Profibus在网络化测控系统的中的技术原理及其应用.docx

十阂为也人考（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETRO1.EUM测控技术与测控网络系统结课论文Profibus在网络化测控系统的中的技术原理及其应用班级:姓名:学号:年月日Profibus在网络化测控系统的中的技术原理及其应用摘要：首先简介r当前网络化测控系统的发展过程，现状，趋势，然后举例说明PROFIBUS总线的基本原理,最终分析了PR0FIBUS总线的优缺点以及发展前景.关键字：测控网络，现场总线，PR0F1BUS,应用前景一.当前网络化测控系统发展过程，现状，趋势.网络信息技术的迅猛发展和广泛应用，使很多科学技术和生产领域发生了巨大的变革网络信息技术与智能测控技术的结合，产生了基于网络环境的智能测控新领域，两者的融合正使信息和限制两大领域的相关理论和技术得到快速发展.工业现场测控网络、远程智能测控、网络化分布式智能测控等正成为国内外探讨的热点。这些网络化智能测控技术的发展和广泛深化应用必将极大地变更人们的生产方式、工作方式和生活方式，引起技术的、经济的、社会形态的变革。1 .工业现场测控网络技术1.1 集散限制系统早期的测控系统是由单.片机、Pe机、工控机等为核心的多个分散单元构成，借助于S-100或STD等总线形成测控系统，这样的测控系统由于采纳集中式限制方式,系统的牢靠性低,现场连线长且多，稳定性较差，抗干扰实力较弱，难以实现大范围的有效测控。之后出现了集散限制系统(DCS),其核心思想是集中监视、分散限制，上位操作员站用于家中监视管理功能，DCS的联网手段和网络结构均不敏捷，缺乏开放性。不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层InIranet、InterMt信息网络之间难以实现网络互连和信息共享。集散限制系统实质上是种封闭专用的、不具互操作性的网络限制环境。1.2 现场总线限制系统在用户对网络限制系统提出的开放化、彻底分散化和降低成本的迫切要求下,现场总线限制系统应运而生。现场总线(FieldbUC是将自动化最底层的现场限制器和现场智能仪表设省互连的实时限制通讯网络，遵循ISO的OSl开放系统互连参考模型标准。现场总线限制系统(FCS)是用开放的现场总线通讯网络将自动化最底层的现场限制器和现场智能仪表设齐互连的分布式实时网络限制系统，现场总线是种开放的、具有可互操作性的实时通讯网，FCS将限制功能彻底下放分散到现场各限制器和仪表设备，提高了现场限制仪表设备的智能化程度和功能自治性，系统有更高的牢靠;性和敏捷性、较低的安装及维护成本。FCS是工作站一现场智能仪表设备的二层分布式结构，FCS废弃了DCS的限制站，把DCS限制站分散到现场仪表设备，实现了彻底的全分布式网络测控。功能的分散使得风险分散，因此FCS比DCS有较高的牢罪性。90年头兴起的现场总线技术对工业测控系统的发展带来了很大的影响，其产生的巨大经济效益使得欧美大型限制设备生产集团在近十年来困绕现场总线的国际标准绽开了激烈的竞争，导致了多种标准并存的局面。国际电工委员会(1EC)在2000年I月通过了1EC61158国际标准，该标准包括8种类型的现场总线标准：FF-Hl,ControlNGt1Profibus,P-NET,FF-HSE,SwiftNet1WorldFIP及Interbus。每种类型的现场总线采纳完全不同的通信协议，难以实现这些总线的相互兼容，这种多种现场总线并存竞争的局面还将长期存在。现场总线技术对于而对工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术起到了巨大的推动作用，然而其标准的多样性和开放的不彻底性又不尽人意。1.3工业以太网以太网技术应用手工业测控所形成的工业以太网，其最大的优势在乎它应用的广泛性和开放性.作为IT领域的主流网络技术，以太网经验/近三十年的发展，已经形成了非常巨大的硬件、软件和人才资源.很多成熟的技术和产品都可以干脆移植或借鉴到工业以太网上来。采纳工业以太网，可以实现彻底的技术开放和标准统一，可以和企业信息网Intranet及全球瓦联网Internet实现无缝连接，能便利地实现管控一体化及现场测控网、Intranet、InteEet三级网络的有机融合，实现先进的全企业的、跨地域的分布式管理和测控，极大地提高生产和管理效率。以太网技术的迅猛发展为其进入工业现场测控领域奥定了坚实的基础，工业以太网成为发展的必定趋势。可以预料，工业以太网的飞速发展将结束目前在现场总线标准上的纷争，聘大大提高企业自动化、网络化和信息化的水平。2 .基于Internet的嵌入式系统远程测控技术战入式Internet正成为当前国内外IT业发展的热点象域，也是测控网络发展的重要方向。目前，很多公司都在致力于嵌入式InternCt技术的开发,已提出了多种嵌入式系统与Internet互联的解决方案。如：emWare公司的EMlT技术、MiCroChiP公可的iPlC系列单片机、SCeNIX公司的SX系列单片机、Seiko公司的iChipS7600芯片、P&S公司的WebchipPS2000芯片以及Dallas公司的DS80C400网络微限制器及其TINl技术等就是一些典型的产品和技术。3 .基于MUIti-Agent的网络化智能测控90年头起先,多智能体系统(MAStMulti-AgcntSystem)成为分布式人工智能的探讨热点,其理论尚在不断发展和完善中。MAS由多个Agent组成，Agent是运行于动态环境中具有较高自治实力的智能体，它可以是系统、智能节点、机涔或一个软件程序等。八gent能在目标任务的驱动卜主动实行包括学习、通信、社交等手段感知、适应其外部环境的动态变更，并做出相应的反应.MAS中的各Agent之间具有较为松散和相对独立的分布式关系，多Agent之间能相互对话、相互适应、协同工作，完成单个Agont不能完成的任务。MAS理论和方法是传统的、常规的测控理论和技术难以或无法解决的对困难现场环境、分布对象进行智能测控的有效解决手段。目前，在分布式测控领域，MAS的探讨在国外渐渐增多，国内也在起步，但大多这些探讨或者停留在理论层而，或者只具备不多的Agent特性，并I1.少有与限制算法有机融合。困难工业过程智能测控的需求以及单元自动化系统的普遍存在、工业测控网络的发展必将加速基于MUIti-Agent的网络化智能测控技术的成熟和广泛应用，网络化智能测控技术的发展方兴未艾，是一个非常活跃和具有挑战性的领域,它是计算机与自动化学科相互交叉结合的产物，与计算机网络、自动限制、分布式人工智能等理论和技术有若亲密的关系。这些理论和技术的融合发屣必聘促进现代智能限制新技术、新系统和新理论的产生，耨广泛应用于工业测控、航空航大、交通监管、智能楼宇与家居、汽车自动限制等领域.二.举例说明PROFlBUS总线基本原理1. Profibus的概述Profibus是撼国手90年头初制订的国家工业现场总线协议标准，代号DTN19245.目前PrOfibUS现场总战技术已被列为1EC61158国际标准，是不依旅于设备生产商、开放的,国际化的现场总线标准之一，也是世界上应用最广泛的现场总线技术，应用于制造自动化、流程工业自动化、楼宇、交通、电力等领域的自动化限制系统中。Profibus-主站微控制器PC机485总线图1系统总体结构图2. PROFlBUS的组成(1) ProfibUS-DP是一种斑速(数据传输速率9.6kbs-12Mbs),经济的设备级网络，主要用于现场限制器与分散外设之间的通信，适合于加工自动化领域,可满意交直流调速系统快速响应的时间要求，(2) Pr。CibUS-P八用于过程限制,用IECII58-2标准,传输速率为31.25kbs,供应本质平安特性，适用于平安性要求较高以及由总线供电的场合；(3) Profibus-FNS意为现场信息规范，主要解决车间级通信问题,完成中等传输速率的循环或非循环数据交换任务，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。DlPA以及FMS的完备结合使得Profibus现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线，3. PrOfibUS-DP参考模型Profibus协议结构是依据1S07498国际标准，以开放式系统互联网络作为参考模型的。(1) .ProfibUS-DP定义了第、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，并具体说明白各种不同PrOfibUS-DP设备的设备行为。PrOfibUS-DP物理层与IS0/0SI参考模型的第层相同，采纳ElA-RS485协议，依据数据传输速率的不同，可选用双线线和光纤两种传输媒体。Profibus-DP数据链路层协议媒体访问限制(MR1.)部分采纳受控访问的令牌总线和主从方式。其中令牌总线与局域网IEE四024协议样，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线限制权，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HD1.C中的非平衡正常响应模式(NRM)。该模式的工作特点是:总线上一个主站限制着多个从站，主站与每个从站建立一条逻辑链路:主站发出吩咐，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:数据涟路建立、帧传输和链路释放。(2) .ProfibUS-FMS定义了第、二、七层，应用层包括现场总线信息规苑和低层接口。Profibus-FMS包括了应用协议并向用户供应了可广泛选用的强有力的通信服务.协调不同的通信关系并供应不依靠设备的其次层访问接口.(3) .Profibus-PA的数据传输采纳扩展的Profibus-DP协议。另外,Profibus-PA还描述了现场设备行为的PA行规。依据IECU58-2标准，ProfibUS-PA的传输技术可确保其平安性，而且可通过总线给现场设备供电.运用连接器可在Profibus-DP上扩展PA网络。4. Porfibus总线访问限制方式Porfibus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。主站具有对总线的限制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采纳令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线限制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按PrOfibUS的通信规范，令牌在主站之间按地址编号依次，沿上行方向进行传递。主站在得到限制权时，可以按主一从方式,向从站发送或索取信息,实现点对点通信。主站可实行对全部站点广播(不要求应答)或有选择地向一组站点广播。Profibus的传输速率为9612kbps最大传输距离在12kbps时为100onl,15MbPS时为400m,可用中继器延长至IOkm.其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。5. .PROFIBlS总线具有下面特点：(1).用根串行的数字总线替代传统的并行24V信号和420m模拟信号(2),通过一根双芯屏蔽电缆连接中心限制器和现场设备(3) .同样适用于防爆环境和有平安要求的应用：个系统适合于不同的应用(4) .数据和电源通过同根电缆传输(PA)(5) .对于全部的设备，只须要一个通用的组态和工程工具(6) .连接不同厂商的设备(7) .开放的、不依靠于厂商的现场总线，并符合1EC6U58国际标准(TyPe3)6. Profibus在水电站廊道排水系统的应用用基于ProfibUS现场总线的分布式网络结构，采纳雎主站/多从站方式，包括现场单元、集控单元和现场总线通信3个部分。现场限制单元完成现场信息的采集，独立限制各个集水井的排水操作。集控站对分散的排水系统进行管理，并能远程限制排水泵的启停.高速的现场通信网络完成分散下现场的现场单元与位于中控室的集控站之间的数据传输。系统具有易扩展性和较高的牢靠性。现场限制单元选用3台SiemenSS7-315-2DPP1.C以限制执行机构的启停、开关等，充分发挥P1.C的逻辑输入/输出功能；2台工业限制计算机，内插数据采集和模拟输出模块，用以采集仿真对象的环境场特征值，给变频器供应模拟信号等，以发挥数字计算机模拟信号处理的实力，配置为PentiUmIII850MHz、128MBRM,40GB硬盘以及带32MBRM的显示适配器。在2台服务器以及2台工业限制计尊机内分别配有一块用以连接ProfibUSS7网络的适配卡CP5613.在P1.C中同时配有一块CP542-5卡，CP5613是块具有ProfibUS现场总线协议的通信卡，用以组成一个真正意义上分布式限制系统，CP5613的通信协议采纳的是Profibus,但其物理层采纳是RS-485标准通信规范，即还是采纳双纹线阳45方式传输数据，传输介质采纳A类双线线。7. Profibus系统在循环流化床锅炉限制系统(电力行业)的应用方案以电厂循环流化床锅炉机组限制系统为例，介绍一下现场总线技术在电厂的应用。电厂限制分成:过程限制系统和辅机限制系统主机限制系统： 数据采集(DAS) 模拟班限制(MCS) 发电机变压器组和厂用电源系统依次限制SCS(G) 锅炉炉膛平安监控系统(FSSS) 汽轮机电液限制系统(DEH) 辅机限制系统： 输煤程控： 化学水处理： 除尘除灰： 脱硫系统：近年来，循环流化床锅炉在国内外都得到r广泛的应用，其高效、节能、环保等优点是众所周知的1.1 系统构成限制系统选用了西门子公司的过程限制系统。采纳西门子工控机，配有ST即752编程软件,WinCC6.0监控软件为上位机监控系统。下位机监控系统组成:两套西门子Pl-C-CPU417-2DP,四个ET200M工作站.以PiWIBIS-DP和PROFIBUS-PA作为其现场总线，CP连接的以支持ProfibUS协议的PROFIBUS作为系统总线。1.2 监控系统：监控系统由个操作员站和个工程师站组成。操作员站主要完成与下位机的数据交换（数据采集），显示各种已组态好的系统流程画面、参数显示画面、限制画面、趋势曲线、报警画面，报表打印及限制参数设巴等功能。使操作员可以刚好的了解整个锅炉的运行状况，并采纳有效的限制，以保证生产稔定运行。工程师站主要完成推个监控系统的运行组态，监控数据库组态及显示，各种显示及限制画面的组态，报警组态，事务纪录及显示和实事及历史趋势显示。1.3 3限制方案说明在限制方案中床温及锅炉负荷采纳模糊限制;锅炉液位、过热蒸汽温度，炉膛压力、料床高度、除氧压力、除氧器液位都采纳了传统的PID调整回路。在WlNCC中建立模糊限制规则输入表。通过多变量模糊限制设计工具，并且在WinCC画面中编辑了脱破配方的计算及锅炉效率，水、煤、气、电等参数累计及瞬时的显示.WINCC中建立模糊限制规则输入表建立连接，即可将模糊限制规则下载到P1.C中去.规则限制表可依据锅炉的实际工作状况进行适时修改。由于西门子冗余系统采纳了时间同步的专利技术，可以保证以最快的速度进行主从切换，而且其现场总线网络也采纳了冗余的PROFIBUS技术，保证了系统的牢独性。对于仪表总线可采Y-1.lNK连接到PrOfibUSPA仪表上。系统过程限制级的硬件结构如下图所示。在这个系统中，充分体现了西门子新代过程限制系统的优势。运用的组态软件是西门子的STEP75.2,由其友好的用户功能，标准化的P1.C编程语言，结构化的编程思想，优良的测试功能，用户带来了很大的便利。利用其集成的标准PID限制软件包，能很好的实现传统的PID调推。利用模树限制软件包可建立模糊系统。模糊限制可用于自动化的全部层次，从单独的限制器到整个系统的优化。将模糊限制与经典的PmJRIM器相结合,可以达到最优的限制目的。对于系统的监视和限制，西门子的WlNCC6.0,它是在PC基础上的全面开放的新一代的人机界面监控系统。WlNCC供应成熟牢靠的操作，无论简洁、困难任务，都能有效的组合，恰当的处理，三 .生产生活中的实例造纸厂电力火灾监控采纳PRoFIBUS现场总线分布式网络结构技术，在总线上连接现场监控设令，限制室的限制设备.通过上位机管理软件时刻监控现场的运行状况，刚好发觉报警信息。通过RS485接口,标准MODBUS协议与各种标准系统相连.该系统能有效地对漏电及由于漏电可能引起火灾进行预报和监控，能精确监控电气线路的故障和异样状态，能发觉电气火灾的火灾隐患，刚好报警提示人i去消退这些随患。四 .PROFBUS总畿优缺点，发展前景1.缺点：对于网络的扩展,PRoFlBUS只能机械的增加O1.M或RePeasr等,而且增加的地点多为固定的，产品结构受肯定的限制，开发成本比较高。2.优点及发展前景：（1）节约硬件和安装费用，削减硬件成份（I/O,终端块、隔离楣）,更简洁、更快捷和低成本的安装。（2）节约工程费用更简洁组态（对全部设备只需一套工具），更简洁保养和修理，更简洁和更快捷的系统起动.（3）更大的制造敏捷性,改进功能削减故障时间精确、牢拳的诊断数据牢茅的数字传输技术。（4）PrOfibUS总线有强大的背景：ProfibUS总畿具有独特国际用户组织，现在已成为德国标准，并以SiCmenS公司为主要支持。总之，与其他现场总线系统相比，PROHBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用魄证具有普遍性。并大量采纳成熟、开放和通用的技术以适用各个领域，目前已应用的领域包括加工制造、过程限制和自动化等。PRoFIBUS开放性和不依靠于厂商的通信设想,已在10多万个胜利应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PRoFlBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过o%,i>ro11bus有国际闻名自动化技术装备的生产厂商支持,它们都具有各自的技术优势并能供应广泛的优质新产品和技术服务，并会向着网络结构简洁化发展。结束语PRoFIBUS作为种国际性的现场总线标准，在可编程限制器、传感器、执行器、低依电器开关等设备之间传递数据信息，担当限制网络的各项任务，发挥著重大作用，具有极其可观的发展前景。弁考文献t阳宪惠.现场总线技术及其应用（第2版），清华商校出版社柴猛.Profibus现场总线技术概述,油气田地面工程