现场总线控制系统设计与应用

工业以太网与现场总线技术及应用摘要：工业控制需要高速、廉价、易于集成的通信网络。

以太网就是这样的一种网络。

本文分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景,指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求,并给出了工业以太网应用实例。

关键词：现场总线控制系统以太网 FCS一引言随着计算机和网络技术的发展，以智能化仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把控制领域带入了一个新的时代。

它所倡导的全开放、全分散、互操作的思想，成了未来控制领域崭新的特点。

但是,目前的现场总线技术仍具有很大的局限性,在全开放、全分散控制等方面,仍存在许多需要解决的问题。

首先,在目前现场总线控制系统中,主要是低速现场总线,现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低,主要用于数据采集和控制信号的输出,并实现PDI控制等一些简单的控制算法。

复杂的控制功能,如预测控制、神经网络控制、系统优化等,仍需要在PC机或工作站上实现。

其次,由于现场总线位于整个系统的最底层,只是系统的一个组成部分,仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。

同时,目前已经出现了Profibus 、Foundation Fieldbus等几十种现场总线。

由于每种现场总线代表着不同厂商的利益,各大厂商进行了激烈的市场竞争,这些现场总线很难实现统一。

因为不同现场总线产品不能实现互操作,一旦用户选择某种现场总线,今后就会被局限于这种现场总线,再选择另一种现场总线,必须付出高昂的代价。

因此,在现场总线的迅速发展过程中，形成一个统一的协议却始终是一个争论的焦点。

为了解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统集成问题,人们开始逐步达成一个共识，即向以太网靠拢将成为今后现场总线发展的一个趋势。

二以太网进入现场总线以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。

它具有如下特点：(1)以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,它受到广泛的技术支持,因此容易获得控制领域生产厂家的认可。

现场总线技术的发展与应用摘要：现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统,近年来得到了迅猛的发展和应用。

为此本文阐述了现场总线的发展和多现场总线技术的应用。

关键字:现场总线自动化控制系统1 概述在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。

现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。

现场总线对自动化技术的影响意义深远。

当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。

因此,要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。

现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络,具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。

目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。

较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS 现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE总线等.自动化控制系统就是通信网络把众多的带有通信接口的控制设备、检测元件、执行器件与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理,实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型生产过程控制系统。

从目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等现场总线。

以上系统基本上都是采用单一的现场总线技术,即整个自动化控制系统中只采用一种现场总线，整个系统构造比较单一。

现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要.1.1现场总线是一个巨大的商业机会一项权威报告声称现场总线的应用将使控制系统的成本下降67％；巨大的商业利益直接导致产生一个巨大的市场，并且促使传统市场萎缩，从而引发技术进步。

现场总线技术教学设计
简介
现场总线（Fieldbus）技术是自动化控制领域中的一个重要技术，被广泛应用于工业领域中的控制、监测和通信功能。

本教学设计旨在通过理论授课和实践操作的方式，使学生了解现场总线技术的基本概念、体系结构、通信协议和应用实现方法，并掌握如何使用总线配置工具和现场总线网络建立方法。

教学目标
1.掌握现场总线技术的基本概念、体系结构和通信协议；
2.熟悉现场总线网络建立方法和总线配置工具的使用；
3.理解现场总线技术在控制、监测和通信领域的应用场景和优劣势。

教学内容
理论授课
1. 现场总线技术概述
1.1 传统现场控制系统的不足之处 1.2 现场总线技术的概念和优势
2. 现场总线技术体系结构
2.1 现场设备、传感器和执行器 2.2 控制器和控制系统 2.3 总线通信和控制数据流
3. 现场总线通信协议
3.1 现场总线通信协议介绍 3.2 现场总线通信协议特点和优缺点
4. 现场总线网络建立方法
1。

1、什么是现场总线？安装在制造或过程区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称为现场总线。

现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络。

现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点、数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系。

现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线。

现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。

现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。

由此网络构成的系统称为现场总线控制系统。

2、现场总线的结构特点是什么？现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。

（1）系统的开放性开放系统是指通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互连与信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。

（2）互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互连设备间的信息传送与交换，可实行点对点，一点对多点的数字通信。

而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

（3）通信的实时性与确定性现场总线系统的基本任务是实现测量控制。

现场总线系统中的媒体访问机制、通信模式、网络管理与调度方式等都将保证通信的实时性、有效性与确定性。

（4）现场设备的智能化与功能自治性智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。

现场总线技术及应用现场总线是应用生产现常在微机化测控设备之间实现双向数字通信系统，是开放式。

数字化。

多点通信的低层控制网络。

现场总线是在20世纪年代中期发展起来的。

现场总线技术是将专用的微处理器植入传统的测控仪表，使其具备了数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线。

同轴电缆。

光纤等作为总线，按照公开。

规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测控仪表之间。

远程监控计算机之间实现数据共享，形成适应现场实际需要的控制系统。

它的出现改变了以往采用电流。

电压模拟信号进行测控信号变化慢，信号传输抗干扰能力差的缺点，也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。

由于微处理器的使用，使得现场总线有了较高的测控能力，提高了信号的测控和传输精度，同时丰富了控制信息内容，为远程传送创造了条件。

现场总线适应了工业控制系统向分散化。

网络化。

智能化发展的方向，一出现便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普通遍关注。

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--现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。

一。

现场总线的特点现场总线系统打破了传统模拟控制系统采用的一对一的设备连线模式，而采用了总线通信方式，因而控制功能可不依赖控制室计算机直接在现场完成，实现了系统的分散控制，现场总线控制系统与传统的控制系统结构对经如图1所示。

1.增强了现场级的信息采集能力现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够很好地满足工厂自动化乃至CIMS系统的信息集成要求。

现场总线是数字化的通信网络，它不单纯取代4~20mA信号，还可实现设备状态。

故障和参数信息传送。

系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。

2.开放式。

互操作性。

互换性。

可集成性不同厂家产品只要使用同一种总线标准，就具有互操作性。

互换性，因此设备具有很好的可集成性。

系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法。

现场总线控制系统（FCS）随着复杂过程工业的不断发展，工业过程控制对大量现场信号的采集、传递和数据转换以及对精度、可靠性、管控一体化都提出了更新、更高的要求。

现有的DCS已不能满足这些要求；况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散、故障相对集中、系统不彻底开放、成本较高等缺点。

于是通过数字通信技术、传感器技术和微处理器技术的融合，把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统，从而产生了新一代的控制系统FCS。

1、智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。

智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场仪表与主控站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。

经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等)，使系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容偌能力。

这样FCS把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统与控制系统，能更好地体现DCS中的'信息集中，控制分散'的功能，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。

以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传输方式的现场总线智能传感器与一般智能传感器相比，需有以下功能：共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担。

取代4-20mA模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力。

采用统一的网络化协议，成为FCS的节点，实现传感器与执行器之间信息交换。

系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性。

接口标准化，具有'即插即用'特性。

现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线组成FCS的两个重要部分，将对传统的控制系统结构和方法带来革命性的变化。

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。

基于CAN总线的网络控制系统设计国内红绿灯交通控制系统中红绿灯切换时间广泛采用固定或者分时段变化的时间间隔，或者由交通指挥中心根据交通状况调整时间间隔，不能够根据实际的交通状况进行动态切换，也不能够根据道路状况预先干预，防止交通恶化。

在极端情况下，可能会出现有车的方向红灯禁行，没车的方向绿灯通行的现象。

这种方式低效、严重依赖于交管部门的工作效率，且一般只能在交通恶化后才可能介入，不能提前预防。

为此本文提出了一种基于CAN总线的红绿灯动态调整系统，它能够根据实际交通状况实时调整红绿灯时间，可以降低道路拥堵几率，保障交通畅通。

一、现场总线综述现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术，是能应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司都投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。

当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS(FieldbusControl System)系统，已被称为第五代过程控制系统。

而FCS和DCS 的真正区别在于其现场总线技术。

现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C(Computer计算机、Control控制、Commcenication通信)技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。

由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前现场总线网络互联都是遵守OSI参考模型。

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什么是现场总线控制系统
在立体车库建设过程中，越来越多电气设计人员意识到推动现场总线技术在
立体车库应用的重要性和迫切性，已有相关论文提出了基于现场总线技术的控制
系统在立体车库的应用设想和建议。但到目前为止，在国内已建和在建立体车库
中，真正意义上的全面和系统地应用现场总线控制系统的实例还未见报道。现场
总线技术代表了未来立体车库自动化的发展方向，但为什么在工程设计中却又难
以进入实质性的应用呢？
根据国际电工委员会工EC61158标准作定义：即安装在制造或生产过程区域
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、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。而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。
从上述定义可以看出，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。它与DCS的本质差异在于现场级设备的数字化、网络化，实
现了控制装置与现场装置的双向通信，消除了设备运行过程监控的信息“盲点”，
可以说，现场设备级的数字化、网络化是停车场信息化管理的基础。