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基于PROFIBUS-DP的智能从站开发.pdf

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中北大学学位论文In the end,some design experiences are discussed,which may be helpful tothe research forward.Key wordsPROFIBUSDP,Intell igent slave station,SPC3,Development kit 4原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名爨蕴骂 日期冲占..W关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定,其中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借阅;④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容保密学位论文在解密后遵守此规定。签名盘蕴亟 日期导师签名边』睦7卯参、≥.切日期 协f、如中北大学学位论文1.1选题的背景及意义1绪论现场总线技术自70年代诞生至今,由于它在减少系统线缆,简化系统安装、维护和管理,降低系统的投资和运行成本,增强系统性能等方面的优越性,引起人们的广泛注意,从而得到了大范围的推广,导致了自动控制领域的一场革命“3。当前,现场总线控制系统已逐渐发展成为继集散控制系统之后的新一代控制系统。现场总线技术的应用发展对国产现有现场设备及仪表提出了新的要求,同时由于现场总线技术的开放性又为国产现场设备及仪表提供新的市场机会。为了在这场新的技术革命中不处于落后地位,同时也为了能推进中国控制系统的发展,紧跟国际现场总线技术的发展,掌握核心技术,适时推出自己的现场总线产品,是我国在今后的激烈竞争中能处于不败地位的唯一出路。在现有的各种现场总线标准中,过程现场总线PROFIBUSPROCESS FIELD BUS标准是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化以及楼宇、交通电力等领域的自动化”’。它是世界上仅有的几个开放式现场总线标准之一,也是我国工业自动化领域行业标准中为数不多的现场总线标准之一”3。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信没想,已在数以万计的应用中得以实现。市场调查确认,在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%“3。而目前国内在PROFIBUS产品开发上仅仅处于研究阶段,还没有一个产品能真正经过认正“1。对它的研究开发具有很大的现实意义。过程现场总线PROFIBUS标准由三个兼容部分组成,即PROFIBUSDPDecentralizedPeriphery标准,PROFIBUSPAProcess Automation标准,PROFIBUSFMSFieldbusMessage Specification标准。其中PROFIBUSDP标准是一种高速低成本通信标准,它主要用于设备级控制系统与分散式I/O通信环境。PROFIBUSPA标准专为过程自动化设计,可使传感器和执行机构连在一根总线上,并具有本质安全规范。PROFIBUSFMS标准主要用于车间级监控网络,是一个以令牌结构为组织方式的实时多主网络体系“1。由于中北大学学位论文这三个标准都具有相同的数据链路层,也就是具有相同的总线存取协议。1,并且PROFIBUSDP应用于现场级,是经过优化的高速、廉价,适于自动控制系统与现场设备问实时通信的协议,具有极大的应用范围,对它进行研究可起到举一反三,事半功倍的效果。依据PROFIBUS-DP标准所开发的设备分为主站和从站两种类型。主站主要负责总线通信的控制与管理,从站主要完成现场信息的收集及控制”3。由于主站应用范围和数量都要比从站要小的多。另外,根据当前中国的实情,大部分的生产现场还都是处于420IIlA模拟信号标准统治下,如果能设计一种将当前的老设备与现场总线网络进行互联的从站,从而尽快且经济地将老的控制系统过渡到新一代现场总线控制系统中,必将对我国控制系统的更新换代起到很大的推动作用。因此基于与老设备互联的PROFIBUSDP智能从站的研究在当前是十分必要的。1.2国内外研究动态PROFIBUS是世界上首屈一指的现场总线标准,1987年由SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发,1989年批准为德国工业标准DIN 19245,1996年批准为欧洲标准EN 50170 V.2PROFIBUSFMS/一DP,1998年PROFIBUSPA批准纳入EN 50170 V.2,1999年PROFIBUS成为国际标准IEC 1158的组成部分Type 3,2003年PROFlnet成为国际标准IEC 61158的组成部分“1。从PROFIBUS标准创立到现在己经历了十几年,现已为全世界所接受,其应用领域覆盖了从机械加工、过程控制、电力、交通到楼宇自动化的各个领域,已安装PROFIBUS的设备数以万计,PROFIBUS在众多的现场总线中以其超过40%的市场占有率稳居榜首,其产品每年增长20~30%。以著名的西门子公司为例,它可以提供上千种PROFIBUS产品,并已经把他们应用在中国的许多自动控制系统中。对于PROFIBUS产品的开发,国外许多公司,如IBM,MOTOROLA,SIEMENS,M2C等公司都有全套的用于PROFIBUSDP主站和从站开发的特定用途集成电路ASIC,供用户使用,而成套的产品如SIEMENS含有DP主站模块的PLC,德国JUMO公司的智能温度变送器等早在几年前就已进入中国市场。相对于国外快速发展的状况,国内在这方面的研究显得十分不足,还处于初步使用中北大学学位论文阶段。在国内,1996年底SEIMENS才组织了PROFIBUS技术研讨会,1997年6月成立中国PROFIBUS用户组织CPO,2000年底成立中国PROFIBUS技术资格中心CPCC,2001年PROFIBUS被批准成为中华人民共和国工业自动化领域行业标准中的现场总线标准。截止到2003年在国内还没有一种PROFIBUS产品通过认证。在国内PROFIBUS现场总线的应用上,无论是在现场总线系统、主控制器、基于Pc的主控制器还是现场设备及仪表方面的产品都几乎被国外产品所取代9’。就全国范围来说,北京鼎实创新科技有限公司,北京亿维特控制技术有限公司,北京航空航天大学等单位在PROFIBUS产品开发方面是做的比较好的,但与国外公司相比还有很大差距,还主要处于国外产品应用阶段,主要的产品也只是辅助性的,具体的主站和从站产品还很少。在这种形式下,为了跟上技术发展的步伐,使中国在新的控制系统革命中处于不败之地,加大科研力度,掌握核心技术,适时推出自己的专利产品是目前唯一的出路。1.3本文的主要研究内容本论文是在现场总线控制系统正成为主流控制系统的大背景下选题的,为了能跟随技术发展的步伐,尽快将国内现有的控制方式转变到目前流行的现场总线控制方式中,论文选题的主要出发点是如何尽快且经济地将国内厂矿目前落后的现场控制方式过渡到先进的现场总线控制方式中。根据当前中国大部分的生产现场还处于420mA模拟信号标准统治下的实情,确定了课题的主要目的是设计一种转换装置即智能从站,将420mA的标准信号,转换到PROFIBUSDP现场总线标准中。本论文的主要研究内容是如何将不具有现场总线功能的现场设备引入到现场总线网络中,在集散控制系统及其以前的各种控制系统中的现场控制或执行设备如阀门、传感器、智能仪表等都是以4~20ⅢA信号进行信息传递的,无法满足现场总线网络中数字信息传递的要求。所要设计的智能从站,要想将老设备完美地集成到当前的PROFIBUSDP中,首先要做的是将420fIlA的信号转换成数字信号,然后按照PROFIBUSDP协议的要求将数字信号传递到PROFIBUSDP网络中,并通过接收来自PROFIBUSDP网络中的主站命令来驱动老设备工作。因此转换装置要完成的任务包括4~20mA到数字信号的转换,PROFIBUS~DP协议的实现,数字信号到420mA标准信中北大学学位论文号的转换等。这就决定了本论文研究的主要内容有1.设计420mA到数字信号相互转换的电路。它包括4-20mA到数字信号的转换,数字信号到420f【lA标准信号的转换。2.设计能完成PROFIBUS1P从站协议的硬件。这涉及协议芯片的使用,芯片驱动电路的设计,从站地址的处理等。3.设计能完成PROFIBtJS DP从站协议的软件。包括A/D,D/A转换控制软件,协议芯片使用控制软件、从站协议实现软件等。4.构建用于测试从站的PROFIBUSDP主从测试网络。这里包括主站的建立,主从站联调,测试平台搭建,智能从站测试等。本论文共分六章,第一章绪论,简要介绍了选题的背景及意义,概述了当前国内外PROFIBUS现场总线发展现状及论文所要完成的内容。第二章PROFIBUS现场总线,介绍了PROFIBUS现场总线的概况,PROFIBUSDP协议的基本特性及实现方式。第三章PROFIBUSDP智能从站硬件实现,通过详细分析给出了A/D、D/A、协议芯片驱动、看门狗、串行EEPROM使用等电路的实现。第四章PROFIBUS DP智能从站软件设计,详细给出了A/D、D/A、协议芯片使用、纯软件实现功,议的详细软件流程。第五章智能从站测试,首先介绍了硬件调试过程中一些难点的实现,以及GSD文件的编制注意事项,随后在硬件及软件设计完成的基础上,通过建立PROFIBUSDP主从测试网络,对智能从站进行了通信测试,并得出了智能从站通讯成功的结论。第六章结论,叙述了论文完成过程中所取得的成果及一些结论,给出了还存在的问题与不足。中北大学学位论文2.1现场总线介绍2 PROF I BUSDP现场总线协议随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展,计算机功能的不断增强,价格急剧降低,为计算机集成制造系统的实现创造了良好的物质基础。使处于生产过程底层的测控自动化系统需要一种能在多点间进行数字通信、廉价可靠的底层通信网络。另外,信息交换沟通的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。信息技术的飞速发展,引起了自动化系统结构的变革,逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线技术Fieldbus就是顺应这一形势发展起来的新技术”’””。现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。现场总线控制系统将专用微处理器置入传统的控制设备中,使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力,采用可进行简单连接的取绞线等介质作为总线,把多个测量控制仪表连接成网络系统,并按公丌、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设备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。1。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、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化,『F如众多分散的讨算机被网络连接在一起,使计算机的功能、作用发生的变化一样。现场总线使自动控制系统与设备有了通信功能,把它们连接成网络系统,加入到信息网络的行列。因此可以说现场总线技术是控制技术新时代的一个开端“。现场总线控制系统既是一一个开放通信网络,又是~个全分布控制系统。它作为智能没备的联系纽带,把挂接在总线上、作为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、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能,它是以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线系统在技术上具有以下特点1.系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与中北大学学位论文遵守。2.可互操作性与互作用性。可互操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传递与沟通;而互作用性意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换。3.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完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。4.系统结构的高度分散性。现场,ed,线已构成一种新型的全分散控制系统体系结构。从根本上改变了现有DCS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”’。由于现场总线的以上特点,特别是现场总线系统结构简化,使控制系统从设计到正常生产运行及其检修维护,都体现出如下优越性1.节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能,因而可减少变送器的数量,不再需要单独的调节器。2.节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单,一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。3.节省维护开销。现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可以查询所有设各的运行,诊断维护信息,以便快速分析故障原因并快速排除。4.提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高TN量与控制的精确度,减少了传送误差。同时,由于系统的结构简化,设备与连线减少,现场设备内部功能加强,减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性。’。2 2 PROFIBUS现场总线PROFIBUS是~种国际性、开放式的现场总线标准。它的产品市场份额在欧洲占居首中北大学学位论文位,年增长20一30%。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供了PROFIBUS接口。PROFIBUS已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化,是成熟的技术。PROFIBUS根据应用的特点分为PROFIBUSDP,PROFIBUSFMS,PROFIBUSPA三个兼容的版本。’”,各版本的特点如图2.1所示.图2.1 PROFIBUS各版本特点PROFIBUSDP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/0之间的通信而设计,使用PROFIBUSDP模块可取代价格昂贵的24V或420mA并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输““。PROFIBUSFMS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,用于楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、低压开关设备等一般的自动化控制,是一个令牌结构,实时多主网络““。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计,标准的本质安全传输技术,实现了IEC 11582中规定的通信规范,用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点““。PROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场层到车间级网络化,该系统分为主站和从站。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。从站为外围设备,典型的从站包括输入输出设备、控制器、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权,仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向主站回送信息“1。PROFIBUS协议的结构是以开放系统互联网络参考模型OSI模型为基础,其结构图中北大学学位论文如图2.2所示。PROFIBUS-DP使用第1层,第2层和用户接口,第3层到第7层未加以描述,这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效,直接数据链路映象提供易于进入第二层的用户接口,用户接口定义了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUSDP设备的行为,还提供了RS485传输技术和光纤传输技术。,”_。lI EN蛐”o[]PRORBUS导判抒粒图2,2 PROFIBUS协议结构PROFIBUSFMS第1,2和7层均加以定义,应用层包括现场总线信息规范和底层接口LLI。FMS包括了应用协议并向用户提供了广泛选用的强有力的通信服务,LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供不依赖设备第2层的访问方式。第2层现场总线数据链路可完成总线访问控制和数据的可靠性,它还为PROFIBUSFMS提供了RS485传输技术和光纤传输技术““”3。PRoFIBusPA数据传输采用扩展的PROFIBUSDP协议,另外还使用了描述现场设备行为的规范,根据IEC 11582标准,这种传输技术可确保其本征安全性,并使现场设备通过总线供电。使用分段式耦合器,PROFIBUS-PA设备能很方便地集成到PROFIBUSDP网络。’”1。本文只对PROFIBUSBP协议进行研究。2.3 PROFIBUSDP概述kPl十上i丁士飚圣薹“州嘞升蛳“雕臀㈣紫臀
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