现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是由各种现场仪表通过互连与控制室内人机界面所组成的系统；一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。也正是由于这些特点，以现场总线作为技术支撑的FCS在工业自动化领域有明显的优势，诸如很高的精确性、组志简单、设计安装方便、易于维护和扩展、可以节约软硬件投资等，被称为第五代控制系统，成为当今工业自动化发展的必然趋势。它使过程控制领域的自动化装置由DCS向FCS过渡，DDC（直接数字控制）功能将彻底分散到现场，使先进的现场设备管理功能得以实现。现场总线已广泛应用于各个领域，如电力监控、能源管理、自动测试系统等等。我公司以前的高炉生产自动化控制系统采用美国GE 公司的Series 90－70／30的PLC设备，此设备运行稳定，可靠性高。现场设备的各种开关及模拟信号通过信号电缆汇到PLC模板处，供PLC采集，进行处理，然后输出，控制现场设备运转，来满足高炉生产的需要。如图1所示：图1DCS控制图从上图可以看出：整个系统的关键在于主机入口处的瓶颈现象。由于现场及设备多，且比较分散，信号进入PLC后，必须经过A／D、D从转换过程，且精确度有所降低，这样就迫使PLC 的扫描周期加长，不利于主机腾出手来从事优化工作，使整个主机性能下降，直接威胁到高炉各种信号的实时性。另外，现场及设备所处的环境特殊，与之相连接的电缆比较多，维护量大，故障率高，影响到整个高炉自动化控制系统的稳定性和可靠性。三、现场总线的选用1．现场总线的优点PY。fibllsoP 现场总线是Pr。fiblls现场总线的一个性能优化版本，专门用于自动化系统与分布式外围设备之间的临界通信任务。这种总线适合于替代价格昂贵的24V DC和4～20mA测量信号平行传输线路。德国TURCK公司开发的工业现场总线是现场仪表、设备与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向通信与多站的通信系统，为我厂已建成的千兆位以大网系统提供了现场级的控制功能。这次我炼铁厂5＃高炉大修选用TURCK公司的工业现场总线，可避免几千个检测点和控制点的检测信号汇集到DCS 的入日处所造成的信号堵塞，从而把60％以上的控制功能下放到现场仪表，增加了系统的安全性和可靠性。采用现场总线主要有以下优点：（1）可以减少1／2-2／3的隔离器、端子柜、I／O柜、l／O终端，这样大大节省了10装置及装置室的空间；（2）由于免去了D／A及A／D转换的过程，使信号精确度可以从±0．5％提高到±0．1％；（3）由于可以将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2－3次增加到每秒10－20次，从而改善了调节性能；（4）组态简单，安装、运行、维护简便；（5）采用IP67的防护等级，使之完全适合高炉现场的恶劣环境。 2.5＃高炉大修工业现场总线的组态方式为使TURCK公司开发的工业现场总线产品更好地应用到生产中去，必须使之与高炉主PLC（GE 公司series 90．30）系统有机地结合在一起。5＃高炉系统由高炉、热风、喷煤、卷扬及槽下（包括除尘）部分组成。每个部分都负责一定的区域，它们之间既相互独立，又密不可分，相互联系。任何一个环节出问题，都将导致高炉的直接休风，影响生产。为此，以上各个部分都配有自己独立的series 90－30 PLC控制系统，且从各自的PLC 总线接口分别架设一条工业现场总线到各自所负责的区域。PLC通过各自的总线系统采集现场的实时数据进行处理及控制。这样，就可以使复杂的高炉生产系统分成五部分总线来设计，避免总线的连接过于复杂，有利于工业现场总线优势的发挥。5＃高炉总线布置图如图2：图2总线布置图高炉各个部分的PLC之间利用已建成的千兆位局域网进行通讯，相互联系。把现场的实时数据提供给操作者进行参考，由此判断炉况。（1）与PLC的总线接口GE公司的主PLC 设备，支持工业总线Profibus．DP协议，具有很强的扩展性，机架上挂接一块总线接口PBM 模板，利用Profibus-DP 协议来完成从工业总线上采集数据、传递信息的任务，控制现场设备的运行。为使PBM模板能够正常工作，要求CPU的软件版本在8.0以上，因而PLC 主处理模块采用GE 公司新推出的IC693 CPU364。为保持其兼容性，使用GE公司自己开发的Vesapro组态软件，通过Turck公司提供的GSD文件来完成对总线的配置。组态图如图
3：图3组态图（2）总线的连接方式数字量输入／输出模板的每个模板都有电源接口、总线接口，以及连至现场设备的控制接口。我们采用"点保护"方式，这样由于各模板上的点相互独立，不会因为其它点的故障而导致整个系统的停止运行，符合了高炉生产的特殊需要。而模拟量输人／输出模板采用的是"组保护"方式，通过隔离器，经总线电缆连至PLC。总线模板支持最高12Mbd 的通讯速率，它可以自动调节到主站的通讯速率，模板地址由保护盖下的两个旋钮开关来设定，它可设定为0-99。Profibus－DP总线由M12 eurofast＠接插件连接，电源由5针7/8ˊˊminifast＠接插件连接。如图4所示：图4总线连接示意图其中有二根专用电缆；a电源电缆采用一棵专用的电源电缆为各总线模块供电，通过总线供电单元来实现。总线的供电方式如图5所示：该供电单元由总线电源及总线辅助电源构成。分别通过两路直流24V电源单独供电。这样，数字量输入／输出模块可直接利用总线电源进行工作，而模拟量输入／输出模块除自身利用总线电源外，还可利用总线辅助电源，对现场的智能化仪表进行供电，方便至极。每个模块上均有一个绿／红的指示灯（LED）指示ON状态或短路状态，易于观察和查找故障。b．总线电缆使用Profibus．DP协议进行通讯的专用总线通讯电缆，采用先进的全屏蔽设计，以防止信号的干扰。它把分散在现场的各个模块连接在一起，共用一条总线，以数字方式进行通信与传送，能够达到信息的采集、传输，处理最佳的集成与协调。然后，通过总线模板（PBM）与PLC 设备相连接，每条总线的末端加上终端电阻。若总线挂接的模块过多，需加总线中继器。其连接示意图如图6所示：四、应用效果及未来展望采用现场总线避免了大量的点到点的电缆敷设，降低了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，节省了投资、安装、调试及维护的费用，减少了高炉休风次数，为我厂的生产带来了直接的经济效益，收到了良好效果。面对对世界技术革命的挑战，我们应该把握机遇，缩短与西方国家的距离。现场总线技术在自动化控制系统中的应用，必将拥有越来越广泛的领域和空间，对我们的发展起到良好的促进作用。网卡所完成的工作就是从计算机获得数据,然后把数据编码成为特定格式通过网络连接线(网线)发送到网络中其他的网卡... 参考资料：https://www.doczj.com/doc/ae3061608.html,/infor/gjd/2000_15251.htm
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