Profibus现场总线控制系统的毕业论文.doc

Profibus现场总线控制系统的毕业论文 毕业设计论文任务书课题名称Profibus现场总线控制系统的设计院系 专 业 电气自动化 班 级 姓 名学 号 教师 签字 一毕业设计任务及技术要求二毕业设计工作项目Profibus研究设计说明书含各种图表格共计5000字左右三毕业设计应完成技术文件序号设计论文各阶段任务日 期备 注1下达设计任务查阅整理资料090511052分析各种主流现场总线的技术特点110512053分析研究Profibus总线120501054撰写系统说明书制作PPT0105com5答 辩com67五应收集的资料及主要参考文献1 现场总线技术刘泽祥机械工业出版社现场总线技术及其应用阳宪惠清华大学出版社 现场总线技术及其应用甘永梅 等编著机械工业出版社 2008六任务执行日期自 2010 年09 月 05日起至 2011 年 3 月 1 日止 指导教师签字 教研室主任签字 主 管主 任签字 摘要Profibus是国际上应用十分广泛的工业过程现场总线它是连接智能现场设备和自动化系统的全分散数字化双向多变量多点多站的通信网络在众多现场总线标准中过程现场总线以其国际化开放式高灵活性高可靠性等优势在过程自动化制造自动化楼宇自动化等领域内得到广泛应用本设计首先介绍了现场总线的发展现状然后比较了现场总线与DCS的异同重点介绍了Profibus现场总线Profibus现场总线是目前应用非常广的一类总线已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领域最后介绍了Profibus的应用关键词现场总线ProfibusDCS现场总线应用目录第1章 现场总线的发展现状111 什么是现场总线12 现场总线的特点213 现场总线进展状况3第2章 现场总线与DCS异同421 profibus总线技术422 应用实例523 第二代机控系统DCS-集散控制系统624 对比二者的优缺点7第3章 profibus现场总线931 profibus的协议结构932 profibus控制系统的几种形式1533 根据实际应用常有以下6种结构15第4章 profibus现场总线的应用1741 profibus现场总线的应用领域1742 profibus现场总线技术的应用实例1843 现场总线应用的优点21参考文献23结论24致谢25现场总线的发展现状 计算机控制系统的早期采用一台小型机控制几十条控制回路目的是降低每条回路的成本但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效所以后来发展成分布式控制DCS即由多台微机进行数据采集和控制微机间用局域网LAN连接起来成为一个统一系统DCS沿用了二十多年其优点和缺点均充分显露最主要的问题仍然是可靠性一台微机坏了该微机管辖下的所有功能都失效一块AD板上的模数转换器坏了该板上的所有通道8或16个全部失效曾有过采用双机双IO等冗余设计但这又增加了成本增加了系统的复杂性为了克服系统可靠性成本和复杂性之间的矛盾更为了适应广大用户要求的系统开放性互操作性要求实现控制系统的网络化一种新型控制技术现场总线控制系统FCS正迅速发展起来11 什么是现场总线从名词定义来讲现场总线是用于现场电器现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的中一定数量的现场设备之间如何交换数据数据的传输介质可以是电线电缆光缆电话线无线电等等通俗地讲现场总线是用在现场的总线技术传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式从PLC控制各个电器元件对应每一个元件有一个IO口两者之间需用两根线进行连接作为控制或电源当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时整个系统的接线就显得十分复杂容易搞错施工和维护都十分不便为此人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起用一根导线来连接所有设备所有的数据和信号都在这根线上流通同时设备之间的控制和通信可任意设置因而这根线自然而然地称为了总线就如计算机内部的总线概念一样由于控制对象都在工矿现场不同于计算机通常用于室内所以这种总线被称为现场的总线简称现场总线12 现场总线的特点现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性一般的现场总线具有以下几个特点1布线简单这是大多现场总线共有的特性现场总线的最大革命是布线方式的革命最小化的布线方式和最大化的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大大降低由于采用串行方式所以大多数现场总线采用双绞线还有直接在两根信号线上加载电源的总线形式这样采用现场总线类型的设备和系统给人明显的感觉就是简单直观2开放性一个总线必须具有开放性这指两个方面一方面能与不同的控制系统相连接也就是应用的开放性另一方面就是通讯规约的开放也就是开发的开放性只有具备了开放性才能使得现场总线既具备传统总线的低成本又能适合先进控制的网络化和系统化要求3实时性总线的实时性要求是为了适应现场控制和现场采集的特点一般的现场总线都要求在保证数据可靠性和完整性的条件下具备较高的传输速率和传输效率总线的传输速度要求越快越好速度越快表示系统的响应时间就越短但是传输速度不能仅靠提高传输速率来解决传输的效率也很重要传输效率主要是有效用户数据在传输帧中的比率还有成功传输帧在所有传输帧的比率4可靠性一般总线都具备一定的抗干扰能力同时当系统发生故障是具备一定的诊断能力以最大限度的保护网络同时较快的查找和更换故障节点总线故障诊断能力的大小是由总线所采用的传输的物理媒介和传输的软件协议决定的所以不同的总线具有不同的诊断能力和处理能力现场总线a 内可能出现几大总线标准共存甚至在一个现场总线系统内几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面 现场总线技术的兴起开辟了工厂底层网络的新天地它将促进企业网络的快速发展为企业带来新的效益因而会得到广泛的应用并推进自动化相关行业的发展21现场总线控制系统的产生及发展1现场总线控制系统的起步由于微处理器技术和通讯技术的发展从80年代中期即出现了很多带有微处理器的智能化现场仪表从此萌发了现场总线的思想2现场总线技术的优点现场总线技术在经历了群雄并起分散割据的初始阶段后尽管已有一定范围的磋商合并但至今尚未形成完整统一的国际标准现场总线处于信息控制网络最底层虽然传输信息量不是很大但要求实时性好可靠性高而且网络接口尽可能简单成本尽量降低现场总线与其它较高级管理通讯网络特性比较见下表22现场总线的技术特点1系统的开放性开放系统是指通信协议公开各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换现场总线开发者就是要致力于简历统一的工厂底层网络的开放系统这里的开放是指对相关标准的一致公开性强调对标准的共识与遵从一个开放系统它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的开放系统是把系统集成的权利交给了用户用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组陈大小随意的系统2 互可操作性与互用性这里的胡可操作性是指实现互连设备系统间的信息传送与沟通可实行点对点一点对多点的数字通信而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备科进行互换而实现互用现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量补偿计算工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能并可随时诊断设备的运行状态系统结构高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构从根本上改变了现有的DCS集中与分散相结合的集散控制系统简化了系统结构提高了可靠性 对现场环境的适应性工作在现场设备前端作为工厂网络底层的现场总线是专门在现场环境设备前端作为工厂网络底层的现场总线是专为在现场环境工作而设计的它可支持双绞线同轴电缆光缆射频红外线电力线等具有较强的抗干扰能力能采用两线制实现电与通信并可满足本质安全防爆要求等第5页 共25页 第二代计算机控制系统DCS集散控制系统一 DCS定义及其特性1 定义 DCS即所谓分布式控制系统习惯地称之为集散系统是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统它是在集中式控制系统的基础上发展演变而来的经过改进创新后的DCS将有以下几个特性IO接口对过控对象的数据进行实时采集分析记录监视操作控制可进行系统结构组态回路的在线修局部故障的在线维修3开放性新型DCS中所使用的设备将趋于通用的产品专用的产品将越来越少特别是计算机和网络高性能的工业微机工作站将被大量采用通用网络产品也将逐步淘汰专用网络网络通信规约逐步向得到普遍承认的标准靠拢以系统集成的方式构成应用系统方法已得到越来越广泛的应用分散化和智能化智能化仪表和现场总线技术被大量采用DCS的体系结构进一步走向分散化直接数字控制将深入到每一个控制回路现场设备因此随着所采用的现场总线网络的发展新型DCS最终将越来越接近FCS现场总线控制系统系统构成的多样化现在几乎已看不到传统意义上的DCS了目前所说的DCS是一种广义的概念实际上越来越接近FCS其中包括了传统的DCS厂家推出的新一代系统也包括由PLC和高速总线网及专业厂家的组态软件构成的系统在不同的应用领域DCS的构成也各有不同综合自动化将来的任何系统都不是孤立的无法与其他系统互相通信并实现集成的DCS已不再有生命力系统的发展正逐步走向综合自动化DCS的分级第二代计算机控制系统是七十年代出现的分级计算机控制系统七十年代中期出现的分散控制系统DCS也成集散控制系统也属于分级计算机控制系统 图2-2 DCS系统结构图典型的DCS可分为操作站级过程控制级和现场仪表三级这种控制系统的特点是集中管理分散控制其基本控制功能在过程控制级中工作站级的主要作用是监督管理分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度加之各种软硬件技术不断走向成熟极大地提高了整个系统的可靠性因而迅速成为工业自动控制的主流目前DCS正处于鼎盛时期我国冶金石化发电厂等企业中大量使用了外国公司的DCS近年来我国开发的DCS系统也取得了很好的业绩如和利时公司的HS2000 DCS 系统的年销售额达到一亿元人民币24 对比二者的优缺点1 相同IO点数的系统用PLC比用DCS其成本要低一些大约能省40左右PLC没有专用操作站它用的软件和硬件都是通用的所以维护成本比DCS要低很多一个PLC的控制器可以接收几千个IO点最多可达8000多个IO如果被控对象主要是设备连锁回路很少采用PLC较为合适PLC由于采用通用监控软件在设计企业的管理信息系统方面要容易一些2 DCS系统的相对优点与弱点 1系统能处理多少IO信息 2系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息 3能适应多少用户和装置CRT控制站等 4传输数据的完整性是怎样彻底检查的 5数据公路的最大允许长度是多少 6数据公路能支持多少支路 7数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件可编程序控制器计算机数据记录装置等 为保证通信的完整大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路 为了保证系统的安全性使用了复杂的通信规约和检错技术所谓通信规约就是一组规则用以保证所传输的数据被接收并且被理解得和发送的数据一样 在有些行业FCS是由PLC发展而来的而在另一些行业FCS又是由DCS发展而来的所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系又存在着本质的差异Profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证并经实际应用验证具有普遍性目前已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领域Profibus3个兼容部分组成即Profibus-DPDecentralized PeripheryIO系统Profibus-PAProcess AutomationProfibus-FMSFieldbus Message SpecificationProfibus-DP是一种高速低成本通信专门用于设备级控制系统与分散式IO的通信使用Profibus-DP可取代24V DC或420mA信号传输Profibus-PA专为过程自动化设计可使传感器和执行机构连在一根总线上并有本质安全规范Profibus-FMS用于车间级监控网络是一个令牌结构的实时多主网络profibis的协议结构一 Profibus的协议结构Profibus协议结构是根据ISO7498国际标准以开放式系统互联网络Open System Interconnection-OSI作为参考模型的该模型共有七层 1ProfibusDP定义了第一二层和用户接口第三到七层未加描述用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能并详细说明了各种不同ProfibusDP设备的设备行2ProfibusFMS定义了第一二七层应用层包括现场总线信息规范Fieldbus Message Specification - FMS和低层接口 Lower Layer Interface LLI FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口 3ProfibusPAPA的数据传输采用扩展的ProfibusDP协议另外PA还描述了现场设备行为的PA行规根据IEC11582标准PA的传输技术可确保其本征安全性而且可通过总线给现场设备供电使用连接器可在DP上扩展PA网络 注第一层为物理层第二层为数据链路层第三六层末使用第七层为应用层 Profibus协议结构是根据ISO7498国际标准以ISO作为参考模型的1 Profibus-DP定义了第12层和用户接口第3到7层未加描述用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为Profibus-FMS定义了第127层应用层包括第9页 共25页现场总线信息规范FMS和低层接口LLIFMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第2层访问接口Profibus-PA的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议另外PA还描述了现场设备行为的PA行规根据IEC1157-2标准PA的传输技术可确保其本质安全性而且可通过总线给现场设备供电使用连接器可在DP上扩展PA网络图3-1 Profibus协议结构2Profibus的传输技术Profibus提供了三种数据传输型式RS-485传输IEC1157-2传输和光纤传输1 RS-485传输技术RS-485传输是Profibus最常用的一种传输技术通常称之为H2RS-485传输技术用于Profibus-DP与Profibus-FMS RS-485传输技术基本特征是网络拓扑为线性总线两端有有源的总线终端电阻传输速率为96kbps12Mbps介质为屏蔽双绞电缆也可取消屏蔽取决于环境条件不带中继时每分段可连接32个站带中继时可多到127个站RS-485传输设备安装要点全部设备均与总线连接每个分段上最多可接32个站主站或从站每段的头和尾各有一个总线终端电阻确保操作运行不发生误差两个总线终端电阻必须一直有电源当分段站超过32个时必须使用中继器用以连接各总线段串联的中继器一般不超过4个备均需选用同一传输速率电缆最大长度取决于传输速率第10页 共25页采用RS-485传输技术的传输速率可选96kbps12Mbps一旦设备投入运行全部设Profibus网络最好使用9针D型插头当连接各站时应确保数据线不要拧绞系统在高电磁发射环境下运行应使用带屏蔽的电缆屏蔽可提高电磁兼容性EMC如用屏蔽编织线和屏蔽箔应在两端与保护接地连接并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖以保持良好的传导性2 IEC1157-2传输技术IEC1l57-2的传输技术用于Profibus-PA能满足化工和石油化工业的要求它可保持其本质安全性并通过总线对现场设备供电IEC1157-2是一种位同步协议可进行无电流的连续传输通常称为H13 光纤传输技术 Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时可使用光纤导体以增加高速传输的距离可使用两种光纤导体一种是价格低廉的塑料纤维导体供距离小于50m情况下使用另一种是玻璃纤维导体供距离小于1km情况下使用许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号3 Profibus总线存取控制技术Profibus-DPFMSPAOSI参考模型第2层数据链路层来实现的它包括保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理在Profibus中第2层称之为现场总线数据链路层FDLFieldbus Data LinkM A C Medium Access Control具体控制数据传输的程序MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据Profibus协议的设计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的通信必须保证在确切限定的时间间隔中任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务 2 在复杂的程序控制器和简单的IO设备从站间通信应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输因此Profibus主站之间采用令牌传送方式主站与从站之间采用主从方式令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权令牌令牌在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的在Profibus中令牌传递仅在各主站之间进行主站得到总线存取令牌时可依照主-从通信关系表与所有从站通信向从站发送或读取信息也可依照主-主通信关系表与所有主站通信所以可能有3种系统配置纯主-从系统纯主-主系统和混合系统第11页 共25页 在总线系统初建时主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环在总线运行期间断电或损坏的主站必须从环中排除新上电的主站必须加入逻辑环第2层的另一重要工作任务是保证数据的高度完整性Profibus在第2层按照非连接的模式操作除提供点对点逻辑数据传输外还提供多点通信包括广播和选择广播功能4 Profibus-DP基本功能Profibus-DP用于现场设备级的高速数据传送主站周期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主站PLC程序循环时间短除周期性用户数据传输外Profibus-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态诊断和报警处理1Profibus-DP基本特征 采用RS-485双绞线双线电缆或光缆传输传输速率从96kbps到12Mbps各主站间令牌传递主站与从站间为主-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126采用点对点用户数据传送或广播控制指令通信循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送控制指令允许输入和输出同步同步模式为输出同步锁定模式为输入同步 DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送各DP从站的动态激活和可激活DP从站组态的检查强大的诊断功能三级诊断信息输人或输出的同步通过总线给DP从站赋予地址通过总线对DP主站DPM1进行配置每DP从站的输入和输出数据最大为246字节所有信息的传输按海明距离HD 4进行DP从站带看门狗定时器Watchdog Timer对DP从站的输入输出进行存取保护DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视每个Profibus-DP系统包括3种类型设备第一类DP主站DPM1第二类DP主站DPM2和DP从站DPM1是是中央控制器它在预定的周期内与分散的站如DP从站交换信息典型的DPM1如PLCPCDPM2是编程器组态设备或操作面板在DP系统组态操作时使用完成系统操作和监视目的DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备是带二进制值或模拟量输入输出的IO设备驱动器阀门等经过扩展的Profibus-DP诊断能对故障进行快速定位诊断信息在总线上传输并由主站采集诊断信息分3级本站诊断操作即本站设备的一般操作状态如温度过高压力过低模块诊断操作即一个站点的某具体IO模块故障通道诊断操作即一个单独输人输出位的故障 第12页 共25页2Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统在同一总线上最多可连接126个站点系统配置的描述包括站数站地址输入输出地址输入输出数据格式诊断信息格式及所使用的总线参数Profibus-DP单主站系统中在总线系统运行阶段只有一个活动主站如图1所示为Profibus-DP单主站系统PLC作为主站图3-2 Profibus-DP单主站系统Profibus-DP多主站系统中总线上连有多个主站总线上的主站与各自从站构成相互独立的子系统如图1所示任何一个主站均可读取DP从站的输入输出映像但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据图3-3 ProfibusDP 3Profibus-DP系统行为Profibus-DP系统行为主要取决于DPM1的操作状态这些状态由本地或总线的配置设备所控制主要有运行清除和停止3种状态在运行状态下DPM1处于输入和输出数据的循环传输DPM1从DP从站读取输入信息并向DP从站写入输出信息在清除状态下DPM1读取 DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态在停止状态下DPM1和DP从站之间没有数据传输第13页 共25页 DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DP从站如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误DPM1将所有相关的DP从站的输出数据立即转入清除状态而DP从站将不再发送用户数据在此之后DPM1转入清除状态4 DPM1和DP从站间的循环数据传输DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行在对总线系统进行组态时用户对DP从站与DPM1的关系作出规定确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环周期哪些被排斥在外DMP1和DP从站之间的数据传送分为参数设定组态和数据交换3个阶段在参数设定阶段每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受到的组态数据进行比较只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时DP从站才进入用户数据传输阶段因此设备类型数据格式长度以及输入输出数量必须与实际组态一致5 DPM1和系统组态设备间的循环数据传输除主-从功能外Profibus-DP允许主-主之间的数据通信这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态6 同步和锁定模式 除DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外DP主站设备也可向单独的DP从站一组从站或全体从站同时发送控制命令这些命令通过有选择的广播命令发送的使用这一功能将打开DP从站的同级锁定模式用于DP从站的事件控制同步主站发送同步命令后所选的从站进入同步模式在这种模式中所编址的从站输出数据锁定在当前状态下在这之后的用户数据传输周期中从站存储接收到输出的数据但它的输出状态保持不变当接收到下一同步命令时所存储的输出数据才发送到外围设备上用户可通过非同步命令退出同步模式锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新用户可以通过非锁定命令退出锁定模式7 保护机制对DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视每个从站都采用独立的控制定时器在规定的监视间隔时间中如数据传输发生差错定时器就会超时一旦发生超时用户就会得到这个信息如果错误自动反应功能使能 DPM1将脱离操作状态并将所有关联从站的输出置于故障安全状态并进入清除状态第14页 共25页 32 profibus控制系统的几种形式根据现场设备是否具备Profibus接口控制系统的配置有总线接口型单一总线型混合型3种形式1 总线接口型 现场设备不具备Profibus接口采用分散式IO作为总线接口与现场设备连接这种形式在应用现场总线技术初期容易推广如果现场设备能分组组内设备相对集中这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点2 单一总线型 现场设备都具备Profibus接口这是一种理想情况可使用现场总线技术实现完全的分布式结构可充分获得这一先进技术所带来的的利益新建项目若能具有这种条件就目前来看这种方案设备成本会较高3 混合型 现场设备部分具备Profibus接口这将是一种相当普遍的情况这时应采用Profibus现场设备加分散式IO混合使用的办法无论是旧设备改造还是新建项目希望全部使用具备Profibus接口现场设备的场合可能不多分散式IO可作为通用的现场总线接口是一种灵活的集成方案33 根据实际应用常有以下6种结构1 结构类型1 以PLC或控制器做1类主站不设监控站但调试阶段配置一台编程设备这种结构类型PLC或控制器完成总线通信管理从站数据读写从站远程参数化工作2 结构类型2 以PLC或控制器做1类主站监控站通过串口与PLC一对一的连接这种结构类型监控站不在Profibus网上不是2类主站不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作监控站所需的从站数据只能从PLC控制器中读取3 结构类型3 以PLC或其它控制器做1类主站监控站2类主站连接Profibus总线上这种结构类型监控站在Profibus网上作为2类主站可完成远程编程参数化及在线监控功能4 结构类型4 使用PC机加Profibus网卡做1类主站监控站与1类主站一体化这是一个低成本方案但PC机应选用具有高可靠性能长时间连续运行的工业级PC机对于这种结构类型PC机故障将导致整个系统瘫痪另外通信厂商通常只提供一个模板的驱动程序总线控制从站控制程序监控程序可能要由用户开发因此应用开发工作量可能会较大5 结构类型5 坚固式PC机OMOPACT COMPUTERProfibus网卡十SOFTPLC的结构形式由于采用坚固式PC机COMOPACT COMPUTER1类主站一体化控制器工作站要求它的软件完成如下功能主站应用程序的第15页 共25页开发编辑调试执行应用程序从站远程参数化设置主从站故障报警及记录监控程序的开发调试设备在线图形监控数据存储及统计报表等 近来出现一种称为SOFTPLC的软件产品是将通用型PC机改造成一台由软软逻辑实现的PLC这种软件将PLC的编程IECll31及应用程序运行功能和操作员监控站的图形监控开发在线监控功能集成到一台坚固式PC机上形成一个PLC与监控站一体的控制器工作站6 结构类型6 使用两级网络结构这种方案充分考虑了未来扩展需要比如要增加几条生产线即扩展出几条DP网络车间监控要增加几个监控站等都可以方便进行扩展采用了两级网络结构形式充分考虑了扩展余地第16页 共25页第4章 Profibus现场总线的应用41 Profibus现场总线的应用领域对应不同的系统层次现场总线有着不同的应用范围例举了几种主要现场总线的应用范围纵坐标由下往上表示设备由简单到复杂即由简单传感器复杂传感器小型PLC或工业控制机到工作站中型PLC再到大型PLCDCS监控机等数据通信量由小到大设备功能也由简单到复杂横坐标表示通信数据传输的方式从左到右依次为二进制的位传输8位及8位以上的字传输128位及以上的帧传输以及更大数据量传输的文件传输图4-1 现场总线应用范围2 ASISensorloopSeriplex等总线适用于由各种开关量传感器和操作器组织的底层控制系统而DevicenetProfibus-DP和WorldFIP适用于字传输额的各种设备至于Profibus-PAFieldbus Foundation等更多地适用于帧传输的仪表自动化设备所以对我们适用的总线在Sensor和Equipment的区域内在发达国家现场总线技术从20世纪80年代开始出现并逐步推广到现在已经被工业控制领域广泛应用据说2002年欧洲有40的自动化工程项目采用了现场总线控制系统预计到2005年将达6570在国内现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线比如几乎所有外资汽车生产企业都有使用现场总线的生产线啤酒罐装烟草加工机械装配产品包装等生产线也大量使用现场总线一些市政工程也开始使用现场总线在中国20世纪90年中后期引入现场总线至今在技术概念上已被广泛接受用户群和使用面迅速增加和扩大许多自动化项目把现场总线控制作为选择方案之一还有不少本土化的现场总线产品出现并迅速得以产业化目前现场总线技术的应用主要集中在冶金电力水处理乳品饮料烟草水泥石化矿山以及OEM用户等各个行业同时还有道路无人监控楼宇自动化智能家居等新技术领域Profibus是一种国际性的开放的已在世界范围内得到广泛应用的现场总线它于1989年成为德国标准 DIN 19245于1996年成为欧洲标准EN 50170 V2于1999年底成为国际标准IEC 61158的组成部分typeIII目前在世界上有250多家企业生产2000多种Profibus产品产品的范 围满足自动化各领域的应用要求在世界范围内Profibus已经有20多万个应用实例有200多万个Profibus节点已经安装运行Profibus技术和产品在我国的制造业流程工业冶金电力交通水利楼宇等领域的自动化系统中有着广泛的应用现场总线是现场仪表或设备与控制室的控制系统之间的一种开放的全数字化双向通信和多站的通信系统优点有很多他的出现可以说在自动化领域内是继DCS以后的又一里程碑Profibus的应用包括了加工制造自动化过程自动化和楼宇自动化据调查在1996年Profibus已赢得了43的德国市场以及大约41的欧洲市场目前各主要的自动化设备生产厂均为其所生产的设备提供Profibus接口产品范围包括1000多种不同设备和服务约有200种设备已经认证Profibus已在全世界十多万的实际应用中取得成功到1997年1月为止安装的Profibus芯片已超过一百万台 Profibus现场总线技术的应用实例德国尼德豪森电厂概况尼德豪森电厂位于德国西部该厂的K机组采用了热电联产方式总出力达到1012万kW该机组为超超临界机组主汽温为580主汽压力达到27MPa由于采用了过程优化技术整个机组的效率达到了45由于采用了Profibus现场总线技术号称目前全球范围内全面采用数字化电厂技术的装机容量大的机组在投资层面上由于采用Profibus现场总线大幅减少了控制柜电缆以及电缆桥架的数量从而大大降低了施工和工程的费用同时也缩短了工程调试周期并减少了维护量使项目的综合投资降低图4-2 系统配置图 2系统特点DCS 系统包括2700 个模拟量输入模拟量计算点845 个模拟量输出点3 个流量计输入点63 个开关量输入3798 个开关量输出67 个这些信号中采用常规信号的通过ET200 远程IO 进行采集并通过Profibus-DP 与DPU 相连采用HART 协议的仪表通过HART 协议与远程IOET200 通讯整个系统包括721 台马达670 个电磁阀957 个阀门定位器698 台电动执行机构和350 个现场控制器这些智能设备均通过Profibus-DP 与DPU 相连第19页 共25页图4-3 控制设备层与现场智能设备层连接图图4-4 现场智能设备和仪表与DPU 相连Profibus 现场总线系统真正实现了全厂监控提供更加完善有效的设备诊断功能真正实现现场设备的远程编程和维护真正实现了全厂数据的集中管理使设备的状态检修成为可能提供更多的设备信息使操作和维护得到优化现场总线采用Profibus包括DP与PA还有部分HART仪表DP总线有20个双绞线总线段和40个光纤总线段DCS 系统中采用现场总线ProfibusProfibus 达到的水平由于DCS系统中大量采用了Profibus通过现场总线将智能仪表高低压智能保护等装置接入DCS同时现场设备的管理信息设备维修信息等通过现场总线进入DCS和上层SISMIS软件从而实现了机组的优化操作及优化维修管理使整个机组仅配备一个操作员PROFIBUS 现场总线大幅减少了控制柜的数量电缆数量和电缆桥架的数量从而大量减少了施工和工程的费用同时缩短了工程调试周期并减少了维护量因此减少了项目的综合投资自控规模模拟量IO 2703个开关量IO 3865个智能马达保护装置721个电磁阀670个阀门定位器957个电动执行机构698台提供商及供货范围西门子包括DCSDEH变送器智能高中压配电系统低压配电系统电磁阀阀门定位器电动执行机构MISSIS及主控室设计 现场总线应用的优点1开放性基于现场总线的控制系统FCS的技术与标准是公开的而DCS制造厂商的技术与标准却是各有各的专利是封闭的不同厂商DCS之间的通信需要网关2全数字化DCS的主机虽然是数字的但现场仪表则还是利用了模拟技术目前国际标准的信号制为直流4-20 mA因此DCS是一个数模混合的系统而FCS则是一个全数字化的系统现场仪表与主机之间用不到模数AD和数模DA的转换从而减少了IO卡件缩小了IO柜的体积并可提高精度缩短响应时间3双向通信在DCS内变送器向主机发送信号只能是单向的而主机下达给执行器的控制信号也只能是单向的因此变送器与执行器虽然属于同一控制回路彼此之间不能直接通信而在FCS内主机与变送器执行器之间或变送器与执行器之间均可直接进行双向通信4多站所谓多站即FCS中一条现场总线一根双绞线可以连接多台现场仪表然后只要用一根电缆通向主机而DCS中主机与每台现场仪表中能只用一根2芯或4芯电缆一对一地连接因此用电缆的根数要多得多5可互操作性FCS中不同厂商所生产的主机或现场仪表之间都可以相互通信或操作而在DCS中则往往需要接口和驱动软件来实现6彻底分散FCS有丰富的功能模块而且可以将模块植入到现场仪表如将PID等模块植入到现场仪表后即可在现场实现自主调节当然还受到主机的监控从而提高系统的可靠性7智能化FCS中的现场仪表既有多变量变送器如将压力温度流量集中在一台变送器内又都有自诊断等功能相比之下DCS的现场仪表智能化程度很低第22页 共25页参考文献1 阳宪惠主编现场总线技术及应用M北京清华大学出版社19992 刘曙光现场总线技术的进展与展望M自动化与仪表200333 雷霖现场总线控制网络技术M北京电子工业出版社20044 周明现场总线控制M北京中国电力出版社20025 甘永梅等现场总线技术及其应用M北京机械工业出版社2004第23页 共25页总结随着社会生产规模的扩大生产水平的不断提高电气控制技术的发展也在不断前进本课题正是适应了电气控制技术的发展并从实际需要出发提出将先进的现场总线技术与现实生活相结合使该系统与传统的电气自动化技术相互渗透 使该系统在满足输电铁路运输地铁化工空间技术汽车制造prifibus现场总线控制系统的设计在此我们对老师给予我们的帮助表示衷心感谢没有他们的精心指导我们相信不会如此顺利的完成毕业设计 老师在百忙之中对我们的设计给予了细致的指导和建议对我们无数次的提问进行了精确的分析和回答并鼓励我们认真完成大学里最后的任务在对我们讲解的同时并给我们提供了大量资料和文献从而这次的设计能够顺利的完