基于Profibus现场总线水厂控制系统毕业设计论文.docx
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基于Profibus现场总线水厂控制系统毕业设计论文
河南科技学院
2010届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于Profibus现场总线
的水厂控制系统
摘要
文章从所研究的水厂的实际需要出发，将先进的现场总线技术、以太网技术与传统的机械电气技术相结合，并应用到水厂控制系统的实际设计过程中。
在电气控制系统的设计过程中，采用了上位机加下位机的设计模式，组建了远程集中控制与现场控制相结合的控制网络。
上位机选用装有组态软件WinCC的PC机和操作方便灵活的触摸屏。
下位机则采用可靠性高的可编程控制器和先进的PROFIBUS现场总线完成对现场设备的控制。
关键词：
可编程控制器，现场总线，PROFIBUS-DP，监控系统
TheControlSystemBasedonFieldbusAbstract
Accordingtotheactualityofthestudiedwaterstation,thethesiscombinetheadvancedFieldbustechnique,Ethernetandthetraditionalmachineandelectrictechniquetogether,andusethemtodesignthesupervisecontrollingsystemofthewaterstation.Duringthedesigningoftheelectricitycontrolsystem,thethesisusedthemodethatmadeupofmonitorsystemandcontrolsystem,formattedanetworkthatiscombinedbyfarconcentratescontrolsystemandnearlycontrolsystem.Themonitorsystemchoosesthepersonalcomputerwithsupervisorycontrolconfigurationsoftware—WinCCandthehuman-machineinterface,whichoperatedconveniently.AndthecontrolsystemchoosesdependablyprogrammablelogiccontrollerandadvanceProfibusFieldbustocompletelycontrolthespotequipments.
Keyword：
PLC,Fieldbus,PROFIBUS-DP,SuperviseControllingSystem
目录
1概论1
1.1现场总线的产生与发展1
1.2现场总线的技术优势2
2PROFIBUS现场总线4
2.1PROFIBUS概述4
2.2PROFIBUS的协议结构4
3基于PROFIBUS现场总线的水厂自动控制系统7
3.1水厂工艺流程7
3.2加药控制实现8
3.3加氯控制实现9
3.4城市管网控制10
3.5中央管理中心11
3.6现场总线生产控制网络设计12
3.7水厂工艺过程控制程序流程图13
3.7.1进水泵房控制流程图13
3.7.2滤池控制流程图14
3.8通信的具体实现方法16
3.9系统设计结果分析18
4课题总结18
致谢19
参考文献20
1概论
1.1现场总线的产生与发展
控制论的创始人NorbetWiener说，“如果一门科学是真正具有生命力的，它的引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移”。
自动控制技术的历史，就是从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能化到高级智能化的发展过程。
现场总线控制系统是在自动检测控制技术和计算机网络技术飞速发展的推动下形成的，它是现代计算机技术和通信技术和检测控制技术的集成，人们称之为3C（ComputerCommunicationControl）技术。
现场总线控制系统（FCS,FieldbusControlSystem）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、数字计算机集中控制系统和集散式控制系统（DCS，DistributedControlSystem）后的新一代控制系统。
FCS是信息数字化、控制功能分散化、开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、数字化、网络化向生产过程现场的发展。
现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”，使得“危险分散，控制分散”。
现场总线控制系统把控制彻底的下放到现场，由现场的智能仪表完成诸如数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等大部分功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才有上位机完成，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给上位机，有益于设备管理[1]。
在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并被逐步推广，现在已经被广泛接受和使用。
2002年欧洲有40%自动化工程项目采用了现场总线控制系统。
在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，如外资汽车生产企业的生产线大多用到了现场总线技术，后来啤酒灌装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。
此外，市政工程、楼宇、智能化小区建设也开始使用现场总线。
可以预见，随着现场总线技术发展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的DCS必将被FCS所全面取代。
现场总线技术的推广虽然只有短短二三十年，但其技术的先进性已经带到了工业界的广泛认可，其良好的应用前景和广阔的市场受到诸如Siemens、Motorola、Honeywell等诸多世界大公司的高度重视。
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就国内而言，自二十世纪末以来，现场总线技术的研究开始进入起步
阶段，1997年5月中国现场总线（FF）专业委员会建立，并筹建FF现场总线产品认证中心；同年7月中国现场总线（Profibus）专业委员会组建，同时开始筹建现场总线（Profibus）产品演示及认证实验室。
此后，包括清华大学、浙江大学在内的许多高校、科研院先后建立自己的现场总线实验室，用于现场总线控制技术的教学实践与研究开发。
2001年11月，国家发展计划委员会在《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2001年度）》中将现场总线技术及其智能仪表的研究、开发及推广应用列为优先发展的高科技重点领域之一。
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。
对于我国这样的发展中国家而言，其意义更为重大。
必须抓住有利条件，积极开展对现场总线控制系统的跟踪研究，用于尝试这项先进技术，尽早提高我国企业自动化水平。
1.2现场总线的技术优势
现场总线技术的发展，促使工厂底层自动化系统及信息集成技术产生变革，新一代、基于现场总线的自动化监控系统已初露端倪，图1所示为基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控系统模式，该模式的系统具有以下优点：
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图1现场级与车间级自动化监控系统
（1）增强了现场级信息集成能力
现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。
现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。
系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性
不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。
系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。
（3）系统可靠性高、可维护性好
基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。
同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。
（4）降低了系统及工程成本
对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、
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I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本[2]。
2PROFIBUS现场总线2.1PROFIBUS概述
目前世界流行的现场总线及总线标准有很多种，其中PROFIBUS现场总线是欧洲标准，其产品在世界市场上已被普遍接受，在中国也组建了PROFIBUS现场总线专业委员会，它是目前世界上最成功的现场总线之一。
现场总线PROFIBUS协议由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS
和PROFIBUS-PA三个兼容部分组成。
采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层，支持主从系统、纯主系统、多主多从系统通信方式。
主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权，取得控制权的主站可向从站发送、获取信息。
根据应用特点可分为三个兼容版本：
（1）PROFIBUS-DP以其较快的传输速度和强抗干扰能力而应用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯;
（2）PROFIBUS-FMS主要解决车间级的通用型通信任务,可以提供灵活而大量的通信服务;（3）PROFIBUS-PA则专为过程自动化设计,它直接和现场的传感器或执行器连接,并可通过DP/PA接口与DP总线连接,使用于安全性要求较高以及由总线供电的场合。
PROFIBUS主要应用领域有：
制造业自动化：
汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。
过程控制自动化：
石化、制药、水泥、食品、啤酒。
电力：
发电、输配电。
楼宇：
空调、风机、照明。
铁路交通：
信号系统。
2.2PROFIBUS的协议结构
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection—OSI）作为参考模型的。
该模型共有七层，如图2所示：
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图2PROFIBUS协议结构
第一层:
物理层（PhysicalLayer）定义了网络信道上的信号与连接方式、传输介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。
当处于数据发送状态时，该层接受数据链路层（DLL）下发的数据，并将以某种电气信号进行编码并发送;当处于数据接受状态时，将相应的电气信号编码为二进制数，并送到链路层。
第二层:
数据链路层（DataLinkLayer）定义了一系列服务于应用层的功能和向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息传输的差错检验。
DLL提供原语服务和相关事件、与原语服务相关的参数格式，以及这些服务及事件之间的相关关系，DLL为用户提供了可靠且透明的数据传送服务。
数据链路层是现场总线的核心。
所有连接到同一物理通道上的应用进程实际上都是通过链路层的实时管理来协调的。
为了突出实时性，现场总线没有采用以往IEE802.4标准中定义的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。
在这种方式下，物理通道被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信的延迟。
第三层:
应用层（FieldbusApplicationLayer）为用户提供了一系列的服务，拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了
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系统的开放性。
应用层与其它层的网络管理机构一起对网络数据流
动、网络设备及网络服务进行管理。
第四层:
用户（UserLayer）是专门针对工业自动化领域现场装置的控制和具体应用而设计的，它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用户凭标准功能块可组态成系统，实现用户的应用程序，这是使现场总线标准超过一项通信标准而成为一项系统标准的关键，也是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。
此外，现场总线基金会系统结构还为每个设备定义了一个网络管理代理，可提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。
系统管理负责完成设备地址分配、功能块执行调度、时钟同步和标记定位等功能
[4]。
Profibus为多主从结构，可方便的构成集中式、集散式和分布式控制系统。
针对不同的控制场合，它分为3个系列。
（1）PROFIBUS-DP：
定义了第一、二层和用户接口，第三到七层未加描述。
这种结构能够保证快速和有效的数据传送。
直接式数据链路转换器（DDLM）提供的用户接口，使得对第二层的存取变得简单方便。
在用户接口中定义了用户和系统使用的应用功能，以及各种Profibus-DP装置特性，传输可使用RS485传输技术或光纤媒体。
它用于传感器和执行器的高速数据传输，以DIN19245的第一部分为基础，根据所需要达到的目标对通信功能加以扩充。
DP的传输速度可达12Mbps，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作。
这种设计主要用于设备一级的高速数据传送，在这一级，中央控制器（如PLC/PC）通过高速串行线与分散的现场设备（如I/O、驱动器等）进行通信，与这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。
（2）PROFIBUS-FMS：
定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口
（LowerLayerInterface—LLI）。
FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。
LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
Profibus-FMS主要解决车间一级通用性通信任务，完成中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务。
由于它是完成控制器与智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要问题是系统的功能，而不是系统的响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换（如改变设定参数等）。
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FMS给用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，可用于大范围
和复杂的通信系统。
（3）PROFIBUS-PA：
PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。
另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。
根
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