基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计
张学辉
【摘要】对工业控制网络技术的现状和发展趋势进行了深入研究.选择当前工控领域应用十分广泛的工业以太网Profinet及现场总线Profibus-DP,由上位工控机PC、控制主站S7-300 PLC、智能从站变频器MM440、分布式I/O模块ET200S、触摸屏TP177B、工业以太网交换机、温湿度变送器、轴流风机等构成工业控制网络实训系统.研究了工业控制网络实训系统的整体结构、通信方式及原理、软硬件
配置、网络组态、硬件组态、人机交互(HMI)应用、PLC梯形图程序编制及变频器参数设置等,通过PLC与变频器的Profibus总线通信,实现了全数字化的工业控制
网络.与集散控制系统DCS等半数字化的控制系统相比,工业控制网络具有网络化的优势.工业控制网络实训系统在职业教育院校的理论与实际一体教学、职工培训和
科研工作中具有实际的应用价值,值得其他从事自主研制开发实训设备的高职院校
借鉴.%The current status and development trend of industrial control network technology are research.By selecting the industrial Ethernet Profinet and field bus Profibus-DP that are widely used in industrial control fields,the industrial control training system is constructed with the compositions of IPC as host computer,master control station S7-300 PLC,intelligent slave station frequency converter MM440,distributed I/O module ET200S,touch screen TP177B,industrial Ethemet
switches,temperature/humidity transmitters,and axial fans,etc.The overall structure,communication mode and principle,configurations of hardware and software,network configuration,human machine interface (HMI) application,programming of ladder logic diagram,and parameters setting
for frequency converter,etc.,of this training system are researched.The fully digitized industrial control network is realized through the Profibus communication between PLC and frequency https://www.doczj.com/doc/9219150630.html,paring with the distributed control system and semi-digitized control system,this industrial control network features networking superiority.The training system based on industrial control network possesses practical applicable values for integrated theory and practice education in vocational education colleges,staff training,and scientific research work,it is worth to be referenced for researching and developing training devices in higher professional colleges.
【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2017(038)003
【总页数】3页(P41-43)
【关键词】工业控制网络;以太网;现场总线;PLC;分布式I/O;变频器;触摸屏;WinCC;组态技术
【作者】张学辉
【作者单位】辽宁轨道交通职业学院电气工程系,辽宁沈阳110036
【正文语种】中文
【中图分类】TH86;TP273
工业控制网络是自动控制领域近年来发展形成的网络技术，是计算机网络、通信技术与自动控制技术结合的产物[1]。工业控制网络适应了企业信息集成系统和管理
控制一体化系统的发展趋势与需求，是IT技术在自动控制领域的延伸，是自动控
制领域的局域网[2]。工业控制网络经历了从集成控制系统(in tegrated control system,CCS)到集散控制系统(distributed control system,DCS)，再到现场总线
控制系统(fieldbus control system,FCS)的发展过程。
近年来，以太网进入工业控制领域后，出现了大量基于以太网的工业控制网络[3]。在控制网络的更新换代过程中，既要兼顾大量现有的、基于现场总线的设备，又要最终实现全方位的工业控制网络化，于是出现了基于现场总线和以太网的混合工业控制网络。西门子公司的Profinet和Profibus是目前市场上应用广泛的工业以太网和现场总线技术。本文基于以太网和现场总线，并最大程度地贴近企业生产现场，设计了工业控制网络实训系统，并将其应用于高职院校的科研与教学，取得了良好的社会和经济效益。降低网络能量消耗已成为无线传感器网络设计首要考虑的问题。目前，在无线传感器网络的诸多研究领域中，定位问题的研究是近年来人们关注的热点。按照定位所采用的距离参数获得方式，把定位算法分为基于测距(range-based)和无需测距(range-free)两种算法。无需测距定位算法在成本、功耗和扩展性等方面具有很强的优势，更适用于低功耗、低成本的应用领域。
本文在充分研究了现有无需测距定位算法的基础上，将功率控制技术应用到定位算法中，并通过仿真分析验证了算法的可行性。
1.1 系统结构
工业控制网络实训系统的结构如图1所示。
实训系统主要基于工业以太网Profinet和Profibus-DP现场总线的网络结构，由上位工控机PC、控制主站PLC、智能从站变频器、人机交互的触摸屏、分布式
I/O模块和工业以太网交换机组成。为了使实训系统贴近企业生产现场，配备了温湿度变送器(电压型)等典型模拟量输入和轴流风机等被控对象。
1.2 系统软件及硬件配置
上位工控机PC安装了工业以太网网卡CP1613、西门子组态和编程软件STEP 7 Professional、上位机监控软件WinCC和触摸屏组态软件WinCC Flexible。控制主站选用西门子公司S7-300系列模块式PLC。PLC的电源选用PS307 5A。CPU 选用集成了工业以太网Profinet和Profibus-DP总线接口的CPU315F-2PN/DP、数字量输入/输出模块SM32316DI/16DO、模拟量输入/输出模块
SM3344AI/2AO。智能从站选用西门子MM440 0.75 kW变频器。为设置变频器参数面板并与S7-300 PLC的总线进行通信，需配备基本操作面板模块和Profibus-DP通信模块。当一个大型设备或一个车间中工艺紧密关联的控制信号
较分散且具有局部集中特点时，可以利用工业以太网和分布式I/O构成分布式控
制方式[4]。分布式I/O选用ET200S，ET200S的接口模块为IM151-3 PN，电源模块为PM-E,数字量电子模块为2DI、2DO，模拟量电子模块为2AI、2AO。人
机交互界面选用TP177B PN/DP彩色触摸屏,既支持工业以太网ProfiNet通信，
又支持Profibus-DP总线通信。选用X005工业以太网交换机，构成工业以太网
星形拓扑结构。
1.3 系统通信方式及原理
西门子工业控制网络有MPI网络、工业以太网Profinet、现场总线(Profibus)、
点到点连接(PtP)和AS-i网络[3]。工业控制网络实训系统选择了工业以太网Profinet和Profibus-DP现场总线通信方式，其中上位工控机PC、控制主站PLC、触摸屏、分布式I/O模块组成了基于以太网的工业控制网络，控制主站PLC、触
摸屏和智能从站变频器组成了基于Profibus-DP现场总线的工业控制网络。这两
种工业控制网络互为补充。
2.1 硬件及通信组态
硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统，例如
要生成网络、网络中各个站的机架和模块，以及设置各硬件组成部分的参数，即给
参数赋值。对于网络系统，需要对以太网Profinet、现场总线Profibus-DP和MPI等网络的结构和通信参数进行组态，将分布式I/O连接到主站[5]。打开软件STEP7，首先生成项目，添加主站，点击Hardware图标进入HW Config(硬件组态)窗口，选择机架RACK；然后在机架内分别插入各个模块，插槽1为电源模块，插槽2为CPU模块，插槽3为接口模块，插槽4～11为信号模块、功能模块、通信模块。以上插槽除插槽2外如果没有安装模块组态可以为空；双击相应模块进
行设置，如信号模块的I/O地址设置等。
在STEP7项目管理器插入Ethernet或Profibus网络，双击网络图标进入NETPro(网络组态)窗口进行网络组态。无论是工业以太网，还是Profibus-DP现
场总线都需要设置网络地址。
2.2 WinCC及触摸屏TP177B应用
近年来，人机界面在控制系统中起着越来越重要的作用。人机界面又称人机接口，可以连接PLC、变频器、直流调速器、温控仪表、数据采集模块等工业控制设备。用户通过人机界面随时了解、观察并掌握整个控制系统的工作状态，必要时还可以通过人机界面向控制系统发出故障报警，进行人工干预[6]。工业控制网络实训系
统选择了运行于PC硬件平台、Windows操作系统下的组态软件WinCC和触摸
屏TP177B为人机交互界面。无论是WinCC还是WinCC flexible，在进行人机
界面组态时，都基本遵循以下几个步骤。①创建项目，进行项目管理；②连接设备，进行通信设置；③新建变量，进行变量管理；④创建画面，确定画面的相互关联；
⑤画面上开关、按钮、文本、图形等对象的组态；⑥报警记录、趋势图、用户管理、历史数据和报表输出等高级功能的组态；⑦运行系统设置。
2.3 变频器与PLC的总线通信
电梯上行、下行PLC程序如图2所示。
图2中，I0.1和I0.2为近地上行、下行按钮；M1.1和M1.2为触摸屏上的上行、
下行按钮；PQW264为控制字地址；PQW266为设定值地址、变频器的运行频率由触摸屏输入到PLC的存储字MW10内容确定。
现在许多变频器都带有现场总线接口，西门子的MM440变频器通过通信模块CBP板实现了与带有DP口的S7-300 PLC的Profibus-DP的总线通信。在智能
从站MM440变频器与主站PLC之间的Profibus-DP现场总线通信中，采用过程参数对象(parameter process objects,PPO)类型作为数据传递格式[7-10]。工业
控制网络实训系统采用PPO1类型，PPO1为4PKW+2PZD，共由6个字组成。PKW为参数接口，是变频器运行时要定义的一些功能码，如最大频率、基本频率、加/减速时间等；PZD为过程数据接口，用来传输控制字和设定值(主站-变频器)或状态字和实际值(变频器-主站)等输入/输出的数据值。在进行硬件组态时，选中
“4PKW，2PZD(PPO1)”，主站PLC接收智能从站MM440变频器的数据地址
为PIW256～PIW266，发送地址为PQW256～PQW266。
工业控制网络实训系统兼顾现场总线控制系统及工业以太网技术，学生可以在该实训系统上完成工业控制网络组网和组态、PLC编程、传感器应用、WinCC和触摸屏组态、变频器通信和参数设置等操作。实训系统既适用于高职学生的理论与实际一体模式教学、毕业设计和校内实习，又适用于职业技术院校教师和自动化企业员工的培训和科研工作。
【相关文献】
[1] 徐皑冬,王宏,杨志家.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制，2000，29(2)：182-186.
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工业控制组态及现场总线技术 工业控制组态（Industrial Control Configuration）和现场总线技术（Fieldbus Technology）是现代工业自动化领域中的两个重要概念，它们在工业过程控制和自动化系统中扮演着关键的角色。 工业控制组态： 工业控制组态是指在自动化系统中通过软件工具进行控制系统的配置和参数设置。它包括了如下几个方面： 1.PLC编程：使用可编程逻辑控制器（PLC）进行逻辑和功能块的编程，从而实现对工业过程的控制。 2.HMI设计：人机界面（HMI）的设计，通过图形化界面展示控制系统的运行状态，使操作人员能够直观地监控和控制工业过程。 3.SCADA系统：监控和数据采集系统的配置，用于实时监测和记录工业系统中的各种参数。 4.报警和事件管理：设置报警和事件处理规则，确保及时发现和响应系统异常。 5.通信配置：配置控制系统中各个组件之间的通信方式，确保各设备之间的信息交流。 现场总线技术： 现场总线技术是一种用于连接现场设备（传感器、执行器等）和控制系统的通信协议和架构。它的主要目的是减少布线复杂
性、提高设备之间的通信效率，并支持实时数据传输。常见的现场总线技术包括： 1.Profibus：一种用于工业自动化的现场总线标准，支持高速 数据传输和实时通信。 2.Modbus：一种串行通信协议，广泛应用于工业控制系统中，特别是在PLC和外部设备之间的通信。 3.DeviceNet：一种用于自动化设备之间通信的工业现场总线，主要应用于低层次的设备连接。 4.CANopen：基于CAN总线的开放式通信标准，广泛应用于 机器控制和自动化领域。 5.Ethernet/IP：基于以太网的工业自动化通信协议，支持实时 数据传输和工业以太网的特性。 通过使用现场总线技术，工业控制系统可以更灵活地配置和连接各种设备，实现数据的高效传输和实时控制。这有助于提高系统的可扩展性、可维护性和性能。
DLGK-ACDE1300工业自动化控制技术实训系统 技术文件 图片仅供参考，以实物为准（不含计算机） 一、设备概述： DLGK-ACDE1300工业自动化控制技术实训系统根据目前电气自动化教学中存在的问题，结合当前工业自动化应用技术及其期间技术的快速发展，充分考虑实用性、可靠性、安全性、以及可自主设计、开发出的创新型工业自动化控制与驱动实训系统。该系统有机地融合了电工、电力拖动、PLC、变频器、文本显示器等实训内容，使学生能够在平时的学习和实训操作中能够将多种相关的技术能够融会贯通。实现了教育资源共享，优化了实验教学管理。 传统的自动化教学系统大多是以学生机的单元设备为核心进行监测与控制的，这种模式可以完成一些简单的实验内容，但彼此之间缺乏信息沟通。随着信息技术的不断发展，网络化的教学设备已经成为发展方向。同样，在工业现场的各种生产设备和检测系统都已经形成了网络化的通讯和管理调度。因此，对自动化网络通讯的学习也已经成为自动化教学非常重要的组成部分。 基于以上各种自动化教学发展趋势及工业自动化现场的实际应用情况，三菱自动化网络集成及控制实验实训系统教学设备项目需要满足以下基本功能条件： 1、系统可以完成工业自动化控制技术的基本控制实训项目，并可达到多种教学实训的目的。
2、系统设计模式必须是开放的，支持学生自行编制、设计开发新的综合性实训实验，具有较强的完备性、灵活性。 3、提供开放式实训教学支持设计型实训，适合教学中的知识整合与创新实训设计。 4、系统所配置器件要求全部为工业电气件。同时考虑到学生使用的实际情况，在工业元器件的输入输出端增加保护功能，避免重复、频繁以及误操作对设备造成的损伤、损坏。 5、与工业现场实际情况相结合，能够满足设备之间的工业自动化网络通讯功能。 为了满足以上条件，我们提出了以我公司推出的DLGK-ACDE1300工业自动化控制技术实训系统为基础组建网络型工业自动化教室的方案。具体方案及指标如下： 二、实训平台简介 1、系统特点 a、设备直观：主要设备均采用直接外露的安装形式，设备可以更加直观的展现在学生面前，缩短了学生从教室到工业现场的过渡和适应时间。 b、结构灵活：系统采用模块式结构，器件更换方便，系统使用和组合更加灵活，可满足实验和实训等多种内容要求。 c、系统性强：该系统有机地融合了电工、电力拖动、PLC、变频器、文本显示器、步进驱动等实训内容，能够真实模拟工业现场的各种控制方式，使学生能够进行自动化控制的系统化学习，让学生对工业控制有了系统的认识，避免了单个电气元件很熟练，但不会多个电气元件相互控制的缺陷。 e、贴近现场实际：该设备的实训内容均为工业现场主流技术应用，适应当今控制技术的发展，可以满足学生做实验、课程设计，毕业设计的需要和学校承接工程之需求。 f、突出实训：系统采用网孔板实训台结构，能够方便的进行各种小型工程项目设计，充分锻炼学生的动手能力和解决问题的综合能力。 g、保护完善：本实训系统所配置器件全部为工业电气元件。同时考虑到学生使用的实际情况，在工业元器件的输入输出端增加了保护功能，避免重复、频繁以及误操作对设备造成的损伤、损坏。 h、网络化：设备可由工业现场总线相连，进行和工业现场相似的通讯实训。教师也可以通过网络及时了解学生机设备的运行情况，进行及时的指导工作。 2、技术参数 设备技术： 1、系统采用网孔板实训台结构，利用网孔板的可扩展性，提供开放式实训教学支持设计型实训，适合教学中的知识整合与创新实训设计。 2、系统可以完成工业自动化控制技术的基本控制实训项目，并可达到多种教学实训的目
《工业控制网络》教学大纲 课程名称：工业控制网络课程代码：建议课时数：40 学分: 2.5 适用专业：电气工程及其自动化专业制定人： 一、课程性质与任务 课程性质： 《工业控制网络》课程是电气自动化专业选修课程。本大纲根据电气自动化专业专业2015年教学计划的要求制订，可作为高中后大专学生的教学参考。 课程的任务： 本课程以现场总线基本技术及其节点设计为主要内容，目的是使学生掌握现场总线通信与网络基本知识，学会阅读并理解现场总线协议/规范，能够设计一般设备的现场总线通信接口，掌握典型现场总线系统的基本应用技术，并为学生进行现场总线系统设计和现场总线 分析奠定一定的基础。 二、课程教学目标 1、知识目标 （1）通过课程学习要求学生在西门子S700平台学会使用工业以太网络协议完成设备间数据传输。 （2）对RS232/485串行总线协议、工业以太网ethernet、控制器局域网CAN等常用工业协议有系统概念认识。 （3）初步掌握使用工业组态软件工具完成SCADA数据采集监控系统上位机监控界面设计。 2、能力目标 （1）使学生具备在PLC、单片机平台掌握2-3种不同工业控制网络协议在自动化设备控制中的应用。 （2）掌握在工业现场网络通讯故障检测与判断的方法，使用特定仪器对网络性能进行测试。 三、教学内容及基本要求 本课程的主要内容包括计算机网络与现场总线的基础知识、国际标准现场总线及其它主流现场总线协议/规范、现场总线节点设计以及现场总线系统应用技术基础。 第一章绪论 现场总线的发展历程、概念、组成、技术特点与优点，标准及应用领域。 第二章数据通信与计算机网络基础 数据编码方式、信号传输方式、通信方式等数据通信基础知识；网络拓扑结构、传输介质、硬件组成与介质访问控制方式等计算机网络基础知识；协议分层、接口和服务、
摘要 电梯作为现代高层建筑最常用的垂直运输工具，广泛应用于社会活动的各个角落，如何保证每台电梯都能够可靠运行，已成为提高物业管理水平和电梯技术进步的关键所在。电梯运行质量直接由控制系统的功能决定，而控制系统软件又直接决定着控制系统运行的好坏。本文介绍了基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统的模拟电梯控制的组态设计的整个过程。文中首先对课题的研究背景及意义做了明确的说明，其次对基于EPA现场总线控制系统设计及组态控制设计所需用到的各种硬件及软件设施做了一定的说明，然后设计了基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统的模拟电梯控制，最后使用组态设计实现对模拟电梯的控制。系统采用PLC_Config进行编程，通过PEC系列模块实现对模拟电梯的控制，使模拟电梯运行起来。组态设计是采用力控ForceControl6.1，力控是我国较早出现的组态软件之一。最近几年，力控得到了长足的发展，最新版本的组态软件在功能、特性、易用性、开放性和I/O驱动数量上都得到了很大的提高。 关键词：电梯；EPA；编程；组态；控制
基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统的组态控制设计（模拟电梯控制） Abstract Lift the most commonly used as a modern high-rise building vertical transportation, social activities are widely used in every corner, how to ensure reliable operation of each elevator can have a lift to improve property management and the key to technological progress. Quality elevator control system functions directly from the decision and control system software and directly determines the quality control system operation. In this paper based on Industrial Ethernet (EPA) field bus control system configuration of the analog design of elevator control the entire process. In the first part of the background and significance of the subject made a clear statement, followed by the EPA based on field bus control system design and configuration control design used in all the necessary hardware and software facilities to do a certain amount of description, and then designed based on Industrial Ethernet (EPA) field bus control system simulation, elevator control, the final design and implementation of simulation using the configuration of the elevator control. Programming system uses PLC_Config by PEC series of modules on the simulation of the elevator control to simulate the elevator up and running. Configuration design is the use of force control ForceControl6.1, power control is the emergence of the configuration software of the earlier one. In recent years, power control has been considerable development, the latest version of the configuration software in functionality, features, ease of use, openness, and I / O-driven number have been greatly improved. Keywords: elevator; EPA; programming; configuration; control - 1 -
基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计 张学辉 【摘要】对工业控制网络技术的现状和发展趋势进行了深入研究.选择当前工控领域应用十分广泛的工业以太网Profinet及现场总线Profibus-DP,由上位工控机PC、控制主站S7-300 PLC、智能从站变频器MM440、分布式I/O模块ET200S、触摸屏TP177B、工业以太网交换机、温湿度变送器、轴流风机等构成工业控制网络实训系统.研究了工业控制网络实训系统的整体结构、通信方式及原理、软硬件 配置、网络组态、硬件组态、人机交互(HMI)应用、PLC梯形图程序编制及变频器参数设置等,通过PLC与变频器的Profibus总线通信,实现了全数字化的工业控制 网络.与集散控制系统DCS等半数字化的控制系统相比,工业控制网络具有网络化的优势.工业控制网络实训系统在职业教育院校的理论与实际一体教学、职工培训和 科研工作中具有实际的应用价值,值得其他从事自主研制开发实训设备的高职院校 借鉴.%The current status and development trend of industrial control network technology are research.By selecting the industrial Ethernet Profinet and field bus Profibus-DP that are widely used in industrial control fields,the industrial control training system is constructed with the compositions of IPC as host computer,master control station S7-300 PLC,intelligent slave station frequency converter MM440,distributed I/O module ET200S,touch screen TP177B,industrial Ethemet switches,temperature/humidity transmitters,and axial fans,etc.The overall structure,communication mode and principle,configurations of hardware and software,network configuration,human machine interface (HMI) application,programming of ladder logic diagram,and parameters setting
现场总线控制系统设计方案1．现场总线控制系统的组成与认识 一、系统简介 THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议，在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代现场总线控制系统。 整个实验装置分为控制系统和控制对象两部分，控制系统结构图如图1-1所示：
图1-1 控制系统结构图 控制对象总貌图如图1-2所示。 二、系统组成 实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、纯滞后盘管等组成。在实验屏的下面布置有储水箱和两套供水系统。 两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用现场总线仪表，副回路采用常规仪表。主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。在调节阀的旁路设计有旁路阀。
图1-2 控制对象总貌图 1.被控对象 （1）水箱 包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。有机玻璃工作水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。除此之外，储水箱还设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水泵的使用寿命。 (2) 加温锅炉及盘管 不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时间常数，设计长度达20多米，管径为15mm。 2.检测装置 压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。 温度传感器：本装置采用五个Pt100传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。五个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外四路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA 标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，
工业以太网与现场总线技术及应用 摘要：工业控制需要高速、廉价、易于集成的通信网络。以太网就是这样的一种网络。本文分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景,指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求,并给出了工业以太网应用实例。 关键词：现场总线控制系统以太网 FCS 一引言 随着计算机和网络技术的发展，以智能化仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把控制领域带入了一个新的时代。它所倡导的全开放、全分散、互操作的思想，成了未来控制领域崭新的特点。 但是,目前的现场总线技术仍具有很大的局限性,在全开放、全分散控制等方面,仍存在许多需要解决的问题。首先,在目前现场总线控制系统中,主要是低速现场总线,现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低,主要用于数据采集和控制信号的输出,并实现PDI控制等一些简单的控制算法。复杂的控制功能,如预测控制、神经网络控制、系统优化等,仍需要在PC机或工作站上实现。其次,由于现场总线位于整个系统的最底层,只是系统的一个组成部分,仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。同时,目前已经出现了Profibus 、Foundation Fieldbus等几十种现场总线。由于每种现场总线代表着不同厂商的利益,各大厂商进行了激烈的市场竞争,这些现场总线很难实现统一。因为不同现场总线产品不能实现互操作,一旦用户选择某种现场总线,今后就会被局限于这种现场总线,再选择另一种现场总线,必须付出高昂的代价。因此,在现场总线的迅速发展过程中，形成一个统一的协议却始终是一个争论的焦点。为了解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统集成问题,人们开始逐步达成一个共识，即向以太网靠拢将成为今后现场总线发展的一个趋势。 二以太网进入现场总线
现场总线控制系统以太网冗余实现方法现场总线技术，简称工厂总线，是一种面向工厂制造管理系统的智能数据通信技术。由于工厂总线技术在管理系统中发挥着至关重要的作用，因此具有良好的容错能力和高可用性特性，并能够控制现场设备和工作站。目前，随着工厂内部网络的发展，以太网工业总线网络已经成为工厂总线系统的主要组成部分。因此，以太网的冗余备用技术成为实现工厂总线容错和可用性的有效方法。 以太网冗余有两类实现方法，分别是环路和环节冗余。环路冗余需要在系统设备间架设多条通路，以实现网络数据的双重备份。环节冗余是指将多个以太网用户接入同一条以太网线路，以实现网络的冗余保护。 在实施以太网冗余的过程中，首先需要实现网络的节点负载均衡。其次，需要实现系统的故障诊断功能，即采用专用的网络管理协议（比如Modbus/TCP）来检测系统的故障原因。最后，采用现场总线技术，实现以太网网络的数据传输，包括网络状态监测和信号控制等工作，以实现以太网总线控制系统的自动化控制。 现场总线控制网络冗余实现有很多种方法，比如可以借助专用硬件设备实现系统级冗余，也可以采用软件解决方案，如支持双网口的PC机和路由器等，以实现网络的自动伸缩以及双路备份功能。 此外，为实现以太网冗余，还需要安装专用的网络管理软件，以实现网络拓扑的可视化管理，并确保系统数据的安全传输和存储。
另外，为了保障网络冗余实施的安全性，还需要确保系统中各人员具备正确的权限，以及采用安全加密技术，加强对网络数据的安全性和完整性。 综上所述，以太网冗余技术可以有效地增强现场总线控制系统的系统可用性、容错能力和稳定性，从而满足工厂的生产管理需求。然而，这需要有效的网络管理，并采用合适的软件解决方案和硬件设备，以及有效的安全技术，才能更好地实现网络冗余功能。
现场总线与工业以太网 现代工业领域的通信技术在不断发展，为了满足工业自动化的需要，现场总线和工业以太网成为了两种主流的通信技术。本文将从介绍两 者的定义、特点、应用领域等方面进行论述，以帮助读者更好地理解 现场总线和工业以太网的区别与联系。 一、现场总线的定义 现场总线，顾名思义，是指在工业现场中用于连接各种现场设备和 传感器的通信技术。它采用串行通信方式，将各个设备连接到统一的 总线上，使得各个设备可以进行数据的交互和通信。现场总线常见的 标准有Profibus、Modbus、CAN等。 二、现场总线的特点 1. 高可靠性：现场总线采用多级冗余和容错技术，能够提供稳定可 靠的通信环境，抵抗电磁干扰和噪声的干扰。 2. 实时性强：现场总线通信速率快，能够满足对实时性要求较高的 工业自动化应用。 3. 灵活性高：现场总线支持多种拓扑结构，可根据现场设备的不同 需求进行灵活搭配，具有良好的扩展性和可调整性。 4. 成本相对较低：现场总线技术成熟，设备价格相对较低，适用于 中小型工业系统。 三、现场总线的应用领域
现场总线广泛应用于工业自动化控制系统、传感器和执行器的连接以及数据采集等领域。例如，在工厂生产线上，通过现场总线可以实现对各个设备的监控和控制，提高生产效率和质量。 四、工业以太网的定义 工业以太网是指将以太网技术应用于工业自动化领域的通信网络。它基于以太网标准，通过对物理层接口和网络协议的改进，使得以太网能够适应工业环境的要求，提供可靠的通信服务。 五、工业以太网的特点 1. 高带宽：工业以太网支持高速数据传输，能够满足工业自动化中对大数据量的实时传输需求。 2. 网络结构灵活：工业以太网具有良好的可扩展性和灵活性，支持各种网络拓扑结构，满足不同工业场景的需求。 3. 兼容性强：工业以太网基于以太网标准，与传统以太网兼容，可以与企业内部的办公以太网进行连接。 4. 安全性高：工业以太网提供各种安全机制和协议，保护工业控制系统的安全和隐私。 六、工业以太网的应用领域 工业以太网被广泛应用于诸如工厂自动化、能源管理、交通运输、智能建筑等领域。工业以太网的高带宽和实时性能，使得工业现场中
工业控制网络实验课程教学大纲 课程编号：09171690 课程名称：工业控制网络实验（Industrial Control Network Experiment） 课程属性：选修课实验属性：非独立设课 开课学期：第五学期 适用专业：自动化本科 学时：12学时学分：0.5学分 开课部门：物理科学与工程技术学院考核要求：考查 课程简介： 工业控制网络实验是工业控制网络课程配套的实验课程，是培养学生应用现场总线和工业以太网的重要实践环节。通过该课程的学习，使得学生更加熟悉常用的现场总线和工业以太网的使用方法、系统构建方法，可以提高学生在工业控制网络方面的动手能力。 一、实验项目设置及学时分配 二、实验内容及教学要求 实验项目1：PROFIBUS的组态和通信实验 1、教学内容 针对具体的控制要求，使用PROFIBUS总线进行通讯，完成通信的组态并实现通信。 2、教学目标 （1）了解实际被控对象的特性。 （2）熟悉PROFIBUS总线协议。 （3）掌握PROFIBUS总线通信的组态方法。
实验项目2：CAN通信实验 1、教学内容 针对具体的控制要求，使用CAN总线进行通讯，完成通信的组态并实现通信 2、教学目标 （1）了解实际被控对象的特性。 （2）熟悉CAN总线协议。 （3）掌握CAN总线通信的组态方法。 实验项目3：PROFINET通信实验 1、教学内容 针对具体的控制要求，使用PROFINET进行通讯，完成通信的组态并实现通信 2、教学目标 （1）了解实际被控对象的特性。 （2）熟悉PROFINET协议。 （3）掌握PROFINET通信的组态方法。 实验项目4：基于以太网的远程指示灯控制 1、教学内容 针对指示灯的远程控制要求，使用工业以太网进行通讯，完成通信的组态并实现通信 2、教学目标 （1）了解控制要求。 （2）熟悉工业以太网。 （3）掌握工业以太网通信的方法。 三、考核方式及要求 工业控制网络实验考核由实验操作考核和实验报告考核两部分组成，其中实验操作考核占考核成绩的40%，实验报告考核占考核成绩的60%。
工业控制网络课程教学大纲 课程编号：09171690 课程名称：工业控制网络（Industrial Control Network） 学时：32学时学分：2.5学分 适用专业：自动化本科开课学期：第五学期 开课部门：物理科学与工程技术学院 先修课程：电路原理，模拟电子技术，数字电子技术 考核要求：考查 使用教材及主要参考书： 张帆主编，《工业控制网络技术》，机械工业出版社，2016年 王振力主编，《工业控制网络》，人民邮电出版社，2012年 赵新秋主编，《工业控制网络技术》，中国电力出版社，2009年 一、课程的性质和任务 本课程是自动化专业的专业教育课程，属于工业过程控制方向模块的限选课。 二、教学目的与要求 工业控制网络是3C技术发展汇合的结合点，是信息技术、数字化智能化网络发展到现场的结果。现场总线是自动化和电气工程领域现在和今后发展的热点。 本课程从计算机网络的基础出发，介绍工业控制网络的基本构成和典型的现场总线基本技术和实际的工程应用，目的是使学生掌握现场总线通信和网络的基本知识，熟悉常用的现场总线协议及其在工程中的应用，能够设计一般设备的现场总线通信接口，为以后进行现场总线系统设计和现场总线分析打下一定的基础。 三、学时分配
四、教学中应注意的问题 本课程的应用性较强。课程内容中概念性的知识点应该注重引导式教学，应用性的内容最好和实际工程中的应用结合起来，建议采用案例式教学和以工程实施为目标的目标引导式教学。 五、教学内容 第一章导论 1．基本内容 计算机网络的发展概况、计算机网络的基本概念、工业控制网络的特点与趋势。 2．教学基本要求 要求学生了解计算机网络的基本概念和发展概况、工业控制网络的概念、特点和发展趋势，形成对整体课程内容的整体印象。 3．教学重点难点 教学重点是工业控制网络的特点与趋势；难点是计算机网络的结构。 4．教学建议 概述性内容为主，建议举一些实际的例子增强同学们的印象。 第二章计算机网络基础 1．基本内容 网络数据通信的基本概念，数据编码、传输和变换技术、传输介质、媒体访问控制和差错控制技术；计算机网络的体系结构：OSI参考模型和TCP/IP参考模型。 2．教学基本要求 要求学生理解网络数据通信相关的基本概念，掌握计算机网络的OSI参考模型、理解TCP/IP参考模型及两种参考模型的区别。 3．教学重点难点 教学重点和难点是计算机网络的体系结构。
现场总线与工业以太网》实验报告 （实验2） 描述实验的目的和重要性 本实验的目的是探究现场总线和工业以太网在工业自动化系统中的应用。通过搭建实验环境，我们将深入研究现场总线和工业以太网的特性、性能和适用范围。此实验对于研究和理解工业通信网络的原理和应用具有重要意义。 在现代工业自动化系统中，实时、高效的通信是至关重要的。现场总线和工业以太网作为两种常见的工业通信协议，被广泛应用于各个行业。而了解并比较这两种通信协议的特点和优势，对于工程师来说具有很大的实用价值。通过本实验，我们将能够更好地理解现场总线和工业以太网的应用场景，以及它们在工业自动化系统中的优劣势。 通过这次实验，我们希望能够掌握以下技能和知识： 了解现场总线和工业以太网的基本原理和特性； 理解并能够搭建现场总线和工业以太网的实验环境； 学会使用相关工具和设备进行实验操作； 比较和评估现场总线和工业以太网的性能和适用范围； 掌握故障排除和问题解决的方法。
通过实验的研究和实践，我们将能够更好地应用现场总线和工业以太网技术，提高工业自动化系统的效率和可靠性，并为企业的发展做出贡献。 准备实验设备和材料，包括现场总线和工业以太网设备、计算机等。 确保实验设备连接正确，包括连接电源、网络线等。 打开计算机，启动相应的实验软件和工具。 进行现场总线的实验，按照实验指导书的要求进行操作，包括建立和配置现场总线网络、设置节点等。 进行工业以太网的实验，按照实验指导书的要求进行操作，包括建立和配置工业以太网网络、设置节点等。 在实验过程中记录数据和观察现象，确保准确性和完整性。 完成实验后，关闭实验设备和软件，整理实验现场。 撰写实验报告，包括实验目的、实验步骤、实验结果、实验分析等内容。 检查实验报告的格式和内容，确保准确性和完整性。 提交实验报告，并按要求参与实验讨论和评审。 以上是《现场总线与工业以太网》实验2的实验步骤说明。
重庆大学研究生专业实验教学 实验报告书 实验课程名称：实验指导教师：学院：专业及类别：学号：姓名：实验日期：成绩： 现场总线控制实验 赖俊峰自动化学院 控制工程（专业） 2012年5月27日 重庆大学研究生院制 1．了解slc500可编程逻辑控制器的组成结构以及rslinx通信软件，rslogix500编程/调试软件。 2．了解slc500中1747-sdn设备扫描器模块、i/o模块、i/o机架和电源的工作方式。 3．了解devicenet硬件设备的结构以及工作方式。 4．通过将编辑好的程序上传到slc500，控制数字量输出模块(2槽)的显示灯的点亮，关闭以及闪烁以及多个显示灯的循环点亮。 5．通过配置网络，扫描传输线上的设备，达到通过手动控制台控制2槽显示灯的点亮，关闭以及闪烁的目的。 二、实验仪器设备 表1 主站硬件配置表 图1 硬件装置简图 pc机通过串口与cpu连接实现通讯，以进行程序的调试、下载与状态的读取。扫描器1747-sdn作为plc和devicenet间的接口 ,其作用是进行设备数据的采样和格式转换。扫描器与设备之间的数据交换通过扫描器 1747-sdn来实现。 网络连接好之后 ,在现场总线上接入一台配置计算机 ,计算机通过一个rs-23接口模块(1770-kfd)与devicenet相连，计算机内装有设备网管理软件 rsnetwork和plc编程软件。通过rsnetwork软件组态扫描器的数据表 ,来确定扫描器扫描哪些网络现场设备及一些扫描所需的基本参数 ,如扫描的方式与间隔等 ,从而确定哪些设备由plc来监控。智能化的每个设备的数据和参数都保存在它自己的输出缓冲区中，各设备的数据和状态参数的格式及大小都不尽相同。工作时, devicenet扫描器1747-sdn以一定的方式依次扫描各个设备 ,采样其参数 ,并将采集到的数据映射到扫描器中与扫描方式相对应的数据缓冲区而转换成plc能接受的数据格式供plc控制器读取。数据经plc处理之后 ,送到扫描器的与扫描方式相对应的输出数据缓冲区 ,转换为各设备可以接受的数据格式。由此可见 ,plc控制器只需要读入、输出规定格式的数据 ,专门负责数据处理；而数据的采集、发送、缓冲和格式转换则交给扫描器来负责。plc和扫描器1747-sdn并行工作也使得plc的输出对输入的响应时间缩短 ,有利于实现实时闭环控制。 四、实验内容 1、熟悉并配置硬件平台。包括slc500控制器、i/o模块、devicenet扫描模块、以及devicenet网络配置网关1770-kfd； 2、学习devicenet网络的控制方法； 3、编程实现devicenet网络的相关控制功能。具体的实验步骤为： ①熟悉plc相关模块，确定各个模块的型号和所在的槽号，并通过rslogix 500配置好各个模块，编制程序，实现本地测试； ②通过rslinx对上位机与plc的通讯进行配置，包括设备网串口通讯连接的设置和程序下载端口dh485 uic device通讯配置，并熟悉配置后的各端口地址信息；
《现场总线与工业控制网络》课程标准 课程代码：31331Z18 学时数：30学时（其中：理论18学时实践12学时） 课程类型：理论+实践开课学期：（第4学期） 适用专业：高速铁道技术专业（通号方向）开课单位：电子信息系 编写时间：2013年12月] 一、课程定位和目标 课程定位：《现场总线与工业控制网络》课程是高速铁道技术专业的一门专业基础课，该课程为专业必修课程。通过本课程的学习使学生掌握现场总线网络拓扑结构，掌握现场总线主要技术指标，掌握掌握主要连接件和接口设备使用和维护，了解硬件和软件组态操作，了解现场总线工程与设计，为日后在高速铁路现场工作打下坚实的基础。。先修课是《工业控制计算机原理及应用》，后续课程是《高铁信号集中监测系统》、《高速列车调度指挥系统》。该课程为必修课。安排在高速铁道技术专业的第四学期学习。 教学目标：是使学生建立现场总线的概念、基本特点，建立DNS和FCS概念，了解DCS和FCS 系统设备和系统结构，了解计算机网络及工业网络体系结构、网络模式、工业网络通信概念、开放式系统互连参考模型、TCP/IP参考模型，了解PP的主要连接件和接口设备以及硬件连接、组态技术，PRDPIBUS的主要技术、CAN总线技术协议、工业以太网的通信方案。理解现场总线控制技术的基本概念和原理，理解PP通信模型及其主要技术、PP功能块及PP工业组态，理解PRDPIBUS通信技术，理解CAN物理层以及总线器件工作原理，理解工业以太网的实时通信技术，控制器工作原理。要求学生具备现场总线控制系统正常运行的维护和故障检修能力，具有一定的团队精神和解决问题能力。具体目标包括知识目标、技能目标、素质目标，如表1所示。 知识目标1．熟悉工业控制系统体系结构； 2．熟悉计算机局域网及其拓扑结构； 3．了解信号的传输和编码技术； 4．了解现场总线网络结构与互联网的网络结构的不同；5．熟悉现场总线常用的主要连接件、仪表和接口设备；6．熟悉现场总线技术指标； 7．熟悉现场总线工程与设计； 8．掌握现场总线使用和维护原则；
XX大学XXXX 学院 《工业以太网与现场总线》课程教学大纲编写人：XXX 审定人：XXX 编制时间：2022.5.26 审定时间：2022.6.6 一、课程基本信息： 二、课程描述 本课程跨越多个学科方向，包括控制理论和技术、电子技术、计算机网络和计算机技术等，是一门理论基础扎实、知识面广、应用性强、对学生水平要求较高的课程。现场总线技术在军事、航空航天、工业、农业、社会和经济等领域都有重要应用。该课程将介绍计现场总线技术中最基本、最重要、最成熟的内容。通过课程学习，学生将巩固前期所学的基础课程，并能予以深入理解和应用，能开拓视野提升设计和应用现场总线控制系统的能力。
三、课程教学内容及学时分配 第1章绪论（2学时） 1.1 现场总线概述 1.2 工业以太网概述 1.3 现场总线简介 1.4 工业以太网简介 习题 第2章CAN FD现场总线（4学时） 2.1 CAN的特点 2.2 CAN的技术规范 2.3 CAN FD通信协议 2.4 内嵌CANFD的微控制器LPC546xx 2.5 具有集成收发器的CAN FD控制器TCAN4550 习题 第3章CAN FD应用系统设计（4学时） 3.1 CAN FD高速收发器 3.2 CAN FD收发器隔离器件 3.3 TCAN4550的应用程序设计 3.4 USB转CAN FD接口卡 习题 第4章CC-Link现场总线与开发应用（4学时） 4.1 CC-Link现场网络概述 4.2 CC-Link/CC-Link/LT通信规范 4.3 CC-Link通信协议 4.4 CC-Link IE网络 4.5 CC-Link产品的开发流程 4.6 CC-Link产品的开发方案 4.7 CC-Link现场总线的应用 习题 第5章PROFIBUS-DP现场总线与应用系统设计（4学时）
河南机电高等专科学校 《现场总线技术综合实训》 课程报告 专业班级：计算机控制技术102班 姓名：崔建彪 学号： 101413233 成绩： 指导老师：张士磊 2012年12月28日 目录
一、引言 (2) 二、系统总体方案设计 (3) 2.1 系统硬件配置及组成原理 (3) 2.2本系统所用类似的三层架构模拟图 (4) 2.3 EtherNet/IP网络配置与通信验证过程 (5) 三、控制系统设计 (15) 3.1 EtherNet_IP通信配置流程图设计 (15) 3.2 EtherNet_IP通信配置设计思路 (16) 四、上位监控系统设计 (16) 4.1 PLC与上位监控软件通讯 (16) 4.2 实现的效果 (17) 五、系统调试及结果分析 (17) 5.1 通过本次通信验证所解决的问题 (17) 5.2 结果分析 (17) 六、结束语 (18) 七、参考文献 (19)
一、引言 20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。 控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，P．Net，World FIP，Swift Net，FF之高速EtherNet即HSE。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31．25kbps，高速总线H2的传输速度为1 Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。又如广泛用于汽车行业的Can总线 系统，其最高的传输速率为1 Mbps／40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA／CD)通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一工业以太网。
《控制系统综合设计》课程设计指导书
控制系统综合设计》课程设计 一、课程设计要求 通过设计，要求学生在指导老师的指导下，独立完成所分担的课题设计内容。包括：正确选择方案。正确进行器件的选择，软硬件设计及调试；根据课题设计要求进行必要的实验、调试；绘制相应的原理图；编制软件程序，实现相应的功能；编写设计说明书；参加答辩。 设计要求包括： （1）初步掌握控制系统的分析、设计的基本方法。完成控制系统结构原理图的绘制，完成一份课程设计说明书。 （2）掌握控制系统的组成、特性、体系结构、互连协议、工业现场实现等理论； （3）掌握控制系统所需软、硬件平台，即单片机、PLC等控制器和控制局域网总线、 以太网总线等各种总线的总线标准，完成基于不同总线的现场节点结构和系统设计；要求能初步应用各类编程软件开发工具进行总线和节点的开发。 二、课程设计题目 （一）基于组态的工业以太网总线温度控制系统设计 1．系统模型 基于以太网总线，构建分布式电烤箱温控系统，采用单片机、PC控制软件编程技 术，实现电烤箱温控系统设计。以工业以太网教学实验开发平台为基础，利用组态软件编写一上位机软件，模拟调试以现场总线为基础的热电偶温度检测模块与数字量输出模块的控制。其中热电偶温度检测功能模块为只读数据，数字输出为可配置数据。利用功能模块检测温度，通过数字输出通道来控制继电器开关，实现温度控制。 2．综合设计实现的基本功能 控制烤箱温度，量程范围0〜100C ,超调量不超过5%。 3．综合设计的具体要求 （1）温度传感器选用J 型热电偶；设计出温度检测的硬件控制系统，给出硬件系统的电路原理图。 （2）实现热电偶温度检测系统软件设计，量程范围0〜100C,采用组态软件进行分布式电烤箱温度控制系统监控软件设计，完成系统整体集成，调试运行。 （二）锅炉计算机温度控制系统的设计 设计任务： 1、要求锅炉温度保持在95-100 C,最高温度不得超过100C，最低温度不能低于 95C； 2、温度控制采用数字控制算法，参数检测值不能保证在所要求温度范围时，进行报