现场总线控制系统Newly compiled on November 23, 2020
南阳理工学院自动控制仪表课程报告
学院（系）：机械与汽车工程学院
专业：测控技术与仪器（升）学生： *** 指导教师： * * 完成日期2015年 12 月
自动控制仪表课程报告
现场总线控制系统
Fieldbus control system
总计：自动控制仪表课程报告 20 页
插图： 14 幅
自动控制仪表课程报告
现场总线控制系统
Fieldbus control system
学院（系）：机械与汽车工程学院
专业：测控技术与仪器（升）
学生姓名： ***
学号：1%%%%%%%
指导教师（职称）：（高级工程师）
评阅教师：
完成日期： 2015年12月
南阳理工学院
Nan yang Institute of Technology
现场总线控制系统
测控技术与仪器（升） ***
[摘要]技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线协议主要包括、、Foundation、、Interbus_S 等。在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。
[关键词] 现场总线；工业控制；应用广泛
Fieldbus control system
Measurement & Control Technology and Instruments Major（l） ***
Abstract：Field bus technology, since the promotion has been all over the world
should be used in industrial control fields. Fieldbus technology popularization has three or four years, has been or are being used in metallurgy, automobile manufacturing, tobacco machinery, environmental protection, petrochemical, electric power, textile machinery and other industries. Application of bus protocol mainly includes the PROFIBUS, DeviceNet, Foundation, Fieldbus, Interbus_S, etc. In the automotive industry, the field bus control technology application is very common, in the past two years the domestic new and the old production line of auto production line transformation, mostly using the field bus control technology. Design of field bus control system has been applied abroad is very broad, from the single device to the transmission system of the whole production line, adopts the control method of the field bus. And domestic applications are mostly concentrated in the production line of
conveying system, with the continuous development of technology and is bound to renew ideas gradually expanding its application field.
Key words：Fieldbus; Industrial control; Widely used
目录
1
5
1引言
现场总线控制系统概述
现场总线控制系统是从八十年代中期发展起来的。经历了十几年的时间，现场总线控制技术已经被广泛应用于汽车、造纸、纺织、烟草、机械、石油化工、电力、楼宇自控等各个控制领域。现场总线控制技术由于其巨大的技术优势，被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的PLC点对点接线的控制方法。
现场总线技术的控制系统（Fieldbus Control System-FCS）是以现场总线为基础发展起来的全数字控制系统。实际上就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O 或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种机控制领域的总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS至今的FCS（Fieldbus Control System）系统,已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Commcenication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前，在现场总线网络互联都是遵守OSI模型。
2 现场总线控制系统
现场总线控制系统体系结构
现场总线控制系统FCS是以现场总线为基础的开放式、全数字式的控制系统。它通常由以下3部分组成：现场智能仪表、控制器；现场总线系统；监控、组态计算机。其中现场智能仪表、控制器、计算机等都通过现场总线网卡及通信协议软件连接到网上，故现场总线网卡及通信协议软件是FCS的基础和神经中枢。与此同时，组态技术包含有系统组态、数据库组态及控制算法组态，生成的参数及算法不仅可以在控制器中运行，还可以在远程I／O或智能设备上运行。
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、 PLC等与数字1/ O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；通信媒体安装费用较低。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。
系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口对整个系统进行管理和控制。其总线接口，有时可以称为扫描器。可以是分别的卡件，也可以集成于PLC中。总线接口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。总线接口的缺省地址通常设为"0"电源，是网络上每个节点传输和接收信
息所必须的。通常输入通道与内部芯片所用电源为同一个电源，习惯称为总线电源。而输出通道使用独立的电源，称为辅助电源。
图1现场总线控制系统体系结构
如图1所示，最底层的Infranet控制网即FCS，各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。FCS形成的Infranet控制网很容易与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。
现场总线控制系统的特点
第一，FCS 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器都采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连;第二，FCS 的系统结构是全分散式，FCS 废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS 控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制;第三，FCS 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS 控制层的封闭性和专用性;第四，FCS 的通信网络为开放式互连网络，既与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库;第五，FCS 的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。
现场总线控制系统的关键要点
（1）现场总线控制系统的核心是现场总线协议，即现场总线标准一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯
传输为基本依据。用现场总线在控制现场建立一条可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。
（2）现场总线控制系统的基础是数字智能传感器数字智能传感器是FCS 系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。
（3）现场总线控制系统的实质是信息处理现场化无论采用什么类型控制系统，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的实质就是信息处理的现场化，也是智能化仪表和现场总线所追求的目标。
3 现场总线的技术
现场总线的概念
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协
议。FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。
图2现场总线结构图
现场总线的技术特征
传统计算机控制系统中，现场仪表和控制器之间均采用一对一的物理连接。这种传输方式一方面要给现场安装、调试及维护带来困难，另一方面难以实现现场仪表的在线参数整定和故障诊断，无法实时掌握现场仪表的实际情况，使得处于最底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节。
如图2，现场总线采用数字信号传输，允许在一条通信线缆上挂接多个现场设备，而不再需要A/D、D/A等I/O组件。当需要增加现场控制设备时，现场表可就近连接在原有的通信线上，无需增设其它任何组件。
从结构上看，DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统，而FCS采用的是一个“全分散”、“全数字”的系统架构。FCS的技术特征可以归纳为以下几个方面：①全数字化通信――现场信号都保持着数字特性，现场控制设备采用全数字化通信。②开放型的互联网络――可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。③互可操作性与互用性――互操作性的含义是指来自不同制造厂的现场设备可以互相通信、统一组态；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。④现场设备的智能化――总线仪表除了能实现基本功能之外，往往还具有很强的数据处理、状态分析及故障自诊断功能，系统可以随时诊断设备的运行状态。⑤系统架构的高度分散性――它可以把传统
控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成一种全分布式控制系统的体系结
构。
图3 FCS结构示意图
4 现场总线控制系统与现场总线的联系
现场总线技术是FCS的核心
现场总线技术的控制系统（Fieldbus Control System-FCS）是以现场总线为基础发展起来的全数字控制系统。实际上就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O 或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
图4为 FCS 基本构成图
FCS 的关键是现场总线技术与现场总线智能传感器，国内企业应吸取在PLC、DCS 技术和产业化方面发展的经验教训，把握机遇，开发出拥有自主知识产权、基于现场总线技术的控制系统，将国内工业自动化装备提高到一个新的水平，使我国自动化行业在未来国际自动化技术领域中及市场份额上都占有一席之地。
5 现场总线控制系统带来的变革及典型应用
变革
综上所述，现场总线对当今的自动化带来以下7 个方面的变革:
（1）用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台模拟仪表;
（2）用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式; （3）用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表;
（4）用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站;
（5）用现场控制系统FCS 代替集散控制系统DCS;
（6）变革传统的信号标准、通信标准和系统标准;
（7）变革传统的自动化系统的体系结构、设计方法和安装调试方法。
应用
现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护
性和提高数据采集的智能化的要求。下面以Profibus 为例，说明现场总线控制系统的典型应用。
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（ProcessAutomation ）， PROFIBUS-
FMS(Fieldbus MessageSpecification)。这三个部分分别在三大典型系统中有所应用：
（1）连续的工艺过程自动控制，如石油化工，典型产品是Profibus—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。
（2）分立的工艺动作自动控制，如汽车，典型产品是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。
（3）多点控制，如楼宇自动化，典型产品是 PROFIBUS－FMS：用于监控网络，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。
6 现场总线控制系统市场前景分析
市场需求
目前，国内各行业竞争激烈。企业逐步认识到只有不断引人新技术才能使企业得到持续稳定地发展。企业有追求新技术、改造现有系统的需求。现场总线技术是未来自动化技术发展主流，基于现场总线的先进控制系统以其明显的技术优势和价格优势，在分布式控制系统市场中将逐步替代PLC产品。
企业效益
对现场设备制造商参与基于现场总线的先进控制系统开发的现场设备制造商将本企业传统产品提高了一个技术水平。由于现场总线技术的开放性，企业开发的现场总线产品可以集成到任何现场总线控制系统中。
对自动化系统集成商应用现场总线的先进控制系统的自动化系统集成商有条件以系统为平台，利用自身在行业领域中的优势，开发出具有专用技术的控制系统，使系统集成增值，增加利润并扩大市场份额。
结束语
当前，国际上各个自动化公司都在现场总线方面投入了巨大的资源进行研究与开发，因为这是进入下一代控制系统的关键技术，谁能够为解决现场总线目前存在
的问题拿出完整有效的解决方案，谁就占据了市场的先机。另外，下一代控制系统要真正形成巨大的市场，除技术上要走向成熟之外，还要有一个能够得到广泛认可的标准。
正如电子技术是单元式组合仪表控制系统的关键技术，软件技术是数字化控制系统如DCS、PLC等的关键技术一样，网络技术将是FCS的关键技术。可以说，一套简洁明了、高效可靠、标准化的网络通信规约将是FCS能否真正成为下一代控制系统的关键。
转眼这学期即将结束，控制仪表与装置这门课也结束了。课程报告不仅是对这门课所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。我不仅收获了知识而且也锻炼了品质，通过这次认真而又细致的课程报告，我对待事情的态度更加严谨更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想这将是一种很重要的财富。课程报告的结束也是毕业设计的开始，相信这次课程报告会令我的毕业设计能加完美。
参考文献
[1]李忠虎．现场总线技术纵横谈[J]职大学报，2003(4)：23-24．
[2]刘紫燕，冯丽．现场总线技术与现场总线控制系统[D]．浙江大学电气工程学院(310027)：浙江大学电气工程学院，2010．
[3]罗安．现场总线与现场总线控制系统[J]．自动化博览，2008，25(6)：11-12．
[4]吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京：化学工业出版社，.
附录
一基金会现场总线
按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。
在FF协议标准中，FF分为低速H1总线和高速H2总线。H1主要针对过程自动化，传输速率，传输距离可达1900m（可采用中继器延长），支持总线供电和本质安全防爆。高速总线协议H2主要用于制造自动化，传输速率分为
1Mbps和两种。但原来规划的H2高速总线标准现在已经被现场总线基金会所放弃，取而代之的是基于以太网的高速总线HSE。
FF总线的通信模型为了实现通信系统的开放性，FF通信模型参考了OSI模型，如图5。
图5 FF通信模型
H1总线的通信模型包括物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层。物理层采用了IEC61158-2的协议规范；数据链路层DLL规定如何在设备间共享网络和调度通信，通过链路活动调度器LAS来管理现场总线的访问；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。H1的应用层分为两个子层――总线访问子层FAS和总线报文规范子层FMS，功能块应用进程只使用FMS，FAS负责把FMS映射到DLL。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能快、设备描述等。不过，数据链路层和应用层往往被看作为一个整体，统称为通信栈。
HSE采用了基于Ethernet和TCP/IP的六层协议结构的通信模型。其中，一～四层为标准的Internet协议；第五层是现场设备访问会话，为现场设备访问代理提供会话组织和同步服务；第七层是应用层，也划分为FMS和现场设备访问FDA二个子层，其中FDA的作用与H1的FAS相类似，也是基于虚拟通信关系为FMS提供通信服务。
(2)H1总线协议
H1总线的物理层根据IEC和ISA标准定义，符合ISA 物理层标准、IEC1158-2物理层标准以及FF-816 物理层行规规范。当物理层从通信栈接收报文时，对数据帧加上前导码和定界码，并对其实行数据编码，再经过发送驱动器把所产生的物理信号传送到总统的传输媒体上。相反，在接收信号时，需要进行反向解码。
图6（a）曼彻斯特编码图6（b）前导码和定界码
如图6，基金会现场总统采用曼彻斯特编码技术将数据编码加载到直流电压或电流上形成“同步串行信号”“0”、“1”、“N+”、“N－”按规定的顺序组成。
图7（a）表示了H1总线的配置思想，总线两端分别连接一个终端器，形成对信号的通带电路。发送设备产生的信号是、峰峰值为15～20mA的电流信号，如图(b)；传送给相当于50Ω的等效负载，产生一个调制在直流电源电压上的～
1V的峰峰电压，如图(c)。H1支持总线供电和非总线供电二种方式。
图7 H1总线上的信号波形
通信栈包括数据链路层DLL、现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范FMS三部分。
DLL最主要的功能是对总线访问的调度，通过链路活动调度器LAS来管理总线的访问，每个总线段上有一个LAS。H1总线的通信分为受调度/周期性通信和非调度/非周期性通信二类。前者一般用于在设备间周期性地传送测量和控制数据，其优先级最高，其它操作只在受调度传输之间进行。
FAS子层处于FMS和DLL之间，它使用DLL的调度和非调度特点，为FMS和应用进程提供报文传递服务。FAS的协议机制可以划为三层：FAS服务协议机制、应用关系协议机制、DLL映射协议机制，它们之间及其与相邻层的关系如图8所示。FAS服务协议机制负责把发送信息转换为FAS的内部协议格式，并为该服务选择一个合适的应用关系协议机制。应用关系协议机制包括客户/服务器、报告分发和发布/接收三种由虚拟通信关系VCR来描述的服务类型，它们的区别主要在于FAS如何应用数据链路层进行报文传输。DLL映射协议机制是对下层即数据链路层的接口。它将来自应用关系协议机制的FAS内部协议格式转换成数据键路层DLL可接受的服务格式，并送给DLL，反之亦然。
图8 FAS协议机制
FMS描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式和建立报文所必需的协议行为。针对不同的对象类型，FMS定义了相应的FMS通信服务，用户应用可采用标准的报文格式集在现场总线上相互发送报文。
用户层定义了标准的基于模块的用户应用，使得设备与系统的集成与互操作更加易于实现。用户层由功能块和设备描述语言两个重要的部分组成。
(3)FF总线的网络拓扑
FF现场总线的网络拓扑比较灵活，通常包括点到点型拓扑、总线型拓扑、菊花链型拓扑、树型拓扑以及这多种拓扑组合在一起构成的混会型结构。其中，总线线型和树型拓扑在工程中使用较多。在总线型结构中，总线设备通过支线电缆连接到总线段上，支线长度一般小于l20米，适用于现场设备物理分布比较分散、设备密度较低的应用场合，分支上现场设备的拆装对其它设备不会产生影响。在树型结构中，现场总线上的设备都是被独立连接到公共的接线盆、端子、仪表板或I/O卡，适用于现场设备局部比较集中的应用场合。H1总线连接以及HSE网络拓扑分别如图9、10所示。
图9 H1总线上的设备连接图10 HSE设备连接示意图
二 PROFIBUS现场总线
PROFIBUS共包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三个兼容系列，各系列的协议结构如图11所示。FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，物理层提供了光纤和RS485两种传输技术。DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，其中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同，二者采用了相同的传输技术和统一的总线控制协议(报文格式)。PA 主要应用于过程控制领域，相当于FF的H1总线，它可支持总线供电和本质安全，当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络上。
图11 PROFIBUS协议结构
PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术之一，既适合于自动化系统与现场I/O单元的通信，也可用于直接连接带有接口的各种现场仪表及设备。DP和PA的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其它现场总线。
(2)数据传输技术
PROFIBUS提供了RS485传输、IEC1158－2传输和光纤传输三种类型。
RS-485传输用于PROFIBUS－DP/－FMS，其最大传输速率可达12Mbps，在不加中继的情况下，传输速率与总线长度的对应关系如下表所示：数据IEC1158－2的传输技术用于PROFIBUS－PA，是一种位同步协议，通过±9mA对基本电流（约10mA）的调制，以的速率传输。
PROFIBUS系统要桥接更长的距离或在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体（塑料和玻璃）传输，光链路插头可以实现RS485信号和光纤导体信号的相互转换。
(3)总线存取协议
PROFIBUS总线包括的三个兼容系列均使用一致的总线存取协议，这是一种包括主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式的混合协议，如图12。
图12 总线储存协议
令牌环是所有主站的组织链，按照它们的地址构成逻辑环。在令牌环中，令牌在逻辑环中循环一周的最长时间是事先规定的，令牌需要在规定的时间内按照地址的升序在各主站中依次传递。
主从方式允许主站在得到总线存取令牌时与从站进行通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主从关系表与所有从站通信，也可依照主主关系表与所有主站通信。
(4)DP/PA的连接
图13为PROFIBUS DP与PA的典型结构图。基于IEC1158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过耦合装置相连，耦合器使二者信号相适配。每段通常配一个电源装置，电源装置经耦合器和PA总线为现场设备提供电源，这种供电方式可以限制PA总线段上的电流和电压。如果需要外接电
1.集散控制系统是以微型计算机为基础的分散性综合控制系统。集散控制系统 的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的 一种新型控制技术。它是计算机技术、通信技术、控制技术和CRT显示技术（简称4c技术）相互渗透发展的产物。采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，以分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代工业的生产和管理要求。 2.集散控制系统由集中管理部分、分散啊控制检测部分和通信部分组成。集 中管理部分可分为运行员操作站、工程师工作站和管理计算机；分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站；通信部分用于完成控制指令及各种信息的传递和数据资源的共享。集散控制系统按照自下而上的功能可分为四层：现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级和调度管理级。 3.集散控制系统组态功能包括硬件组态和软件组态。 4.CRT操作方式的特点：信息量大、显示方式多样化、操作方便容易、透明度 提高。 5.组态操作包括系统组态、控制组态、画面组态和操作组态。 6.过程画面组态主要由静态画面、动态画面及画面合成等内容组成。 7.集散控制系统的显示画面可分为四层：区域显示、单元显示、组显示、细目 显示。 8.集散控制系统的显示画面分为：概貌显示画面、过程显示画面、仪表面板显 示画面、趋势显示画面、报警显示画面、系统显示画面。 9.数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息。 10.传输速率：指信道在单位时间内传输的信息量。 11.传输方式：①单工方式：信息只能沿单方向传输的通信方式②半双工方 式：信息可沿着两个方向上传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式③全双工方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。有基带传输、载带传输和宽带传输。 12.异步传输：信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位 和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的；同步传输：信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。 13.串行传输：把构成数据的各个二进制位依次在信道上传输；并行传输：把构 成数据的各个二进制位同时在信道上传输。 14.载带传输有三种调制方式：调幅方式、调频方式和调相方式。 15.数据交换方式：线路交换方式、报文交换方式、报文分组交换方式（又分 为虚电路和数据报两种交换方式）。 16.OSI模型的层次：物理、数据链路、网络、传送、会话、表示、应用。 17.开放系统互联的参考模型各层共有的功能：封装过程、分段存储、连接建 立、流量控制、差错控制和多路复用。 18.IEE802委员会分别对带有冲突检测的载波侦听多路存取、令牌总线、令牌 环三种媒体存取方式规定了相关协议，即IEE802.3、IEE802.4、IEE802.5。19．现场总线广义上是指控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统。 20.一般认为现场总线时用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、 全数字化、双向、多站的通信系统。 21.现场总线的特点：封闭的物理过程、更大的覆盖范围、设备的数量、价 格、实时性操作、传输的完整性、有效性、用户选择的服务、集成开放结构、严酷的环境条件。 22.通用现场通信系统和各领域的特殊要求：发电和输变电、化工系统特殊要 求、制造应用、电子机构应用、现场总线需求的综合考虑。 23.现场总线控制系统在制造在领域、物业领域和过程领域得到全面的发展。 24.Profibus产品系列：Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS。 25.Profibus的主要特性：总线存取协议、灵活的配置、本征安全、功能强大 的FMS。 26.集散控制系统的设计分为4个阶段：方案论证、方案设计、工程设计和系 统文件设计。 27.CAN总线：控制器局域网。主要特性如下：通信介质可以是双绞线、同轴电 缆或光纤，直接通信最远可达10km，最高速率可达1Mbit/s；用数据块编码方式的代替传统的站地址编码方式；网络上任意一个节点可以主动向其他节点发送数据；网络上的节点可以定义成不同的优先级；数据帧中的数据字段长度最多为8个字节；CAN中的每一个帧中都有CRC校验及其他检错措施，降低数据的错误率；网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能。 28.集散控制系统的安全性：功能安全、人身安全、信息安全。 29.现场总线与IT计算机网络技术的的区别：现场总线数据传输的“及时性” 和系统响应的“实时性”，响应时间要求为001~0.5s或者0.5~2s，而在IT中实时性可以忽略；在工厂自动化系统中通信方式使用广播和多组方式；在IT 中某个自主系统与另一个自主系统只建立暂时的一对一方式；现场总线强调在恶劣环境下数据传送的完整性；现场总线需要面向连接的服务和无连接服务两种LLC服务形式；现场总线需要解决多家公司产品和系统在一个网络上相互兼容的问题；IT计算机网络通信与现场总线的现场装置之间的网络通信，要求有所不同，前者通信量大，而后者量不大；现场总线控制系统的数据通信要求严格，采用的网络技术不仅是先进的，更重要的是成熟的、实用的。 30.离散PID控制算法：位置算法、增量算法、速度算法。 31.前馈控制：实质是一种扰动进行调节的开环控制系统。 32.通信就是信息从一处传输到另一处的进程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息组成。 33.集中式控制的优点：可实现高质量控制；控制功能集中在中心控制站；避 免通信站之间互相协调的麻烦；缺点：中心控制站结构复杂；中心控制站成为整个网络系统的潜在瓶颈。 34.多功能智能化现场装置产品的功能：与自动控制装置之间的双向数字通 信功能；多变量输出；信息差错检测功能；提供诊断信息；控制器功能。35.Lonworks的特点：开放性和互操作性；通信介质；网络结构、应用高级语 言进行开发、开发周期短、易于商品化、支持完全分布式网络系统；提供与上层决策系统的互联接口。 36.可靠度：系统在规定的条件下(指设备所处的温度、湿度、气压、振动等环境条件和使用方法及维护措施等),在规定的时间内(指明确规定的工作期限)，无故障地发挥规定功能(应具备的技术指标)的概率。名词解释： 1、数据采集系统：计算机只承担数据的采集和处理，而不直接参与控制。 2、直接数字控制系统：计算机既采集数据，又对数据进行处理，并按照一定的控制 规律进行运算，其结果经输出通道作用到控制对象，使被控变量符合要求。 3、现场总线控制系统：利用现场总线将分布在工业现场的各种智能设备和I/O单元 方便的连接在一起构成的系统。 4、实时控制：计算机在规定的时间内完成数据的采集、、计算和输出。 5、传输速率：单位时间内通信系统所传输的信息量，一般以每秒种能够传输的比特 数来表示，其单位是bps。 6、计算机控制系统：利用计算机来实现工艺过程自动控制的系统。 7、集散控制系统：是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、 局部网络通信的计算机综合控制系统。 8、现场总线：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。 9、组态：利用软件工具将计算机的软硬件及各种资源进行配置，使其按预定的功能 实现特定的目的。 10、串行传输：把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。 11、通信协议：通信双方共同遵守的规则，包括语法、语义、时序。 12、监督计算机控制系统：简称SCC系统，是一种两级微型计算机控制系统，其中 DDC级计算机完成生产过程的直接数字控制；SCC级计算机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC级计算机执行。 13、分级控制系统：由多台计算机完成不同的控制功能和对多个设备的控制，其特点 是控制分散、危险分散。 14、模拟通信：通信系统中所传输的是模拟信号，通常采用0-10m A DC或4-20m A DC电流信号传输信息。 15、数字通信：通信系统中所传输的是数字信号。 16、并行传输：把数据多位同时在信道上进行传输的方式。 17、开放系统互连参考模型：信息处理领域内最重要的标准之一，是一种框架模型， 它将开发系统的通信功能分为七层，描述了各层的意义及各层的命名和功能。18、解释名词：SCC，DDC，DCS，FCS，CIPS，CIMS 答：①SCC：计算机监督控制②DDC：直接数字控制③DCS：集散控制系统④FCS：现场总线控制系统⑤CIPS：计算机集成过程系统⑥CIMS：计算机集成制造系统 问答题： 1、简述DCS的操作员站、工程师站、监控计算机站的主要功能？ 答：①操作站的主要功能：为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。 ②工程师站的主要功能：控制系统组态的修改、控制参数的调试 ③监控计算机的主要功能：在车间管理级与过程优化级之间起到信息传递的作 用，同时可对信息进行优化计算，为系统决策提供参考。 2、组态设计的一般步骤如下： 答：①组态软件的安装按照要求正确安装组态软件，并将外围设备的驱动程序、通信协议等安装就绪。 ②工程项目系统分析首先要了解控制系统的构成和工艺流程，弄清被控对象的 特征，明确技术要求，然后再进行工程的整体规划，包括系统应实现哪些功 能、需要怎样的用户界面窗口和哪些动态数据显示、数据库中如何定义及定义哪些数据变量等。 ③设计用户操作菜单为便于控制和监视系统的运行，通常应根据实际需要建立 用户自己的菜单以方便操作，例如设立一按钮来控制电动机的起/停。 ④画面设计与编辑画面设计分为画面建立、画面编辑和动画编辑与链接几个步 骤。画面由用户根据实际工艺流程编辑制作，然后需要将画面与已定义的变量关联起来，以便使画面上的内容随生产过程的运行而实时变化。 ⑤编写程序进行调试程序由用户编写好之后需进行调试，调试前一般要借助于 一些模拟手段进行初调，检查工艺流程、动态数据、动画效果等是否正确。 ⑥综合调试对系统进行全面的调试后，经验收方可投入试运行，在运行过程中 及时完善系统的设计。 3、什么是PROFIBUS总线？PROFIBUS总线有什么特点？ 答：①PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）现场总线解决方案[12]，它不依赖于产品制造商，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信，因此它广泛应用于制造加 工、楼宇和过程自动化等自动控制领域。 ②PROFIBUS现场总线系统的技术特点：⑴容易安装，节省成本。⑵集中组态，建 立系统简单。⑶提高可靠性，工厂生产更安全、有效。⑷减少维护，节省成 本。⑸符合国际标准，工厂投资安全。 4、DCS的层次结构一般分为几层，并说明每层的功能？ 答：集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。 ①现场控制级的功能：一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、 实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。 ②过程控制级功能：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程 进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及 I/O卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。 ③过程管理级功能：一是监视和控制生产过程；二是控制方式的无扰动切换，修 改设定值，调整控制信号，操控现场设备，以实现对生产过程的干预；三是打印各种报表，复制屏幕上的画面和曲线等。
电气工程学院 通信与现场总线课程设计
目录 一：设计任务 (4) 理想模型： (4) 实验中用到的任务模型 (5) 二：力控软件平台建立的实验模型 (5) 三、实验设备与仪器 (6) 四、设计思路与过程 (6) 五、调试和功能 (13) 六、联机调试：C/S方式的远程控制 (26) 七、课设总结与心得 (29)
（一）本次课程设计题目： 通过三维力控组态软件实现对搅拌罐的网络控制 （二）主要容及要求 在组态软件Forecontrol V6.1平台上，通过工业以太网，分别以C/S方式(客户端/服务器)及B/S方式（浏览器/服务器）完成对SIEMENS的可编程序控制器通过工业现场总线PROFIBUS方式与2台SIEMENS MM440变频器控制的三相异步电机的实际工程平台，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 独立完成，承担系统设计、系统分析、组态软件的学习与编程、网络系统调试等任务，要求提供最终的解决程序（验收）和相关文件，并以报告论文方式说明实现的思路及工程应用前景。 （三）进度安排： （1）在第一次课堂上了解并知道了Forecontrol V6.1软件的初步使用。 （2）根据相关资料，熟悉并设计并完成客户端组态软件的实际工艺流程界面界面的绘制。 （3）对搅拌罐工程相关控制进行了编程。 （4）熟悉服务器端通信参数的要求，完成C/S的网络控制。 （4）3月30日在实验室完成整个系统的软件调试及最后联机调试。 （5）撰写设计报告。
通过三维力控组态软件实现 对搅拌罐的网络控制 一：设计任务 在组态软件Forecontrol V6.1平台上，通过工业以太网，分别以C/S方式(客户端/服务器)及B/S方式（浏览器/服务器）完成对SIEMENS的可编程序控制器通过工业现场总线PROFIBUS方式与2台SIEMENS MM440变频器控制的三相异步电机的实际工程平台，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 本次课程设计中，我们主要运用了C/S（客户端/服务器）方式，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 理想模型：
现场总线控制系统的现状和发展前景 序言 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。 现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。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。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术，是能应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司都投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS 发展至今的FCS(Fieldbus Control System)系统，已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C(Computer计算机、Control控制、Commcenication通信)技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前现场总线网络互联都是遵守OSI参考模型。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础，这一技术正在从根本上改变控制系统的理念和方法，将极大地推动整个工业领域的技术进步，对工业自动化系统的影响将是积极和深远的。 现场总线技术是当代工业数字通信的前沿技术，是计算机技术、通信技术和自动化控制技术的集成，也是信息技术、测量技术在信息时代的体现。现场总线技术经过10年的研发、试验和局部应用阶段，现已开始大量地在中小系统中应用，并开始在超大规模的自动化系统工程中应用。现场总线技术是工业数字通信时代的先驱，它的出现正在引起工业控领域的一次前所未有的技术革命。现场总线不仅仅是分散于最底层的控制系统，而且是建立于整个工业体系的通信系统，它的通信协议建立在控制策略之上，标准的编程语言(DDL)和强大的通信功能，使现场总线控制系统成为贯彻操作者意志的最得力的工具，由于其巨大的技术优势，被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的控制方法。 进入二十一世纪以来，随着我国国民经济的高速发展，我国现场总线控制系统行业保持了多年高速增长，并随着我国加入WTO, 近年来，现场总线控制系统行业的出口也形势喜人，2008年，全球金融危机爆发，我国现场总线控制系统行业发展也遇到了一些困难，如国内需求下降，出口减少等，现场总线控制系统行业普遍出现了经营不景气和利润下降的局面，2009年，随着我国经济刺激计划出台和全球经济走出低谷，我国现场总线控制系统行业也逐渐从金融危机的打击中恢复，重新进入良性发展轨道。
# 重庆科技学院 课程设计报告 院（系）:_电气与信息工程学院专业班级: 测控普2007-01 学生姓名: 黄亮学号: 99 设计地点（单位）__ I502________ __ ______ 设计题目:__基于WinCC和S7-300的温度测控系统__ * 完成日期：2010年 12 月 10 日 指导教师评语: _______________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ ________________________________ __________ _ 成绩（五级记分制）:______ __________ 指导教师（签字）:________ ________ <
目录
1课程设计任务书 设计题目：基于WinCC和S7-300的温度测控系统 教研室主任：指导教师：胡文金、刘显荣 2010 年 11月 26 日
2温度控制对象概述 温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温控系统的控制技术得到了迅速发展，能否成功地将温度控制在所需范围内，关系到整个活动的成败，由于控制对象的多样性和复杂性，导致采用的温控手段的多样性，且控制对象普遍具有时间常数大、纯滞后时间长、时变性较明显等特点，给控制带来一定难度。 在本次设计中采用的是TKPLC-2型温度加热器。 功能特点与技术参数 TKPLC-2型温度加热器是包括三个模块，电压驱动模块、电阻丝加热模块以及电流输出模块，温度加热器功率为50W。电压输入为0-5V，电流采用标准的DDZⅢ型4-20mA输出信号，温度传感器采用Pt100，测温范围0-200℃，Pt100采用电桥连接。电阻丝温度变化大概为0-100℃，因此满足实验的要求。 控制手段 温度控制对象由于存在比较大的滞后，控制快速性以及控制精度较难权衡，因此控制比较复杂。针对各种温度控制对象，已经有了各种不同的温度控制方法，包括最经典的PID控制算法，模糊控制算法，神经网络控制，最优控制等等，这些控制算法各有各自的特点及优势。 由于实验的条件以及自身的知识水平，采用最经典的PID控制算法作为本次课程设计的核心温度控制算法。整个控制流程为：由温度加热器的自带的温度传感器Pt100实时测量温度，再由温度加热器内部调理电路，将温度信号转换为4-20mA的电流信号，电流信号通过电缆传送到S7300型号PLC的模拟量输入端，通过PLC内部自带的FB58温度控制PID模块控制，然后通过PLC的模拟量输出口采用0-10V（实际程序控制只需输出0-5V）方式电压输出控制温度加热器的加热电压，达到控制温度的目的。此外实验中还通过WinCC组态软件来实时监控温度控制过程，包括实时温度，PID三个参数（Kp、Ti、Td），以及输出控制流量，绘制实时曲线，棒图等。PLC通过DP总线与PC连接，WinCC组态软件通过配置PG接口与PLC连接，达到数据传输的目的。 以此，一个PID温度控制以及实施监控的控制的系统叙述完毕。
自动控制系统的组成及功能实现 自动控制系统作为目前工业领域控制的核心，已经为大家所熟悉。自动控制系统是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，其组建了整个系统的大脑及神经网络。自动控制系统的组成一般包括控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 一、自动控制系统的分类 自动控制系统按控制原理主要分为开环控制系统和闭环控制系统。 （一）开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 （二）闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。 自动控制系统按给定信号分类，可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。（三）恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 （四）随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（五）程序控制系统 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 在我们的工业领域中，因控制的工艺流程复杂、生产数多、对产品质量控制严格，所以一般控制系统均为闭环控制系统。 二、控制系统各部分的功能 （一）控制器 目前控制系统的控制器主要包括PLC、DCS、FCS等主控制系统。在底层应用最多的就是PLC控制系统，一般大中型控制系统中要求分散控制、集中管理的场合就会采用DCS 控制系统，FCS系统主要应用在大型系统中,它也是21世纪最具发展潜力的现场总线控制系
现场总线控制系统学习心得 班级：电技131 姓名：杨秋 学号：20XX301030103 六个星期的现场总线控制系统课程已经结束，通过这段时间的学习和老师的耐心讲解，我初步了解到了这门课程的基本内容。 目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。我们已经在以往的学习中了解到了PLC和DCS这两大系统的基本知识，而FCS就是我们这段时间学习的现场总线控制系统。老师分别从以下几个方面详细地向我们讲解了这门课程。 1现场总线和现场总线控制系统的概念 根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS，它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。 其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为
4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。 2 现场总线技术现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统 3 现场总线的分类 老师重点讲述了现场总线的几种类别，典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF，LonWork现场总线，Profibu 现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。其中FF总线尤为重要，按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为
现场总线控制系统Newly compiled on November 23, 2020
南阳理工学院自动控制仪表课程报告 学院（系）：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器（升）学生： *** 指导教师： * * 完成日期2015年 12 月
自动控制仪表课程报告 现场总线控制系统 Fieldbus control system 总计：自动控制仪表课程报告 20 页 插图： 14 幅
自动控制仪表课程报告 现场总线控制系统 Fieldbus control system 学院（系）：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器（升） 学生姓名： *** 学号：1%%%%%%% 指导教师（职称）：（高级工程师） 评阅教师： 完成日期： 2015年12月 南阳理工学院 Nan yang Institute of Technology
现场总线控制系统 测控技术与仪器（升） *** [摘要]技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线协议主要包括、、Foundation、、Interbus_S 等。在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。 [关键词] 现场总线；工业控制；应用广泛 Fieldbus control system Measurement & Control Technology and Instruments Major（l） *** Abstract：Field bus technology, since the promotion has been all over the world should be used in industrial control fields. Fieldbus technology popularization has three or four years, has been or are being used in metallurgy, automobile manufacturing, tobacco machinery, environmental protection, petrochemical, electric power, textile machinery and other industries. Application of bus protocol mainly includes the PROFIBUS, DeviceNet, Foundation, Fieldbus, Interbus_S, etc. In the automotive industry, the field bus control technology application is very common, in the past two years the domestic new and the old production line of auto production line transformation, mostly using the field bus control technology. Design of field bus control system has been applied abroad is very broad, from the single device to the transmission system of the whole production line, adopts the control method of the field bus. And domestic applications are mostly concentrated in the production line of
现场总线运动控制系统的典型应用 一、现场总线控制网络——信息技术发展在运动控制领域的延伸 现场总线作为现场控制网络技术，被视为公用数据网络在运动控制领域的延伸，它的兴起为自控技术本身的发展提供了新的机遇。 现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量。 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性，丰富了控制设备的信息内容。 为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，便于实现管控一体化 控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制。 1、现场总线是一种控制系统框架 现场总线控制系统是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化，具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统。 2、现场总线运动控制系统的典型应用： 1 PC+独立数字运动控制器+执行机构=开放式运动控制系统 2 触摸屏+独立数字控制器+执行机构=开放式运动控制系统 上述两种结构是伺服控制系统的发展方向，也是运动控制技术的发展方向。 它能充分利用PC 机和触摸屏的资源，由第三方软件完成用户应用程序开发，将生成的程序指令传送给运动控制器，由控制器不断转译产生更新的位置命令（运动曲线）并通过通信总线下传给驱动器，电机驱动器将控制电流传送给电机，这样完成命令所需定位。在一个多轴系统中，一个控制器可以控制多个电机或驱动器。伺服电机是主要的执行部件，完成具体动作。 总线将分散的有通信能力的测量控制设备、驱动控制设备作为网络节点，连接成能相互沟
1.1 自动控制系统的组成 自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。为对自动控制有一个更加清晰的了解，下面对人工操作与自动控制作一个对比与分析。 图1-1所示是一个液体贮槽，在生产中常 用来作为一般的中间容器或成品罐。从前一个 工序出来的物料连续不断地流入槽中，而槽中 的液体又送至下一工序进行加工或包装。当流 入量Q i(或流出量Q0) 波动，严重时会溢出或抽空。解决这个问题的 最简单办法，是以贮槽液位为操作指标，以改 变出口阀门开度为控制手段，如图1-1所示。 当液位上升时，将出口阀门开度开大，液位上 则关小出口阀门，液位下降越多，阀门关得越 小。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示值中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出贮槽中液位过高而溢出槽外，或使贮槽内液位抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有以下三个方面。 ①检测用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低。 ②运算、命令大脑根据眼睛所看到的液位高度，与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 ③执行根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Q0，从而使液位保持在所需要高度上。 眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算/决策和执行三个任务，来完成测量偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。 若采用一套自动控制装置来取代上述人工操作，就称为液位自动控制。自动 下面结合图1-2的例子介绍几个常 用术语。 ①被控对象需要实现控制的 简称对象，如图1-2中的液体贮槽。 ②被控变量对象内要求保
1.现场总线定义 按照国际电工委员会IEC标准的定义：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。 2.现场总线的本质含义表现在几个方面 1.现场通信网络。现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，是过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单点并行传输变为多点一线的双向串行数字传输。 2.现场设备互联。现场设备是指位于生产现场的传感器、变送器和执行器等。这些现场设备可以通过现场总线直接在现场实现互联，相互交换信息。在DCS中，现场设备之间是不能直接交换信息的。 3.互操作性。互操作性指来自不同厂家的设备可以互相通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。它体现在用户可以自由的选择设备，而这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议；制造上具有增加新的、有用功能的能力，不需要专用协议和特殊定制驱动软件和升级软件。 4.分散功能块。现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此可以取消传统DCS的过程控制站。例如现场总线变送器还可以运行PID控制功能块，现场总线执行器还可以运行PID控制功能块和输出特性补偿块还可以实现阀门特性自校验和阀门故障自诊断功能。 5.现场总线供电。现场总线完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且可以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中的应用奠定了基础。 6.开放式互联网络。现场总线为开放式互联网络，即可于同层网络互连，也可与不同层网络互联。现场总线协议是一个完全开放的协议，它不像DCS那样采用封闭的、专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协议。这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化。 3.现场总线通信系统组成 由数据发送设备、接收设备、传输介质、传输报文和通信协议等部分组成。 4.几种典型的现场总线（考名词解释） CAN控制局域网络；PROFIBUS过程现场总线；WorldFIP世界工厂仪表协议；HART是可寻址远程传感器数据通路；ControlNet是IEC标准类型2，主要用于PLC与计算机之间的通信网络，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于连接串行、并行的I／O设备，人机接口等；DeviceNet是一种基于CAN技术的开放型通信网络，主要用于构建底层控制网络，其节点由嵌入了CAN通信控制器芯片的设备组成；ASI执行器或传感器接口，它是一种用在控制器和传感器/执行器之间双向交换信息的总线网络，属于底层自控设备的工业数据通信网络；FF 现场总线基金会。 5.具有两层结构的FCS：现场设备和人机接口。
汽车C A N总线基础知 识
CAN总线协议 控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。 CAN总线发展 控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。CAN总线的工作原理 CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。[1]CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。
当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。 CAN总线在空闲（没有节点传输报文）时是一直处于隐性状态。当有节点传输报文时显性覆盖隐性，由于CAN总线是一种串行总线，也就是说报文是一位一位的传输的，而且是数字信号（0和1），1代表隐性，0代表显性。在传送报文的过程中是显隐交替的，就像二进制数字0101001等，这样就能把信息发送出去，而总线空闲的时候是一直处于隐性的。 CAN总线特征 (1)报文(Message)总线上的数据以不同报文格式发送，但长度受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。 (2)信息路由(Information Routing)在CAN中，节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在CAN中增加节点。
现场总线技术综述
2008-3-3 15:51:00 来源：中国自动化网
现场总线控制系统技术是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的 工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的 PLC 和 DCS 控制系 统基本结构的革命性变化。 现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术 含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原 来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。 尤其是 20 世纪 90 年 代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合 Internet 和 Intranet 的迅猛发展， 现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。 现场总线控 制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。
1 现场总线的发展
计算机控制系统的早期，采用一台小型机控制几十条控制回路，目的是降低每条 回路的成本。但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效，所以后来发展成分布式 控制（DCS），即由多台微机进行数据采集和控制，微机间用局域网（LAN）连接起 来成为一个统一系统。DCS 沿用了二十多年，其优点和缺点均充分显露。最主要的 问题仍然是可靠性：一台微机坏了，该微机管辖下的所有功能都失效；一块 AD 板上 的模/数转换器坏了，该板上的所有通道（8 或 16 个）全部失效。曾有过采用双机双 I/O 等冗余设计，但这又增加了成本，增加了系统的复杂性。为了克服系统可靠性、 成本和复杂性之间的矛盾，更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求， 实现控制系统的网络化，一种新型控制技术──现场总线控制系统（FCS）正迅速发 展起来。 1.1 什么是现场总线 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机 系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某 个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。 数据的传输介质可以是电线电 缆、光缆、电话线、无线电等等。 通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并 联接线方式，从 PLC 控制各个电器元件，对应每一个元件有一个 I/O 口，两者之间需 用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当 PLC 所控制的电器元件数量达到数十个 甚至数百个时， 整个系统的接线就显得十分复杂， 容易搞错， 施工和维护都十分不便。 为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有 的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根 线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿 现场， 不同于计算机通常用于室内， 所以这种总线被称为现场的总线， 简称现场总线。
自动控制系统主要有哪些环节组 成 1?自动控制系统主要有哪些环节组成？各环节的作用是什么？ a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。b 控制器：接收变送器送来的信号，与希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。 c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 d被控对象：控制装备所控制的生产设备。 2?被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置； 被控变量：工艺上希望保持稳定的变量； 操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。 给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值； 干扰变量：造成被控变量波动的变量。 3?自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~ （控制系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不 发生影响的系统），复合~ 4?按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化） 5.自动控制系统的基本要求： 稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件
快速性：反应系统在控制过程中的性能 准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。 提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。 6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。 7?自动系统的控过渡过程及其形式 控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间 变化的过程称为~ 形式：非周期衰减过程，衰减振荡过程， 等幅振荡过程，发散振荡过程 8.衰减振荡过渡过程的性能指标 衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。（以新稳态值为标准计算） 最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值 余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值与设定值之差。 调节时间：从过渡过程开始到结束所需的时间 振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间 9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~ 动态数学模型：表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述 10.描述对象特性的参数 放大系数K :数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。意义：若有一定的输入变化量Q i通过对象就被放大了K倍变为输出变量h。K越大，输入变量有一定变化时，对输出量的影响越大。描述了静态性质 时间常数T:当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间，就是T，意义：被控变量受到阶跃作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 T越大，表对象受干扰后，被控变量变化的越慢，到达新的稳态值所需