工业有线/无线异构网络设计及在污水处理系统中的应用

【摘要】：传统的有线控制系统已经成为当今工业领域中的主流,但随着无线技术的发展,它已逐步应用于工业制造领域。无线技术给工业监控领域提供了多元化的控制方式,在工业控制网络中应用无线通信技术,能真正地把每一个制造环境中设备都连成系统,将所有的有线/无线设备都融合到统一的异构网络中。这已成为有线/无线技术发展和应用的一个重要方向。本文主要完成如下工作。 首先,针对污水处理过程中固定加药量带来的欠处理和过处理问题,提出了一种变频器远程无线控制方案。设计了低成本的无线数传控制模块,对变频器控制指令采用Zigbee协议短帧、透传的方法无线形式发送,逐层封装与解析,并根据实时监测到的污水参数控制加药量电机的转速,为电机控制提供可靠的无线解决方案。此方案脱离了传统PLC的控制模式,摆脱了电缆的束缚,弥补了有线方式的不足,实现了电机的远程无线操控。 其次,现有污水监控设备采用的工业总线类型不同,存在互不兼容、不同的控制器之间不能互联互通、现场级设备间存在协议上的壁障等问题。本文针对两种有线协议Modbus-RTU、PROFIBUS-DP研究开发了与无线Zigbee网络互联互通的重要网络设备——网关(协议转换装置)。该装置实现了有线网络与无线Zigbee网络间的数据传输。硬件方面给出了完整的硬件接口设计;软件设计方面分别对无线侧组网过程、网络参数设置、地址分配以及有线侧请求帧与响应帧等做了详细说明,并针对数据的解包、成包设计了数据映像区。完成了Modbus、PROFIBUS-DP与Zigbee协议转换装置的开发设计。 最后,针对污水处理无线监控系统,进行了工业组态软件和维控触摸屏的开发,应用本文开发的协议转换装置和无线节点,搭建了一套工业有线/无线异构网络污水处理监控系统。通过安装调试,此系统能够经长时间运行,验证了本文工作的实用性与可行性。 【关键词】：Zigbee Modbus PROFIBUS 协议转换 工业组态通信 触摸屏
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP273.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 工业网络技术9
• 1.2 工业网络的发展9-11
• 1.2.1 工业有线网络9-10
• 1.2.2 工业无线网络10-11
• 1.3 异构网络的发展11-14
• 1.3.1 有线网络间的异构11-13
• 1.3.2 无线网络间的异构13-14
• 1.3.3 有线/无线网络间的异构14
• 1.4 课题来源及研究意义14-17
• 1.5 论文内容与结构安排17-19
• 第2章 基于Zigbee网络的变频器远程无线控制19-33
• 2.1 引言19-21
• 2.1.1 Zigbee协议结构19-20
• 2.1.2 Zigbee协议优势20-21
• 2.2 变频器远程无线控制21-24
• 2.2.1 子系统结构21-23
• 2.2.2 远程无线网络的建立23-24
• 2.3 变频器控制指令无线传输过程24-32
• 2.3.1 应用层数据包封装26-28
• 2.3.2 网络层数据包封装28-30
• 2.3.3 MAC 层数据包封装30-31
• 2.3.4 变频器通信过程31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 Modbus-Zigbee协议转换装置的设计33-48
• 3.1 引言33-35
• 3.1.1 Modbus-RTU报文格式33-34
• 3.1.2 Modbus-RTU的读操作34-35
• 3.2 Modbus-Zigbee协议转换装置硬件设计35-36
• 3.2.1 主控芯片35
• 3.2.2 硬件电路35-36
• 3.3 Modbus-Zigbee协议转换装置软件设计36-46
• 3.3.1 AT89551实现Modbus-RTU总线协议36-40
• 3.3.2 JN5139实现Modbus-RTU总线协议40-42
• 3.3.3 数据映像区与地址映射的设计42-46
• 3.4 终端节点的设计46
• 3.5 异构网络的冗余处理46
• 3.6 本章小结46-48
• 第4章 PROFIBUS-Zigbee协议转换装置的设计48-57
• 4.1 引言48-51
• 4.1.1 PROFIBUS协议结构48-49
• 4.1.2 PROFIBUS-DP的设备类型及存取过程49-50
• 4.1.3 PROFIBUS-DP报文格式与类型50-51
• 4.2 PROFIBUS-Zigbee智能从站转换装置硬件设计51-56
• 4.2.1 SPC3芯片51
• 4.2.2 无线DP 从站硬件结构51-53
• 4.2.3 系统调试53-56
• 4.3 关键技术研究56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 异构网络与上位机通信的实现与设计57-71
• 5.1 引言57
• 5.2 协议转换装置与组态王的通信设置57-66
• 5.2.1 组态中基本设置57-58
• 5.2.2 污水参量的定义58-60
• 5.2.3 地址映射关系60-63
• 5.2.4 异构网络与上位机通信调试63-64
• 5.2.5 异构网络间的数据无线传输64-65
• 5.2.6 污水处理监控界面65-66
• 5.3 协议转换装置与LEVI触摸屏通信设置66-70
• 5.3.1 LEVI基本设置66-67
• 5.3.2 LEVI中加载位图及动态画面设置67-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果77-78
• 致谢78-79
• 作者简介79

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