现场总线系统设计

Type5 FF HES (H2)
其 它
HART适用于过程自动化领域的过渡性产品 LonWorks广泛应用于楼宇自动化、能源计量管理、交通运输等行业
CAN广泛应用于离散控制领域，如汽车内部测量与执行部件间的数据通信
7. 几个重要问题的分析
7.1 FCS与DCS的比较
FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流， 这已是业内人士和学术界的基本共识。 FCS在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制 系统的发展方向与潮流。 DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应 用而占居着一个尚不可完全替代的地位。 ① 技术原因 影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有3方面：
H2（HSE）
PLC等其 它控制站
网桥
H1低速现场总线
Type1 FCS结构示意图
FF是Type1的一个子集。
主要应用于啤酒、食 品、农业和饲养业等 Type4 P－Net Type6 SwiftNet Type2 ControlNet Type3 ProfiBus Type7 WorldFIP Type8 InterBus Type1 IEC总线(H1)
2.现场总线的发展
（4）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用了 现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表 设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护 费用。因此，FCS 系统实质上是一种开放的、可以互连的、低成本的、 彻底分散的分布式控制系统。 1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的 ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会IEC决定 由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定 工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标 准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发 的序幕。与此同时，其他一些组织或机构（如WorldFip等）也开始从 事现场总线标准的制定和研究。

内容提纲
一．基金会现场总线系统概述 二．基础知识 三．系统实施过程 四．系统硬件配置 五．系统组态 六．系统调试 七．工程实例
FF现场总线工程工作流程
• 项目定义 • 工厂工程设计标准 • 设备规格书 • 供应商投标说明书 • 现场总线网段设计 • 工程图 • 接线方式 • 组态 • 项目时间安排 • 调试与开车
1) 复 杂 回 路 流 程 2) 复 杂 回 路 概 述 和 功 能 块 3) 顺 控 和 连 锁 逻 辑 4) 流 程 图 5) 子 系 统 通 信 规 格
里程碑
A
由供方提供
FF 部分具体设计
软件设计
B
1) 硬 件 设 计 规 格 图 纸 2) 硬 件 清 单 3) I/O 卡 分 配 4) 典 型 回 路 图
内容提纲
一．基金会现场总线系统概述 二．基础知识 三．系统实施过程 四．系统硬件配置 五．系统组态 六．系统调试 七．工程实例
FF现场总线设备类型
• HSE
– 主机设备：运行于控制计算机之上 – 现场设备：可带一定I/O点的设备 – 链接设备：带有H1接口的设备
• H1
– 基本设备：符合基本的FF规范 – 链路主设备：具备LAS功能 – 网桥设备：连接两个网段
FF现场总线电缆
采用现场总线专用电缆
电缆种类 A型 B型 C型 D型
特点 屏蔽双绞线 总屏多对双绞线 多对双绞线 单对双绞线
最大流通面积 0.8mm2 0.32mm2 0.13mm2 1.25mm2
电缆总长度 1900m 1200m 400m 200m
没有安装中继器
网段总长度=主干长度+所有分支长度
修改现有的工程标准文件，使它包含FF现场 总线，这是非常重要的。例如：

计算机
Profibus-DP
PLC
从站
PLC
主站
采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。
令牌传递
Publisher
(z.B. Lichtgitter)
Slave
DP-从站 2
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 1类主站
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 2类主站
费用可节省40%左右
现场总线系统的优势
几点说明
现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。 。
现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。
现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。
现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。
>IEC 61158 的标准现场总线
Type1：IEC 61158 技术报告。
Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。
Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。
应用行规2
应用行规1
通信协议
传输特性
专用应用行规
通用应用行规（可选）
PROFIBUS DP-V0~V2
RS 485 (PROFIBUS DP)
IEC 61158-2 (PROFIBUS PA)
传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。

基于现场总线的开关量I/O 模块的设计随着信息技术的发展，智能化、信息化、网络化成为现代工业控制的发展潮流。

20世纪80年代以来，开放的工业控制总线迅速发展，彻底改变了世界的技术面貌，在此基础上通过网络连接到分散控制和嵌入式设备的控制技术逐步发展成熟，远程I/O就是在这种条件下发展的一类产品，可以分散配置在现场，连接当地的输入输出信号，实现要求的配置。

在工业控制领域，现场总线技术将控制功能彻底下放到现场。

MODBUS是现场总线的国际标准之一，符合IEC物理层标准，有冗余的物理总线网络和严格的控制信息传输机制。

实时工业现场开关量数据的采集给开发者提出了广泛的要求，包括较高的处理性能，低功耗，高速数据I/O，较高的存储能力，高可靠性等。

而种类繁多的ARM处理器具有成本低、功耗低、易开发和性能好等特点，可开发出较佳性能的控制采集系统。

S3C2440就是其中的一种工业级ARM微处理器，具有性价比高，可靠性高等特点，因此选用它做为系统开发的硬件平台。

Linux操作系统由于其开源、精简而高效的内核，丰富的网络性能以及对多种处理器结构的支持，使其在嵌入式工业控制领域得到了广泛的应用，而实时处理工业现场开关量数据是工业控制领域的主要应用之一。

本文“基于现场总线的开关量I/O模块的设计”实现了一个完整的通用嵌入式系统开发平台。

介绍了基于MODBUS现场总线的开关量I/O模块，此模块连接了MODBUS现场总线和传统的开关量控制设备。

首先简要介绍了系统总体方案设计，在此基础上，把系统设计分为硬件设计和软件设计两大部分。

系统硬件首先对A RM处理器和S3C2440微处理器进行了简单的介绍，重点论述了S3C2440处理器与存储器（Nand和SDRAM）、RS485、GPIO等接口的设计，对开关量输入输出电路进行了深入分析，可同时进行16路开关量的输出和采集，并对硬件做了相关的调试。

系统软件分为上位机和下位机两部分：上位机以Windows XP为开发平台，采用VC++软件设计界面，利用MSComm控件进行MODBUS串口编程，具有操作简单，配置灵活的特点；下位机以嵌入式Linux为核心平台，首先构建嵌入式Linux，主要包括bootloader、内核的编译与移植以及嵌入式Linux下文件系统的构建。