（检测技术与自动化装置专业论文）现场总线式智能控制技术研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 现场总线技术具有数字化 全分散性 开放性和互操作性等特点 是工业过程的一 种发展趋势 当前有多种现场总线协议并存 由于工艺和控制要求的区别 不同的设备 或局部网络都有可能采用具备不同协议的现场总线控制装置 若要在它们之间实现信息 的交换与共享 就必须进行协议间的转换 因此 如何实现这些现场设备间的互联已成 为工业控制网络中亟待解决的问题 本课题是广西科技攻关项目 现场总线技术过程控制研制 和广西研究生教育创新 计划项目 基于s o p c 技术的现场总线协议转换技术研究 的研究内容之一 集中研制 通信控制与协议转换模块 通过它实现对局部现场控制网络的通信控制及异种协议现场 控制网络间的互联 论文主要研究内容如下 1 以m o d b u s 协议为底层控制协议 采用主从式网络结构实现现场设备的通信控制 以m o d b u s p r o f i b u s 协议的传输结构出发 分析了两协议间的传输报文格式 设计 了协议转换模块 实现了局部现场网络之间的互联与信息传输 2 针对现场控制中具有大时滞 大惯性 变参数等特点的电阻加热温度控制系统 在 p i d 控制算法理论研究及仿真分析的基础上 探索了一种时域范围内的预测控制算法 该 算法为大滞后系统的预测控制提供了理论基础 比p i d 控制算法更具优越性 3 通过m o d b u s 协议进行了具有监控功能的8 路开关量f o 模块的信息传送 4 以智能温度模块 f o 模块和通信控制模块构建一个小型局部网络 并在该网络中 进行m o d b u s 协议和p r o f i b u s 协议的转换 通过协议的转换 实现了网络不同层次 间的互联 本课题在小型局部网络中实现了现场总线技术中的通信控制和异种协议转换 并以 温度控制系统为例 以一种改进的预测控制算法对大滞后控制系统进行了探索 仿真实 验表明 此算法具有一定的实用价值 关键词 现场总线 m o d b u s 协议 p r o f u s 协议 p i d 控制 预测控制 a b s t r a c t f i e l d b u st e c h n o l o g yw i t hd i g i t a l f u l ld i s p e r s i o n o p e n n e s sa n di n t e r o p e r a b i l i t y e t c i sa n i n d u s t r i a lp r o c e s st r e n d s c u r r e n t l y t h e r ea r eav a r i e t yo ff i e l d b u sp r o t o c o lc o e x i s t e n c e b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo ft h ep r o c e s sa n dt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h ed i f f e r e n te q u i p m e n t o rt h el o c a la r e an e t w o r km a yb eu s i n gf i e l d b u sc o n t r o ld e v i c e sw i t hd i f f e r e n tp r o t o c o l i f w a n t t or e a l i z et h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n ds h a r ea m o n gt h e m m u s tc a r r yo u tt h ep r o t o c o l c o n v e r s i o n t h e r e f o r e h o wt oa c h i e v et h e s ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ef i e l dd e v i c e si s a n i s s u e sw i t hr e q u i r i n gu r g e n ts o l u t i o nf o ri n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k t h i st o p i c si so n eo ft h es t u d yw i t ht h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c ti ng u a n g x i p r o c e s sc o n t r o lo ff i e l d b u st e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a n dt h eg u a n g x ig r a d u a t ee d u c a t i o n i n n o v a t i o np r o j e c t b a s e do ns o p ct e c h n o l o g yf i e l d b u sp r o t o c o l c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c h f o c u s eo nt h ed e v e l o po fc o m m u n i c a t i o nc o n t r o la n dp r o t o c o lc o n v e r s i o nm o d u l e t h r o u g hi t st or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o li nt h el o c a ls c e n ec o n t r o ln e t w o r ka n dt h e i n t e m e tb e t w e e nm es i t ec o n t r o ln e t w o r kw i t hx e n o t r a n s p l a n t a t i o np r o t o c 0 1 m a j o rr e s e a r c h p a p e ri sa sf o l l o w s 1 t h em o d b u sp r o t o c o lf o rt h eu n d e r l y i n gc o n t r o lp r o t o c o l u s et h em a s t e r s l a v e n e t w o r kt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o lo ft h e s c e n ee q u i p m e n t a st h ep r o t o c o l t r a n s m i s s i o ns t m c t u r eo ft h em o d b u sa n dt h ep r o f i b u s i ta n a l y s et r a n s m i s s i o np a c k e t f 0 n n a tb e t w e e nt h et w op r o t o c o l d e s i g n t h e p r o t o c o l c o n v e r s i o nm o d u l e r e a l i z et h e i n t e r c o n n e c t i o na m o n gt h el o c a ls c e n en e t w o r ka n d t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n 2 f o rt h er e s i s t a n c ep a r a m e t e r so fh e a t i n g t e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fal a r g ed e l a y l a r g ei n e r t i a v a r i a b l ep a r a m e t e r si nt h es c e n e c o n t r o l b a s e do n t h et h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o no ft h ep i dc o n t r o la l g o r i t h m t oe x p l o r ear a n g e o f t i m e d o m a i np r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rl a r g e t i m ed e l a vo ft h ep r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e m a n di ti sm o r et h a nt h ea d v a n t a g e so fp i dc o n t r o l a l g o r i t h m 3 t h r o u 幽m o d b u sp r o t o c o lt om e s s a g i n gw i t hm o n i t o r i n go f t h e8 w a ys w i t c hi o m o d u l e 4 t a k es m a r tt e m p e r a t u r em o d u l e i om o d u l e sa n dc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lm o d u l et o b u i l das m a ul o c a ln e t w o r k a n dd ot h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h em o d b u sp r o t o c o la n dt h e p r o f i b u sp r o t o c o li nt h i sn e t w o r k t h a tc o n v e r s i o nr e a l i z e s t h en e t w o r kc o n n e c t i v i t y b e t w e e nt h ed i f f e r e n tl e v e l s t h i st o p i c si nas m a l ll o c a ln e t w o r k a c h i e v et h ef i e l d b u st e c h n o l o g y sc o m m u m c a t i o n i i 桂林理工大学硕士学位论文 c o n t r o la n dt h ex e n o g r a f lp r o t o c o lc o n v e r s i o n a n dt a k et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma sa n e x a m p l e t oe x p l o r et h el a r g et i m ed e l a yc o n t r o ls y s t e mw i t ha ni m p r o v e dp r e d i c t i v ec o n t r o l a l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s f i e l d b u s m o d b u sp r o t o c o l p r o f i b u sp r o t o c o l p i dc o n t r o l p r e d i c t i v ec o n t r o l i i i 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料 对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意 学位论文作者 签字 童丑匝盘 签字日期 趔2 垒 乞 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 学校 有关保留 使用学位论文的规定 有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权 学校 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 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社 会公众提供信息服务 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 司丽 签字目期 研年6 月尹日 导师签字 花斛导师签字 4 7 历似 签字日期 气年 月弓日 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于广西科技攻关项目 现场总线技术过程控制研制 桂科攻0 8 15 0 0 1 2 1 和广西研究生教育创新计划项目 基于s o p c 技术的现场总线协议转换技术研究 课题名称 现场总线式智能控制技术研究 1 1 2 课题背景 现场总线是自动化领域技术发展的热点之一 它的出现标志着工业控制技术领域又 一个新时代的开始 随着现场总线控制系统的不断发展和完善 它必将逐步取代传统的 独立控制系统 集中采集控制系统等 成为本世纪自动控制系统的主流 计算机技术 通信技术和微电子技术的迅猛发展 互相渗透与有机结合 使信息技 术得到了高速发展 并将人类社会带进信息社会 在信息技术飞速发展的同时 自动化 领域也发生了深刻的技术变革 产生了自动化领域开放系统互连的通信网络 现场总 线控制网络 形成了全分布式网络集成自动化系统 l o 本课题在深入研究现场总线协议 的基础上 力求能设计出带有总线接口的输入 输出模块 它们以微控制器为核心 能 够使现场控制器与底层传感器和执行器进行双向通信 来完成控制任务 通过本课题的 研究 实现了现场总线在过程控制中的应用 温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数 在工业生产过程中 为了 高效地进行生产 必须对生产工艺过程中的主要参数 如温度 压力 流量 速度等进 行有效的控制 其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例 准确的测量和有效的控 制温度是优质 高产 低耗和安全生产的重要条件 在工业的研制和生产中 为了保证 生产过程的稳定运行并提高控制精度 采用微电子技术是重要的途径 它的作用主要是 改善劳动条件 节约能源 防止生产和设备事故 以获得好的技术指标和经济效益1 4 j 智能控制方案 5 是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规 律以实现控制目标的控制策略 它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定 量计算与分析的困难 它实质上是一种无模型控制方案 即在不需要知道对象精确模型 的情况下 通过自身的调节作用 使实际响应曲线逼近理想响应曲线 本文是针对现场总线技术在过程控制领域的应用这一问题提出的 由于现场总线技 术的引入 将给现场自动控制带来很大的方便 本文主要研究实现p r o f i b u s 协议和 m o d b u s 协议转换的方法 开发适用于过程控制的通信控制和协议转换模块 实现p r o f i b u s 桂林理工大学硕士学位论文 协议和m o d b u s 协议的转换 对温度控制进行算法研究及仿真 1 1 3 现场总线在过程控制中的应用领域及前景 过程自动控制技术是自动化技术的一个重要分支 它广泛应用于化工 冶炼 扎钢 发电 拉膜 造纸 食品 制糖等现代制造业的许多方面 应用先进过程控制技术可以 获得节能减排 提高生产效率 降低成本的效果 现场总线技术将计算机技术 网络技 术 检测与控制技术嵌入到现场设备中 通过面向工业测控的总线网络实现现场设备的 互联 实现传感器 仪器仪表 执行装置和其它机电装置的智能化与网络化 6 7 现场总 线技术的应用显著提高了过程控制系统的性能 简化了系统布线结构 现场总线技术及 相应测量与控制装置的研制已成为当前传感器 过程控制仪表和控制装置研究的热点 它除了带动过程控制技术的发展外 也将成为自动化领域的一个新的经济增长点 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 国内外研究概况 现场总线是自动化领域的一项新技术 它将计算机和自动化技术嵌入到现场设备 利用面向工业检测与控制的总线实现现场设备的互联 从而实现传感器 过程控制仪表 和执行装置 以及其它机电装置的计算机化 智能化和网络化 当前一些国内外公司已 经在这方面取得了一定的成果 如国外西门子公司的过程控制器和p l c 其p l c 带有各 种功能模块 可以选择配置p r o f i b u s 接口 同时西门子还生产各种过程控制仪表 各 种传感器适用的变送器 将传感器的信号变换成4 一 2 0 m a 或o 5 v 等标准信号 各种调 节器 执行器 东芝公司生产v 系列集成控制系统等 v 系列集成控制系统结合了p l c d c s 强大的控制功能和个人计算机简易的操作工具 同时它还生产各种执行器 变送器 a b b 公司生产各种p l c 产品 d c s 产品 采用d e v i c e n e t 现场总线技术 三菱公司生 产各种p l c 产品 采用c c l i n k 总线技术 w e s t 公司开发生产给予p r o f i b u s d p 的 各种过程控制模块 可以和西门子等过程控制器 p l c 构成过程控制系统等 国内的浙 江中控集团生产过程控制设备和相应的组态软件 例如采用a r m 7 系列3 2 位嵌入式处 理器和5 6 寸t f t 显示器的c 3 0 0 0 系列过程控制器 适用于冶金 石化 制糖 制药 热处理 水处理等流程工业的过程控制 c j t 系列智能变送其采用h a r t 接口协议 r 3 1 0 0 系列无纸记录仪 具有r s 2 3 2 r s 4 8 5 以太网接口 上海自动化仪表股份有限公司生产d c s 控制系统s u p m a x 5 0 0 适用于化工 电站 冶金 建材等行业的自动化控制 w s s 带热 电偶 阻 温度变送器的双金属温度计是现场就地显示和远传电信号的温度传感器 它 既可以现场指示温度又可传送热电偶 阻 和二线制温度变送器信号 作为新一代的温 度计 可广泛用于冶金 石化 电力 轻纺 食品 国防等工业部门 z p w 型阀位控制 2 桂林理工大学硕士学位论文 器系执行器的附属仪表 以及压力变送器和仪表 广州致远电子有限公司 生产多种c a n 总线功能模块 例如c a d a m 4 4 0 0 模拟量输出模块 c a d a m 1 8 0 0 开关量输入模块 i c a n 7 4 0 8 计数器模块 i c a n 4 0 1 7 模拟量输入模块 p c i 5 1 2 1 智能接口卡等 利用c a n 总线将这些功能模块间接起来 可以方便的构成 个现场总线网络 桂林立欣白控技术 有限公司 基于p r o f i b u s d p 协议 r s 4 8 5 接口和m o d b u s 协议的过程控制智能模块 笙 8 1 3 寸 o 当前流程工业过程控制产品的需求量巨大 国内外多家公司都在生产应用于流程工 业过程控制的d c s 控制器 以及与各种传感器配套使用的变送器 符合4 2 0 m a 或0 5 v 等标准信号的过程控制仪表 调节器 执行器等 它们的主要连接方式是点对点的连 接 传感器信号经过变送器 或补偿导线 直接将模拟信号传送到过程控制器 当前已 有许多厂家开始研制基于现场总线的功能模块 例如英国的w e s t 公司 广州致远电子 公司 桂林立欣自控技术有限公司 以及其它一些自动化技术和设备公司 除了个别公 司已经开始批量生产外 多数公司当前正处于开发 小批量试生产阶段 而且品种 功 能等还难以满足过程控制的要求 因此 现场总线式过程控制模块具有较好的市场前景 由于3 c c o m p u t e rc o n t r o lc o m m u n i c a t i o n 技术的发展 过程控制系统将由d c s 发展到f c s f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m f c s 可以将p i d 控制彻底分散到现场设备中 基于现场总线的f c s 又是全分散 全数字化 全开放和可互操作的新一代生产过程自动 化系统 它将取代现场一对一的4 2 0 m a 模拟信号线 给传统的工业自动化控制系统体 系结构带来革命性的变化 本课题研究的被控对象是电阻加热温度控制系统 由于被控对象具有大滞后的特性 经典p i d 控制的不足难以得到良好的控制品质 本文做了简要的介绍 为了克服遇到的 困难 近年来 预测控制在温度控制过程中应用研究逐渐增多 其中以仿真研究居多 张泉灵等对以预测函数控制算法为核心并结合p h i 控制的先进控制算法进行了研究 针 对化学反应器的温度跟踪控制问题 给出了透明控制算法及预测函数控制器的具体形式 仿真结果表明 该算法具有较好的跟踪特性 抗干扰能力及鲁棒性 同时 该算法已在 s u p c o n z j x 3 0 0 集散控制系统上实现 工业现场运行取得了很好的结果 1 4 j 目前 由于经典p i d 控制算法在某些应用领域存在局限性 因此人们在不断探索寻 找新的控制算法 也取得了一定的成果 预测控制是通过预测当前时刻之后某一时刻系 统可能行为的变化 以便采取一定的控制策略 最大限度降低偏差值 相对于反馈控制 在大滞后系统中具有一定的特点 人们也在不断寻找对此系统的预测控制实现方法 如 杨锡运等使用带有s m i t h 预估补偿思想的一阶时滞对象预测函数控制算法 来有效克服 对象的大时延 大惯性 并通过建立若干典型工况的固定模型 在线计算其模型匹配度 确定控制权重 从而得到控制器的输出的方法 能适应参数的时变 l5 1 雎刚等提出了一 种具有输入约束的多变量模型预测控制算法 并将其应用于单元机组负荷控制进行仿真 桂林理工大学硕士学位论文 研究 l6 1 华志刚等提出了基于状态变量一预测控制技术的再热汽温控制方法 即先采用 状态反馈来补偿汽温被控对象的滞后和惯性 然后通过预测控制来对补偿后的广义被控 对象进行控制 仿真试验及现场运行结果表明 该控制方法具有优良的控制品质 是一 种对大滞后过程较为有效的控制策略 韩璞提出了多模型预测函数控制策略 并给出 了模型平滑切换方法 将多模型预测函数控制策略应用于主汽温控制系统 仿真结果表 明 采用多模型预测函数控制策略的主汽温控制系统的动态品质明显优于采用单一模型 的系统 18 1 张强 李少远提出用遗传算法来解决存在约束的广义预测控制的优化问题 给出了基于遗传算法的广义预测控制算法的实现方法 并通过工业过程对象的仿真 验 证了该方法的有效性 l9 t a k a g i 和s u g e n o 提出了t s 模糊模型 该类模型的规则前途依 据输入输出关系间是否存在局部线性关系进行划分 而构成模型的各条规则间则用线性 方程表达 使得全局输出有良好的数学表达特性 t s 模型是采用局部线性模型集合表示 对象的整体非线性 2 0 1 j o a om i g u e l 提出了使用模糊约束的满意决策目标函数模型预测控 制算法 2 u 李少远提出了基于模糊目标和模糊约束的满意控制 在基于模糊决策目标函 数的预测控制方面有大量问题需要进一步研究 比如隶属度函数参数定义的原则 控制 变量的连续调节问题 模糊决策目标函数的非凸优化问题等 2 2 1 以上的预测控制是和模糊控制相结合 模拟人的决策行为进行控制 将人的控制经 验转化为可实现的控制算法 此算法过程复杂 计算量大 要处理的数据比较多 可见 此预测控制在现场设备中的应用还存在着一定困难 在此 本文探索一种在时域范围内 的预测控制算法 此算法简单 在线计算量小的优点 在一定的条件下 此预测控制算 法能在现场设备中实现 1 2 2 目前待解决的问题 分析目前现场总线在过程控制领域的发展趋势 并收集国内外近年来的相关资料 借鉴前人的科研成果来考虑解决现场总线在过程控制中的应用问题 提高工业控制的整 体性能 在过程控制系统中 因为功能和其它方面的需要 会使用多种不同的控制单元 控制模块 这些控制单元可能具有不同的通信接口或使用不同的通信协议 2 3 1 另外原 有的若干个局部控制网络 由于技术发展有时会选用不同的功能单元 可能具有不同的 协议 在控制系统中就需要实行不同协议之间的转换 本文对p r o f i b u s m o d b u s 协 议进行了分析和研究 以s o p c 处理器和m c u 为核心设计面向现场总线计算机控制系 统的协议转换模块 解决现场总线控制系统中不同协议的功能模块或局部现场网络之间 互联与信息传输问题 在现有的控制领域内 对温度的控制最常用的是模糊控制和p i d 控制 基本上能达到一般系统的性能指标 但对大滞后 大惯性 非线性系统 预测控 制的性能明显优于p i d 控制 2 4 2 5 1 将在复杂工业过程控制中发挥更为重要的作用 目前 完成本系统还存在以下问题 4 桂林理工大学硕士学位论文 1 研究p r o f i b u s 和m o d b u s 之间的互联与通信方法 即两协议之间的转换 2 利用嵌入式技术和现场网络技术设计智能控制单元 1 3 主要研究内容 创新点及可行性分析 1 3 1 本课题的主要研究内容 本课题是依托广西科技攻关项目 现场总线技术过程控制研制 桂科攻 0 8 1 5 0 0 1 2 1 广西研究生教育创新计划项目 基于s o p c 技术的现场总线协议转换技术 研究 流程工业的过程控制在很多情况下采用分级控制结构 现场总线技术主要应用于生 产现场 实现对生产过程状态的检测和生产设备的操作与控制 有多种现场总线协议标 准 它们在不同的工业控制领域分别得到应用 例如c a n 协议广泛应用于汽车等领域 当前其应用范围也已扩展到过程控制 机器人等 l o n w o r k s 在智能控制领域有其特点并 得到应用 d e v i c e n e t 是在c a n 基础上开发的一种通信链接 在限位开关 电机启动 器等领域得到应用 并成为 低压开关设备和控制设备控制器一设备接口 国家标准 g b t 1 8 8 5 8 3 2 0 0 3 p r o f i b u s d p 2 6 2 7 慵于分散的控制设备间的高速数据传输 在 工业控制领域得到广泛应用 在2 0 0 6 年p r o f i b u s 协议已被批准成为控制领域的国家 标准 g b t2 0 5 4 0 2 0 0 6p r o f i b u s 规范 西门子的p l c 及其它过程装置中普遍支持该 协议 但它存在价格高 复杂的缺点 m o d b u s 协议 2 8 是一种应用于p l c 等控制器的 开放性的现场网络数据传输协议 它定义了一个控制器能够识别使用的数据结构 而不 限制数据是通过何种网络或物理接口进行传输 采用该协议 不同厂家的控制设备 使 用相同的物理接口 可以实现互联 构成一个过程控制网络 正是由于m o d b u s 协议 的开放性 对通信的物理层接口没有特别限制 可以使用r s 4 8 5 2 9 1 等多种串行通信接e 1 实现 它在工业控制领域得到广泛的应用 当前在工业控制领域有多种现场总线标准并 存 解决现场总线控制系统中不同协议的功能模块或局部现场网络之间互联与信息传输 问题 就必须实现异种协议之间的转换 为满足不同的应用要求 拟开发p r o f i b u s d p 协议的过程控制模块和基于r s 4 8 5 接口使用m o d b u s 协议的过程控制模块 3 0 1 并允许采用集中安装和嵌入式安装两种方 式使用 使用p r o f i b u s r s 4 8 5 接口和m o d b u s 协议构成的现场总线式过程控制单 元 可以方便的构成一个过程控制系统 其简化的原理图如图1 1 所示 5 桂林理工大学硕士学位论文 链程描 裁层 磊 现场控 舞4 层么 图1 1 一种基于现场总线的过程控制系统原理图 图1 1 中的a 1 组 a m 组 b l 组 b n 组是控制系统的不同分组 每一组 内使用相同的现场总线协议 各组间可以使用具有不同协议的控制器 由于项目当前只 开发m o d b u s 协议控制模块 故图中全都是用这一协议的控制器 a i b i i l 2 k 为每组的通信控制和协议转换模块 它将组内的协议转换为上一层网络所需要的协议 图 中为转换为p r o f i b u s 协议 从而实现异种协议控制器的组网 协议转换与通信控制模 块以嵌入式微控制器 m c u 为核心 具有p r o f i b u s 接口和r s 4 8 5 接口 支持p r o f i b u s 协议和m o d b u s 协议 协议的转换通过嵌入式控制器的软件实现 各智能节点均包含嵌 入式控制单元 具有r s 4 8 5 接口 由软件实现m o d b u s 协议 它与通信控制单元可以集 中安装 构成一个p r o f i b u s 从站 本文重点研究以下问题 1 研究实现p r o f i b u s 协议和m o d b u s 协议转换的方法 开发适用于过程控制的 通信控制和协议转换模块 实现p r o f i b u s 协议和m o d b u s 协议的转换 2 温度控制模块的控制算法研究 通过m a t l a b 对温度控制算法进行仿真验证 综上所述 重点在于通过对m o d b u s 协议和p r o f i b u s 协议的分析和研究 设计出 适用于过程控制的通信控制和协议转换模块 并对其进行实现 该项目的其它研究与设 计工作由项目组的其他成员进行 1 3 2 本课题的创新点及可行性分析 基于现场总线的先进控制系统以现场总线为系统设备层和监控层通信网络 以工业 6 霹 感 作理 操管 桂林理工大学硕士学位论文 p c 或p l c 为系统控制器 以智能仪表及现场设备为总线节点的分布式控制系统 是一种 基于通用软硬件平台 开放式 与i t 技术紧密结合的先进控制系统 在现场设备中 多种现场总线协议标准并存 使用不同标准的控制器难以直接互联 为了解决现场总线控制系统中不同协议的功能模块或局部现场网络之间互联与信息传输 问题 本文对不同现场总线协议之间的转换技术进行研究 本课题的创新点体现在以下 几个方面 1 使用嵌入式技术设计通信控制与协议转换单元 实现适应于过程控制的通信控制 和p r o f i b u s m o d b u s 协议间的转换模块 2 温度控制模块在时域范围内的预测控制算法研究 纵观前人在该领域的研究方案之后 本人经过认真考虑 反复论证 认为本研究课 题是有一定的可行性的 1 现场总线 过程控制 嵌入式系统对数据的处理 智能控制等理论己基本成熟 为本课题的研究提供了理论支持 2 由于现场总线的标准化和开放性 使得各不同厂家采用同一总线的过程控制功能 模块具有兼容性和开放性 可以实现数据的相互交换和共享 使现场总线成功的运用到 了各行业中 3 本实验室已有了嵌入式智能控制器的软硬件开发工具 试验测试设备 试验场地 4 本人通过对p r o f i b u s 协议 m o d b u s 协议及r s 4 8 5 接口的分析和研究 以及在 计算机基础知识和现场总线技术方面的学习和知识积累 加上实验室的相关设备和技术 条件 本人认为该研究具有极大的可行性和现实意义 1 4 论文的组织结构 本选题以广西科技攻关项目 现场总线技术过程控制研制 基于s o p c 技术的现 场总线协议转换技术研究 为背景 异种协议现场总线控制系统间的互联用通信控制与 协议转换进行研制 所做工作如下 1 在分析目前现场总线在过程控制领域的发展趋势基础上 本课题以m o d b u s 和 p r o f i b u s 协议为主要的研究对象 在大量检索国内外该领域近年来的相关资料的基础 上 借鉴前人的科研成果来考虑解决现场总线在过程控制中的应用问题 提高系统性能 2 通信控制和协议转换是现场总线技术在过程控制领域中的一个重要组成部分 为 了更好地让现场设备进行互联 必须实现异种协议现场控制网络之间的互联 3 本文针对温度控制量 对其进行一种新的预测控制探索 对预测控制算法进行理 论推导并进行仿真分析 本文主要内容如下 7 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章绪论主要介绍课题的研究背景 课题来源 国内外研究现状及发展 阐述本 课题的主要研究内容 创新点以及可行性 最后对论文的研究方法 结构安排进行了说 明 第2 章现场总线和温度特性的相关概述介绍m o d b u s 协议 p r o f i b u s 协议和 温度控制的工作原理等相关理论及技术知识 第3 章协议转换模块重点介绍m o d b u s 协议 p r o f i b u s 协议传输格式及软硬 件实现 第4 章温度的p i d 控制算法的理论推导及模拟控制对象进行m a t l a b 仿真分析 第5 章温度的预测控制算法的理论推导及模拟控制对象进行m a t l a b 仿真针对已 知被控对象的预测控制算法进行研究和仿真分析及被控对象的参数辨识 进一步对在线 实时辨识对象参数的预测控制算法研究及仿真分析 第6 章总结与展望总结全文 并就今后的工作进行展望 桂林理工大学硕士学位论文 第2 章串行通信接口技术及温度特性概述 现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术 是一次工业现场级设备通信的数字化革命 现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设 备 智能化 带有通信接口 连接 用数字化通信代替4 2 0 m a 2 4 v d c 信号 完成现场设 备控制 监测 远程参数化等功能 本文实现对局部现场控制网络的通信控制及m o d b u s 1 p r o f i b u s 协议之间的转换 2 1m o d b u s 通信协议简介 m o d b u s 是工业控制网络协议的一种 是施奈德公司最先倡导的一种通信协议 经过 大多数公司的实际应用 己经逐渐被认可 成为一种标准的通信协议 m o d b u s 是一种全 开放的协议标准 其历史悠久 应用灵活 能够满足网络通信发展的新要求 m o d b u s 协 议包括a s c i i r t u p l u s t c p 等 并没有规定物理层 此协议定义了控制器能够认 识和使用的消息结构 而不管它们是经过何种网络进行通信的 标准的m o d b u s 是使用 r s 2 3 2 c 兼容串行接口 r s 2 3 2 c 规定了连接器针脚 接线 信号电平 波特率 奇偶 校验等信息 m o d b u s 的a s c i i r t u 协议则在此基础上规定了消息 数据的结构 命令 和应答的方式 m o d b u s 控制器的数据通信采用m a s t e r s l a v e 方式 主 从 即m a s t e r 端发出数据请求消息 s l a v e 端接收到正确消息后就可以发送数据到m a s t e r 端以响应请 求 m a s t e r 端也可以直接发消息修改s l a v e 端的数据 实现双向读写呤 m o d b u s 可以应用在支持m o d b u s 协议的p l c 和p l c 之间 p l c 和个人计算机之间 计算机和计算机之间 远程p l c 和计算机之间以及远程计算机之间 通过m o d e m 连接 等 可见m o d b u s 的应用是相当广泛的 由于m o d b u s 是一个事实上的工业标准 许多厂 家的p l c h m i 组态软件都支持m o d b u s 而且m o d b u s 是一个开放标准 其协议内容 可以免费获得 一些小型厂商甚至个人都可根据协议标准开发出支持m o d b u s 的产品或 软件 从而使其产品连入到m o d b u s 的数据网络中 因此 m o d b u s 有着广泛的应用基础 在实际应用中 可以使用r s 2 3 2 r s 4 8 5 4 2 2 m o d e m 加电话线 甚至t c p i p 来联网 所以 m o d b u s 的传输介质种类较多 可以根据传输距离来选择 3 引 2 1 1 两种传输模式 在标准的m o d b u s 网络中通信时 有两种传输模式即r t u r e m o t et e r m i n a lu n i t 远程终端模式 模式和a s c i i a m e r i c as t a n d a r dc o d ef o ri n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e 美国 信息交换标准码 模式 用户可以选择想要的传输模式及串口通信参数 波特率 校验 方式等 但在一个m o d b u s 网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口通信参 9 桂林理工大学硕士学位论文 数 其中r t u 模式信息帧中的8 位数据包括两个4 位1 6 进制字符 相对a s c i i 模式 r t u 模式表达相同的信息需要较少的位数 在相同通信速率下具有更大的数据流量 因 此通常情况下 一般工业智能仪器仪表都是采用r t u 模式的m o d b u s 通信协议 耐电压 试验仪下层主控制单元和各子控制单元之间就采用r t u 传输模式 2 1 2m o d b u s 消息帧 帧的定义是m d o b u s 协议的核心 通信设备在接收和发送消息时都要以帧的定义为 依据 3 3 1 m o b d u s 规定了对应于两种传输模式的帧格式 即a s c i i 帧和r t u 帧 1 a s c i i 帧 使用a s c i i 模式 消息以 字符 a s c i i 码 3 a h 开始 以回车换行符结束 a s c i i 码 0 d h 0 a h 其它域可以使用的传输字符是十六进制的0 9 a f 网络上的设备不断侦测 字符 当有一个冒号接收到时 每个设备都解码下个域 地址域 来判断是否是发给自 己的 消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1 秒 否则接收的设备将认为传输错误 一个典型的消息帧如表2 1 所示 表2 1a s c i i 消息帧 起始位地址域功能域数据域l r c 校验结束符 1 个字符2 个字符2 个字符 n 个字符2 个字符2 个字符 2 r t u 帧 使用r t u 模式 消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始 在网络波特率 下设置多个字符时间 如表2 2 中的t 1 t 2 t 3 t 4 这是最容易实现的 传输的第一个 域是设备地址 可以使用的传输字符是十六进制的0 9 a f 网络设备不断侦测网络 总线 包括停顿间隔时间内 当第一个域 地址域 接收到 每个设备都进行解码以判 断是否是发往自己的 在最后一个传输字符之后 一个至少3 5 个字符时间的停顿标注 了消息的结束 一个新的消息可在此停顿后开始 整个消息帧必须作为一个连续的流来传输 如果在帧完成之前有超过1 5 个字符的 停顿时间 接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域 同样 地 如果一个新消息在小于3 5 个字符时间内接着前一个消息开始 接收的设备将认为 它是前一消息的延续 这都将导致c r c 校验错误 一个典型的消息帧如表2 2 所示 表2 2r t u 消息帧 起始位地址域功能域数据域c r c 校验结束符 t 1 一t 2 一t 3 一t 48 b i t8 b i tn 8 b i t1 6 b i tt 1 t 2 t 3 一t 4 l o 桂林理工大学硕士学位论文 3 地址域 消息帧中的地址码包含两个字符 a s c 或8 b i t r t u 允许的从设备地址是0 2 4 7 十进制 单个从设备的地址范围是l 2 4 7 m d o b u s 网络中的每个从设备都应分 配一个惟一的地址 主设备要对某个从设备进行访问 只要将发送的信息帧中的地址码 设定为从设备地址 从设备发送回应消息时 也相应的把信息中的地址码设为自己的地 址 以便主设备知道是哪一个从设备作出的回应 地址0 用作广播地址 所有的从机都 能认识 但不作回应 当m d o b u s 协议用于更高水准的网络 广播可能不允许或以其它 方式代替 本试验仪下层控制系统中以嵌入式主控制单元为主机 测量功能单元和升压控制功 能单元为从机 测量功能单元 升压控制功能单元的地址分别为0 1 一0 2 4 功能域 消息帧中的功能码包含两个字符 a s c i i 或8 b i t i 盯u 允许的代码范围是1 2 5 5 十进制 有些代码是适用于所有控制器的 有些只适用于某种控制器 还有些保 留以备后用 当消息从主设备发往从设备时 功能码告诉从设备需要执行哪些操作 当从设备响 应时 它使用功能码来指示是正常响应 还是出错响应 对正常响应 从设备仅响应相 应的功能代码 对出错响应 从设备返回一个在正常功能代码的最高位置1 的代码 例如 一主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器 将产生如下功能代码 0 0 0 0 0 0 11 对正常响应 从设备仅响应同样的功能代码 对异常响应 它返回 1 0 0 0 0 0 11 除功能代码因异常错误作了修改外 从设备将一特殊的代码放到响应消息的数据域中 这能告诉主机发生了什么错误 主设备应用程序得到出错响应后 典型的处理过程是重 发消息 或者诊断发给从设备的消息并报告给管理员 5 数据域 数据域是由两位十六进制数构成的 范围为0 0