畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于proteus的現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　作為自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，現(xiàn)場(chǎng)總線己成為自動(dòng)化系統(tǒng)與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間信息交換的主要技術(shù)。PROFIBUS是國際上應(yīng)用十分廣泛的工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)總線，主要應(yīng)用于加工自動(dòng)化、過程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。</p><p>　　文章從結(jié)合所研究的水廠的實(shí)際需要出發(fā)，將先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械電

2、氣技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用到水廠控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中。在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用了上位機(jī)加下位機(jī)的設(shè)計(jì)模式，組建了遠(yuǎn)程集中控制與現(xiàn)地控制相結(jié)合的控制網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)選用功能強(qiáng)大的工控組態(tài)軟件——組態(tài)王和操作方便靈活的觸摸屏。下位機(jī)則采用可靠性高的可編程控制器和先進(jìn)的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：可編程控制器，現(xiàn)場(chǎng)總線，PROFIBUS-DP， 監(jiān)控系統(tǒng)</p&g

3、t;<p>　　The Control System Based on Fieldbus</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Nowadays, the technology of Fieldbus has become the hotspot in the research field of automation

4、and become the main method of communication and exchange of information in the DCS systems. And the Profibus is a kind of Fieldbus broadly used in many situations of process control of industry such as automation of proc

5、essing, automation of machining and automation of building. </p><p>　　According to the actuality of the studied water station, the thesis combine the advanced Fieldbus technique, Ethernet and the traditiona

6、l machine and electric technique together, and use them to design the supervise controlling system of the water station. During the designing of the electricity control system, the thesis used the mode that made up of mo

7、nitor system and control system, formatted a network that is combined by far concentrates control system and nearly control system. The monitor </p><p>　　Keyword：PLC, Fieldbus, PROFIBUS-DP, Supervise Control

8、ling System</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 概論</b></p><p>　　1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生與發(fā)展</p><p>　　控制論的創(chuàng)始人Norbet Wiener說，“如果一門科學(xué)是真正具有生命力的，它的引人興趣的中心就必須而且應(yīng)該隨著

9、歲月而轉(zhuǎn)移。”自動(dòng)控制技術(shù)的歷史，就是從簡(jiǎn)單形式到復(fù)雜形式，從局部自動(dòng)化到全局自動(dòng)化，從低級(jí)智能化到高級(jí)智能化的發(fā)展過程。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是在自動(dòng)檢測(cè)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的推動(dòng)下形成的，它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)和檢測(cè)控制技術(shù)的集成，人們稱之為3C（Computer Communication Control）技術(shù)。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總吸納控制系

10、統(tǒng)（FCS, Fieldbus Control System）是繼基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、數(shù)字計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)和集散式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）后的新一代控制系統(tǒng)。FCS是信息數(shù)字化、控制功能分散化、開放式可互操作的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，同時(shí)也是智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)控制思想的核心是“分散控制，集中監(jiān)控”，使得“危險(xiǎn)分散，控制分散

11、”?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)吧控制徹底的下放到現(xiàn)場(chǎng)，由現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表完成諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等大部分功能，只有一些現(xiàn)場(chǎng)儀表無法完成的高級(jí)控制功能才有上位機(jī)完成，而且現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信實(shí)現(xiàn)互操作，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)也可以把自己的診斷數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，有益于設(shè)備管理 [1] 。</p><p>　　在發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)并被逐步推廣，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛接受和使用。2002年歐洲有40%

12、自動(dòng)化工程項(xiàng)目采用了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。在國內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)總線首先用在外國公司在華投資的生產(chǎn)線，如外資汽車生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)線大多用到了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，后來啤酒灌裝、煙草加工、機(jī)械裝配、產(chǎn)品包裝等生產(chǎn)線也大量使用現(xiàn)場(chǎng)總線。此外，市政工程、樓宇、智能化小區(qū)建設(shè)也開始使用現(xiàn)場(chǎng)總線?？梢灶A(yù)見，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展及其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷深入，傳統(tǒng)的DCS必將被FCS所全面取代。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣雖然只有短短二

13、三十年，但其技術(shù)的先進(jìn)性已經(jīng)帶到了工業(yè)界的廣泛認(rèn)可，其良好的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)受到諸如Siemens、Motorola、Honeywell等諸多世界大公司的高度重視。就國內(nèi)而言，自二十世紀(jì)末以來，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究開始進(jìn)入起步階段，1997年5月中國現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）專業(yè)委員會(huì)建立，并籌建FF現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品認(rèn)證中心；同年7月中國現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus）專業(yè)委員會(huì)組建，同時(shí)開始籌建現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus）產(chǎn)品演示及認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室。此后，

14、包括清華大學(xué)、浙江大學(xué)在內(nèi)的許多高校、科研院先后建立自己的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)室，用于現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐與研究開發(fā)。2001年11月，國家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)在《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南（2001年度）》中將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其智能儀表的研究、開發(fā)及推廣應(yīng)用列為優(yōu)先發(fā)展的高科技重點(diǎn)領(lǐng)域之一。</p><p>　　作為新一代的過程控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)無疑具有十分廣闊的發(fā)展前景。它的出現(xiàn)，必將對(duì)控制領(lǐng)域產(chǎn)生

15、深刻的變革，并對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。對(duì)于我國這樣的發(fā)展中國家而言，其意義更為重大。必須抓住有利條件，積極開展對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的跟蹤研究，用于嘗試這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，盡早提高我國企業(yè)自動(dòng)化水平。</p><p>　　1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，促使工廠底層自動(dòng)化系統(tǒng)及信息集成技術(shù)產(chǎn)生變革，新一代、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)已初露端倪，圖1

16、所示為基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)模式，該模式的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　圖1 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　?。?）增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)

17、現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。</p><p>　?。?）開放式、互操作性、互換性、可集成性</p><p>　　不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。<

18、;/p><p>　?。?）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好</p><p>　　基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。</p><p>　?。?）降低了系統(tǒng)及工程成

19、本</p><p>　　對(duì)大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本。</p><p>　　1.3 流行現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問題，是要在自動(dòng)化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商門能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組

20、成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的問題。國際上著名自動(dòng)化產(chǎn)品及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是未來發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，在市場(chǎng)上培養(yǎng)用戶、擴(kuò)大影響，并積極支持國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在未來國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗(yàn)證明：國際標(biāo)準(zhǔn)都是采用一個(gè)或幾個(gè)市場(chǎng)上最成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)

21、準(zhǔn)中的競(jìng)爭(zhēng)，體現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競(jìng)爭(zhēng)，而其最終還是要?dú)w結(jié)到市場(chǎng)實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)。</p><p>　　據(jù)說目前國際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的總線有如下幾種：</p><p>　　1.3.1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線</p><p>　　1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS

22、產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位，年增長(zhǎng)率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過200萬臺(tái)，到1998年5月，適用于過程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。1985年組建了PROFIBUS國際支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地

23、相繼組建了20個(gè)地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會(huì)員近650家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會(huì)，并籌建現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室。</p><p>　　PROFIBUS主要應(yīng)用領(lǐng)域有：</p><p>　　制造業(yè)自動(dòng)化：汽車制造（機(jī)器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。</p><p>　　過程控制自動(dòng)化：石化、制藥、水泥、

24、食品、啤酒。</p><p>　　電力：發(fā)電、輸配電。</p><p>　　樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。</p><p><b>　　鐵路交通：信號(hào)系統(tǒng)</b></p><p>　　1.3.2 FF現(xiàn)場(chǎng)總線</p><p>　　1994年由ISP 基金會(huì)和World FIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立FF

25、基金會(huì)，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國際現(xiàn)場(chǎng)總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。已完成開發(fā)的高速總線（H2）擬于1998年內(nèi)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）專業(yè)委員會(huì)，并籌建FF現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動(dòng)化為主。如：化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。</p><p>　　1.3.3 LON

26、WORKS總線</p><p>　　LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線全稱為L(zhǎng)ONWORKS NetWorks，即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，希望推出能夠適合各種現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。目前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化方面。</p><p>　　1.3.4 CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線</p><p&g

27、t;　　CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合均有所應(yīng)用。</p><p>　　1.3.5 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線</p><p>　　9

28、0—91年FIP現(xiàn)場(chǎng)總線成為法國國家安全標(biāo)準(zhǔn)。96年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 50170 V.3）。下一步目標(biāo)是靠近IEC標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在技術(shù)上已做好充分準(zhǔn)備。WorldFIP國際組織在北京設(shè)有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負(fù)責(zé)中國的技術(shù)支持。WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線采用單一總線結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25Kbit/s,制造業(yè)為1M bit/s,驅(qū)動(dòng)控制為1-2.5Mbit/s。采用

29、總線仲裁器和優(yōu)先級(jí)來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對(duì)1、1對(duì)多點(diǎn)（組）、1對(duì)全體等多重通信方式。在應(yīng)用系統(tǒng)中，可采用雙總線結(jié)構(gòu)，其中一條總線為備用線，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。</p><p>　　WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線適用范圍廣泛，在過程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力及樓宇自動(dòng)化方面都有很好的應(yīng)用。</p><p>　　1.3.6 P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線</p>

30、<p>　　P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場(chǎng)總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德國、英

31、國、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線</p><p>　　2.1 PROFIBUS概述</p><p>　　目前世界流行的現(xiàn)場(chǎng)總線及總線標(biāo)準(zhǔn)有很多種，其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)

32、品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，在中國也組建了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線專業(yè)委員會(huì)，它是目前世界上最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，長(zhǎng)沙八水廠自控系統(tǒng)便是采用了該總線。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS協(xié)議由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA三個(gè)兼容部分組成。采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，支持主從系統(tǒng)、純主系統(tǒng)、多主多從系統(tǒng)通信方式。主站對(duì)總線具有控制權(quán)，主站間通過

33、傳遞令牌來傳遞對(duì)總線的控制權(quán)，取得控制權(quán)的主站可向從站發(fā)送、獲取信息。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可分為三個(gè)兼容版本：（1）PROFIBUS-DP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）PROFIBUS-FMS 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）PROFIBUS-PA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,使用于安全性要

34、求較高以及由總線供電的場(chǎng)合。</p><p>　　2.2 PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)</p><p>　　PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection—SIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖2所示：</p><p>　　圖2 PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)</p>&

35、lt;p>　　第一層:物理層（Physical Layer）定義了網(wǎng)絡(luò)信道上的信號(hào)與連接方式、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、每條線路連接儀表的數(shù)量、最大傳輸距離、電源等。當(dāng)處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時(shí)，該層接受數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）下發(fā)的數(shù)據(jù)，并將以某種電氣信號(hào)進(jìn)行編碼并發(fā)送;當(dāng)處于數(shù)據(jù)接受狀態(tài)時(shí)，將相應(yīng)的電氣信號(hào)編碼為二進(jìn)制數(shù)，并送到鏈路層。</p><p>　　第二層:數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）定義了一系列

36、服務(wù)于應(yīng)用層的功能和向下與物理層的接口，使用物理層的服務(wù)，提供了介質(zhì)存取控制功能、信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)檢驗(yàn)。DLL提供原語服務(wù)和相關(guān)事件、與原語服務(wù)相關(guān)的參數(shù)格式，以及這些服務(wù)及事件之間的相關(guān)關(guān)系，DLL為用戶提供了可靠且透明的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。</p><p>　　數(shù)據(jù)鏈路層是現(xiàn)場(chǎng)總線的核心。所有連接到同一物理通道上的應(yīng)用進(jìn)程實(shí)際上都是通過鏈路層的實(shí)時(shí)管理來協(xié)調(diào)的。為了突出實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)總線沒有采用以往IEE802. 4標(biāo)

37、準(zhǔn)中定義的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。在這種方式下，物理通道被有效地利用起來，并可有效地減少或避免實(shí)時(shí)通信的延遲。</p><p>　　第三層:應(yīng)用層（Fieldbus Application Layer）為用戶提供了一系列的服務(wù)，擁有簡(jiǎn)化或?qū)崿F(xiàn)分布式控制系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，同時(shí)為分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)提供了應(yīng)用接口的操作標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。應(yīng)用層與其它層的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)構(gòu)一起對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

38、流動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行管理。</p><p>　　第四層:用戶（User Layer）是專門針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制和具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它定義了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)庫間互相存取的統(tǒng)一規(guī)則，用戶憑標(biāo)準(zhǔn)功能塊可組態(tài)成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶的應(yīng)用程序，這是使現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)超過一項(xiàng)通信標(biāo)準(zhǔn)而成為一項(xiàng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵，也是使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關(guān)鍵。</p><p>　　此外，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)

39、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還為每個(gè)設(shè)備定義了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理代理，可提供組態(tài)管理、性能管理和差錯(cuò)管理的功能。系統(tǒng)管理負(fù)責(zé)完成設(shè)備地址分配、功能塊執(zhí)行調(diào)度、時(shí)鐘同步和標(biāo)記定位等功能。 </p><p>　?。?）PROFIBUS-DP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。</p><p>　

40、?。?）PROFIBUS-FMS：定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低層接口（Lower Layer Interface—LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問接口。</p><p>　?。?）PROFIBUS-PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展

41、的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　3 PROFIBUS-DP概述</p><p>　　PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須

42、要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。</p><p>　　3.3.1 PROFIBUS-DP的基本功能</p><p>　?。?）傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。</p><p>　?。?）總線存取

43、：各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主—從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點(diǎn)（主—從設(shè)備）數(shù)為126。</p><p>　　（3）通信：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主—從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主—主數(shù)據(jù)傳送。</p><p>　?。?）運(yùn)行模式：運(yùn)行、清除、停止。</p><p>　　（5）同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖

44、定模式：輸入同步。</p><p>　?。?）功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的動(dòng)態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強(qiáng)大的診斷功能，三級(jí)診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過總線對(duì)DP主站（DPM1）進(jìn)行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。</p><p>　?。?）可靠性和保護(hù)機(jī)制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從

45、站帶看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）。對(duì)DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取保護(hù)。DP主站上帶可變定時(shí)器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。</p><p>　?。?）設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動(dòng)器、閥門等。</p><p>　　3.3.2 PROFIBU

46、S-DP基本特征</p><p>　　（1）速率：在一個(gè)有著32個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP對(duì)所有站點(diǎn)傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時(shí)只需1毫秒。</p><p>　?。?）診斷功能：經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP診斷能能對(duì)故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級(jí)：</p><p>

47、　　· 本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。</p><p>　　· 模塊診斷操作：一個(gè)站點(diǎn)的某具體I/O模塊故障。</p><p>　　· 通道診斷操作：一個(gè)單獨(dú)輸入/輸出位的故障。</p><p>　　4 PROFIBUS-DP控制系統(tǒng) </p><p>　　4.1 PROFIBUS-

48、DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型</p><p>　　PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個(gè)PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：</p><p>　　（1）一級(jí)DP主站（DPM1）：一級(jí)DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與

49、分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。</p><p>　?。?）二級(jí)DP主站（DPM2）：二級(jí)DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。</p><p>　?。?）DP從站：DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門等）。具體介紹如下:</p><p>　

50、　PLC(智能型1/0) : PLC自身有程序存儲(chǔ)器，PLC的CPU部分執(zhí)行程序并按程序指令驅(qū)動(dòng)I/O，可以作為Profibus的一個(gè)從站。在PLC存儲(chǔ)器中劃分出一段特定區(qū)域，作為PLC與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)。主站可以通過通信間接控制從站PLC的I/O接口。</p><p>　　分散式1/O(非智能型I/O ):通常由電源部分、通信適配器部分、接線端子部分組成。分散式I/O不具有程序存儲(chǔ)和程序執(zhí)行，通信適配器部分

51、接收主站指令，按主站指令驅(qū)動(dòng)I/O，并將I/O輸入及故障診斷等信息返回給主站。通常分散型I/O是由主站統(tǒng)一編址，這樣在主站編程時(shí)使用分散式I/O與使用主站的I/O沒有什么區(qū)別。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備:即帶Profibus接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可由主站在線完成系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)交換等功能。至于哪些參數(shù)可進(jìn)行通信及參數(shù)格式由Profibus行規(guī)決定。</p><p

52、>　?。?）單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行階段，只有一個(gè)活動(dòng)主站。如圖3所示：</p><p><b>　　圖3 單主站系統(tǒng)</b></p><p>　?。?）多主站系統(tǒng)：總線上連有多個(gè)主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè)DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設(shè)備。任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映像，但是只有一個(gè)DP主站允許

53、對(duì)DP從站寫入數(shù)據(jù)。如圖4所示： </p><p><b>　　圖4 多主站系統(tǒng)</b></p><p>　　4.2 PROFIBUS控制系統(tǒng)配置的幾種形式</p><p>　　4.2.1 按現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備類型分</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否具備Profibus接口，Profibus控制系統(tǒng)配置可分為三種形式。<

54、/p><p>　　總線接口型:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不具備Profibus接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。這種形式在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)初期容易推廣。如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能分組，組內(nèi)設(shè)備相對(duì)集中，這種模式會(huì)更好地發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　單一總線型:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具備Profibus接口。這是一種理想情況?？墒褂矛F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，可充分獲得這一先進(jìn)技術(shù)所帶來的利益。不過

55、，在目前這種方案設(shè)備成本可能較高。</p><p>　　混合型:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分具備Profibus接口。在較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，這將是相當(dāng)普遍的。這時(shí)應(yīng)采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加分散式1/O混合使用的方法。不管舊設(shè)備改造還是新建項(xiàng)目，希望全部使用具備Profibus接口的設(shè)備的場(chǎng)合可能不是很多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，是一種靈活的集成方案。</p><p>　　在本課題對(duì)象的測(cè)

56、控系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中某些變送器、調(diào)節(jié)閥不具備Profibus接口，還有一些設(shè)備在成本和使用的便利性上，使用傳統(tǒng)的模擬儀表更為合算。因此，多現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)室中建立的測(cè)控系統(tǒng)將采用混合型配置。</p><p>　　4.2.2 按實(shí)際應(yīng)用需要分</p><p>　　根據(jù)實(shí)際需要及投入資金情況，通常有如下幾種結(jié)構(gòu)類型:</p><p>　?。?）以PLC或控制器作為一類主

57、站，不設(shè)監(jiān)控站，調(diào)試階段配置一臺(tái)編程設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)類型中，PLC或控制器完成總線通信管理、從站數(shù)據(jù)讀寫、從站遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。</p><p>　　（2）以PLC或控制器作為一類主站，監(jiān)控站通過串口與PLC一對(duì)一連接。這種結(jié)構(gòu)類型中，監(jiān)控站不在Profibus網(wǎng)上，不是二類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)或完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從PLC或控制器讀取。</p><p>　?。?

58、）以PLC或其他控制器作為一類主站，監(jiān)控站作為二類主站連接在Profibus總線上。在這種結(jié)構(gòu)類型中，監(jiān)控站完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化以及在線監(jiān)控功能。</p><p>　　（4）使用PC機(jī)+Profibus網(wǎng)卡作為一類主站，監(jiān)控站與一類主站一體化。這是一個(gè)低成本方案。在主站結(jié)構(gòu)類型中，PC機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。另外，通信模板廠商通常只提供一個(gè)模板的驅(qū)動(dòng)程序，總線控制程序、從站控制程序、監(jiān)控程序可能要由用戶開發(fā)，工

59、作量比較大。</p><p>　　（5）堅(jiān)固式PC機(jī)（Compact Computer） +Profibus網(wǎng)卡+Soft PLC的結(jié)構(gòu)形式。此方案和方案（4）比較，可靠性將大大提高。不過，由于控制器工作站是監(jiān)控站與一類主站的一體化，要求Soft PLC軟件必須完成:</p><p>　　1）支持編程，包括主站應(yīng)用程序的開發(fā)、編輯、調(diào)試；</p><p><b

60、>　　2）執(zhí)行應(yīng)用程序；</b></p><p>　　3）通過Profibus接口對(duì)從站的數(shù)據(jù)讀寫；</p><p>　　4）從站遠(yuǎn)程參數(shù)化設(shè)置；</p><p>　　5）主/從站故障報(bào)警與記錄；</p><p>　　6）圖形監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫建立等監(jiān)控程序的開發(fā)與調(diào)試；</p><p>　　7）設(shè)

61、備組態(tài)、在線圖形監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等功能。</p><p>　　Soft PLC是將PLC的編程(IEC1131)及應(yīng)用程序運(yùn)行功能，和操作員監(jiān)控站的圖形監(jiān)控開發(fā)、在線監(jiān)控功能集成到一臺(tái)堅(jiān)固式PC機(jī)上，形成一個(gè)PLC與監(jiān)控站一體的控制器工作站。</p><p>　　4.3 應(yīng)用PROFIBUS構(gòu)建控制系統(tǒng)應(yīng)注意的問題</p><p>　　4.3.1 項(xiàng)目是否

62、適于使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)</p><p>　　任何一種先進(jìn)的技術(shù)都有一定的適用范圍，超出這個(gè)范圍可能不會(huì)產(chǎn)生所期望的結(jié)果。當(dāng)希望應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)問題:</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備是否分散這是決定是否使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的關(guān)鍵?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)適合于分散的、具有通信接口的現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備的系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省大量的現(xiàn)場(chǎng)布線成本，使系統(tǒng)故障易于診斷與維護(hù)。對(duì)于具

63、有集中I/O的單機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)沒有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，有些單機(jī)控制，在很難有空間用于大量的I/O走線時(shí)，也可以考慮使用現(xiàn)場(chǎng)總線。</p><p>　　系統(tǒng)對(duì)底層設(shè)備是否有信息集成要求現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)適合對(duì)數(shù)據(jù)集成有較高要求的系統(tǒng)，如需要建立車間監(jiān)控系統(tǒng)，或需要建立全廠的CIMS系統(tǒng)。在底層使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可將大量豐富的設(shè)備及生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成到管理層，為實(shí)現(xiàn)全廠的信息系統(tǒng)提供重要的底層數(shù)據(jù)。</p>&

64、lt;p>　　系統(tǒng)對(duì)底層設(shè)備是否有較高的遠(yuǎn)程診斷、故障報(bào)警及參數(shù)化要求現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特別適合用于有遠(yuǎn)程操作及監(jiān)控的系統(tǒng)。</p><p>　　4.3.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求</p><p>　　系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間在最壞情況下完成一次數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)所能保證的最小時(shí)間。簡(jiǎn)言之，就是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信數(shù)據(jù)更新速度。如果實(shí)際應(yīng)用問題對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)有一定的實(shí)時(shí)性要求，可根據(jù)具體情況考慮決定是否采用

65、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。</p><p>　　4.3.3 采用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　用戶確定采用Profibus總線技術(shù)后，下一個(gè)問題就是采用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置。這里主要包括兩點(diǎn)需要考慮:一是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，一是總線的選型。</p><p>　　在考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，要注意的是:（1）系統(tǒng)是否分層，分幾層，是否需要車間層監(jiān)控；（2）有無從站，有多少，分布如

66、何，從站設(shè)備如何連接，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否有總線接口，可否采用分散式I/O連接從站，哪些設(shè)備需選用智能型I/O控制。可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備地理分布進(jìn)行分組并確定從站個(gè)數(shù)及從站功能的劃分；（3）有無主站，有多少，如何劃分，如何連接。在考慮總線的選型時(shí)，主要考慮:（1）根據(jù)系統(tǒng)是離散量控制還是流程控制，確定選用DP還是PA，是否需要考慮本征安全；（2）根據(jù)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求及傳輸距離，決定現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)傳輸速率；（3）根據(jù)是否需要車間級(jí)監(jiān)控和監(jiān)控站，確定是否

67、用FMS及連接形式；（4）根據(jù)系統(tǒng)的可靠性要求及工程投入資金，決定主站形式及產(chǎn)品。</p><p>　　4.3.4 如何與車間或全廠自動(dòng)化系統(tǒng)連接</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)與車間自動(dòng)化系統(tǒng)或全廠自動(dòng)化系統(tǒng)的連接，設(shè)備層數(shù)據(jù)需要進(jìn)入車間管理層數(shù)據(jù)庫。設(shè)備層數(shù)據(jù)首先進(jìn)入監(jiān)控層的監(jiān)控站，監(jiān)控站的監(jiān)控軟件包具有一個(gè)在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫，這個(gè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分為兩部分。一是在線數(shù)據(jù)，如設(shè)備狀態(tài)、數(shù)值數(shù)據(jù)、報(bào)

68、警信息等;另一類是歷史數(shù)據(jù)，是對(duì)在線數(shù)據(jù)進(jìn)行了一些統(tǒng)計(jì)分類后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，可作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成日、月、年報(bào)表及設(shè)備運(yùn)行記錄報(bào)表。這部分歷史數(shù)據(jù)通常需要進(jìn)入車間級(jí)管理數(shù)據(jù)庫。自動(dòng)化行業(yè)流行的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，如FIX, INTOUCH, CITECT, WINCC等，都具有ACCESS, SYBASE等數(shù)據(jù)庫的接口。工廠管理層數(shù)據(jù)庫通過車間管理層得到設(shè)備層數(shù)據(jù)。</p><p>　　5 基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的水廠自

69、動(dòng)控制系統(tǒng)</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)因其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已在各個(gè)領(lǐng)域如機(jī)械、化工、汽車、電力、樓宇等得到廣泛應(yīng)用。近年來在自來水行業(yè)的應(yīng)用也越來越普遍，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它采用了計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使水處理工藝過程參數(shù)及設(shè)備加入到信息網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，這樣公司級(jí)信息溝通的覆蓋范圍便一直延伸到了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線是水廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的通道，是支撐現(xiàn)

70、場(chǎng)級(jí)與水廠級(jí)信息的技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p>　　5.1 水廠自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)形式</p><p><b>　　`</b></p><p>　　圖5 現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　以PLC為一類主站，PC機(jī)監(jiān)控為二類主站連接至PROFIBUS總線上，二類主站可完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能等（如圖5所示）

71、。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式配置，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否具備PROFIBUS接口及系統(tǒng)本身的實(shí)際需要來確定，圖6為水廠PROFIBUS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖6 水廠PROFIBUS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　選擇該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成形式，其理由如下：</p><p>　?。?）水廠處理

72、生產(chǎn)工藝流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間、環(huán)節(jié)內(nèi)部需檢測(cè)的參數(shù)與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備之間都相對(duì)比較分散，且項(xiàng)目(系統(tǒng))對(duì)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)集成有較高的要求，除要達(dá)到遠(yuǎn)程操作、診斷、監(jiān)控、參數(shù)化功能外，還必須為整個(gè)系統(tǒng)提供豐富的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為全公司的信息系統(tǒng)提供重要的底層數(shù)據(jù)。而恰到好處的解決這些問題正是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。 </p><p>　?。?）為確保實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目(系統(tǒng))的成功實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)總線PROFI

73、BUS的一些關(guān)鍵性技術(shù)能否在水行業(yè)得到正常應(yīng)用，主要是看它在本行業(yè)是否有應(yīng)用先例，經(jīng)過調(diào)研，確認(rèn)PROFIBUS不僅在制造、電力等方面，在水行業(yè)也已有成功的應(yīng)用，且有相當(dāng)?shù)臉I(yè)績(jī)。</p><p>　?。?）根據(jù)水處理工藝流程，現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS將PLC分為四個(gè)工作站，一泵房站、二泵房站、加藥站、濾池站及中心控制室、廠長(zhǎng)室，并設(shè)置為主站，而加藥和濾池主站則配置為分別帶有8個(gè)和12個(gè)智能型I/O從站的PLC。對(duì)

74、四個(gè)PLC工作主站，考慮到系統(tǒng)功能的要求及用戶的需要，每站分別配置了一臺(tái)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)卡作監(jiān)控主站。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)配置及設(shè)備選型</p><p>　　系統(tǒng)采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的典型應(yīng)用產(chǎn)品，SIEMENS公司產(chǎn)品。</p><p><b>　?。?）主站選擇</b></p><p>　　1）選擇S

75、7-300系列的CPU315--2DP為一類主站，它帶有一個(gè)DP和一個(gè)MPI接口，速率為9.6kbit/s 12mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸距離1200M，可連接I/0數(shù)目：DI/DO 1024 AI/AO 128 </p><p>　　2）選擇CP343-5通信處理器，將PLC連接到BROFIBUS上，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6K，1.5MBT/S。 </p><p>　　3）選擇PC機(jī)加BROFI

76、BUS網(wǎng)卡作過程監(jiān)控的二類主站。 </p><p><b>　?。?）從站選擇</b></p><p>　　選擇S7-200系列的CPU215-2DP為智能型I/O從站，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12M，本身帶有14DI/10DO，亦可擴(kuò)展到62DV58DO或12AV4AO。</p><p>　　5.3 系統(tǒng)控制要求及控制方案的實(shí)現(xiàn)</p>

77、<p>　　5.3.1 中控室控制</p><p>　　為使水處理工藝各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在調(diào)度控制中心被實(shí)時(shí)監(jiān)視控制，廠調(diào)度室和廠長(zhǎng)室都配有一臺(tái)惠普電腦連接至PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線上，通過Wincc組態(tài)圖形軟件既能監(jiān)視各站點(diǎn)生產(chǎn)狀況，又能控制操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種狀態(tài)，達(dá)到非常理想的集中控制功能。</p><p>　　操作系統(tǒng)為WINDOWS NT WORKSTA

78、TION Ver 4.0, KER-NEL SP4 0監(jiān)控平臺(tái)使用美國Intellution公司的FIXMMI工業(yè)控制軟件，直接嵌入NT操作系統(tǒng)內(nèi)部。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，調(diào)度主站的上位機(jī)具有監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印功能。直觀的組態(tài)圖形可以使調(diào)度答理人員監(jiān)視到現(xiàn)場(chǎng)工藝動(dòng)態(tài)流程;重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；各工作站的工藝參數(shù)、機(jī)電參數(shù)、濾池反沖工藝參數(shù);設(shè)備的啟停及閥門的動(dòng)作情況;實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)濾池反沖過程參數(shù)的設(shè)定與修改;包括水

79、位的設(shè)定;報(bào)警上、下限的設(shè)定。數(shù)據(jù)記錄功能記錄了各測(cè)量點(diǎn)200天的數(shù)據(jù)，完全滿足了歷史查詢的需要。報(bào)表打印可打印過去有效時(shí)間的下作日志，也可即時(shí)打印，滿足了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存檔。調(diào)度主站操作系統(tǒng)設(shè)有操作員權(quán)限，即考慮到調(diào)度操作的方便，又有效地防止了關(guān)人員的誤操作。</p><p>　　5.3.2 手動(dòng)、自動(dòng)控制</p><p>　　為了維護(hù)方便、操作靈活對(duì)各個(gè)PLC站點(diǎn)的設(shè)備均設(shè)置有手動(dòng)、鍵控和

80、全自動(dòng)控制方式。一泵房PLC通過PROFIBUS接受二泵房PIE采集的清水池水位，出廠水流量等數(shù)據(jù)，對(duì)一泵房機(jī)組進(jìn)行全自動(dòng)閉環(huán)控制，二泵房則通過網(wǎng)絡(luò)根據(jù)調(diào)度室確定的指令及流量、壓力、設(shè)備狀況進(jìn)行自動(dòng)控制。</p><p>　　5.3.3 濾池控制</p><p>　　濾池控制PIE站點(diǎn)，在控制室柜中裝有西門子CPU 315PLC，在每格濾池操作臺(tái)內(nèi)裝有西門子CPU215-2DP PLC，它

81、們之間通過DP端口利用屏蔽雙絞線連接在一起，構(gòu)成PROFIBUS—DP總線，其中S7-300是主站，其它12臺(tái)S7-200是從站，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾池的全自動(dòng)反沖洗。</p><p>　　我國于八十年代開始引進(jìn)法國DEGREMONT(德利滿)公司開發(fā)的V型濾池，V型濾池過濾和濾料再生的自動(dòng)控制是濾池正常生產(chǎn)運(yùn)行的保障。我們采用了可編程序控制器和工業(yè)電腦（PLC+IPC）組成的實(shí)時(shí)多任務(wù)集散型控制系統(tǒng)，對(duì)濾池過濾和反沖洗實(shí)行

82、自動(dòng)控制。其功能是:實(shí)現(xiàn)六套系統(tǒng)恒水過濾；濾池反沖自動(dòng)化、實(shí)現(xiàn)調(diào)度對(duì)工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)控制系統(tǒng)是基于西門子系列可編程控制器對(duì)六個(gè)濾池控制由兩套S7-300PLC實(shí)現(xiàn)。S7—200PLC控制六個(gè)濾池的反沖泵和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，完成對(duì)六個(gè)濾池反沖的自動(dòng)控制。</p><p>　　濾池恒水位過程的控制主要通過調(diào)節(jié)濾后水調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)水位的恒定，在濾池的相應(yīng)部位安裝了水位傳感儀、水頭損失傳感器。濾池的過濾就是通過它們測(cè)出濾池的水位

83、和水頭損失，將水位值及濾后水閥門的開啟度送入PLC，經(jīng)PLC中PID模塊運(yùn)算，調(diào)節(jié)濾后水調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)水位的恒定，設(shè)計(jì)中應(yīng)用PID模塊，僅采用比例、積分控制，關(guān)閉微分回路，較好的實(shí)現(xiàn)了恒水位控制。</p><p>　　一組濾池的反沖洗由S7- 300來控制。當(dāng)過濾達(dá)到過濾周期或?yàn)V池壓差(水頭)設(shè)定值時(shí)，濾池提出反沖洗請(qǐng)求，S7- 300根據(jù)濾池的優(yōu)先秩序，組成一個(gè)請(qǐng)求反沖洗隊(duì)列。一旦響應(yīng)某個(gè)濾池的請(qǐng)求，PLC實(shí)施反沖

84、洗的整個(gè)過程，在一組濾板中，不允許兩個(gè)濾池同時(shí)進(jìn)行反沖洗。當(dāng)一只濾池正在反沖洗時(shí).其它濾池請(qǐng)求反沖洗的信號(hào)則存入公用的PLC中，然后再按存儲(chǔ)秩序，對(duì)濾池依次進(jìn)行反沖洗。調(diào)度對(duì)濾池的監(jiān)控通過PROFIBUS總線通信實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　濾池反沖洗時(shí)，PLC的控制過程:打開反沖洗排水閥，當(dāng)濾池水位下降到洗砂排水槽頂時(shí)，關(guān)閉濾后水控制閥；啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，5秒鐘后，打開濾池反沖洗氣閥，對(duì)濾池進(jìn)行1分鐘氣預(yù)沖；打開反沖洗

85、水閥，啟動(dòng)反沖洗水泵，進(jìn)行7分鐘的氣水同時(shí)反沖洗；關(guān)閉反沖洗氣閥，5秒鐘后，停鼓風(fēng)機(jī)，打開空氣隔膜閥排氣，進(jìn)行5分鐘清水反沖漂洗后，停反沖水泵。5秒鐘后，關(guān)閉水反沖洗閥，然后關(guān)閉反沖洗排水閥，打開待濾水進(jìn)水閥，濾池恢復(fù)過濾。整個(gè)反沖洗過程歷時(shí)約25分鐘。</p><p>　　另外，PLC還能控制濾池的開啟個(gè)數(shù)，它根據(jù)濾池進(jìn)水流量確定濾池的開啟個(gè)數(shù)，按先停先開的原則確定某個(gè)濾池的開、停。反沖過程執(zhí)行時(shí)間可由監(jiān)控微機(jī)

86、改變或TD200現(xiàn)場(chǎng)操作。調(diào)度對(duì)濾池的監(jiān)控通過PROFIBUS總線通信實(shí)現(xiàn)。V型濾池自控部分設(shè)計(jì)了自動(dòng)與手動(dòng)兩種功能，當(dāng)自動(dòng)部分出故障時(shí)，手動(dòng)也能控制生產(chǎn)，保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。</p><p>　　5.3.4 加藥房控制</p><p>　　加礬加氯及行車、反應(yīng)池排泥站點(diǎn)，在控制室柜中裝有西門子CPU 315 PLC為主站，在行車、反應(yīng)池排泥處裝有S7-200PLC為從站，共8臺(tái)，它們之

87、間連成PROFIBUS-DP總線，使行車排泥按時(shí)段進(jìn)行全自動(dòng)工作，加礬按流量比例前饋、SCD反饋控制，加氯按流量比例、余氯反饋閉環(huán)控制。</p><p><b>　　6 課題總結(jié)</b></p><p>　　隨著社會(huì)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、生產(chǎn)水平的提高，電氣控制技術(shù)的發(fā)展在不斷前進(jìn)，本課題正是在適應(yīng)了電氣控制技術(shù)的發(fā)展，并在結(jié)合了所研究的水廠的實(shí)際需要出發(fā)，提出了將先進(jìn)的現(xiàn)

88、場(chǎng)總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械電氣技術(shù)結(jié)合起來，使得該系統(tǒng)在滿足該水廠在實(shí)際生產(chǎn)中的各項(xiàng)要求的同時(shí)還保證了該系統(tǒng)具有了相當(dāng)?shù)南冗M(jìn)性。</p><p>　　由于本人是初次接觸這樣的課題，所以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中也總有不完善和值得探討的地方。在論文的最后，我小結(jié)了幾點(diǎn)，作為課題今后工作和努力的方向:</p><p>　?。?）優(yōu)化下位機(jī)的可編程控制器的控制程序，使程序在能滿足整個(gè)系統(tǒng)功能需

89、要的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)單，這樣的程序才具有較強(qiáng)的可讀性。這些是建立在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的積累的基礎(chǔ)上的。</p><p>　?。?）進(jìn)一步熟練掌握工控技術(shù)和人機(jī)界面技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的畫面和人機(jī)界面進(jìn)一步優(yōu)化，使之具有更好的交互性。</p><p>　?。?）進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)，為以后組建整個(gè)水廠企業(yè)網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　?。?）進(jìn)一步探索傳統(tǒng)

90、的機(jī)械技術(shù)與先進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等控制技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，并將之更好的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中去，進(jìn)一步的促進(jìn)機(jī)電液一體化技術(shù)的發(fā)展。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和鼓勵(lì)下完成的。大學(xué)期間，導(dǎo)師在學(xué)習(xí)上給了我們不倦的教導(dǎo)，在生活上給了我們殷切關(guān)懷和幫助。她學(xué)識(shí)淵博、思維敏捷、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、為人真誠，使我在大學(xué)學(xué)習(xí)過程中受益非淺。導(dǎo)師高

91、尚的師德及對(duì)我的嚴(yán)格要求將使我受益終生。作為導(dǎo)師的學(xué)生，我感到非常的自豪和幸運(yùn)。在此，向?qū)煴硎局孕牡母兄x。</p><p>　　感謝機(jī)電學(xué)院的老師們和在一起奮斗的兄弟們，謝謝你們對(duì)我的關(guān)心和幫助!</p><p>　　更感謝父母對(duì)我多年的辛勤培育，家人對(duì)我長(zhǎng)期的支持與鼓勵(lì)!</p><p>　　最后，謹(jǐn)向所有關(guān)心和幫助過我的人致以衷心的謝意!</p>

92、<p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?］周明.現(xiàn)場(chǎng)總線控制［M］.中國電力出版社，2002</p><p>　　［2］陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社，1999</p><p>　　［3］顧洪軍.工業(yè)企業(yè)網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用［M］.人民郵電出版社，2002</p><p

93、>　　［4］李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　［5］張桂香.電氣控制與PLC應(yīng)用［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2003</p><p>　?。?］張桂香,王輝.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.電子科技大學(xué)出版社，2002</p><p>　?。?］康華光,鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分［M］.北京:高等教育出版社，1999&