（檢測技術與自動化裝置專業(yè)論文）差壓變送器profibusdp從站的開發(fā).pdf

上海大學碩士學位論文 摘要 隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，控制策略變得越來越復雜，控制系統(tǒng)也越 來越龐大，這對現場儀表的要求也越來越高，未來現場儀表將向著多參數、微型 化、智能化和網絡化方向發(fā)展。在眾多的現場總線標準中，過程現場總線 ( p r o f i b u s ) 標準以其國際化、開放式、不依賴于設備生產商的種種優(yōu)勢，成為當 前世界及國內爭相研究的對象。本文進行了差壓變送器p r o f i b u s - d p 總線接口從 站模塊的設計與開發(fā)，主要進行如下研究工作： 1 、首先介紹了本文的選題背景以及國內外動態(tài)，在此基礎上討論了 p r o f i b u s - d p 標準的各種特點以及協(xié)議的具體細節(jié)，并對p r o f i b u s - d p 通信過 程作了深入探討。 2 、設計并實現了p r o f i b u s - d p 從站模塊。給出了變送器的基本結構、從站 接口的總體設計，采用了m c u + s p c 3 的實現方案，并利用p r o f i b u s - d p 從站狀態(tài) 機模型進行了從站軟件的模塊化設計。 3 、根據智能差壓變送器嵌入p r o f i b u s - d p 總線接口的上位機設計要求，采 用v i s u a lb a s i c6 0 開發(fā)了相應配置軟件d p t - c f g ，使變送器能有效地在生產 及使用過程進行參數標定、監(jiān)視和組態(tài)。 4 、研究并仿真了差壓變送器的非線性校正功能。提出了一種利用支持向量 機( s v m ) 進行傳感器非線性誤差校正的新方法。核函數的構造是該方法的關鍵， 本文選取了r b f 核函數，由于它數值限制條件少、模型相對簡單，因此利用它可 以隱式地將訓練數據映射到高維空間，實現非線性變換中的線性分類，得到用于 函數擬合模型的s v m 。根據差壓傳感器的實驗數據仿真表明：算法取得了較好的 效果，傳感器的非線性度達到0 0 3 f s ，為傳感器或儀表的非線性校正提供了 一種新的方法。 最后對課題的研究工作進行了總結與展望。 關鍵詞： p r o f i b u s d p ，差壓變送器，協(xié)議，配置軟件，支持向量機 上海大學碩士學位論文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d a n dc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t o fi n d u s t r i a l a u t o m a ti o n ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dt h es i z e o fc o n t r o ls y s t e mi sb e c o m i n gb i g g e ra n db i g g e r ，w h i c hm e a n st h er e q u e s t o ft h ef i e l di n s t r u m e n t sism o r ea n dm o r es t r i c t i nt h ef u t u r e ，t h ef i e l d i n s t r u m e n tw i l ld e v e l o pi nm u l t i p a r a m e t e r 、m i c r o m a t i o n 、i n t e l l i g e n ta n d n e t w o r kd i r e c t i o n s i nm u l t i t u d i n o u sf i e l db u ss t a n d a r d ，t h ep r o f i b u s s t a n d a r dh a st h em e r i t so fi n t e r n a t i o n a l i z a t i o n ，o p e n i n g ，n o td e p e n d i n g o nt h ed e v i c em a n u f a c t u r ee t c ，w h i c hi sb e c o m i n gt h eo b j e c tm a n yc o u n t r i e s s t u d yo n a ni n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o nb a s e do np r o f i b u s d p i st h e r e s e a r c ho b j e c ti nt h i st h e s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n do fs e l e c t i n gt h i ss u b j e c ta n d t h ed e v e l o p m e n t a b o u tt h i ss u b j e c ta r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h e s e ，t h ec h a r a c t e r so ft h e p r o f i b u s d ps t a n d a r da n di t sp r o t o c o la r ed i s c u s s e d s e c o n d l y ，a ni n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o nb a s e do n p r o f i b u s d pi s d e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r eo ft r a n s m i t t e ra n dt h eo v e r a l l d e s i g no fs l a v ei n t e r f a c e sa r ei n t r o d u c e d s e v e r a ls o f t w a r em o d u l e sa r e i m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h es t a t em a c h i n eo fp r o f i b u s d ps l a v e t h i r d l y ，t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed p t c f gi si m p l e m e n t e du s i n g v i s u a lb a s i c6 0 ，w h i c hm a k e st h et r a n s m i t t e rr e a l i z et h ef u n c t i o no f p a r a m e t e rc a l i b r a t i o n 、m o n i t o r i n ga n dc o n f i g u r a t i o n f o u r t h l y ，s e l f - c a l i b r a t i o nf u n c t i o na n ds e l f - c o m p e n s a t i o nf u n c t i o n o ft h et r a n s m i t t e ra r er e s e a r c h e d t h en e wr e s e a r c ho fc o r r e c tn o n li n e a r e r r o r sm a k i n gu s eo fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n e f o rt r a n s m i t t e r si si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r i ti si m p o r t a n tt oc h o o s ea no p t i m a lk e r n e li no r d e rt o e n h a n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es v m t h e nw ec h o o s er b fk e r n e lf u n c t i o n ， w h i c hh a sf e w e rn u m e r i c a lc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa n dc o m p a r a t i v e l ys i m p l e m o d e l t h u s ，w ec a nu s et h ef u n c t i o nt om a pt h et r a i n i n gd a t ai n t ot h e u 二海文學碩士學位論文 h i g hd i m e n s i o ns p a c e 。r e a l i z et h e1 i n e a rc l a s s i f i c a t i o no ft h en o n l i n e a r t r a n s f o r m ，g e t st h es v mf o rf u n c t i o nm o d e l i n g i nt h ee n d ，t h r o u g h s i m u l a t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r s ， t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en o n l i n e a r i t yo f o 0 3 ，a n dt h u sa r e a l i s t i cn e wt e c h n i q u ei sp r o v e df o rt h en o n l i n e a rc o m p e n s a t i n go ft h e t r a n s m i t t e r s i nt h el a s t ，s u m m a r ya n de x p e c t a t i o no ft h er e s e a r c ha r es t a t e d k e yw o r d s ： p r o f i b u s d p ， d i f f e r e n t i a l p r e s s u r et r a n s m i t t e r ，p r o t o c o l ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e i i i 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作。 除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：e l 期堂避：弓瀘 本論文使用授權說明 本人完全了解上海大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學 校有權保留論文及送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？?以公布論文的全部或部分內容。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 簽名： 導師簽釜籃日期 山q 侈弓擴 上海文學碩士學位論文 1 1 概述 第一章緒論 2 0 世紀9 0 年代以來，隨著計算機技術、自動控制技術、通信技術( 3 c 技術) 的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的儀表在軟硬件、功能、結構上發(fā)生了很大變化，已從傳統(tǒng)意 義上的儀表向多功能、智能化、網絡化、模塊化、小型輕量化等方向發(fā)展。由微 計算機，傳感器和通訊等技術結合而產生的功能強大的智能傳感器、變送器可以 準確、及時地獲得并處理信息，提高了收集環(huán)境信息的有效性和速度。智能化、 數字化、網絡化的變送器已成為當今科技界研究的熱門課題。 另外，8 0 年代末、9 0 年代初，新一代全分布式控制系統(tǒng)現場總線控制 系統(tǒng)( f c s ) 應用而生，現場總線( f i e l d b u s ) 正是這種新型控制系統(tǒng)的核心技術。 該技術集控制、計算機、數字通信、網絡、智能傳感器、自動化儀表等技術為一 體，主要用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備的互 連通信。由于采用現場總線技術可以促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、 控制系統(tǒng)開放化，適應了工業(yè)控制系統(tǒng)領域的技術發(fā)展趨勢，并且給自動化系統(tǒng) 的最終用戶帶來了更大的實惠和更多的方便，因此，它一經產生便成為工業(yè)自動 化技術的熱點，受到全世界的普遍關注，并被稱為控制技術新時代的開端?，F場 總線控制系統(tǒng)( f c s ) 也必將成為工業(yè)自動化的主流。 本章將以變送器發(fā)展的歷史進程為主線，對智能傳感器、差壓變送器和總線 式智能變送器分別進行介紹，闡明本課題的研究背景、內容和意義h _ 洲。 1 2 智能傳感器的發(fā)展 通信功能可采用標準化總線接口，進行信息交換，這是智能傳感器的關鍵標 志之一。智能傳感器的出現將復雜信號由集中型處理變成分散型處理，即可以保 證數據處理的質量，提高抗干擾性能。同時又降低系統(tǒng)的成本。它使傳感器由單 一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測發(fā)展，使傳感器由被動進行信號轉換向 主動控制和主動進行信息處理方向發(fā)展，并使傳感器由孤立的元件向系統(tǒng)化、網 上海大學碩士學位論文 絡化發(fā)展。 現場總線( f i e l db u s ) 已成為自動化技術發(fā)展的熱點。早在8 0 年代，就已提 出現場總線的概念，但由于剛開始沒有一個統(tǒng)一的國際標準，各個企業(yè)和企業(yè)集 團相繼開發(fā)自己的總線產品和制定總線標準，導致目前多種現場總線并存的局 面。目前較流行的現場總線主要有c a n 、d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、 f f 現場總線等。 現場總線是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結 構的通訊網絡。它不僅是一種通信技術，也不僅僅是用智能儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬 儀表，關鍵是用新一代的現場總線控制系統(tǒng)f c s 代替了傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)d c s ， 實現了現場通訊網絡與控制系統(tǒng)的集成。 f c s 和d c s 相比其優(yōu)點為： ( 1 ) 將大部分的基本控制任務下放到現場的智能儀表中去，實現了真正的“分 散控制 。 ( 2 ) 它用一對信號線雙向傳輸多路信號，可減少1 2 - - 2 3 的隔離器、端子柜、 i o 設備、i o 卡件，并可大量減少電纜、導線、螺釘等材料費和現場安裝費等 費用。 ( 3 ) 可應用先進的智能化的現場儀表。操作員在控制室里可直接了解現場設 備和現場儀表的工作狀況，也能對其進行參數調整，還可以預測或尋找故障， 提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性、可維護性。 ( 4 ) 用于現場的設備和儀表引入功能塊的概念，所用制造商都使用相同的功 能塊，并采用統(tǒng)一的組態(tài)方法。這就使組態(tài)變得非常簡單。 ( 5 ) 現場總線為開放式的互聯(lián)網絡，所有技術標準全是公開的，所有制造商 必須遵循，這樣，就真正打破了以往d c s 系統(tǒng)的封閉性，用戶可以自由選擇不 同品牌的設備以達到最佳的系統(tǒng)集成。 目前，智能化傳感器技術正處于蓬勃發(fā)展時期，具有代表意義的典型產品如 霍尼韋爾公司的s t - 3 0 0 0 系列智能變送器，其敏感元件是在同一塊硅片上用離 子注入等i c 技術制作差壓、靜壓、溫度三種敏感元件，測量差壓信號的同時測 量了密切影響差壓的靜壓和溫度信號，最終經過內置微處理器的處理，有效解 決了交叉靈敏度對測量的影響問題。其精度高、量程寬、穩(wěn)定性強并具有自診 斷功能和通訊功能n 3 1 0 1 。 2 上晦大學碩士學位論文 1 3 智能差壓變送器 1 3 1 智能差壓變送器的特點 智能差壓變送器( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r ) 保持了常規(guī)變送器穩(wěn)定性 高、體積小、結構簡單、安裝方便、采用電子傳感技術的優(yōu)點，還進一步提高了 測量精度，改善了溫度特性，擴展了量程比，采用數字技術增添了遠程通信、自 診斷智能化功能，極大地滿足了工業(yè)過程測量對可靠性的更高要求。 1 3 2 智能差壓變送器的應用 差壓變送器是工業(yè)生產中重要的測量儀表，除了可以用來測量差壓和壓力 外，還可以用來檢測生產過程中流體的流量、液位、密度等參數。 流量測量：在流量測量和計量中用差壓變送器，簡單可靠，使用方便。在流 體流過的管道上安裝一個節(jié)流裝置，流體流過時，在它的前后產生差壓，差壓的 大小與流過的流體流量有關。因此可以用節(jié)流裝置( 孔板、噴嘴或文丘利管) 配用 差壓變送器來測量流量。 流量與差壓的關系為q = k p ，一般在用差壓變送器測量流量時，都在輸出 串接一個開方器，加入開方器后，流量與開方器的輸出信號成正比關系。 液位測量：差壓變送器的另一典型應用是檢測液位，ap = yh ，y = 常數時， p 和h 成正比。所以在密度y 幾乎不變的場合，利用差壓變送器可以測量液 位h 。差壓變送器測量液位只能在密度比較穩(wěn)定的情況下使用，密度的變化對 測量精度有影響。 密度測量：從差壓變送器測量液位的原理知道，在密度等于常數的情況下， 差壓變送器的輸出正比于液位；同樣在液位等于常數的情況下，差壓變送器的輸 出正比于密度，所以可以利用差壓變送器來測量密度上，配上微處理機，因此它 們是微機和通信技術進入變送器的產物n “5 。 1 3 3 智能差壓變送器的現狀及發(fā)展方向 進入9 0 年代，由于電子技術、計算機技術的高速發(fā)展以及微電子機械技術 3 上海文學碩士學位論文 ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a lt e a r h o n o l o g y 簡稱m e m t ) 的出現，使d p t 越做越 小，功能也越來越強，正向微型化、高精度、智能化、數字化方向快速發(fā)展。 1 3 3 1i ) p t 市場規(guī)模 d p t 在自動化儀表領域發(fā)展較早，5 0 年代就進入商品化工業(yè)應用，然而直 到7 0 年代開始才有很大發(fā)展，其后快速增長。由于d p t 應用范圍廣，用量大， 所以當前國外d p t 制造廠也特別多。較有競爭力的d p t 制造廠有美國 r o s e m o u n t 公司，以電容式傳感器為主的1 1 5 1 系列和3 0 5 1 系列d p t ；美國 h o n e y w e l l 公司，以擴散硅復合傳感器為主的s t 3 0 0 0 9 0 0 系列d p t ；日本 y o k o g a w a 公司，以單晶硅諧振式傳感器為主的f a a 系列d p t ；日本f u j i 公司的硅微電容傳感器為主的f c x 系列d p t ；美國f o x b o r o 公司擴散硅式傳 感器的8 4 0 8 6 0 系列d p t 和多晶硅固態(tài)傳感器的f a s 系列d p t ；法國 e l s a g b a i l c y 公司電感式p t s 系列d p t ；英國a b bk e n t - - t a y l o r 公司浮動雙 電感傳感器6 0 0 t 系列d p t ；德國s i e m e n s 公司的擴散硅式t m f 系列 d p t ；德國e n d r e s s + h a u s e r 公司陶瓷電容式p m c p m d 系列d p t ；英國 m o o r e 公司雙硅電容式x t c 系列d p t 等畸7 8 1 。 1 3 3 2 我國的d p t 狀況 隨著工業(yè)水平的不斷提高，控制策略將越來越復雜，控制系統(tǒng)越來越龐大， 控制要求也不斷提高，對差壓變送器的要求也越來越高。具體而言就是高精度， 對測量對象和使用環(huán)境的適應性強，小型化，安裝維護簡便，尤其是可靠性高， 因為變送器性能的穩(wěn)定可靠將關系到整個自動化系統(tǒng)的可靠和安全?？梢钥闯鑫?來變送器的多變量測量、小型化和全數字化通信將成為今后變送器的發(fā)展方向。 我國d p t 起步相對較晚些。由于我國工業(yè)基礎相對落后，自主開發(fā)微位移 一電子式d p t 較為成功的企業(yè)較少，大多采取了引進技術或合資組裝生產為 主。如西安儀表9 廠、北京遠東儀表廠在8 0 年代，上海自動化儀表一廠在9 0 年 代初，均從美國r o s e m o u n t 公司引進1 1 5 1 系列電容式d p t 。1 9 9 5 年四川儀 表集團四川儀表七廠與日本y o k o g a w a 引進合資e j a 系列d p t 。上海光華儀 4 上海大學碩士學位論文 表廠依靠自己力量于1 9 8 1 年成功開發(fā)了相當于1 1 5 1 系列的c e c 系列電容 式d p t 。上海光華儀表廠不僅能生產常規(guī)d p t ，而且是國內唯一能生產符合核 電站要求的c e c ( h ) 系列核安全級d p t 。( 國外也僅有少數企業(yè)能生產核級 d p t ，如r o s e m o u n t 公司的1 1 5 2 1 1 5 3 系列核級d p t ：e l a g b a i l e y 公司的 b i b l o c 系列核級d p t ) 7 ，引。 1 4 總線式智能傳感器的發(fā)展狀況 總線式智能傳感器采用的基本技術原理是：將傳感器的微弱電信號放大后， 經a d 變換器轉換為數字信號，送入c p u ，依靠靈活和豐富的軟件對輸入數據 進行數字濾波、誤差補償、工程量提取等，并能進行各種功能組態(tài)。每個智能傳 感器配置一個數字通信模塊，以標準通信協(xié)議將所需數據傳輸至監(jiān)測節(jié)點并實現 傳感器、執(zhí)行器之間信息的對等交換。各傳感器和執(zhí)行器以這個數字通信模塊為 基礎構成分布式系統(tǒng)，如圖1 1 所示。 圖1 1 總線式智能傳感器的內部示意圖 2 0 0 1 年1 1 月1 2 日，北京華控技術有限責任公司開發(fā)的f f ( f o u n d a t i o n f i e l db u s ) 溫度變送器h k - f 1 0 2 t t 在美國a u s t i n 通過現場總線基金會( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的可互操作性測試。這是中國第一個得到該基金會認證的f f 智能儀表。 5 上海大學碩士學位論文 2 0 0 3 年甘肅工大郝曉弘研發(fā)出基于f f 協(xié)議的智能變送器，這個變送器是 在美國r o s e m o i 肘r 4 4 4 溫度變送器的技術基礎上，采用了先進的微處理器技 術及f f 協(xié)議通信技術，既有4 4 4 溫度變送器的高可靠性，高穩(wěn)定性，又有智 能化儀表的通信，自診斷，自校驗，非線性修正，遠距離調整等功能，儀表精 度達o 2 。 2 0 0 0 年大慶石油學院計算機科學系郭福田在現場檢測儀表中應用與現行 4 2 0 m a 模擬信號兼容的數字通信h a r t 協(xié)議的研制工作?；趆 a r t 協(xié)議的 儀表既保留傳統(tǒng)兩線制傳輸的優(yōu)點，并且還可實現多主通信、多點控制，易于對遠 距離現場儀表進行組態(tài)控制。這種儀表已用于大慶油氣田射孔器材監(jiān)測中心的 沙巖靶射孔檢測系統(tǒng)該系統(tǒng)自投運以來，采集數據精確度高，運行可靠，滿足了檢 測系統(tǒng)要求。 1 9 9 9 年1 月浙江大學控制系楊江利用帶c a n 控制器的高性能8 位單片機 8 0 c 5 9 2 ，研制了能同時接受8 路不同測溫元件輸入的帶現場總線接口的新型智 能溫度變送器，該智能溫度變送器用高精度電子電位差計和標準電阻箱進行標 定，轉換精度達0 2 。 2 0 0 4 年8 月上海大學王海寬提出了智能差壓變送器d e v i c e n e t 現場總線從 站模塊的設計實現方案。系統(tǒng)硬件主要由信號調理電路、進行數字信號處理及 組態(tài)的d s p 、實現網絡協(xié)議及接口通訊的m c u 、c a n 控制器s j a l 0 0 0 等組成。 2 0 0 2 年北京科大信息工程學院史雪飛利用l o n w o r k s 設計了對有毒氣體進 行檢測的智能節(jié)點，他的硬件核心采用n e u r o n 芯片，根據它所擁有的1 1 個雙 向，可編程的i o 口，可以靈活選擇接口方式，軟件編程語言采用n e u r o n 芯片 自帶的n e u r o nc ，實現了在有毒氣體超過一定濃度后報警的功能。 2 0 0 3 年，華北電力大學自動化系張奇智的設計了基于w o d d f i p 現場總線 技術的智能壓力變送器，根據測量精度和微控制器接口的要求，利用可編程邏輯 器件實現設計要求，將支持w o r l d f i p 現場總線協(xié)議的通信微控制器m i c r o f i p 作為通信圓卡的硬件，實驗證明，測量電路的測量功能滿足設計要求，輸出測量脈 沖穩(wěn)定，同時通信圓卡可以實現基于w o r l d f i p 總線協(xié)議機制的變量傳送功能，設 計達到預期目的。最后還提出，在未來1 0 年后全數字化的現場總線儀表將淘汰 市場現有的基于h a r t 協(xié)議的測量儀表國1 0 u 1 “1 “1 4 1 。 6 上海大學碩士學位論文 1 5p r o f i b u s 現場總線概述 1 5 1 現場總線概述 根據國際電工委員會 e c 標準和現場總線基金會f f 的定義：現場總線是連 接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，也 被稱為開放式、數字化、多點通信的底層實時控制網絡。 現場總線技術將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有 了數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某些控制、通信任務的網絡節(jié)點。 采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表、計算機等作為 網絡節(jié)點連接成網絡系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產控制現場的 多個微機化測量控制設備之間、以及現場儀表與用作監(jiān)控、管理的遠程計算機之 間，實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)。 現場總線不單單是一種通信技術，其意義不僅僅是用數字儀表代替了模擬儀 表，更重要的是引起了整個控制系統(tǒng)體系結構的根本性變革。它給自動化領域帶 來的變化，正如計算機網絡給單臺計算機帶來的變化n 仉1 “1 。 1 5 2 現場總線技術的特點與優(yōu)點 現場總線控制系統(tǒng)既是一個開放通信網絡，又是一個全分布控制系統(tǒng)。它作 為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網絡節(jié)點的智能設備連接為網絡 系統(tǒng)，并進一步構成自動化系統(tǒng)，實現基本控制、參數修改、報警、顯示、監(jiān)控、 優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能，它是以智能傳感器、控制、計算機、數字 通信、網絡為主要內容的綜合技術?，F場總線系統(tǒng)在技術上具有以下特點： ( 1 ) 系統(tǒng)的開放性。開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調對標準的 共識與遵守。 ( 2 ) 可互操作性與互作用性。可互操作性是指實現互聯(lián)設備間、系統(tǒng)間的信 息傳遞與溝通；而互作用性意味著不同生產廠家性能類似的設備可實現相互替 換。 ( 3 ) 現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處 7 上海文學碩士學位論文 理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅依靠現場設備即可完成自動控制的基 本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。 ( 4 ) 系統(tǒng)結構的高度分散性?，F場總線已構成一種新型的全分散控制系統(tǒng)體 系結構。從根本上改變了現有d c s 集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡 化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。 由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統(tǒng)結構簡化，使控制系統(tǒng)從設 計到正常生產運行及其檢修維護，都體現出如下優(yōu)越性： ( 1 ) 節(jié)省硬件數量與投資。由于現場總線系統(tǒng)中分散在現場的智能設備能直 接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨 的調節(jié)器。 ( 2 ) 節(jié)省安裝費用。現場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜 上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設 計與接頭校對的工作量也大大減少。 ( 3 ) 節(jié)省維護開銷?，F場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，通過 數字通信將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診 斷維護信息，以便快速分析故障原因并快速排除。 ( 4 ) 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。由于現場總線設備的智能化、數字化， 與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同 時，由于系統(tǒng)的結構簡化，設備與連線減少，現場設備內部功能加強，減少了信 號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性n 仉1 1 一別。 1 5 3p r o f l b u s 現場總線 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l db u s 的縮寫，由以s i e m e n s 公司為主的十三 家工業(yè)企業(yè)和五家研究機構聯(lián)合推出，是聯(lián)邦德國于九十年代初制定的國家工業(yè) 現場總線協(xié)議標準，代號d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年經歐洲電工委員會批準成為歐洲 標準e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 9 年1 2 月被批準成為國際標準i e c 6 1 1 5 8 的組成部分 ( t y p e l i i ) ，因此，p r o f i b u s 已經成為一種國際化的、開放的現場總線標準。 要進行現場總線系統(tǒng)設備的設計，必須對p r o f i b u s 的功能有深刻的理 解，這需從以下幾個方面把握：深刻理解總線存取方式，由于現場總線集成在計 8 上海文學碩士學位論文 算機網絡環(huán)境中，只有對總線存取方式有深刻的理解才可能對現場總線設備進行 設計；深刻理解d p 功能；主從站間的數據傳送、地址分配；系統(tǒng)配置，包括 單主和多主配置方案；運行模式；通信協(xié)議等n h1 “1 。 1 5 3 1p r o f i b u s 現場總線的組成 p r o f i b u s 由3 部分組成：即p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ，現場總線報文規(guī)范) 、p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ，分 散型外圍設備) 和p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ，過程自動化) 。 ( 1 ) p r o f i b u s f m s 的設計旨在解決車間監(jiān)控級通信任務，提供大量的通信 服務?？删幊绦蚩刂破? 如p l c ，p c 機等) 之間需要比現場更大量的數據傳送， 用以完成中等傳輸速度進行的循環(huán)與非循環(huán)的通信服務，但通信的實時性要求低 于現場層。其應用層提供了供用戶使用的通信服務，它包括現場總線信息規(guī)范及 低層接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 兩部分。其主要功能有上下關系管理、配 置管理及故障管理等。 ( 2 ) p r o f i b u s d p 是一種高速和便宜的通信連接，也是使用最廣泛的總線系統(tǒng)之 一，用于自動控制系統(tǒng)和設備級分散的i 0 之間現場層的高速數據傳送。在這一 級，中央處理器( 如p l c ，p c ) 通過高速串行線同分散的現場設備( i o 、驅動器、 閥門等) 進行通訊?？偩€循環(huán)時間必須比主站( p l c ) 程序循環(huán)時間短。除周期性用 戶數據傳輸外，p r o f i b u s d p 還提供智能化現場設備所需的非周期性通信，以 進行組態(tài)、診斷和報警處理。 埔f 口，i i h t o l t l m m ，i c p _ 1 0 f l t i s 口p ，柚，i v j f 聃 餮；ii i o ii 髓褲辨fl 猛蕃 圖1 2p r o f i b u s 應用范圍 它安裝簡單、拓撲結構多樣、易于實現冗余、通信實時可靠、功能比較完善， 9 靄芷薪 上海大學碩士學位論文 這些使得它適用于各種工業(yè)自動化領域。p r o f i b u s d p 與p r o f i b u s p a 共享 一個通用的通訊協(xié)議。 ( 3 ) p r o f i b u s p a 專為過程自動化而設計的，它可使傳感器和執(zhí)行器接在一 根共用的總線上。根據i e c 6 1 1 5 8 2 國際標準，p r o f i b u s p a 可用雙絞線供電技 術進行數據通信，數據傳輸采用擴展的p r o f i b u s d p 協(xié)議和描述現場設備的隊 行規(guī)。p a 將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力、溫度和液位變送器等現場設備 連接起來，并可用來替代4 2 0 m a 的模擬信號。 p r o f i b u s 是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現場設備層數據通信和控 制的現場總線技術。一個典型的自動化系統(tǒng)( p r o f i b u s ) 應該是三級網絡結構， 如圖1 2 所示。可實現現場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數字控制和現場通信網 絡，從而為工廠綜合自動化和現場設備智能化提供可行方案n 15 1 6 ，1 7 1 。 1 5 3 2p r o f i b u s - d p 概述 p r o f i b u s d p 的設計旨在用于現場一級的高速數據通信。在這一級，中 央控制器( 如p l c p c ) 通過高速串行線同分散的現場設備( 如i o 、驅動器、 閥門等) 進行通信。與這些分散的設備進行數據交換多數是循環(huán)的。根據i e c 1 1 5 8 標準，這些數據交換所需的功能是由p r o f i b u s d p 的基本功能所規(guī)定 的。除了執(zhí)行這些循環(huán)性功能外，智能化現場設備還需非循環(huán)通信以進行組態(tài)、 診斷和報警處理。這些非循環(huán)功能在p r o f i b u s 2 0 4 2 號規(guī)則中加以說明。 在實現通信時p r o f i b u s d p 采用主站和從站協(xié)調來工作。主站主要負責 總線通信的控制與管理。當主站獲得總線控制權( 令牌) 時，不用外界請求就可 以主動發(fā)送信息。因此也稱之為主動站。從站為外圍設備，典型的從站包括：輸 入輸出裝置、閥門、驅動器和測量變送器。它們沒有總線控制權，僅對接收到的 信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。從站也稱為被動站n 引6 1 7 3 。 1 5 3 3p r o f i b u s - d p 的基本特性 對于一個成功的現場總線系統(tǒng)來說，僅僅提供一個高速數據通信能力不是唯 一的標準。對用戶來說，安裝和服務的簡便，良好的診斷能力和無差錯的傳輸技 1 0 上海大學碩士學位論文 術也很重要。p r o f i b u s d p 則是這些特性的優(yōu)化結合。 ( 1 ) 速率：在一個有著3 2 個站點的分布系統(tǒng)中，p r o f i b u s d p 對所有站 點傳送5 1 2 b i t 的輸入數據和5 1 2 b i t 輸出數據，在1 2 m b i t s 時只需l 毫秒。與 p r o f i b u s f m s 相比，速率大大提高的主要原因是p r o f i b u s d p 采取了第二 層的收發(fā)數據( s l m ) 服務功能，這種功能使得輸入和輸出數據在單一周期內完 成。 ( 2 ) 診斷功能：通過擴展的p r o f i b u s d p 診斷功能可對故障進行快速定位。 診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。這些診斷信息分為三級：站診斷，診斷信 息表示整個設備的一般運行狀態(tài)，如溫度過高，電壓過低。 ( 3 ) 模塊診斷：診斷信息表示一個站點的某具體i o 模塊出現故障( 如8 位 的輸出模塊) ( 4 ) 通道診斷：診斷信息表示某個單獨的輸入輸出位的故障( 如輸出通道7 短路) n 5 1 6 州。 1 5 3 4p r o f i 叫s - d p 的發(fā)展狀況 p r o f i b u s 由德國s i e m e n s 公司等1 3 家企業(yè)和5 家研究機構于1 9 8 7 年聯(lián) 合開發(fā)是目前歐洲乃至全球應用最廣泛的總線系統(tǒng)，他速度快且成本低，幾乎 所有的p l c 產品和極多的自動化外設產品都提供p r o f i b u s 接口，這其中包括各 種傳感器、變送器、氣動閥、電磁閥和繼電器等。截至2 0 0 5 年，全球已有上百 家企業(yè)( 如著名的s i e m e n s 、a e g 、a b b 公司等) 加入p r o f i b u s 組織，開發(fā)出 2 5 0 0 多種產品，已有超過一千萬個節(jié)點成功應用于工業(yè)自動化領域。 目前，國外一些大的儀表制造廠商( 如著名的s i e m e n s 、a e g 、a b b 公司 等) 都推出了p r o f i b u s - d p 現場總線控制系統(tǒng)及相應的現場總線產品，許多 智能儀表和設備具備了p r o f i b u s d p 接口，這些智能儀表和設備包括傳感器、 執(zhí)行器、閥門、馬達、繼電器、開關電源等。隨著p r o f i b u s - d p 現場總線控 制系統(tǒng)在國際市場上的廣泛應用和不斷發(fā)展，國外的儀表制造廠商也正加快研 制新的具有p r o f i b u s - d p 接口智能儀表和設備的步伐。就國內而言，我國的 自動化企業(yè)和科研單位在跟蹤p p r o f i b u s - d p 現場總線技術發(fā)展的同時，也先 后開始了p p r o f i b u s - d p 現場總線的研究工作。1 9 9 7 年7 月中國現場總線 上海土學碩士學位論文 ( p r o f i b u s ) 專業(yè)委員會組建成立，同時開始籌建現場總線( p r o f i b u s ) 產品 演示及認證實驗室。起初我國對于p r o f i b u s d p 現場總線技術主要以系統(tǒng)集 成和應用為主，處于系統(tǒng)底層的智能儀表和設備都是有國外大公司提供的。此 后，包括北京的鼎實公司、浙江的正泰集團以及華中理工大學、上海交通大學、 西安電子科技大學等企業(yè)和科研院校都開始研制p r o f i b u s d p 總線控制系統(tǒng) 底層智能儀表和設備，希望實現相關產品的國產化。目前，隨著p r o f i b u s - - d p 總線控制系統(tǒng)在我國應用的深入，p r o f i b u s - - d p 總線技術產品的需求會越 來越大，因此，帶p r o f i b u s 接口的智能從站的開發(fā)與研究在我國有著廣闊的 市場前景口7 。 1 6 課題研究背景、內容和意義 1 6 1 研究背景 應用智能差壓傳感器的工作原理及其溫度補償的原理，探索傳感器誤差非線 性校正的分析方法，并進行誤差校正評估與模型性能仿真，并選擇德國西門子公 司開發(fā)的一種基于過程控制現場總線技術p r o f i b u s 作為傳感器的總線接口，以求 研制開發(fā)出適用于工業(yè)過程控制的差壓壓力溫度多參數傳感器及智能變送 器，并具有多種現場總線功能可供用戶選擇。 本課題來源于上海市科委科技開發(fā)專項課題( 編號：0 5 d z 5 2 0 2 8 ) 。該項目主 要任務是研制開發(fā)適用于工業(yè)過程控制的嵌入p r o f i b u s d p 現場總線接口的 智能差壓變送器。 1 6 2 研究內容 本課題所研究的網絡化智能差壓變送器具有高精度、智能化、數字化、網絡 化等特點，也是國內較早進行研究的同類型差壓變送器。針對現今較為流行的 p r o f i b u sd p 現場總線進行了研究，在深入了解其通信協(xié)議的背景下，結合總線 專用芯片s p c 3 進行了從站的開發(fā)。 根據課題的研究內容，論文共分五章： 第一章緒論，以變送器發(fā)展的歷史進程為主線，對智能傳感器、智能差壓變 1 2 上海大學碩士學位論文 送器、和總線式智能變送器分別進行介紹和分析，闡明本課題的研究背景、內容 和意義。 第二章介紹了p r o f i b u sd p 總線的協(xié)議結構以及p r o f i b u sd p 的通信原理和 模型，對使用到的各個通信層做了說明，分析了總線設備之間的各種通信類型以 及從站的狀態(tài)機，還介紹了p r o f i b u sd p 的數據報文結構，并結合本設計詳細闡 述了對各種數據報文的處理機制，為后面的從站軟件設計做好鋪墊。 第三章詳細論述了智能從站的軟硬件設計，利用模塊化設計思想，重點介紹 了s i e m e n s 公司開發(fā)的s p c 3 協(xié)議芯片，變送器系統(tǒng)的軟件部分，包括信號處 理部分和從站通信部分，均采用c 語言編寫，并在k e i l 環(huán)境編譯。而從站通信 部分，討論了s p c 3 初始化，中斷處理以及從站接收發(fā)送等模塊，并對其中的重 要程序段進行了分析。 第四章介紹了變送器配置軟件的設計，另外，本文在智能差壓變送器 p r o f i b u s d p 從站的開發(fā)基礎上，分析了智能差壓變送器的參數測量要求，并 根據需要設計了相應的配置軟件d p t - c f g ，最后，對p r o f i b u s d p 主從站進 行了試驗調試，主站采用w o o d h e a d 公司出品的5 1 3 6 p f b p c i 主站卡，可以 找到從站并進行組態(tài)通信。得出變送器的總線接口功能已經得到測試檢驗，達到 了預期要求。 第五章論述了變送器智能處理功能的研究，包括特性曲線非線性校正的方 法。在非線性校正方法的研究中，通過常用的非線性校正方法、b p 神經網絡擬 合和支持向量機等方法的標定實驗結果對比，可以看出在精度和速度，包括占用 內存大小方面，s v m 技術與傳統(tǒng)神經網絡算法相比有它明顯的優(yōu)勢。 第六章中對本課題的研究工作進行了總結，并對未來的工作做了展望。 1 6 3 研究意義 本課題的研究的意義主要體現在： ( 1 ) 學術層面。嵌入總線接口的差壓傳感器由于工業(yè)過程中的壓力、溫度 流量參數具有相互影響作用，因此用單個傳感器測量往往難于修正其他參數變化 對其產