【正文】 do not depend on the production plant house, differing the factory an equipment for producing do not need as to it39。我國具有各類風機約 780 萬臺，水泵 4， 000 萬臺，空壓機 560 萬臺，這些裝置又占去了電機耗電的一半以上 [1]。國家在十一五規(guī)劃中指出：堅持開發(fā)節(jié)約并重、節(jié)約優(yōu)先，按照減量化、再利用、資源化的原則，大力推進 節(jié)能節(jié)水節(jié)地節(jié)材，加強資源綜合利用，完善再生資源回收利用體系，全面推行清潔生產(chǎn)，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的節(jié)約型增長方式。強化節(jié)約意識，鼓勵生產(chǎn)和使用節(jié)能節(jié)水產(chǎn)品、節(jié)能環(huán)保型汽車，發(fā)展節(jié)能省地型建筑，形成健康文明、節(jié)約資源的消費模式。目前在中、低壓交流傳動中，變頻器的使用越來越多，而我國在研究矢量控制系統(tǒng)所需的各種硬件條件已 經(jīng)具備，如已出現(xiàn)的智能化功率器件（ IPM），其電壓等級、開關頻率都有很大的提高；數(shù)字化控制元件也已出現(xiàn)單指令周期 10ns 的高速數(shù)字信號處理器（ DSP）和幾乎能完成一個系統(tǒng)功能的專用集成電路 [2]。對耗電大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣的煤炭行業(yè)推廣應用變頻技術更具有現(xiàn)實意義。本論文的選題不論是從理論上還是從實踐上都有十分重要 的意義 [3]。且在工業(yè)各個領域中得到了極為廣泛的應用。該方法主要通過程序來控制了電動機的變頻調速，從而實現(xiàn)了自動控制 [4]。在 20 世紀的大部分年代里，鑒于直流傳動具有優(yōu)越的調速性能，高性能可調速傳動都采用直流電動機，而約占電氣傳動總容量 80%的不變速傳動則采用交流電動機，這種狀況在一段時期內已成為一種舉世公認的格局。目前，交流調速技術在工業(yè)發(fā)達國家已得到廣泛應用。而高性能電力、電子器件的應用更是推動了交流調速系統(tǒng)的發(fā)展，例如在通用變頻器方面，針對中、低壓應用領域的絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）的高開關頻率使得高性能的變頻器成為可能，而在以后出現(xiàn)的智能功率模塊（ IPM），更加簡化了通用變頻器的設計。 (1)一般性能 的節(jié)能調速。如果把這些設備的控制系統(tǒng)換成交流調速系統(tǒng)，就能節(jié)省消耗在擋板和閥門上的能量。 (2)高性 能交流調速系統(tǒng)。 交流調速系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀近年來隨著電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論和計算機控制技術的應用，交流調速領域發(fā)展非常迅速，交流傳動技術取得了突破性的進展，獲得了許多創(chuàng)造性的成果。 現(xiàn)場 總線 現(xiàn)場總線簡介 現(xiàn)場總線是用于制造自動化和過程自動化底層的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡，是現(xiàn)場通信與控制系統(tǒng)的集成，現(xiàn)已成為當代工業(yè)自動化領域的熱點。現(xiàn)場總線的含義表現(xiàn)在現(xiàn)場通信網(wǎng)絡、互操作性、分散功能塊、通信線供電、開放式互連網(wǎng)絡 [8]?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的新控制技術。其中 PROFIBUSDP 是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式 I/O 的通信 ，使用PROFIBUSDP 可取代辦 24VDC 或 420mA 信號傳輸，而 PROFIBUSPA 專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構連在一根總線上，并有本征安全規(guī)范；PROFIBUSFMS 主要用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結構 實時多主網(wǎng) 落 [9]。數(shù)字信號傳輸抗干擾強、精度高，無需采用抗干擾和提高精度的措施，從而減少了成本。用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設備，并將不同廠商的設備互連。 3 互操作性。用戶不必為集成不同廠商的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花費力氣或增加額外投資?，F(xiàn)場設備既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，實現(xiàn)一機多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本?？刂普竟δ芊稚⒃诂F(xiàn)場設備中，通過現(xiàn)場設備就可以構成控制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。由于現(xiàn)場設備都引入了功能塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方 法，這樣就使組態(tài)變的非常簡單，用戶不需要因為現(xiàn)場設備種類不同帶來組態(tài)方法的不同，而進行培訓或學習組態(tài)方法及編程語言?，F(xiàn)場為開放式互連網(wǎng)絡，所有技術和標準全是公開的，所有制造商都必須遵循。 8 對惡劣環(huán)境的適應性。 PROFIBUS 的基本特性 PROFIBUS 為多主從結構，可 方便地構成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng)。 DP 的傳輸速率可達12Mbps，一般構成單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作。 2 PROFIBUSPA 對于安全性要求較高的場合，可選用 PROFIBUSPA 協(xié)議，這由 DIN19245的第四部分描述。PROFIBUSPA 是 PROFIBUS 的過程自動化解決方案。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]。由于它是完成控制器與智能現(xiàn)場設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（如改變設定參數(shù)等）。 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，有關現(xiàn)場總線的報道層出不窮，其中令人關注 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。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]。在未來較長的一段時間內，現(xiàn)場總線標準之爭會越演越烈。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?？梢哉f，對于未來的工業(yè)控制系統(tǒng)，誰能統(tǒng)領現(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域的地位 [15]。 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)體系結構的方向發(fā)展。當然，就技術而言，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)絡通信能力，已在工業(yè)控制中獲得廣泛應用。因而 DCS 在未來幾年里仍然是工業(yè)控制的主流 [16]。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)。 在論文中，第 1 章為概述，主要介紹了交流調速系統(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)絡拓撲圖等。 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)議結構 PROFIBUS 協(xié)議的結構定向根據(jù) ISO7498 國際標準，以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡OSI 為參考模型，結構如圖 所示。 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)調了不同的通信關系，并向 FMS 提供不依賴設備訪問第 2 層。 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)場設備行為的行規(guī)，根據(jù) IEC11582 標準，這種傳輸技術可確保其 哈爾濱理工大學學士學位論文 7 本質安全性，并使現(xiàn)場設備通過總線供電。 PROFIBUS－ DP 和 PROFIBUS－ FMS 系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(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。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當主站得到總線的控制權（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。 從站為外圍設備，典型的從站包括：輸入輸出裝置、閥門、驅動器和測量發(fā)送器。從站也稱為被動站。 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。 PROFIBUS 協(xié)議的設計旨在滿足介質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。 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。 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)定的時間框內得到總線存取權（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。 圖 22 中的四個主站構成令牌邏輯環(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 可在一定的時間內執(zhí)行主站的工作，在這段時間內，它可依照主－從關系表與所有從站通信，也可依照主－主關系表與所有主站通信。 在總線系統(tǒng)初建時，主站介質存取控制 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)。此外， PROFIBUS 介質存取控制的特點是監(jiān)測傳輸介質及收發(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）。 PROFIBUS 第 2 層的結構格式保證高度的數(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。 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。 1 PROFIBUS –DP 總線結構 三種 PROFIBUS 即 DP、 FMS、 PA 均使用一致的總線存取協(xié)議。它包括了數(shù) 據(jù)可靠性技術 、 傳輸協(xié)議和報文處理。 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)。 PROFIBUS 第二層的數(shù)據(jù)結構格式可保證 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。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外， PROFIBUSDP 還提供智能化現(xiàn)場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。 PROFIBUS DP 主站和 DP從站循環(huán) 進行 用戶數(shù)據(jù)傳送。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。 DPM1 和相關 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 。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUSDP 還提供強有力的組態(tài)和配置功能，數(shù)據(jù)通信是由主站和從站進行監(jiān)控的。波特率從 12Mbit/s。它同時支持循環(huán)主－從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主－從用戶數(shù)據(jù)傳送。 可靠性和保護機制：所有信息的傳輸在海明距離 HD=4 進行， DP 從站帶看門狗定時器，其輸入輸出有存取保護， DP 主站上帶可變定時器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。原則上只要微處理器配有內部或外部的異步串行接口 , PROFIBUS 在任何微處理器上都可以實現(xiàn)。至于采用何種實現(xiàn)方法主要取決與現(xiàn)場設備的復雜程 度、需要的性能和功能；技術參數(shù)如表 21 所示 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 表 21 PROFIBUS 芯片技術參數(shù) 芯片 技術 參數(shù) LSPM2 SPM2 SPC3 SPC4 ASPC2 符合協(xié)議 PROFIBUSDP PROFIBUSDP PROFIBUSDP PROFIBUSDP PA FMS PROFIBUSDPFMS 最大數(shù)據(jù)傳輸率 /Mbps 12 12 12 12 12 數(shù)據(jù)傳輸速度自動識別