现场总线发展史
院系：电气工程系专业：电气自动化
班级：电气1304
学号：1020113433
姓名：胡兵兵
论文提交日期：二〇一五年六月
注：封面、中文摘要不编页码。
摘要
现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，实现了彻底的分散控制。同时也由于它的设备标准化，功能模块化，设计简单，使得现场总线在经济飞速发展、市场不断更新的今天，占有了一席之地。
关键词：现场总线；网络控制系统；CCS；DCS；FCS。
引言
随着计算机、信息技术的飞速发展，20世纪末世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域，我们更应该知道现场总线的发展历程，以更好的让其在我国发展。
1 早期控制系统的发展
1.1无网络系统
仪器仪表的发展已有悠久的历史。据《韩非子?有度》记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。
工业仪表最早出现在20世纪30年代，最初只用于化工、石油炼制、热能动力和冶金等连续性的热力生产过程，因此当时称为热工仪表。当时的工业仪表的结构形式主要是机械式或液动式，仪表体积较大，只能实现就地检测、记录和简单的控制，也没有网络雏形。
1.2 网络控制系统出现
19世纪，由于发明了测量电流的仪表，才使电学与磁学的研究迅速走上正轨，获得了一个又一个重大的发现，促进了电气时代的来临，同时也为气动式仪表的出现奠定了理论基础。到了30年代末和40年代初，出现了气动仪表，并使用了统一的压力信号，遂有了带远程发送器的仪器。它能在远距离外的二次仪表上重现读数，从而能集中在中心控制室进行检测、记录和控制。气动式仪表已具有网络的雏形。50年代又出现电动式的动圈式毫伏计、电子电位差计电气机械式调节器和整套的电子管调节仪表，它传送的是模拟电流环信号（4-20mA）。
电动仪表的广泛使用标志了电气自动控制时代的到来。但是就电动仪表而言，它对于工业控制网络需要的电缆较多。
2 现场总线的前身
2.1 中央控制计算机系统CCS
70年代数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系CCS（Computer Control System），中央控制计算机系统可分为SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)——监视控制与计算机采集系统和DDL（Direct Digital Control）直接数字控制计算机系统。
CCS充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4—20mA的模拟信号。但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。
2.2 集散式控制计算机系统DCS
随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加以及价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散式计算机控制系统DCS(Distributed Control System).
分散控制是DCS最主要的特征。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显
示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。图1.16为集散控制系统的体系结构
由上图可知，DCS系统有以下一系列的特点和优点：
①分散性：其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。
②集中性：其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。
③自治性：其含义是指系统中的各台设备均可独立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以在线或离线组态。
④协调性：其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协
调不是互相对立，而是互相补充。
⑤灵活性和扩展性：硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。
⑥可靠性和适应性：分散性带来系统的可靠性，并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用高性能的元器件、先进的制造工艺和抗干扰技术，使DCS能够适应恶劣的工作环境。
⑦先进性和继承性：硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制技术。DCS更新换代比较快，继承性体现在新、老系统互相兼容，可以给用户带来更好的利益
但是，在DCS系统形成的过程中，发现它也有许多的缺陷。以下为它的主要缺陷：
① DCS采用独家封闭的通信协议，各个厂家的DCS系统有的通信方式不同，为了各自的垄断利益，不同厂家的DCS之间以及其上层Internet网络之间难以实现互联和信息共享，通讯标准不统一，互不兼容，呈封闭式，从这个角度来讲DCS是不开放的，这是限制其进一步发展最主要的因素。
②多年来，DCS基本上是采用一对一的接线方式，，即一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号，实际上只能做到半分散，同时它又造成了系统接线庞杂，即使一个简单的控制回路，其信号的必经之路也比较长，会引发许多弊端和隐患，例如工程周期长，安装费用高和维护困难等
③ DCS采用模拟信号进行检测与控制，致使设备与设备之间，系统与系统之间，
系统与外界之间无法进行信息交流，在一定程度上造成“信息孤岛”，同时模拟信号传输精度低，易受干扰，要解决这些问题无形中又要增加投资
④当今的DCS，大量使用输入输出卡件，造成检测和控制信号精度不高，再加上长长的传输线以及A/D和D/A转换，势必会造成较大的误差和故障率。
3 现场总线
3.1 现场总线控制系统FCS
FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统是在集成控制系统DCS的基础之上发展而成的，是一种新型的分布式网络控制系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互连。它作为一种现场自动化系统，把安装于生产现场的具有输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路。
根据国际电工委员会规定的国际标准IEC61158，对现场总线的定义为：安装在制造或过程领域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。1994年，ISA的ISP组织和World FIP北美分部合作，成立了不以赢利为目的的现场总线基金会，开始了现场总线标准制定的新篇章。1996年，现场总线基金会发布H1低速总线标准。1997年，应用层服务定义IEC61158.5和应用层协议规范IEC61158.6成为国际标准最终草案，并发布对基金会现场总线性能实验和互操作性测试结果，同时，现场总线通信栈圆片被注册。
3.1.1 现场总线FCS的基本特点
因为现场总线具有测控能力指数，在各个领域都有应用。FCS控制系统的优点主要体现在以下几方面：(1) FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。(2)FCS 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用于本质安全
环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。(3)FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。(4)现场总线仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能。(5)现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。(6)数字信号的精确性是现场总线的又一个优点，数字信号比4mA～20mA模拟信号分辨率高。(7)现场总线技术都可以实现对现场设备的状态、参数等进行远程访问，采用设备描述，实现设备的互操作和综合运用，现场总线技术在线修改仪表参数，检测过程变量和诊断信息减少像一般仪表被动式作业维护的弊端，能够通过错误信息快速查找出故障源和隐患，并且能够减少日常维护工作量。
3.1.2 现场总线FCS的应用举例
自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作用。下面以企业信息系统举例说明现场总线的应用。
随着企业综合自动化系统的发展，要把企业经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制紧密联系在一起，进行综合信息处理。按市场要求，尽可能低的资源，能量消耗，以最短的时间，开发并生产出新的产品，供应市场，就必须将自动控制、办公自动化、经营管理、市场销售等各层次计算机互联成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享，因而企业网络中的信息是多层次的。下图为企业网络信息集成系统示意图
上图描述了以现场总线为基础的企业信息网络系统示意图。该系统从生产现场的底层开始，可分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营管理层多个层次，通过各层之间的沟通与信息交换，构成较为完整的企业信息网络。
3.2 现场总线控制系统的现状及发展趋势
3.2.1 现场总线的发展现状
目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的
DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加
工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80％左右的市场。每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet 适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS 已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。各个总线彼此协调共存。3.2.2 现场总线的发展趋势
现场总线已广泛应用于各个领域，虽然现场总线的类型众多，标准难以统一，但已经发布的现场总线标准说明这些现场总线是有生命力的，已经在相关领的应用领域取得广泛的应用并成功。发展现场总线已成为我们工业关注的焦点，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程。在今后很长一段时间内，现场总线的发展将成以下趋势：
①通信协议。对通信的实时性要求更高。现场总线技术是用于控制装置和现场设
备、在现场设备之间的实行双向、串行、多点的数字通信技术。因此，实时性是现场总线的发展方向之一。近年来，一些国际标准化组织正致力于工业以太网应用协议标准的开发和制定工作，以TCP/IP协议为基础，开发实时性强的通信协议，实现具有互操作性的工业以太网。
②硬件。向无线通信方向发展，想网络化方向发展。与无线通信技术想适应，在
现场总线中采用无线通信讲成为现场总线的发展方向。硬件的高可靠性、强鲁棒性、开放性和实时性等性能将得到强化和改善。由于现场总线设备安装在现场的工业恶劣环境条件下，因此，对环境适应性也有更高的要求。
③软件。标准化软件是重要发展方向。一些国际标准化组织正致力于工业以太网
现场应用有关技术和标准的设备描述语言DDL是描述现场总线设备参数数字通信特征的语言，用于传送设备状态、诊断和组态等信息，已经发展并被IEC作为国际的电子设备描述语言EDDL。
④互操作性和互换性。现场总线的发展方向是高互操作性和互换性的功能，增强
设备的功能，实现广义互操作性和互换性。
⑤通信接口。由于多种现场总线并存已成不争的事实，因此研制各种现场总线间
的接口或网关等转换或连接设备，实现它们之间的通信将成为今后无法回避的课题，成为现场总线应用中的不和谐音。
⑥分散控制。目前，现场总线的分散控制仍停留在简单控制和少量的复杂控制。
随着微处理器的发展，一些批量和混合控制也可以用柔性功能模块实现，是现场的分散控制范围更广泛、更彻底。
⑦技术培训。现场总线仪表的应用与一般模拟仪表的应用有所不同。现场总线控
制系统中现场总线仪表的选型、网段设计、工程安装和维护等现场总线控制系统应用的重要环节，对现场总线设备和仪表控制系统设计和应用人员的培训将是一向重要工作。
4 总结
伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代，系统的功能、性能也在不断完善展。图1.1为各阶段仪表能力指数示意图。
它表明，测量控制系统从早期基地式模拟仪表只能实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐渐发展到按装置或过程的多回路、多变量集中控制，整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。现场总线的发展就是从机械式/液动式仪表到现在的FCS（现场总线控制系统）。图1.1也表明每一代的更新都带来能力指数的跃变，同时随着工具与功能开发的不断完善，每一代系统的测控能力指数会按各自的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理提供更
为完善的服务，带来更大的经济效益。
参考文献
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4、现场总线控制系统应用实例：韩兵，于飞.化学工业出版社.2006年8月
5、现场总线技术基础及应用：张红涛.中国电力出版社.2009年12月
一、概念题 1、现场总线 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控制装置 之间数字式、串行、多点通信的数据总线。 2、模拟数据编码 用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态。 3、数字数据编码 用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。 4、单极性码 信号电平是单极性的。 5、双极性编码 信号电平为正、负两种极性的。 6、归零码（RZ） 归零码在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。可以很方便地确定每个码元的界限和信号电平。 7、非归零码（NRZ） 非归零码在整个码元时间内维持有效电平。如果两个码元数据相同（例如都是1），则电平保持不变。而这种情况下要求区分每个码元的 电平就必须对每个码元的占用时间做精确确定。否则，就会带来不同步 的问题。 8、差分码 差分码用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。变化为“1”，不变化为“0”。 9、基带传输 人们把数字数据信号固有的频带称为基带，相应的矩形脉冲信号称为基带信号。 10、载波传输 把数字基带信号记载到连续的高频载波上进行传输的系统叫载波传输或调制传输。 11、单工通信
数据单向传输（无线电广播） 12、半双工通信 数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机） 13、全双工通信 数据可同时双向传输（电话） 两个方向的信号共享链路带宽： 1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或 2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输 14、广播式网络 在广播式网络中，所有连网计算机都共享一条公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。 15、点到点网络 与广播式网络相反，在点到点网络中，每条物理线路连接一对计算机。 假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储与转发，直至目的结点。 采用分组存储转发与路由选择机制是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。 16、广播风暴 网络上的一个错误数据包的广播，它会引起多个主机立刻响应，一般说来，这种平等的错误数据包会引起风暴严重地成指数增长。 17、本质安全 18、总线供电 19、CSMA/CD 20、CTDMA 21、总线仲裁 二、填空题
《现场总线及其应用第2版主编郭琼课后习题答案》 机电职业技术学院电气工程系 作者：卡尔二毛第一章： 1.过程控制系统的发展经历了那几代控制系统？ 答：共5代。1.基地式仪表控制系统2.模拟式仪表控制系统3.直接式数字控制系统（DDC）4.集散控制系统（DCS）5.现场总线控制系统（FCS） 2.阐述DDC控制系统的结构及工作过程？ 答：结构由：计算机控制系统和生产过程的输入、输出设备组成。 工作过程：计算机通过过程输入通道对生产现场的变量进行巡回检测，然后根据变量，按照一定的控制规律进行运算，最后将运算结果通过输出通道输出，并作用于执行器，使被控变量符合系统要求性能指标。 3.计算机在DDC控制系统中起什么作用？ 答：完成对生产过程的自动控制、运行参数监视等。 4.DDC控制系统的输入、输出通道各起什么作用？ 答：输入通道作用：用于向计算机输入生产过程的模拟信号、开关量信号或数字信号。 输出通道作用：用于将计算机的运算结果输出并作用于控制对象。 5.计算机的软件包括哪两大类？各起什么作用？ 答：用户软件和系统软件。用户软件供用户使用处理一些相关工作；系统软件是用户软件的操作平台，具有开发性。 6.什么是集散控制系统？其基本设计思想是什么？ 答：集散控制系统：由过程控制级和过程监控级组成的、以通信网络为纽带的多级计算机控制系统。核心思想：集中管理、分散控制。 7.简述集散控制系统的层次结构及各层次所起的作用？ 答：层次结构：分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级； 分散过程控制级作用：完成生产过程的数据采集、闭环调节控制和顺序控制等功能。 集中操作监控级作用：了解系统操作、组态、工艺流程图显示、监控过程对象和控制装置的运行情况，并可通过通信网络向过程级设备发出控制和干预指令。 综合信息管理级作用：监视企业各部门的运行情况，实现生产管理和经营管理等功能。 8.生产过程包括哪些装置？ 答：PLC、智能调节器、现场控制站和其他测控装置。
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。
各类工业总线对比 EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EterCAT名称中的CAT为ControlAutomation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。 EtherCAT EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时处理以太网帧：嵌入在每个从站中的FMMU（现场总线存储管理单元）在帧经过该节点时读取相应的编址数据，并同时将报文传输到下一个设备。同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。主站方面也非常经济，商用的标准网卡（NIC）或任何主板集成的以太网控制器可以用作硬件接口。这些接口的共性就是数据通过DMA（直接内存读取）传输至PC，即网络读取时无需占用CPU资源。协议EtherCAT协议在以太网帧内采用官方指定的以太类型。采用这种以太类型即可允许在以太网帧内直接传输控制数据，而无需重新定义标准以太网帧。该以太网帧可由多种子报文组成，每个子报文服务于逻辑过程映像区的特定内存区，该区域最大可达4GB。数据序列是独立于物理顺序的，所以以太网端子模块的编址可以随意排序。从站之间的广播，多播和通讯也可得以实现。当EtherCAT组件与主站控制器运行在同一个子网，或者在控制软件直接读取以太网控制器时，可以使用以太网帧直接传输数据。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCAT UDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。在这种情况下，系统性能显然取决于控制器及其以太网协议的实时性能。EtherCAT 网络本身的响应时间几乎不受影响：UDP数据帧只需要在第一个站点解包。性能EtherCAT使网络性能达到了一个新高度。借助于从站节点中的FMMU和网络控制器主站的直接内存存取，协议的处理过程完全在硬件中完成。整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU性能或软件实现方式。1000个I/O的更新时间只需30 s。单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300 s. 100个伺服轴的通讯也仅为100s。在此期间，系统更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在保证这种性能的情况下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。例如，以太网系统现在不仅可以处理速度控制，也可用于分布式驱动的电流控制。巨大的带宽可以实现每个数据信息与其状态信息同时传输。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT取代PCI由于主板集成了以太网卡，用于接口卡的插槽不再是必要条件。随着PC组件急剧向小型化经济化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性：IPC中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子。除了可以对分布式I/O进行编址，还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其他无协议限制的以太网设备变体，也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯要求，因此，这不仅极大地精简了IPC 主机的体积，而且也降低了IPC主机的成本。拓扑结构EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等。通过现场总线而得名的总线结构或线型结构也可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。最有效的系统连线方法是线型、分支或树叉结构的组合拓扑。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。当然，仍然可以使用传统的、基于以太网的星型拓扑结构。还
1.计算机控制系统的发展经历了哪几个阶段？各有何特点？ 一、数据采集与处理：计算机并不直接参与控制，对生产过程不会产生直接影响，能对整 个生产过程进行集中监视，可进行越限报警，可以得到大量统计数据。 二、直接数字控制系统（DDC）：由计算机参与闭环控制过程，无需模拟控制器，控制系统 有一个功能较齐全的运行操作台，设定、显示、报警等集中在这个控制台上，操作方便，由于计算机与过程装置之前的双向信号流动的是通过硬性物连接装置来实现的，其中流动的信号都是电气信号，因此计算机不可能与现场装置离得太远，所以每台计算机所控制和管理的过程装置数量很少，多数情况下应用为单回路控制。 三、监督计算机控制系统（SCC）：一般由两级计算机组成，第一级计算机与生产过程连接， 并承担测量和控制任务，即完成DDC控制，第一级计算机和第二级计算机之间的数据通信，通常采用串行数据链路规程，传送效率一般较低。 四、集散控制系统（DCS）：采用网络技术实现数据的高速远距离传送；采用分布的、相对 独立的控制站在一定程度上避免了多回路集中控制的风险；通过控制站得冗余设计提高了控制系统的可靠性。 五、现场总线控制系统（FCS）：采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协 议，在位于现场的多个设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息交换，是各种适应实际需要的控制系统。 2.什么是现场总线？简述现场总线出现的背景？ 1.在生产现场的测量控制设备之间实现双向、串行、多点数字通信的系统称为现场总线； 2.出现的背景是：一是技术基础：现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟 信号及普通开关量信号的传输；二是技术开发和标准制定的战争：不同的国际标准化组织对现场总线的优缺点存在激烈争论。 3.什么是现场总线控制系统？简述现场总线系统技术特点？ 1.现场总线控制系统采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协议，在位 于现场的多个设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息交换，各种适应实际需要的控制系统； 2.现场总线系统技术特点：（1）开放性（2）互可操作性与互换性（3）设备智能化（4） 彻底分散（5）现场环境适应性（6）系统可靠性（7）信息一致性（8）经济性（9）易于安装和维护。 4.简述FCS与DCS的区别？FCS有何优点？ 区别是FCS是放弃常规的4~20mA模拟信号传输标准，采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息交换，是各种适应实际需要的控制系统； 5.主流现场总线有哪些？其特点如何？ 1.主流现场总线有DDC，DCS，FCS； 2.DDC：由计算机参与闭环控制过程，无需模拟控制器，控制系统有一个功能较齐全的运行 操作台，设定、显示、报警等集中在这个控制台上，操作方便，由于计算机与过程装置之前的双向信号流动的是通过硬性物连接装置来实现的，其中流动的信号都是电气信号，因此计算机不可能与现场装置离得太远，所以每台计算机所控制和管理的过程装置数量很少，多数情况下应用为单回路控制。 DCS：采用网络技术实现数据的高速远距离传送；采用分布的、相对独立的控制站在一定程度上避免了多回路集中控制的风险；通过控制站得冗余设计提高了控制系统的可靠性。 FCS：采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息交换，是各种适应实
计算机网络考试重点总结（完整必看） 1.计算机网络：利用通信手段，把地理上分散的、能够以相互共享资源（硬件、软件和数据等）的方式有机地连接起来的、而各自又具备独立功能的自主计算机系统的集合 外部特征：自主计算机系统、互连和共享资源。内部：协议 2.网络分类：1）根据网络中的交换技术分类：电路交换网；报文交换网；分组交换网；帧中继网；ATM网等。2）网络拓朴结构进行：星型网；树形网；总线型网；环形网；网状网；混合网等。4）网络的作用地理范围：广域网。局域网。城域网（范围在广域网和局域网之间）个域网 网络协议三要素：语义、语法、时序或同步。语义：协议元素的定义。语法：协议元素的结构与格式。规则(时序)：协议事件执行顺序。 计算机网络体系结构：计算机网络层次结构模型和各层协议的集合。 3.TCP/IP的四层功能：1）应用层：应用层协议提供远程访问和资源共享及各种应用服务。2）传输层：提供端到端的数据传送服务；为应用层隐藏底层网络的细节。3）网络层：处理来自传输层的报文发送请求；处理入境数据报；处理ICMP报文。4）网络接口层：包括用于物理连接、传输的所有功能。 为何分层:目的是把各种特定的功能分离开来，使其实现对其他层次来说是可见的。分层结构使各个层次的设计和测试相对独立。各层分别实现不同的功能，下层为上层提供服务，各层不必理会其他的服务是如何实现的，因此，层1实现方式的改变将不会影响层2。 协议分层的原则：保证通信双方收到的内容和发出的内容完全一致。每层都建立在它的下层之上，下层向上层提供透明服务，上层调用下层服务，并屏蔽下层工作过程。 OSI七层，TCP/IP五层，四层： ISO七层结构的OSI/RM：物理层——链路层——网络层——传输层——会话层——表示层——应用层 Tcp四层：网络接口层，网络层，传输层，应用层Tcp五层：物理层，链路层，网络层，传输层，应用层 4.服务，功能，协议：“服务”是对相邻上层而言的，属于本层的外观表现，下层给上层提供服务。“功能”则是本层内部的活动，是为了实现对外服务而从事的内部活动。协议是对等实体之间。 5.两大子网：通信子网和资源子网 2222221.通信子网任务：1）连通结点2）逐点数据传输3）确定传输路径4）监测通信过程 组成：通信子网物理上由若干个结点和连接结点的传输介质组成。 通信子网的协议，包括两大类，一类是TCP/IP协议族中网络层、网络接口层的若干协议；另一类则是各种局域网包括工业控制局域网以及现场总线中的数据链路层协议和物理层协议。
南京工程学院 现场总线大作业 课程名称基于CANopen总线的温度测量节点的设计 院（系、部、中心）自动化学院 专业自动化 班级、姓名数控133 吴雅雯 起止日期 2016/11/4 -2016/12/14 3 7
目录 一、设计任务 3 二、总体方案 3 三、硬件设计 4 四、软件设计 6 五、设计总结 8 六、参考文献 8
一、设计任务 1．系统整体方案设计，包括 （1）课题分析，方案选择； （2）主控制器和通信控制器的选择； （3）温度传感器的选择 （4）系统总体结构框图及各模块功能。 2．系统硬件设计，包括： 2.1测量对象的数据采集 （1）测量电路的设计； （2）数据采集电路的设计； 2.2 CAN通信最小系统的设计 （ 1）主控制器最小系统电路 （2）根据主控制器的类型（是否集成CAN控制器功能）设计CAN通信接口与驱动电路； 3．CANopen通信节点的软件设计； （1）数据采集模块程序流程； （2）主程序流程设计； （3）底层CAN通信程序流程设计，及各功能模块子程序设计，包括：初始化程序设计、接收报文程序设计、发送 报文程序设计； （4）应用层的CANopen协议程序设计； （5）CANopen对象字典部分的程序设计，依据DS301和DS401对CANopen 对象字典进行配置； 二、总体方案
CAN是 Contro l erAreaNetwork的缩写, 即控制器局部网,通常称为CANbus(CAN总线),是一种支持分布式控制的串行通信协议。CAN最初出现在汽车工业中,是20世纪80年代德国 Bosch 公司为汽车的监控、控制系统而设计的,主要是解决汽车中的电子控制装置之间的通信,减少不断增加的信号线。CAN总线的直接通信距离最远可以达到10 km, 此时通信速率为 5 kbps以下;而通信速率最高可达1 Mbps, 此时通信距离长为 40 m。同时 CAN总线的通信媒介采用双绞线或光纤,选择灵活,其结构较简单,总线接口芯片支持8位、16位的CPU。 由于CAN总线采用短帧结构,在标准格式中,短帧的字节数为8个,因此传输时间短,受干扰的概率低,重新发数据帧的时间短,并且每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,这样可以保证极低的数据出错率。CAN总线上的节点在错误严重时,可以自动关闭总线的功能,使总线上的其它操作不受到影响。由于CAN总线的数据通信具有卓越的特性及极高的可靠性,因而非常适合工业过程监控设备互连,也是最有前途的现场总线之一[2]。由于CAN 总线的特点,使得其广泛地应用于电力、航空航天、治金、交通工具、机器人、医疗设备、环境监控和家用电器等众多领域。本文提出基于CAN总线的温度测量节点的设计。 1系统总体结构设计 图1分布式温度测量节点结构框图
毛需求量GR：是在任意给定的计划周期内，项目的总需求量。预测时区：= 预测量计划时区：毛需求= Max（预测量，订单量） 净需求量＝本时段毛需求量＋安全库存量－（前一时段末的可用库存量＋本时段计划接收量）＞0 计划产出量＝N×批量≥净需求＞（N-1）×批量PORC(t)=NR(t)+GR(t+1)+GR(t+2)+…+GR(t+n-1)固周预计可用库存量＝(前一时段末的可用库存量＋本时段计划接收量＋本时段计划产出量)－本时段毛需求量 可用承诺量=某期间的计划产出量（包括计划接收量）-该期间的订单总和。时段1的ATP=当前库存量+ MPS在时段1的计划接收量- 时段1的订单量以及在下一个计划产出量出现之前的实际需求量 其它时段的ATP = 计划接收量- 本时段发生的订单量和随后几个时段的订单量进行合计，直到出现新的计划接收量的时段为止。如果计算出的ATP值为负时(时段1除外)，把扣前面最近期的ATP（即将该时段的ATP值减去本期的负值的绝对值，同时把本期的ATP置为0）。如果不够，继续向前扣。
粗能力需求计划RCCP的编制 粗能力计划的计划对象只是针对设置为“关键工作中心”的工作中心能力 单件总时间= 0.09＋0.0200 = 0.1100= 单件加工时间+单件准备时间 单件准备时间= 0.40÷20 = 0.0200在此例中，将生产准备时间作为变动的提前期(困为和生产批量有关) 图3工艺路线及工时定额信息表
将生产单件产品A对所有工作中心的需求分别计算 （+合计）出来便得到如下表所示的产品A的能力清单。 产品A的粗能力需求计划（+总工时） 已知产品A的MPS数据见表1。产品结构如图1，相应BOM
几种常见的现场总线简介从1984年IEC开始制订现场总线国际标准至今，经过16年的努力和有关各方的协商妥协，最终，采用包括8种类型现场总线的IEC6lI58标准，并于1999年底的投票中得以通过。 2.1 Type l IEC技术报告（即FF H1）FF H1现场总线的网络协议是按照ISOOSI参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。基金会现场总线（FF）是Type1现场总线的一个子集（Subset）。 2.2 Type 2 ControlNet ControlNet现场总线得到美国Rockwell公司支持。它采用了一种新的通信模式：生产者/客户（Producer/Consumermodel）模式。这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据。这种模式最主要的特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。 2.3 Type 3 Profibus Profibus得到德国Siemens公司支持。Profibus数据链路层总线存取有两种方式，即令牌环（Token-Ring）方式和主站/从站（Master/Slave）方式。Profibus系列由3个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA。Profibus-DP适用于设备级控制系统与分散I/O之间高速通信，它使用物理层、数据链路层以及用户接口。Profibus-FMS适用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，符合IEC61158.2物理层规范，
FCS应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。 CAN: 控制局域网的简称，是一种串行数据通信总线。 LIN：面向汽车低端分布式应用的低成本、串行通信总线。 FF：基金会现场总线适合在流程工业的生产现场工作，能适应本质安全防爆的要求，还可以通过通信总线为现场设备提供工作电源。DCS：集散控制系统，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。ISO/OS I：该模型是国际标准化组织(ISO)为网络通信制定的协议，根据网络通信的功能要求，它把通信过程分为七层，分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，每层都规定了完成的功能及相应的协议。 PROFIBUS：面向工厂自动化和流程自动化的一种国际性现场总线标准。DP:专为自动控制系统与设备级分散I/O之间的通信而设计的，用于分布式控制系统设备间的高速数据传输。 PA:是专为过程自动化而设计的，采用IEC1158-2中规定的通信规程，适用于安全性要求较高的本质安全应用，及需要总线供电的场合。FMS：适用于承担车间级通用性数据通信，可提供通信量大的相关服务，完成中等传输速度的周期性和非周期性通信任务。 CAN总线：CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准(ISO118?8)。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 广播式网络：在网络中只有一个单一的通信信道，由这个网络中所有的主机所共享。即多个计算机连接到一条通信线路上的不同分支点上，任意一个节点所发出的报文分组被其他所有节点接受。发送的分组中有一个地址域，指明了该分组的目标接受者和源地址。 CSMA/CD：载波监听多路访问/冲突检测。当遇到多个节点同时发起通信时，信号毁在传输线上相互混淆而遭破坏，称为产生”冲突“为避免由于竞争引起的冲突，每个节点在发送信息前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”先听再讲。 通信栈：在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称通信栈。 令牌：按一定顺序在各站点间传递令牌，得到令牌的节点才有发起通信的权利，从而避免了几个节点同时发起通信而产生的冲突。 基带传输：指在基本不改变数据信号频率的情况下，直接按基带信号进行的传输。 载带传输：按幅值键控、频移键控、相移键控等不同方式，依照要承载的数据改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号，载波信号承载数据后的信号传输过程称为载波传输。 宽带传输：指在同一介质上可传输多个频带的信号。 总线仲裁：指对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则来确定下一个时刻具有总线占有权的设备。 时分多路复用：各个节点按分配的时间段及其先后顺序占用总线，这种介质访问控制方式称为时分多路复用。 时分复用：是指为共享介质的每个节点预先分配好一段特定的占用总线的时间。 报文：一般把需要传送的信息，包括文本、命令、参数值、图片、声音等称为报文。 通信协议：通信设备之间用于控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则。 语法：是指通信中数据的结构、格式及数据表达的顺序。 语义：是指通信数据位流中每个部分的含义，收发双方正是根据语义来理解通信数据的意义。 时序：一是数据发送时间的先后次序，二是数据的发送速率。 收发器：数据通信系统中，具有通信信号发送电路的设备称为发送器或发送设备。具有通信信号接收电路的设备称为接收器或接收设备。吞吐量：表示数据通信系统有效性的一个指标。以单位时间内通信系统接收发送的比特数、字节数或帧数表示。描述了通信系统的数据交互能力。 波特率：每秒传输的信号波的个数。单位Baud或B 比特率：通信系统每秒传输数据的位数。Bit或b 误码率：Ne（传输出错的码元数）与N（传输的二进制码元总数）的比值之比 信道带宽：指信道容许通过的物理信号的频率范围，即容许通过的信号的最高与最低频率之差。信道带宽取决于传输介质的物理特性和信道中通信设备的电气特性。受保护的标识符：报文头中还包含一个字节受保护的标识符，由标识符和标识符的奇偶校验位两部分组成，其中Bit0到Bit5为标识符，BIt6和Bit7位奇偶校验位。 H1总线：通信速率为31.25Kb/s低速总线H1 显性：逻辑0 为显性，显性碰到隐性，当让就表现为显性隐性：逻辑 1 为隐性 数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的称为数字数据编码。 模拟数据编码：采用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码。 曼彻斯特编码：基带信号编码，具有使网络上每个节点保持时钟同步的同步信息。时间按时间周期被划分为等间隔的小段，其中每小段代表一比特即一位。每个比特时间又分为两半，前半时间段所传信号是该时间段传送比特在的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。ASK:幅值键控，载波信号的频率、相位不变，幅度随调制信号变化。FSK:频移键控，载波信号的频率随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、相位不变。 PSK:相移键控，载波信号的相位随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、频率不变。 同步传输：通信处理时所有的设备使用一个共同的时钟。 异步传输：通信处理时，每个通信节点都有自己的时钟信号，每个节点的必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。 单工通信：是指通信线路传送的信息流始终朝着一个方向，而不进行与此反方向的传送。 半双工通信：是指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向。 全双工通信：是指通信系统能同时进行双向通信，相当于把两个相反方向的单工通信方式组合在一起。 差错控制：检错加纠错称为差错控制。 实时系统：控制作用必须在一定时限内完成，或者相关的控制动作一定要按事先规定的先后顺序完成。这种对动作时间有严格要求的系统称为实时系统。 传输介质的访问控制方式(或总线竞用或总线仲裁技术)：在控制网络中，这种用于解决介质争用冲突的办法称为传输介质的访问控制方式。网关：又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间的互连。 采样点：在监测区域内采集环境样品的准确位置。 事件触发：CAN采用的这种非破坏性总线仲裁技术，本质上属于以事件触发的通信方式，其通信具有某种程度的非确定性，无法从根本上保证数据的实时传输。 单比特错误：在单位数据域内只有1个数据位出错的情况。 多比特错误：在单个数据域内有1个以上不连续的数据位出错的情况。突发错误：在单位数据域内有2个或2个以上连续的数据位出错的情况。 无条件帧：总是携带数据信息。 诊断帧：携带8个字节的诊断或组态信息，主节点诊断请求帧的标识符为60，从节点诊断应答帧的标识符为61（0x3d） 第四章 1、CAN通信特点：1）CAN总线上任一节点均可在任一时刻主动地向其他节点发起通信，节点不分主从，通信方式灵活；2）CAN采用载波监听多路访问、逐位总裁的非破坏性总线总裁技术；3）CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的调度；4）CAN的直接通信距离最远可达10km，通信速率最高可达1Mb/s；5）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 2、CAN只有物理层和数据链路层。能接地，信嗓比低。 4、CAN报文帧的类型和结构： 数据帧：帧起始、仲裁场、数据场、控制场、CRC场、ACK场、帧尾RTR在数据帧为显，在远程帧为隐； 数据帧优先于远程帧；标准格式优先于扩展格式；RTR优先于SRR 远程帧：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、ACK场、帧结束 出错帧：出错叠加标志和出错界定符 超载帧：超载标志叠加和超载界定符 数据帧和远程帧需要帧间空间隔开 5、出错类型与出错界定 出错类型：位错误、填充错误、CRC错误（不会立即发送，出错标志在应答界定符后面的哪一位开始发送，除非在此前有发送）、格式错误、应答错误
常用现场总线种类介绍公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
常用现场总线种类介绍 1、PROFIBUS Profibus 作为一种快速总线，被广泛应用于分布式外围组件(PROFIBUS-DP)。除了 PROFIBUS-DP 和 FMS 以外，Beckhoff 还支持驱动器通讯标准 PROFIBUS MC。过程现场总线 2、EtherCAT EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology，用于控制和自动化技术的以太网)是一种用于工业自动化的实时以太网解决方案，性能优越，使用简便。 3、Lightbus 这种经过验证的 Beckhoff 光纤总线系统具有极为优秀的抗 EMI 性能，易于安装，数据流快速、循环且具有确定性。 4、Interbus Interbus 易于配置，通讯快速而可靠。主/从系统的移位寄存器协议可提供高效循环通讯。 5、CANopen 通过有效利用总线带宽，CANopen 可在即使相对较低的数据传输速率时也能实现较短的系统响应时间。秉承了 CAN 的传统优点，例如数据安全性高且具备多主站能力。 6、ControlNet ControlNet 是一种开放式标准现场总线系统。该总线协议允许循环数据和非循环数据通过总线同时进行交换，而两者之间互不影响。 7、SERCOS interface SERCOS 最初作为用于驱动器的快速光纤总线系统研发。采用 Beckhoff SERCOS 总线耦合器，I/O 设备可以实现高速率数据传输和较短的循环时间。 8、Ethernet
基于现场总线的程序测试模拟设备 作者：丁孟喜 来源：《时代汽车》2020年第15期 摘要：随着市场需求水平的提高及输送机设备的发展，实践中需要自动化程度更高输送机设备以提高效率，这促使相应的控制程序也更为复杂。本文的内容主要是在此背景之下，基于现场总线程序的测试模拟系统设备的研究，本人以自身实践的角度对此设备进行了创新，以此来测试输送机设备控制程序的可行性，希望通过本文的研究能够让此测试模拟系统设备的信息对输送机控制技术领域的發展有所助益。同时，也体现了对输送机设备应用的生产领域提供的现实意义。 关键词：程序测试模拟设备自动化输送机设备 1 技术背景 输送机设备本身价格昂贵，且输送机线体较长，致使在设备运行时容易出现失误，因此其调试工作不容有失。以往的调试工作，在施工安装后才能进行。如此，输送机设备的调试周期及程序都难以得到保障。虽然配备了专业人员对设备运行进行观察，以便及时调整程序错误，减少了程序失误的可能性，但是这样的操作需要投入大量的人力，且花费时间较多也不能完全避免失误，工程成本很高。为此，创新输送机设备调试方法是必然之举，也是提高工程质量和效率，减少成本的有效方法。 现场总线是联系现场设备、仪表与自动控制装置、系统三者的数据总线，具有双相通信、串行和多点等特征，并由此构成了双向的数字通讯网络，将现场装置与控制系统有效连接。当前，针对应用需求开发出了多种为多设备间提供通信的现场总线，如Interbus、DeviceNet、Arcnet等。总之，现场总线是一个开放性的协议。 控制程序随着输送机设备的发展而发展。目前，输送设备的自动化程度越来越高，相应的控制程序也更为复杂，使得设备调试工作任务越来越多。一定程度上，控制程序的优化有助于输送机设备效能的有效发挥。因此，相应的程序测试模拟系统设备开发十分必要。 从控制程序的编制上看，变送器和传感器等故障信息为人身安全、设备安全提供了很好的保障。但是在实践中，遭遇的故障信息是很难预料的，使得控制程序之外的故障信息控制有一定的困难，需要更精确的检测。 输送机设备的运行是按照设计要求完成的，因此控制程序的作用就是保障其依照此步骤运行。输送机设备庞大，部件精密，调试人员在进行工作时做出准确而直接的判断比较困难。这要求新的控制程序融合直观和简洁的调试特点，有所完善。