浙江工业大学
硕士学位论文
基于PROFIBUS的污水处理厂自动控制系统的研究
姓名：刘均
申请学位级别：硕士
专业：计算机应用技术
指导教师：袁南儿
2002.1.1
矿０
ｙ五主５３互７基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ的污水处理厂皂塾量剑丕篓的研究
摘要
／城市污水处理系统的社会效益巨大，但运行成本高，处理厂的
ｌ’。。。’’’’。。。一
：经济效益差，所以有必要应用计算机控制技术，实现污水处理工艺的半自动、全自动监控。／
本文针对污水处理厂实际应用需要，从综合自动化系统的完整性、可靠性、开放性和可扩充性几个方面，比较分析了多种工业应
用网络连接方式，提出了基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线网络的通信网络
方案，给出了网络组成配置、网络设置主要步骤以及通信软件设计
的主要环节。
针对污水曝气过程控制的间歇性、非线性、大滞后、直接控制
变量难以在线测量等控制难点，本文通过ＭＡＴＬＡＢ仿真，比较了
ＰＩＤ、ＳＭＩＴＨ预估、模糊控翩三牙中恒制策略的运用结果。由于模糊
控制策略控制效果较好，并且不需要对象的精确数学模型，本文选
用简单易行的查控制表方法在ＰＬＣ上实现模糊控制策略。考虑ＰＩＤ
原理简单，使用方便，且是工业控制过程中最基本的控制方式，本
文提出了在常规ＰＩＤ的基础上，采用模糊推理方法，对ＰＩＤ的控制
Ｉ另外，由于污水处理厂多为大功率设备，实现现场控制站设计时采用了变频器、软启动器等设备，来节约能源、保障设备安全。／关键词：现场彭‘ＰＲ。齑晶：，模赫矗晶，Ｐ占／７
ＡＵＴＯＭＡＴＩＣＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳＴＥＭＢＡＳＥＤＯＮＰＲＯＦＩＢＵＳ
ＦＯＲＳＷＡＧＥＴＲＥＡＴＭＥＮＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ｆａｃｔｔｈａｔＡｌｔｈｏｕｇｈａｓｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｒｅａｔｓｏｃｉａｌｂｅｎｅｆｉｔ，ｉｔ＇ｓａ
ｔｈｅｃｏｓｔｉｓｈｉｇｈ，ａｎｄｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｉｓｌｏｗ．Ｉｔ’ｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏａｐｐｌｙｔｈｅ
ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｅｍｉ－ａｕｔｏｍａｔｉｃｏｒｆｕｌｌ－ａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｏｕ
ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ．
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅａｃｔｕａｌｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｎａｓｅｗａｇｅｗｏｒｋ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｍｐａｒｅｓａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｓｅｖｅｒａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｎｅｔｗｏｒｋｐａｔｔｅｒｎｓｉｎａｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｕｔｏｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍ’ｓｉｎｔｅｇｒａｌｉｔｙ、ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ、ｅｘｔｅｎｄｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｐｅｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｂｒｉｎｇｓｆｏｒｗａｒｄａｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓｃｈｅｍｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｕＰＲＯＦＩＢＵＳｆｉｅｌｄｂｕｓ．Ｉｔａｌｓｏｏｆｆｅｒｓｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ’ｓｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｐａｒｔｓ、ｔｈｅｓｔｅｐｓｏｆｓｅｔｔｉｎｇｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎａａｅｒａｔｉｏｎｔａｎｋｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｕｃｈａｓｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｃｅ、ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｉｔｙ、ｄｅｌａｙ，ａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｖａｒｉａｂｌｅｉｓｈａｒｄｔｏｂｅｏｎｌｉｎｅｍｅａｓｕｒｅｄ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｐｐｌｙｉｎｇＰＩＤ、ＳＭＩＴＨ、ＦＵＺＺＹｓｔｒａｔｅｇｙｕｓｉｎｇｏｆＭＡＴＬＡＢｅｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｏｌｂｏｘ．Ｔｈｅｆｕｚｚｙｓｔｒａｔｅｇｙｇｅｔｓａｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔ，ａｎｄｉｔｎｅｅｄｎ’ｔａｃｏｒｒｅｃｔｍｏｄｅｌ，ｓｏｉｔｉｓｃｈｏｓｅａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙａｔａｂｌｅｌｏｏｋ－ｕｐｐｒｏｇｒａｍ．ＢｅｃａｕｓｅＰＩＤｉｓｓｉｍｐｌｅ、ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｔｏｕｓｅ，ａｎｄｉｔ＇ｓｔｈｅｍｏｓｔｂａｓｉｃｗａｙｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｅｗｉｄｅａｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｃｏｍｂｉｎｉｎｇＰＩＤａｎｄＦＵＺＺＹ，ｍａｋｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｖａｒｉａｂｌｅｓｏｆＰＩＤｂｅｏｎｌｉｎｅｓｅｌｆ－ｓｅｔｔｉｎｇ．
Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｌｏｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔａｔｉｏｎｓ’ｓｄｅｓｉｇｎｓａｄｏｐｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｎｇｅｒａｎｄｓｏｆｔｍｏｔｏｒｓｔａｒｔｅｒｔｏｓａｖｅｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｆｉｅｌｄｂｕｓ，ｐｒｏｆｉｂｕｓ，ｆｕｚｚｙ，ＰＬＣ
第一章概述
１．１污水处理厂自动化控制的意义
水资源、水环境，是人类生存的基础。工业的发展与城市人口增加，引起城市工业和生活用水量的增加，出现了水资源紧张问题。要解决这个问题，必须与水污染治理综合考虑，因为城市污水是～种稳定的水资源。城市用水中除产品带走、生产过程中的损耗和蒸发，大部分水量作为污水排出。若对污水经适当处理后回用于农业、工业，不仅可以减少污染，而且可以缓和缺水地区水资源不足给城市供水带来的压力。
在美国，政府及水行政部门相当重视水源保护工作。美国各地的水行政部门制定了一系列的法规来保护水源及防止水污染。同时，他们也十分重视水源及其输水系统的管理，输水渠道沿线用铁丝网封闭，并设有报警装置以防人为污染及减少周围环境的影响，如洛杉矶地区的水源主要通过５４４ｋｍ长的输水渠道从内华达西拉山区引来，整个输水渠道用铁丝网封闭，其投资及运行费用是十分可观的。一般水库建于远离居住区的地方，禁止人及家畜靠近，并加强对水源附近工厂的管理。为了保证水质，厂内采用先进的设备，投资成本较高。其水质均好于我国地表水水质标准中的二类水质嘲。‘
而我国的水资源保护和水污染治理情况都不理想。我国排入水体的总污染量，目前还没得到控制，８５％以上的污水未经处理直接排入水体埘。废水中含有大量的固体污染物、需氧污染物、有毒污染物、生物污染物等，废水任意排放，污染水体水质，有害人民身体健康，危害农业和工业生产。为了改善水质，要采取远距离输水或采取深度处理措施，供水工程投资也将大大增加，这给新建供水设施增加了困难。全国估计每年水污染造成的经济损失约４００亿元。因此，防止水体污染已成为我国政府十分重视的大问题。我国有关部门制定了废水排放标准，要求必须对污水进行综合治理，使其达到允许排入水体的程度，以降低或消除对水体水质的不利影响。现在各城市已建成或正在筹建不同类型的污水处理
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城市污水处理系统的社会效益巨大，但运行成本高，处理厂的经济效益差。所以应用计算机控制技术，实现污水处理工艺的半自动、全自动监控，提高污水处理厂的技术管理水平，合理使用和配置处理设施（设备），具有非常现实的意义。采用计算机技术，跟踪经常变化的水处理情况，检测不同时间的水质指标数据，在计算机上显示出来，对这些数据做累计、求平均、求极值等运算，并可以永久记录下来，以各在需要的时候查阅。对数据分析趋势走向，随时调整各设备及工艺过程参数，使其达到优化状态，经济运行，节约能耗。采用计算机代替人工操作，减少事故，保证安全，降低劳动强度，节约人力，甚至可以完成许多人工难以完成的任务，提高生产的可靠性。计算机控制技术的费用不高于一般的仪表控箭｜，所需保养工作也比一般仪表少。
１。２污水处理的工艺流程
污水处理综合考虑投资、运行成本、处理效果、污水水质等因素，处理工艺可分为三类，即物理处理、生物处理，化学处理。物理处理主要是去除废水中悬浮固体和漂浮物质，同时通过中和或均衡等预处理对废水进行调节，主要采用格栅机、筛网等设备构件。物理处理后，一般废水中主要水质指标ＢＯＤ（生化需氧量）去除３０％左右，达不到排放标准。生物处理主要去除废水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质，主要采用好氧生化法（活性污泥法、生物膜法）和厌氧生化法。生物处理后，废水中ＢＯＤ去除率可达９０％，处理水可达标排放。Ⅲ在我国城市污水处理中，多采用物理处理和生物处理。典型的工艺流程如图１．１所示：
在进水泵房集水井进口处，安置有格栅机，用于去除可能阻塞水泵机组及管道阀门的较大的悬浮物。根据格栅栅条的间隙，可分为粗格栅、中格栅、细格栅三种。在工作过程中，根据格栅机前后水井液位差（一般为１０～１５ｃｍ），启动格栅机，然后采用人工清渣或机械清渣。进水泵房中一般采用多台大功率水泵提升污水，使污水有动力进入下一个工艺环节。水泵之后的管道上装有电磁阀，调节管道水流量。然后污水进入曝气沉砂池，在沉砂池侧壁下部鼓入压缩空气，使池
２
图１－Ｉ污水处理典型工艺流程
内水流呈螺旋状运动，污水中的有机物处于悬浮状态，而吸砂机则将沉砂吸出，送到砂水分离器，污水进入初沉池，至此，完成污水物理处理的阶段。
废水经过预处理后，进入曝气池，与池内活性污泥混合成混合液，然后需要在曝气池中经过连续、充分的曝气，一方面使活性污泥处于悬浮状态，废水与活性污泥充分接触：另一方面，通过曝气，向活性污泥供氧，保持好氧条件，使微生物正常生长和繁殖。通过微生物的新陈代谢使有机物无机化，有毒物质无害化。一般根据微生物对氧的要求，测定溶解氧浓度，控制溶解氧浓度维持在２～４ｍｇ／Ｌ。废水中有机物在曝气池内被活性污泥吸附、吸收和氧化分解后，混合液进入二沉池，进行固液分离，净化的废水达到排放标准，可以排出，至此生物处理的过程结束。为了保证曝气池内保持足够数量的活性污泥，大部分二沉池的沉淀污泥回流入曝气池进１５１，与进入曝气池的废水混合。如果不将浓缩的活性污泥回流到曝气池，则具有净化功能的微生物将会逐渐减少。污水处理厂产生的大量污泥，由于含有有害、有毒物质，会对周围环境产生不利影响，所以必须对污泥进行及时处理和处置，使之减量、稳定、无害化及能综合利用。污泥的处理包括消化、浓缩等。
完成生物处理阶段后，根据水质、水量以及污水中所含有的特殊污染物质等情况，选择化学处理的方法，最终使污水达到国家排放标准，从出水口出水。
１．３实现污水处理自动控制的技术背景
自动控制技术，在人类控制自然界、提高劳动生产率的过程中起了重要作用。自动控制理论和应用技术在工业生产中的应用大致经历了三个发展阶段。㈣从４０年代到５０年代是经典控制理论阶段，采用传递函数进行数学描述，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，很大程度上依靠人工和经验进行系统分析和综合，设计过程中，一般将复杂的生产过程人为分解为若干个简单过程，最终实现单输入单输出系统，属于局部自动控制的范畴。自动控制水平还处于比较低级阶段。
６０年代是第二阶段，现代控制理论产生，并在某些尖端领域取得成就。现代控制理论以状态空间分析方法为基础，包括最小二乘法为基础的系统辨识、以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计三部分内容。现代控制理论对控制系统进行综合和分析时，深入揭示系统内在规律性，从局部简单控制进入一定意义下的全局最优控制。
到７０年代，自动控制理论及其应用技术的发展进入第三个阶段。这一阶段由于计算机的功能和可靠性的大为提高，而价格却不断下降，尤其是工业用控制机（ＩＰＣ），在采用冗余技术，软硬件自诊断功能等措施后，其可靠性已提高到基本满足工业控制的需要。另外大系统理论和智能控制理论也在这一阶段形成。
针对工业生产规模大，被控对象参数和控制回路多的特点，工业上所用计算机控制系统应该具有高度可靠性和灵活性，为了满足这些要求，工业控制出现了集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于一体的集散型控制系统（ＤＥＳ）。集散型控制系统的特点是集中监视、操作、管理和分散控制检测，在中控室内可对整个工况进行监视并发布调度命令，各工序则采用独立自控的原理进行系统配置和运行。应用集散型控制系统代替常规仪表实现生产过程中运行参数的在线检测，实施诊断与报警，显示设备在运行中存在的故障，分析参数的变化趋势，及时发现和预报异常运行情况，并记录运行的状态和过程，使操作人员直观、方便地管理生产的全过程。Ｄｅｓ集散型控制系统在生产过程自动化上的应用日益广泛。
ＤＣＳ一般由控制管理计算机（简称上位机系统）、过程控制计算机（简称下位机系统）和上下位机之间的数据通讯系统组成。（１）上位机系统（高级操作站和基本操作站）完成与操作人员进行信息交互，以屏幕窗口或文件表格的形式提供人与过程的界面以及人与系统的界面。根据用户的需要，可以按生产过程分段设置若干个基本操作站。（２）下位机系统（现场控制站）是控制系统的核心，系统中的控制和全部数据采集、处理等均由控制器承担。现多采用各种智能数字调节器和可编程序控制器（ＰＬＣ）。（３）ＤＣＳ控制系统中，一般采用局部网络来通信，大多属于按各制造厂自身的通讯协议工作。
目前，世界上有名的ＤＣＳ厂家就有上百家。各厂家自己的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力，为适应工业生产环境，各厂家对其产品均进行了加固处理，使其具有防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、震动及耐高低温等恶劣环境的能力。但是不同的系统采用的计算机硬件差别很大。对于现场控制站，从可编程序逻辑控制器，到单片机组成的小型控制采集系统，再由如ＳＴＤ和ＤＣ等小型工控机到各种１６位和３２位总线型工业控制计算机系统等都是可选的现场控制站系统。而各家的ＤＣＳ的操作员站和工程师站差别就更大了。在ＤＣＳ系统中，不同厂家软、硬件产品不能互换，虽然在通讯方面部分采用ＩＥＣ的过程数据公路ＰＲＯＷＡＹ标准，但大多仍属于按各制造厂自身的通讯协议工作，影响了综合自动化系统的完整性与可靠性。另外，在ＤＣＳ中，现场控制站和操作站之间仅需一条通信电缆（或光缆）相连接，而输入输出信号线可能有数百条之多，信号电缆长度较长，系统造价高，并且长距离传输易受干扰，可靠性不高。在这样的情况下，产生了现场总线，为现场设备接口的智能化、网络化、标准化、低成本提供了机遇。
在现场智能仪表和控制室之间通过一种全数字化、双向、多站的通信网络连接成现场总线控制系统（ＦＣＳ）。ＦＣＳ具有开放性、分散性、数字通讯，比以前的控制系统具有更多优点，自出现以来发展十分迅速，大有取代ＤＣＳ之势。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信及这些现场控制设备与高级控制系统间的信息传递问题。当前的各种现场控制站，尤其是ＰＬＣ都增置了较强的联网通信能力。现场总线网可以采用廉价的双绞线为传输介质，将作为主节点的现场控制站，与作为从节点的数十个数字
调节器、ＰＬＣ或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台ＰＬＣ通过网关直接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站。
但是现场总线控制系统对现场自动化设备的要求较高，而在现阶段由系列智能结点（控制器、传感器、执行机构等）构成的统一的现场总线系统价格昂贵且难以实现，所以建立基于现场总线的、由ＰＬＣ、］ＰＣ组成与ＤＣＳ相兼容的系统就是比较现实经济的选择了。这种系统在现场总线级实现数字量传输，提高信号传送精度，增强现场控制的灵活性，降低设计施工费用，减少电缆铺设，易于维护，能适应今后控制系统的扩展。【”１
１．４国内外污水处理厂自动控制技术研究现状
现代污水处理厂采用计算机控制日益普遍。欧美国家一些城市污水处理厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式。如美国爱阿华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，１９７５年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗２０％，并且提高了管理水平和稳定了水质。此外，苏联莫斯科水厂、曰本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制水厂工艺，取得较理想效果【２１。现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实行多环路控制，其中包括沉淀、过滤及反冲洗、臭氧处理、化学药剂投放、泵房等。设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中收集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、设备故障报警等。在电子自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。【ｓ１国内污水处理厂虽还较落后，基本仍是手工操作，但有些城市污水处理厂引进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。目前，国内污水处理的控制水平基本分为三个大的档次。
第一，手动操作：采用常规分散仪表对污水处理过程中的液位、流量、温度、浊度、ＰＨ值、溶解氧浓度（Ｄ０）、生化需氧量（ＢＯＤ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、污泥浓度（ＭＬＶＳＳ）等性能指标进行离线或在线采集，根据数据得出控制要求，操作员在现场控制主要设备，如阀门的开闭，电机的启停，鼓风量的调节等等，
这种控制方式下，控制完全由工人在现场操作，工艺参数得不到可靠保证，污水处理后出水质量难以保证，稳定性差，工人操作劳动强度大，主要设备和装置不能工作在最佳状态。这种控制方式由于投资少，主要在一些小型污水处理场合应用。
第二，半自动控制：通过数据采集器等手段采集局部过程量送入控制室，一般在控制室设有工艺模拟显示屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示液位、流量、温度、浊度、ＰＨ值、溶解氧浓度（Ｄ０）、生化需氧量（ＢＯＤ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、污泥浓度（ＭＬＶＳＳ）等过程参数，和电机、阀门运行状态，对生产过程进行监控，上位机操作人员可以在模拟屏或操作台上遥控部分设备的启停，而某些设备控制就需要联系现场操作人员，由现场操作人员手工控制，生产中的数据需要人工记录。这种控制方式，需要人工的频繁介入，中间存在人为联络的延迟，使出水质量会有较大的波动，工人的劳动强度也较大，国内中小型污水处理厂较多采用。如天津纪庄子污水处理厂，引进美国１９７６年研制成功的ＣＳＳ（中心控制系统），采用ＣＰ／Ｍ操作系统，用于供氧、溶解氧、尾气三个控制回路中电动阀门和表曝气器变速电机控制。ＣＳＳ系统由个人计算机（ＯＳＢＯＩ州ＥＩ）、控制机（ＦＰＣ４０４）、ＣＲＴ终端、打印机等组成。能实现现场手动、遥控操作。由于软、硬件都是国外技术，不利于后期的维护工作口】。又如由西安环保公司设计的化学工业水处理控制系统，采用ＩＮＴＥＬＳ０１９６ＫＣ单片机，在水处理管道中自动根据实际ＰＨ值控制加药泵进行中和处理部分的局部控制。系统于１９９９年实施。由于单片机板卡易受粉尘、噪音等的干扰，在工业生产环境中可靠性差，系统稳定性差。【２９】第三，全自动控制：采用计算机控制技术与多层次的网络结构对污水处理的全程生产工序进行无人值守全自动控制。生产过程控制中的各种信号通过相应的变送器送入下位机，一般下位机采用可靠的ＰＬＣ作为控制单元，运行先进的控制算法，实现现场设备的实时控制。作为上位机的工业控制计算机采用ＴＣＰ／ＩＰ协议和标准数据库，挂在以太网上，实现信息的集成管理和远程控制。上、下位机之间通过网络传送采集参数和远程控制参数。这种控制方式是自控技术的发展方向ｔ国外国内的大型污水处理厂都在使用。如安徽圣泉啤酒厂，日处理污水７０００吨。其自控系统采用二级集散型控制系统，由上位ＰＣ机作为管理机，由三台ＰＬＣ作为测控连锁机，并能对现场设备实施保护控制。系统于２０００年１月实施。系统中ＰＬＣ和上位机之间通过串行接口相连，通讯能力差，难以保证数据的准确性
【２７１。再如２００１年调试成功的上海松江污水处理厂自动控制系统，采用了ＳｉｅｍｅｎｓＳＩＭＡＴＩＣＳ７．３００ＰＬＣ＋ＰＲＯＦｌＢＵＳ＋ＰＣ的结构，共有５个ＰＬＣ控制器、６个上位ＰＣ监控站（内装ＳｉｅｍｅｎｓＷｉｎＣＣ视窗控制中心监控软件）。系统的网络采取双层网络结构，其中域网部分采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ方式，用于各个从站之间和从站与主站之间的信息传送。整个主干网络的距离有２公里，因此在各个站之间放置了网络放大器，用以提高网络的传输速度。模拟屏的控制使用了一套单独的ＰＬＣ系统，通过网络和每个从站交换Ｉ／Ｏ信息，这样就大大地减少了Ｉ／Ｏ模块，降低了成本。系统性能稳定可靠，由于采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ工业控制总线，系统开放性好，利于扩充。１６０］
１．５污水处理控制技术的难点
污水处理生产系统控制的难点主要体现：
①系统规模大：污水处理厂的规模较大，如杭州四堡污水处理厂，日处
理能力为４０万ｍ３／ｄ，厂区占地面积为４０公顷。系统工艺复杂，流程
长，各工艺过程地理分布相距较远。所以控制系统的规模也较大，是
一个多变量、多参数、多回路、大滞后、非线性的复杂系统。
②间歇性：污水处理中的ＳＢＲ（间歇性活性污泥法）是一个批次生产过
程，废水分批进入反应池中反应。而批次进水给控制带来许多困难，
每次进水都有一个控制点的切入问题，往往会有很大的超调量。而且，
控制过程比较短暂。系统刚达到稳定，过程就结束了。
③连锁控制：污水处理前后工序之间存在互锁关系，而有些参数的在线
检测仪存在滞后、较大误差及价格昂贵等问题，这样会影响控制的实
时性和控制精度。需要研究污水控制对象的特性，选择合适的控制参
数，保证预期的控制质量。
④大滞后：污水处理涉及到生化反应过程，如污水的曝气过程，从鼓风
机开始鼓入空气，到检测到污水中含氧量变化约３．５分钟，是一个大滞
后过程。在解决这个问题时，有的控制策略过于复杂（如采用神经网
络控制），有的过于简单（如单回路定值调节），所以研究人工智能与
控制理论相结合的控制策略，具有较大的意义。
⑤污水处理厂的设备都是大功率、大能耗设备，有必要考虑设备的保护
和合理配置使用，以及节能问题。
⑥污水处理厂的工作环境恶劣，干扰频繁，将会影响控制系统的可靠性
和稳定性。必须分析干扰来源，研究对于不同干扰源的行之有效的抑
制或消除措施。
⑦控制系统中存在网络通信，如何实现较高的通信速率和通信质量，开
放性的通信接ｎ，建立完整、可靠的综合自动化系统，也是需要考虑
的问题。
１．６本课题研究的目标、系统方案及本文研究的内容
本课题的目标是实现污水处理厂的自动化控制，应用基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线的集散型系统代替常规的仪表，实现污水处理工艺流程中的设备运行参数的在线检测，记录设备运行状态和过程，分析参数的变化趋势，及时发布和预报运行情况，实旌诊断和报警，实现远程控制，可直观指导、方便操作人员管理生产工艺的全过程。系统的主要功能有：
１）上位机系统实现对整个工艺流程的设备运行状态的实时监控，将工艺流程以直观的画面显示出来，记录在线检测的参数，记录设备运行状
态和过程，分析参数的变化趋势，及时发布和预报运行情况，实施诊
断和报警。
２）下位机系统主要完成数据采集，计算和逻辑运算，执行闭环控制输出。
对多样化的污水处理工艺设备，泵站系统和排泥设备，能够根据实时
处理情况和要求，控制设备的启停和工作强度，达到设备的最优化调
度，节约药剂的投加量，保证处理效果。
３）网络通讯系统将上下位机之间连接起来，使现场控制站数据能正确、及时地反映在上位机上，而上位机的控制信号也能及时传达到下位
机，实现远程监控。
经过本人查阅文献资料，结合实际的污水处理流程，在比较了各种方案后，
确定本系统方案如图１－２
图１—２污水处理厂自动控制系统图
（１）可编程序控制器（ＰＬｃ）是专为在工业环境应用而设计的专用计算机系统，采用可编程的存储器，在内部存储用来执行逻辑运算、
顺序控制、定时、计数、和算术运算等指令，通过数字式或模拟
式输入输出，控制各种类型的机械或生产设备。ＰＬＣ为适应工业
现场的恶劣环境，软、硬件方面都采取了一系列措施，使其具有
极高的可靠性，极强的抗干扰能力。目前的ＰＬＣ都可以使用梯形
图、助记符和顺序功能图语言编程，易学易用，系统具有很好的
柔性。另外，ＰＬＣ系统提供各种不同的功能模块及扩展单元，有
些还具有网络通信功能，使扩充方便，配置灵活，甚至可以构成
使用网络通信的多主机分布式控制系统。ＰＬＣ现在应用于越来越
多的控制领域。西门子公司的Ｓ７３００系列ＰＬＣ为模块式结构，提
供多种输入模块、输出模块、通信模块、扩展模块以及多种网络
连接方式。机架上有可拆卸的接线端子排，易于接线和模块更换。
其输入输出模块提供滤波、光电隔离等功能，具有高可靠性，在
１０
我国应用较多，且售后服务较好。西门子公司的ＰＬＣ编程组态软
件ＳＴＥＰ７可运行于ＷＩＮＤＯＷＳ９５／ＮＴ环境下，提供梯形图、功能
块图、助记符多种语言编程环境及相互切换，并且可以完成对硬
件的组态、参数设置、启动和故障定位，能方便地修改系统中任
一点的用户程序。所以，本课题现场控制站决定采用西门子Ｓ７３００
系列ＰＬＣ。
（２）污水处理工艺涉及到进水泵站，鼓风机站，排泥站的各种格栅机、泵、阀门、刮泥机等的控制，在对输入输出的点数预估后，决定
采用３台ＰＬＣ。
（３）下位机和上位机之间的通讯，在综合考虑性能价格后，在本控制系统中，决定采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线网络。
（４）上位机系统本可采用高性能的ＰＣ机，降低成本。但由于工控机ＩＰＣ与ＰＣ比较，性能更稳定，抗干扰性更好，而在数据处理和屏幕显
示方面又比ＰＬＣ具有优势，可以存取大量的数据和文件，在ＣＲＴ
上可以方便直观地以图画方式显示全部过程变量、控制变量和其
他参数。考虑到生产的稳定，以及监控过程的方便，所以决定采
用ＩＰＣ和ＰＬＣ结合起来构成控制系统。
由于污水处理厂控制系统的复杂性，本人只研究了其中的部分问题，所以在本文中，主要讨论以下几个内容：
?针对污水处理厂的实际环境，对多种网络形式进行比较分析，提出基于ＰＲＯＦⅢＵＳ的现场总线网络在污水处理厂的应用、配置方案及通信
软件设计关键环节。
●在污水处理的曝气环节中，控制系统存在大滞后问题，本文在实验数
据基础上，给出了ＰＩＤ控制策略、ＳＭＩＴＨ预估控制策略、模糊控制
策略应用的仿真结果，并进行比较分析。
?研究了污水泵站现场控制站的软、硬件实现，及大功率电机的保护和合理配置问题。
?研究了曝气过程现场控制站的软、硬件实现，以及节能问题。
１．７本章小结
污水处理的工艺复杂，具有连续生产、含有难以检测的参数、大滞后、干扰源多等问题，要解决污水处理的全自动控制，保证生产的稳定、高效运行决非易事。本章主要介绍了污水处理的工艺流程、国内乡｝污水处理控制技术研究发展的情况，针对污水处理过程中需要研究的难点，提出了本课题研究的目标和系统方案。
第二章污水处理厂ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络的研究
２．１现场总线简介１３４１１３７ｌ㈣
在传统的集散型控制系统（Ｄｃｓ）中，通讯网络截止于控制站或输入输出单元，现场仪表依旧是一对一模拟信号传输。随着现场装置如传感器、变送器、执行器的微机化，总线技术也推向市场，形成现场总线（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）的概念。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信及这些现场控制设备与高级控制系统间的信息传递问题。现场总线中传送的信息不只是控制器与智能传感器，控制器与执行器之间交换的信息，还包括控制器之间交换的信息，以及各控制器与操作站或者工作站之间交换的信息。现场总线不仅是一种信号标准、通信标准，还是系统标准，
现场总线的特点：
（１）具有较高的性能价格比：现场总线控制系统节省硬件数量与投资，经济性好，系统综合成本及安装费用减少４０％。现场仪表是智能化的，不需要单独的控制器、计算单元等，也不需要系统信号的调理、转换、隔离技术等功能单元及复杂接线，使系统安装和调试简单易行。原来的上百根控制电缆减少到一根总线电缆，从而使接线端子、电缆桥等附件也大幅度减少。并且由于现场控制设备具有自诊断和故障处理能力，并通过数字通讯将相关的诊断结果送控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断信息，以便故障排除，缩短停工时间，系统性能大幅度提高。
（２）系统结构高度分散：由于现场总线设备本身已经可以完成自动控制的基本功能，导致现场总线构成一种新的全分布式控制系统结构，从根本上改变了现有ＤＣＳ集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统可靠性。
（３）对现场环境的适应性增强：现场总线是专为在现场环境下工作而设计
的，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。能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求。
（４）可操作性强与互用性好：能实现互连设备间，系统问的信息传送与沟通，可实现点对点，一点对多点的数字通讯，不同厂家生产的类似的设备可进行互换而实现互用，使系统具有较好的扩展性。
现场总线控制系统是新一代控制系统，较前几段的控制系统有较大的先进性，优越性，自出现以来势头不可阻挡。现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。经过几十年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一。下面介绍目前较为流行的五种现场总线：
（１）ＦＦ（ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＦｉｅｌｄｂｕｓ）：基金会现场总线，是目前在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。ＦＦ目前拥有１２０多个成员，这包括世界上最主要的自动化设备供应商：ＡＢ、ＡＢＢ、Ｆｏｘｂｒｏ、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ、Ｓｍａｒ、ＦＵＪＩＥｌｅｃｔｒｉｃ等。ＦＦ的通信模型以ＩＳＯ／ＯＳＩ开放系统模型为基础，采用了物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层，各厂家的产品在用户层的基础上实现。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。ＦＦ总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周期通信。行目前有高速Ｈ２和低速Ｈ１两种通信速率。Ｈ１的传输速率为３１．２５Ｋｂｐｓ，传输距离可达１９００ｍ，可采用中继器延长传输距离，并可支持总线供电，支持本质安全防爆环境：Ｈ２的传输速率分为１Ｍｂｐｓ和２．５Ｍｂｐｓ两种，其通信距离分别为７５０ｍ和５００ｍ。ＦＦ可采用总线型、树型、菊花链等网络拓扑结构，网络中的设备数量取决于总线带宽、通信段数、供电能力和通信介质的规格等因素。ＦＦ支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质，物理传输协议符合ＩＥＣｌｌ５８－２标准，编码采用曼彻斯特编码。ＦＦ总线拥有非常出色的互操作性，这在于ＦＦ采用了功能模块和设备描述语言ＤＤＬ，使得现场节点之间能准确、可靠地实现信息互通。目前ＦＦ有２９个功能块，其中包括１０个基本功能块和１９个先进功能块。用户还可以开发自己的功能块，这些功能块之间通过标准的ＤＤＬ实现互操作。ＦＦ的开发工具为ＡＴ２４００ＤＤＴｏｋｅｎｉｇｅｒＫｉｔ和ＡＴ２４０１ＤＤＳｅｒｉｃｅｓＫｉｔ。
（２）ＰＲＯＦＩＢＵＳ（ＰｒｏｃｅｓｓｓＦｉｅｌｄＢｕｓ）：过程现场总线，是由以西门子为首的１３家公司和５家科研机构在联合开发的项目中制定的标准化规范，１９９６年
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ＰＲＯＦＩＢＵＳ成为德国国家标准ＤＩＮｌ９２４５，同时又是欧洲标准ＥＮ５０１７０，符合国际标准ＩＥＣ６１１５８．２。ＰＲＯＦＩＢＵＳ是功能强大、开放、稳定的现场总线，响应时间非常快。目前的ＰＲＯＦＩＢＵＳ有三种系列：ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ和ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＦＭＳ。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ应用于现场级，实现分散的外围设备之间的高速数据传输，它采用了ＲＳ－４８５传输。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ用于车间级，要求面向对象，提供较大数据量的通信服务，它有被ＥＴＨＥＲＮＥＴ取代的趋势，它也采用了ＲＳ．４８５传输。ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ专为过程自动化设计，它采用了ＩＥＣｌｌ５８．２传输技术，可用于有爆炸危险的环境中。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ和ＰＲＯＦｍＵＳ．ＦＭＳ使用了同样的传输技术和总线访问协议，所以它们可以在同一根电缆上同时操作，而ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ设备通过分段耦合器可以很方便地集成到ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络。ＰＲＯＦＩＢＵＳ参考模型也是遵循ＩＳＯ／ＯＳＩ模型，采用ＯＳＩ模型的物理层、数据链路层，在ＦＭＳ中增加了用户层。ＰＲＯＦＩＢＵＳ的总线访问方式为：主动站之间通信采用令牌传输，主动站和从动站之间采用主从方式。ＰＲＯＦｍＵＳ可以采用总线型、树型、星型等网络拓扑结构，总线上最多可挂接１２７个站点。传输速率为９．６～１２Ｍｂｐｓ，其最大传输距离在１２Ｍｂｐｓ时为１００ｍ，１．５Ｍｂｐｓ时为４００ｍ，可用中继器延长至１０Ｋｍ。传输介质可以是双绞线、光缆。可实现总线供电与本质安全防爆。
（３）ＬＯＮＷＯＲＫＳ（ＬｏｃａｌＯｐｅｒａｔｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）：局部操作网络，被誉为通用控制网络。其采用ＩＳＯ／ＯＳＩ模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通讯设计简化为参数设景。通信速率从３０００ｂｐｓ至１．５Ｍｂｐｓ不等，直接通信距离可达２７００ｍ（７８ｋｂｐｓ，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品。ＬＯＮＷＯＲＫＳ技术所采用的ＬｏｎＴａｌｋ协议被封装在称为Ｎｅｕｒｏｎ的神经元芯片中而得以实现。ＬｏｎＴａｌｋ协议提供了５种基本类型的报文服务：确认、非确认、请求／响应、重复、非确认重复。采用带预测的新ＣＳＭＡ，所有节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，有效地避免了网络的频繁碰撞。
（４）ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔＷｏｒｋ）：控制局域网络，是德国Ｂｏｃｓｈ公司及几个半导体集成电路制造商开发出来的，用于汽车监测和控制部件之间的数据通信。其总线规范现已被ＩＳＯＴＣ２２技术委员会国际标准组织制订为国际标准，广泛地应用于各行各业。在现场总线中，它是唯～被批准为国际标准的现场总线。
ＣＡＮ协议也遵循ＩＳ０／０ＳＩ模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。ＣＡＮ的通信速率为５ｋｂｐｓ／１０ｋｍ、ＩＭｂｐｓ／４０ｍ，可挂接设备数最多达Ｉ１０个。ＣＡＮ采用点对点、一点对多点及全局广播方式传输数据，可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文。ＣＡＮ采用的是非破坏性总线优先级仲裁技术，可以大大节省总线冲突仲裁时问，在重负荷下表现出良好的性能。ＣＡＮ支持四类报文帧（数据帧、远程帧、出错帧、超载帧），采用短帧结构，每帧有效字节为８个，传输时间短，受干扰的概率低。而且每帧信息都有ＣＲＣ校验和其他检错措施，保证数据出错率极低。当节点严重错误时，能够自动切断与总线的联系，使总线上其他节点不受影响。ＣＡＮ是所有总线中最为可靠的。ＣＡＮ总线可采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质，但不能用于防爆区。
（５）ＨＡＲＴ（ＨｉｇｈｗａｙＡｄｄｒｅｓｓａｂｌｅＲｅｍｏｔｅＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）：可寻址远程传感器数据通路，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，在当前过渡时期具有较强的市场竞争力。ＨＡＲＴ协议参照ＩＳＯ／ＯＳＩ模型的第１、２、７层，即物理层、数据链路层和应用层。采用统一的设备描述语言ＤＬＬ。能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求。但由于模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种满足各公司要求的通信接口芯片。
２。２污水处理厂网络研究
２．２．１污水处理厂网络选择
与普通的办公自动化网络相比，用于工业控制，尤其是现代大型工业环境中的通讯网络，要求有高实对性、高可靠性、故障下的高负荷和传输负荷的相对稳定性。当前适用于工业应用的网络主要有ＤＣＳ局部网络、工业以太网、现场总线网络三种ａ采用何种网络，很大程度上取决于应用需要，如网络大小，数据量，节点数，扩展能力等。
在采用ＤＣＳ集散型控制系统的污水处理厂，各厂家的系统网络大多按各制造厂自身的通讯协议工作，影响了综合自动化系统的完整性与可靠性，开放性和
可扩充性都较差。口２】
工业以太网是一种能够遵循ＩＥＥＥ８０２３国际标准，开放式的、多供应商、高性能区域和单元级网络。工业以太网能够以高达１００Ｍｂｉｔ／Ｓ的速度实现广泛的、开放的网络解决方案。其特点为：启动快速（因为简化了网络连接），灵活性大（因为现有设备可以不受影响地随时扩展），可靠性高（因为采用了冗余的网络拓扑结构），无限的通信性能（因为使用交换技术可根据用户需求提供可伸缩的性能），覆盖极为广泛的企业应用（可从办公室到生产现场），在整个公司范围实现通信（因为以太网可连接到广域网），投资可靠（因为该系统不断得到进一步开发，而且完全向下兼容）。以太网中可以采用三同轴网络、双绞线网络和光纤网络。当采用双绞线网络时，网络最大可扩展１４００米，两个网络节点间的最大距离为１００米。Ｈ２１
ＰＲＯＦＩＢＵＳ（德国国家标准ＤＩＮｌ９２４５和欧洲标准ＥＮ５０１７０）在较大范围内已经取得了用户和制造商的认可。由于ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ的开放性，它能连接不同制造厂商的标准部件。ＥＮ５０１７０标准保证投资在现在和将来都能得到保护。在世界范围内，已有多于５００家制造厂商能够提供种类繁多的带ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ接口现场设备。总线上最多可挂接１２７个站点。传输速率为９．６～１２Ｍｂｐｓ，其最大传输距离在１２Ｍｂｐｓ时为１００ｍ，１．５Ｍｂｐｓ时为４００ｍ，可用中继器延长至１０Ｋｍ。传输介质可以是双绞线、光缆。可实现总线供电与本质安全防爆。【４≈
另外，西门子公司设计了适用于车间层和现场层的，小范围的ＭＰＩ（ＭｕｌｔｉｐｏｉｎｔＩｍｅｒｆａｃｅ）网络连接方式，采用ＲＳ４８５标准，传输波特率为１８７５ｋｂ／ｓ。由于西门子ＰＬＣ的ＣＰＵ都内置有ＭＰＩ接口。可以方便地和带ＭＰＩ卡的ＰＣ机连接。而不需增加额外的通讯模块，可以大大降低成本。但其只能进行少量数据的通讯，当网络较大，如有多个控制站时，网络负载将很大，会出现通信拥塞，引起数据冲突。Ｈ２ｌ
ＭＰＩ、工业以太网和ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线网络的性能价格比见图２．１。从图中可以看出，现阶段控制系统网络选择ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线网络，能够达到较高的性能价格比。但是，为了满足工业控制对可靠性的苛刻要求，现场总线不是简单采用多机冗余方式提高可靠性，而是通过修改传统网络通信协议和介质访问控制方式、增加抗干扰信息位、改善错误校验方式以及采用专门抗干扰设计的硬件通信接口等手段来实现。这种可靠性的提高是以适当降低通信速率为代价的，在
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。PROFIBUS传送速度可在9.6kbit/s～12Mbit/s范围内选择，且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。 PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案 PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP、PROFIBUS－PA、PROFIBUS-FMS 。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。 PROFIBUS–DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代24VDC或4－20mA信号传输。 PORFIBUS－PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。 PROFIBUS－FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。 与其它现场总线系统相比，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。 现场设备信息格式及功能描述规范称为―行规‖(Profile)，行规可有效实现各种现场设备应用层互联。 1、通信行规 Profibus通信行规定义用户怎样通过共同的传输介质串行地传输设备的数据。DP是使用最频繁的通信行规。 2、物理行规 PROFIBUS提供了三种数据传输技术（物理行规）： （1）用于DP和FMS的RS485传输。 （2）用于PA的IEC1158－2传输。 （3）光纤：用于提高抗干扰性和增大网络距离。 耦合器或链接器用于各种传输技术之间的转换。 3、应用行规 描述与所使用的传输技术相一致的通信协议的内部活动。最重要的：PA行规。 Profibus 是一种多主站系统，可以实现多个控制、配置或可视化系统在一条总线上相互操作。拥有访问权( 令牌) 的主站无需外部请求就可以发送数据。而从站是一种被动设备，不享有总线访问权。从站只能对接收到的消息进行确认，或者在主站请求时进行发送。波特率支持9.6k 至12M 。总线上最多可连接126 个设备。Profibus 也支持广播和多点通讯PROFIBUS 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作为参考模型的。第一层定义物理的传输性，第二层定义总线存取协议，第七层定义应用功能，3－6层未用。（1）PROFIBUS－DP：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PROFIBUS－DP 设备的设备行为。 （2）PROFIBUS－FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线报文规范（ 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
用PROFIBUS-DP现场总线控制 ACS800系列变频器的方法 北京迪安帝科贸有限公司曲冬辉 摘要：文章详细介绍了ACS800系列变频器在PROFIBUS-DP现场总线控制系统中的参数设置，数据格式和控制方法。 关键词：PROFIBUS 现场总线 ACS系列变频器 引言 现场总线技术已成为世界自动化技术的热点，近年来在我国工业自动化系统中已受到关注并推广应用。PROFIBUS-DP是现场总线PROFIBUS中广泛应用的一种协议、主要用于现场级的主从通信，实现现场级控制系统与分布式I/O及其他现场级设备之间的通信（它有极好的抗电磁干扰性能）。由于Siemens公司对PROFIBUS现场总线的大力推广以及其在国内的影响力，我国工业自动化系统已广泛应用了PROFIBUS-DP现场总线。 ABB公司的ACS系列变频器由于其优异的性能，在各个行业得到大量应用。本文以ACS800系列变频器为例，详细介绍用PROFIBUS-DP现场总线系统控制ACS800系列变频器的方法，希望对广大工程技术人员有所帮助。一．PROFIBUS-DP现场总线控制器（如PLC或DCS系统）的设置: 1．安装ABB变频器GSD文件 ABB_0812.GSD； 2．在系统PROFIBUS-DP硬件配置中添加从站ABB Drives RPBA-01，站号为2（或其它站号）,插入PPO Type Module为4； 3．在2号从站的参数设置中，将Operation Mode改为Vendor Specific（即ABB传动协议）； 4．其它为默认配置； 5．将配置下载到主站中。 6．这样主站对从站2的输出区（OUTPUT）的数据结构为： Output：含义： 第一个字用于ABB传动通信协议的控制字CW 第二个字变频器的给定值REF1 第三个字变频器的给定值REF2 第四个字变频器的给定值REF3（由ACS800变频器参数90.01决定）第五个字变频器的给定值REF4（由ACS800变频器参数90.02决定）第六个字变频器的给定值REF5（由ACS800变频器参数90.03决定）7．主站对从站2的输入区（INPUT）的数据结构为： Input：含义： 第一个字用于ABB传动通信协议的状态字SW 第二个字变频器的实际值ACT1（由ACS800变频器参数92.02决定）第三个字变频器的实际值ACT2（由ACS800变频器参数92.03决定）第四个字变频器的实际值ACT3（由ACS800变频器参数92.04决定）第五个字变频器的实际值ACT4（由ACS800变频器参数92.05决定）第六个字变频器的实际值ACT5（由ACS800变频器参数92.06决定）
万方数据
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基于Profibus-DP总线控制的机电一体化系统 作者：王立， 于玲， 赵艳菊， WANG Li， YU Ling， ZHAO Yanju 作者单位：王立,于玲,WANG Li,YU Ling(天津轻工职业技术学院,自动化系,天津,300380)， 赵艳菊,ZHAO Yanju(天津大学,机械工程学院,天津,300072) 刊名： 电力自动化设备 英文刊名：ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT 年，卷(期)：2009，29(6) 被引用次数：0次 参考文献(15条) 1.siemens公司Simatic S7-200可编程序控制器系统手册 2.Siemens公司Simatic S7-300 S7-400语句表编程手册 3.天津市龙洲科技仪器有限公司Me093399型机电一体化实训系统实验指导书 2005 4.北京亚控科技发展有限公司组态王使用手册 2008 5.Siemens公司Simatic S7-300参考手册 6.张浩.谭克勤.朱守云现场总线与工业以太网络应用技术手册 2002 7.王杰现场总线技术的现状与发展[期刊论文]-电气传动自动化 2005(03) 8.阳宪惠现场总线技术及其应用 1999 9.刘泽祥现场总线技术 2005 10.周明现场总线控制 2002 11.潘莹玉现场总线技术及其在变电综合自动化系统中的应用 1998(01) 12.西门子(中国)自动化与驱动集团深入浅出西门子-300PLC 2004 13.李正军现场总线及其应用技术 2005 14.王锦松.刘宇现场总线控制系统的集成技术 2002(03) 15.严丽霞.瞿坦基于Profibus的经济型现场总线控制系统[期刊论文]-自动化与仪器仪表 2001(01) 相似文献(10条) 1.学位论文董艳丽基于PROFIBUS-DP现场总线的自动配料系统研究与设计2008 随着经济的发展，自动配料在工业生产中发挥着越来越重要的作用。结合机电一体化、现场总线技术以及控制理论设计高精度、信息化、自动化的智能型自动配料系统成为配料领域发展的必然趋势。 现场总线技术综合了计算机技术、通信技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表技术等多种技术手段，构成了一种全分散、全数字、智能、双向、互联、多变量、多接点的通信与控制系统。本文运用PROFIBUS-DP现场总线协议构建了一个分布式的PLC控制系统，实现了传输信号的数字化，其全分布、全数字、全开放的特性，解决了集散型控制系统中存在的不足。 配料工艺的多样性、控制系统的复杂性和PLC程序设计偏重于逻辑设计等面向过程的特点，使得配料控制程序的可读性差，不利于以后的系统维护和功能扩展。因此，本文借鉴面向对象的思想，使PLC的程序设计在提高质量的同时，向工业化的设计方法靠拢，为大型PLC的程序集体协同开发提供保障。 在系统组态软件的设计中，从配料工艺流程分析，到系统通信组态、变量组态和管理、图形界面制作、动态对象设计、全局脚本程序设计，本文均有详细的说明。 配料数据的实现主要包括生产数据库的设计、配方管理系统和动态库文件三个模块，模块间层次分别采用ADO和ODBC API数据库技术实现。利用可视化编程工具VB和VC对WinCC的报表和数据处理功能加以扩展。 系统的整体设计结合了计算机和自动控制的思想，提出了一套基于柔性开发的结构化方法。利用面向对象设计方法和软件重用的概念，设计了可重用模块。利用模块化的思想，基于WinCC与PLC，方便的实现了系统的自动控制。软件组态灵活，控制方案完全适应不同层次用户的需要，维护方便。硬件上支持与多种设备相连接，可以组成不同的控制系统。采用现场总线通信网络，将生产过程数据上送到管理层，实现数据共享及远程监控。该设计实现了“机电一体、软硬结合、管控兼备”的性能，并通过预留的参数设置接口，使内部程序模块化、规范化、商业化。 2.期刊论文邢君平.XING Jun-ping基于PROFIBUS的智能电梯式立体车库控制系统设计-保定学院学报2008,21(2) 分析研究现场总线技术与PLC及网络技术,根据现场总线技术和电梯式车库的结构形式提出了控制系统的总体方案,设计了基于PROFIBUS-DP总线技术的控制系统;并在Me093399型机电一体化系统设备上进行了实验验证,达到设计目标. 3.学位论文王红莲PROFIBUS现场总线在智能低压电器中的应用2008 智能化的低压电器是一种把微处理技术、网络技术和信息技术与现代机电一体化集成在一起的高新技术产品。现场总线技术在智能化低压电器产品中的应用，使得新一代的低压电器产品显示出了优越的性能和更强的生命力，是智能化低压电器产品发展的标志。日前在智能化低压电器中应用比较广泛的现场总线技术有PROFIBUS总线、CAN总线、DEVICENET总线、MODBUS总线。 本文主要针对的是PROFIBUS-DP现场总线在智能低压电器中的应用。本文首先论述了PROFIBUS 现场总线技术在国内外的研究现状及其在智能化低压电器中的发展趋势以及课题的研究意义
Profibus总线技术 一、什么是Profibus现场总线？ 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通讯的数字总线。当然，生产过程包括连续生产和断续生产两种。Profibus现场总线是其中的一种。 简单的说就是Profibus通过总线把各分散的现场设备（传感器和执行机构）连接到控制器或控制系统，同时支持工厂自动化和过程自动化以及驱动应用。 二、Profibus总线的三种行规 Profibus现场总线包括：Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA。相应的通信方式的应用领域及优点为;FMS主要是是通用目的的自动化，是大范围的应用，多主通信；DP主要是工厂自动化，它的特点主要是快速，即插即用，高效廉洁；而PA主要应用于过程自动化，面向应用，需要总线供电，要求符合本质安全的。 目前来看，市面上主要应用还是Profibus-DP网络，所以接下来的我将主要介绍DP网络的一些知识。 三、Profibus-DP定义的三种设备类型 1、DP-1类主设备（DPM1） 中央控制器，它与分散的I/O设备（DP-从）交换数据； 允许若干个DPM1同时存在，典型性的设备是PLC,PC,VME。 2、DP2类主设备（DPM2） 组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数、监视DP-从设备 3、DP-从设备 直接连接I/O信号的外围设备； 典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。 四、Profibus-DP-主站和DP从站间的数据传输 1、参数化阶段
从站由DP-主站用现行总线参数、监控时间和从站的特定参数进行参数化。 2、组态阶段 DP-主站对DP-从站所需要的配置和现行的配置进项比较。 3、用户数据传输阶段 在参数化和组态成功后，DP-从站改变其状态进入用户数据交换阶段。 在此阶段，从站的参数化能被更改，而不必中断数据传输。 注意：在这三个阶段中，都可以附加诊断数据和控制命令的传输。 五、Profibus的主要应用 Profibus总线技术现在在国内的发展已经相对比较成熟，它应用的行业也比较广泛。其中工厂自动化中有：车辆制造、灌装工厂、库存系统、开关设备玻璃生产等等；过程自动化中有：化学工业、石化工业、造纸和纺织工业、食品粮食工业、电站、污水处理等等；另外一些驱动技术和安全应用行业也是非常广泛的。 六、网络的调试、维护和诊断 众所周知，现在Profibus总线网络的应用已经越来越多，那么对于网络的维护和诊断也变得越来越重要，不可忽视。那么对于网络诊断个工具我们可能了解的不是很多，我也只是接触了几种，其中它包含两种类型，一种是在线式的，T H LINK Profibus硬件加软件TH SCOPE；另一种是手持式的，NetTESTⅡ和Profibus Test 5。两种类型的工具在诊断过程中的使用可以结合的，所谓在线式的就是长期在线监测，实时记录网络的状态，每个站点的工作状况，是否出现问题，什么时间出现的问题，可能出现了什么问题，并给出相应的建议，这种情况对于那种出现间歇性故障的网络是非常有帮助的，因为这种故障是我们完全没办法预期的，但是这种故障有时会严重影响生产质量的，因此诊断工具的重要性就可想而知了。 同时，检测到网络出现故障之后，可以带着手持式的诊断工具进行检测，一一排查网络中每一个站点可能出现的问题，我们可能都知道，对于Profibus网络的故障来说，百分之**十的故障都是发生在物理层的，那么这两款手持式的诊断工具-NetTESTⅡ和Profibus Test 5在这方面的诊断是非常强大的，他们可以： comsoft NetTEST II网络分析测试仪，可以系统的检测每一段DP网络，其中大部分的常见错误，比如安装错误，短路，线缆中断，或者屏蔽中断都能够在实际操作之前被检测和解决，而且不管DP从站是连接还是断开，是通电还是断电都是可以的。 NetTEST II能够检测和准确找出以下错误： ◆两根信号线A和B之间的短路 ◆信号线A或者信号线B以及屏蔽情况 ◆线缆中断或者屏蔽中断 ◆交叉的信号线A-B ◆不准确的或者丢失的总线终端 ◆总线终端的错误位置 ◆线缆长度不合适 ◆错误的总线电缆波阻抗 ◆错误类型的电缆 ◆不够高的传送和接收级别 ◆不允许的支线 ◆反射 PROFIBUS Tester 5 BC-700-PB是一款功能强大的DP总线诊断和故障排除工具，用于PROFIBUS线缆测试、物理链路层信号质量检测和协议层通信分析。PB-T5内置充电电池，单机模式下可以图形化显示信号质量柱状图，快速查看检测结果。存储在PB-T5中的检测结果可导入到PC软件中用于更详细分析。在不影响PROFIBUS正常运行的情况下，PROFIBUS-Tester 5对DP段内所有主从站的物理层和协议层同时进行完整检测，从而分析网络状况并定位故障
一．PROFIBUS-DP现场总线控制器（如PLC或DCS系统）的设置: 1．安装ABB变频器GSD文件 ABB_0812.GSD； 2．在系统PROFIBUS-DP硬件配置中添加从站ABB Drives RPBA-01，站号为2（或其它站号）,插入PPO Type Module为4； 3．在2号从站的参数设置中，将Operation Mode改为Vendor Specific（即ABB传动协议）； 4．其它为默认配置； 5．将配置下载到主站中。 6．这样主站对从站2的输出区（OUTPUT）的数据结构为： Output： 含义： 第一个字 用于ABB传动通信协议的控制字CW 第二个字 变频器的给定值REF1 第三个字 变频器的给定值REF2 第四个字 变频器的给定值REF3（由ACS800变频器参数90.01决定） 第五个字
变频器的给定值REF4（由ACS800变频器参数90.02决定）第六个字 变频器的给定值REF5（由ACS800变频器参数90.03决定） 7．主站对从站2的输入区（INPUT）的数据结构为：Input： 含义： 第一个字 用于ABB传动通信协议的状态字SW 第二个字 变频器的实际值ACT1（由ACS800变频器参数92.02决定）第三个字 变频器的实际值ACT2（由ACS800变频器参数92.03决定）第四个字 变频器的实际值ACT3（由ACS800变频器参数92.04决定）第五个字 变频器的实际值ACT4（由ACS800变频器参数92.05决定）第六个字 变频器的实际值ACT5（由ACS800变频器参数92.06决定）图1 PPO消息类型二．ACS800变频器参数的设置步骤：
1.查阅资料比较CAN、FF、PROFIBUS总线得实际应用情况包括应用领域、特点、趋势？ 答:CAN总线能提高系统得可靠性、实时性及灵活性,世界上主要得汽车制造厂商都采用CAN总线作为数据通信系统,目前已发展成为汽车电子系统得主流总线,目前就是为数不多得国际标准现场总线。目前其技术比较成熟,控制芯片已经商品化,NXP,TI,意法,Atmel等各大主流得芯片制造商,都集成了一个或多个CAN总线控制器,由此形成了一定得价格优势。 由于其高性能,高可靠及独特得设计,在现代分布式测量与控制技术领域得应用愈加广泛,在铁路、交通、自控、仪表、航空航海、机械工业等领域逐步提高了市场范围。 基金会现场总线FF就是一个国际性得协会组织,有100多个会员单位,包括Foxboro、横河电机、ABB, Siemens等全球主要得过程控制供应商与最终用户。FF物理介质支持双绞线、光缆与无线发射。协议符合IEC61158-2标准。其物理介质得传输信号采用曼彻斯特编码。由于世界上大得仪表公司与用户都参加了FF,因此FF开发得现场总线产品在品种与性能上都能满足控制要求,选择范围比较广,使用方便并且价格合理。FF能实现产品得可互操作性与可互换性。功能块比较完全,用户组网及使用都比较方便。并且留有空间,可供用户开发具有独特功能得功能块。产品开发、试验及推广实力雄厚,考虑完善,产品得可靠性与实用性较高。FF总线由于其本质安全以及易于集成、便于开发、网络协议完善等特点,广泛应用于工业自动化与过程自动化领域,特别就是仪表领域。在过程自动化领域中,FF总线得市场份额占有并仍将占用巨大优势。 PROFIBUS由三部分组成,即PROFIBUS-FMS(现场总线报文规范)、PEOFIBUS-DP(分散型外围设备)及PROFIBUS -PA(过程自动化)。其中,PROFIBUS -DP就是专门为自动控制系统与分散I/0得设备级之间进行通信使用得。PROFIBUS-PA就是专门为过程自动化设计得,可使传感器与执行器接在同一根公用得总线上,甚至在本质安全区也可接上。根据IEC1158-2国际标准,PROFIBS -PA用双线进行总线供电与数据通信。PROFIBUS-FMS用来解决车间级通用性通信任务。FMS提供强有力得通信服务,用于完成中等传输速度得循环与非循环得通信任务。PROFIBUS现场总线技术投放时间较长,因而它得渗透领域比较宽广,并且它对OSI标准得第三层到第七层进行了简化,这种结构确保了数据传输得快速与有效进行,适应性更强,同时有稳定得标准及全世界许多厂家得支持与应用,拥有全球最多得供货厂商数。目前市场份额占欧洲首位,而且PROFIBUS总线产品在市场份额中得占有率以每年25%得增长率增长,在国内PROFIBUS第一个取得国标GB/T 10308、3-2001,目前国内占有率最高,可以预见未来几年依然起主导作用,有望成为在国际上推广速度最快、用户最多、应用范围最广及最有发展前景得现场总线。 2.比较RS485与RS232协议得区别 答:RS232: (1)接口得信号电平值较高,易损坏接口电路得芯片,又因为与TTL 电平不兼容故需使 用电平转换电路方能与TTL电路连接。 (2) 传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。 (3) 接口使用一根信号线与一根信号返回线而构成共地得传输形式, 这种共地传输容 易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。 (4) 传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在50米左右。 RS485: (1)逻辑“1”以两线间得电压差为+(2—6) V表示;逻辑“0”以两线间得电压差为-(2—6)V 表示。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路得芯片, 且该电平与TTL 电平兼容,可方便与TTL 电路连接。 (2) RS-485得数据最高传输速率为10Mbps (3)RS-485接口就是采用平衡驱动器与差分接收器得组合,抗共模干能力增强,即抗噪
提供 Profibus-DP 协议的远程 I/O（Kinco-R1） ，总线 I/O（Kinco-R3） ，总线桥（Kinco-B）
北京凯迪恩自动化技术有限公司
PROFIBUS 基础知识
PROFIBUS 是世界上第一个开放式现场总线标准，从 1991 年德国颁布 FMS 标准 （DIN19245）至今已经历了十余年，现在已为全世界所接受。其应用领域覆盖了从机械加 工、过程控制、电力、交通到楼宇自动化的各个领域。PROFIBUS 于 1995 年成为欧洲工业 标准（EN50170） ，1999 年成为国际标准（IEC61158-3） ，2001 年被批准成为中华人民共和 国工业自动化领域行业标准中唯一的现场总线标准。PROFIBUS 在众多的现场总线中以其超 过 40% 的市场占有率稳居榜首。其产品每年增长 20-30%。以著名的西门子公司为例，它可 以提供上千种 PROFIBUS 产品并已经把他们应用在中国的许多自动控制系统中。 一 PROFIBUS 概述
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欧洲标准及国际标准 PROFIBUS 的优点
确保完整、开放、与制造商无关和有效的标准 保护制造商和用户的投资 在欧洲采用现场总线技术的所有成功都基于 EN 50170
PROFIBUS 减少安装费用 40%
认证了的产品保证互操作性
各类设备经认证的产品确保由不同制造商生产的设备能毫无问题地相互通 信，PROFIBUS 用户组织已建立了质量认证程序，它包括一致性和互操作性测试 在德国、美国和中国建立了测试实验室 经认证的产品被列入 PROFIBUS 电子产品指南
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典型总线电缆连接器的电压偏置及终端电阻
Profibus 总线连接器及总线电缆的装配过程 名词解释 终端电阻： 在通讯中，增加终端电阻的作用是什么？ （1）一般说法：终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射。在通信过程中，有两种原因因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲
方式时，整个网络数据混乱。要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。 （2）永宏PLC 手册：信号传输电路由于各种传输线都有其特性阻抗（以Twisted Pair 而言约为120Ω）。当信号在传输线中传输至终端时，如果它的终端阻抗和特性阻抗不同时，将会造成反射，而使信号波形失真（凹陷或凸出）。该失真的现象在传输线短时并不明显，但随着传输线的加长会更加严重，致使无法正确传输，这时就必须加装终端电阻（ Terminator ）。FBs-PLC 内部已安装有120Ω 终端电阻，要施加终端电阻时请打开PLC 通讯盖板，将指拨开关调到〝ON 〞的位置上（出厂时指拨是置于〝OFF 〞位置），但注意终端电阻只能在Bus 的最左和最右的两侧PLC 上施加，两侧间的所有PLC 指拨需置于〝OFF 〞位置，否则会造成RS-485 推动能力不足。 终端电阻在通信中的作用2007-11-16 15:07终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射。 在通信过程中，有两种原因因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。 阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。 引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。
Field bus Technical Questions General Issues 1.What Bus type does your system implement. Examples CMSA/BA, CMSA/CD, master/slave, multiple masters etc. PROFIBUS is based on a Token principle with underlying Master/ Slave communication (hybrid media access). Services: SDN-Send Data with no acknowledge (can be used for multicast/broadcast) SDA- Send Data with acknowledge SRD- Send and Reply with Data (for efficient bi-directional data transfer)
2.What is the maximum number of nodes that the network can support. 3.What is the Bus topology. The base technology is a line which allows connection and removal of nodes at any time without breakdown. PROFBUS allows ring and star topology as well with fiber optics. 4.What is the maximum transmission distance without repeaters. What baud rate is supported at this maximum distance. The maximum distance would be 1000m by using copper with baudrates between 9.6 –187.5 kBaud. 500kBaud 1.5MBaud3-12MBaud 9.6kBaud – 187.5kBaud 1000m400m200m100m per segment with 10000m4000m2000m1000m repeater 15 km15 km15 km15 km per fiber optic segment >200 km>200 km>200 km130 km total with fiber optic The maximum length may be extended with fiber optic links (up to 2300/15000 m per link)
Profibus 总线的特点和应用 摘要: Profibus 总线协议是基于OSI 模型的，文介绍Profibus 总线特点、Profibus 总线的三个版本及Profibus 总线的应用，对大家深入了解现场总线技术很有帮助。Profibus 总线是德国国家标准DIN19245 和欧洲标准EN50170 的现场总线标准。由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA 组成，Profibus-DP 型用于分散外设简单高速数据传输，适合于加工自动化领域的... Profibus 总线协议是基于OSI 模型的，文介绍Profibus 总线特点、Profibus 总线的三个版本及Profibus 总线的应用，对大家深入了解现场总线技术很有 帮助。 Profibus 总线是德国国家标准DIN19245 和欧洲标准EN50170 的现场总线 标准。由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA 组成，Profibus-DP 型用于分散外设简单高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。Profibus-FMS 为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。Profibus-PA 用于过程自动化的总线类型：它遵循IEC1158-2 标准。 Profibus 是唯一全集成H1(过程)和H2(工厂自动化)的现场总线解决方案， 是一种国际化的、不依赖于设备制造商的开放式现场总线标准。它广泛应用 于制造业自动化、流程工业自动化、楼宇自动化以及交通、电力等其他自动 化领域。采用Profibus 标准系统，不同制造商所生产的设备不需对其接口进 行特别调整就可通信，Profibus 可用于高速并对时间有苛刻要求的数据传 输，也可用于大范围的复杂通信场合。
PROFIBUS标准 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。广泛适用于制造业自动化．流程工业自动化和楼宇．交通电力等其他领域自动化。 PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。 PROFIBUS－DP: 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。 PORFIBUS－PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。 PROFIBUS－FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构．实时多主网络。 PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 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-SIO）作为参考模型的。该模型共有七层。 （1）PROFIBUS－DP：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PROFIBUS －DP设备的设备行为。 （2）PROFIBUS－FMS：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。 （3）PROFIBUS－PA：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IEC1158－2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。
“求助”太网控制系统、PROFIBUS-DP和AS-I总线控制系统、模拟屏、压装机控制系统、料糟控制系统、喷淋控制系统、除尘控制系统、交通指挥系统、工业电视系统、语音调度系统、动态汽车衡控制系统 我是大四的学生，现在正在做下面的毕业设计，经过查阅有关资料后，我还是有很多东西不明白，如果有哪位高人对这些方面比较了解，拜托赐教！谢谢啦！！ 600吨垃圾装运站电控系统简介 垃圾转运站主要由垃圾收集车、转运站压缩系统设备及整体式垃圾转运车三个系统组成。三个系统的衔接在工业电视系统、交通指挥系统和语音调度系统的监控下准确、快速完成。垃圾在压缩系统内的输送和装填压实则通过计算机网络控制系统控制液压、电机等执行元件自动完成。计算机网络控制系统提供自动、手动两种控制形式供操作人员选择，两种控制形式互锁，采用其中一种控制形式时，操作另一种无效；为安装调试和维修维护方便，系统还专门设置了现场控制系统（现场控制系统优先）。 电控系统分为以太网控制系统、PROFIBUS-DP和AS-I总线控制系统、模拟屏、压装机控制系统、料糟控制系统、喷淋控制系统、除尘控制系统、交通指挥系统、工业电视系统、语音调度系统、动态汽车衡控制系统。 以太网控制系统：本系统是按照IEEE802.3国际标准设计的用于工业控制的单元网络。作为整个系统的管理层，由三台上位计算机与PROFIBUS-DP总线主控制站通过以太网连接构成，同时还与动态汽车衡控制系统相连，并能通过因特网与上级管理部门进行通讯，将相关信息上传同时实现对用户系统的远程诊断、维护。三台计算机通过设置不同的口令分为不同的管理级别：分别为工程师站（服务器）、管理员站、操作员站。三台计算机可互为备用，构成热备硬件冗余，有效降低了设备故障停机时间。系统软件构成：西门子STEP7 V5.1用于硬件组态、系统编程；WINCC V5.0 RC1024用于组态及运行显示画面，报警等。通过画面可监控压装机、料槽及压装机料槽液压系统的运转状况。当设备出现故障时，控制层将来自现场的信息送往管理层，置入实时数据库并对现场数据进行处理，从而实现故障诊断、高层的控制和整个测试过程的管理。画面上显示故障设备名称和故障点，并可打印记录。同时用户可通过帮助信息进行系统故障的处理。 PROFIBUS-DP和AS-I总线控制系统：PROFIBUS-DP总线系统是基于IEC61158和EN50170的标准，具有一定数量的站和现场设备单元网络的总体系统。本站PROFIBUS-DP 总线系统又三台总线模块通过PROFIBUS-DP接口模块与一台主控制站、一台触摸屏连接构成。操作人员通过触摸屏上的人机界面系统控制相应的设备运行。通过触摸屏可直观地看到设备运行状态及报警信息。同时上位机与触摸屏构成了热备冗余，当断开以太网控制系统后，依旧可通触摸屏完成对系统的控制，实现了软硬件多机冗余备份和并行处理，从而提高系统的开放性、安全性、可靠性。AS-I总线系统是基于EN50295的标准，采用AS-I接口链DP/AS-I可利用AS-I总线系统作为PROFIBUS-DP总线系统的子网，AS-I接口用两线电缆链接现场为数众多的传感器、阀、执行器和驱动器组件，替代价格昂贵的电缆束，同时由于电缆和穿刺技术的开发特别技术开发，AS-I电缆可在任何地方形成分支。因此本站智能现场前端使用AS-I总线系统。完成对现场信号的收集和对执行元件的管理控制。同时为方便调试维修，在断开以太网控制系统、PROFIBUS-DP总线系统后，可利用AS-I总线系统完成对各分系统的控制（压装机、料槽都可根据具体情况，随时脱开上层网络的控制，利用现场操作完成盘完成各系统的工作，整个系统的控制以现场控制优先）。同时AS-I总线系统还将收集的设备运行信息准确地反映到模拟显示屏上和上层管理、控制系统人机界面。
PROFIBUS现场总线安装指导PROFIBUS Installation Guide
摘要本文主要介绍了PROFIBUS网络中所涉及的硬件以及网络规划和安装中的注意事项，帮助用户正确的安装和使用PROFIBUS现场总线。 关键词 PROFIBUS，现场总线，通讯，安装，拓扑 Key Words PROFIBUS，field bus，communication，installation，topology IA&DT Service & Support Page 2-37
目录 PROFIBUS现场总线安装指导 (1) 1 PROFIBUS 概述 (4) 2 PROFIBUS网络硬件 (5) 2.1 PROFIBUS接口 (5) 2.2 通讯介质 (6) 2.2.1 PROFIBUS 电缆 (6) 2.2.2 光纤及接口 (8) 2.2.3 PRFOBUS插头 (11) 2.2.4 终端电阻 (13) 2.2.5 RS485中继器 (15) 2.2.6 OLM和OBT (17) 3 PROFIBUS 网络安装规范 (21) 3.1 网络拓扑的规则 (21) 3.2 PROFIBUS网络安装的规则 (22) 3.2.1 网络布线的规则 (22) 3.2.2 通讯电缆的屏蔽层在电柜内的处理 (29) 3.2.3 过压保护 (32) 3.2.4 减小变频器等干扰源设备对通讯的影响 (33) 4 PROFIBUS诊断的常用工具 (34) 5 结束语 (36) IA&DT Service & Support Page 3-37
PROFIBUS 是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。 由于PROFIBUS 一直侧重于系统集成和系统工程等方面，尤其是侧重于应用行规的研究开发，使得该总线具有适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务的特点，成为唯一能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用的现场总线，特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。因而从诞生至今，PROFIBUS 在现场总线技术领域一直是国际市场上的领导者。 随着PROFIBUS 的大量应用，许多用户开始接触并使用了现场总线。但由于用户对现场总线技术的了解程度不同，再加上现场施工情况复杂，因而很有可能导致许多项目的现场总线通讯上可能存在着一些隐患，如果不能及时发现和处理，将有可能导致系统出现通讯故障，从而影响整个系统的正常运行。 为了帮助广大用户――特别是刚刚接触到现场总线的用户能够对PROFIBUS 的硬件有个初步的了解，这里将重点介绍如何在现场正确的安装和使用相关PROFIBUS 的网络元件和设备，帮助用户在使用PROFIBUS 现场总线的过程中从硬件安装的角度尽量减少问题的发生，从而尽量减少整个网络使用中出现故障的概率。 1 PROFIBUS 概述 PROFIBUS 网络通讯的本质是RS485串口通讯，按照不同的行业应用，主要有三种通讯行规：DP （Decentralized Peripherals ），FMS （Field Message Specification ）和PA （Process Automation ）行规。 其中DP 通讯的方式在OSI 参考模型中主要使用第1、2、7层，因此PROFIBUS DP 网络的通讯速度较快，且报文简单（表1）。 DP 设备行规 PA 设备行规 基本功能 扩展功能 FMS 设备行规 基本功能 扩展功能 第7层 （应用层） DP 用户接口 直接数据链路映象程序 (DDLM) 应用层接口 （ALI) DP 用户接口 直接数据链路映象程序 (DDLM) 第3～6层 （并没有省略） IA&DT Service & Support Page 4-37