（测试计量技术及仪器专业论文）油库发油系统的改进研究与开发.pdf

摘要 由于对油库发油系统的自动化程度的需求，本文结合现场总线技术，设计开 发了改进的油库发油控制系统，该控制系统由上位机监控站和下位机构成，下位 机包括定量发油控制器和智能从站，监控站和现场的下位机采用p r o f i b u s d p 总线相连，定量发油控制器实现定量控制、防溢控制、防静电控制等，而智能从 站主要是控制变频器实现调速发油。 本文在对p r o f i b u s 协议简单介绍的基础上，深入研究了i e c 6 1 1 5 8 国际标 准、e n 5 0 1 7 0 欧洲标准及s i e m e n s 公司的a s i c 芯片s p c 3 的协议规范，在掌握 p r o f i b u s 现场总线技术的基础上提出了利用s p c 3 芯片开发p r o f i b u s - d p 智 能从站接口的方案，利用微处理器和s p c 3 协议专用芯片设计了p r o f i b u s d p 硬件接口电路，根据s p c 3 协议开发了接口程序及应用程序，研制出了 p r o f i b u s d p 智能从站接口模块。 为了提高发油的精度，减小水击的影响，降低能耗，首先对变频调速运行在 发油控制系统的工作原理和节能原理进行了介绍，并提出了变频调速发油控制系 统的设计方案，最后给出了实现的具体内容。 研究了变频调速发油的控制算法，介绍了模糊控制的基本原理及存在的问 题，提出了模糊p i d 控制器的设计，建立了发油系统的近似模型，并对其进行 仿真。通过仿真结果，说明了模糊p i d 控制算法的优势。 关键词：油库发油智能从站模糊p i d 变频调速 a b s t r a c t t om e e tt h ed e m a n do ft h ea u t o m a t i o n o fo i ld e l i v e r i n gi no i ld e p o t ，t h e i m p r o v e da u t o m a t i o no fo i ld e l i v e r i n gi nd e p o ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h ef i e l d b u st e c h n o l o g y t h i sa u t o m a t i o ns y s t e mi n c l u d e st h em o m t o f i n g & c o n t r o l s t a t i o na n dc o n t r o ls t a t i o n ，t h e ya r ec o n n e c t e db yt h ep r o f i b u s - d p , a n dt h ec o n t r o l s t a t i o ni sc o n f o r m e do ft h e1 0 c a lc o n t r o ld e v i c ea n di n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o n t h e c o n t r o ld e v i c ep e r f o r m st h ef u n c t i o ns u c ha ss p e c i f i cq u a n t i t yc o n t r o l ，t h ei n t e r l o c k c o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e sd e e pr e s e a r c ho ni e c 6 115 8i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ， e n 5 0 17 0e u r o p e a ns t a n d a r da n dt h ep r o t o c o lr u l eo fa s i cc h i ps p c 3f r o ms i e m e n s o nt h eb a s eo fs i m p l ei n t r o d u c t i o na b o u tp r o f i b u sp r o t o c 0 1 t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t sas c h e m et od e v e l o pp r o f i b u s - d pi n t e l l i g e n t s l a v es t a t i o ni n t e r f a c e u s i n g s p c 3o nt h eb a s eo f m a s t e r i n g p r o f i b u st e c h n i q u e ，t od e s i g n t h ep r o f i b u s - d ph a r d w a r ec i r c u i tu s i n gs p c 3a n dm i c r o p r o c e s s o r ，t od e v e l o p p r o g r a mo fi n t e r f a c ea n da p p l i c a t i o na c c o r d i n gt os p c 3p r o t o c o l ，m a n u f a c t u r ea u n i v e r s a lp r o f i b u s d p i n t e l l i g e n t s l a v ei n t e r f a c eb o a r d t h e nac o m p l e t e p p r o f i b u s i n t e l l i g e n tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mw a s s e tu pu s i n g p r o c e s sc o n t r o l ， i oc o n t r o l ，m o t o rd r i v ec o n t r o la n dv i d e oc o n t r o la so b j e c t ，r s 4 8 5p r o t o c o lt r a n s i t i o n t e c h n i q u ea n di n t e l l i g e n ts l a v ei n t e r f a c eb o a r dm e n t i o n e da b o v e i nt h ed i s s e r t a t i o nt h ea u t h o rs t u d i e st h ec o n t r o la l g o r i t h mo ft h ev a r i a b l e 丹e q u e n c yc o n t r o li no i ld e l i v e r i n g ，a n di n t r o d u c e st h eb a s i c so ff u z z yc o n t r o l a n d t h e e x i s t i n gp r o b l e m s a l s oh ep u t sf o n ht h ed e s i g no ft h ef u z z y p i dc o n t r o l a l g o r i t h m ，e s t a b l i s h e st h em o d e lo fo i ld e l i v e r i n ga n ds i m l d a t e si t b ys i m u l a t i o n ， t h ea u t h o ri l l u s t r a t e st h es u p e r i o r i t yo f p i dc o n t r o lm g o r i t h m k e y w o r d s ：o i ld e l i v e r y ；i n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o n ；f u z z y - p i d ；v a r i a b l ef r e q u e n c y c o n t r 0 1 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：益耋查麴2 0 0 7 年4 月母日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年砰月年日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着计算机、通信、网络、自动控制等技术的飞速发展，信息化和自动化管 理在现代企业生产中扮演着越来越重要的角色。但是现在大部分自动化系统主要 作用还局限于一个局部网络，形成了自动化“信息孤岛”的形式。由于其与外 界信息交换程度低，因此必须建立开放式的自动化系统，朝着企业综合自动化方 向发展。油库综合自动化系统是针对油库的存、发以及安全监控等环节业务的微 机自动化监控管理，可分为五个方面； l 、油库定量发油系统：该系统采集流量计、温度计的数据，通过控制电液 阀、油泵实现罐车高精度定量发油，具有静电溢油联锁保护，实时显示实发量， 以及实现对发油信息的存储、归档、和打印等功能。 2 、油罐计量系统：此系统通过安装高精度的液位仪、压力计、温度计等仪 表，实现油罐的高精度计量，可实时检测储罐的液位和温度，并计算存油的体积、 质量、剩余罐容和剩余库容等，还具有高低液位、高低水位报警等功能。 3 、安全监控系统：系统实现可燃气体体积分数检测、高低限报警及信号上 传；火灾检测、报警、记录、打印及信号上传；以及库区的安全巡检管理和消防 水池液位的自动控制。 4 、工业闭路电视系统：安装工业电视，实时监视和记录工业现场的运行状 况，确保库区储运、销售各环节安全平稳。 5 、库区网络系统：实现库区各部门计算机和设备的数据通讯链接；实现数 据资源的集中管理和共享；对库区网络进行维护、监视：并为上级管理部门信息 系统预留通信接口。 其中油库定量发油系统和油罐计量系统是对自动化要求较高的两个方面，也 是自动发油系统所要完成的核心方面。伴随着我国石油事业的发展，现有的油库 自动化水平已不能满足日益增长的需求，因此，为了增强企业竞争力，必须发展 油库的信息化和自动化技术。 1 2 油库发油控制系统的发展现状 油库发油控制系统发展经历了大致四个阶段： 河海大学硕士论文 1 、最早的是手工发油、手工记帐的作坊式操作方式，也采用继电接触器进 行控制的自动化程度不高的生产线。这些系统可靠性不高，影响油库的经济效益 和社会效益，同时也不能及时地了解现场的实时运行情况以及历史生产信息。 2 、集中式发油系统的出现”t ，使一台控制器可以实现整个油库的发油控制。 一般由单片机或工控机作为控制器。这是一种比较经济的方案，但是，如果控制 室的控制器出现故障，那么整个系统就会陷于瘫痪；而且由于传输线中既有信号 线又有控制线，强电信号和弱电信号在一起容易产生严重的干扰。 3 、d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 控制系统的出现是现代工业控制领 域的一次飞跃，它首先提出了“信息集中，控制分散”的控制系统构架思想。它 分为上、下位机系统，将控制任务分散到各台下位机，上位机完成管理监控功能。 d c s 控制系统在一定程度上做到了“控制分散，危险分散”，由于采用数字信号 传输，抗干扰能力增强，同时d c s 控制系统的主控制站可以实现非常复杂的控 制算法，整个系统的安装维护相对简单。但是，d c s 控制系统有它的局限性， 它在控制站与现场设备之间采用点到点的连接方式，使得现场的布线和维护非常 复杂。特别是几乎所有的d c s 控制系统在现场级采用的是专用网络和接口，系 统地开放性和可扩展性很差，用户选择的余地小得多。 4 、f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 控制系统是信息数字化、控制功能分散 化、开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、数字化、网络 化向生产过程现场的发展。现场总线控制系统把控制系统彻底下放到现场，由现 场仪表完成大部分功能，而且现场节点之间可以相互通信实现互操作。在国外， 现场总线技术从2 0 世纪8 0 年代开始出现并被逐步推广，现在已经被广泛使用。 在国内，现场总线技术还主要使用在大型油库控制系统中。 近年来，随着经济的快速增长，我国油库自动化水平有了很大提高，应用水 平也从手工操作发展到自动控制。但在石化行业中，各企业发展很不平衡，大型 企业自动化水平已经很高，而对于中小型企业，与国外先进水平还有很大差距， 在发油控制系统中存在着很多问题，有以下几方面： ( 1 ) 系统计量精度不高。计量精度对于发油系统是最重要的一个指标，由于 一次发油的重量有数十吨，因此一个小小的误差就会导致发油相差多达几 百公斤，而对于上千吨的油库，损失更是惊人。如果是过误差，会有很大 的经济效益的损失，而另一方面，如果是欠误差，则顾客也不会同意，影 响企业形象。 f 2 1 自动化程度低，功能单一，数据分散，系统间缺少联系，且各种系统操 作方式各异，水平参差不齐，不利于企业的科学管理；同时开放性也不好， 系统升级和维护困难。自动化设备比较少，生产管理过程仍靠手： 操作、 2 第一章绪论 人工监测，工作人员队伍庞大，效率低、成本高。 f 3 ) 发油系统能耗大，没有对油泵电机有效控制，经年累月，会产生巨大能 耗，有巨大的经济损失。 h ) 系统网络安全性不高。网络硬件的管理和运行环境、软件和数据管理都 会有安全隐患，会导致系统瘫痪的可能。 f 5 1 系统可靠性不高。由于安装过程中人工操作不规范，导致防护措施不够， 系统在保护方面缺乏对异常情况采取缓解和解救措施的能力，且快速恢复 能力较低，影响了系统的可靠性。 1 3 课题研究的意义 由于我国石油化工储运业的自动化水平与国外有一定差距，为了在和国外企 业竞争中占有优势，必须提高这些石化储运企业的现代化水平，和国际接轨。尽 管现场总线技术有非常优异的性能和发展趋势，但与传统设备相比，价格高出几 倍，对于国内企业来说，几乎所有的现场总线设备都依赖进1 2 1 ，价格比较昂贵， 而在国内p r o f i b u s 的应用前景非常广阔，因此研究利用p r o f i b u s 协议专用 j 占片a s i c 的开发技术变得非常急迫，可以降低现场总线设备的制造成本，使国 内企业能制造出带有p r o f i b u s 总线接口的智能设备，将有利于推广现场总线 技术，推动企业技术升级，这将大大推动国内石油储运行业的发展和企业自动化 水平的提高。同时为了使定量发油过程更加安全和精确，采用模糊p i d 控制算 法控制的变频调速极大的提高了发油的精度，由此可产生可观的经济效益。 1 4 油库发油控制系统总体设计 油库发油业务是油库自动化系统中的一个环节，是指将油品从罐区的储油罐 中经过输油管道送到油罐车上的过程，也就是油品装车业务。油品发放形式多样， 按发货形式可分为桶装、散装等，按运输工具可分为铁路槽车、汽车槽车、油轮 及长输管线等。 发油的一次设备包括泵、多级关断的电液阀或气动阀、手动操作的球阀、过 滤器、鹤管等，二次设备包括流量计、压力变送器、温度变送器、静电接地夹、 可燃气体报警系统等，现场发油工艺如图1 1 所示。定量发油控制仪由p l c 设 计而成，安放在发油现场对发油过程进行控制，所有安装在现场的定量发油控制 仪通过p r o f i b u s d p 总线连接起来，与控制室的监控系统相连，组成p r o f i b u s 网络，达到集中管理、分散控制的目的。油库控制系统结构如图1 2 所示： 河海大学硕士论文 图1 - 1 发油现场示意图 图1 2 油库控制系统结构 系统功能的实现： ( 1 1 上位机上位机主要用于系统组态、参数设置、自动化系统监测，以及 发油实时信息的查询与显示、报表打印。其通过p r o f i b u s 总线与p l c 进行通讯， 向p l c 发送发油控制命令。 ( 2 ) 现场控制现场控制以p l c 为核心。p l c 通过接收上位机指令并对现场 设备和仪表进行控制，同时p l c 将采集的现场信号，经分析处理后通过p r o f i b u s 总线传到上位机，为上位机数据分析和状态显示提供依据。 ( 3 ) 数据显示为了方便客户和现场操作人员及时了解发油信息，在现场设 置液晶显示器。液晶显示器实时显示现场发油信息，如发油量、油品温度、油品 号、发油时问等。 4 第一章绪论 ( 4 ) 开票机在开票机上，工作人员根据提货单号给客户开出提油的单据， 收取现金并存储客户的信息。客户领取单据到指定鹤位提油。 ( 5 ) 静电接地发油前，工作人员接好静电接地。如果未接静电接地或没接 好，系统发出语音报警提示，并禁止发油。发油完毕，工作人员将静电接地放回 原位，如果静电接地未摘除，系统发出语音报警提示，禁止发油。 ( 6 ) 溢油保护将溢油保护装置安在鹤管上，当鹤管进入油罐口时，溢油保 护装置位于油罐口处，进行油位检测。当油位超过指定位置，系统发出报警提示。 并停止发油。 ( 7 ) 远程数据传输厂级控制室的管理p c 机和上位机、开票机通过局域网进 行通信，p c 机上安装s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库，应用数据库复制技术实现数据 共享。 1 5 本论文主要研究的内容 本课题针对国内中小型油库发油系统中存在的问题，结台p r o f i b u s 现场 总线技术、模糊控制理论、计算机控制技术以及变频技术，设计了改进的油库发 油控制系统。基于此课题，本文作者完成了以下工作： 1 、p r o f i b u s 现场总线技术的研究，并介绍了现场总线控制系统的组成。 2 、介绍了基于西门子s p c 3 芯片的p r o f i b u s d p 智能从站接口的开发。 3 、详细介绍了基于模糊p i d 控制算法的变频调速的发油系统的构成及实 现，并进行了控制算法的仿真及分析。 4 、整个系统的设计与实现。 河海大学硕士论文 2 1引言 第二章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写”】，是一种国际性的开放式的现场总 线标准，它主要由s i e m e n s 公司支持，符合欧洲标准e n 5 0 1 7 0 第二卷，是i e c 现场总线国际标准的第三部分。目前世界上许多自动化技术主产厂家都为它们的 设备提供p r o f i b u s 接口。p r o f i b u s 己经广泛应用于制造业自动化、流程工 业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。 p r o f i b u s 由以下三个兼容部分组成： 1 、p r o f i b u s d p ：它主要用于自动控制系统和设备及分散f o 之间的通信。 用于传感器和执行器级的高速数据传输，d p 传输速率可达1 2 m b i “s ，一般构成 单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。 2 、p r o f i b u s f m s ：它的设计是旨在解决车间一级通用性通信任务，提供 大量的通信服务，用来完成中等传输速度的循环和非循环的通信任务。由于它是 完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑 的主要是系统的功能而不是系统响应时间。 3 、p r o f i b u s p a ：专门用于过程自动化设计，p a 具有本质安全特性，实 现了i e c l l 5 8 2 规定的通信规程。 2 2p r o f i b u s 的协议结构 p r o f i b u s 的协议的结构以i s 0 7 4 9 8 国际标准开放式系统互连网络o s i 参考 模型为基础，在这个模型中，每个传输层精确地处理所定义的任务。第一层( 物 理层) 定义了物理的传输特性，第二层( 数据链路层) 定义了总线的存取协议，第七 层( 应用层) 定义了应用功能。 p r o f i b u s 的协议的结构，如图2 11 6 1 所示。 l 、p r o f i b u s d p 协议只包括物理层、数据链路层以及一个扩展的用户层， 这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像程序 ( d d l m ) 提供易于进入第2 层的用户接口，而用户接口规定了用户及 第二章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 系统可以调用的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性。 2 、p r o f i b u s f m s 协议使用了第l 、2 、7 层，应用层( 第7 层) 包括f m s ( 现场总线报文规范) 和l l i ( 低层接口) 。f m s 包含了应用协议并向 用户提供强有力的通信服务。l l i 协调不同的通信关系并向f m s 提供不 依赖设备的对第2 层的访问。第2 层的现场总线数据链路可完成总线访 问控制和数据的可靠性。p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s - f m s 使用了相同 的传输技术和总线存取协议，因此他们可以在同一根电缆上同时操作。 3 、p r o f i b u s p a 数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议，还执行规定 现场设备特性的p a 设备行规。依据i e c l l 5 8 - 2 标准，确保了本质安全 性，而且还可通过总线对现场设备供电。使用分段式耦合器 p r o f i b u s p a 设备可以很容易的集成到p r o f i b u s d p 网络。 d p 设备行规p a 设备行规 基本功能 f m s 设备行规基本功能 扩展功能扩展功能 用户层 d p 用户接口d p 用户接口 直接数据链路映像 低层接口( l l i )直接数据链路映像 程序( d d l m ) 程序( d d l m ) 第7 层应用层 ( 应用层)现场总线报文规范 朱使用 ( f m s ) 未使用 第3 - 6 层未使用 第2 层数据链路层数据链路层 ( 数据链路层)现场总线数据链路现场总线数据链路i e c 接口 ( f d l )( f d l ) 第1 层物理层物理层 i b c l1 5 8 - 2 ( 物理层)( r s 4 8 5 l w l )( r s - 4 8 5 l w l ) 图2 - 1p r o f i b u s 的协议结构 河海大学硕士论文 2 3p r o f i b u s - d p 控制系统的分析 2 3 1p r o f i b u s d p 的传输技术i 7 p r o f i b u s d p 可采用两种传输技术：r s 4 8 5 与光纤。其数据传输速率可调， p r o f i b u s - d p 可以满足低速要求，也可以满足高速要求，其最高速率达到 1 2 m b p s ，比其它主要的现场总线速率都要高。 r s 4 8 5 是种技术成熟、廉价的数据传输技术。传输技术的基本特征如下： o 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。短截线的波特率 1 5 m b p s 。 o 传输介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。同时 在连接各站时，应确保数据线不要拧绞。另外，建议数据线必须与高压线隔离。 o 插头连接：最好使用9 针d 型插头，插座部分被安装在设备上。 o 传输速率：波特率从9 6 k b i t s 到1 2 m b i t s 可选，是一种高速的现场总线。 但在速率较高时，电缆的长度受到一定的限制。因此在设计系统时，必须衡量这 两个指标。 o 站点数：每段3 2 个站，不带转发器。带转发器最多可到1 2 7 个站。 o 数据编码：用不归零码f n r z ) ，每八位二进制数( 1 字节) 按1 1 位的顺序被 传输，补充了开始位、停止位和奇偶校验位。最小的有效位( l s b ) 被第一个发送， 最大的有效位( m s b ) 被最后发送。 r s 4 8 5 采用双绞线作为传输介质，电缆最大长度取决于传输速率，所以传输 距离与传输速率关系如表2 2 所示。 表2 - 2 中所得到的参数指标是依据a 类电缆而得到的，a 类电缆的主要参数 如下： 浪涌阻抗：测量频率为3 2 0 m h z 时，1 3 5 1 6 5o ； 电缆电容： 3 0p f m ； 回路电阻： 1 1 0q k m ： 导线截面积：) 0 3 4m i l l 2 波特率9 61 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 0 01 2 0 0 0 ( k b i t s ) 每段的 1 2 0 0 m1 2 0 0 m1 2 0 0 m1 0 0 0 m4 0 0 m2 0 0 m1 0 0 m 范围 表2 - 2 传输速率与电缆长度的关系 第二章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 在远距离传输或者电磁干扰严重的应用场合，可以采用光纤传输技术。应用 中继器可以扩展总线段的范围，应用光纤连接模块可以构成电缆与光纤混合的网 络。同时，通过这些网络连接模块，网络的拓扑结构也可灵活组合。 2 3 2p r o f i b u s - d p 系统的组成 p r o f i b u s ，d p 允许构成单主站和多主站系统”1 ，使系统有多种配置方式。 单主站系统中，在总线系统操作阶段，只有一个活动主站；而在多主站系统配置 中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统或是作为网上的附加配置 和诊断设备，任何一个主站均可读取d p 从站的输入输出映像，但只有一个主站 可对d p 从站写入输出数据，多主站系统的循环时间要比单主站系统长。 在同一总线上最多可连接1 2 6 个站点( 主站或从站) 。每个p r o f i b u s d p 系 统可以包括以下两种不同类型的设备： 1 、d p 主站 d p 主站可以分为一类主站和二类主站。一类d p 主站( d p m l ) 是中央控制 器，网络上的主动站，能主动发起通讯请求，协调控制对网络介质的访问，一个 主站能够按照预先定义好的算法控制多个从站，与它们进行周期性及非周期性通 讯，主站可实现一些复杂的控制算法。它在规定的信息周期内与分散的站点( 如 d p 从站) 交换信息。典型的主设备包括可编程控制器p l c 和个人计算机( p c ) 等。 二类d p 主站( d p m 2 ) 包括编程器、组态设备或操作面板。它们在d p 系统组 念时或对系统运行监视时使用。二类d p 主站主动参与介质访问控制，可以与一 类d p 主站或者d p 从站进行非周期性通讯。 2 、d p 从站 d p 从站是网络上的被动站点，不能主动发起通讯请求，只能作为被动的响 应者，它不参与网络介质的访问控制，从站自己可实现一些简单的控制算法。 d p 从站是进行输入信息采集和向控制器发送输出信息的外围设备( 如输a 输出 设备、驱动器、h m i 、阀门等) ，也还有一些设各只提供输入或输出信息( 如模拟 量输x 输出模块等) 。输入和输出信息量的大小取决于设备形式，最多不能超过 2 4 6 个字节。 在实际应用中，一、二类主站的配置方式可以有灵活的选择，如可以根据 需要选择以下配置形式： l 、以p l c 或其它控制器作为一类主站，不设监控站； 2 、以p l c 或其它控制器作为一类主站，监控站不在p r o f i b u s 网络中，不作 为二类监控站，但与一类主站通过串口一对一连接，对p l c 或控制器读 写数据来实现监控： 河海大学硕士论文 3 、以p l c 或其它控制器作为一类主站，监控站作为二类主站直接连在 p r o f i b u s 网络中，完成远程编程、参数化和在线监控等功能； 4 、以p c 机+ p r o f i b u s 网卡作为一类主站，即监控站与一类主站一体化，这 是一个低成本的方案，应该使用高可靠性的工业p c ，这种情况下，通 信模板厂商只是提供一个模板驱动程序，总线控制、从站控制程序、监 控程序等多由用户开发。 在上述p r o f i b u s 设备之外，基于p r o f i b u s d p 的现场总线控制系统还 需要上位机组态及监控软件。系统组态的描述包括：站数、站地址和输入输出 地址的分配、输入输出数据的格式、诊断信息的格式以及所使用的总线参数等。 监控软件的作用是把用户需要的各种现场数据从仪表及现场设备中读出并传送 到上位机，再根据用户的需要进行处理，如保存与数据显示、打印、修改参数等。 有了p r o f i b u s 主站、从站以及上位机软件之后，我们就可以通过 p r o f t b u s 网络把这几个部分组合成一个完整的现场总线控制系统。 2 3 3 总线存取协议 p r o f i b u s ( d p 、f m s 、p a ) 均使用一致的总线存取协议。该协议是通过o s i 参考模型的第二层( 数据链路层) 来实现的，它包括了保证数据可靠性技术及传输 协议和报文处理。在p r o f i b u s 中，第二层称之为现场总线数据链路层f d l ( f i e l d b u sd a t al i n k ) 。介质存取控带l j ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 m a c ) 具体控制数据 传输的程序，m a c 必须确保在任何一个时刻只有一个站点有权发送数据，并且 任一个主站在一个特定的时间片中都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲 突。这样的好处在于传输速度较快，而其它一些总线标准则采用的是冲突碰撞检 测法，在这种情况下，某些信息组需要等待，然后再发送，从而使系统传输速度 降低。p r o f i b u s 协议的设计需要满足介质存取控制的两个基本要求： 1 、在复杂的自动化系统( 主站) 间通信时，必须保证在确切限定的时间间 隔中，任何一个站点有足够的时间来完成它的通信任务。 2 、在复杂的可编程控制器和它所属的简单的i o 设备( 从站) 间通信，应尽可 能快速又简单地完成循环地实时的数据传输。因此，p r o f i b u s 总线存取协议包 括主站( 复杂的总线站) 之间的令牌传递方式和主站与从站( 复杂的总线站与简单 的i o 设备1 之间的主从方式。而主站是指在一个限定的时间内对总线有控制权 的设备；从站指只能响应主站请求，而对总线无控制权的设备。 当一个主动节点( 总线站) 获得了令牌，它就接手主站功能并在总线上与其他 从站和主站节点进行通信。在总线上的报文交换是用节点编址的方式来组织的。 每个p r o f i b u s 设备都有一个地址，这个地址在整个总线上必须是唯一的。在一个 总线内，最大可使用的站地址范围在0 到1 2 6 之间，也就是说，一个总线系统最 0 第二章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 多可以有1 2 7 个节点( 总线站) 。 这种总线存取控制方式允许有如下的系统配置： 纯主一主系统( 令牌传递机制) 纯主从系统( 主从机制1 混合系统( 两种方式的组合) ( 1 ) 令牌总线机制 如图2 3 【8 】所示，连接到p r o f i b u s 网络的主动节点( 主站) 按它的总线地址的 升序组成一个逻辑令牌环。在逻辑令牌环中主动节点按一个接一个地排列，控制 令牌环按这个顺序从一个站传遍到下一个站。令牌提供存取传输介质的权力，并 用特殊的令牌帧在主动节点( 主站) 间传递。具有最高总线站地址( h a s ) 的主动节 点例外，它只传递令牌给具有最低总线站地址的主动节点，以此使逻辑令牌环闭 合。 遵辑令j ；牵耶 图2 3 令牌总线机制 令牌经过所有主动节点轮转一次所需的时间叫做令牌轮转时间。用可调整的 令牌时间t t r ( 目标令牌时间) 来规定现场总线系统中令牌轮转一次所允许的最 大时间。 在总线初始化和起动阶段，总线存取控n ( h nm a c ，介质存取控制) 通过辨 认主动节点来建立令牌环。为了控制令牌环，m a c 程序首先自动判定总线上所 有主动节点的地址，并将这些节点和地址都记录在l a s ( 主动站站表) 中。对于令 牌管理而言，有两个地址概念特别重要：p s 节点( 前一站) 即下一站是从此站接收 到令牌的；n s 节点( 下站) 的地址( 即令牌传递给此站) 。在运行期间，为了从令 牌环中去掉有故障的主站节点和增加新的主动节点到令牌环中而不影响总线上 的数据通信，也需要l a s 。 ( 2 ) 主从方式 一个网络中有若干个被动节点( 从站) ，而它的逻辑令牌环只含有一个主动 节点f 主站) ，这样的网络为纯主从系统。 主从程序允许当前主站( 主动节点) 有权将信息发送、存取指定给它的从站设 备。这些从站是被动节点，主站可以发送信息给从站或者从从站获取信息。典型 河海大学硕士论文 的d p 是以主从方式为基础的。一个主动节点( 主站) 循环地与被动节点( d p 从站) 交换数据。 图2 - 4 中，示意了一个由三个主站和七个从站构成的p r o f i b u s 系统结构。 三个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执 行主站工作。在这段时间内，它可与在主从通讯关系表中所列的所有从站通信， 也可与在主一主通讯表中所列的所有主站通信。令牌环的意思是所有的主站按照 它们的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌即总线控制权在规定时间内按照地址 的升序在主站间依次传递。 在p r o f i b u s 网络中，站点在获得了总线的访问控制权后，即可以向总线 上发送数据。主站的总线访问控制权是通过获得令牌来得到的，而从站则是在收 到主站对它的请求帧后获得总线访问控制权。主站授权从站获得访问控制权的过 程以及从站将控制权返回给主站的过程都是隐含进行的，具体来说，当主站向从 站发送一个要求返回的请求，那么它同时也就授权从站获得了总线的访问控制 权；反过来从站在对主站的请求进行响应的同时也就将访问权返回给了主站。如 果在规定的计时时钟溢出时仍然没有收到从站的响应，主站将主动收回总线的访 问控制权，以进行重传或其它处理。 一个p r o f i b u s 主站点在收到令牌后，将重新启动实际令牌循环时间计时 茔设备问的逻辑令牌环 图2 - 4p r o f i b u s 总线系统结构 器，该计时器在下一次令牌到达时的计数值被定义为实际令牌循环时间t r r ， 即令牌相继2 次到达某个主站的实际时间差，各站值相异。与此同时，在一个 p r o f i b u s 网络中还必须定义一个目标令牌循环时间兀r ，它是在系统初始化 时赋给每一个主站的，各站上的此参数值相同。一个站点获得令牌后，将首先计 算t t r 与t r r 之差，并记为令牌持有时间t t h ，也即： t t h = t t r t r r 同时将启动令牌持有时间计时器，p r o f i b u s 主站在收到令牌后的行为将 第二章p r o f i b u s 现场总线技术的研究 主要由t 1 h 决定。 p i m f i b u s 协议规定，无论收到令牌后计算得到的t t h 值是大于零或小于 零，p r o f i b u s 站点总是可以处理一个高优先级消息。如果在处理完该高优先级 消息后，仍然有剩余的令牌持有时间才开始处理其它等待处理的高优先级消息。 只有在所有的高优先级消息处理完毕后，并且令牌持有时间计时器还没有溢出的 情况下才会开始处理低优先级的消息。低优先级消息中，总是先处理轮询消息， 图2 - 5p r o f i b u s 主站收到令牌后的消息处理流程图 河海大学硕士论文 然后是非循环的低优先级消息。p r o f i b u s 主站在收到令牌后的消息处理流程图 如图2 5 所示。 在p r o f i b u s 中，对于某个站点来说，其实际令牌持有时间t r r 将总是 小于目标令牌循环时间t t r ，除非在逻辑令牌环中有一个或者几个站点引起了 令牌延迟，也就是说在令牌持有时间变为零时仍然没能把令牌传递给下一个站 点。有两种情况会使一个站点引入令牌延迟： 1 、在p r o f i b u s 的通讯过程中，一旦一个消息循环开始执行，它将执行下 去直到完成，即使在这期间令牌持有时间计时器已经溢出。在这种情况 下，目前持有令牌站点将传递一个迟到的令牌给下一个站点。我们定义 这种情况为令牌持有时间t t h 溢出： 2 、如果一个站点收到的是一个迟到的令牌，它仍然可以处理一个高优先级 消息，这会更进一步增加令牌的延迟。这种情况不定义为t t h 溢出。 令牌延迟的发生是不可避免的，怎样在发生令牌延迟的情况下，保证所 有站点中有严格时限要求的高优先级消息能得到正确的处理，将是合理 配置p r o f i b u s d p 网络的一个关键问题。 2 3 4p r o f i b u s d p 的数据传输服务 p r o f i b u s d p 的数据链路层向上层提供两种类型的数据传输服务： 1 、发送数据无需应答( s d n ) 。 此服务允许一个主站的第二层用户向一个远程站点传输数据，也可以同时向 许多远程站点( 组播) 或者所有远程站点( 广播) 传输数据。发送数据前不需要建立 逻辑连接，远程站点收到数据后也不需要向源站点发送应答信号，因此它属于无 连接无应答的数据传输服务。这种数据传输服务只是在数据包传输完毕后，由本 地的数据链路层向上层用户发送一个确认信号，该确认信号只表明数据已经完全 发送到总线上，至于数据是否传送到目的站或者传输是否正确它并不保证。它可 以用于一对一或者一对多的通讯关系。它主要针对广播和多播的需要。 2 、发送和请求数据需回答( s r d ) 。 此服务允许一个主站的第二层用户向一个远程站点传输数据的同时请求回 复数据，这些回复数据是远程站点的用户在先前已经准备好的。发送请求对，传 输数据域可以为空，也即可以在不向远程站点发送数据的情况下请求回复数据。 源站点的用户可能收到三种类型的应答，或者是收到了所请求的数据，或者 是收到一个请求数据不可得的指示信号，也可能收到一个数据没有被远程站点正 确接收的确认信号。前两种响应表明远程站点己经币确接收到所发送的数据。如 果数据传输发生了错误而没有被远程站点正确接收，则源站点要进行重传，重传 1 4 第二章p r o f l b u s 现场总线技术的研究 有一个最大的上限次数。这种数据传输服务也是面向无连接的，只能用于对一 的通讯关系中。 s r d 数据传输方式是一种具有高效率的传输方式，它的显著特点是主站在 向从站发送数据的同时请求数据，从站在返回确认的同时返回主站的请求数据。 两个传输方向都采用了捎带的机制，从而使得本来需要四个步骤才能完成的传输 任务，运用s r d 传输方式则只需要两个步骤就可以完成，大大提高了传输效率。 2 3 5p r o f i b u s d p 设备之间的数据通信 1 、d p 通信关系和d p 数据交换1 5 1 根据d p 协议，通信过程的发起者称为请求方，而相应的通信伙伴称为响应 方。所有一类主站的请求报文以第2 层中的“高优先级”报文服务级别处理。而 d p 从站发出的响应报文却使用第2 层中的“低优先级”服务报文级别。d p 从站 可以将当前正在出现的诊断中断或状态事件通知给d p 主站，仅在此刻，可以把 d a t ae x c h a n g e 的响应报文服务级别从“低优先权”改变为“高优先权”来实现。 数据的传输是非对应的1 对i 或1 对多连接( 仅控制命令和交叉通信) 。 2 、初始化，重启和用户数据通信 当d p 主站与从站设备交换用户数据之前，d p 主站必须定义d p 从站的参数， 并组态此从站。因此，d p 主站必须检测d p 从站是否在总线上，如果是，则d p 主站通过请求从站的诊断数据来检查d p 从站的准备情况。当d p 从站报告它已 经准备好参数定义时，则d p 主站装载参数数据和组念数据。d p 主站再请求从 站的诊断数据以查明从站是否准备就绪，只有这些工作完成后，d p 主站才开始 循环地与d p 从站交换用户数据。 d p 从站初始化阶段的主要顺序如图2 - 6 所示。 ( 1 ) 参数数据( s e tp r m ) 参数数据包括预定给d p 从站地重要的本地和全局参数、特征和功能。为了 规定组态从站参数，通常使用装有组态工具的d p 主站来进行。使用直接组态方 法，则需填写组念软件的图形用户接口提供的对话框。使用问接组态方法，则 需用组态工具存取当前的参数和有关d p 从站的g s d 文件数据。参数报文的长 度不能超过2 4 4 个字节，以下列出了最重要参数报文的内容： s t a t i o ns t a t u s 包括与从站有关的功能和设定：w a t c h d o g ( 定时监视器，“看门 狗”检查d p 主站的故障。i d e n t从站的标志号，是_number,dp i d e n tn u m b e r 由p n o 在认证时指定的。 g r o u pi d e n t 可以将d p 从站分组组合，以便使用s y n c 和f r e e z e 控制命令。( 亘) u s e rp m id a t a 是d p 从站参数数据，为d p 从站规定了 有关应用数据。 河海大学硕士论文 图2 - 6d p 从站初始化阶段的主要顺序