基于现场总线冗余控制系统硬件设计说明

现场总线技术的设计应用实例概述现场总线技术是工业控制系统中常见的一种通信协议，它通过将传感器、执行器与控制器连接到一个总线上，实现设备间的数据通信和控制。

本文将介绍几个现场总线技术的设计应用实例，包括Profibus、CAN总线和Modbus。

ProfibusProfibus是一种常用的工业自动化领域现场总线协议，它被广泛应用于物流自动化、工业控制和过程自动化等领域。

在物流自动化中，Profibus通信技术可以被用于连接传感器、执行器和控制器，实现自动化存储和分拣系统。

每个传感器和执行器都以从站的形式接入Profibus总线，并通过总线与控制器进行通信。

通过Profibus的高速通信和优化的数据传输机制，物流系统可以实现高效的物料搬运和分拣操作。

在工业控制领域，Profibus常被用于连接传感器、执行器和PLC（可编程逻辑控制器）。

PLC作为控制器可以通过Profibus实时监测设备状态，并根据需要发送命令和控制信号。

这种基于Profibus的控制系统可以实现复杂的工业过程控制和自动化。

CAN总线CAN（Controller Area Network）总线是一种广泛应用于汽车行业的现场总线协议，它具有高可靠性和高实时性的特点，被广泛应用于汽车电子系统和航空航天领域。

在汽车电子系统中，CAN总线被用于连接车辆的各种传感器和执行器，并与车辆的ECU（电子控制单元）进行通信。

通过CAN总线的实时数据交换，车辆的各个子系统可以协调工作，实现诸如发动机控制、车身稳定性控制和驾驶辅助系统等功能。

在航空航天领域，CAN总线常被用于飞行控制系统和航空电子设备之间的数据交换。

航空电子设备需要实时高可靠的数据传输，以确保安全和可靠的飞行。

CAN 总线的高实时性和冗余特性使其成为航空电子系统中的理想选择。

ModbusModbus是一种最为常见的串行通信协议，被广泛应用于工业自动化领域。

Modbus支持点对点和主从通信模式，适用于各种环境。

CAN网状冗余及基于ARM节点设计一、概述CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网，是一种串行数据总线，CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN总线已被广泛应用于各个自动化控制系统中。

在汽车电子、自动控制、电力系统等领域中，CAN 总线尤其具有不可比拟的优越性。

但是，工业控制现场工况条件十分恶劣，电缆受拉、压、砸、挤等造成故障的情况很多，这对于以总线为核心的CAN总一、概述CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，是一种串行数据总线，CAN 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN总线已被广泛应用于各个自动化控制系统中。

在汽车电子、自动控制、电力系统等领域中，CAN总线尤其具有不可比拟的优越性。

但是，工业控制现场工况条件十分恶劣，电缆受拉、压、砸、挤等造成故障的情况很多，这对于以总线为核心的CAN总线系统是一种极大的威胁。

如何保证现场总线控制系统在恶劣环境下安全、可靠地工作是CAN应用中的一个重要课题。

解决可靠性问题的一个有效的办法就是对总线进行不同程度的冗余，同时使用两(多)条总线电缆。

本文简单列举了目前CAN冗余的几种方式，同时提出了网状冗余的全新冗余结构。

采用内置多路CAN总线控制器的LPC2294作为主控制器，设计给出了应用于电源模块控制系统中的CAN总线网状冗余节点方案。

二、目前几种总线冗余方法典型的CAN电路可分为4个环节，即单片机、总线控制器、CAN总线驱动器、总线。

以下是目前从以上4个环节考虑的不同程度的冗余方法：（1）总线驱动器的冗余使用两条总线电缆，每个节点内部使用两个总线驱动器，但只有一个总线控制器，在总线控制器与两个总线驱动器之间设置判断电路。

如果一个总线发生故障，则关闭它与总线控制器之间的信号通道，而正常总线上的报文仍能顺利送往总线控制器。

课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目CAN 总线的双机冗余系统设计 课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能CAN 总线的双机冗余系统设计，使在出现故障时能自动切换，保证系统安全、稳定运行。

设计硬件包括总线控制器、总线收发器及ATMEL 系列单片机及切换逻辑等。

软件采用汇编语言或C 语言，并调试与分析。

设计任务及要求1、确定设计方案，画出方案框图。

2、冗余系统硬件设计，包括元器件选择。

3、画出硬件原理图。

4、绘出程序流程图，并编写初始化、接收及发送程序。

5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。

6、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。

技术参数1、符合CAN2.0B 规范；2、40米内最高可达1Mbit/s ；（设计选定传输速率为125K bit/s ）3、可扩充110个节点；进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（2天）2、系统硬件设计及模块选择（3天）3、系统软件设计及编写功能程序及调试（3天）4、撰写、打印设计说明书（1天）5、验收及答辩。

（1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日摘要CAN总线的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

随着功能强大的单片机在控制领域应用的不断深入,容错控制系统也在不断地发展,在一些特定的场合下,如在航空航天、军事、铁路、石油、化工、电力等重要部门和在恶劣工作环境下工作的计算机控制系统,对系统安全性、可靠性、可用性的要求更高。

DCS控制系统硬件设计及分布的研究作者：刘冰来源：《数字技术与应用》2013年第01期摘要：本文主要论述DCS系统硬件的设计及分布，研究使用新的设计结构，对整个工程实施的影响，并展望控制系统未来硬件设计及结构的发展趋势。

关键词：DCS 控制系统硬件设计硬件分布中图分类号：T93 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0028-011 前言随着工业化和社会的飞速发展，工业自动化除了对现场设备提出高性能、高效率、高精度的要求外，对于控制系统的高性能、高效率及高精度的要求日益重视。

目前DCS系统仍是工业自动化领域的主流控制系统，从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。

过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。

操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。

管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS 系统）。

在工程实施及调试阶段DCS系统对整个项目的进度影响很大。

本文针对过程级的硬件设计对工程的影响做出分析和研究。

2 DCS的硬件结构DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。

通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。

2.1 现场控制级现场控制级又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。

输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。

2.2 过程控制级过程控制级又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。

生产工艺的调节都是靠它来实现。

比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制及批量控制等。

2.3 过程管理级DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩LCD、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。

基于CAN总线的冗余系统方案 (1)1.冗余CAN总线系统的基本方案 (1)2.CiA 304:安全相关通信的CANopen框架 (2)2.1 简介 (2)2.2 安全相关通信机制 (3)2.3 硬件结构 (4)3.CiA 307:海事电子的CANopen框架 (5)3.1 简介 (5)3.2 硬件结构 (5)3.3 软件架构 (7)3.4 Flying NMT master (7)3.5 冗余通信机制 (8)4.CANaerospace: CAN在航电系统的应用层协议 (10)4.1 简介 (10)4.2 冗余消息ID分配 (10)4.3 系统冗余 (11)5.结论 (12)6.参考文献 (12)基于CAN 总线的冗余系统方案潘凯, 2007-03-01作为工业现场总线的一种，与其他的通信总线相比，CAN 总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

目前，CAN 总线不仅在汽车领域，而且在电梯、消费电子、船舶、工程机械等自动化领域，甚至是航空航天领域得到了广泛的应用。

在某些领域，对安全性要求比较高，系统是安全相关（safety related ）的。

为了满足一定的安全级别，需要使用系统冗余机制。

由于CAN 总线一开始并不是针对安全领域开发的，它对系统冗余的支持具有一定的不足。

为了在安全相关系统中使用CAN 总线，就必须建立相应的对系统冗余的支持机制。

本文研究了几种支持系统冗余的CAN 总线高层协议（CANopen CiA 304，CiA 307，CANaerospace ），介绍了这些高层协议实现CAN 冗余的主要原理，总结了在CAN 总线网络中实现系统冗余的基本方案。

1. 冗余CAN 总线系统的基本方案(1). 软件冗余 (2). 硬件冗余 (3). 总线冗余图1 几种冗余CAN 总线系统的拓扑结构在CAN 总线系统中实现冗余有三种基本方案。

方案一为软件冗余。

该方案在不改变CAN 节点任何硬件结构的条件下即可实现，如图1-(1)所示。

目录中文摘要 ......................................................................... 错误！未定义书签。

英文摘要 (Ⅱ)1 绪论.................................................................................. 错误！未定义书签。

2 正文 (2)2.1 背景和意义 (2)2.2方案论证 (4)2.3方案设计 (6)2.4硬件设计 (8)2.5软件设计................................................................. 错误！未定义书签。

52.6问题及分析 (20)致谢 (23)参考文献 (25)附录 (26)1 绪论现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络也称现场网络。

也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。

原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号通过通讯的数字化使时间分割、多重化、多点化成为可能从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线配线的共享。

是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

一般把现场总线系统称为第五代控制系统也称作FCS——现场总线控制系统。

人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代把数字计算机集中式控制系统称为第三代而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。

现场总线控制系统FCS 作为新一代控制系统一方面突破了DCS系统采用通信专用网络的局限采用了基于公开化、标准化的解决方案克服了封闭系统所造成的缺陷另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型全分布式结构把控制功能彻底下放到现场。

基于现场总线技术的优点优势及应用设计方案分析1、现场总线系统概述随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化技术正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层渗透到现场设备，这样就产生了现场总线技术以及由此组成的控制系统—现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）。

自现场总线技术在90年代后期问世以来，它就已经开创了自动化控制技术的新纪元—数字时代。

目前现场总线技术已经在国内化工、石化、冶金、建材、医药等工业过程中开始了成功的应用并取得了显著的效益。

在国内，现场总线在火电厂机组控制方面已有局部使用，但还没有在全厂使用现场总线控制系统的范例。

签与此，我们在某电厂机组重要程度相对较低的锅炉补给水处理、工业废水处理、循环水处理系统（以下简称主厂房外水系统）采用现场总线技术进行控制，作为FCS 应用的尝试与研究。

2 、现场总线技术根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。

由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS。

衡量一个控制系统是否为真正的现场总线控制系统FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。

FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。

现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。

现场设备级的数字化、网络化是电厂信息化管理的基础。

现场总线技术开发的出发点就是要为用户提供开放的、具有可互操作性、可互换性和统一标准的测量和控制产品，以现场总线技术为基础的FCS的优越性概括起来有以下几方面：互操作性、分散性、可靠性、精确性、开放性、经济性、可维护性。

1999年底IECTC65（负责工业测量和控制的第65标准化委员会）通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。

技术创新《微计算机信息》2012年第28卷第10期120元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》测控自动化基于CoDeSys 的现场总线监控系统的设计与开发Design and Development of a Fieldbus Monitoring System Based on CoDeSys(上海大学)胡忠利曾志强吴艳张侃谕HU Zhong-li ZENG Zhi-qiang WU Yan ZHANG Kan-yu摘要:本文介绍了一种基于CoDeSys 软PLC 技术的现场总线监控系统。

该系统以软PLC 为核心,并将其移植到CPCI 结构的工控机中。

工控机通过Profibus 总线和CAN 总线连接底层的从站设备。

系统开发出友好的人机界面和应用程序,并在工程机械上进行了具体试验,最终实现了对底层信号的采集、显示、保护、控制等功能。

关键字:CoDeSys;Profibus;CAN-bus;CPCI 中图分类号:TP237文献标识码:BAbstract:A fieldbus monitoring system based on CoDeSys SoftPLC technology is designed in this paper.The core of the system is CoDeSye Control RTE,which should be integrated into the CompactPCI IPC hardware.The IPC communicates with the slave equip -ments through the profibus and CAN cards.Well visualization and application program is designed in the system,to achieve display,protection and control functions of the bottom signals.Keywords:CoDeSys;Profibus;CAN-bus;CPCI文章编号:1008-0570(2012)10-0122-03引言随着工业控制的发展,传统PLC 由于其控制性能的高可靠性和低成本而得到了广泛应用。

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。

WDM装置现场总线控制系统的设计与实现的开题报告一、选题背景随着现代制造业的不断发展，传统的单机控制系统已经不能满足生产的需求。

现代工厂的自动化水平不断提高，控制系统需求也不断增加。

其中，WDM（Wavelength Division Multiplexing）技术应用已经广泛，成为现场总线通讯的一种重要手段。

WDM 技术作为一种高效、稳定和可靠的光传输技术，被广泛应用于现场总线通讯中，可实现高速数据传输和远距离通信。

因此，研究和设计基于WDM技术的现场总线控制系统已经成为当今工业自动化领域的热门课题。

二、选题意义随着时间、成本和质量的压力，现代制造业迫切需要实现高效生产。

而实现高效生产的关键在于提高自动化水平，控制系统的应用得到了越来越广泛的推广。

WDM技术在现场总线通讯中的应用，不仅能优化现场总线的通讯效率和稳定性，并且可以有效降低传输成本和提高数据传输速度，提高企业自动化水平和管理效率。

三、研究目标本课题的目标是研究和设计基于WDM技术的现场总线控制系统，实现工业自动化控制系统高效、稳定、可靠地进行数据通讯和控制。

四、研究内容1. 现场总线的通讯协议研究2. WDM技术在现场总线通讯中的应用研究3. 现场总线控制系统的软硬件设计4. 实现现场总线控制系统的仿真和测试五、拟采用的研究方法本课题采用文献综述、理论研究、案例分析、系统设计和仿真实验等方法进行研究。

六、预期成果完成本课题后，预期可以：1. 研究和分析现场总线通讯协议，确定WDM技术在现场总线通讯中的应用方式和并且实现相应硬件设计2. 设计基于WDM技术的现场总线控制系统的软硬件方案3. 实现基于WDM技术的现场总线控制系统的仿真和测试4. 针对实验结果进行分析和总结，改善和优化现场总线控制系统，提高工业生产自动化水平。

七、作者简介本人学习专业为电子信息工程，本科学历。

热爱探索和研究网络技术，曾参与太阳能逆变器联网控制系统的设计与开发。