（电力电子与电力传动专业论文）基于profibusdp的自动化网络测量系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n da u t o m a t i o n t e c h n o l o g i e s ，n e t w o r k i n gh a sb e e nt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm e a s u r e m e n ts y s t e m t h em a i n s t r e a mi nt h em e a s u r e m e n ts y s t e mi st h eo n eb a s e do nf i e l d b u sn e t w o r k w h i c hi saw h o l es c a t t e r e d ，d i g i t a l ，b i d i r e c t i o n a l ，m u l t i v a r i a b l e ，m u l t i p o i n ta n d m u l t i s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c o n n e c t i n gi n t e l l i g e n te q u i p m e n t s a n d a u t o m a t i cs y s t e m r e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a la n a l o gs i g n a l ( 牝0i l 认) w i t hd i g i t a l s i g n a l ，f i e l d b u st e c h n o l o g yg r e a t l yf a l l e no f f t h ec o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t ha n dt h e n u m b e ro fc a b l e sb e t w e e ns e n s o r sa n dc o n t r o l l e r s ，e f f e c t i v e l yr e d u c e dt h es y s t e m c o s ta n dc o m p l e x i t y , r e a l i z e di n t e l l i g e n td i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，a n d g a v eag i a n tp u s hf o r w a r dt ot h et e c h n o l o g yi m p r o v e m e n ti n f i e l do fw a t e r e n v i o r o n m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m p r o f i b u s ，a so n eo ft h ei n t e r n a t i o n a l s p e c i f i c a t i o n s o ff i e l d b u s ，h a sb e e n u s e de x t e n s i v e l yi ni n d u s t r i a la u t o m a t i c m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lf i e l d s t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s i st h ep r o t o c o l ，f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r so fp r o f i b u s f i e l d b u s ，t h e nd e e p l ys t u d i e si t sm e s s a g es t r u c t u r e s ，l a i e saf o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n g i t sf u n c t i o n s f a c i n gt h en e e d so ft h ep r o j e c t ，t h i sp a p e rd e s i g n sa na u t o - n e t w o r km e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e do np r o f i b u s d pf i e l d b u sa n di n t r o d u c e si t ss y s t e mc o n s t i t u t i o n t o t h es i g n a l so ft e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y , d i s s o l v e do x y g e na n dp hv a l u em e a s u r e db yt h e s y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e a s u r i n gs o l u t i o n t h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n i n gi sf o c u s e do np r o f i b u s d ps l a v e ，i n c l u d i n g i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tp e r i p h e r yc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，p r o f i b u s - d pi n t e r f a c e m o d ec i r c u i ta n dl i q u i dd i s p l a ym o d ec i r c u i t w h i l et h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n i n gi si n c l u d i n gp r o t o c o lb e t w e e ni n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ta n di n t e r f a c ec a r d d a t aa c q u i s i t i o na dc o n v e r t i n gm o d u l e , i n i t i a l i z a t i o na n dd a t ae x c h a n g em o d u l e ，l i q u i dd i s p l a yd r i v em o d u l e ，p l cm a s t e r d a t a p r o c e s s i n gm o d u l e ，w i n c cc o n f i g u r a t i o n a n do t h e rm o d u l e sl i k es e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dk e y p a di n p u tm o d u l e s v e r i f i e db yt e s t i n g , t h i ss y s t e ma c t u a l l y f u l f i l l ss t r o n gf u n c t i o n so fp r o f i b u sf i e l d b u s ，o p t i m i z e ss y s t e mc o n t r o l ，i m p r o v e s y s t e m sp e r f o r m a n c e t h es y s t e mi ss t a b l ya n dr e l i a b l e ，w i t hh i g hm e a s u r i n g a c c u r a c y , s a t i s f y i n gt h ep r o j e c t sw a n t s k e y w o r d s ：p r o f i b u s d pf i e l d b u s ，n e t w o r k i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m ，i n t e l l i g e n t m e a s u r i n gi n s t r u m e n t n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i i 学位论文作者签名：弓艺l 奄仫 导师签名： 多、3 坼 签字日期：汐乃年g 月届日签字日期：枷年参月份r 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弓孜秀他 日期：如厂。年月肋日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 仪器仪表和测量技术的发展 众所周知，当今世界已经进入信息时代，信息技术成为推动科学技术高速 发展的关键技术。著名科学家钱学森明确指出，“信息技术包括测量技术、计算 机技术和通信技术，测量技术是基础【l p 。王大珩院士也一再强调，“测量技术 是信息技术的源头 。信息技术的快速发展，产生了新兴的庞大的信息产业，信 息产业已经成为带动世界经济发展的龙头产业。美国商业部1 9 9 9 年度报告在关 于新兴数字经济部分提出，信息产业包括计算机软硬件行业、通信设备制造及 服务行业、仪器仪表行业。这就是说，测量技术是信息技术的基础和源头，仪 器仪表行业是信息产业的重要组成部分。不言而喻，仪器仪表与测量控制在当 今信息时代推动科学技术和国民经济的发展具有何等重要的地位。作为测量系 统的前置部件的传感器的发展更是日新月异，可以说测量系统的发展离不开传 感器技术的发展。 1 1 1 传感器技术的发展 最广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号 的器件【2 1 。目前最常见的传感器定义为【3 】：传感器是能感受被测量并按照一定规 律转换成可用输出信号的器件或装置，是实现传感功能的基本部件，而传感器 技术的共性，就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量如 温度、盐度、溶解氧等转换成电量：电压、电流、电容、电阻等。传感技术的 发展大体可分3 代【4 】： 第l 代是结构型传感器。它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如： 电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信 号的。 第2 代传感器是7 0 年代丌始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、 电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热 电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传 第一章绪论 感器等。 7 0 年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的 发展，出现集成传感器。集成传感器包括2 种类型【5 】：传感器本身的集成化和 传感器与后续电路的集成化。例如：电荷耦合器件( c c d ) ，集成温度传感器 a d 5 9 0 ，集成霍尔传感器u g n 3 5 0 1 等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、 性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速，现已占传感器市场的2 3 左右，它正向着低价格、多功能和系列化方向发展【6 】。 第3 代传感器是8 0 年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指 其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算 机技术与检测技术相结合的产物 7 1 。8 0 年代智能化测量主要以微处理器为核心， 把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上。使传感 器具有一定的人工智能。9 0 年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器 一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及 联网通信功能等【引。 传感器按照不同的标准又可以分为不同的类别。比如按照检测对象的不同 可以分为液体传感器和气体传感器等【9 1 ，按照工作机理可以分为光电传感器技 术，多传感器技术以及生物传感器技术等【1 0 】。按传感器输出信号分类有【4 】：模 拟传感器和数字传感器。目前模拟传感器种类远远超过数字传感器。数字传感 器直接输出数字量，不需用转换器就可与计算机联机，提高了系统的可靠性和 精确度，具有抗干扰能力强，适宜远距离传输等优点，是传感器发展方向之一。 随着科学技术的发展，各国对传感器技术在信息社会的作用有了新的认识， 认为传感器技术是信息技术的关键之一。传感器技术发展趋势之一是开发新材 料、新工艺和开发新型传感器；其二是实现传感器的多功能、高精度、集成化 和智能化【】。 集成化是指传感器同一功能的多元件并列以及功能上的一体化。前一种集 成化使传感器的检测参数由单参数检测变为多参数检测；后一种集成化使传感 器由单一的信号转换功能，扩展为兼有放大运算补偿等多功能的传感器。运用 集成化多功能理论研制出的传感器可以应用到更广泛的领域并发挥出更加强大 的功能效用。 2 江苏大学硕士学位论文 在智能化传感技术方面，以微处理器为核心单元，具有检测判断和信息处 理等功能；硬件上由微处理器系统对整个传感器电路接口信号转换进行处理调 整：软件上进行非线性特性校正，误差的自动校准和数字滤波处理，从而形成 传感技术的智能化系统。 1 1 2 测量系统的发展 传统测量仪表是由传感器组成的测量系统，采用点到点传输的接口规范，比 如二线制4 - - - 2 0 m a 电流和1 5 v 电压标准。这种系统曾经一度在测控领域广为应 用，但由于其布线复杂、成本昂贵、抗干扰能力差，已逐渐淡出市场。 随着数字通信标准r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等的推出与广泛应用以及微控制 器的流行，测量仪表也发生了重大变化，产生了基于智能传感器的测量系统。这 类测量系统发展的一个关键因素是i n t e l 公司1 9 8 3 年推出的位总线技术( b i t b u s ) 和8 0 4 4 微控制器。该项技术主要将低速面向过程的输入输出通道与高速 的计算机总线分离，将i o 板从计算机内部转移到现场，计算机和过程之间以双 绞线为物理传输媒体，以r s 4 8 5 为数据通信标准，通过远程访问命令( r e m o t e a c c e s sc o m m a n d ，即通信协议的用户层) 而实现数据通信和信息传输【1 2 】。首次 在设备内部实现了用传感器总线取代直接电缆连线来连接传感器和执行器，奠定 了后来广为应用的现场总线技术的雏形。例如，美国利诺( l & n ) 公司的7 0 8 2 系列p h o r p 分析仪，带有r s 2 3 2 通讯接口，和上位计算机可以进行网络测试。 采用单片微机技术，具有2 3 种操作功能，除显示常规的p h 、o r p ( 氧化还原电 位) 、温度、时间、报警条件、报警设定点、校准值、输出极限和自诊断外，还 可自动识别六种缓冲溶液，自动清洗和自动校准时间程序设定，具有较强的智能 功能；国内如上海雷磁公司生产的p h 测试仪配有r s 2 3 2 接口，可与上位计算机 简单通讯，进行采集数据1 1 3 0 1 4 】。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机、通信、集成电路、传感器技术以及现场总线技 术的迅猛发展，基于现场总线的智能传感器检测系统也得到了蓬勃的发展。现场 总线是连接智能化现场设备和主控系统之间全数字、丌放式、双向通信网络，是 当前受到广泛认可的主流物理通信媒体i l5 1 。现场总线技术利用数字通信代替了传 统的4 , - - 2 0 m a 模拟信号，大大减少了传感器与主控系统的连线以及通信带宽，有 3 第一章绪论 效降低了系统成本与复杂度，实现了分布式，智能化，数字化的测量和控制。 今后测量系统和仪器仪表技术的主要发展趋势是：仪器仪表向智能化方向 发展，产生智能仪器仪表：测量设备的p c 化，虚拟仪器技术将迅速发展；随 着无线传感器网络的发展，测量网络也向无线网络发展，产生远程无线网络测 量系统【1 6 1 。 1 2 现场总线概述 1 2 1 现场总线的概念 现场总线概念是于2 0 世纪8 0 年代提出的，起源于欧洲，随后发展至北美。 自诞生至今发展迅速，已成为自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化 领域的现场局域网。按照国际电工委员会( i n t e n l a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，i e c ) i e c 6 1 1 5 8 标准的定义，现场总线是“安装在制造和过程区 域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通信的 数据总线。现场总线把通用或专用的微处理器嵌入传统的测量控制仪表，使之 具有数字计算和数字通信能力，采用一定的媒体作为通信总线，按照公开、规 范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之 间，实现数据传输和信息交换，形成适应实际需要的自动化控制系统。现场总 线是过程控制技术、智能仪表技术和计算机网络技术三个不同领域结合的产物 【1 7 】 o 现场总线的节点是集信号的输入、输出、运算、控制、自校验、自诊断等 功能为一体的智能仪表和设备。现场总线的传输介质为一般的双绞线，并可以 通过总线供电，也可采用同轴电缆、光纤或红外线作为通信介质。现场总线的 网络拓扑类型有总线型、树型等【博】。现场总线标准既规定了通信协议，又规定 了控制协议。既可以共享挂接在现场总线上的智能仪表和设备的数据，也可以 共享它们内部的功能块，以便在现场总线上构成控制回路。 简而言之，现场总线是连接微处理器化的现场仪表或现场设备的通信网络， 并直接在现场总线上组成分散的控制回路，在生产现场构成分布式网络自动化 系统。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 几种典型的现场总线 工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技 术也很难满足所有行业的技术要求，目前世界上大概有4 0 多种现场总线。下面 就几种主流的现场总线做个简单介绍。 ( 1 ) p r o f i b u s ( 过程现场总线) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是以德国西门子公司为主的十几家德国公 司共同开发的一种基于过程控制的现场总线技术。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 系列组成。d p 用于分散外设间高速数据传输，适 用于加工自动化领域，f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开 关等，p a 用于过程自动化的总线类型，并服从i e c l1 5 8 2 标准。p r o f i b u s 支 持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。p r o f i b u s 的 传输速率为9 6 k b i v s 至1 2 m b i t s ，最大传输距离在9 6 k b i t s 速率下为1 2 0 0 m ， 在1 2 m b i t s 速率下为2 0 0 m ，可采用中继器延长至1 0 k m ，传输介质为双绞线或 者光缆，最多可挂接1 2 7 个站尉1 9 1 。 ( 2 ) f f ( 基金会现场总线) f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是以美国f i s h e r - r o u s e m o u n t 公司为首的联合了 横河、a b b 、西门子、英维斯等8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司 为首的联合欧洲等地1 5 0 余家公司制定的w o r l d f i p 协议于1 9 9 4 年9 月合并的。 该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。 f f 采用国际标准化组织i s o 的开放化系统互联o s i 的简化模型( 1 ，2 ，7 层) ，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。f f 分低速h 1 和 高速h 2 两种通信速率，前者传输速率为3 1 2 5 k b i t s ，通信距离可达1 9 0 0 m ， 可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1 m b i t s 和2 5 m b i t s ， 通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m ，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号i e c i1 5 8 2 标准。 ( 3 ) c a n ( 控制器局域网) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 最早由德国b o s c h 公司推出，它广泛用 于离散控制领域，其总线规范己被i s o 国际标准组织制定为国际标准，得到了 i n t e l 、m o t o r o l a 、n e c 等公司的支持。c a n 协议分为二层：物理层和数据链路 5 第一章绪论 层。c a n 的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较 强的抗干扰能力。c a n 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术， 通过设置优先级来避免冲突。c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ，通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。网络节点数实 际可达l l o 个。目前已有多家公司开发了符合c a n 协议的通信芯片。 ( 4 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 由美国e c h e l o n 公司推出，并由m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导。 它采用i s o o s i 模型的全部7 层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网 络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外 线等多种通信介质，通讯速率从3 0 0 b i t s 至1 5 m s 不等，直接通信距离可达 2 7 0 0 m ( 7 8 k b i t s ) ，被誉为通用控制网络。l o n w o r k s 技术采用的l o n t a l k 协议 被封装到n e u r o n ( 神经元) 的芯片中，并得以实现。采用l o n w o r k s 技术和神 经元芯片的产品，被广泛应用在楼字自动化、家庭自动化、保安系统、办公设 备、交通运输、工业过程控制等行业。 ( 5 ) d e v i c e n e t d e v i c e n e t 是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开 放的网络标准。d e v i c e n e t 具有的直接互联性不仅改善了设备问的通信而且提供 了相当重要的设备级阵地功能。d e b i c e n e t 基于c a n 技术，传输率为1 2 5 k b i t s 至5 0 0 k b i t s ，每个网络的最大节点为6 4 个，其通信模式为：生产者客户 ( p r o d u c e r c o n s u m e r ) ，采用多信道广播信息发送方式2 0 1 。位于d e v i c e n e t 网 络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装 布线成本也较低。d e v i c e n e t 总线的组织结构是o p e nd e v i c e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ( 开放式设备网络供应商协会，简称“o d v a ) 。 ( 6 ) h a r t ( 可寻址远程传感器高速通道) h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 最早由r o s e m o u n t 公司 开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向 数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层， 支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难 6 江苏大学硕士学位论文 以开发通用的通信接口芯片。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆的 要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 ( 7 ) c c l i n k ( 控制与通信链路系统) c c l i n k ( c o n t r o l c o m m u n i c a t i o nl i n k ) 是在1 9 9 6 年l1 月由三菱电机为 主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中， 可以将控制和信息数据同是以1 0 m b i t s 高速传送至现场网络，具有性能卓越、 使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问 题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。c c l i n k 是一个以设备层为主的网络， 同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2 0 0 5 年7 月c c “n k 被 中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。 ( 8 ) w o r l d f i p w o r k d f i p 的北美部分与i s p 合并为f f 以后，w o r l d f i p 的欧洲部分仍保持 独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约 为6 0 。w o r l d f i p 的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求， 而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。w o r l d f i p 与f f h s e 可以实现“透明联接”，并对f f 的h i 进行了技术拓展，如速率等。 在与i e c 6 11 5 8 第一类型的连接方面，w o r l d f i p 做得最好，走在世界前列【2 。 ( 9 ) i n t e r b u s i n t e r b u s 是德国p h o e n i x 公司推出的较早的现场总线，2 0 0 0 年2 月成为 国际标准i e c 6 115 8 。i n t e r b u s 采用国际标准化组织i s o 的开放化系统互联 o s i 的简化模型( 1 ，2 ，7 层) ，即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的 可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据坏通信，具有低速度、 高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、 抗干扰性和可维护性也非常出色。i n t e r b u s 广泛地应用到汽车、烟草、仓储、 造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。 1 2 3 现场总线用于测量和控制系统 目前，现场总线已成为全球自动化技术的热点。现场总线是用于现场智能 化仪表与控制室之间的一种丌发、全数字化、双向、多站的通信系统。是计算 7 第一章绪论 机技术、通信技术和控制技术在工业控制领域相结合的产物。现场总线的出现， 为仪器仪表的更新换代、产品升级，以及实现进一步的高精度、高性能( 特别 是多参数在线实时测控与自动测控) 、高稳定、高可靠、高适应性、多功能、低 消耗等提供了巨大动力和发展空间。现场总线技术利用数字通信代替了传统的 4 2 0 m a 模拟信号，大大减少了传感器与主控系统的连线以及通信带宽，有效 降低了系统成本与复杂度，实现了分布式智能测控，对测控领域的技术进步起 到了巨大的推动作用。 采用现场总线技术以后对测控系统的影响主要体现在以下几个方面【2 2 j ： ( 1 ) 传统的信号由4 2 0 m a 模拟信号转换为双向数字通信的现场总线信号， 传输抗干扰能力强，测量精度高，大大提高了系统的性能； ( 2 ) 自动控制系统的体系结构由模拟与数字的分散型控制系统( d c s ) 转换 为全数字现场总线控系统( f c s ) ，并且自动控制系统的设计方法和安装调试方 式也正在发生重大的变化； ( 3 ) 现行的现场设备和仪表的产品结构变革j 下在进行； ( 4 ) 现场总线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成为企业信 息网络的底层，为企业信息集成和企业综合自动化提供了基础。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题是针对工业化水产养殖中几种重要的水环境参数，设计基于 p r o f i b u s d p 总线的自动化网络测量系统。本课题的主要研究内容包括以下 几个方面： ( 1 ) 了解并掌握温度、盐度、溶解氧、p h 值等信号采集传感器的工作原理 及特性，应用这些传感器进行水质参数的测量，并设计相应的信号调理电路以 保证数据采集的真实、精确。 ( 2 ) 研究了p r o f i b u s 现场总线的通信协议、应用接口及其协议架构；研 究了s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 的软硬件应用，研究s i m a t i c 应用及w i n c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ) 组态；最后，设计了自动化网络测量系统。包括p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 数据采集系统设计、智能从站和检测仪表 设计，上位机监测系统设计。 8 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) p r o f i b u s d p 从站和智能仪表硬件设计。设计了基于p r o f i b u s d p 接口卡和单片机组合的p r o f i b u s d p 从站。 ( 4 ) p r o f i b u s d p 从站和智能仪表软件设计。软件设计要求开发人员必须 全面了解p r o f i b u s d p 通信协议和报文结构。软件设计包括：d p 从站程序设 计，g s d ( g e n e r i cs t a t i o nd e s c r i p t i o n ，电子设备数据库文件) 文件设计和智能 从站功能设计。 9 第二章p r o f i b u s - d p 现场总线技术研究 第二章p r o f i b u s d p 现场总线技术研究 p r o f i b u s 是一种国际性、开放式的现场总线标准。它的产品市场份额在 欧洲占居首位。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供 了p r o f i b u s 接口。p r o f i b u s 已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化， 是目前世界上应用的最成熟的现场总线技术之一。由于在本课题中主要应用了 p r o f i b u s d p 协议，因此，在讨论了p r o f i b u s 总线协议结构的基础上进一 步分析了p r o f i b u s d p 协议的功能和特性。 2 1p r o f i b u s 总线协议结构和特点 p r o f i b u s 根据应用的特点分为p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s d p ， p r o f i b u s p a 三个兼容的版本【2 3 刀】，各版本的特点如图2 1 所示： 图2 1p r o f i b u s 各版本特点 p r o f i b u s f m s ：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完 成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于楼字自动化、电气传动、传感 器和执行器、低压丌关设备等一般的自动化控制，是一个令牌结构，实时多主 站网络【2 5 1 。 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和 设备级分散i o 之问的通信而设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵 1 0 江苏大学硕士学位论文 的2 4 v 或4 2 0 m a 并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输1 2 6 1 。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准的本质安全传输技术，实现了 i e c l l 5 8 2 中规定的通信规范，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站 点【2 7 1 。 p r o f i b u s 可使分散式数字化控制器从现场层到车间级网络化，该系统分 为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权( 令牌) 时， 没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备，典型的从站包括：输入 输出设备、控制器、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权，仅对接收到 的信息给予确认或当主站发出请求时向主站回送信息【2 引。 2 1 1p r o f i b u s 总线协议结构 p r o f i b u s 协议的结构是以开放系统互联网络参考模型( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d so r g a n i z a t i o n o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，i s o o s i 模型) 为基础。 p r o f i b u s 协议采用i s o o s i 模型的第一层、第二层和第七层【2 9 1 ，如下图2 2 所示。第一层定义了物理传输特性，第二层定义了总线的存取协议，第七层定 义了应用功能。第1 层和第2 层的导线和传输协议根据美国标准e i ar s 4 8 5 、 国际标准i e c 8 7 0 5 1 和欧洲标准e n 6 0 8 7 0 5 一l ；总线存取程序、数据传输和管 理服务基于d i n l 9 2 4 1 1 5 标准的第l 到第3 部分和i e c 9 5 5 1 6 标准。管理功能 ( f m a 7 ) 采用i s o d i s 7 4 9 8 - 4 ( 管理框架) 的概念。 p r o f i b u s 提供了3 种通信协议类型：d p 、p a 、f m s ： ( 1 ) p r o f i b u s d p 使用了第一层和第二层，这种精简的结构保证了数据的 高速传输，特别适合可编程控制器与分散的i o 设备之间的通讯。d p 协议规定 了循环数据交换所需要的基本通信功能。依据各种应用领域的特殊需求，这些 d p 基本功能已用特殊功能逐步地进行了扩展，目前有三种版本：d p v 0 ，d p v i 和d p v 2 。 ( 2 ) p r o f i b u s p a 使用扩展的p r o f i b u s d p 协议进行数据传输，保证本 质安全和通过总线对现场设备供电。使用d p p a 耦合器和d p p al i n k 很容易 将p a 设备集成到p r o f i b u s d p 网络之中。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s 使用了第一层、第二层和第七层。f m s 处理单元级( p l c 第二章p r o f ib u s - d p 现场总线技术研究 和p c ) 的数据通信，功能强大的f m s 服务可在广泛的应用领域内使用，并为 解决复杂通讯任务提供了很大的灵活性。 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 直接数据链路应用层接口 直接数据链路 映像程序 映像程序 第7 层 应用层 ( 应用层) 现场总线报文 未使用规范( 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i e c 接口 第1 层 ( 物理层) 物理层 物理层 i e c1 1 5 8 2 图2 2p r o f i b u s 总线协议结构 在p r o f i b u s 现场总线中，p r o f i b u s d p 的应用最为广泛。p r o f i b u s d p 物理层与i s o o s i 参考模型的第一层相同，采用e i a r s 4 8 5 协议，根据数 据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质。 p r o f i b u s d p 数据链路层协议媒体访问控制部分采用受控访问的令牌总 线( t o k e nb u s ) 和主从方式。令牌总线与局域网i e e e 8 0 2 4 协议一致，令牌在 总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表 与从站或与其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不同， 它符合h d l c ( h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r o l ，高级数据链路控制) 中的非平衡 正常响应模式( n o r m a lr e s p o n s e sm o d e ，n r m ) 1 3 0 1 。该模式的工作特点是：总 线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发 出命令，从站给出响应；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发 送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为3 个阶段：数据链路 建立、帧传输和链路释放。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 1 2p r o f i b u s 总线特点 ( 1 ) p r o f i b u s 采用主从方式和令牌环传递相结合的形式进行通信。 ( 2 ) 每个段有3 2 个网络站，整个网络最多可达1 2 6 个网络站。 ( 3 ) 数据可通过双绞线或光缆传送，并且可利用两者的优点构成混合连接系 统。 ( 4 ) 数据传输速率有：9 6 1 9 2 9 3 7 5 1 8 7 5 5 0 0 k 1 5 m 3 m 6 m 1 2 m b p s 。 ( 5 ) 总线系统，第三方可接入现场总线中。 ( 6 ) 具有综合诊断能力，且任何站点的故障不影响其它站点的工作。 ( 7 ) 可进行模块化的扩展，降低改造成本。 由此可以看出，p r o f i b u s 的高速、灵活、可靠、开放等优点，是一种非 常适用于控制系统的现场总线。 2 1 3p r o f i b u s d p 协议的功能 在p r o f i b u s d p 网络中，中央控制器( 主站) 循环地读取从站的输入信 息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比中央控制器( 主站) 的程序循环时间短，在很多应用场合，程序循环时间约为1 0 m s 。除了循环的用 户数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供强有力的诊断和组态功能。数据通信是 由主站和从站上的监控功能进行监控的【3 1 1 。 p r o f i b u s d p 的基本功能如下【3 2 3 3 】： ( 1 ) 传输技术：r s 4 8 5 双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9 6 k b i t s 到 12 m b i t s 。 ( 2 ) 总线存取：各主站问令牌传递，主站与从站间为主一从传送。支持单主 或多主系统。总线上最多站点( 主从设备) 数为1 2 6 。 ( 3 ) 通信：点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) 。循环主一从用户数 据传送和非循环主主数据传送。 ( 4 ) 运行模式：运行( 输入和输出数据的循环传送) 、清除( 第一类d p 主 站读取d p 从站的输入信息，输出信息保持为故障安全状态) 、停止( 只能进行 主主数据传送，第一类d p 主站和d p 从站之间没有数据传送) 。 ( 5 ) 同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模 l3 第二章p r o f i b u s - d p 现场总线技术研究 式：输入同步。 ( 6 ) 功能： d p 主站和d p 从站间的循环的用户数据传输 各d p 从站的动态激活和不激活 d p 从站组态的检查 强大的诊断功能，三级诊断信息 输入和或输出的同步 通过总线对d p 主站( d p m ll 类主站) 进行组态 每个d p 从站的输入和输出数据最大为2 4 6 字节 ( 7 ) 可靠性和保护功能 所有报文的传输按海明距离h d = 4 进行 d p 从站带看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 对d p 从站的输入输出进行存取保护 d p 主站上带可变定时器的用户数据传送监视 ( 8 ) 设备类型 第二类d p 主站( d p m 2 ) ：可进行编程、组态、诊断的设备 第一类d p 主站( d p m l ) ：中央可编程的控制器，如p l c ，p c 等 d p 从站：带二进制值或模拟量输入输出的设备、驱动器、阀门等。 2 2p r o f i b u s d p 总线报文结构 当p r o f i b u s d p 网络的主从设备之间通信时，数据传输按照一定格式的 报文进行。它的数据报文分为高优先级报文和低优先级报文，所有的请求报文 都是高优先级报文；在进入数据交换阶段后，如果d p 从设备的响应报文存在 新的诊断信息，则此报文就以高优先级的形式发送；否则，响应报文都是低优 先级报文。 p r o f i b u s 协议的数据传输遵循异步串