【文章內(nèi)容簡介】 自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備如壓力、溫度和液位變送器等連接起來，代替了 4~20mA模擬信號傳輸技術(shù)、節(jié)約了設(shè)備成本，且大大提高了系統(tǒng)功能和安全可靠性。因此， PROFIBUSPA 特別適用于化工、石油、冶金等行業(yè)的過程自動化控制系統(tǒng) [12]。 3 PROFIBUSFMS PROFIBUSFMS 主要解決車間一級通用性通信任務，完成中等傳輸速度進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務。由于它是完成控制器與智能現(xiàn)場設(shè)備之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要問題是系統(tǒng)的功能，而不是系統(tǒng)的響應時間，應用過程通常要求的是隨機的信息交換（如改變設(shè)定參數(shù)等）。 FMS 給用戶提供了廣泛的應用范圍和更大的靈活性，可用于大范圍和復雜的通信系統(tǒng) [13]。 現(xiàn)場總線的前景與發(fā)展 現(xiàn)場總路線將成為工業(yè)控制發(fā)展的革命性飛躍，近年來，有關(guān)現(xiàn)場總線的報道層出不窮，其中令人關(guān)注 的焦點集中在以下兩個方面： 1 能否出現(xiàn)全世界統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準。 這一熱點問題涉及目前為什么會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線并存，這其中除了技術(shù)上的競爭外，商業(yè)利益上的激烈競爭是其主要原因。對于現(xiàn)場總線形成巨大影響的自動化廠商，因為要盡可能維護自身的地位和利益而不愿放棄其已擁有的現(xiàn)場總線，這些總線已經(jīng)有成千上萬個節(jié)點安裝在現(xiàn)場，成為事實上的標準[14]。比如讓 Echelon 公司放棄 LonWork，則意味著它要失去其產(chǎn)品和客戶。在未來較長的一段時間內(nèi)，現(xiàn)場總線標準之爭會越演越烈。不同的現(xiàn)場總線有不同的功能，各有其適用的場 合，靠一種現(xiàn)場總線打天下的想法看來不太現(xiàn)實。當然，從另一方面來講，相當一部分現(xiàn)場總線是大同小異的，技術(shù)上非常接近，在優(yōu)勝劣汰的環(huán)境下同類總線終將趨于統(tǒng)一。因而今后幾年內(nèi)很難說誰的標準能夠統(tǒng)領(lǐng)現(xiàn)場總線，而應該說誰將成為主流總線技術(shù)。可以說，對于未來的工業(yè)控制系統(tǒng)，誰能統(tǒng)領(lǐng)現(xiàn)場總線標準，它在工業(yè)控制界的作用和影響將相當于微軟公司在計算機領(lǐng)域的地位 [15]。 2 現(xiàn)場總線能否全面取代現(xiàn)時風靡世界的 DCS 系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線尚處于發(fā)展階段，總體來講，工業(yè)控制系統(tǒng)將朝著現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)集成 哈爾濱理工大學學士學位論文 5 自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。由于現(xiàn)場總 線具有巨大優(yōu)勢，所以人們都認為它取代傳統(tǒng)的 DCS 系統(tǒng)是必然趨勢。當然，就技術(shù)而言，從 1975 年Hneywell 公司推出世界上第一套集散控制系統(tǒng)以來， DCS 經(jīng)歷了 20 多年的發(fā)展和完善，依靠其靈活方便和功能豐富的組態(tài)功能以及可靠的網(wǎng)絡(luò)通信能力，已在工業(yè)控制中獲得廣泛應用。就目前而言，領(lǐng)導世界 DCS 發(fā)展的幾家著名公司也在積極地改進和升級它們的產(chǎn)品， DCS 也在朝著開放性、分散性與可互操作性方向發(fā)展。因而 DCS 在未來幾年里仍然是工業(yè)控制的主流 [16]。 本論文的內(nèi)容安排 此次設(shè)計為《基于 PLC 與變頻器的交流電機調(diào)速控 制系統(tǒng)》，在設(shè)計中用到了西門子 MM420 系列的通用變頻器、西門子系列的 PLC（ S7400 和 S7300）和 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線。其中由于 S7400 和 S7300 均帶有中央處理器，可處理數(shù)字信息，因此在本系統(tǒng)中，將 S7400 作為主站而將 S7300 作為從站，通過它們之間的數(shù)據(jù)交換來共同控制系統(tǒng)。這是該系統(tǒng)的一大特點。 在論文中，第 1 章為概述，主要介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的特點及本課題的運用前景同時也介紹了 PROFIBUS 現(xiàn)場總線的基本概念和在交流調(diào)速中的運用；第 3 章主要介紹的是系統(tǒng)的組成部分且著重講的是硬件 組成部分，另外還介紹了一些基本概念如：現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖等。而硬件組成部分又包括了各組件的介紹及選型和主從站的建立及通信；第 4 章主要介紹了軟件部分，著重介紹了 PLC 的組成及程序的建立，同時也對編程軟件和人機界面作了一些簡單的介紹。 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 第 2章 PROFIBUS 的通訊原 理 協(xié)議及通訊方式 協(xié)議結(jié)構(gòu) PROFIBUS 協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向根據(jù) ISO7498 國際標準，以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI 為參考模型，結(jié)構(gòu)如圖 所示。 FMS DP PA 用 戶 接 口 層 FMS 設(shè)備行規(guī) DP 行規(guī) PA 行規(guī) DP 擴展 DP 基本功能 現(xiàn)場總線信息 規(guī)范 FMS 未使用 應用層 表示層 未使用 會話層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路 FDL IEC 接口 物理層 RS485/光纖 IEC11582 圖 21 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu) PROFIBUS－ DP 使用第 1 層、第 2 層和用戶接 口，第 3 層到第 7 層未加以描述，這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院陀行?，直接?shù)據(jù)鏈路映像（ DDLM, direct data link mapper）提供易于進入第 2 層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可以調(diào)用的應用功能，并詳細說明了各種不同PROFIBUS－ DP 設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的 RS－ 485 傳輸技術(shù)或光纖。 PROFIBUS— FMS 對第 2 和 7 層鈞加以定義，應用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（ FMS fieldbus message specification）和底層接口（ LLI, lower layer interface） .FMS 包括了應用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務， LLI 協(xié)調(diào)了不同的通信關(guān)系，并向 FMS 提供不依賴設(shè)備訪問第 2 層。第 2層現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（ FDL）可完成總線訪問控制和數(shù)據(jù)的可靠性，它還為PROFIBUS－ FMS 提供了 RS485 傳輸技術(shù)或光纖。 PROFIBUS－ PA 數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的“ PROFIBUS－ DP”協(xié)議，另外還使用了描述現(xiàn)場設(shè)備行為的行規(guī)，根據(jù) IEC11582 標準，這種傳輸技術(shù)可確保其 哈爾濱理工大學學士學位論文 7 本質(zhì)安全性，并使現(xiàn)場設(shè)備通過總線供電。使用分段式 耦合器， PROFIBUS－PA 設(shè)備能很方便地集成到 PROFIBUS－ DP 網(wǎng)絡(luò)。 PROFIBUS－ DP 和 PROFIBUS－ FMS 系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。 PROFIBUS 可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當主站得到總線的控制權(quán)（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。主站從 PROFIBUS 協(xié)議講，也稱為主動站。 從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括：輸入輸出裝置、閥門、驅(qū)動器和測量發(fā)送器。它 們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認，或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。從站也稱為被動站。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實施起來特別經(jīng)濟。 PROFIBUS 的 DP、 FMS 和 PA 均使用單一的總線存取協(xié)議，該協(xié)議通過OSI 參考模型的第 2 層來實現(xiàn)，它包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。在 PROFIBUS 中，第 2 層稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（ FDL, fieldbus data link） .介質(zhì)存取控制（ MAC， medium access control）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦颍?MAC必須確保在任何一個時 刻只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。 PROFIBUS 協(xié)議的設(shè)計旨在滿足介質(zhì)存取控制的兩個基本要求： 1 在復雜的自動化系統(tǒng)（主站）間通信，必須保證在確切限定的時間間隔中，任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務。 2 在復雜的程序控制器和簡單的 I/O 設(shè)備（從站）間通信，應盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。 因此， PROFIBUS 總線存取協(xié)議包括主站主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。如圖 所示。 主站 PS,TN,NS 令牌流動 PS,TN,NS PS,TN,NS PS,TN,NS 從站 圖 22 PROFIBUS 總線存取協(xié)議 令牌傳遞程序保證了每個主站在一個確切規(guī)定的時間框內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌），令牌是一條特殊的電文，它在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是事先規(guī)定的，在 PROFIBUS 中，令牌只在各主站之間通信時使用。 主從方式允許主站在得到總線存取令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或索取信息，通過這種存取方法，可以實現(xiàn) 下列系統(tǒng)配置：純主 —從系統(tǒng)（單主站）；純主 — 主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）；混合系統(tǒng)（多主－多從）。 圖 22 中的四個主站構(gòu)成令牌邏輯環(huán)，當某主站得到令牌電文后，該主站2 11 3 4 5 6 7 8 9 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 可在一定的時間內(nèi)執(zhí)行主站的工作，在這段時間內(nèi)，它可依照主－從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主－主關(guān)系表與所有主站通信。 令牌環(huán)是所有主站的組織鏈，按照主站的地址構(gòu)成邏輯環(huán)，在這個環(huán)中，令牌在規(guī)定的時間內(nèi)按照地址的升序在各主站中依次傳遞。 在總線系統(tǒng)初建時，主站介質(zhì)存取控制 MAC 的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)，在總線運行期間，斷電或損壞的主站必 須從環(huán)中刪除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。另外，總線存取控制保證令牌按地址升序，依次在各主站間傳送，各主站的令牌具體保持時間長短取決于該令牌配置的循環(huán)時間。此外， PROFIBUS 介質(zhì)存取控制的特點是監(jiān)測傳輸介質(zhì)及收發(fā)器是否損壞，檢查站點地址是否出錯（如地址重復），以及令牌錯誤（如多個令牌或令牌丟失）。 第 2 層的另一個重要作用是保證數(shù)據(jù)的可靠性。 PROFIBUS 第 2 層的結(jié)構(gòu)格式保證高度的數(shù)據(jù)完整性，這時所有報文的海明距離 HD＝ 4 以及使用特殊的起始和結(jié)束定界符、無間距的字節(jié)同步傳輸和每個字節(jié)的奇偶校驗來保證。 PROFIBUS 第 2 層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點通信（廣播及有選擇廣播）功能。 通訊方式 PROFIBUS 的通訊有許多種方式，如 FMS、 FDL、 DP 以及與 PA 的通訊等等。這里所指的通訊方式與物理連接方式無關(guān)，即無論采用上述何種物理連接方式，邏輯通訊上都可以使用 FMS、 FDL 或 DP 的通訊方式。 1 PROFIBUS –DP 總線結(jié)構(gòu) 三種 PROFIBUS 即 DP、 FMS、 PA 均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過 OSI 參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實現(xiàn)的。它包括了數(shù) 據(jù)可靠性技術(shù) 、 傳輸協(xié)議和報文處理。在 PROFIBUS 中，第二層為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層 ，介質(zhì)存取控制具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)?順 序， MAC 必須確保在任何一個時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。 PROFIBUS 總線存取協(xié)議 中 ，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。在總線系統(tǒng)初建時，主站介質(zhì)存取控制 MAC的任務是制定總線上的站點分配 ， 并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。 數(shù)據(jù)鏈路層（ FDL）的主要 任務是保證數(shù)據(jù)的可靠性。 PROFIBUS 第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證 數(shù)據(jù)的高度完整性 , PROFIBUS 第二層按照非連接的模式操作，除提供點對點邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點通信。 PROFIBUS 總線循環(huán)時間必須要比主站（ PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外， PROFIBUSDP 還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。 PROFIBUSDP 的傳輸 采用 RS485 雙絞線、雙線電纜或光纜 ，傳輸 波特率從 。 PROFIBUS DP 主站和 DP從站循環(huán) 進行 用戶數(shù)據(jù)傳送。各 DP 從站的動態(tài)激活 、 DP 從站組態(tài)的檢查 均由總 線完成，同時總線還具有 強大的診斷功能， 可提供 三級診斷信息 、 輸入或輸 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 出的同步 、 通過總線給 DP 從站賦予地址 、 通過總線對 DP 主站（ DPM1）進行配置 等等 。每 個 DP 從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為 246 字節(jié) ， 所有信息的傳輸按海明距離 HD=4 進行 ， DP 從站帶看門狗定時器 ， 對 DP 從站的輸入 /輸出進行存取保護。 DP 主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。 DPM1 和相關(guān) DP 從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由 DPM1 按照確定的遞歸順序自動進行 ， 在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶對 DP 從站與 DPM1 的關(guān)系作出規(guī)定，確定哪些 DP 從站被納入信息交換的循 環(huán)周期，哪些被排斥在外 。 2 PROFIBUSDP 的主要特點 中央控制器（主站）周期性地讀取從設(shè)備（從站）的輸入信息，并周期性地向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時間必須比中央控制器的程序循環(huán)時間短，