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现场总线控制系统及应用

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２ ０ １ ３年第 １ 期 总第 ３ ７期
重 工 与 起 重 技 术
ＨＥＡＶＹ Ｉ ＮＤＵＳ Ｉ Ｒ１ ＡＬ ＆ Ｈ０ Ｉ Ｓ ｎＮＧ ＭＡ ＣＨＩ ＮＥＲＹ
Ｎ０ ． １ ２ ０１ ３
Ｓｅ ｎ ａ Ｉ Ｎｏ ． ３ ７
现 场 总 线 控 制 系 统 及 应 用
工业控制发展的必然趋 势 ， 将逐步取代传统的 Ｐ Ｌ Ｃ点对点接
线 的控 制方 法 。
关键词 ： 自动化 ； 现场总线 ， 协议； 网络
１ 前言
现 场总 线是 一 种 串行 的数 字 数据 通 讯链 路 ， 它
实 现 了生产 过程 领 域 的基 本控 制设备 （ 即现 场级 设
备） 之间以及更高层次 自动控制领域的 自动化控制 设备 （ 即车间级 设备 ） 之 间 的沟通 联系 。八 十年 代 中 期 发 展 起 来 的现 场 总 线控 制 系统 经历 了 十几 年 的
时间， 已经被 广 泛应 用于 机 械 、 造纸、 纺织 、 烟草、 汽 车、 石 油 化工 、 电力 及楼 宇 自控等 各个 控制 领域 。
子块安装在 Ｄ Ｉ Ｎ导轨上 ， 并连接着一个总线耦合器 （ 即连接总线的网关） 。 该节点为开放式结构 ， 防护等
级为 Ｉ Ｐ ２ ０ ， 必 须安 装在机 箱 中。端 子 式输入／ 输 出系 统 包 含 多种开 关 量与模 拟 量输 入／ 输 出模 块 ， 串行 通
大连 华锐 重工焦 炉 车辆设 备有 限 公 司
摘 要： 现场总线控制技术 由于其巨大的技术优势 ， 被认为是
薛世 文
电源 是 网络上每 个 节点 传输 和接 收信 息所必 须 的。输人通 道与 内部芯 片通常 采用 同一个 电源 ， 即总 线 电源 。输 出通道使用 独立 电源 ， 称为辅 助 电源 。 图 １中第 一个节 点为 ８通道 的输入 节点 。最 常 用 的输 人 类 型是 ２ ４ Ｖ直 流 的 ２线 、 ３线 传感 器 或 机 械触点。 该节 点为 Ｉ Ｐ ６ ７的 防护等 级 ， 具有 防水 、 防尘 及 抗 振动 等特 性 ， 适合 直 接安装 在 现场 。 另一 个节 点 是端 子式 节 点 ， 独 立 的 输入， 输 出端
讯、 高 速 计数 与 监控模 块 。端 子 式输 入， 输 出系统 可
独 立 或结合 使 用 。
２ 结 构 及 其 特 点
现 场 总 线控 制 系统 主 要 包 括 一 些实 际应 用 的 设备 ， 如Ｐ Ｌ Ｃ 、 扫描器 、 电源 、 输入 输 出站 及 终 端 电 阻等 。其它 系统 也 可 以包 括变 频器 、 调速 装 置及 人 机界 面 等 ， 实例 如 图 １ 所示。
主控 器可 以是 Ｐ 管理 和 控制 。 总 线接 口有 时 可 以称 为 扫描 器 ， 可 以是 分 别 的
卡件 ， 也可以集成在 Ｐ Ｌ Ｃ中。总线接 口 作为网络管 理器 和作 为主 控器 到 总线 的 网 关 ， 管理 来 自总 线节
的最 后部 分是 终端 电阻。 在 一些 总 线系统 中 ， 终端 电 阻只 是连 接到 两数 据线 的简 单 电阻 ，用来 吸收 网络 信号 传 输过程 中的剩余 能量 。 由图 １可 以看 出 ， 与传 统 Ｐ Ｌ Ｃ点 对 点 的控 制方 法相 比 ， 现场 总 线控制 系统 具有 以下特点 ：
节点地 址 ３是一 个 输 出站 。 连 接一个 辅助 电源 ， 该 电源用于 驱 动 电磁 阀和 其它 电器 设备 。将 辅助 电
器 与总 线 电源分 开 可 大 幅度 降 低 总 线 信 号 中的 噪
音。 此外 ， 大部 分总 线节 点可 以诊 断 出 电器 设备 中的
短 路状 态 并报 告给主 控器 ，即使 发生短 路 也不 会影
抗干扰 能力 。 系统性 能大 幅度提高 的 同时提升 了控 制系 统 的档 次 。许多 总线在 通讯 介质 、 信 息检验 、 信 息 纠错 及重 复地 址 检 测等方 面 均 有严 格 规定 ， 从 而
响整 个系 统 的通讯 。 节点地 址 ４连接 一个 带有 总 线通讯 接 口的智 能 型光 电传 感器 ， 因此 ， 普 通传感 器 等现 场装置 可通 过 输入 输 出模 块 连接 到现场 总 线系统 工程 中，也可 以 单独 装入 总 线通讯 接 口， 连接 到总 线 系统 中。
一
１ ３—
重 工与 起重技术
ＨＥＡＶＹ Ｉ ＮＤＵＳ Ｔ ＲＩ ＡＬ＆ ＨＯＩ Ｓ Ｔ Ｉ ＮＧ ＭＡＣ ＨＩ ＮＥＲＹ
繁 琐 的原 理 图及 布 线 图 ； 快速 、 简便 安 装 标 准 接 插
３ Ｉ ２ 总线 拓扑 结构
件， 减少人力 、 物力 ； 强大的故障诊断能力简化 了系 统的调 试和 维护 。 （ ２ ） 可靠的数据传输 ， 快速的数据响应 ， 强大的
总线电缆和终端电阻。总线电缆通常分为主干
缆和 分支 电缆 。各 种总 线协 议对 于总 线 电缆 的长度
通讯与 输 入
供 电电 菲
均有 所规 定 ，不 同的通 讯波 特率对 应 不 同的总 线 电 缆长 度 。同时 ， 分 支 电缆长 度也 是有 所 限制 的。网络
图 １ 现 场 总 线 控 制 系 统 实 例
点的信息报告 ， 并且转换为主控器能够读懂的某种 数据格式传送到主控器 。 总线接 口的缺省地址通常
设 为“ ０ ” 。
（ １ ） 具有较高 的性价 比。系统综合成本及安装 费用 减少 ４ ０ ％。导线 和连 接 附件 由原来 的几 百根 甚 至 几千 根减少 到 一根 ，从 而相 应减少 接 线端 子及 电 缆桥 架 等 附件 。设计 、 安装 、 调 试及 维护费 用 大幅 度 地 减少 ， 维 护和 改 造 的停 工时 间减 少 ６ ０ ％。 简化 了

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现场总线控制系统现状及在网络通信中的应用

现场总线控制系统现状及在网络通信中的应用


ＴＣ ／Ｐ 现场总线 Ｆ Ｐ Ｉ ＣＳ Ａ、 开放性 、 标准 化 ： 系统软件与控 制器硬件不在维持 捆绑 关系 ， 专 业 自动化软件 厂家可 以独 立开发不 依赖于控 制器 品牌 的 Ｆ Ｓ系统软 Ｃ 件 。基于 Ｗｉｄｗ ／Ｔ的操作系统平 台， ｎｏｓ Ｎ 具有大量 的标准 的软件工具和 数据文件格 式可以兼容 。 Ｂ、 价格 ： 通用 的工业 Ｐ Ｃ容易形 成规模 经营 ， 因此 ， 价格 比 Ｐ Ｃ便 Ｌ
宜。
现场 总线控制 系统 （ Ｃ ） Ｆ Ｓ 是顺应智能现场仪表而发展起来 的， 目 是 前 自动化技 术中的一个热点， 正受到 国内外 自动化设备制造商与用户越 来越强烈 的关注 。它 的初衷是 用数字通讯 代替 ４ ０ —２ ｍＡ模 拟传输技 术 ， 随着现场 总线技术与智 能仪表管控 ～体化 （ 但 仪表调校 、 控制组态 、 诊断、 报警 、 记录 ） 的发展 ， 在控制领域 内引起了一场前所 未有 的革命 。 现场总线控 制系统用现 场总线这一开放 的、具有可互操作 的网络将现 场各控制器 及仪表设备互连 ， 构成现场 总线 控制系统， 同时控 制功能彻
底下放到 现场， 了安装 成本和维护 费用。因此， 降低 其实质 是一种开放 的 、 有可互操作性 的、 具 彻底分散 的分 布式控制系统 ， 望成为 ２ 世纪 有 １
控 制 系统 的 主流 产 品 。
现场 总线技术 的一个 显著特点是其开放性 ，允许并鼓励不 同厂家 按照现场 总线技术标准 ， 自主开发具有特点及专有技术的产品。 依照现 场总线技术 规范 ， 同厂家产品可以方便完成组态与集成 ， 不 构成面 向行 业、 适合行业特点 的 自主控制系统 。 这一特点为更多的 自动化产 品制造 商 自主开发并推 出 自 主知识产权 的 自动化系统提供 了可能 。也为 自 动 化系统集 成商开发 面 向行业 应用 的成套 技术和 自动化 系统提供 了机 会。 现场总线技术 以其先进性 、 用性 、 实 可靠性 、 开放性 的优点 ， 必然成 为未来 自动化技术发展 的主流 。基于现场总线技术 的控制系统（ ｉ ｄ Ｆｅ— ｌ ｂ ｓ ｏｔｌｙｅ —Ｃ ） ｕ Ｃ ｎ ｏ Ｓｓ ｍ Ｆ Ｓ 与人们预想 的一样 ， ｒ ｔ 对传统 的 Ｐ Ｃ Ｄ Ｓ Ｌ 、 Ｃ 系统形 成了巨大的冲击 。Ｆ Ｓ已不再是 一种 预测 、 Ｃ 一种设想 ， 而是实实在在 的 作 为先进控 制系统产 品出现在市场上 。本文将描述传统 Ｐ Ｃ控制系统 Ｌ 向基 于现 场总线控 制系统的演变过程 ， 以现场总线 Ｐ Ｏ Ｉ Ｕ Ｒ ＦＢ Ｓ为背景 ， 描述一个基 于现场 总线控制系统 的结构组成 ， 并分析系统 的市场前景 。 １现 场 总 线 及 现 场 总 线 控 制 系 统 ． １１ 场 总 线 的概 念 ．现 现场 总线技术 的一个 显著特点是其开放性 ，允许并鼓励不 同厂 家 按照现场总线技术标准 ， 自主开发具有特 点及专有技术的产品 。因此 ， 现场 总线技术引入 自动化控制 系统 ， 促使 传统控制系统结构演化 ， 逐步 形成基于现场总线 的控制 系统 Ｆ Ｓ Ｃ。 现场 总线是将 自动化 最底层 的现场控制器和现场智能仪表设备互 连的实时控制通讯 网络 ，遵循 ＩＯ的 Ｏ Ｉ Ｓ Ｓ 开放系统互连参考模型 的全 部 或部分通讯协议 。Ｆ Ｓ则是用 开放 的现场总线控制通讯网络将 自动 Ｃ 化 最底层 的现场控 制器 和现场智 能仪表设 备互 连的实 时网络控 制系 统。 １２现场 总线与局域 网的区别 ． 在传 统控制系统 中， 控制 器（ 或称 Ｃ Ｕ、 Ｐ 处理器 ） Ｉ 与 ／ ０模块及其它 功能模块 、 机架 为同一 系列 产品 ， 有一致的物理结构设计 。典型 的结构 是Ｉ ／ Ｏ模块及其它功能模块通过机架背板上的总线（ 公司设计产 品而 自 定 义 总线 ） 接 。机 架 扩 展 也 是 自定 义 总 线 的 扩 展 。这 些产 品 的连 接 技 连 术都是封 闭的， 第三方要想开发兼容产品必须得到厂家允许 。 基于现场总线 的控 制系统 中 ， 控制器与现场设备 （ ｏ模块 、 ｉ ／ 功能模 块及传感器 、 变送器 、 驱动器等 ） 连接 是通 过标准的现场总线 ， 因此没有 必要使用 与控制器捆绑 的 Ｉ ／ Ｏ模块产品（ 这与插在 Ｐ Ｃ机架上 的 Ｉ Ｌ ／ ０模 块 的配置方法不 同）可使 用任何 一家的具有现场总线接 口的现场设备 ， 与控 制器集成 。 因此控制器趋 向于采用标准的 、 通用的硬件平 台——工 业计算机（ｎ ｕｔａＣ ｍ ａｔ ｏ ｕｅ）如 Ｉｔｌ ｎ ｏ 类 Ｐ Ｉｄ ｓ ｉ ｏ ｐ ｃＣ ｍｐ ｔ ， ｎｅＷｉｄｗｓ ｒｌ ｒ ／ Ｃ机 。 近年 来嵌 入式控制器 （ Ｐ ／０ 如 Ｃ １４产 品） 的发展和 ＷＩ Ｄ ＷＳ Ｃ Ｎ Ｏ — Ｅ的推出 ， 使 用嵌 入式控制器硬件和 ＷＩ Ｄ ＷＳ Ｃ Ｎ Ｏ — Ｅ软件作为控制器平台。 采用 通 用 的工 业 Ｐ Ｃ做 控 制 系统 控 制 器 优 点 如 下 ：
浅谈现场总线控制系统

浅谈现场总线控制系统

浅谈现场总线控制系统现场总线控制系统，是一种广泛应用于各种自动控制系统中的控制技术。

它以现场总线作为通信介质，实现了各种传感器、执行器和控制器之间的相互通信和协调，从而实现了自动化控制系统的高效运行。

现场总线控制系统已经成为工业控制领域中一种重要的控制技术，被广泛应用于工业生产、能源管理、楼宇自动化等领域。

本文将从现场总线控制系统的基本原理、特点和应用领域等方面进行浅谈。

一、现场总线控制系统的基本原理现场总线控制系统是一种基于数字通信技术的控制技术，它以现场总线作为通信介质，将各种传感器、执行器和控制器连接在一起，通过总线通信来实现各种设备之间的数据交换和控制指令传输。

现场总线控制系统主要包括以下几个组成部分：1. 传感器和执行器：传感器用于采集各种环境参数和工艺数据，执行器用于控制各种执行元件的运行状态。

传感器和执行器是现场总线控制系统的“眼睛”和“手”，通过它们可以实现对系统各种状态的监测和控制。

2. 控制器：控制器是现场总线控制系统的核心部件，它通过采集传感器的数据和执行器的状态信息，实现对系统的自动控制。

控制器通常包括微处理器、控制算法和通信接口等部分，用于实现对系统的实时监测和控制。

通过以上部件的相互配合和协调运作，现场总线控制系统可以实现对各种设备的实时监测和控制，从而实现了自动化控制系统的高效运行。

现场总线控制系统具有以下几个显著的特点：1. 技术先进：现场总线控制系统采用了数字通信技术和计算机控制技术，具有高速传输、高精度控制和高可靠性的特点，能够满足各种复杂控制系统的需求。

2. 灵活性强：现场总线控制系统采用了分布式控制架构，能够实现多个设备之间的并行通信和协调运行，具有较强的通用性和灵活性。

3. 维护方便：现场总线控制系统的各个部件之间通过总线连接，维护和检修方便快捷，能够大大降低系统的维护成本。

4. 数据丰富：现场总线控制系统能够实现对各种传感器和执行器的数据采集和控制，能够提供丰富的数据支持，为系统的监测和控制提供了有力的支持。

现场总线技术及控制系统应用与集成

现场总线技术及控制系统应用与集成

现场总线技术及控制系统应用与集成张劲松[文章摘要]本文介绍了现场总线的概念，说明了现场控制系统FCS作为新一代网络集成式全分布控制系统的特点及其优势，从应用的角度分析了现场总线的技术特点，针对应用现场总线的一些问题进行了探讨。

并介绍了如何实现DCS与FCS 的网络集成问题。

[关键词] 现场总线、现场控制系统、网络集成、现场总线应用概述：随着控制、计算机、通信、网络、信息等技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。

现场总线的出现标志着工业控制技术领域新时代的开始。

现场总线是90年代初期兴起的一种先进工业控制技术，和DCS相比是一种全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统；是计算机技术，通信技术和控制技术的综合与集成;它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，它将传统的DCS三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪表”，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。

目前各类现场总线产品有40多种，本文将从应用的角度出发，对现场总线系统进行分析之后，针对应用现场总线系统时工程中关心的有关问题开展讨论，介绍了如何实现DCS与FCS 的网络集成问题。

集中式于现场总线用全数字的双向通信代替了传统4-20mA模拟信号，将点对点接线方式改用一根通信电缆同时连接多台设备，并且还能通过总线对设备供电。

因此现场总线能够极大地简化布线和降低初装成本。

现场总线使现场级的控制得到加强，实现控制功能的彻底分散。

它通过一套标准的通信协议，将现场设备和控制系统完善地结合在一起，以一种现场设备和控制系统都能理解和运用的数字化语言，进行良好的信息沟通，进而实现设备之间的相互操作。

2、现场总线构造了网络集成式全分布控制系统现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型网络集成式全分布控制系统FCS。

现场总线技术及其应用

现场总线技术及其应用

➢ 1987年，美国暖通空调工程师协会组织（ASHARE） 的标准项目委员会调集了全球20多位业内著名专家， 经过8年半时间，在1995年6月，ASHARE正式通过全 球首个楼宇自控行业通讯标准——BACnet 。
➢ BACnet标准的目的是——为计算机控制暖通空调 和制冷系统及其他系统规定通信服务和协议，从而 使不同厂家的产品可以在同一个系统内协调工作。
2. 树形方式
几个现场仪表，一般按地理区域进行集中，接 到一根“局部运行” 的现场总线上，然后再引到 控制室中去。
3. 带桥方式
接到低速总线H1上的现场设备，通过“桥”和 多路转换器合并接到高速总线H2上，然后再接到控 制室中去。
10
3.1.5 现场总线的通信模型
➢
现场总线网络互连模型既参照ISO／OSI模
1.节省硬件数量与投资 2.节省安装费用 3.节省维护开销
6
4．系统具有优异的远程监控功能和强大的 （远程）故障诊断功能
5．用户具有高度的系统集成主动权 6．现场设备更换和系统扩展更为方便 7．提高系统的准确性与可靠性 8．易于系统调整 9．为企业信息系统的构建创造了重要条件
7
3.1.4 现场总线技术的网络结构
应用层
2
表达层
3
会话层
4
传输层
5
网络层
6 数据链路层
7
物理层
图3.2 ISO/OSI模型
7
应用层
6
5Байду номын сангаас
4
3
总线访问子层
2
数据链路层
1
物理层
图3.3 典型的现场总线协议模型
12
➢ 典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用 OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层 和应用层，在省去3～6层后，考虑到现场总线的 通讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有 结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也 满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型 的相应层次相比，现场总线标准的物理层、数据 链路层与其有相同的含义。从总线访问子层看， 现场总线有很大特色。