【正文】 義，致使不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的儀器儀表由于通信協(xié)議的專有與不兼容而無(wú)法實(shí)現(xiàn)相互之間的信息互訪。為解決這個(gè)問題，必須使這些網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，組成開放互連系統(tǒng)，于是就產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)總線。其次，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生也反映了企業(yè)管控一體化信息集成的要求。 因此，從 20 世紀(jì) 80 年代開始，各種現(xiàn)場(chǎng)總線相繼產(chǎn)生，其中主要的有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FF(Founda， tionFieldbus)、 控制局域網(wǎng)絡(luò) CAN(ControllerAreaNetwork)、 局部操作網(wǎng)絡(luò) LonWorks(LocalOperatingNetwork)、過程現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS(ProcessFieldBus)和 HART協(xié)議 (HighwayAddressableRemoteTransducer)以及 DeviceNet、 ControlNet、 P— NET 等。 面對(duì)如此之多的現(xiàn)場(chǎng)總線，用戶如何選擇 ?為解決這個(gè)問題，國(guó)際電工委員會(huì) IEC在1984年就開始籌備制定單一現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身利益的 驅(qū)使，圍繞著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一場(chǎng)大戰(zhàn)，最后經(jīng)過多方妥協(xié)，于 1999年年底通過了包含 FF、 Profibus等八種總線在內(nèi)的 IEC61158，沒有實(shí)現(xiàn)制定單一標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。這個(gè)結(jié)局表明，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)多種現(xiàn)場(chǎng)總線將并存，控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成與信息集成會(huì)面臨困難的復(fù)雜局面。無(wú)論是最終用戶還是制造商，普遍都在關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展新動(dòng)向，都在尋求高性能低成本的解決方案。 本課題研究現(xiàn)狀及意義 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (FCS) 能夠把原先集散控制系統(tǒng) (DCS)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置入 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備 ,因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī) ,直接在現(xiàn)場(chǎng)完成 ,實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。該研究將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 ,采用基于 PROFIBUS DP 總線的 S7 系列 PLC 控制系統(tǒng) ,運(yùn)用 PROFIBUS DP 總線將 CPU 及 I/O 青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 從站組成相對(duì)獨(dú)立系統(tǒng)。 在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置 I/ O 從站用于采集熱電偶溫度 ,讀取爐體上個(gè)傳感器的參數(shù) ,對(duì)爐門電機(jī)和氣缸等進(jìn)行操作 ,避免了溫度模擬量信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸中的干擾問題 ,減少了控制線和信號(hào)線的使用量 ,降低了成本并增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。作為 DP 主站的 PLC ,能與 DP 從站、觸摸屏、變頻器和智能儀表之間通過總線直接進(jìn)行通信 ,從而使控制系統(tǒng)便于集中監(jiān)控、分散處理 .目前 ,溫度的控制大多采用 PID 控制。 這種方法簡(jiǎn)單 ,易于實(shí)現(xiàn) ,但是參數(shù)整定比較困難 ,在實(shí)際中往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)手動(dòng)設(shè)定 PID 參數(shù) ,且一組整定的參數(shù)不能完全適應(yīng)不同退火工藝要求 ,還易產(chǎn)生較大的超調(diào)。該研究針對(duì)退火過程中出現(xiàn)的升溫速度慢、超調(diào)量大、控制精度不高等現(xiàn)象 ,利用 PLC 編程軟件 SIEMATIC STEP7 5. 4 ,采用模塊化編程方法 ,使用梯形圖及語(yǔ)句表編制程序?qū)崿F(xiàn)模糊控制算法 ,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的 PID 控制模塊 FB41 中的 KP 、 TI 和 TD 進(jìn)行模糊參數(shù)自整定 ,以達(dá)到良好的控制效果和良好的穩(wěn)定性。 本論文研究的內(nèi)容 本論文主要介紹以可編程控制器 PLC 和組態(tài)軟件為核心，采用上、下位機(jī)方式設(shè)計(jì)溫度控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的基本思路和方法。 本文研究的主要內(nèi)容包括 基于 PROFIBUS DP 總線的 溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)、 PLC控制系統(tǒng)原理、監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)各 PLC子站軟、硬件的設(shè)計(jì)，監(jiān)控系統(tǒng) PLC工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)通信功能的實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。 青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 2章 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線概述 現(xiàn)場(chǎng)總線是將現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室內(nèi)儀表連接起來(lái)的全數(shù)字化、雙向、多站的通信網(wǎng)絡(luò)，用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，提高系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，延長(zhǎng)信息傳輸距離。現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝有一臺(tái)智能化儀表，包括變送器、檢測(cè)儀表、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室內(nèi)儀表裝置。這些儀表和裝置都遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，按照系統(tǒng)化和開放化的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化，并且增加遠(yuǎn)距離操作、故障自診斷和就地控制能力，構(gòu)成新一代的自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)先進(jìn)體系。這種新體系一方面繼續(xù)沿用 分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分散控制的原理，另一方面又有新的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，是分散型控制系統(tǒng)的繼承和發(fā)展，更適合工廠自動(dòng)化的要求。 (1)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，這樣一來(lái)就大大減少了現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的一對(duì)一的導(dǎo)線連接，節(jié)約初投資，提高了可靠性和抗干擾能力。 (2)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的產(chǎn)品在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容，可以互換和聯(lián)用，因而使系統(tǒng)具有開放性。 (3)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中許多控制功能從控制室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)儀表，大量過程檢測(cè)與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用， 在新技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)施就地控制，使過程控制基本分散到現(xiàn)場(chǎng)，而控制室內(nèi)的儀表裝置主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和自動(dòng)化管理功能。 (4)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶動(dòng)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，一大批數(shù)字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，非線性補(bǔ)償和故障診斷應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)儀表中。 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現(xiàn)，是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)而獲得了非常廣泛的應(yīng)用。目前，已逐漸成熟并對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程 形成影響的主要有 PROFIBUS， HART，LONWORKS， FF 等等。其中 PROFIBUS 總線是最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動(dòng)化領(lǐng)域。它是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種國(guó)際化、開發(fā)式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可分為三個(gè)兼容版本：（ 1） PROFIBUSDP 以其較快的傳輸速度和強(qiáng)抗干擾能力而應(yīng)用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式 I/O之間的通訊；（ 2） PROFIBUSFMS主要解決車間級(jí)的通用型通信任務(wù)，可以 提供靈活而大量的通信服務(wù)；（ 3） PROFIBUSPA 則專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，它直接和現(xiàn)場(chǎng)的傳感器或執(zhí)行器連接，并可通過 DP/PA 接口與 DP 總線連接，青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 使用于安全性要求較高以及由總線供電的場(chǎng)合。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制器的連接方式，現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常采用以下三種方式：線形、樹形和環(huán)形。 PROFIBUS 采用的是線形結(jié)構(gòu)，用一根總干線從控制器連接到受控對(duì)象，總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備處，控制器掃描所有 I/O站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道，實(shí)現(xiàn)多主式和對(duì)等式通信。 圖 1 多級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié) 構(gòu)框圖 現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊 PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)使用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及自己的用戶層，其中物理層采用ETA RS485傳輸技術(shù)，采用屏蔽雙絞銅線或光纖兩種傳輸電纜。在總線的兩端為了防止浪涌，接有終端電阻，實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)注意將位于中間節(jié)點(diǎn)的接頭終端電阻置于 OFF 位置。 數(shù)據(jù)鏈路層又稱現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層（ Fieldbus Data Link. FDL）一般有兩種介質(zhì)存取方式：令牌總線（ Token Bus，令牌總線協(xié)議符合 ）和主從方式。令牌是一種特殊的電文，它在主站之間傳遞 控制權(quán)，令牌總線方式使得某個(gè)得到令牌的主站可在 一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)得到總線控制權(quán)，在這段時(shí)間內(nèi)允許這個(gè)主站執(zhí)行主站的工作，這個(gè)主站可依照與主站或從站的關(guān)系表和所有主站或所有從站進(jìn)行通信。若該主站沒有需要發(fā)送的幀或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送完了所需發(fā)送的幀，或者該主站的控制時(shí)間終了時(shí)它就將主站令牌傳遞給下一個(gè)主站，這樣就保證了即使在重載下，每個(gè)主站都可以在確定的時(shí)間內(nèi)得到總線使用權(quán)，避免了在以太網(wǎng)中重載下容易阻塞的缺點(diǎn)，保留了總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自由增減站點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。主從方式的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議與局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，它 符合 HDLC 中的非平衡正常響應(yīng)模式（ NRM），該模式的工作特點(diǎn)是：總線上一個(gè)主站可以控制多個(gè)從站，主站與每一個(gè)從站建立一條邏輯鏈路，主站發(fā)出命令，從站給出響應(yīng)；從站可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀，直到無(wú)信息發(fā)送、達(dá)到發(fā)送數(shù)量或被主站停止為止。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個(gè)階段：數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和鏈路釋放。 青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 圖 2 PROFIBUS— DP數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程 圖 2為本系統(tǒng)主站和從站 A在半雙工方式下非平衡正常響應(yīng)模式的通信過程。 圖中 U 表示 H D L C 的無(wú)編號(hào)幀， U ： A ， SNRM ， P 表示在 SNRM 模式上 選擇從站 A ， P 為探詢位； U ： A ， U A ， F 表示用 U 幀的無(wú)編號(hào)確認(rèn)命令 UA作為響應(yīng)主站建立數(shù)據(jù)鏈， F為終止位。 I 表示 HDLC 的信息幀， N （ S ） =0 表示編號(hào)， N（ R ） = 0 表示未接收到 A 的從站幀， N （ S ） = 1， N （ R ） = 0 和 N （ S ） = 2 ， N （ R ）= 0 表示第 2， 3 個(gè)從主站連續(xù)發(fā)送的信息幀，第 3 幀中使用了探詢位 P 表示從站也有信息幀要發(fā)送。 N（ R） =3 表示從站 A已正確接收序號(hào)為 2及以前的 I幀，終止符 F表示從站只有一幀發(fā)送。最后當(dāng)主、從站都沒 有信息幀要發(fā)送、或主站將與其他從站建立數(shù)據(jù)鏈時(shí)，主站使用 U 釋放連接命令 DISC，從站 A從 U 幀的 UA 予以確認(rèn)，鏈路傳輸過程結(jié)束 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及配置 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制器的連接方式，現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常采用以下三種方式：線形、樹形和環(huán)形。 PROFIBUS采用的是線形結(jié)構(gòu)，用一根總干線從控制器連接到受控對(duì)象 ，總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備處，控制器掃描所有 I／ 0站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道，實(shí)現(xiàn)多主式和對(duì)等式通信， PROFIBUS— DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如 圖 3所示 圖 3 PROFIBUS— D現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作上位機(jī)，通過 CP5611接口卡使工控機(jī)與 PROFIBUSDP 相連，這樣 IPC與現(xiàn)場(chǎng)總線就連接成能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控軟件可采用美國(guó) Intellution 公司開發(fā)的基于 Window9xamp。NT組態(tài)軟件 SIEMENS公司 WINCC 軟件，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、趨勢(shì)、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等功能，并提供一個(gè)友好的用戶界面，使用戶根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要生成相應(yīng)的應(yīng)用軟件。 作為 DP 主站， CPU 位于控制中心。本系統(tǒng)選用 CPU3152DP 模塊化 PLC，它集成了PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，具有強(qiáng)大的處理能力（具有 1024語(yǔ)句的速度）。PLC程序在上位機(jī) STEP 7 中編制完成后下載到 CPU315 并存儲(chǔ)， CPU可自動(dòng)運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有 I/O模塊的狀態(tài)字，控制相應(yīng)設(shè)備。 從站 A中， SIMOVERT Master drives為交流變頻器， CB1為與之配套的通信處理器。SIMOREGK 6RA24 為直流變流器， CB24為與之配套的通信處理器。當(dāng) S7300或S7400PROFIBUSDP網(wǎng)的主站時(shí)，可分別帶這樣的從站（ SLAVE） 32 個(gè)，如加中繼器，最多可達(dá) 127個(gè)。這種交直流傳動(dòng)產(chǎn)品，可對(duì)電機(jī)進(jìn)行開、閉環(huán)控制，通過 CB 通訊板將從DP 網(wǎng)中接受的數(shù)據(jù)存入雙向 RAM 中。雙向 RAM 中的每一個(gè)字都被編址，在變頻（流）器端的雙向 R A M 可通過被編址參數(shù)排序，向變頻（流）器寫入控制字、設(shè)置值或讀出實(shí)際值，診斷信息等參數(shù)。 ET200M 是一種模塊化的分布式 I/O 站，通過 IM153接口與 PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線連接。對(duì)于 SIEMENS STEP7 開發(fā)平臺(tái)，在 ET200M 上的分散 I/O節(jié)點(diǎn)的地址排布與傳統(tǒng)集中式的地址排布是一致的，所以在編程時(shí)就和編制集中式控制程序一樣，而且分散 I/O的模塊地址可以根據(jù)用戶需要而改變，以適應(yīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)的需要。 青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 3 章 可編程控制器 PLC 的應(yīng)用 PLC 選型 SIMATIC S7－ 200系列 PLC是西門子公司的一款主要產(chǎn)品，適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制。 S7－ 200 CPU將一個(gè)微處理器、一個(gè)集成電源和數(shù)字量 I/O點(diǎn)集成在一個(gè)緊湊的封裝中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的微型 PLC,其 強(qiáng)大功 能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，再加上緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集，使 S7－ 200成為各種控制應(yīng)用的理想解決方案。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際需要，通過對(duì)不同品牌型號(hào)的 PLC進(jìn)行比較，認(rèn)為 SIMATIC S7－ 200系列 PLC具有極高的性價(jià)比，并能充分滿足系統(tǒng)的要求，為本設(shè)計(jì)所采用。 S7200周而復(fù)始地執(zhí)行一系列任務(wù)，任務(wù)循環(huán)執(zhí)行一次稱為一個(gè)掃描周期。 PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序，在一個(gè)掃描周期中與用戶有關(guān)的三個(gè)階段： ●讀輸入：即輸入采樣階段，依次地讀入所有輸入狀態(tài) 和數(shù)據(jù)，并將它們