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现场总线控制系统设计方案

现场总线控制系统设计方案1．现场总线控制系统的组成与认识一、系统简介THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议，在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代现场总线控制系统。

整个实验装置分为控制系统和控制对象两部分，控制系统结构图如图1-1所示：图1-1 控制系统结构图控制对象总貌图如图1-2所示。

二、系统组成实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、纯滞后盘管等组成。

在实验屏的下面布置有储水箱和两套供水系统。

两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用现场总线仪表，副回路采用常规仪表。

主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。

管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。

在调节阀的旁路设计有旁路阀。

图1-2 控制对象总貌图1.被控对象（1）水箱包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。

有机玻璃工作水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

除此之外，储水箱还设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水泵的使用寿命。

(2) 加温锅炉及盘管不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。

模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时间常数，设计长度达20多米，管径为15mm。

2.检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

第十三章现场总线控制系统的施工与设计讲解

第十三章现场总线控制系统的工
程设计和实施
《分散控制系统与现场总线控制系统》课件
概述
由于现场总线是一种数字化的、双向传输的、多分支结构的通信网络，因此现场总线控制系统的工程设计和实施与传统的4~20mA现场设备有很大的区别。在一条现场总线上挂接着许多现场设备，这些现场设备的互连方式可能有多种不同的选择。现场总线上传输的是具有一定带宽的数字信号，因此对传输线的电气特性就会有一些特殊的要求。另外，现场总线装置是通过总线供电的，需要考虑如何避免电源对数字信号传输所造成的影响。其它像本质安全、接地与屏蔽等问题也具有一定的特殊性。
现场总线网段设计
布线设计
现场总线设备布线技术
如果现场总线段是I类1分区的本质安全设计， I 类2分区的非易燃电路设计，或者在一般分区内，那么用户可以考虑使用设备连接器。
连接器可以大大减少总线短路的机会、便于维修、便于接入和拆除现场总线设备、可以减少潜在的不正确接线、可以在不影响该段其他设备运行的前提下断开某一设备、减少了安装时间和成本、易于在该段中增加新设备等。
现场总线的工程设计
接地与防雷系统设计
防雷系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由于现场总线上传输的是低电平的数字信号，他们与其相关的微处理器等电子线路很容易遭受浪涌信号的冲击而损坏。例如，雷电可能产生数百kV的高压。
现场总线系统最常见的保护范围是段，因为段的破坏会导致大量的控制或检测信号丢失。一般来说，当干线电缆的水平敷设距离超过50m，垂直距离超过10m，传感器或变送器位于塔、杆、烟囱或管道上，都应考虑浪涌保护问题。
段设计的约束条件
电压降
根据基金会现场总线技术规范，现场设备在正常运行时必须能得到9至32伏的直流电压。

“现场总线控制系统”文件文集

“现场总线控制系统”文件文集目录一、基于ModBus的现场总线控制系统研究与设计二、现场总线控制系统三、基于CAN和ModbusTCP的现场总线控制系统研发四、基于PROFIBUS现场总线控制系统的研究与应用五、火电厂现场总线控制系统的成功应用六、现场总线控制系统基于ModBus的现场总线控制系统研究与设计随着工业自动化水平的不断提高，现场总线控制系统已成为现代化生产过程中不可或缺的一部分。

ModBus作为一种常见的通信协议，在现场总线控制系统中得到了广泛应用。

本文将针对基于ModBus的现场总线控制系统进行深入研究与设计，旨在提高系统的通信效率和稳定性。

本文将主要研究基于ModBus的现场总线控制系统的协议格式、数据类型及实际应用案例。

通过对ModBus协议的深入理解，结合具体案例分析，本文将探讨如何优化基于ModBus的现场总线控制系统，以提高系统的通信效率和稳定性。

ModBus是一种串行通信协议，被广泛应用于工业自动化领域。

它定义了一种数字通信方式，使得不同设备之间能够进行可靠的数据传输。

ModBus协议包括ASCII、RTU和TCP三种格式，其中最常用的是RTU格式。

在ModBus协议中，数据类型主要有以下几种：离散输入：表示数字量输入，可以是开关状态或报警状态等；输入寄存器：表示模拟量输入，如温度、压力等；保持寄存器：用于存储重要的数据，掉电后数据不丢失；部分二：基于ModBus的现场总线控制系统设计案例本部分将通过实际案例来说明如何设计基于ModBus的现场总线控制系统。

以下是设计要点和注意事项：明确控制需求：在系统设计之初，需要明确现场设备的控制需求，包括设备数量、通信距离、数据传输速率等。

选择合适的ModBus协议：根据控制需求，选择适合的ModBus协议格式，如RTU、ASCII等。

同时，要确定使用的数据类型，以便于更好地满足实际需求。

硬件选型：根据控制系统的要求，选择合适的ModBus设备，如ModBus 从站、主站等，并确定设备的接口类型和通信方式。

现场总线控制系统第2章

） • 每段32个站（无中继器）或127个站（带中继器） • 采用9针D型插头连接器
现场总线控制系统
2.5 PROFIBUS总线
RS-485总线段的结构
现场总线控制系统
2.5 PROFIBUS总线
传输序列 • 半双工、异步、无间隙同步 • NRZ（不归零）编码 • 1个字符祯 = 1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位、1个停止位 • 二进制 “1” 对应于RXD/TXD-P线上的正电位，而在RXD/TXD-N
现场总线控制系统
2.5 PROFIBUS总线
最成功的现场总线到目前为止，超过50万个PROFIBUS网络，近 1600万个各种PROFIBUS设备稳定运行在工业现场； 250多个制造和供应商提供2000多种PROFIBUS产品。同时，PROFIBUS形成了世界范围内的支持网络，1989年在德国成立了PROFIBUS用户组织（PNO），目前在23个国家有地区性的RPAs （Regional PROFIBUS Associations），在15个国家有近30个PCCs（PROFIBUS Competency Centres），所有这些机构都可以为广大的用户提供技术培训、咨询和交流等方面的技术支持。
按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主 —从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播,或有选择地向一组站点广播。
现场总线控制系统
2.5 PROFIBUS总线
用一根串行的数字总线替代传统的并行24V 信号
现场设备现场设备现场设备现场设备
树型结构现场总线控制系统
2.5 PROFIBUS总线
现场总线控制系统

!! 现场总线系统的设计与实现

黑龙江石油化工!""!年第#$卷!!现场总线系统"#$%&’()*()的设计与实现陈晶%大庆石化总厂计算机开发公司&大庆#’$(#)*摘要给出了一种++现场总线中,-./0123423的实现。

通过针对不同现场总线开发出不同的,-.服务器实现标准的,-.接口，上位的软件作为,-.的客户就可以使用,-.的标准接口实现的不同的现场总线的访问，从而方便的实现对系统的扩充。

关键词!!现场总线$"+,%$"+技术"#$技术-前言现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，是一种新型的自动化系统。

现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统，即：现场总线控制系统+.1（+56789:; .<=>?<71@;>6A）。

一个典型的++现场总线以上位机为中心的系统框架见图#。

图#系统框架++,-./B16?C6?作为-.机中各个.756=>程序和现场设备通信的代理，向下通过++用户层接口程序与++通信卡通信，向上按照,-.规范提供,-.接口，以方便.756=>;的访问。

.756=>应用程序包括设备管理、监控、组态程序。

这三个应用程序作为客户程序，都应实现一个,-.客户端对象，负责服务器的创建、初始化、以及标准接口的调用。

.!!现场总线中的"#$技术及其接口的提出,-.可以实现不同制造商的部件的集成。

把这些由制造商提供的驱动或服务程序与应用程序联系起来。

如果没有统一的规范与标准，就必须在数据提供者和使用者之间分别建立一对一的驱动链接。

一个数据源可能要为多个客户提供数据，一个客户又可能需要从多处获取数据，因而逐一开发驱动或服务程序的工作量很大。

在,-.方案中，总是包括有,-.服务器与,-.客户。

,-.服务器一般并不知道它的客户。

由,-.客户根据需要，接通或断开与,-.服务器的链接。

现场总线系统设计

统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在现场总线发展的
过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。
主要现场总线技术比较
总线类型 FF 技术特点主要应用场合价格
较贵一般
支持公司
Honeywell，Rosemount， ABB,Foxboro,横河,山武等
功能强大，本安，实时性好，总线供电；但流程控制协议复杂，实际应用少
典型现场总线简介

WorldFIP（World Factory Instrumentation Protocol）

WorldFIP基于FIP协议，其最初由法国于80年代开发，并成为法国国家标准和欧洲标准，有WorldFIP协会组织。
采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。具有单一的总线结构，可适应不同应用领域的需求。不同应用领域采用不同的总线速率，过程控制采用 31.25kpbs，制造业为1Mbps，驱动控制为1-5Mbps。主要应用在过程自动化、制造自动化、电力、铁路运输。
控制网络 vs. 信息网络
数据传输传输的及时性、响应的实时性完整性可靠性通信方式互操作性
控制网络 0.01~0.5s 恶劣环境也能保证可广播或组播必须解决
信息网络 2.0~6.0s （大部分甚至可忽略）非恶劣环境大部分是一对一一般要求
控制网络的技术特点

控制系统体系结构演变
控制系统体系结构演变

1、初级控制系统

20世纪50年代以前，由于工业生产规模较小，各类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内起作用（主要是显示功能），一般不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现场的巡检来了解生产过程的运行状况。

第九章现场总线控制系统

世界上已出现各式各样的现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种。
国际标准化组织ISO，IEC也加入现场总线标准的制定工作。最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO1198标准。但IEC/TC65主持的制定现场总线标准的工作经历了20多年的坎坷。它于1984年就开始着手总线标准的制定，初衷是致力于推出世界上单一的现场总线标准。
几种典型的现场总线
PROFIBUS
PROFIBUS-DP和FMS均采用RS-485作为物理层的连接接口。连接简单，总线允许增加和减少接点，分步投入不会影响其他节点的操作。
PROFIBUS-DP 和 FMS 传输速率可在 9.6Kbps~12Mbps选择，但挂接在同一网段上的所有设备需要选用同一传输速度。信号传输距离的最大长度取决于传输速度。如选用最高速率 12Mbps时，最大通信距离不超过 100m，选用 9.6Kbps时，最大通信距离为1200m。如果采用中继器可延长至10km。传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。
CAN总线上任一节点均可在任意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。CAN总线上的节点信息可按实时性要求分成不同的优先级。
几种典型的现场总线
CAN
CAN采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。一是先听再讲，二是当多个节点同时向总线发送报文引起冲突时，优先级低的节点主动退出发送，最高优先级的节点不受影响地继续传输数据，极大节省了总线仲裁时间。
几种典型的现场总线
CAN
CAN是控制局域网络（Control Area Network）的缩写，它是由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步发展应用于其他控制领域。CAN规范现已被国际标准化组织采纳，成为ISO11898标准。 CAN已成为工业数据通信的主流技术之一。

现场总线控制系统设计

确定通信网络模块设备
现场总线网络与控制设计
选用现场总线技术的原因
- 时代及技术进步的要求； - 彻底分散控制，提高系统的可靠性； - 提高整个系统的智能化水平； - 大幅度节约系统成本的要求。
系统设计—前期准备
1.总线选择
(1)现场总线的类型
根据具体的情况选择相应的现场总线；考查该现场总线的先进性；调研该现场总线的市场占有率；考查该现场总线的技术和服务。
1
保证系统实时性、多任务、和多回路
分布特性。
2
保证系统设备的互联、互操作和
互换性
考虑如:网络节点数、节点的位置分布、总线速率和传输能力。
考虑如:总线设备之间遵从的协议;考虑网络的升级和设备替换。
现场总线设计原则
现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的场合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。
监测节点设计
温室农作物主要受到环境中的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤湿度和PH值等因素的影响。通过传感器对这些参数因子进行定时测量，并通过主控制器内置的模拟信号处理电路对采集到的信号进行调整处理，由通信接口传输到上位机。
通信接口部分采用具有SPI接口的独立CAN控制器MCP2510 和收发器PCA82C251，实现与CAN总线的数据通信。
(2)冗余要求
对于有冗余要求的控制系统，应选择具有冗余功能的电源、主站、从站、耦合器、光缆等设备。
(3)本质安全要求 (4)系统实时性要求
系统设计—前期准备
2.系统控制点数确定
系统控制点主要类型包括：开关量输入点、输出点和模拟量输入点、输出点。更重要的是知道每个从站的控制点数。
3.主站选择
主站有三种： ①可以插入人工控机中的现场总线主站模块； ②集成有主站功能的大中型PLC; ③集成了主站功能和商用计算机功能的一体化嵌入式超小

现场总线控制系统设计

现场总线控制系统设计摘要：根据笔者开发项目现场总线系统的设计和试运经验,全面介绍了现场总线系统的设计原则和方法。

同时也介绍了与现场总线控制系统有关的术语和概念。

设计原则主要涉及系统的开放性、有效性、安全性、有效性与安全性平衡以及经济适用性等原则;设计方法包含了设计周期的两个部分———概念设计和详细设计。

详细设计主要涉及网络设计、设备选型、系统组态及文档创建等。

为同类系统的设计提供了可以借鉴的原则和方法。

关键词：现场总线控制系统;有效性;安全性;设计过程引言根据IEC61158标准定义:现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、低成本、开放性、互操作性、智能化等特点,在石油、石化等领域获得了成功的应用。

目前现场总线标准尚未统一,市场上主流产品有40种之多。

现场总线控制系统的工程设计是根据生产工艺特点从市场上选择一种符合生产要求的现场总线产品并根据设计原则构建现场总线控制系统。

笔者根据多年多套现场总线控制系统的设计、安装和试运经验,以苏丹穆格来得油田开发项目所使用的基金会现场总线系统为例,介绍现场总线控制系统的设计原则和设计方法,为现场总线控制系统的设计提供可以借鉴的经验。

1现场总线控制系统设计原则1.1有效性原则有效性是回路正常运行时间占总时间的百分比,其目的是尽量减少生产过程的损失。

获得高有效性的工程实现方法有分散、诊断和冗余。

分散包括网络分散、结构分散、设备物理位置分散、控制回路分散和有限停车等。

冗余要求控制器冗余、链路设备冗余、I/O卡件冗余、通信模件冗余、连接介质冗余、变送器冗余和电源冗余等。

除此之外,还有冗余分离、备份主设备等辅助备份技术。

系统诊断是指设计中对现场总线设备丰富的状态字节和判断能力的利用,从而迅速确定过程问题、故障设备；减少平均修复时间、系统错误停车；实现备份设备间的正确切换等。

现场总线控制系统设计

摘要基于现场总线的控制系统是热工控制系统的发展方向，目前基于现场总线的控制系统在电厂中还没有应用. 本文介绍了现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）的发展，以及FCS的结构及主要技术特点。

全面分析了CAN底层协议和应用层协议DeviceNet的技术特点、协议规范，根据现场对系统的要求，设计出一个基于CAN总线的控制系统，系统充分利用CAN总线的优点，具有较高的可靠性、良好的开放性和互换性。

并且针对这种系统存在的问题进行了分析并提出措施.ABSTRACTField bus control system is the development direction of the thermal control system, field bus control system in the power plant has not been applied. This paper introduces a fieldbus control system (FCS Field-bus Control System), as well as the structure and main technical features of FCS. CAN bottom of a comprehensive analysis of the application layer protocol agreement and the technical features DeviceNet, norm, the scene of the system requirements, design of a control system based on CAN bus, CAN bus system to take full advantage of the merits of improving the system reliability and openness. This system also analyzes the problems and proposed measures.前言一般把现场总线系统Fieldbus Control System，FCS）称为第五代控制系统。

计算机测控系统之现场总线控制技术PPT(39张)

3．系统的开放性
在现场总线控制系统中，将传感器测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备既可完成自动控制的基本功能，又可随时诊断设备的运行状态。废弃了集散控制系统的输入输出单元和控制站，把集散控制系统控制站的功能分散地分配到现场设备。
例如，通过采用现场总线技术，一个流量变送器不仅具有流量信号的变换、补偿和累加等功能，而且还有PID控制或其他高级控制的功能，也就是说，现场总线技术真正将信号的采集、处理、控制、驱动等功能放在了现场，用户可灵活选用
或增加额外投资。
7）具有综合功能
现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，也降低了成本。
8）可实现分散控制
由于控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表构成的控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
9）可实现统一组态
由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造厂家都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使组态过程变得非常简单、轻松，不会因为现场设备或仪表种类不同，而有新的组态方法。
2．PROFIBUS
过程现场总线PROFIBUS是德国标准。1991年在DINI9245 中公布了此标准。PROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的场合。其中，PROFIBUS-PA用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全，可用于危险防爆区域。PROFIBUS-FMS用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化领域。PROFIBUS-DP用于加工自动化。PROFIBUS的协议是开放的，可以由第三方来生产PROFIBUS的产品。PROFIBUS的传输速率为 9.6kb/s∽12Mb/s ，最大传输距离在 9.6kb/s 时为 1000m，1.5Mb/s时为200m。其传输介质为双绞线、光缆，最多可挂接127个站点。