集散控制系统与现场总线技术实验指导书2利用Profibus组网

集散控制与现场总线技术实验指导书实验一 建立工程项目一、 实验目的：1、了解WinCC 的特点。

2、熟悉和掌握项目管理器的结构。

3、掌握项目创建的步骤。

二、 实验设备安装了WinCC 软件的计算机三、 实验原理1、 项目管理器（1） 启动WinCC 安装成功后，WinCC 将出现在操作系统的开始菜单上。

启动WinCC 可使用Windows Control 5.0命令，也可通过其他方式启动WinCC 项目管理器。

（2） WinCC 项目管理器的结构使用WinCC 项目管理器，可完成以下工作：● 创建和打开项目。

● 管理项目数据和归档。

● 打开各种编辑器。

● 激活或取消激活项目。

WinCC 项目管理器的用户界面由以下元素组成：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、 浏览窗口和数据窗口，如图1-1所示。

状态栏浏览窗口数据窗口图1-1 WinCC 项目管理器2、项目类型WinCC中的工程项目分为3种类型：单用户项目、多用户项目和客户机项目。

项目包括“计算机”、“变量管理器”、“编辑器”等组件。

单用户项目是一种只拥有一个操作终端的项目类型。

在此计算机上可以完成组态、操作、与过程总线的连接以及项目数据的存储。

项目的计算机既用作进行数据处理的服务器，又用作操作员的输入站。

其他计算机不能访问该计算机上的项目（通过OPC等访问的除外）。

单用户项目可与多个控制器建立连接。

在单用户项目计算机所在的自动化网络中，一般只有一台PC机。

如果有多台PC机，则PC机上的数据也是相互独立的，不可通过WinCC 进行相互访问。

如果只希望在WinCC项目中使用一台计算机进行工作，可创建单用户项目，运行WinCC。

3、创建项目的步骤第一步：准备工作。

创建项目前应对项目的结构给出一些初步的考虑。

可从如下几个方面进行：（1）项目类型在开始创建项目前，应清楚创建的是单用户项目，还是多用户项目。

（2）项目路径可将WinCC项目创建在一个单独的分区上，不要将WinCC项目放在系统分区上（即不要将项目建立在C盘上）。

利用PROFIBUS协议进行网络通信PROFIBUS是世界上第一个开放式现场总线标准，目前技术已成熟，其应用领域掩盖了从机械加工、过程掌握、电力、交通到楼宇自动化的各个领域。

PROFIBUS于1995年成为欧洲工业标准（EN50170），1999年成为国际标准（1EC61158-3）。

在S7-200 系列plc的CPU中，CPU22X都可以通过增加EM277 PROFIBUS-DP 扩展模块的方法支持PROFIBUS DP 网络协议。

最高传输速率可达12Mbit/s。

采纳PROFIBUS的系统，对于不同厂家所生产的设备不需要对接口进行特殊的处理和转换，就可以通信。

PROFIBUS 连接的系统由主站和从站组成，主站能够掌握总线，当主站获得总线掌握权后，可以主动发送信息。

从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。

它们可以接收信号并赐予响应，但没有掌握总线的权力。

当主站发出恳求时，从站回送给主站相应的信息。

PRORFIBUS除了支持主／从模式，还支持多主／多从的模式。

对于多主站的模式，在主站之间按令牌传递挨次打算对总线的掌握权。

取得掌握权的主站，可以向从站发送，猎取信息，实现点对点的通信。

西门子S7通过PROFIBUS现场总线构成的系统，其基本特点如下：（1）PLC、I/O模板、智能仪表及设备可通过现场总线连接，特殊是同厂家的产品供应通用的功能模块管理规范，通用性强，掌握效果好。

（2）I/O模板安装在现场设备（传感器、执行器等）四周，结构合理。

（3）信号就地处理，在肯定范围内可实现互操作。

（4）编程仍采纳组态方式，设有统一的设备描述语言。

（5）传输速率可在9.6kb／s～12Mb／s间选择。

（6）传输介质可以用金属双绞线或光纤。

1．PROFIBUS的组成PROFIBUS由三个相互兼容的部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。

（1）PROFIBUS-DP（Distributed Periphery 分布I/O系统）PROFIBUS-DP是一种优化模板，是制造业自动化主要应用的协议内容，是满意用户快速通信的最佳方案，每秒可传输12兆位。

集散控制系统及现场总线第二版课程设计1. 课程设计目的本课程设计旨在让学生通过对集散控制系统及现场总线的学习及实践，掌握以下能力：1.理解集散控制系统和现场总线的基本概念、功能及组成结构；2.掌握PLC程序设计及调试技能；3.能够独立完成集散控制系统及现场总线的搭建和调试；4.培养学生的解决问题的能力和团队合作精神。

2. 课程设计内容及进度安排2.1 课程设计内容本课程设计内容主要包括以下两个模块：1.集散控制系统设计；2.现场总线的应用与设计。

2.2 进度安排模块名称安排时间安排内容集散控制系统设计第1周-第3周1. 集散控制系统结构及组成；2. 数据通信及控制策略；3. PLC程序设计及调试。

现场总线的应用与设计第4周-第6周1. 现场总线标准及通信协议；2. 现场总线搭建及通信测试；3. 现场总线应用案例分析。

3. 课程设计具体方案3.1 集散控制系统设计1.学生分组，每组4人，每人分工明确；2.每组选定一项可实施的课程设计方案并报备给指导老师；3.对所选课程设计方案进行分析、设计、编程及调试；4.测试所设计的集散控制系统，确保其能够实现设计要求；5.撰写课程设计报告。

3.2 现场总线的应用与设计1.学生重新分组，每组4人；2.每组选定一项可实施的现场总线应用案例并报备给指导老师；3.对所选案例进行现场总线设计、组态及调试；4.测试所设计的现场总线，确保其能够实现设计要求；5.撰写课程设计报告。

4. 课程设计评分标准评分项目分值设计报告撰写20分PLC程序设计及调试40分集散控制系统设计及调试20分现场总线搭建及组态10分现场总线传输效果测试及应用案例分析10分团队协作及表现20分总分120分5. 总结本课程设计通过对集散控制系统和现场总线的学习和实践，提高了学生的实践操作能力、解决问题的能力和团队合作精神。

学生不仅动手实践了，而且在整个设计过程中通过对理论知识的应用提高了对理论的理解能力，有助于提高学生的实际应用能力。

《集散控制系统及现场总线技术》教学大纲课程名称：集散控制系统及现场总线技术（Distribution Control System and Field Bus Technology）课程编码：1502ZY028 课程类别：专业选修学分：2 分总学时：32 学时，其中，理论学时：22 学时；实验学时：10 学时适用专业：自动化、自动化产业班先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、过程控制系统及装置杨三青周永乾一、课程性质《集散控制系统及现场总线技术》是自动化专业的一门专业选修课。

本课程介绍集散控制系统及现场总线的基本概念、特点及发展情况；详细阐明了系统构成、数据通信、控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理及应用。

旨在培养从事工业企业集散控制系统及现场总线的生产、建设、管理、维护第一线需要的有理论、重实践的高技能型人才，使学生获得集散控制系统及现场总线的基本知识和实际应用能力，为今后从事职场工作打下坚实基础。

二、课程目标（一）育人目标紧紧围绕坚定学生理想信念，以爱党、爱国、爱社会主义、爱人民、爱集体为主线，将育人要素嵌入到集散控制系统及现场总线技术课堂教学中。

通过积极培育和践行社会主义核心价值观，运用马克思主义哲学的方法论，引导学生正确做人和做事；注重在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力；注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

让学生成为德才兼备、又红又专、全面发展的人才。

（二）知识和能力目标1.了解集散控制系统及现场总线的基本概念，体系结构，各种信号传输标准（支撑毕业要求2.1）2.掌握集散控制系统及现场总线硬件组成、数据通信，网络架构，熟悉各种通信协议。

（支撑毕业要求2.1）3.掌握集散控制系统及现场总线软件组成，了解各种控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理等技术。

浅析profibus现场总线的应用计算机技术, 网络技术和数字通信技术的迅速发展引起了工业自动控制系统结构的巨大变化。

Profibus作为一种由智能化设备组成的计算机网络，近年来，凭借其独特的优势已成为自动控制领域研究的热点，应用于众多领域。

在我国冶金工艺中，profibus现场总线主要应用在炼焦配煤优化系统、焦炉加热计算机控制及管理系统、烧结过程智能控制管理系统、烧结终点判断与智能控制系统、炼铁优化专家系统、高炉人工智能系统中，通过对这些子系统的控制，确保了整个冶金工作的自动化流程的实现。

1Profibus现场总线简介随着自动化工业发展，总线分布式机械臂控制系统在工业生产得到了广泛的应用，随着机器人自动化程度的提高，控制技术逐步增大，在工业生产环节的机械臂操作需要多个机械臂的相互协调工作，操作之间的机械需要总线控制，采用机器人实现流水工作，可以有效解决生产精密设备的工作，总线控制技术在工业控制中得到广泛应用，网络通信与信息管理在机器人工业控制中得到了应用，将分散测控设备组合成变成网络节点，融合成总线通信网络，实现设备之间的有效沟通信息、完成自控工作的网络系统与控制系统，CAN总线分布式机械臂控制是一种有效的实时控制，串行通信网络，具有性能搞、可靠强、实时交互便利的特点，被广泛用于控制系统中机械设备之间的数据通信与自动化仪器控制，主要考虑将高速实时处理与分布式工业控制领域中的高可靠性相结合。

PR0FIBUS现场总线是以开放式系统互联网络作为参考模型，采用的是德国国家标准DIN19245和欧洲EN50170现场总线标准，定义了物理传输特性、总线取协议和应用功能的一种计算机网络系统，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、和PROFIBUS-FMS三个兼容部分组成。

Profibus-DP是一种高速低成本通信, 用于设备级控制系统与分散的I/O形式的通信；Profibus-PA是专为过程控制自动化设计的, 将传感器和执行机构接到一根总线上, 并具有本质安全规范，Profibus-FMS是具有令牌结构的监控网络、具有实时多主的特征。

现场总线技术是当今自动化技术研究的热点之一，它应用于工业现场可以在微机集控设备之间实现双向串行多节点数字通讯．它把单个分散的被控设备作为网络节点，以现场总线为纽带，把所有被控设备连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统，具有分散控制、系统结构简单、节约硬件设备、易于安装维护等优点。

随着计算机技术的快速发展，计算机数据采集系统在工业生产中迅速地得到应用。

计算机数据采集是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题，是以传感信号的测量与处理，以微型计算机为基础形成的一门综合性技术．其任务是对生产现场各种参数进行采集，然后送人计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。

与此同时，将计算得到的数据按要求进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测。

数据采集系统一般需要长时间、高速度地进行数据采集，将会产生大量的数据，需要组织、存储、处理数据，并对生产进行有效的监控，提高生产效率。

1．1 CAN总线及其上层协议CAN是Controller Area Network的缩写，是唯一经ISO标准化的串行通讯协议(ISO1898)，最初是德国BOSCH公司为解决汽车内部大量控制测试仪器与传感器、执行机构之间数据交换的问题而提出，由于其抗干扰能力强、能在复杂工业环境下稳定工作的特点，CAN总线正逐渐渗透到工业控制、自动化仪表、医疗器械、建筑楼宇自动化等各领域，成为国际上应用最为广泛的现场总线之一。

1．1．1CAN总线的特点1)多主控制通信方式，总线空闲时任何节点均可发送消息。

2)非破坏性总线仲裁技术。

当多个节点同时向总线发送信息时，仲裁失利的节点会主动退出发送，仲裁胜利的节点可不受影响地继续传输数据。

3)系统柔软性好。

与总线相连的单元没有类似“地址”的信息，因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。

4)通过报文滤波，CAN总线可以实现点对点。

第一章可编程控制器简介随着微处理器，计算机的和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。

当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器,基于PC总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。

可编程控制器是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年来，在国内已得到迅速推广普及。

正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。

可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。

其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。

根据实际应用对象，将控制内容写入控制器的用户程序内，控制器和被控对象连接也很方便。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。

另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。

由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。

可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。

集散控制系统及现场总线第二版教学设计1. 课程介绍本课程将介绍现代工业控制系统中集散控制系统和现场总线的基本概念、原理和应用。

集散控制系统是指在相对集中的控制中心，采用分布式控制器以及各种通信网络和总线技术，完成对生产过程中各子系统的监控、指令下达和数据交换等功能。

现场总线是一种在现场设备之间建立通信和控制的标准化技术，它能够实现现场设备的智能化、控制命令的快速响应并提高工业过程的自动化程度。

本课程内容包括集散控制系统、现场总线基本概念和原理，分布式控制器、通信网络、总线技术的原理和应用，以及实际应用案例等内容。

2. 教学目标1.理解集散控制系统和现场总线的基本概念和原理；2.掌握分布式控制器的工作原理和应用；3.熟悉各种通信网络和总线技术的原理和应用；4.能够应用集散控制系统和现场总线技术解决实际问题；5.掌握系统调试和故障诊断技能。

3. 教学内容3.1 集散控制系统基础1.集散控制系统概述；2.分布式控制器的基本原理和体系结构；3.系统设计和调试流程。

3.2 现场总线基础1.现场总线概述；2.现场总线标准和应用；3.常见现场总线技术介绍。

3.3 通信网络和总线技术1.串行通信协议；2.Ethernet通信原理；3.CAN总线技术；4.Profibus总线技术。

3.4 实际应用案例1.管道乳化装置应用案例；2.自动化生产线应用案例。

3.5 系统调试和故障诊断1.系统调试方法和技巧；2.常见故障分析和故障排除方法；3.现场调试案例。

4. 教学方法本课程采用理论讲解、案例分析和实验教学相结合的教学方法，其中实验教学占总学时的20%。

学生需要在实验室完成以下实验：1.分布式控制器配置与调试实验；2.现场总线连接与调试实验；3.串口通信实验；4.Ethernet通信实验。

5. 考核方式本课程考核采用期中、期末考试和实验成绩综合评定的方式，其中实验成绩占总成绩的30%。

6. 教材•《集散控制系统及现场总线》第二版，于树成，机械工业出版社；•《现场总线技术与应用》第二版，赵博主编，电子工业出版社。