基于proteus的现场总线的控制系统设计论文Word文档下载推荐.docx

1、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。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

2、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

3、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：操作员监控站操作员接口交换机I/O连线控制器或智能化现场设备现场总线图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

4、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

5、模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。1.3 流行现场总线简介现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上著名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户

6、的信任及企业的名誉。而历史经验证明：国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竞争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市场实力的竞争。据说目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种：1.3.1 PROFIBUS现场总线1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运

7、行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的PROFIBUS-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了PROFIBUS国际支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（PROFIBUS）专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的实验室。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

8、。楼宇：空调、风机、照明。铁路交通：信号系统1.3.2 FF现场总线1994年由ISP 基金会和World FIP（北美）两大集团合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线（Fundation Fieldbus）。低速总线（H1）协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线（H2）拟于1998年内表。1997年5月建立了中国现场总线（FF）专业委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。1.3.3 LONWORKS总线LONWORKS现场总线全称为LONWORKS N

9、etWorks，即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。1.3.4 CANBUS现场总线CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IOS 11898（通讯速率小于1Mbps）和ISO 11519（通讯速率小于125Kbps）。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。1.3.5 WorldFIP现场总线9091年FIP

10、现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准（EN 50170 V.3）。下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上已做好充分准备。WorldFIP国际组织在北京设有办事处，即WorldFIP中国信息中心，负责中国的技术支持。WorldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25Kbit/s,制造业为1M bit/s,驱动控制为1-2.5Mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了

11、系统运行的安全性。WorldFIP现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。1.3.6 P-NET现场总线P-NET现场总线筹建于己于1983年。1984年推出采用多重主站现场总线的第一批产品。1986年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（EN 50170 V.1）。1997年组建国际P-NET用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组

12、织分部。P-NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。2 PROFIBUS现场总线2.1 PROFIBUS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，长沙八水厂自控系统便是采用了该总线。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

13、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。2.2 PROFIBUS的协议结构PROFIBUS协议结构是根据ISO

14、7498国际准，以开放式系统互联网络（Open System InterconnectionSIO）作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2所示：图2 PROFIBUS协议结构第一层:物理层（Physical Layer）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（Data Link Layer）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

15、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（Fieldbus Application Layer）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

16、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（User Layer）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

17、、功能块执行调度、时钟同步和标记定位等功能。 （1）PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。（2）PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低层接口（Lower Layer InterfaceLLI）。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。（3）PROFIBUS-P

18、A：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。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。3 PROFIBUS-DP概述PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。3.3.1 PROFIBUS-DP的基本功能（1）传输技术：RS-485双绞线、

19、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。（2）总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主从设备）数为126。（3）通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主从用户数据传送和非循环主主数据传送。（4）运行模式：运行、清除、停止。（5）同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。（6）功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP主站（DPM1）进行

20、配置。每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。（7）可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。（8）设备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程序控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。3.3.2 PROFIBUS-DP基本特征（1）速率：在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s输入和512 bi

21、t/s输出，在12M bit/s时只需1毫秒。（2）诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级： 本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低。 模块诊断操作：一个站点的某具体I/O模块故障。 通道诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。4 PROFIBUS-DP控制系统 4.1 PROFIBUS-DP系统配置和设备类型PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每

22、个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：（1）一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。（2）二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。（3）DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。具体介绍如下:PLC（智能型1/0） : PLC自身有程序存储器，PLC的CPU部分执行程序并按程序指令驱动I/O，可以作为Profibus的一个从站。在PLC存储器中划分出

23、一段特定区域，作为PLC与主站通信的共享数据区。主站可以通过通信间接控制从站PLC的I/O接口。分散式1/O（非智能型I/O ）:通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执行，通信适配器部分接收主站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型I/O是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。驱动器、传感器、执行机构等现场设备:即带Profibus接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。至于哪些参数可进行通信及参数格式由Profibus行规决定。（4）单

24、主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。如图3所示：单主系统实现最短的总线循环时间，他们的组成： 1个DP-1类主站 1到125个DP-从站 1到DP-2类主站（可选）DP-主站（1类）DP-主站（2类）1到125个DP-从站图3 单主站系统（5）多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映像，但是只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。如图4所示： 图4 多主站系统4.2 PROFIBUS控制系统配置的几种形式4.2.1 按现场设备类型分根据现场设备是否具备Profibus接口，Profibus控制系统配置可分为三种形式。总线接口型:现场设备不具备Profibus接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点。单一总线型:现场设备都具备