基于profibus-dp总线和lin总线的矿用数据采集和控制系统

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万方数据声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：盈蚕垦日期：型笠生：!!关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名：盈弹导师签名：法紊蕾参日期：2口l少占、／0日期：必‘q．6．f。 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文基于Profibus—DP总线和LIN总线的矿用数据采集和控制系统摘要我国是一个煤炭大国，在煤炭产业蓬勃发展的背景下，煤矿生产自动化也有了长足的发展。煤矿生产中，现代化生产设备的监测和控制成为煤矿安全生产的保证，也是近年来煤矿生产自动化研究的重点课题。对分布在现场的设备进行监控，选择性能优良、工作稳定的现场总线以及配套设备尤为重要。目前在我国煤矿自动化系统中应用较为广泛的主要有Profibus、CAN、Modbus总线等，其中Profibus—DP总线应用最为广泛。然而，目前我国对DP总线的应用主要以引入国外大公司的成套设备为主，成本很高。因此，开发一种成本较低、性能良好、应用灵活的现场控制系统成为煤矿生产自动化领域的迫切需要。本文将DP总线的应用广泛性和LIN总线的低成本应用的优势结合起来，提出一种基于DP总线和LIN总线的控制系统。该系统有效的降低了DP总线在煤矿自动化生产中的成本，拓展了LIN总线的应用领域，有利于煤矿自动化生产的发展。本文首先分析了课题的研究背景以及国内外关于煤矿自动化生产的现状，主要是对DP总线在煤矿生产中的应用和LIN总线的应用状况进行分析，论证了课题的可行性；在参阅了大量资料的基础上，提出了基于DP总线和LIN总线的数据采集与控制系统的总体设计方案，主要是对现有的三T 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文种常用设计方案的特性进行对比研究，结合本课题的实际情况，选择微处理器与专用DP通信协议芯片结合的方案，并对系统各部分功能进行规划；继而重点设计了基于飞思卡尔微控制器的DP总线和LIN总线数据转换的通信主机，在参阅相关芯片资料的基础上，进行硬件选型、电路图和PCB板图绘制，并结合系统设计方案，编写了单片机程序和GSD文件；测试了系统的工作性能，主要测试了系统中各部分电路板的工作性能以及系统作为一个整体的工作性能；最后测试了系统在干扰环境下的工作情况以及其在工业现场的工作性能，并对本系统设计中出现的一些问题进行分析和总结，对系统未来的改进工作进行了展望。关键词：煤矿生产自动化，现场总线，DP总线，LIN总线，数据转换 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文DATASAⅣ噼LINGANDCONTROLLINGSYSTEMINMINEBASEDONPROFIBUS—DP／LINABSTRACTWiththedevelopmentofcoalindustry,theautomationofcoalmineproductionhasbeenimprovedgreatly．Duringthemanufactureofcoalmi—ne，itisthemonitorandcontrolofmodemproductionequipmentthatbe—comesaguaranteeofthesafetyproduction，whichisalsoahottopicinthefieldoftheautomationofcoalmineproductioninrecentyears．Itisespeciallyimportanttosupervisetheequipmentonsiteandchoosethee—xcellentandsteadyfieldbusandassociatedequipment．FieldbussuchasProfibus，CANandModbushasbeenappliedwidel—Yintheautomationofcoalmineproduction，amongwhichProfibus—DPisthemostpopular．However，completeplantsfromforeigngiantenterpris—esdominatetheapplicationoftheDPbusinChinaanditisahighcost．Hence，itisimperativefortheautomationofcoalmineindustrytodev—elopafieldcontrolsystemwithlowcost，highperformanceandflexibleapplication．CombinedthecommonuseofProfibus—DPbuswiththelOWcostofIII 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文LINbus，acontrolsystemisputforward．ItcaneffectivelyreducetheC—ostintheautomationofcoalmineproductionandexpandtheapplicationsofLINbus，whichisfavorofdevelopingtheautomationofcoalmineproduction．Inthethesis，theresearchbackgroundandthecurrentsituationoftheautomationofcoalmineproductionathomeandabroadareanalyzedfi—rstly，aimingatanalyzingtheapplicationofDPbususedinthecoalmin—eproductionandLinbus，provingthefeasibilityoftheprogram．Basedonlotsofliteratureinformation，awholedesignschemeaboutdatasamp—lingandcontrollingsystemonaccountofDPbusandL1Nbusispropo’sed．Thecharacteristicsofthreepriorcommondesignsarecompared．ThemicroprocessorandthespecializedDPcommunicationprotocolchiparecombinedasadesignandeachpartofthesystemareplannedaccordingtothepracticeoftheproject．Next，acorrespondinghostbasedondataconversionbetweenProfibus—DPofFreescalemicrocontr01lerandLINbusisachieved．Hardwareselection，circuits，PCB，programsandGSDfilesareaccomplished．Andthen，theworkingperformanceofeverycircuitandthesystemasawholeistested．Finally，howthesystemcanworkund-ertheinterferenceconditionandotherindustrialfieldsisevaluatedandt—heproblemsinthedesignisanalyzedandsummarized，includingthepro—spectsoffuturework．IV 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文KEYWORDS：Theautomationofcoalmineproduction，Fieldbus，DPb—US，LINbus，DataconversionV 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1ABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11I第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1课题研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2国内外煤矿自动化生产的现状以及DP总线和LIN总线的发展情况⋯⋯．11．2．1DP总线在我国煤矿自动化生产系统中的应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．2LIN总线的应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21．3课题研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31．4论文结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4第二章Profibus．DP现场总线技术和LIN总线技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．1Profibus．DP现场总线技术介绍及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52．1．1Profibus概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．1．2Profibus—DP现场总线系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52．2LIN总线技术介绍及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72．2．1LIN总线的传输性能和主要特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．82．2．2LIN总线的总线型拓朴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．82．2．3LIN总线的消息帧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9第三章基于DP／L1N总线控制系统的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．113．1DP／LIN控制系统整体功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．123．1．1系统连接方式⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．123．1．2系统工作过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯123．2DP／LIN控制系统各组成部分介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．133．2．1DP／LIN通信主机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．133。2．2基于LIN总线的数字量采集模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143．2．3基于LIN总线的数字量输出模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153．2．4基于LIN总线的模拟量采集模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l6 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文3．2．5基于LIN总线的模拟量输出模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯173．2．6基于LIN总线的温度数据采集模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18第四章DPFLIN通信主机的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一214．1硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯224．1．1电路结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯224．1．2硬件电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．1．3电路主要元器件选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．2系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384．2．1程序开发环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384．2．2程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394．3GSD文件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一424．3．1GSD文件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯424．3．2GSD文件的组成部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯424．3．3GSD的格式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．434．3．4本设备GSD文件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一43第五章系统测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯455．1测试工具介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯455．2基本测试步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯465．3模块测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．3．1通信主机的测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．3。2模拟量采集模块测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．485．3．3数字量采集模块测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．505．3．4模拟量输出模块测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．505．3．5数字量输出模块测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．525．3．6温度采集模块测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．535．4联网调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54第六章干扰测试和现场应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯616．1干扰测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6l6．2现场应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文6．3测试、应用中所遇到的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯666．3．1测试过程中的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯666．3．2系统开发中遇到的其它问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67第七章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯697．1本人所做的工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯697．2总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯707．3展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯70参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71附录1VPC3芯片数据读写程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．73附录2SCI中断服务子程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．75附录3本系统GSD文件的详细内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77致{射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81攻读学位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．83 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文1．1课题研究的背景第一章绪论煤炭是我国现阶段甚至未来很长时间内经济发展的主要能源，煤炭提供的能源约占全国能源消耗的70％。目前，我国是世界上最大的产煤国和消费国，全国煤炭产量和消耗量约占世界的一半。我国煤炭储量大、原油和天然气储量少的特点，决定了在未来相当长的一段时间内，煤炭仍然会在我国经济的发展中发挥着至关重要的作用。因此，煤炭生产的稳定、安全、可持续发展显得十分重要。我国是一个煤炭大国，在目前煤炭产业快速发展的大背景下，煤矿生产自动化程度也有了大幅度的提高。煤矿自动化生产设备主要有综采面的采煤机、乳化液泵等设备，综掘面的掘进机等设备，运输巷的皮带、轨道等设备，以及通风系统、提升机、供电、排水、瓦斯抽放泵等设备。保障这一系列设备高效、稳定运行的技术措施和设备，在煤矿安全、稳定生产中占据着举足轻重的地位。因此对这一系列设备的实时监测和控制成为煤矿自动化生产领域中研究的热点。要实现对这些设备的实时监测和控制，性能稳定、实时性好的现场总线以及其配套设备的选择尤其重要。所谓现场总线，是指随着计算机、控制、通信技术的发展，应用于制造或过程区域里，实现智能现场设备、控制室内或自动控制设备之间的数字式、串行、双向传输、多点、多站通信的的数据总线。目前在煤矿自动化系统中应用较为广泛的主要有Profibus—DP、CAN、Modbus等现场总线。其中，Profibus--DP总线应用最为广泛，在整个现场总线市场中所占的份额也是最大的。因此，进一步深化对DP总线的利用对于提高煤矿自动化生产水平有着非常重要的意义。目前在我国DP总线的使用状况是很单一的，主要使用形式还是以购买成套设备，如西门子、施耐得等，然后结合具体情况来组建系统。虽然有众多应用成熟的方案，但是成本很高。这就很大程度上阻碍了大多数中小煤矿的自动化生产的发展。因此，用较低的成本利用好DP总线对于改善这一现状尤为必要。1．2国内外煤矿自动化生产的现状以及DP总线和LIN总线的发展情况目前，我国用于煤矿生产的自动化设备主要是引进国外大公司的成套设备为主，成l 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文本高昂，因此造成煤矿自化生产投资巨大，继而造成我国煤矿自动化总体水平差距较大。各国有大型煤矿的生产自动化水平普遍较高，而一般小煤矿的自动化设备较为落后，甚至有的地方还停留在人工采煤的阶段。1．2．1DP总线在我国煤矿自动化生产系统中的应用现状ProcessFieldbus(简称为Profibus)是由西门子等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的工业控制领域的现场总线标准。在我国，Profibus--DP总线在煤矿自动化系统所有场合都有应用，在综采、综掘系统，以及运输中皮带、轨道等系统，矿井提升机、排水系统、通风系统和瓦斯抽放站等设备的控制系统中，都能见到基于Profibus--DP总线的设备。由于成套使用Profibus--DP总线成本较高，且在相当多场合灵活性不够，造成I／O模块接口闲置等问题。近年来，我国有不少科研单位在探索如何用较低的成本应用Profibus--DP总线，其中成果最突出是一些基于微控制器的Profibus--DP智能分站的开发设计。山东省自然科学基金“工业网络控制系统同步控制性能及控制策略的研究”中就有一项是“基于VPC3的PROFIBUS—DP智能从站的设计”。其系统采用的方案是用VPC3芯片与C8051单片机结合使用，实现DP总线数据与RS一232数据之间的转换。通过接口转换电路和软件设计实现了设备自适应应用，即自动识别非总线设备的通讯参数。该产品利用工业级的单片机来设计DP总线的智能从站，实现了DP总线的低成本应用。目前该产品已经应用于多种国产PLC和智能仪表的工控系统中。1．2．2L1N总线的应用现状LIN总线创始于1998年，是一种成本很低的串行通信技术，适应于对通信速率要求不高的场合，最高通信速率不超过20kb／s。其最初设计目标是作为现有汽车车身控制网络(CAN总线)通信的一种辅助通信技术。由摩托罗拉、宝马、戴姆勒一克莱斯勒、大众、沃尔康等汽车制造商联合开发。目前应用最多的为2006一LIN标准规范，即LINV．2．1版(现行版)。LIN协议较为简单，用质优价廉的8位单片机(具有SCI端口)即可实现。目前在广泛应用于车灯、电池、转向灯、车门、空调、座椅、温湿度传感器、照明灯等设备监测与控制。车身控制系统的工作环境是比较恶劣的，其中潮湿、震动、油污、尘土、温度变化2 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文以及强电磁干扰等恶劣环境对系统运行影响非常大。而汽车控制对现场总线的安全性能要求极高。LIN总线能够满足汽车车身控制的要求，则满足煤矿生产的要求也是可以的。如果将LIN总线的技术引入煤矿自动化生产，用于一些对数据速度要求不高的设备监测控制，则可降低煤矿自动化生产的成本。1．3课题研究的意义现场总线用于煤矿自动化生产的优点是：在一种或多种标准化的协议背景下组成一个“开放的系统”，应用非常灵活。对于任何符合所应用的标准化协议的产品都能够很方便的接入总线或从总线中移除，并且不需要对现有系统的结构进行大幅度的修改，应用非常方便。现场总线可以用少数几根信号线来实现传统的I／O接口控制系统中很大的线束才能实现的功能，极大的促进了现代工业控制系统水平的提高。而在目前的所有现场总线中，Profibus--DP总线在国内的应用最为广泛，因此本文将研究的对象确定为Profibus--DP总线。鉴于LIN总线抗干扰性能较好且应用成本较低的特点，本课题将LIN总线技术引入煤矿自动化系统，对煤矿生产具有如下重要意义：1、降低煤矿自动化生产的成本目前，我国煤矿自动化生产设备监测数据采集和控制信号输出设备方面，主要是以购买国外大公司的配套的设备为主。然后采用PLC分站的形式，与控制中心设备(PLC主站)进行数据交换。此方式虽然能够达到煤矿生产各方面的要求，但成本很高。以西f-j-y：PLC产品为例，大多数西门子PLC数字信号采集模块和输出模块的价格在1500元至3000元之间，常用的$300系列的CPU价格更是在3000元至20000元之间，再加上通信、电源等模块，组成PLC分站后，其成本基本在万元以上。而采用基于LIN总线的信号采集和控制信号输出设备，则可以很大程度上降低成本。2、丰富煤矿自动化控制方式目前煤矿数据通信方面主要以Profibus、CAN等总线为主。然而在对速率要求不高的领域，例如一些不关键的部位的参数的采集，使用上述总线较为浪费。而LIN总线在低速率通信方面的优异表现，使得我们可以设计出一些基于LIN总线的数据采集和控制信号输出模块等设备来替代目前市场上一些基于高速总线的设备。这样既可以节约资源，也丰富了自动化控制的形式，推动了LIN总线在现代工业控制中的应用。3 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文3、推广Profibus--DP总线在工业控制领域的应用虽然目前Profibus--DP总线在工控制领域应用已经较为广泛，但是由于成本高昂，仍有许多场合未能引进。这也是目前制约Profibus--DP总线发展的一个重要因素。本系统成本较低，而且经过改进行也可以应用于其它工业场合，有力的推动了Profibus--DP总线在现代工业控制中的应用。1．4论文结构全文共分为七章：第一章为绪论部分，主要分析了目前国内外关于DP总线和LIN总线的应用情况，并阐述了本课题的背景与意义。第二章主要介绍了DP总线和LIN总线的相关基础识，通过研究两种总线的通信协议的结构及其应用特点，说明了本课题选择研究这两种总线的依据。第三章从系统整体的角度介绍了本课题所设计的系统的功能以及系统中各模块的功能。先介绍了系统做为一个整体在DP总线控制系统中的应用，然后对系统中每一模块功能和应用进行详细介绍。第四章详细介绍了系统通信主机的设计，包括硬件、软件以及GSD文件的设计，这部分的内容是本人在课题中的重点工作之一。第五章对系统的整体功能进行测试了，通过PLC(S300)对各个功能模块进行操作，测试其功能是否达到了设计要求，这部分内容是本人的重点工作之一。第六章对整个系统进行了抗干扰性能测试并对现场应用情况进行介绍，通过测试系统的在噪声干扰环境的中通信性能，确定系统在有相当噪声干扰的情况下工作稳定，然后通过现场应用，确认系统的设计能够满足工业控制的要求；第七章为总结部分。总结了本人在课题中所做的主要工作，系统设计的结论以及对系统未来的改进方向进行了展望。4 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第二章PROFIBUS—DP现场总线技术和LIN总线技术现场总线(Fieldbus)是上世纪80年代中后期随着计算机、通信、控制和模块化集成等技术发展面出现的一门新技术，代表自动化领域发展的最新阶段。国际电工委员会(IEC)对现场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。目前在工业控制领域应用最多的现场总线有：基金会现场总线、PROFIBUS、CAN、ControlNet、Modbus、LonWorks等总线。2．1Profibus—DP现场总线技术介绍及应用2．1．1Profibus概述Pr06bus(ProcessFieldbus的缩写)是由西门子等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。其先后成为德国和欧洲的现场总线标准(DINl9245和EN50170)，并于2000年成为IEC61158国际现场总线标准之一，2001年成为我国的机械行业标准JB／T10308．3--2001。目前，该协议主要有以下3部分：1、PROFIBUS—DP，在工业控制领域应用最为广泛，可将分散在现场各处的设备连结起来，通过轮询方式采集现场数据、输出控制信号，具有极高的效率；2、PROFIBUS—PA，主要应用在过程控制领域，如石油、化工行业，代替了传统的模拟信号控制方式，大大提高了过程控制的可靠性；3、PROFIBUS—FMS，应用于中等速率通信的场合，在车间一级的控制系统中应用较为广泛。其中，以PROFIBUS—DP应用最为广泛，在现代工业控制所有场合都可以应用。因此，本设计选择以DP总线作为设计的目标。以下将着重介绍该方面的内容。2．1．2PROFIBUS—DP现场总线系统1、传输性能和主要功能PROFIBUS—DP采用RS485通信技术，传输速率为9．6kbiffs～12Mbit／s。支持单主站和多主站系统，并有主站和从站两种设备，主站之间通过传递令牌来实现通信和控制，5 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文主站与从站之间为主、从通信方式。总线上最多可连接126个站点，实际应用中，为保证通信可靠，总线上最多可连接32个站点。若超过32个站点，必须采用中继器连接站点。并且串连中继器的个数一般不超过3个。PROFIBUS—DP总线的主要功能如下：(1)DP主站和DP从站间的循环用户数据传送；(2)各DP从站组态的检查；(3)--级诊断功能；(4)输入和输出同步；(5)通过总线给DP分站赋予地址；(6)通过总线给DP主站(DPMI)进行配置。2、PROFIBUS—DP总线拓朴每个基于DP总线的控制系统中包括三种不同类型的设备：一级主站(DPMl)、二级主站(DPM2)、和DP从站。系统典型柘朴结构如图2．1所示：图2-1DP总线典型拓扑结构图Fig．2-1TypicalDPbustopology其中：一级主站(DPMl)，是系统的控制中心，它规定系统的工作周期，在工作周期内向分散的站点(如DP从站)发送指令，并接收这些站点上传的数据，以及故障检测。一般系统中的一级主站有PLC、PC等。二级主站(DPM2)，即可编程、组态、诊断的设备，如编程器、组态设备或操作面板。它们在DP系统组态和操作时使用，以实现系统的操作和监视。DP从站，是进行现场数据采集和控制命令输出的现场设备，如DI／DO、AI／AO、人机交换界面、智能驱动器、电磁阀门等，也包括一些只提供输入／输出信息的设备，如6 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文开关和继电器。3、PROFIBUS--DP总线协议PROFIBUS—DP通信模型参考了ISO／OSI参考模型的物理层(第l层)、数据链路层(第2层)，并且定义了用户接口层，未定义第3至7层，如表1。这种精简的结构既保证了数据传输的高速有效，也便利了协议以后的发展。直接数据链路映象(DDLM，DirectDataLinkMapper)提供了访问第2层的用户接口，用户接口规定了用户和系统以及各类设备可以调用的应用功能，并描述了各种设备的设备行为。物理层采用RS一485传输技术或光纤传输技术。DP协议的用户层包括DP的基本功能、DP扩展功能和行规。表2．1PROFIBUS—DP通信协议模型Tab．2·1PROFIBUS—DPcommunicationalprotocolmodelDP设计行规基本功能甩户层DP用户接口直接数据链路映象程序(DDLM)第7层(应用层)未使用第3～6层数据链路层第2层(数据链路层)现场总线数据链路(FDL)物理层第一层(物理层)(RS485或光纤)2．2LIN总线技术介绍及应用LIN(LocalInterconnectNetwork)Bus是一种串行通讯总线，它可以有效地支持汽车车身控制系统中分布式机械及电子设备的控制。LIN协会创建于1998年末，最初的发起人为为宝马、Volvo、奥迪、VW、戴姆勒．克莱斯勒、摩托罗拉和VCT等，五家汽车制造商，一家半导体厂商以及一家软件工具制造商。该协会将主要目的集中在定义一套开放的标准，该标准主要针对车辆中低成本的内部互联网络。LIN标准包括了传输协议的定义、传输媒质、开发工具间的接口、以及和软件应用程序间的接口。LIN提升了系7 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文统结构的灵活性，并且无论从硬件还是软件角度而言，都为网络中的节点提供了相互操作性，并可预见获得更好的EMC(电磁兼容)特性。目前应用最多的为2006LIN标准规范V．2．1版(现行版)。2．2．1LIN总线的传输性能和主要特性总线驱动、接收器的定义遵循ISO9141单线标准，并带有一些增强性能。总线为单线传输，”与”总线通过终端电阻由电池正极节点(VBAT)提供。总线收发器采用增强型的ISO一914l实现标准。总线可以取两个互补的逻辑值：主控值信号电压接近于系统接地端(电源负极)，代表逻辑值”0”，退让值信号电压与电源电压(电源正极)接近，代表逻辑值”1”。由于采用单线媒质传输，最大的传输波特率被限定在20kbit／s以内。该值为从满足信号同步而不产生冲突的最高值，到为满足电磁兼容性要求而要达到的传输最低值之间的实验中间值。最小的传输波特率为1kbit／s，这有助于避免在实际中产生超时冲突。LIN总线的主要特性：(1)单主多从组织(即没有总线仲裁)，配置灵活；(2)基于普通UART／SCI接口的低成本硬件实现低成本软件协议；(3)带时间同步的多点广播接收，从机节点无需石英或陶瓷谐振器，可以实现白同步；(4)保证信号传输的延迟时间。可选的报文帧长度：2、4和8字节；(5)数据校验和的安全性和错误检测，自动检测网络中的故障节点；(6)使用最小成本的半导体组件(小型贴片，单芯片系统)。(7)通信速率为20kbit／s。2．2．2LIN总线的总线型拓朴LIN通信的拓朴类型主要有星型、环型和总线型，其中总线型拓朴应用最为广泛，也最为方便有效。在总线拓朴中，传输介质为一条总线，节点通过相应的硬件接口接到总线上。当一个节点发送消息时，其它节点均可接收该消息。由于所有节点共享同一信道，因此任一时刻只允许一个节点发送消息。LIN总线采用单多从模式，总线仅由三根线组成(电源、地线和数据线)。传输速率可达20Kb／s，最大总线长度为40m。主节点采用轮询访问机制，无需总线仲裁，不需要改变LIN从节点的硬件和软件就可以在网络上增加或删除节点。LIN总线型拓朴结构如图2．2所示：8 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文2．2．3LIN总线的消息帧图2-2L科总线的总线型拓扑结构图Fig．2-2L1NbustopologyLIN网络中的所有通信都是以消息形式进行的，消息有标准的格式，称为消息帧。一个消息帧由消息帧头(MessageHeader)字段和消息响应(MessageResponse)字段组成。帧头由同步间隔场(SynchBreakField)、同步字节场(SynchField)和标志符(IdentifierField)-一部分组成。消息帧结构如图2—3所示：中断同步受鼹护的识别符(PID)羹据1聂鼍2最塞N授验和图2-3LIN总线通信中消息帧的结构图Fig．2—3LINbuscommunicationmessageframestructure9 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文lO 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第三章基于DP／L烈总线控制系统的应用本课题所提出的基于Profibus--DP总线和LIN总线的混合控制系统，在现场应用中做为DP总线的从站使用，由1个通信主机和不超过10个基于LIN总线的数据采集模块或控制信号输出模块(以下简称功能模块)构成。其中，通信主机实现DP总线与L1N总线之间的数据格式的转换，并做为LIN总线的主节点对功能模块进行轮询。功能模块用以从现场采集数字、模拟信号或向现场设备输出控制信号。功能模块共有数字量的采集模块、数字量输出模块、模拟量采集模块、模拟量输出模块和温度信号采集模块五种。典型应用结构如图3．1所示：数据采集输出模块DP／LIN通▲l信主机0⋯数据采集输出模块图3-l典型压用组合结构图Fig．3·1Typicalcompositeapplicationsstructurediagram由通信主机和功能模块组成的系统作为DP总线系统中的一个从站，与其它形式的DP从站在DP总线控制系统中的性质和作用是同样的，典型应用方式如图3。2所示，通信主机与DP主站和其它从站之间的通信方式为Profibus．DP总线，通信主机与功能模块之间的通信方式为LIN总线。通过这种方式，将DP总线和LIN总线应用很好的结合起来，即可将LIN总线引入煤矿自动化系统，甚至所有现代工业控制领域中。；图3—2系统在DP总线系统中的典型应用图Fig．3—2atypicalapplicationdiagramofsysteminDPbussystem 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文3．1DP／LIN控制系统整体功能本系统由通信主机和功能模块构成。为保证LIN总线部分的具有良好的通信性能，每个通信主机连接的功能模块数量不超过10个。3．1．1系统连接方式系统中，LIN总线采用单总线通信，高电平信号为24V。通信主机和功能模块之间只需通过电源线、信号线和地线三根物理导线即可连接。通信主机与DP主站和其它从站通过RS485总线通信。接线图如图3．3所示：从机地址103．1．2系统工作过程从机地址3从机地址2图3-3系统接线图Fig．3-3Systemwiringdiagram在此系统中，由通信主机经DP总线接受DP(PLC)主站的指令，将数据通过LIN总线传送给功能模块予以执行。功能模块按照通信主机传送的数据，进行相应的动作，即采集开关量、输出开关量、采集模拟量、输出模拟量、采集温度信号。功能模块将采集到的数据经LIN总线发送给通信主机，通信主机再将数据经DP总线发送到主站或其它12 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文从站。这样从系统整体功能来看，与其它大公司的成套产品组成的DP从站具有相同的功能。3．2DP／LIN控制系统各组成部分介绍3．2．1DP／LIN通信主机通讯主机实现DP总线数据和LIN总线数据的交换，即将DP主站的指令转发给功能模块，将功能模块采集到的信号转为DP总线信号，传递给DP主站或相应分站。它与每个功能模块的通信时间为12ms，这样完成一次轮询工作所用时间最多120ms(连接10个功能模块时)。通信主机接线端子及指示灯定义位置图如图3—4所示：⑦⑦00⑦⑦O●⋯啪IOUI●OJlJ22毒喜I地川：选拍!?Jq老喜I誉●D1善g2一goC-I一≥●I)2山oo∞oo∞篮●D：3KD-DPSL●D