（控制科学与工程专业论文）高级多功能过程控制实训系统的profibus从站通讯及综合控制.pdf

摘要 高级多功能过程控制实训系统的 p r o f i b u s 从站通讯及综合控制 摘要 高级多功能过程控制实训系统s m p t - 1 0 0 0 是一款适用于控制理论 与控制技术研究的半实物仿真装置，该装置能够满足复杂的流程级被 控对象的控制策略和方法的设计实施要求。但是在实际工程应用中由 于p l c 、d c s 等控制器所配备的i o 模块通道数量较少，直接影响了 组织复杂控制实验的可行性。 针对这一问题，本文提出了一种基于p r o f i b u s r s 4 8 5 通讯协议的 连接方式，完成了硬件选型和测试工作。并基于v s 2 0 0 5 平台开发了 自动化通讯软件。编程语言选用面向对象的c + + 语言，软件开发流程 严格依照u m l 建模方式进行。 随后在使用该通讯方式的基础上，以s m p t - 1 0 0 0 中包含的加热炉 工艺单元为被控对象，对热物料的出口温度进行控制。设计了整体的 控制和安全解决方案，采用单神经元p i d 控制器作为加热炉出口温度 串级控制系统的主回路控制器，应用c f c 、s f c 和s c l 语言编程实现。 并利用w 【n c c 组态软件进行监控画面组态。 通过实验证明，该通讯连接方式解决了s m p t - 1 0 0 0 与所有支持 p r o f i b u s 主从站通讯的p l c d c s 之间的通讯连接问题。利用新设计的 通讯方式可以达到最大a i 点数6 4 个，a o 点数6 4 个。完全可以满足 高复杂度的过程仿真实验的设计要求。同时，针对加热炉对象设计的 整体控制方案表现良好，基础控制系统中采用的单神经元p i d 控制器 北京化工大学硕上学位论文 控制效果出色，能够对加热炉出口温度进行快速响应和控制。安全相 关系统运转正常，能够对故障进行正确响应，提高了安全生产水平。 关键字：p r o f i b u s ，r s 4 8 5 ，综合控制，单神经元p i d a b s t r a c t a d v a n c e dm u i r i f u n c t i o np r o c e s sc o n t r o l t r a i n i n gs y s t e m p r o f i b u ss l a v eco m m u n i c a t i o n sa n d i n t e g r a t e dco n t r o l a b s t r a c t a d v a n c e dm u l t i - f u n c t i o np r o c e s sc o n t r o lt r a i n i n gs y s t e ms m p t - i0 0 0 i sav e r s a t i l ep r o c e s sa n dc o n t r o ll o o ps i m u l a t i o nd e v i c e ，w h i c hc a nm e e t t h ec o m p l e xp r o c e s s l e v e lc o n t r o lo ft h eo b je c ta n dd e s i g no fs t r a t e g i e sa n d m e t h o d so f i m p l e m e n t a t i o nr e q u i r e m e n t s h o w e v e r , i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o nb e c a u s eo fp l c ，d c sa n do t h e rc o n t r o l l e rw i t ht h ei 0 m o d u l ec h a n n e ln u m b e ro fl e s sd i r e c t i m p a c t o nt h e o r g a n i z a t i o n a l c o m p l e x i t yo f t h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o le x p e r i m e n t s t os o l v et h i s p r o b l e m ，t h i sp a p e r b a s e do np r o f i b u s 一- r s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lc o n n e c t i o nt oc o m p l e t et h eh a r d w a r es e l e c t i o n a n d t e s t i n g a u t o m a t e dc o m m u n i c a t i o n s s o f t w a r eb a s e do nv s 2 0 0 5 p l a t f o r m u s eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ec + + l a n g u a g e ， s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s sc o n d u c t e ds t r i c t l yi na c c o r d a n c ew i t hu m l m o d e l i n g t h e nu s et h eb a s i so ft h ec o m m u n i c a t i o nt os m p t - i0 0 0p r o c e s s i n c l u d e dh e a t i n gu n i tf o rt h ec o n t r o l l e do b j e c t ，t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo ft h e t h e r m a lc o n t r o lm a t e r i a l s d e s i g nt h eo v e r a l lc o n t r o la n ds e c u r i t ys o l u t i o n s ， i i i 北京化t 大学硕卜学位论文 u s i n gs i n g l en e u r o np i dc o n t r o l l e ra st h ef u r n a c eo u t l e tt e m p e r a t u r e c a s c a d ec o n t r o ls y s t e mo ft h em a i nc i r c u i tc o n t r o l l e r , a p p l i c a t i o nc f c ， s f ca n dt h es c l l a n g u a g ep r o g r a m m i n g u s i n gw i n c cc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r et om a k et h ec o n f i g u r a t i o ns c r e e nm o n i t o r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i o nt o s o l v et h es m p t - 10 0 0a n da l ls u p p o r t i n gp r o f i b u ss l a v ec o m m u n i c a t i o no f p l c d c sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n n e c t i o np r o b l e m t h eu s eo f n e wm e a n so fc o m m u n i c a t i o nd e s i g n e dt oa c h i e v et h em a x i m u m6 4p o i n t s a i ，a o6 4p o i n t s c a nm e e tt h eh i g h l yc o m p l e xp r o c e s ss i m u l a t i o nd e s i g n r e q u i r e m e n t s m e a n w h i l e ，t h eo v e r a l ld e s i g nf o rt h e h e a t e rc o n t r o lp r o g r a m b e h a v eg o o d ，b a s i cc o n t r o ls y s t e mu s e di nt h es i n g l en e u r o np i dc o n t r o l p e r f o r m a n c ei se x c e l l e n t ，t ot h ef u m a c eo u t l e tt e m p e r a t u r ef o rr a p i d r e s p o n s e a n dc o n t r 0 1 s a f e t y - r e l a t e ds y s t e m si nn o r m a l o p e r a t i o n ，t o c o r r e c tt h ef a u l tr e s p o n s e ，i m p r o v e dw o r k p l a c es a f e t y k e y w o r d s ：p r o f i b u s ，r s 4 8 5 ，i n t e g r a t e dc o n t r o l ，s i n g l en e u r o np i d i v 北京化工大学位论文原创性声明 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外，本论 文不含任何其他个人或集体己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。 作者签名：銎堑刍宣 日期：垄：互：至2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名：孜墨重 导师签名： 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 过程控制是自动化专业中一个重要的组成部分，过程控制技能也是控制工程师所 应具备的重要技能之一。然而，由于过程工业具有流程复杂、规模庞大等特点，生产 过程常常伴有高温、高压等环节，因此很难在实验室中构建与工业装置相近的实验对 象。缺乏理想的过程控制实验装置是目前国内高校、职校等在过程控制工程型人才培 养方面面临的最重要的问题之一。该问题直接导致了学生工程实践能力较弱，无法很 好地满足行业对人才的需求【1 1 。 有鉴于此，由北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心负责开发了新一 代的过程与控制实验装置s m p t - 1 0 0 0 。该装置的开发是建立在m p c e 1 0 0 0 多年成功教 学实践的基础上，并广泛听取了高校、职校等一线任课教师的建议，尤其是采纳了来 自西门子杯全国大学生控制与仿真挑战赛反馈的意见，将全数字仿真技术与半实物实 验装置结合，集多种教学和实验功能于一身，具有真实感强的特点。在该实验装置上， 既可以进行初级与中等复杂程度的过程与控制实验、也可以进行高级复杂的过程与控 制实验，满足了节能、安全、环保等实验系统的要求，是过程控制实验装置的一次重 大飞跃，同时也成为今后过程控制实验装置的发展方向。 该装置模拟工业水汽热能全流程系统，为设计控制仿真实验提供了丰富的检测点 和控制点。但是由于普通p l c d c s 配备的i o 模块所能提供的i o 通道数量有限，大 大限制了组织复杂实验的可行性。 在此背景下，本文提出了一种基于p r o f i b u s r s 4 8 5 协议的通讯方式，极大扩展了 i o 通道数量，解决了i o 通道受限的问题。并且，在此基础上，对s m p t - 1 0 0 0 自带的 加热炉仿真模型设计了整体控制方案。经实际检验，新型通讯方式i o 通道数量宽裕， 安全可靠，使用方便，极大的减轻了过控专业师生进行实验设计的复杂度，为类似于 s m p t - 1 0 0 0 和m p c e 1 0 0 0 的半实物仿真设备在过控领域的科研和教学工作中更方便的 应用做出了一定的贡献。 1 2 高级多功能过程控制实训系统简述 1 2 1 设备盘台 s m p t o l 0 0 0 模拟工业水汽热能全流程系统，为设计控制仿真实验提供了丰富的检 测点和控制点。检测点：2 9 个模拟量a i 、6 个开关量d i ，执行机构：1 2 个调节阀、5 北泉化t 学i 学论z 个关阀、两台泉、一台压缩机。s m p t - 1 0 0 0 高级高级多功能过程控制实训系统山j l 体流程设备箍台见f 图所不，在钏制的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设 各模型。 圈1 - 1s m p t - 1 0 0 0 征体管道空问讣布不意h n g i is m p t - 0 0 0s k r e 0c h a n n e l so f t h es p a t i a d i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t 主设备包括：卧式除氧器、列管式换热器、盘管式省煤器、i 汽包、加热炉本体、 蕉发器。执行机构包括炳台离心泉、台抖l 机、十个特性町变调节阀、血个玎关阀。 榆测部分包括：j 台液位指示仪、九台数字变送器、若十传堪器外形和若干管路系统n 猢酬剿 图1 - 2s m p t - 1 0 0 0 所埘阀，袁强和光 f i 晷1 2s m p t - 0 0 0u s e d i n v a l v e s ，h c a d e r sa n d b a r g r a p h 醵环境给操作人员以全真实的空间位置感觉、仝真实的操作力度感觉和过程变化 的时间特性感世。关键的流量、温度、液位、压力与组份现场数字或光柱显示，检测 点在设备和管路1 均设有传感器外观【3 i 。 12 2 工业对象说明及教学内容设计 s m p t - 1 0 0 0 工艺过程可拆分或组合成设备级、单元级和流程级。突出了质量平衡、 能盛平衡与转换、燃烧、蒸发等，基本覆盖三传，反等常见过程。工艺机理易懂，流 程结构相对复杂。山于s m p t - 1 0 0 0 提供了7 个实验流程，允许和鼓励对每台设备参数、 l 艺参数、执行机构，检测点自由定义，冈此所能进行的实验数量相当多。下而只是 就不同对象可进行的实验作了了简要描述。 实验装置可拆分、组合成以下工艺对象。 第章绪论 ( 1 ) 离心泵液位 ( 2 ) 热力除氧器 ( 3 ) 高阶列管式换热器 ( 4 ) 蒸发器单元 ( 5 ) 加热炉装置 ( 6 ) 工业锅炉装置 ( 7 ) 水汽热能全流程系统 由于s m p t - 1 0 0 0 提供从设备、单元、装置到流程四个层次的被控对象，由浅入深， 从简单到复杂，因此可以进行多种类、多层次的控制系统实验与研究。实验项目按种 类分类可分为以下几类【4 】： ( 1 ) 过程特性及测试实验 ( 2 ) 过程开、停车实验 ( 3 ) 故障及排除实验 ( 4 ) 基础控制实验 ( 5 ) 复杂控制实验 ( 6 ) 全流程控制综合设计实验 ( 7 ) 先进控制实验 ( 8 ) 智能控制实验 ( 9 ) 故障诊断实验 s m p t - 1 0 0 0 的优点可以概括为以下几点：被控对象种类丰富，工艺过程丰富，对 象特性类型丰富，配套完整的教学理念与体系，实验内容由浅入深，交互式反馈增添 了学习的趣味性，立体管道、变送器外观、操作面板重返工业现场，直观易懂。可以 满足职业中专技校、高职高专、本科、硕士等多层次实验和训练要求，并且符合国家 当前的行业热点问题节能减排、安全生产的要求。 1 3 原有半实物仿真装置与p l c i ) c s 通讯方式简述 由上述对于高级多功能过程控制实训系统s m p t - 1 0 0 0 的介绍中可以得知，该系统被 控对象类型丰富，检测点和控制点数量众多。科研人员可以利用它设计各种复杂度的 实验，从利用p l c 进行单回路过控实验，到利用d c s 集散控制系统设计多控制回路的复 杂对象的整体控制方案，各种需求都能够得到满足。在通讯连接方面，工程实践中通 常利用p l c 上集成的i o 通道与现场仪表连接即可，如下图所示。 3 图1 0 传统p l c 与现场设备连接 f i g i 一3 t m d i l i o n a lp i 。ca n d f i e l dd e v i c e sc o n n e c t i o n 当i o 点数较多时，为了实现通道数的扩腱，般采f j 总线j 式进行通讯，现场总 线足以译个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为嗍络忖点，用总线相连接， 实现变信息，共完成自动控制功能的删络系统与控制系统口】。如r 图所不。以 p r o f i b u s 总线为例，p l c d c s f c s 等作为p r o f i b u s 主站，负责从总线捧接的从站设稀 读取数据，并且向这些殴备发送命令。从站设备则负责将从现场采集的数槲发送到主 站将卜站f 达的数据发送到现场的仪表和控制器。 。銎。鼎 。， 3 皿r 早j 7 目7 、弛 矧凰淬a 审。 震督盈圜醐藕日i 压篓 图1 - 4 现场总线在 j 动化系统z t 的位拦 f i g 1 _ 4f i e l d b u ss ”t e m si na u t o m a t i o np o s i t i o n 以j ：- h - 绍了工业现场中，被控对象与p l c d c s f c s 的常用的通汛方式，州样的， 半实物仿真装置，作为被控对象也耍与控制系统建立通讯连接。目前的半实物仿真装 置都是采用传统的i o 点接线的数据采集和发送方式，并没有应用总线方式进行通讯。 以m p c e 1 0 0 0 为例，下位机中安装t f 仿真软件，对各种【艺流程进行模拟，计算工艺 中关键变量的当前值。这时通过计算机仿真得到的值还h 足存在于l 强机中，并没有 成为仃教信号输出。接着采用a o d o 模块，将计算机情弓转化为工业现场通用的 第一章绪论 4 _ 一2 0 i i 认电流信号或者0 _ 一5 v 的电压信号，并把这种实时数据传输到相应的i o 通道， 与p l c d c s 端扩展出来的a i d i 通道对接即可实现m p c e 1 0 0 0 向p l c d c s 方向的数据 传输。同样的，p l c d c s 上扩展的a o d o 通道，通过接线方式与m p c e 1 0 0 0 的a i d i 模块对接即可实现向m p c e 1 0 0 0 方向的数据传输。通过此种方式实现仿真装置与控制 器之间的通讯优点是：高度统于工业现场实际，模拟实际工况效果好，各种元器件 技术成熟，而且相应的驱动和软件配套，不需要再做额外开发，可靠性高。 图1 - 5 现有半实物仿真装置与p l c d c s 通讯连接 f i g 1 - 5e x i s t i n gs i m u l a t i o nd e v i c ew i t hp l c d c sc o m m u n i c a t i o i ll i n k 1 4 本课题的主要内容 前面所提到的通讯方式，虽然有它固有的优点，但是缺点也是非常明显的。首先， 利用上述通讯方式进行仿真装置与p l c d c s 之间的通讯，通道数受到双方扩展模块的 限制，在仿真计算机端有扩展出的a i a o d i d o 模块；在d c s 端有分布式i o 扩展卡。 通讯的最大通道数只能取双方配备的对应扩展卡的最小值。这样不仅浪费了硬件资源， 而且由于硬件数量多，造价也非常高。其次，由于每一个对应的扩展模块和扩展卡都 是采用的接线端子方式与外部设备连接，所以接线非常繁琐，而且要求i o 通道接线端 子要做到一一对应，稍有不慎就会造成错误接线，这种错误接线，轻则影响现场数据 采集，重则影响控制器的控制信号输出。而且一种接线的错误，必定造成成对的错误 接线，甚至会引起连锁反应，使整个控制系统都受到影响，导致控制方案瘫痪。有时 候控制方案需要改变通道连接，甚至通道数，这就涉及到修改接线连接的问题，这时 就会发现修改已经固有的接线也是非常麻烦的。 本文针对以上问题提出了一种直接基于p r o f i b u s r s 4 8 5 接口的通讯方式，完全摒 弃了双方的i o 扩展模块。使二者之间的通讯连接更加简单、方便。并且拓展了可使用 的i o 通道数，最大理论单次f o 传输个数为：6 4 路a i 、6 4 路a o 、1 2 8 路d i 、1 2 8 路 d o ，使实验人员可以脱离i o 通道的限制，设计点数众多的复杂控制方案。另外，在 设计硬件连接方法的基础上，在仿真计算机端也开发了针对于本种连接而特别使用的 通讯软件。实现了如下功能：串口设置、自动检测通讯连接情况、自动下载仿真引擎 数据、数据装箱、数据发送、数据接收、数据除噪和纠错、数据拆包、上传数据到仿 真引擎等一系列功能。实现了仿真装置端的数据通讯一键式操作。在通讯连接软硬件 5 北京化工大学硕士学位论文 设计都准备完毕的基础上，对仿真装置提供的加热炉仿真对象设计了整体的控制方案， 基础过程控制系统( b p c s ) 中选用西门子p c s 7b o x 作为控制器，涉及五个控制回路： 物料a 进料流量单回路控制、燃烧量空气量比值控制、物料a 出口温度控制、烟气含 氧量闭环控制、炉膛负压前馈反馈控制。涉及到的f o 点个数如下：1 3 路a i 、7 路a o 、7 路d i 、3 1 路d o 。安全相关系统( s r s ) 采用西门子p l cs 7 3 0 0 作为控制器， 涉及5 路a i 、1 路d i 和4 路d o t 6 1 。通过实施该整体控制方案，检验了新型通讯方式 的可行性和实用性。实验结果表明，该通讯方式能够和所有支持p r o f i b u s 从站通讯的 p l c d c s 设备进行通讯，通道选择宽裕，数据传输稳定、速度快。接线简单，软件使 用方便简洁。 下面就对本文的整体结构做一个简单的介绍。 第一章：绪论，介绍了课题的研究背景，半实物仿真装置对于过程控制专业师生 进行科研和学习工作具有突出的意义，所以对于此种实验装置的研究和改进工作也在 不断的进行中，发展到目前的s m p t 1 0 0 0 ，实验装置越来越贴近于教学实际，能够提 供的仿真对象日趋成熟和完善，可设计和实施的教学内容也已经相当丰富。但是，同 时也提出一个问题，当仿真对象能够提供复杂流程模拟时，控制器和仿真对象之间的 通讯就面临问题，如果采用工业现场的通讯方式来进行实验，虽然仿真度高，但是实 施起来却非常不方便，而且现有的硬件设各甚至不能满足设计需要。所以在随后的章 节中就提出了一种基于p r o f i b l l s r s 4 8 5 的通讯方式来解决这个问题。 第二章：阐述了该通讯方式的设计意图和目的，比原有的通讯方式有哪些改进。 介绍了该种通讯方式的通讯原理，所需要的硬件配置情况，介绍了硬件连接结构。然 后重点介绍了，用于仿真计算机端的通讯软件的开发过程，包括软件定义、软件描述、 技术路线、软件设计、代码实现和软件测试等。 第三章：在软硬件准备就绪的基础上，对于该种通讯方式的使用效果进行实验测 试。详细介绍了硬件连接、软件使用和s t e p 7 组态等工作。测试用例选用西门子p c s 7 b o x 和西门子s 7 3 0 0 来分别进行，以验证该种通讯方式，既能支持与d c s 的通讯， 也能支持与p l c 的通讯。同时，在实验完毕后，对可能出现的故障和解决方案进行了 详细的说明。 第四章：当初步通讯连接正常后，为了验证其在应用于全流程多回路控制方案时， v o 通道数目众多情况下的通讯情况，特别选用s m p t - 1 0 0 0 提供的加热炉仿真模型为 被控对象，对其设计整体的控制方案。其中包含了总共1 8 路a i 、7 路a o 、8 路d i 、 3 5 路d o 。从而验证了，该种通讯方式，在应对多数量的f o 点通讯时的表现依然令人 满意。 第五章：结论与展望，对论文中已经做出的研究成果和实验结果进行总结，对以 后的研究方向提出展望。 6 第一二章基于p r o f i b u s - - r s 4 8 5 的通讯方式设计 第二章基于p r o f i b u s r s 4 8 5 的通讯方式设计 2 1 总体设计 基于p r o f i b u s r s 4 8 5 协议的通讯方式的开发和设计秉承如下的设计思路：首先要 解决原有半实物仿真装置与控制器之间通道数量受限的问题，在不增加硬件设备的基 础上，大幅度的提升i o 通道数量。其次要解决原有通讯方式接线复杂的问题，争取使 用简洁方便的方式来实现通讯的硬件连接。另外，在配套的通讯软件方面要做到软件 使用快捷方便，使用户能够迅速掌握使用方法。最后，通讯的质量要有保证，在大批 量，长时间不问断的通讯条件下，要保证数据传输的快速和可靠。 为了完成以上设计目标，首先需要对现有的通讯相关软硬件设备支持有一个总体 的了解。硬件设备方面，由于半实物仿真装置主要的用户人群为各过程控制专业的高 校师生，所以其控制器也基本是属于教学用的p l c d c s 设备，在全国高校中，比较普 遍使用的教学用p l c d c s 多为西门子、横河、a b b 、g e 和三菱等几家厂商供给，覆 盖率达到9 0 以上，所有这些p l c d c s 都提供标准的九孔p r o f i b u s 接口，控制器上自 带的组态软件也提供方便的p r o f i b u s 主从站通讯编程支持。所以在控制器端选用 p r o f i b u s 接口来进行通讯。在仿真计算机端，一般使用的是工控机或者嵌入式计算机来 装载仿真程序，提供多种对外的通讯接口，包括r s 4 8 5 接口，u s b 接口和以太网口等， 在市面上可以很容易的买到u s b 转r s 4 8 5 转换器，所以其实这两种通讯方式在实现上 没有什么区别，只是多一个转换器的问题而已。随后就是要比较采用r s 4 8 5 口进行通 讯，还是网口通讯的问题了。由于之前在控制器端已经选定了采用p r o f i b u s 接口进行通 讯，所以寻找能在这两种通讯协议间进行转换的方式就成为最重要的问题，最终发现 市场上p r o f i b u 刚s 4 8 5 转换器技术成熟度高，使用也较普遍。 虽然在仿真计算机端选定了采用r s 4 8 5 口进行通讯，但是如果没有相应的软件支 持也不可能完成发送和接收数据的任务。由于本次通讯方式设计开发是基于s m p t - 1 0 0 0 的，所以在通讯软件的开发部分也要与s m p t - 1 0 0 0 上安装的仿真软件相匹配，最终选 取基于v s 2 0 0 5 平台进行开发，选用的语言是c h ，程序类型为基于m f c 的e x e 程序。 2 2 硬件支持 图2 一l 基于p r o f i b u s - - - r s 4 8 5 的通讯方式硬件连接 f i g 2 - 1b a s e do np r o f i b u s r s 4 8 5h a r d w a r ec o n n e c t i o nm e a l l so fc o m m u n i c a t i o n 7 北京化工大学硕士学位论文 2 2 1p r o f i b u s 通讯简述 i s 0 7 4 9 8 国际标准中提到“p r o f i b u s 是一种国际化开放式不依赖于设备生产商 的现场总线标准。p r o f i b u s 传送速度可在9 6 k b a u d 1 2 m b a u d 范围内选择且当总线系统 启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动 化流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化【7 1 。 2 2 2r s 4 8 5 串口通讯 r s 4 8 5 是典型的串口通讯标准，串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准， 简单说只是物理层的一个标准。没有规定接口插件电缆以及使用的协议，所以只要我 们使用的接口插件电缆符合串口标准就可以在实际中灵活使用，在串口接口标准上使 用各种协议进行通讯及设备控制。由于p c 机默认的只带有r s 2 3 2 接口，有两种方法可 以得到p c 上位机的r s 4 8 5 电路：( 1 ) 通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换电路将p c 机串口r s 2 3 2 信号转换成r s 4 8 5 信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的 产品。( 2 ) 通过p c i 多串口卡，可以直接选用输出信号为r s 4 8 5 类型的扩展卡【8 】。 2 2 3p r o f i b u s - r s 4 8 5 转换器 p r o f i b u s r s 4 8 5 转换器是整个硬件链路连接中的关键部件，通讯效果的好坏在很 大程度上取决与它。所以该硬件的选型和测试工作非常重要。在该转换器的选取上先 后采用过两种硬件，一种是北京金鼎旺公司生产的转换器，另一种是台湾泓格公司生 产的i - 7 5 5 0 模块。下面对该两种转换器的测试情况迸行说明。 通讯测试： 1 检测长时间通讯故障率。首先编写软件，通过p c 机向西门子p c s7 端发送固定 值的数据，在p c s7 端编程，将接受的数据原样返回，在p c 机端的软件中进行自动对 比，看发送和返回的数据是否一致，有一个数值不符则记故障一次，采取累加方式计 算总故障。数据样本选取为1 斟( 最大通道数为单次“路a i a o ) ，发送间隔设置 为1 s ，发送预期持续时间为2 4 小时。 2 检测通讯延迟时间，在p c 机的测试软件中以固定时间间隔改变发送的数据样本 值，用肉眼观测在p c s7 端的数值随动情况，估测平均通讯延迟时间。数据样本变化 遵循如下规律：各值逐次+ 1 ，当第一个值 1 0 0 0 0 时，各值恢复到l “。发送间隔 设置为l s ，发送预期持续时间为4 小时 8 蚺二章某十p r o f i h u s r s 4 8 5 的姬m 方 世计 表2 - 1 通讯测试结果一览 t a b l e 2 | l i s to f c o m m u n i c a t i o n s t e s tr e s u l t s 转换器 通讯时间间隔交互次数错误次数山错率延迟 金鼎旺9 小时1 8 2 3 5 6 泓格i - 7 5 5 02 4 小时8 6 4 0 01 2 05 s 从测试结果可以看出，金鼎旺的产品故障率达到5 6 o ，远远高于通讯故障率 更新显示发送的数据 一 发送数据 返回数据 返l 旦i 数据 ：二，更新显示接受的数据 。 图2 - 8 数据通讯序列图 f i g 2 - 8d a t ac o m m u n i c a t i o ns e q u e n c ed i a g r a m 口 3 ) 故障诊断序列图 描述了故障诊断用例下，p r o f i b u s d pa g e n t 中的故障诊断程序与r t 之间的消息响 应以及诊断程序与串口之间的消息响应。 囤回田田 t 上 一 启动故障诊断功能发送连接请求 、 j ， 返回连接情况7 气 _ 一 发送连接请求 、 返回连接情况 7 1 ，返回诊断结果二二： 根据两方面连接情况进行判断 图2 - 9 故障诊断序列图 f i g 2 - 9f a u l td i a g n o s i ss e q u e n c ed i a g r a m 4 、类图 类图表示的是一种静态关联关系，类图中的主要元素是类或者接口口6 】。类图就是 1 8 第_ 二章基于p r o f i b u s - - r s 4 8 5 的通讯方式设计 描述了这些元素之间的相互的关联关系。这些关联关系都是在代码编写时可以确实体 现的。具体的关系种类有如下几种： 1 ) 关联关系：指的是两个类或者结构体对象之间存在联系，即某一个类知道另一 个类的存在，或者互相知道。当这种“知道”的关系建立之后，一方就可以使用它所“知 道”的类的属相和方法。通常这种关联关系用实线箭头来表示，箭头指向“被知道的一 方”，如下图中所示，类c l a s s a 中含有一个指向类c l a s s b 的指针的成员变量，则c l a s s a 知道c l a s s b 。当知道的关系是双向存在时，用双实线箭头来表示。 c l a s s ac l a s s b m _ _ p c l a s s b ：c l a s s b + 图2 1 0 关联关系 f i g 2 - 1 0a f f i l i a t i o n s 2 ) 聚合关系：聚合关系是一种特殊的关联关系，在聚合关系中，一方要负责另一 方的实现。聚合关系也可理解为整体和部分的关系。用空心菱形和实现箭头来表示， 箭头指向被实现的一方。如上图所示，如果c l a s s a 中要负责m _ p c l a s s b 的n e w 的操作 的话，则两者之间是聚合的关系，用图形表示如下： c l a s s ac l a s s b - m _ p c l a s s b ：c l a s s b + 八 v 7 图2 1 l 聚合关系 f i g 2 - 1 1a g g r e g a t i o n 3 ) 复合关系：复合关系又是一种特殊的聚合关系，复合关系中两者之间具有共同 的生存期，当一方销毁时，另一方也必须销毁。用实心菱形和实线箭头表示。当两者 之间存在实现关系，同时在功能上又存在互相依存关系时，可以使用复合关系表示。 c l a s