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1、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

2、线，PROFIBUS-DP， 监控系统T h e C on t r ol S y s t em B a se d on F i e ld b u s A b s t r a c tAccording to the actuality of the studied water station, the thesis combine the advanced Fieldbus technique, Ethernet and the traditional machine and electric technique together, and use them to design the supe

3、rvise controlling system of the water station. During the designing of the electricity control system, the thesis used the mode that made up of monitor system and control system, formatted a network that is combined by far concentrates control system and nearly control system. The monitor system cho

4、oses the personal computer with supervisory control configuration softwareWinCC and the human-machine interface, which operated conveniently. And the control system chooses dependably programmable logic controller and advance Profibus Fieldbus to completely control the spot equipments.Keywor d：PLC,

5、Fieldbus, PROFIBUS-DP, Supervise Controlling System目 录1 概论 11.1 现场总线的产生与发展 11.2 现场总线的技术优势 22 PROFIBUS 现场总线 42.1 PROFIBUS 概述 42.2 PROFIBUS 的协议结构 43 基于 PROFIBUS 现场总线的水厂自动控制系统 73.1 水厂工艺流程 73.2 加药控制实现 83.3 加氯控制实现 93.4 城市管网控制 103.5 中央管理中心 113.6 现场总线生产控制网络设计 123.7 水厂工艺过程控制程序流程图 133.7.1 进水泵房控制流程图 133.7.2 滤

6、池控制流程图 143.8 通信的具体实现方法 163.9 系统设计结果分析 184 课题总结 18致谢 19参考文献 201 概 论1.1 现场总线的产生与发展控 制 论 的 创 始 人 Norbet W i e ner 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

7、 。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 3 C （ C om pute r C om m unic a tion C ontrol） 技 术 。现 场 总 线 控 制 系 统 （ FC S , Fieldbus C ontrol S y s te m ） 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

8、统 、数 字 计 算 机 集 中 控 制 系 统 和 集 散 式 控 制 系 统 （ DC S ， Distribute d C ontrol S y s te m ） 后 的 新 一 代 控 制 系 统 。FC S 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

9、 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 2 0 世 纪 8 0 年

10、代 开 始 出 现 并 被 逐 步 推 广 ， 现 在 已 经 被 广 泛 接 受 和 使 用 。 2 0 0 2 年 欧 洲 有 4 0 % 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

11、 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 DC S 必 将 被 FC S 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 S i e m e ns、 M otorola 、 Hone y w e l l 等 诸 多 世 界 大 公 司

12、 的 高 度 重 视 。1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 ， 1 9 9 7 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 、

13、 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 。 2 0 0 1 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 （ 2 0 0 1 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

14、 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

15、 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 ：2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 C IM

16、 S 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 - 2 0 m A 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

17、 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

18、 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 、3I/O 模 块 及 电 缆 敷 设 工 程 费 用 ， 降 低 了 系 统 及 工 程 成 本 2 。2 P R O F I B U S 现 场 总 线 2 .1 P R O F IB U S 概 述目 前 世 界 流 行 的 现 场 总 线

19、 及 总 线 标 准 有 很 多 种 ，其 中 PR OFIB U S 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 PR OFIB U S 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 PR OFIB U S 协 议 由 PR OFIB U S - DP、 PR OFIB U S - FM S和 PR OFIB U S - PA 三 个 兼 容 部 分 组 成 。采 用 了 OS I 模 型 的 物 理 层 、数 据 链 路 层 、

20、 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 ）PR OFIB U S - 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 ） PR OFIB U

21、 S - FM S 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 ） PR OFIB U S - 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 /P A 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 。PR OFIB U S 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 、

22、 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 .2 P R O F IB U S 的 协 议 结 构PR OFIB U S 协 议 结 构 是 根 据 IS O 7 4 9 8 国 际 标 准 ，以 开 放 式 系 统 互 联 网 络 （ Ope n S y s te m Inte rc onne c ti on OS I） 作 为 参 考 模 型 的 。 该 模 型 共 有 七 层 ， 如 图 2 所 示

23、 ：4图 2 PR OFIB U S 协 议 结 构第 一 层 : 物 理 层 （ Phy s i ca l L a y e r） 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（ DL L ） 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

24、 二 进 制 数 ， 并 送 到 链 路 层 。第 二 层 : 数 据 链 路 层（ Da ta L ink L a y e r） 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 。 DL L 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 ， DL L 为 用 户 提 供 了 可 靠 且 透 明 的 数 据

25、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 IEE8 0 2 . 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 :

26、应 用 层 （ Fieldbus A pplica ti on L a y e r） 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5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 （ U ser L a y e r） 是 专

27、 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

28、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 ） PR OFIB U S - DP： 定 义 了 第 一 、 二 层 和 用 户 接 口 ， 第 三 到 七 层 未 加 描 述

29、。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（ DDL M ） 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 R S 4 8 5 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 DIN 1 9 2 4 5 的 第 一 部 分 为 基 础 ， 根 据

30、 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 1 2 M bps， 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 PL C /P C ）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

31、 ） PR OFIB U S - FM S ： 定 义 了 第 一 、 二 、 七 层 ， 应 用 层 包 括 现 场 总 线 信 息 规 范 （ Fie ldbus M e ssa g e S pe c i fic a ti on- FM S ） 和 低 层 接 口（ L ow e r L a y e r Inte rfa ce L L I） 。 FM S 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 。L L I 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 。P rof

32、ibus- FM S 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 ） 。6FM S 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 ）PR OFIB U S - PA ：PA 的 数 据 传 输 采 用 扩 展 的 PR OFIB U S - DP 协 议 。 另 外 ， PA 还 描 述 了 现 场 设 备 行 为 的 PA 行 规 。 根