《可编程控制器与现场总线网络控制 教学课件 ppt 作者 骆德汉 主编 唐露新 王荣辉 副主编 第9章 基于现场总线Profibus的网络》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可编程控制器与现场总线网络控制 教学课件 ppt 作者 骆德汉 主编 唐露新 王荣辉 副主编 第9章 基于现场总线Profibus的网络（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第九章 基于现场总线Profibus的网络控制系统设计,现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基
2、础。 本章简要介绍了PROFIBUS现场总线的基本组成及特点，并着重以SIEMENS系列产品为例介绍PROFIBUS现场总线的设计及实际应用。,9.1 PROFIBUS的设计方法,PROFIBUS自1984年开始研制，经过十多年的开发、生产和应用，它已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统。目前PNO（Profibus用户组织）已拥有600多个成员，生产近千种产品。Profibus产品在欧洲市场占有率大于40，其主要应用领域有： 制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、 造纸、纺织。 过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。 电力：发电、输配电。 楼宇：空调、风机、照明。 铁路
3、交通：信号系统。,PROFIBUS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，它包含PROFIBUS DP、PROFIBUS PA和PROFIBUS FMS三种类型，如图9.1所示。其中PROFIBUS DP和PROFIBUS PA面向现场级控制，PROFIBUS FMS面向车间级控制和管理。,图9.1 Profibus网络控制系统结构,PROFIBUS通信协议的基础是ISO/OSI的七层网络参考模型，这两种协议采用相同的介质存取协议（第二层）和传输技术（第一层）。表9-1所描述的是与OSI参考模型相对照的PROFIBUS协议结构。,表9-1 PROFIBUS 协议结构,表9-1
4、PROFIBUS 协议结构,Profibus-DP和Profibus-FMS采用了相同的媒体访问控制协议(第2层)和传输技术(第l层)。 Profibus-FMS第1、2和7层均加以定义，第36层没有定义。第7层由现场总线报文规范(FMS)和底层接口(Lower Layer InterfaceLLI)组成。Profibus-FMS包括了应用协议，并向用户提供了广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系，并向FMS提供不依赖设备第2层的访问方式。第2层现场总线数据链路可完成总线访问控制和数据的可靠性，它还为Profibus-FMS提供了RS485传输技术和光纤传输技术，在多台可编程序
5、控制器之间或一台可编程控制器与多台智能设备之间进行数据和信息的传递。 Profibus-PA数据传输采用扩展的Profibus-DP协议，另外还使用了描述现场设备行为的PA规范，根据IEC1158-2标准，这种传输技术可确保其本质安全性，并使现场设备通过总线供电。使用分段式耦合器，Profibus-PA设备能很方便地集成到Profibus-DP网络上。,9.1.1 典型的ProfiBus-FMS系统,Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）用于解决车间级网络控制和通讯任务，提供大量的诸如环境管理，变量存取，区域管理，VFD支持等通信服务。完成中等
6、传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、低压开关设备等一般的自动化控制，一般构成实时多主网络系统。 Profibus-FMS应用层 Profibus-FMS应用层提供了用户使用的通信服务。这些服务包括 : 访问变量 程序传递 事件控制等 Profibus-FMS应用层包括两部分： 现场总线报文规范(FMS)，描述了通信对象和应用服务 低层接口(LLI)，FMS服务到第二层的接口。,2. Profibus-FMS通信模型 Profibus-FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称为虚拟现场设备
7、(VFD)，在实际现场设备与VFD之间建立一个通信关系表，VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。通信关系表是VFD通信变量(如零件数、故障率、停机时间等)的集合。 3. 通信对象与通信字典 FMS面向对象通信，它确认五种静态通信对象，即简单变量、数组、记录、域和事件，还确认两种动态通信对象：程序调用和变量表。 每台FMS设备的所有通信对象都填人对象字典(OD)中。对简单设备，OD可以预定义，对复杂设备，OD可以在本地或远程通过组态加到设备中去。静态通信对象进入静态对象字典，动态通信对象进入动态对象字典。每个对象均有一个唯一的索引，为避免非授权的访问，每个通信对象可选用访问保护。,4.
8、Profibus-FMS服务 Profibus-FMS服务项目是ISO 9506制造信息规范(Manufacturing Message SpecificationMMS)服务项目的子集。这些服务项目在现场总线应用中已被优化，而且还加上了通信对象的管理和网络管理。 Profibus-FMS提供大量的管理和服务，满足了不同设备对通信提出的广泛需求，通信项目的选用取决于不同的应用，具体的应用领域在FMS行规中规定。 5. Profibus-FMS和Profibus-DP的混合操作 FMS和DP设备在一条总线上进行混合操作是Profibus的一个主要优点，两个协议也可以同时在一台设备上执行，这些设备
9、称为混合设备。之所以可能进行混合操作是因为FMS和DP均使用统一的传输技术和总线访问协议，不同的应用功能是通过第2层不同的服务访问点来分开的。,9.1.2 典型的ProfiBus-PA系统,1.Profibus-PA的特性 (1) 适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的现场设备具有互操作性。 (2) 即使在本质安全地区，增加和拆除总线站点也不会影响其他站点的正常运行。 (3) 在过程自动化的Profibus-PA段与制造自动化的Profibus-DP段之间通过耦合器连接，可实现两段间的透明通信。 (4) 适用于IECll58-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。 (5) 在潜在爆炸危
10、险区可使用本质安全防爆型或非本质安全。 Profibus-PA允许在危险场合，不影响其他站的情况下，维护和连接断开设备。,2. Profibus-PA传输协议 Profibus-PA采用Profibus-DP的基本功能来传送测量值和状态，并用扩展的Profibus-DP功能来制定现场设备的参数和进行设备操作。Profibus-PA的第1层采用IECll58-2技术，第2层和第1层之间的接口在DINl9245系列标准的第4部分做出了规定。 3. Profibus-PA设备行规 Profibus-PA行规保证了不同制造商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是Profibus-PA的一个组成部分。
11、行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。 目前，Profibus-PA行规已对所有通用的测量变送器和其他一些设备类型作了大体规定，如压力、液压、温度和流量变送器；数字量输入和输出；模拟量输入和输出；阀门、定位器等。 4. Profibus-PA与Profibus-DP的连接 通过耦合器或链路设备将变送器、转换器和定位器连接到Profibus-DP网络。,9.1.3 典型的ProfiBus-DP系统,1. Profibus-DP的基本功能 中央控制器(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中央控制器
12、的程序循环时间为短，在很多应用场合，程序循环时间约为lOms。除了周期性用户数据传输外，Profibus-DP还提供强有力的组态和诊断功能。数据通信是由主站和从站进行监控的。 2. Profibus-DP系统配置和设备类型 Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置提供了高度的灵活性。在同一条总线上最多可连接126个站点(主站或从站)。系统配置的描述包括站数、站地址和输入输出地址的分配、输入输出数据的格式、诊断信息的格式以及所使用的总线参数。每个Profibus-DP系统可包括以下三种不同类型的设备: DP主站类型1, DP主站类型2和 DP从站。,9.2 基于现场总线P
13、rofibus的应用案例,9.2.1 在制药中的应用 1. 控制系统改造项目需求和系统配置 （1）控制对象和基本需求 三效浓缩器的液位需要测量,因此 ,需要配备3台液位测量计以实现液位的监测控制； 另外，药液的密度是三效浓缩器装置的最重要参数，需配备3台在线密度计； 实现药液密度的随时监测控制。 根据整个生产装置对控制系统的需求，将其分为三部分：三效浓缩和多能提取罐PLC监控系统、全厂数据监视系统、现场关键设备电视监视系统和现场仪表部分。,(2) 三效浓缩和多能提取罐PLC监控系统的系统配置和性能说明 系统输入和输出点数汇总： 2) 系统配置说明： 根据本项目的需求，采用SIEMENS公司具有
14、世界先进水平的S7-300 PLC控制系统。系统包括一个CPU中央处理器；一个工程师兼操作员站；一个操作员站；和两个分布式I/O站。CPU中央处理器选用CPU315-2DP，它与分布式I/O站ET200M的连接通过PROFIBUS-DP现场总线连接，传送速率高达12Mbit/S。中央处理器与操作员站的通过MPI网连接。工程师操作员站安装STEP 7控制组态软件包和操作员站组态和运行软件包。系统的其他辅助设备还包括：机柜、操作台、端子、电源打印机等。,3) 三效浓缩和多能提取罐控制系统图见图9.2所示。 4) 主要技术性能说明 控制站处理器的循环周期小于200MS。 模拟量I/O具有诊断功能，可
15、以对输入、输出短路和断路进行报警。 控制站具有故障诊断功能并能提示操作人员进行维护。 控制器与I/O之间的通讯采用PROFIBUS-DP的现场总线，传递速率高达12M波特率，通讯距离达100M。 STEP 7可视化的编程环境,标准的功能块,能非常简单的实现PID等常规控制回路和复杂的逻辑回路控制。 STEP7的软件包能实现在线下载、在线测试，并能监测所有的内部变量和系统硬件状态。 STEP7 的软件包和WINCC的软件包完全集成在一起，从而，所有的组态变量能在操作站画面中直接连接 。,图9.2 三效浓缩和多能提取罐控制系统图,5) 主要技术指标 控制器 CPU315-2DP的处理能力：位操作0
16、.3微秒,浮点数操作50微秒,模拟量512通道,数字量8192。 数字输入模块 通道数：16;输入电压：1：15-30VDC 0：-3-5VDC;功耗：3.5W 模拟量输入模块 通道数：8/用于热电阻测量时为4 输入范围和阻抗： +-80毫伏/10M欧姆 +-250毫伏/10M欧姆 +-500毫伏/10M欧姆 +-1伏/10M欧姆 +-2 .5伏/10M欧姆 +-5伏/10M欧姆 15伏/100M欧姆 +-10伏/100M欧姆 +10毫安/25欧姆 +3.2毫安/25欧姆 +20毫安/25欧姆 020毫安/25欧姆 420毫安/25欧姆 150欧姆/10M欧姆 300欧姆/10M欧姆 600欧姆/10M欧姆 E,N,J,K 型热电偶/10M欧姆 Pt100/10M欧姆 Ni100/10M欧姆,数字量输出模块 通道数：16 输出电压：24 VDC 输出电流：0.5A 功耗：4 .9W,模拟量输出模块 通道数：4 供电电压：24VDC 输出电流：0-20MA 隔
