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基于PROFIBUS现场总线PLC自动装配系统设计与研究 
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基于PROFIBUS现场总线PLC自动装配系统设计与研究
1 概述
1.1简介
现场总线(Fieldbus)是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的,用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层,作为工厂设备级基础通讯网络,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点,现场总线系统从网络结构到通讯技术,都具有不同上层高速数据通信网的特色。
一般把现场总线系统称为第五代控制系统,也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代,把4~20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代,把数字计算机集中式控制系统称为第三代,而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统,一方面,突破了DCS系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化、标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
1.2发展历史
1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线(BITBUS),它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多(MULTIBUS)分离,形成了现场总线的最初概念。80年代中期,美国Rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器(HART)通信协议。采用在4~20mA模拟量叠加了一种频率信号,用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起,成立了World FIP制定了FIP协议。1987年,以Siemens,Rosemount,横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议(ISP)并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移,世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团:一个是以Siemens、Rosemount,横河为首的ISP集团;另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。1994年,两大集团宣布合并,融合成现场总线基金会(Fieldbus Foundation)简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准,基金委员会取得以下共识:共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准;商定现场总线技术发展阶段时间表。
1.3技术特点
1.3.1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建立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它设备或系统相连。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成大小随意的系统。
1.3.2互可操作性与互用性
这里的互可操作性,是指实现互连设备间、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可进行互换而实现互用。
1.3.3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。
1.3.4系统结构的高度分散性
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,提高了可靠性。
1.3.5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,能采用两线制实现送电与通信,并可满足本质安全防爆要求等。
1.4技术优点
1.4.1节省硬件数量与投资
由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能,因而可减少变送器的数量,不再需要单独的控制器、计算单元等,也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线,还可以用工控PC机作为操作站,从而节省了一大笔硬件投资,由于控制设备的减少,还可减少控制室的占地面积。
1.4.2节省安装费用
现场总线系统的接线十分简单,由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料,可节约安装费用60%以上。
1.4.3节省维护开销
由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可以查询所有设备的运行,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间,同时由于系统结构简化,连线简单而减少了维护工作量。
1.4.4用户具有高度的系统集成主动权
用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围,不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展,使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
1.4.5提高了系统的准确性与可靠性
由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制的准确度,减少了传送误差。同时,由于系统的结构简化,设备与连线减少,现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性。此外,由于它的设备标准化和功能模块化,因而还具有设计简单,易于重构等优点。
目录

1 概述 3
1.1简介 3
1.2发展历史 3
1.3技术特点 4
1.3.1系统的开放性 4
1.3.2互可操作性与互用性 4
1.3.3现场设备的智能化与功能自治性 4
1.3.4系统结构的高度分散性 4
1.3.5对现场环境的适应性 4
1.4技术优点 5
1.4.1节省硬件数量与投资 5
1.4.2节省安装费用 5
1.4.3节省维护开销 5
1.4.4用户具有高度的系统集成主动权 5
1.4.5提高了系统的准确性与可靠性 5
2 Profibus现场 6
2.1 PROFIBUS现场总线概述 6
2.2 PROFIBUS协议简介 6
2.3 PROFIBUS传输技术 7
2.4 PROFIBUS总线存取协议 8
3 Profibus现场总线实现实时通讯的技术 10
3.1通信方式及通信类型 10
3.2 Profibus现场总线实现PLC控制系统中实时通讯 10
3.2.1选择控制器 10
3.2.2 s7-300 PLC 11
3.2.3系统单元 11
3.2.4 s7-300提供功能 12
3.3系统结构及运行流程 12
3.4监控系统 13
4 基于Profibus和s7-300的控制系统实例 15
4.1卷纸包装机生产工艺概述 15
2.3可编程控制系统控制方案的设计 16
2.4系统的运行方式 17
2.5控制系统硬件总体设计 18
第5章 电控系统电路及各功能模块的设计 25
5.1供电线路 25
5.2主要控制功能模块的设计 26
5.2.1自动送料工位1 26
5.2.2颜色判断和自动装配工位2 28
5.2.3定位仓储工位3 29
第6章 系统的编程和设置 36
6.1PLC程序的总体结构 36
6.2模块化编程 37
7现场总线的发展趋势 54
5.1PROFIBUS网络拓扑结构 54
5.1.1星形拓扑结构 54
5.1.2总线形拓扑结构 55
5.1.3环形拓扑结构 55
5.2 PROFIBUS的优势 56
5.3 工业以太网的介绍 56
5.3.1 通信确定性与实时性 57
5.3.2 稳定性与可靠性 57
5.4 工业以太网协议 57
5.4.1 HSE(High Speed Ethemet) 58
5.4.2 ProfiNet 58
5.4.3 Ethernet/IP 59
5.4.4 EPA 59
5.5 工业以太网与现场总线相结合 59
6总结 60
致  谢 61
参考文献 62

参考文献
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