基于现场总线技术的空调测控系统研究与设计.docx
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基于现场总线技术的空调测控系统研究与设计
目录
第一章绪论2
1.1引言2
1.2现场总线技术2
1.2.1 现场总线技术2
1.2.2现场总线概述3
1.2.3现场总线的网络结构4
1.2.4现场总线的通讯协议4
1.2.5常见的六种现场总线介绍5
1.2.6现场总线的优点7
1.3系统设计概述8
第2章设计基础8
2.1系统的硬件设计8
2.2系统的软件设计9
2.3数据采集10
2.3.1DS18B20特点10
2.3.2DS18B20的工作时序与命令10
2.4数据处理11
2.5性能演示12
第3章系统控制13
3.1具体控制内容及方式13
3.2监控系统功能15
第4章总结16
参考文献17
第一章绪论
1.1引言
众所周知,对于每一个复杂的控制系统都是由各种各样的传感器、变送器等检测设备组成,以便及时地将现场设备的运行状态和被控对象的各种参数反应到控制器或控制计算机,从而实现整个系统的精确控制。
随着计算机、通信、集成电路、传感器技术的发展,在控制领域又出现了一种新兴的控制技术,即现场总线(FCS)。
现场总线的出现,为数据采集和系统控制提供了一种新的手段。
1.2现场总线技术
1.2.1 现场总线技术
根据国际电工委员会IEC1158定义,现场总线(Fieldbus)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,多点通信的数据总线”。
或者说,现场总线是以单个分散的,数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点,用总线相连接,实现相互交换信息,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节
点数字通信的系统,也被称为开放式、数字式、多点通信的底层控制网络。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现,标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始,并将对该领域的发展产生重要影响。
1.2.2现场总线概述
现场总线(Fieldbus)是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信网络。
它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统,一方而,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,另一方而把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怕。
1.2.3现场总线的网络结构
现场总线是集控制、计算机、通讯技术于一身的结果。
计算机与通讯的结合,产生了计算机网络。
计算机网络与控制设备的结合孕育了现场总线控制系统。
网络技术是现场总线控制系统的重要基础,网络化是自动化系统结构发展的方向。
现场总线的网络拓扑结构有:
环型、总线型、树型以及上述几种类型的混合。
环型拓扑结构中以令牌环形网最为典型,其优点是延时性较好,缺点是成本较高。
总线网的优点是站点接入方便,可扩充性较好,成本较低,在轻负载的网络基本上没有时延,但在站点多、通讯任务重时,延时明显加大。
缺点是时延的不确定性,对某些实时应用不利。
树型网是总线网的一种变型,其优点是可扩充性好,有较宽的频带,缺点是站点间通讯不方便。
总线网的争用使它不适于实时处理某些突发事件,令牌环形网中的令牌绕环一周的时间虽然有一个上限,但在轻负载时性能不太好,可靠性比总线网差些,综合这两种网的优点,在现场总线中采用了令牌总线网,即在物理上是一个总线网,在逻辑上是一个令牌网。
令牌总线网具有总线网接入方便、可靠性较好的优点,也具有令牌环形网“无冲突”和时延性好的优点。
从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分可分为四种工作模式:
对等
(PeertoPeer)、主从(Cllent/Serverc/s)及网络计算结构(NetworkComputingArchitectureNCA)。
对等和主从工作模式发展较早,也获得了广泛应用。
在80年代发展c/s方式,90年代出现了NCA方式。
网络互连既是扩展现场总线地域、规模、功能的需要,也是不同结构、不同操作系统结构网互连的需要。
网络扩展与网络互连需要一个中间设备(或中间系统),ISO的术语称为中继(Relay)系统。
根据中继系统所在的不同网络层次有4种中继系统:
物理层中继系统,即中继器(Repeater):
数据链路层中继系统,即网桥或桥接器(Bridge):
网络层中继系统,即路由器(Router):
网络层以上中继系统,即网关(Gateway)。
高层的中继系统比低层中继系统复杂,网关连接两个不同的异构网,不但要连接网络间数据传送的通道,而且还需要进行协议的转换,是最复杂的一种中继设备。
1.2.4现场总线的通讯协议
随着计算机应用日益普及,越来越多的用户要求把多个厂家的计算机系统联网运行。
为解决异种计算机互连运行的难题,人们迫切要求建立一系列的国际标准。
1978年,ISO建立了一个新的“开放系统互连”分技术委员会,起草了“开放系统互连基本参考模型”,1983年成为ISO7498正式国际标准,到1986年又对该标准进行了补充完善。
形成了为异种计算机互连所提供的一个共同的标准规范。
这就是ISO/OSI国际标准组织的开放系统互连模型。
网络协议是为了保证现场总线中各站点通过网络互相通讯的一套规则和约定。
网络协议具有层次结构,其优点是:
各层次独立、灵活,易于实现和维护,易于标准化。
开放系统互连模型是现场总线技术的基础,OSI按通信功能分为7个层次,从连接物理媒介的底层开始,其底3层完成通信传送功能,4--7层完成通讯处理功能。
应用层--表达层--会话层--传输层--网络层--数据链路层--物理层。
物理层为用户提供建立、保持和断开物理连接的功能,即提供同步和双向传输流在物理媒体上的传输手段。
但它并不包括物理媒体本身。
数据链路层用于保证信息的可靠传递,对互连开放系统的通路实行差错控制、数据成帧、同步控制等。
网络层规定了网络连接的建立、维护与拆除协议,利用链路传输功能,以及端口选择和串连功能,实现两个网络系统之间的连接。
传输层可完成开放互连系统端点之间的数据传送控制,数据接收确认以及传输差错恢复。
会话层的功能是按正确的顺序收发数据,进行各种对话。
表达层用于应用层信息内容的形式变换,把应用层提供的信息变为能够共同理解的形式。
应用层作为051模型的最高层,用于用户的应用服务提供信息交换,为应用接口提供操作标准。
现场总线网络互连模型既参照ISO/OSI模型,又具有自己的特点:
协议是分层的,但层次之间的调用关系不一定像OSI那样严格,层次也可简化,以提高协议的工作效率;既要遵循OSI模型体系结构原则,又要考虑FCS的特点,满足FCS的特殊要求:
在现场总线参数模型中,既遵循开放系统集成的原则,又充分体现FCS的特点和特殊要求。
1.2.5常见的六种现场总线介绍
1.FF(FoundationFieldbus):
基金会现场总线
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,这包括世界上主要的自动化设备供应商:
AB、ABB、Foxboro、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。
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lO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。
2.ProfiBUS(ProcessFieldBus):
过程现场总线
ProfiBUS,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ProfiBUS成为德国国家标准DIN19245,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用于设备级的高速数据传输,通过高速串行线CPU与分散的现场设备进行通信,大多数数据传输是周期性的,并保证总线循环时间比控制器循环时间短。
部分智能化现场设备还需要非周期性通信以进行配置、诊断与报警处理。
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RS-485传输。
PROFIBUS-DP具有开放性,可连接不同厂商的控制元件(带DP口),形成一个兼容、完善的控制系统,有利于提高系统的灵活性和可移植性,是业界用于现场级最快的总线标准。
其主要特点如下:
1PROFIBUS-DP通讯速率最高可达12Mbit/s;
2PROFIBUS-DP采用主-从方式进行工作。
PLC级为主站,现场分布I/O等为从站;
3PROFIBUS-DP使用基于RS485标准的物理层,是一个两线时差分系统,具有很强的抗电磁干扰能;
4最多可连接125个节点,即125个带DP口的设备、仪器仪表等,每个总线段最多32个节点;
5传输距离可达23.8km。
对于PROFIBUS-DP而言,最大允许的总线长度,亦称为段长度,取决于传输速率。
ProfiBUS-FMS用于车间级,要求而向对象,提供较大数据量的通信服务,它有被ETHENRTE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IECl158-2传输技术,可用于有爆炸危险的环境中。
ProfiBUS-DP和ProfiBUS-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,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/OSl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:
主站之间通信采用令牌传输,主站和从站之间采用主从方式。
ProfiBUS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
LONWORKS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置。
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。
4.CAN(Control1erAreaNetwork):
控制局域网络
CAN总线,是德国Bosch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。
其总线规范现己被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,它是唯一被批准为国际标准的现场总线。
CAN协议也遵循ISO/OSI模型,采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。
CAN
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- 基于 现场总线 技术 空调 测控 系统 研究 设计