 万辆 由于中国加入世贸关税进一步降低 2 0 0 8 年北 京奥运及2 0 1 0 年上海世界博览会等重大事件的影响 以及国内需求的进一步拉动和 费 改税 等政策的驱动 我国的汽车工业仍将具有很大的发展空间并将继续保持快速平稳 发展 按前述数据预测 2 0 1 0 年将达到2 0 0 0 万辆 城市中停车位需求按1 1 2 1 0 0 的基本停车位和2 0 的公共停车位 计算 将增加停车位4 8 0 万个 平均每年需求9 6 万 个 因此 停车问题也就逐渐成为城市迫切需要解决的难题 城市和己建小区有限的地 面面积己无法提供足够的停车车位 向空间发展成为当前解决问题的一条重要途径 在土地越来越紧缺的情况下 解决城市中停车难的问题立体车库是必然出路 但要 良性发展 就要解决现存问题 当前我国的设计制造的立体车库大多处于初级的停车功 能 是最原始的使用阶段 它的设计水平 经济价值还有待于完善和开发 由此可见研 究如何降低立体车库设计制造成本及其控制系统以便进一步提高自动化程度有重大的 现实意义 随着微电子技术 通讯技术 控制技求 计算机技术 c r t 显示技术以及软件技术 的迅猛发展 计算机更加广泛的进入工业的各个领域 并且正在发挥着越来越大的作用 与此同时 计算机技术立体车库领域也得到了快速 广泛的应用 实施综合机械化 自 动化 系统化 进一步提高车量的出入频率 即提高起重机 运输机的工作速度 由于 速度的提高 自动化调速技术 认址技术 停止精度技术等也相应予以发展 立体车库 的信息传递技术方面 发展了红外通讯技术 绝对认址技术 新条形码技术 计算机管 理技术及其网络化技术 除实现了车库本身车辆存取的计算机记录和收费管理智能化 外 把计算机作为上位机 使其成为更大系统的网络化部分 立体停车库自动化程度正 不断提高 利用计算机进行实时控制和管理车库运行成为发展趋势图 我国的立体停车库与国际先进水平尚有较大的差距 主要反映在车库品种少 设计 制造成本高 自动化程度低 管理水平低 成本费用高等方面 远远适应不了市场的需 要 进一步研究立体车库监控管理系统有利于车库自动化程度的提高 实现无人化管理 降低车库的投资成本 将会对我国的立体车库工业发展起到很好的推动作用 4 第1 章绪论 1 3 2 课题主要研究内容 本课题研究的内容主要包括三个部分 基于数据库的自动化仓库管理系统 基于组态 软件的自动化车库监控系统以及通过o p c 技术实现两系统的信息共享和交换 在管理系统中 研究内容涉及到自动化车库管理系统的整体结构 组成模块 实时 数据库的信息存储 在监控系统中 研究内容包括 组态软件监控画面的建立 与下位执行机构的通信 执行系统的组成和网络连接 对执行机构的实时控制等 在现场级系统中 研究内容包括p r o f i b u s 网络的建立 主从p l c 间的通信实现 另外 管理系统与监控系统的信息协调 管理层 监控层和执行层的网络结构和通 信方式也是本课题研究的内容 本课题采用的软硬件平台如下 管理系统开发软件 v i s u a lb a s i c 6 0 数据库开发软件 a c c e s s2 0 0 3 监控组态开发软件 w i n c c 6 0 p l c 编程软件 西门子s t e p 7 m i c r o w i n 4 0 硬件平台的组成 三巷道立体车库 西门子s 7 3 0 0 和s 7 2 0 0 可编程控制器 光电 传感器 增量式旋转编码器 交流电机及其驱动器等 5 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章自动化立体车库系统的总体设计 2 1 巷道堆垛式立体车库结构组成概述 本立体车库共设置6 排货架 每排货架有8 列 分为6 层 共分成3 个巷道 每个巷道 设置一台堆垛机 共三台堆垛机 出入库设计采用通道式布局 如图2 1 所示 入库站 台和出库站台在库房的两端 这样布局的好处是可以保证出入库的连续流动 能够提高 存取车效率 由于本车库存储的车辆从体积和重量均比较大 堆垛机采用双立柱型式 堆垛机的运行采用闭环调速方式 以保证运行时有足够的输出扭矩 达到低速停准精度 的要求 从入库口或出库口到巷道的两个端口均配有自动化输送系统负责把入库的车移 到相应的巷道口或把出库的车放到出库1 3 并在车库入口处设有地磁检测器 外型尺寸 检测器和称重装置 国宙国目 图2 1 通道式车库布局 2 2 自动化立体车库控制系统的目标 自动化立体停车系统设计的总体目标是高效 低耗 安全 可靠 自动化 智能化 控制系统和业务管理系统都应体现上述特点 另外 系统运行界面的友好性和易操作性 也是停车系统的一个重要方面 第2 章自动化立体车库系统的总体设计 2 2 1 存 取车操作的自动化 自动化立体停车库采用计算机智能控制 可实现存 取车业务的自动化 本系统有 大 小两种停车位 分别用于大型车和小型车的存放 大型车指各种中型面包车 小型 车主要指小轿车 当车辆到达停车库入口时 系统能检测车型 给来车分配一个最佳车 位 由输送机把车送到相应的巷道口 再由堆垛机将车辆移到停车位上 并给存车人出 据存车卡 取车时 输入卡号 计算机自动识别 显示存车费用 用户交费后 计算机 控制堆垛机将车从车架上取下放到输送机上再由输送机送到出口 完成取车操作 2 2 2 系统运营的安全性 传送系统在运行过程中可能会发生故障 即传送系统未能按要求把车辆传送到指定 车位 这是整个系统运行中最大的安全隐患 因此 本车库控制系统设计为闭环系统 当控制计算机发出控制指令后 同时开始检测车库中的反馈信号 以判断传送车是否按 照控制系统的要求完成了指定操作 若未完成控制要求 则给出故障信息 请求操作人 员排除 故障排除前 系统拒绝执行新的存 取车操作 系统又针对每一个停车位设置 了存 取车操作的时限 当控制指令发出后 超过规定时限未完成操作 系统会发出警 告 请求人工干预 并拒绝执行进一步的操作 2 2 3 停车场运营业务管理的自动化 作为运营企业 停车场业务运营数据都包括在控制计算机中 业务数据的管理对企 业来说至观重要 本系统应能满足企业这一需求 能够实现对停车场运营数据的汇总 查询 统计 报表打印等功能 实现企业运营业务管理的自动化 控制计算机中的业务数据属于企业的财务数据 其安全性和完整性至观重要 系统 数据库记录了该企业的日常运营状况 系统应能保证计算机中数据的安全 通过技术措 施防止停车费的流失 杜绝贪污 对系统数据库应设置不同的操作级别 不同用户对数 据库拥有不同的操作权限 7 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 4 图形化界面 该系统的上位管理平台是以w i n d o w s 操作系统为背景的 具有友好 统一的用户界 面 符合w i n d o w s 应用程序标准规范 各类操作人员可方便的通过菜单 工具栏完成业 务操作 系统应能以图形化方式随时显示停车库的库存状态 各种统计图表 并能动态 显示存 取车操作的过程 使用各种图形技术 可以全面显示车库各运转设备的工作状 态和车位的占用情况 并可直观显示车库使用效率的各种财务管理数据 2 2 5 系统维护 整个系统设有故障急停按钮 手动按扭 自动按钮 停止按钮 出错报警等装置 并可在上位监控机上及时显示出故障点 以便及时维护 完善的当前数据和历史数据查 询功能能够进一步的把握系统的工作状态 2 3 控制系统的总体方案 计算机监控系统自从2 0 世纪6 0 年代进入数字控制领域以来 计算机控制系统由 c c s c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 计算机集中控制系统发展到d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m 集散控制系统 9 0 年代初又出现了f c s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 场总线控制 系统 随着软 硬件技术不断走向成熟 f c s 己成为工业生产过程自动化领域中的一个 热点 对于d c s 和f c s 国内外业界普遍认为采用了现场总线技术的f c s 顺应了自动控 制系统的发展潮流 它必将取代d c s m 本文在总结国内外智能立体车库发展趋势的基础上 提出基于p r o f i b u s d p 现场总 线技术的巷道式立体车库控制与管理系统的总体方案 根据控制系统要实现的总体目标 把整个车库控制系统在功能上划分为三个层次 管理层 监控层 现场层 如图2 2 所示 管理层是计算机管理系统 是自动化立体仓库系统的管理中心 管理层主要是管理 立体车库 包括入库管理 出库管理 库存管理 查询统计等 的一切操作 可以为管理 者提供各种车库运行数据 分析统计车库的各项指标 第2 章自动化立体车库系统的总体设计 监控层是自动化立体车库系统的重要组成部分 它接受来自管理层的指令 控制车 库设备完成指令所规定的任务 另一方面 它实时监控车库系统的状态 将监测到的信 息反馈给管理层 为管理层调度决策提供参考 目前一般采用工控机或普通p c 来实现控 制 现场层是由p l c 控制系统 检测设备和驱动设备以p r o f i b u s d p 总线连接组成的控 制系统 p l c 接收各种控制指令 驱动现场设备完成各种操作 廖黼黼瓣 辫蹶弼瓣 黼嘲熊嘲矿 图2 2 立体车库的三层结构 现场层 管理系统的计算机不仅要处理全部车辆数据 还要在入 出库作业时进行作业调度 并向车库内的有关设备发出各种相应作业命令同时记录下这些操作 除此之外管理机还 要实现各种打印和查询等功能 管理机系统的功能如图2 3 所示 图2 3 管理机系统的功能 监控系统是整个立体库实现自动控制的中枢 它沟通并协调上位管理计算机和下位 控制p l c 之间的联系 它具有以下功能 1 接受管理系统发来的入 出库等任务信息 再 9 沈阳理工大学硕士学位论文 将任务下达到主p l c 同时也将下位机的状态信息反馈给管理计算机 2 监视现场设备的 运行情况 并在w i n c c 中以图形方式动态显示 3 检查判别系统状态中的不正常信息 根据不同情况进行报警和故障处理 4 设定设备的各种运行参数 上位机监控系统功能 如图2 4 所示 图2 4 上位机监控系统功能 现场级控制系统主要完成车辆的检测 以及存车 取车等任务的具体操作 从控制 系统成本和功能考虑 通过减少系统的节点设计 即降低了系统的成本 并且采用单主 站的控制方式可以使系统获得最短的总体控制循环时间 又提高了系统的对信息数据响 应得速度 本课题根据现场级控制系统的检测装置和执行机构分散 但部分又相对集中 的特点 在设计现场级控制系统时把现场级控制系统分为主信息处理p l c 和堆垛机搬运 用p l c 两部分 主信息处理p l c 作为主站 其余三部分作为从站 采用p r o f i b u s d p 总 线实现两部分的连接 主p l c 主要负责车辆入口检测装置和出入库输送机而从p l c 只负 责把具体车位的存取操作 充分利用传统的u o 信号传输成本低的优点 在站内用数字 和模拟信号同时存在的传输方式 站间用p r o f i b u s d p 总线进行数字传输 现场级控制 系统原理如图2 5 所示 1 0 第2 章自动化立体车库系统的总体设计 图2 5 现场级控制系统原理 现场级主站与从站的功能如下 1 主站p l c 主站p l c 主要作为数据信息处理中心 完成存车取车信号的数据分析 决定存车取 车操作顺序 除具有与从站进行数据通信能力协调完成存车取车操作外 还具有与上位 机通信 控制按钮输入 报警功能 完成车辆车高 车长 车重检测 以及控制输送机 把车停放到相应的巷道口或从相应的巷道口取出汽车送到出车口 2 堆垛机从站p l c 1 完成与主p l c 的通讯 接受命令完成把车从输送车上取下放到指定车位或从某 一车位取车 2 将当前堆跺机的运行参数和当前位置反馈到主站 上位管理计算机通过以太网与上位监控机相连 上位机监控系统通过p r o f i b u s 接 1 3 方式与现场控制级主p l c 及三个从站p l c 连接 通过主p l c 把现场采集的数据传输到 上位监控机 上位监控机通过以太网与管理计算机进行交换数据 上位机管理系统 上 位监控计算机 主p l c 以及堆跺机p l c 有机结合构成整个车库控制系统 自动化车库控 制系统总体方案如图2 6 所示 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 6 车库控制系统总体方案 1 2 第3 章p r o f i b u s d p 现场总线的设计 第3 章p r o f ib u s d p 现场总线的设计 3 1 现场总线概述 随着控制 计算机 通信 网络等技术的发展 信息交换领域正在迅速覆盖从工厂 的现场设备层到控制 管理的各个层次 覆盖从工段 车间 工厂 企业乃至世界各地 的市场 而处于企业生产过程的自动化通信控制系统 由于仍处于自封闭式的集散系统 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 严重制约了自身的发展 要实现企业的信息集成 要实施综合自动化通信 就必须变革 自动化系统结构 设计出一种能在工业现场环境运行的 可靠性高的 实时性强的 造 价低廉的通信系统 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统 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 以及系统与外界的信息交换 现场总线 f i e l d b u s 就是顺应这一形式发展起来的新技术m 3 1 1 现场总线的定义 根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义 现场总线是 安装在工业生产现场的各种自动 化设备与设置在控制室内的微机化设备连接起来的一种全数字化 串行 双向 多站通 信的数据总线 或者说 现场总线是以单个分散的 数字化的 智能化的测量和控制 设备作为网络节点 用总线相互连接 实现相互信息交换 共同完成自动控制功能的网 络系统与控制系统 现场设备是指位于现场层的传感器 驱动器和执行机构等设备 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 采用双绞线 光纤等作为总线 把多个测量仪表连接成网络系统 并按公开 规范的通信协议 在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表 与远程监控计算机之间 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 简而言之 它把单个分散的测量控制设备变成网络节点 以现场总线为纽带 把 它们连接成可以相互沟通信息 共同完成自控任务的网络系统与控制系统 它给自动化 领域带来了革命性的变化 正如众多分散的计算机被网络连接在一起 使计算机的功能 沈阳理工大学硕士学位论文 作用 应用范围发生了巨大的变化 现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力 把 它们连接成网络系统 加入到信息网络的行列 因此 现场总线技术是控制技术新时代 的开端 是面向企业底层自动化及信息集成的数字化网络技术 它在制造业 物流工业 交通 楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景 基于现场总线技术的自动化控制系统称为现场总线控制系统f c s f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m 其控制思想的核心是 分散控制 集中监控 使得 危险分散 控制 分散 即使是现在流行的d c s 集散控制系统 控制 其与工业过程控制站仍然还是集中 的 现场信号的检测 传输和控制还是采用传统的4 2 0 m a 或0 2 4 y 的模拟信号 而 现场总线系统真正做到了 分散控制 集中监控 把控制彻底地下放到现场 现场的 智能仪表就能完成诸如数据采集 数据处理 控制运算和数据放大输出等大部分现场功 能 只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成 而且现场节点之间 可以相互通信实现互操作 现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机 更有利于 现场设备管理 现场总线控制系统既是一个开放通信网络 又是一种全分布控制系统 它作为智能 设备的联系纽带 把挂接在总线上 作为控制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 补偿计算 参数修改 报警 显示 监控一体 化的综合自动化功能 现场总线是一项集传感器 控制 计算机 数字通信 网络为一 体的综合性技术 3 1 2 现场总线系统的技术特点 随着计算机功能的增强和价格的急剧降低 在现代化企业中 计算机己经在自动控 制 办公自动化 经营管理 市场营销等方面担任越来越多的任务 把现场控制层 过 程监控层 生产管理层 市场营销管理层联系在一起 构成较为完整的企业信息网络 而现场总线控制系统处于整个企业信息网络的最底层 现场总线作为工厂设备级的基础 通信网络 具有协议简单 容错能力强 安全性好 成本低 网络负载稳定 短帧传送 信息交换频繁等特点 还具有时间确定性和实时处理功能 由于上述特点和功能 现场 总线系统从网络结构到通信技术 都具有不同于上层高速数据网 如i n t e n e t i n t r a n e t 1 4 第3 章p r o f i b u s d p 现场总线的设计 的特色 因此也可以把现场总线构成的底层网络称之为基础网 i n f r a n e t 有以下特点 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性 公开性 强调对标准的共识和遵从 一个开放系统 是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接 通 信协议一致公开 各不同厂家的设备之间可实现信息交换 现场总线开发者就是致力于 建立统一的工厂底层网络的开放系统 用户可按自己的需要和考虑 选择不同厂商的产 品组成大小随意的系统 打破了d c s 控制系统依赖于某一品牌产品的局限性 通过现场 总线构筑自动化领域的开放互连网络系统 相互可操作性与互用性这里的相互可操作性是指实现互连设备间 系统间的信息 传送与沟通 可实行点对点 一点对多点的数字通信 而互用性则意味着不同生产厂家 的性能类似的设备可进行相互替换以实现互用 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量 补偿计算 工程量处理与控制等 功能分散到现场设备中 仅靠现场设备即可完成大部分自动控制功能 并随时诊断现场 设备的运行状态 系统结构的高度分散性由于现场设备本身已能够完成自动控制的基本功能 使得 由现场总线构成的一种新的全分散式控制系统的结构 从根本上改变了现有d c s 系统集 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 对现场环境的适应性工作在生产现场前端 作为工厂网络底层的现场总线 是专 为现场环境而设计的 可支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线等 具 有较强的抗干扰能力 能采用两线制实现供电与通信 并可满足本质安全防爆要求等 多种传输媒介和拓扑结构现场总线系统由于采用数字通信方式 因此可采用多种传 输介质进行通信 根据控制系统中节点的空间分布情况 也可以灵活的采用多种网络拓 扑结构 这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方 便 省时间 省材料 1 5 沈阳理工大学硕士学位论文 3 2p r o f i b u s d p 现场总线 3 2 1p r o f i b u s 现场总线 自上世纪8 0 年代末以来 相继出现了基金会现场总线 f f l o n w o r k s c a n p r o f i b u s 等几种现场总线技术 它们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 它们各具特点 也显示了较强的生命力 其中p r o f i b u s 是各种现场总线 中非常具有代表性的一种 现在已是欧洲首屈一指的开放式现场总线系统 应用领域包 括加工制造 过程控制和建筑自动化 如今已成为国际化的开放的总线标准 它是1 9 8 7 年德国工业界西门子公司等1 3 家企业和5 家研究机构联合开发的总线标准 1 9 8 9 年批 准为德国国家工业标准 即d i n l 9 2 4 5 1 9 9 6 年批准为欧洲标准 即e n 5 0 1 7 0 v 2 p r o f i b u s f m s 一d p 1 9 9 8 年p r o f i b u s p a 批准纳入e n 5 0 1 7 0 v 2 标准 1 9 9 9 年p r o f i b u s 成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分 t y p e 3 在我国 2 0 0 1 年批准成为中国的行业标准 j b t1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 并成立中国现场总线p r o f i b u s 技术资格中心 为中国地区提供 p r o f i b u s 技术支持与服务 产品认证测试和技术应用推广工作 p r o f i b u s 协议以国际i s o 国际标准组织 标准o s i 开放系统互联 参考模型为基 础 i s o o s i 通信标准模型如表3 1 所示 该模型由7 层组成 并分成两类 一类是面 向用户的第5 层到第7 层 另一类是面向网络的第1 层到第4 层 第l 层到第4 层描述 数据从一个地方传输到另一个地方 而第5 层到第7 层给用户提供适当的方式去访问网 络系统 图3 1 是p r o f i b u s 的协议结构 从中可以看出 p r o f i b u s 协议采用了i s o o s i 模型中的第l 层 第2 层以及必要时还采用了第7 层 第1 层和第2 层的导线和传输协 议依据美国标准e i ar s 4 8 5 国际标准e n 6 0 8 0 7 5 1 4 总线存取程序 数据传输和管 理服务基于d i n l 9 2 4 5 标准的第1 到第3 部分和i e c 9 5 5 6 标准 管理功能 f m a 7 采用 了1 8 0 d 1 8 7 4 9 8 4 管理框架 的概念n 1 6 第3 章p r o f i b u s d p 现场总线的设计 表3 1i s 0 o s i 通信标准模型 对面向应用要求的应用程序 第7 层 应用层 的接口 读 写 用于下一层分析和解释的数 面 第6 层 表达层 向 据表达式 编码 用 建立和清除临时站连接 通信 户 第5 层会话层 进程的同步 为第5 层控制数据传输 传输 第4 层传输层 出错 分解成信息包 建立和清除连接 避免网络堵 第3 层网络层面 塞 向 包括数据安全的总线存取协 网 第2 层数据链路层 络 议描述 介质存取控制 介质定义 硬件 数据传输 第1 层物理层 的编码和速度 图3 1p r o f i b u s 的协议结构 1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 p r o f i b u s 根据应用特点和协议结构的不同分为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 三个兼容版本 p r o f i b u s d p d p d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y 即分布式外围设备 d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y 是经过优化的高速 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 模块可以取代加工昂贵的2 4 v 或o 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 b u s f m s 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 即现场总线信息规范 是解 决车间级通用性通信任务 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 p a p r o c e s sa u t o m a t i o n 即过程自动化 专为过程自动化设计 标 准的本质安全的传输技术 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 p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 系统使用了同样的传输技术 都是r s 4 8 5 传输或光纤 遵从相同的协议 因而这两套系统可以在同一根电缆上同时操作 而p r o f i b u s p a 用的 是i e c i l 5 8 一传输技术 此技术是一种位同步协议 可进行无电流的连续传输 通常称 之为h 1 并且可以保持本质安全性 使现场设备通过总线供电 由于本设计只用到 p r o f i b u s d p 下面将对d p 进行详细研究 3 2 2p r o f l b u s d p 总线 p r o f i b u s d p 协议是为自动化制造工厂中分散i o 和现场设备所需要的高速数据通 信而设计的 d p 主站和从站间的通信基于主一从原理 也就是说 当主站请求时总线上 的d p 从站才可能活动 d p 从站被d p 主站按轮询表依次访问 图3 2 为p r o f i b u s d p 的令牌总线存取过程图 1 8 第3 章p r o f i b u s d p 现场总线的设计 被动站 从设备 图3 2p r o f i b u s 的令牌总线存取过程图 从图3 2 中可以看出现场设各的类型分为主站和从站 从站在组态时被分配给各个 主站 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 主站又分为1 类d p 主站和2 类d p 主站 1 类d p 主站循环的与d p 从站交换用户数据 在启动 重启动和数据传送阶段 d p 主站发送参数给从站 循环的与从站进行数据交换 并读取从站的诊断信息 主站是用 控制命令将它的运行状态告知给各d p 从站 发送控制命令给从站 以实现主从站输出 和输入数据的同步 主要包括大 中型p l c 2 类d p 主站是编程装置 诊断和管理设备 一般指p c 机或一些编程设备 它除了 已经描述的1 类主站的功能外 还常支持下列功能 在与1 类d p 主站进行通信的同时 可读取d p 从站的输入和输出数据 还可以读取从站的当前组态数据 允许2 类主站分 配一个新的总线地址给从站 此外 还提供一些用于与1 类主站通信的功能 从站 指带有二进制或模拟输入输出的设备 完成与主站的数据交换 向主站报告 本地诊断中断和过程中断 在s i m a t i cs 7 系统中使用三个不同的d p 从站 根据其配置 1 9 沈阳理工大学硕士学位论文 和用途 将s i m a t i c s 7d p 从站设备分类如下 紧凑型d p 从站 具有不可更改的固定结构的输入和输出区域 如e t 2 0 0 b 电子终端 系列 b 代表i 0 块 就是这种紧凑型d p 从站 模块化的d p 从站 其输入和输出区域是可变的 在用s t e p 7 软件的h wc o n f i g 组 态此从站时定义它的i o 区域 e t 2 0 0 m 模块是这种从站的典型代表 对模块化的s 7 3 0 0 系列最多有8 个i o 模块与1 个e t 2 0 0 m 接口模块 i m l 5 3 连接 智能型d p 从站 i 从站 在p r o f i b u s d p 网络中具有d p 接口的c p u 或安装c p 3 4 2 一通信处理器的p l c 可作为d p 从站 称之为智能d p 从站 它的输入和输出区域的结构 可用s t e p 7 软件来定义 智能从站的特点是 提供给d p 主站的u o 区域不是实际存在的 i o 区域 而是由预处理c p u 映象的i o 区域 d p 主站之间的通信是采用令牌环通信方式 其存取控制采用令牌法 能满足实时性 的要求 令牌环通信方式的工作过程及其帧结构如图3 3 所示 a 工作过程 b 帧结构 图3 3 令牌环通信方式 在上图 a 中 令牌在物理环中按箭头指向依次流动 获得令牌的站才有权发送数 据 例如b 站要向d 站发送数据 当令牌传送到b 站时 b 站把令牌变为暂停证 然后 把待发送数据按照上图 b 表示的格式加在暂停证后面 最后再加上令牌从b 站发往c 2 0 第3 章p r o f i b u s d p 现场总线的设计 站 此帧信息经c 站中转后到达d 站 d 站把自己的本站地址与帧信息中的目的地址相 比较 两者相同 表明此帧信息是发给本站的 然后对此帧信息做差错校验 并把校验 结果以肯定或否定应答填在a c k 确认应答 段中 同时把此帧复制下来 再把带有应答 的帧继续向下传送 经a 站到达h 站 b 站同样也要做地址比较 但比较的是源地址 若相同 则表明此帧信息是自己发出的 再检查a c k 段 若为否定