过程控制与现场总线技术课程设计基于PROFIBUS现场总线技术的PLC控制系统研究

1、过程控制与现场总线技术 课程设计 基于基于 profibusprofibus 现场总线技术的现场总线技术的 plcplc 控制系统研究控制系统研究 学 院：机械与电气工程学院 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 电气 2008 级 姓 名： 学 号： 指导教师： 20 11 年 12 月 27 日 目目 录录 1.1.课程设计目的课程设计目的 3 1.11.1 当今现状分析当今现状分析 3 1.1.2 2 未未来来的的发发展展趋趋势势 3 1.31.3 现场总线系统在企业网络中的作用与地现场总线系统在企业网络中的作用与地 位位 4 1 1. .4 4 本本课课题题研研究究对对象象的的意意义义

2、 5 2.2.课程设计任务和要求课程设计任务和要求 6 2 2. .1 1 设设计计任任务务 6 2 2. .2 2 设设计计要要求求 7 3.3.设计内容设计内容 8 3 3. .1 1 课课程程设设计计各各版版块块的的选选取取 10 3 3. .1 11 1 总总线线标标准准的的选选取取 11 3 3. .1 12 2 p pl lc c 型型号号的的选选取取 12 3 3. .2 2 控控制制系系统统组组网网 13 4 4、设计总结设计总结14 5 5、参考书目、参考书目 14 一设计目的一设计目的 1 1、当今现状分析、当今现状分析 当今社会，工厂及各种生产控制现场对控制系统的精度、复

3、杂度、适时性 的进一步提高，无疑就对控制系统的要求更加苛刻；随着控制、计算机、网络 等技术及发展，控制系统在历经了组合式模拟控制系统、集中式数字控制系统、 集散控制系统，发展到当前的现场总线控制系统。控制系统正由封闭的集中体 系向分散化、网络化、智能化方向发展。基于以上背景，在工业控制领域中， 现场总线技术将成为主流。 然而在控制领域 plc 的普及已经是上个世纪的事情，然而随着组网 plc 的 出现，又加快了控制系统的发展。在控制系统分散化、网络化、智能化高度发 展的今天，由于 plc 具有实时性、高可靠性、系统配置简单灵活、丰富的 i/o 卡件、安装维修方便等诸多优点，所以 plc 仍然是

4、将来控制系统中的主体。 现场总线原本是指现场设备间公用的信号传输线，早期又被叫做工业电话 线。现被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向、串行、多节 点数字通信的技术。可见现场总线已经是一类技术的总称了。而如今，各种现 场总线技术出现了百花齐放、兴盛发展的态势。 2003 年 4 月，iec61158 ed.3 现场总线标准第 3 版正式成为国际标准， 规定 10 种类型的现场总线。 type 1 ts61158 现场总线 type 2 controlnet 和 ethernet/ip 现场总线 type 3 profibus 现场总线 7cc-link type 4 p-net 现

5、场总线 type 5 ff hse 现场总线 type 6 swiftnet 现场总线 type 7 world fip 现场总线 type 8 interbus 现场总线 type 9 ff h1 现场总线 type 10 profinet 现场总线 2 2、未未来来的的发发展展趋趋势势 随着计算机、信息技术的飞速发展， 20 世纪末世界最重大的变化是全 球市场经济的逐渐形成，从而导致了竞争空前加剧，产品技术含量高、更新 换代快处于全球市场中的工业生产必须加快产品的开发。随着计算机与计算 机网络技术的迅速发展，使计算机集成制造系统具备了良好的实施基础。处 于企业生产过程底层的测控自动化系统，

6、如果继续采用模拟仪表，采用dcs 模拟数字混合系统，就难以与外界交换信息，难以支持计算机集成制造的系 统的实施。现场总线系统是实现整个生产过程信息集成，实施综合自动化的 重要基础，它适应了信息时代自动化系统智能化、网络化、综合自动化的发 展需要。所以任然是未来自动化领域的主流。 3 3、现场总线系统在企业网络中的作用与地位、现场总线系统在企业网络中的作用与地位 现场总线系统在企业网络中的作用主要是为自动化系统传递数字信息，借 助现场总线的控制设备连接成控制网络。它所传递的数字信息主要包括生产运 行参数的测量值、控制值、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资 源与维护信息、系统组态、参数改

7、、零点量程调校信息等。它们是企业信息的 重要组成部分。 企业的管理控制一体化系统需要控制信息的参与，生产的优化调度需要实 现装置间上网数据交换，需要集成不同生产装置的数据。这些都要求在现场控 制层内部，在 fcs 与 mes、erp 各层之间，能实现数据传输与信息共享。现场总 线系统在设施生产过程控制、为企业网络提供、传输、集成生产数据方面，发 挥着重要作用。所以现场总线技术是实现企业网络化、智能化必需的技术。 4 4、本本课课题题研研究究对对象象的的意意义义 本课题的研究对象为： 基于 profibusprofibus 现场总线技术的 plc 控制系统研究。 契合了未来发展的主流，很有研究意

8、义。 二二、课课程程设设计计的的任任务务和和要要求求 1 1、设设计计任任务务 设计一个基于 p pr ro of fi ib bu us s 现场总线的 p pl lc c 控制系统 指出其中的主站（一类主站、二类主站），从站 系统中各元件的介绍 2 2、设设计计要要求求 在本设计中要求有 p pr ro of fi ib bu us s 总线的体现 在本设计中要求有一类主站、二类主站 在本设计中要求有多个从站 三三、设设计计内内容容 1 1、课课程程设设计计各各版版块块的的选选取取 （1 1）、总总线线标标准准的的选选取取 现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简 单

9、开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。 目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立， 出现了百花齐放、兴盛发展的态势。各种总线在其特定的领域显示出了各自的 特点及优势，这也是标准尚未形成的原因。其中较著名的有基金会现场总线 （ff） 、hart 现场总线、can 现场总线、lonworks 现场总线、 profibus 现场总线、modbus、pheonix 公司的 interbus、asinterface 总线等。 基金会现场总线基金会现场总线 ff（foundation fieldbus）：）：是由现场总线基金会 组织开发的，已被列入 i

10、ec 61158 标准。这是为了适应自动化系统，特别是过 程自动化系统在功能、环境与技术上得需要而专门设计的。ff 适合在流程工业 的生产现场工作，能适应本质安全防爆的要求，还可以通过通信总线为现场设 备提供工作电源。在 1996 年正式颁布了通信速率为 31.2kb/s 的低速总线 h1 标准。1988 年又组织开发了通信速率为 10/100mb/s 的高速网段 hse。 can 总线总线：是控制器局域网的简称，是德国 bosch 公司在 1986 年为 解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信 线。已成为 iso 国际标准 iso11898。虽然在航天、电力、石

11、化、冶金、纺织、 造纸等领域有所应用，但还是主要用在现代化汽车系统中。 lonworks 现场总线：现场总线：是一个开放的控制网络平台技术，是国际 上普遍用来连接日常设备的标准之一。采用了分布式的智能设备组建网络，同 时也支持主从式网络结构。它支持各种通信介质，包括双绞线、电力线、光缆 等，该控制网络的核心部分 lontalk 通信协议固化在神经元芯片（neuron chip）中。主要用于各种家用电器上。 profibus 现场总线现场总线：是 process fieldbus 的缩写，是面向工厂自 动化和流程自动化的一种国际性的现场总线标准。它已被广泛应用于制造业自 动化（汽车制造、装瓶系统

12、、仓库系统） 、过程自动化（石油化工、造纸和纺织 品工业企业） 、楼宇自动化（供热空调系统） 、交通管理自动化、电子工业和电 力输送等行业。在可编程控制器、传感器、执行器、低压电器开关等设备之间 传输数据信息，承担控制网络的各项任务。到 2005 年 12 月，在全世界安装的 profibus 节点已达 1540 万个。仅仅 2005 年一年中，profibus 的节点数 就增加了 280 万个之多。profibus 中包含有 profibus dp、profibusfms、profibus-pa 三个子集，以满足工厂网络中的多 种应用需要。这三个子集在企业网络中的应用层次如下图： profi

13、busdp主要是面向工厂现场层应用的。dp 主要用于完成包括驻 如可编程控制器、自动控制设备、传感器、执行器间的快速可靠的通信任务。 其网络的传输速度可达 12mb/s。可建成单主站或多主站系统。截止到目前， dp 的应用占整个 profibus 的的 80%，代表了 profibus 的技术精华和特点， 因而有时也会把 profibusdp 泛指为 profibus。 由于本课程设计主要是针对的是工厂现场层应用，可编程控制器、自动控 制设备、传感器、执行器间的通信与数据交换任务，所以在本课程设计中选用 profibusdp 现场总线技术。 （2 2）、p pl lc c 型型号号的的选选取取

14、 plcplc（programmable logic controller） ，是可编程逻辑控制器。它采用 一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时， 计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类 型的机械或生产过程。 德国西门子公司：它有 ss 系列的产品。有 ss95u、100u、115u、135u 及 155u。135u、155u 为大型机，控制点数可达 6000 多点，模拟量可达 300 多路。最近还推出 s7 系列机，有 s7-200（小型）、s7-300（中型）及 s7-400 机（大型）。性能比 s5 大有提高。 日本 omr

15、on 公司：它有 cpm1a 型机，p 型机，h 型机， cqm1、cvm、cv 型机，ha 型、f 型机等，大、中、小、微均有，特别在中、 小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。 美国 ge 公司、日本 fanac 合资的 gefanac 的 9070 机也是很吸引 人的。据介绍。它具有 25 个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多 种编程语言，等等。它有 914、781782、771772、731732 等多种型号。 另外，还有中型机 9030 系列，其型号有 344、331、323、321 多种；还有 9020 系列小型机，型号为 211。 美国莫迪康公司(施奈

16、德)的 984 机也是很有名的。其中 e984785 可安 31 个远程站点，总控制规模可达 63535 点。小的为紧凑型的，如 984-120，控制点 数为 256 点，在最大与最小之间，共 20 多个型号。 美国 ab（alienbradley）公司创建于 1903 年，在世界各地有 20 多个附 属机构，10 多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的 plc5 系 列是很有名的，其下有 plc5/10，plc5/11，plc5/250 多种型号。 另外，它也有微型 plc，slc500 即为其中一种。有三种配置，20、30 及 40i/o 配置选择，i/o 点数分别为 12/8、

17、18/12 及 24/16 三种。 日本三菱公司的 plc 也是较早推到我国来的。其小型机 fi 前期在国内用得 很多，后又推出 fxz 机，性能有很大提高。它的中、大型机为 a 系列。 ais、azc、a3a 等。 日本日立公司也生产 plc，其 e 系列为箱体式的。基本箱体有 e-20、e- 28、e40、e64。其 i/o 点数分别为 12/8、16/12、24/16 及 40/24。另外，还 有扩展箱体，规格与主箱体相同其 em 系列为模块式的，可在 16160 之间组 合。 日本东芝公司也生产 plc，其 ex 小型机及 explus 小型机在国内也用 得很多。它的编程语言是梯形图，

18、其专用的编程器用梯形图语言编程。另外， 还有 ex100 系列模块式 plc，点数较多，也是用梯形图语言编程。 日本松下公司也生产 plc。fpi 系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸 紧凑。fp3 为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅 0l 微秒。 ab ge abb松下 以上是几个知名厂商的 plc 产品外观图 西 门 子三菱 欧姆龙 东芝 以上是几个知名厂商的 plc 产品外观图 德国西门子（siemens）公司生产的可编程控制器在我国的应用相当广 泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（ siemens）公司 的 plc 产品包括 logo，s7-20

19、0(cn)，s7-1200, s7-300，s7-400，工业网络， hmi 人机界面，工业软件等。 西门子 s7 系列 plc 体积小、速度快、标准化， 具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。 s7 系列 plc 产品可分为微型 plc（如 s7-200） ，小规模性能要求的 plc（如 s7-300）和中、高性能要求 的 plc（如 s7-400）等。 1 1、simatic s7-200 plc s7-200 plc 是超小型化的 plc，它适用于各行 各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。 s7-200 plc 的强大功能使 其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 s

20、7-200plc 可提 供 4 个不同的基本型号与 8 种 cpu 可供选择使用。 2 2、simatic s7-300 plc s7-300 是模块化小型 plc 系统，能满足中等 性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。 与 s7-200 plc 比较，s7-300 plc 采用模块化结构，具备高速 （0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的 算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋 值；方便的人机界面服务已经集成在 s7-300 操作系统内，人机对话的编程 要求大大减少。simatic 人机界面（hmi）

21、从 s7-300 中取得数据，s7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。 s7-300 操作系统自动地处理数据的传 送；cpu 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特 殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高 度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改； s7-300 plc 设 有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出 时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强 大的通信功能，s7-300 plc 可通过编程软件 step 7 的用户界面提供通信组 态功能，这使得组态非常容易、简单。

22、 s7-300 plc 具有多种不同的通信接 口，并通过多种通信处理器来连接 as-i 总线接口和工业以太网总线系统； 串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（ mpi）集成在 cpu 中，用于同时连接编程器、 pc 机、人机界面系统及其他 simatic s7/m7/c7 等自动化控制系统 。 上图为西门子系列 plc 的标志及一个 plc 实物图 以以下下是是西西门门子子 p pl lc c s s7 73 30 00 0 的的一一些些常常见见系系列列 cpu 312 ifm 集成功能模块, 6kb ram, 24v 负载电源及 mpi 接口,本机 10i/6 最大扩展 144d

23、i/do, 32ai/ao cpu313, 12kb ram, 最大扩展 128di/do, 32ai/ao,带扩展内存卡槽,24v 负 电源及 mpi 接 cpu 314, 24kb ram, 最大扩展 512di/do, 64ai/ao,带扩展内存卡槽, 24v 负 电源及 mpi 接口, 可扩展 4 排 cpu 314ifm, 32kb ram, 最大扩展 512di/do, 64ai/ao,24v 负载电源及 mpi 接口,可扩展 4 排, 本机带 16di/16do, 4ai/1ao cpu 314ifm, 32kb ram, 最大扩展 512di/do, 64ai/ao,带扩展内存

24、卡槽,24v 负载电源及 mpi 接口,可扩展 4 排, 本机带 16di/16do, 4ai/1ao cpu 315, 48kb ram,最大扩展 1024di/do, 128 ai/ao,带扩展内存卡槽,24v 负 载电源及 mpi 接口 cpu 315-2dp, 64kb ram,最大扩展 1024di/do, 128ai/ao,带扩展内存卡槽, 24v 负载电源 及 mpi 接口和 profibus-dp 主/从接口 cpu 316-2dp, 128kb ram,最大扩展 1024di/do, 128ai/ao,带扩展内存卡槽, 24v 负载电源 及 mpi 接口和 profibus-

25、dp 主/从接口 cpu 318-2dp, 512kb ram,最大扩展 16384di/do, 2048ai/ao,带扩展内存卡槽, 24v 负载电源 及 mpi 接口和 profibus-dp 接口 根根据据以以上上分分析析在在本本课课程程设设计计中中选选取取西西门门子子公公司司的的cpu 315-2dp 作为主站作为主站 以以下下是是西西门门子子 p pl lc c s s7 72 20 00 0 的的一一些些常常见见系系列列 6es7211-0aa23-0xb0 cpu 221 dc/dc/dc 6 输入/4 输出 6es7212-1ab23-0xb0 cpu 222 dc/dc/dc

26、 8 输入/6 输出 6es7214-1ad23-0xb0 cpu 224 dc/dc/dc 14 输入/10 输出 6es7216-2bd23-0xb0 cpu 226 ac/dc/ 继电器 24 输入/16 输出 6es7221-1bf22-0xa0 em 221 数字量输入模块，8 输入 24v dc 6es7222-1bf22-0xa0 em 222 数字量输出模块，8 输出 24 vdc 6es7223-1bf22-0xa0 em 223 数字量输入/ 输出模块，4 输入/4 输出 24v dc 6es7231-7pb22-0xa0 em 231 2 路输入热电阻 6gk7243-1

27、ex00-0xe0 cp 243-1 以太网模块 2 2、控控制制系系统统组组网网 利用西门子的 cpu 315-2dp plc 与 profibus 现场总线结合组成一个具有 主从站多节点的自动控制系统。系统的总体框图如下： 系统的总体框图 图中的 cpu 315、cpu 3421、cpu3435 作为该控制系统的主站， cpu 200 作为该系统的从站。 profibus 中包含了三个子集；即 profibusdp、profibus fms、profibuspa 三个子集。profibus 的 dp 与 fms 均采用 rs-485 作为物 理层的连接接口，各自用到得网络层如下所示： 上图

28、为 profibus 的 dp、pa、fms 三类子集所用到的网络层次 由上图可知，profibusdp，与 profibuspa 间不能直接连接，中间 需要加耦合器，如下图所示： 上图为 profibusdp 与 profibuspa 之间的连接示意图 由以上知识可知，p pr ro of fi ib bu us s 构成的 f fc cs s 中可以有一类主站，也可以有二 类主站，那么它们是怎样连接的，所遵循的规则是什么，哪些能成为1 1 类主 站、哪些能成为 2 2 类主站、哪些既可以作为 1 1 类主站又可以作为 2 2 类主站呢？ 连接方式又是怎样的？ p pr ro of fi i

29、b bu us s 中 1 1 类主站与 2 2 类主站的连接示意图如下 图所示： 上图为一类主站与二类主站间的连接图 那那么么究究竟竟哪哪些些可可以以充充当当一一类类主主站站，哪哪些些有有只只能能做做二二类类主主张张呢呢？ 1 1 类类主主站站：1 类主站指有能力控制若干从站、完成总线通信控制与管理 的设备。如 plc、pc 等均可作为一类主站。 2 2 类类主主站站：2 类主站指有能力管理 1 类主站的组态数据和诊断数据的设 备，还可以具有 1 类主站所具有的全部通信能力，用于完成各站点的数据读 写、系统组态、监视、故障诊断等。如编程器、操作员工作站、操作员接口 等都是 2 类主站。 从从

30、站站：提供 i/o 数据并可以分配给 1 类主站的现场设备，也可以提供 报警等非周期性数据。从站在主站的控制下完成组态、参数修改、数据交换 等。从站由主站统一编制，接收主站指令，按主站的指令驱动i/o，并将 i/o 的输入及故障诊断等信息返回给主站。驱动器、传感器、执行机构等带 有 profibu 接口的 i/o 现场设备均可以作为从站。 p pr ro of fi ib bu u 的的 d dp p、p pa a、f fm ms s均采用单一的总线访问方式。那么究竟谁 拥有总线的控制权，当发生冲突时又是怎样解决的呢？如下图所示： p pr ro of fi ib bu us s 总线访问方式 p pr ro of fi ib bu us s的总线访问控制包括如图所示的主站之间的令牌传送方方式、主 站与从站之间的主从方式。