现场总线技术综述
一.概述
现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC
和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。
1.现场总线的特点
现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单（2）开放性（3）实时性（4）可靠性2.现场总线的优点
由于现场总线以上的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计，安装，投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出优越性。
1.节省硬件数量与投资，
2.节省安装费用
3.节省维护开销
4.用户具有高度的系统集成主动权
5.提高了系统的准确性与可靠性
3.现场总线的应用领域
目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。
二．现场总线的标准
1.IEC61158的制定
1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复。
发展61158现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。在现场总线领域里，德国派（ISP，Interoperable System Project,可互操作系统规划,是一个以Profibus 为基础制定的现场总线国际组织)和法国派（WORLD FIP）的对持十分激烈，互不相让，以至于IEC无法通过国际标准。1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation,现场总线基金会), 推出了FF现场总线。IEC投票的文本就是以FF为蓝本的方案。这是现场总线发展的主流方向。
由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLD FIP。它的成立导致了德国派ISP 立即解散；法国派（WORLD FIP）已经明确表示不反对IEC的方案，并且可以友好地与IEC方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派PROFIBUS因为与FF的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对IEC方案以保住市场份额。但是PROFIBUS提出的技术理由仅仅是一些支节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对FF，国际上的现场总线之争已经演变成为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的“联合派”竞争。有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业
利益，如最能说明问题的是最主要的反对者西门子公司（PROFIBUS主要成员）也参加了FF。这种具有特殊意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于明显的劣势。
在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即：
类型1 原IEC61158技术报告（即FF －H1）
类型2 Control Net（美国Rockwell）公司支持
类型3 Profibus（德国SIEMENS公司支持）
类型4 P-Net（丹麦Process Data公司支持）
类型5 FF HSE（即原FF H2，美国Fisher Rosemount 公司支持）
类型6 Swift Net（美国波音公司支持）
类型7 WorldFip（法国Alstom公司支持）
类型8 Interbus（德国Phoenix contact公司支持）
目前61158的基本原则是
不改变原来61158的内容，作为类型1
不改变各个子集的行规，作为其他类型，并对类型1提供接口
2. 关于IEC62026的情况
IEC62026的情况就没有那么复杂，它的构成如下：
IEC62026 －1一般要求General Rules(in preparation)
IEC62026 －2电器网络Device Network(DN)
IEC62026 －3操动器传感器接口Actuator sensor interface(ASI)
IEC62026 －4协议（规约）Lontalk
IEC62026 －5灵巧配电系统Smart distributed system(SDS)
IEC62026 －6多路串行控制总线。Serial Multiplexed Control Bus(SMCB)
另外IEC17B又发出一个NP文件“《Device Word FIP》电器网络“1998年4月投票失败尚未成为IEC62026系列的CD文件。而Interbus努力成为第7 部分。
2000年6月以下文件将进入最后一轮投票，并通过，（即将出版）
IEC62026 －1一般要求General Rules(in preparation)
IEC62026 －2电器网络Device Network(DN)
IEC62026 －3操动器传感器接口Actuator sensor interface(ASI)
IEC62026 －5灵巧配电系统Smart distributed system(SDS)
3. ISO11898
现场总线领域中，在IEC61158和62026之前，CAN是唯一被批准为国际标准的现场总线。CAN由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898（通信速率＜1Mbps）和ISO11519（通信速率≤125Kbps）。CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。带有CAN的MCU芯片总量已经达到130,000,000片（不一定全部用于CAN总
线）；因此在接口芯片技术方面CAN已经遥遥领先于其他所有现场总线。
需要指出的是CAN总线同时是IEC62026 －2电器网络Device Network(DN) 和IEC62026 －5灵巧配电系统Smart distributed system(SDS) 的物理层，因此它是IEC62026最主要的技术基础。
三．几种典型的现场总线介绍
1．Profibus
PROFIBUS是1987年，德国联邦科技部集中了13家公司的5个研究所的力量，按ISO/OSI参考模型制订的现场总线的德国国家标准，其主要支持者是德国西门子公司，并于1991年4月在DIN19245中发表，正式成为德国标准。开始只有PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS，1994年又推出了PROFIBUS－PA，它引用了IEC标准的物理层（IEC1158－2,1993年通过），从而可以在有爆炸危险的区域（EX）内连接本质安全型通过总线馈电的现场仪表，这使PROFIBUS更加完善。PROFIBUS已于1996年3月15日批准为欧洲标准EN50170的第2卷。
①组成：PROFIBUS有三个部分组成：PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）主要是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的通讯。总线周期一般小于100ms。
PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）这是一种经过优化的高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于10ms。,
Profibus-PA（Process Automation）是专门为过程自动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标准，PROFIBUS-PA用双线进行总线供电和数据通信。
②协议结构
Profibus协议结构是根据ISO7498国际标准以OSI作为参考模型的。但省略了3～6层，同时又增加了服务层。
PROFIBUS－DP使用了第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户接口，第三层到第七层未加以描述。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行，直接数据链路映象（DDLM）为用户接口易于进入第二层。用户接口规定了
用户系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS －DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术。
PROFIBUS－FMS：对第一层、第二层和第七层（应用层）均加以定义。
PROFIBUS－PA：采用了扩展的DP协议。另外还使用了描述现场设备行为的PA规约。根据IEC1158－2标准，这种传输技术可确保其本质的安全性并通过总线给现场设备供电。使用分段式耦合器，PROFIBUS－PA设备能很方便地集成到PROFIBUS－DP网络上。
PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这二套系统可在同一根电缆上同时操作。
③传输技术
PROFIBUS提供了三种类型的传输：
用于DP和FMS的RS485传输
用于PA和IEC1158－2传输
·光纤（FO）
A. RS485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，这种技术通常称为H2。采用屏蔽双绞铜线，共用一根导线对。线性总线结构允许站点增加或减少，而且系统的分步投入也不会影响到其它站点的操作。后增加的站点对已投入运行的站点没有任务影响。
传输速率可选：9.6Kbps和12Mbps之间。
站点数：每分段32个站，不带中继器；带中继器可多达127个站
传输距离：
B. IEC1158－2传输技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。
传输速率：31.25Kbps，电压式。
站点数：每段最多为32个，总数最多为126个。
距离：采用双绞线电缆，传输距离可达1900m。
C. Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体以增加高速传输的最大距离。许多厂商提供专用总线插头，可将RS485信号转换成光信号和光信号转换成RS485信号，这样就为RS485和光纤传输技术在同一系统上使用提供了一套开关控制的十分简便的方法。
④应用情况
PROFIBUS的应用包括了加工制造自动化、过程自动化和楼宇自动化。
2.FF（Fundation Fieldbus）基金会现场总线
现场总线基金会是一个国际性的组织，有120多个成员，包括了全球主要的过程控制产品的供应商，基金会成员生产的变送器、DCS系统、执行器、流量仪表占世界市场的90％。
FF是迫于用户的压力于1994年6月由ISP与WORLDFIP（北美）合并成立的现场总线基金会。
ISP是可互操作系统协议（Interoperable system protocol）的简称，它基于德国的Profibus标准，成立于1992年9月，当时有100多个公司参加，其中以仪表厂为多，由Fisher Rosemount公司牵头。WORLDFIP是工厂仪表世界协议（World Factory Instrumentation Protocol）的简称，它基于法国的FIP标准，由Honeywell公司牵头，也有100多个公司参加，不少是PLC制造厂。
①FF的拓朴结构（图6）
H1低速现场总线
· 31.25Kbps
· 2～32个设备/段
·供电与通讯
·本质安全
·双绞线1900米（最大）
·适用于过程设备的基层总线。
H2高速现场总线
· 1Mbps/2.5Mbps速率
·可集成多达32条H1总线
·冗余
·双绞线750m/500m。
·支持PLC和加工工业设备
②FF的协议结构
FF应用了ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层（应用层），再在应用层上加上了用户层。FF的物理层符合IEC1158－2标准，采用IEC1158－2技术。
③FF特点
由于世界上一些大的仪表公司都参加了FF，因此FF开发的现场总线产品在品种与性能上都能满足过程控制的要求，而且使用方便，FF具有很好的可互操作性和可互换性，可互操作性就是来自同厂家的设备可以相互通讯并且可以在多厂家的环境中完成功能，可互换性就是来自不同厂家的设备在功能上可以用同类设备互换。
④应用情况
1997年，由多个供应商提供的基于H1标准的小的试验系统被用于培训和技术确认，并已在世界上试用。
3.CAN（Controller Area Network）
CAN是由Robent Bosch公司为汽车制造工业而开发的，是开放的通讯标准，包括ISO/OSI模型的第一层和第二层，由不同的制造者扩展第七层，CIA（CAN in Automation）组织发展了一个CAN应用层（CAL）并由此规定了器件轮廓，以联网相互可操作的以CAN
为基础的控制器件，或使EIA模块相互可操作。
CAN目前已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898（通信速率＜1Mbps）和ISO11519（通信速率≤125Kbps），在现场总线中，目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。但IEC下面的TC22是分管电力电子的技术委员会，而工业自动化的现场总线则是由IEC的TC65所分管，须经TC65的批准才行。
①CAN的协议结构
采用ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层。
②CAN的特点
·废除了传统的站地址编码而代之以对通信数据块进行编码。
·采用双绞线，通信速率高达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂设备最多可达110个。
·信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该接点与总线的联系，使总线上的其他接点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。
· CAN支持多主站方式，网络上任何接点均可在任何时刻主动向其它接点发送信息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。CAN采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点继续发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免总线冲突。
· CAN不能用于防爆区。
③应用情况
CAN目前主要用于汽车、公共交通的车辆、机器人、液压系统及分散型I/O 五大行业。此外Allen-Bradley以及Honeywell、Micro Switch在CAN基础上发展了特殊的应用层，组成了A－B公司的Device Net和Honey Well公司的SDS （智能分散系统）现场总线。由于CAN的帧短，速度快，可靠性强，比较适合用于开关量控制的场合，故CAN的销量在增加，据欧洲市场调查，CAN占有率从1994年的5％增加到1996年的9％。
4.WorldFIP
成立于1987年3月，是以法国几个跨国公司为基础，开发了FIP（工厂仪表
协议）现场总线系列产品。到目前为止，WorldFIP协会拥有100多个成员，这些成员生产300多个WorldFIP现场总线产品。WorldFIP产品在法国市场占有率大于60％，在欧洲市场占有大约25％的份额。这些产品广泛用于发电及输配电、加工制造自动化、铁路运输过程自动化等领域，1996年6月成为欧洲标准
EN50170第3卷。
用WorldFIP构成的系统分为三级，即过程级、控制级和监控级。用单一的WorldFIP总线可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要。WorldFIP的协议结构是由ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层构成。其中第一层物理层符合IEC1158－2标准。
传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。
传输速率为：31.25K bps用于过程控制。
1M bps用于加工制造系统。
2.5M bps用于驱动系统。
标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。
目前WorldFIP的总线产品有法国CEGELEC公司的Alspa-8000系统，Schneider 公司的Modicon-TBXplc系统，GEC－ALSTHOM公司的S－900 SCADA系统等。
5 Devicenet
DeviceNet是一种低成本的现场总线链路，将工业设备（如：限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
DeviceNet总线技术具有网络化、系统化、开放式的特点，DeviceNet总线的组织机构是“开放式设备网络供货商协会”，简称“ODVA”（Open DeviceNet Vendor Association）。ODVA是一个独立组织，管理DeviceNet技术规范，促进DeviceNet 在全球的推广与应用。ODVA实行会员制，会员分供货商会员（Vendor members）和分销商会员（Distributor member）。ODVA现有供货商会员300多个，其中包
括ABB、Rockwell、Phoenix Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产商。ODVA的作用是帮助供货商会员向DeviceNet产品开发者提供技术培训、产品一致性试验工具和试验，支持成员单位对DeviceNet协议规范进行改进；出版符合DeviceNet协议规范的产品目录，组织研讨会和其它推广活动，帮助用户了解掌握DeviceNet技术；帮助分销商开展DeviceNet用户培训和DeviceNet专家认证培训，提供设计工具，解决DeviceNet 系统问题。ODVA全球网站地址：hppt:\\https://www.doczj.com/doc/2b7292794.html,，ODVA在中国有办事机构ODVA China，网址：hppt:\\https://www.doczj.com/doc/2b7292794.html,。Devicenet可以归纳出以下一些技术特点：
最大64个节点。
125kbps~500kbps通信速率。
点对点，多主或主/从通信。
可带电更换网络节点，在线修改网络配置。
采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片，得到国际上主要芯造商的支持。
支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。
低成本、高可靠性的数据网络。
既适用于连接低端工业设备，又能连接象变频器、操作终端这样的复杂设备。采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息。
具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能。
得到众多制造商的支持，如：Rockwell、OMRON、Hitachi、Cutter-Hammer、Mithileichi 等。Devicenet 制造商协会拥有三百多个会员遍布世界各地。
2002年12月1日发行的国家标准化管理委员会通报中，公布了Devicenet 现场总线已被批准为国家标准。DeviceNet中国国家标准的编号为GB/T 18858.3-2002，名称为《低压开关设备和控制设备控制器－设备接口（CDI）第3部分：DeviceNet》。该标准于2002年10月8日被批准，并于2003年4月1日开始实施。
6 ASi
ASi（Actuator Sensor Interface执行器传感器接口）总线是自动化系统中最
低层级的现场总线。它是一种开发式与生产商无关的总线，适用于二值传感器和执行器的联网。
ASi总线的优点：不再需要传感器/执行器与较高级的控制器之间的大量连接线，代之以一根二芯电缆线；
·不需要参数化的软件；
·在电气和机械方面都是标准化的，与生产商无关；
·应用穿刺法接触连接，安装简单、快速，极性不可能接错；
·接口芯片可以集成在传感器和执行器上，以提高其监视和故障分析能力’
·防护等级高，可在现场直接应用；
·具有自检测功能，抗干扰能力强。
ASi总线是一种简单的主从系统，控制数据传输的每个线路段只有一个主设备。主设备依次查询从设备并要求从设备应答。它采用固定的报文长度和数据格式，识别过程是不必要的。
ASi总线的主要技术数据如下：
·网络结构：线形或树型结构；
·传输媒体：数据和电源共用的无屏蔽双线电缆（2×1.5mm2）；
·连接方法：采用穿刺法；
·最大电缆长度：无中继器/扩展器时为100m，有中继器/扩展器时为
300m；
·最大循环时间：当完全配置时为5ms；
·最大站点数：31个；
·二值传感器/执行器数：
124个（当用4输入，4输出，2输入/2输出或2×2数模块时，即4×31个）；248个（当用4输入/4输出模块时，即8×31个）；
·访问方法：循环查询主-从方法，从主设备（PLC、PC）循环采集数据；
·错误纠正：数据采集包含对错误报文的识别和重发。
7 Interbus
Interbus是一种器件级现场总线，它是德国PhoenixContact公司（一种中小
型私人企业）
研究和开发的，在1987年正式公布，1996年成为DIN19825标准，1998年成为EN50254欧洲标准，目前已成为IEC61158国际标准。它快速、准确（令牌传递、环形拓扑），最多可连接512个“远程”节点，每段距离为400m。Interbus 也允许次级有10m的回路环，在这些“本地”总线中，远程和本地可应用相同的芯片，但节点不能相互交换数据。
到1997年底，Interbus已有125000多个应用项目和170万个联网的节点。Interbus俱乐部有700多家制造商支持、400多家会员单位，主要应用于汽车、印刷、物资搬运和机床等。
四．PROFIBUS现场总线在SBR污水处理工艺中的应用
1.SBR工艺介绍
SBR(Sequencing Batch Reactor)是间歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR工艺集调节、初沉、曝气、沉淀等过程于一池，按不同的时间顺序进行各种目的的不同操作，全部过程都放在一个池内周而复始地进行，无需设置二沉池及污泥回流系统。典型的SBR系统分为进水、反应、沉淀、排水与闲置5个阶段运行。
2.PROFIBUS现场总线技术
国际性开放式的PROFIBUS现场总线技术，广泛应用于自动控制系统。目前，世界上多数自动化技术生产厂家都为它们的自动化设备提供PROFIBUS 通信接口。根据应用特点PROFIBUS包括PROFlBUS-DP ，P ROFIBUS-PA ，PROF IBUS-FMS 3个兼容部分。其中PROFIBUS-DP 属于高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O 的通信PROFIBUS-FMS 用于车间级监控网络，是个令牌结构、实时多主网络；PROF IBUS-PA 专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。PROFlBUS可以采用总线型、树型、星型等网络拓扑结构，总线上最多可挂接127个站点。传输速率为9.6 kbps～12.0 Mbps，其最大传输距离在12 Mbps时为100 m ，1.5 Mbps 时为400 m。可用中继器延长至10 km。传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、红外线等传输介质。根据某污水厂SBR法控制的要求和特点，需建立从监控到现场控制的一体化系统，同时考虑到控制的实时性和可靠性以及系统的可扩展性和先进性，我们选择了基于PROFIBUS-DP 的现场总线，并采用了冗余技术，设计了SBR法污水处理的控制系统。
3.控制系统结构
该控制系统的设计采用PROFIBUS 网络的3层控制体系，“分散控制，集中管理”的分布式控制系统结构。通过分散控制将可能发生故障的危险进行分散，降低故障发生的概率实现故障发生后事故处理。通过集中管理实现采集信息的综合集中，达到优化控制的目的。
3 .1 管理监控级
主要完成设定值的操作输入(如流量设定值、pH设定值等)、与下位机之间
的通信、系统报警、运行管理以及所有工艺参数和设备运行状态的显示。考虑到工控机具有性能稳定、抗干扰性好，结合污水处理厂的实际运行环境，选用工控机IPC 作为实现管理监控功能的上位机。
3 .2 控制级
主要实现数据采集、算法控制、信号输出控制及工艺信号连锁等功能。控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽，接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。基于SBR 法污水处理工艺的自动控制过程比较复杂，且是一个顺序性、周期性很强的逻辑操作系统。因此，采用功能强大、稳定性高的西门子公司生产的SIMATIC S7-300 系列中小型可编程序控制器，构建本系统的PLC可编程序控制器，作为系统下层控制单元(下位机)。
3 .3 现场级
主要进行信号转换、数据传送及执行上一层下发的控制命令和数据采集，对系统设备的状态、传感器参数进行监测，把监测到的数据上传，接受控制级的指令、执行机构进行控制。现场级是实现系统功能的基础，由一次仪表(如液位计、DO传感器等)、控制设备等组成。该系统的主要一次仪表和控制设备包括液位计、电动蝶阀、流量计、溶解氧仪、报警器等。
4.PROF IBUS 网络配置
4 .1 网络硬件配置
该系统选用PROFIBUS-DP 的电气网络配置形式。将上位机(工控机IPC)和现场控制可编程序控制器PLC 作为主动站。将曝气过程中控制电机的变频器及工艺中应用的智能传感器和外围I/O 设备作为从动站。总线节点(主或从设备)采用IM/CP 接口或集成接口的RS-485 端子与PROFIBUS-DP 网络连接。在PROFIBUS 电气网络中，依据数据传输速率的差异，设定每段不同的最大长度。对站点之间相距较远的，在网络中，采用RS-485 总线中继器来连接各段。IPC 接入PROFIBUS 总线时，采用内插P ROFIBUS 网卡方式，如CP5611、CP5613、CP 5511等，充分利用这类网卡所具有的PROFIBUS-DP/PA/FM S接口选择与网卡匹配的软件包，根据其软件功能决定IPC 作一类主站还是二类主站。此次，系统选择了CP5611网卡及Step7 软件包，将上位机作为编程监控的一类主站。
PLC接入PROF IBUS 总线可设定为 2 种情况，a)处理器CPU 带内置PROFIBUS-DP 口，如西门子S7-300、S7-400 系列直接接入PROFIBUS 网络；
b)处理器CPU 不设内置PROFIBUS-DP 口，须再配置PROFIBUS通信处理器，如S7-200系列，接入PROFIBUS网络时需通过通信模块EM277，且不能将其设为主站，只能作为从站接入。对污水处理系统中控制电机的变频器、DO 仪、温度计、pH 计、液位计等现场设备接入PROFIBUS 网络时，可采用智能型可直接接入，也可采用其他方式接入远程I/O 后再通过ET200 接入网络。为了将不同生产厂家的PRPFIBUS 产品集成在一起，必须收集厂家提供的GSD 文件(电子设备数据库文件)和功能参数。PRPFIBUS 组态工具可根据厂商提供的GSD 文件将其设备集成在同一总线系统中(见图1)。
4 .2 网络组态
硬件系统组建后，为实现分布式网络的连通，采用SIMATIC net 6 .0 软件或Step7 软件对网络进行组态。首先，对S7-300的机架、电源、CPU、信号模件、通信处理器CP 等，按实际配置类型和物理地址进行组态。再进行PROFIBUS 网络组态，使用SIMATIC 程序组中的Configuration Console 设定PROFIBUS 的模式为Configured Mode，插槽号设为任意值，站点地址值不允许重复。网络中所有站都设置为相同的数据传输率，从站地址单一赋值，设置完成后，再将配置结果下载到模块(见图2、图3)。
5.曝气量控制
SBR 污水处理工艺中，污水在池中通过微生物的净化作用，达到去除有机
物的目的。因微生物为好氧菌，若供氧量过少、DO过低会造成细菌大量死亡，不利于微生物的生长，难以形成易沉淀的絮体，直接影响处理效果；但供氧量过大、DO过高不仅使能耗增高，增大运行费用且会造成絮体分散和破碎，使固液难发生分离。因此控制水中的含氧量是污水处理过程控制中比较关键的任务之一。
溶解氧的浓度是通过曝气机(鼓风机)的运行来控制的。曝气机的转速大小由电动机的转速调节。DO和曝气量之间应存在着一个函数关系。由于迄今尚未建立可行的数学模型，所以曝气自动调节还在摸索之中。该系统采用溶解氧闭环控制方式，对DO值设一定的控制范围(上限为3.0 mg/L ，下限为1.0 mg/ L 此值可调)。PLC将由DO仪实时检测到的DO值，与设定值进行比较后，对变频器
发出信号，自动调节曝气机的启、停及电机转速，实现对空气管路中空气流量的控制，达到调节曝气量的目标。在反应阶段，当DO值高于上限时，PLC发出报警信号并停止曝气，当DO值低于下限时，启动曝气机，开始曝气。
五.自己的理解
本实例选的是PROFIBUS现场总线，其选择理由如下：
目前除了PROFIBUS以外,较为流行的现场总线主要还有以下4种:基金会现场总线FF,局部操作网络LONWORKS,控制局域网CAN,HART总线。
FF总线功能强大,支持本安装系统,实时性好,总线供电,但如果主设备失效将使整个网络瘫痪,总线虽然性能突出,成本却较高,协议也复杂,主要应用于流程控制领域。
LONWORKS总线开发平台完善,在楼宇自动化、电力行业、测控系统和智能通信产品方面具有较大优势。
CAN总线简单可靠,抗干扰性强,成本低,非常适合用作传感器/执行器总线,但它的速度慢,传输距离也有限,不能满足有严格实时性要求的场合,其主要应用于汽车检测和控制。
HART总线建立在目前广泛采用的模拟系统之上,技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要,其技术本身还在不断完善与更新,如需提高传输速率。
与以上总线技术相比, PROFIBUS在以下几方面显现了它的应用优势。(1) PROFIBUS可远距离高速度传输数据。
PROFIBUS-DP/FMS通信介质为屏蔽双绞电缆或光纤,传输速率为9. 6 k~12M bit#s-1,传输距离为100~1 200m,通过中继器后传输距离还可加长。
(2)PROFIBUS根据不同的应用对象可灵活选。
取不同规格的总线系统。如简单的设备一级的高速数据传送,可选用PROFIBUS-DP单主站系统;稍微复杂一些的设备级高速数据传送可选用PROFI-BUS-DP多主站系统;比较复杂一些的系统可以将PROFIBUS-DP与PROFIBUS-FMS混合选用,两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作,无需附加任何转换装置。
(3)PROFIBUS具有本征安全的优势。
(4)PROFIBUS具有硬件支持。
由于PROFI-BUS协议芯片具有广泛的系列,故PROFIBUS协议的具体实现既简单又便宜。原则上, PROFIBUS协议在任何微处理器上都可实现,同时在微处理器内部或外部装上异步串行口即可,但当传输速度超过500 kbit/s或需要联接使用IEC1158-2传输技术时,要用西门子公司ASIC协议芯片。
（5）它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线,各种自动化设备均可通过同样的接口交换信号。
本实例选的是PROFIBUS中的PROFIBUS-DP版本，其选择理由如下：PROFIBUS根据应用特点又可分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS 3个兼容版本。
PROFIBUS-DP总线是为高速设备分散控制或自动化控制而设计的,特别适用于可编程控制器与现场级分散I/O设备之间的通信。
PROFI-BUS-PA总线是专门为过程自动化设计的。
PRO-FIBUS-FMS总线是为解决车间级通用性通讯任务、提供大量通讯服务、完成中等传输速率的循环与非循环通讯任务而设计的。
由于PROFIBUS-DP具有可靠性高、性能高、实时性好及其独特的设计等优点,已被几乎所有的生产厂商和用户所接受。
从以上可以看出，PROFlBUS可以采用总线型、树型、星型等网络拓扑结构，总线上最多可挂接127个站点。传输速率为9.6 kbps～12.0 Mbps，其最大传输距离在12 Mbps时为100 m ，1.5 Mbps 时为400 m。可用中继器延长至10 km。传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、红外线等传输介质。根据某污水厂SBR法控制的要求和特点，需建立从监控到现场控制的一体化系统，同时考虑到控制的实时性和可靠性以及系统的可扩展性和先进性，我们选择了基于PROFIBUS-DP 的现场总线，并采用了冗余技术，设计了SBR法污水处理的控制系统。利用PROFIBUS 现场总线技术对SBR法污水处理系统进行自动控制，不仅提高了污水处理的质量，满足出水水质要求，而且使操作更加简单方便，降低了操作人员的劳动强度该系统运行可靠，投资较小，符合中国中小城市污水处理的要求，应得到进一步的推广和应用。
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现场总线综述 设计题目：现场总线技术的现状及其发展前景学院名称：电子与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 姓名： +++ 班级：电气112 班 学号： 11401170236 指导教师：邱雪娜 2014 年 11 月 17 日
现场总线技术的现状及其发展前景 +++ （宁波工程学院，电子与信息工程学院，浙江宁波 315000） 摘要：现场总线技术是自动化领域里的一项新技术。本文阐述了现场总线技术的产生与发展及各类现场总线技术的历史、现状及特点 ,最后展望了该技术的未来发展趋势。 关键词：现场总线；产生与发展；特点；发展趋势 Present situation and development prospect of Fieldbus Technology LI Gensheng （School of Electron and Information Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315000 , China） Abstract: The fieldbus technology is a new technology in automatization. This paper expounds the origin and development of fieldbus technology and all kinds of history, present situation and characteristics of field bus technology, the future development trend of this technology are discussed. Key words：f ieldbus; generation and development; characteristic; the development trend 引言 现场总线控制系统技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。随着计算机技术的发展，现场总线技术不断向数字化、微型化、个性化，专用化发展。现场总线技术的市场不断扩大，前景广阔。 1 现场总线的定义与特点 1.1现场总线技术的定义 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以
现场总线技术综述 一.概述 现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC 和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。 1.现场总线的特点 现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单（2）开放性（3）实时性（4）可靠性2.现场总线的优点 由于现场总线以上的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计，安装，投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出优越性。 1.节省硬件数量与投资， 2.节省安装费用 3.节省维护开销 4.用户具有高度的系统集成主动权 5.提高了系统的准确性与可靠性 3.现场总线的应用领域 目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。
二．现场总线的标准 1.IEC61158的制定 1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复。 发展61158现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。在现场总线领域里，德国派（ISP，Interoperable System Project,可互操作系统规划,是一个以Profibus 为基础制定的现场总线国际组织)和法国派（WORLD FIP）的对持十分激烈，互不相让，以至于IEC无法通过国际标准。1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation,现场总线基金会), 推出了FF现场总线。IEC投票的文本就是以FF为蓝本的方案。这是现场总线发展的主流方向。 由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLD FIP。它的成立导致了德国派ISP 立即解散；法国派（WORLD FIP）已经明确表示不反对IEC的方案，并且可以友好地与IEC方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派PROFIBUS因为与FF的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对IEC方案以保住市场份额。但是PROFIBUS提出的技术理由仅仅是一些支节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对FF，国际上的现场总线之争已经演变成为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的“联合派”竞争。有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业 利益，如最能说明问题的是最主要的反对者西门子公司（PROFIBUS主要成员）也参加了FF。这种具有特殊意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于明显的劣势。 在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即： 类型1 原IEC61158技术报告（即FF －H1） 类型2 Control Net（美国Rockwell）公司支持 类型3 Profibus（德国SIEMENS公司支持） 类型4 P-Net（丹麦Process Data公司支持）
FF现场总线及应用实例 l.FF 现场总线特点 基金会现场总线(Foundation Fieldbus)通常称为FF 现场总线，它分为HI 和四两级总线。HI 采用符合IEC 61158-2 标准的现场总线物理层;H2 则采用高速以太网为其物理层。 HI 现场总线物理层的主要电气特性如下:采用位同步数字化传输方式;传 输波特率为31. 25kb/s;驱动电压9~32VDC;信号电流土如lA.;电缆型式屏蔽双绞线;接线拓扑结构可采用线型、树型、星型或者符合型;电缆长度小于等于1900m(无中继器时);分支电缆的长度30~12Om;挂界设备数量小于等于32 台(无中继器时);可用中继器小于等于4 台;适用防爆方法有本质安全防爆方法等。 HI 现场总线在一根屏蔽双绞线电缆上完成对多台现场仪表的供电和双向数字通信。控制系统所配备的HI 网卡通常只负责与现场仪表的双向通信。而总线的供电则需由专门的FF 配电器完成。HI 总线以段为单位，每块HI 网卡 有两个端口，每个端口连接一个段，而每一段需配一台FF 配电器。总线的两 端还需各配一个终端电阻，以消除高频信号的回声。 2.基于FF 现场总线的球团竖炉控制系统 根据FF 总线系统体系结构，结合竖炉造球生产的工艺特点，将竖炉造 球控制系统结构设计如下，如图10-2 所示。 整个系统由配料烘干电气控制系统、造球筛分电气控制系统、竖炉本体 电气控制系统、成品运输电气控制系统和过程检测(仪表)控制系统等子系统组成。过程检测(仪表〉控制系统包括若干HI 子系统，采用总线拓扑结构，通过HSEJHl 网关与网络集线器连接;系统中的各电气控制系统由NCS-300OFF 分布
1 引言 在近100多年的历史中，机械制造工业从未有过如此激烈的竞争和变动。全世界都在查找符合以后进展的先进的自动化制造技术的概念。信息技术、计算机技术和操纵网络技术的进展给制造工业的进展提供了巨大的机遇。要在制造工业市场上占有领先的地位，那个企业必须具有提高生产率、降低制造成本的能力。这种能力的提高的关键是如何将新型的自动操纵系统应用在生产制造业中。众所周知，计算机技术、通讯技术、IT技术的进展不断地渗透到工业操纵领域，引起了工业自动化操纵的不断变革，其要紧特征确实是现场总线技术、PC-based技术以及工业以太网技术。这些技术的出现使得工业自动化技术的水平达到了一个新的高峰，面向21世纪的现代工业操纵系统正在逐渐形成。十多年来，Phoenix Contact公司坚持不断创新，不断变革，在
工业自动化操纵领域提出自己独特的解决方案，特不针对如何提高生产率这一制造工业关键的问题。一种具有开放性通讯平台的模块化自动操纵系统—AUTOMATIONWORX（AX）已在生产实际中得到广泛的应用，其先进性、经济性和可靠性得到了实践的证明。事实表明将这种技术用于汽车制造业上可减少 25%的厂房面积、70%系统部件的库存量和90%的安装调试时刻，使生产率和经济效益得到了最大的提高。 2 生产率的提高取决于生产过程的信息化以及制造系统 的集成能力 在当今科学技术迅猛进展的时代，生产率的提高是增强竞争能力的关键。机器和工业设备经济使用的必要性越来越得到人们的重视。这不仅仅是指机械生产厂，同时也是对产品制造厂的要求。充分的利用生产的潜力，尽可能地缩短定单到发货的时刻，这需要工业制造厂家的高度的灵活性和产品生产厂生产新的产品的机动性。这确实是讲，机器和工业设备的制造必须在一定的程度上与技术流程的信息流相结合，即通讯技术必须与生产制造技术紧密的结合起来。为了满足生产设备的高度适应性以及产品快速地改朝换代，制造厂家在制造设备时必须考虑设计、制造、安装和现场调试时所使用的自动操纵方案的一致性，即它的集成
《现场总线技术》 论文 论文题目: 现场总线技术文献综述 论文类型：文献综述 姓名: 学号: 班级: 2016 年 6 月 6 日
摘要 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(Fieldbus Control System)系统 已被称为第五代过程控制系统[2]。而FCS 和DCS 的真别在于其现场总线技术。现总线技术以数字信号取代模拟信号 在3C(Computer 计算机、Control 控、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[3]。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础 这一技术正在从根本上改变控制系统的理念和方法 将极大地推动整个工业领域的技术进步 对工业自动化系统的影响将是积极和深远的。 关键字 CAN总线、LonWorks总线、FF总线 Abstract Fieldbus (Fieldbus) refers to open, international standardization, digital and mutual exchange operations two-way transmission, connecting intelligent instrument and control system of communication network. It as plant digital communication network, the basis of the production process communication between field and the control equipment with higher control management level and the contact between. It s not only a grass-roots network, but also a kind of open, new whole distribution control system. This is an intelligent sensing, control, computer, digital communication technology as the main contents of the comprehensive technology, is becoming an information based society impetus industrialization and the industrialization push the applicable technology, information can be applied to various computer control areas of industrial bus, because of fieldbus potential great opportunities, the worldwide each big companies invest considerable human, material nd financial resources to develop research [1]. Today's Fieldbus technology has been international companies competitive field, because of Fieldbus technology unceasing innovation, process Control System consists of the fourth generation since the DCS development of Fieldbus Control System (FCS) System, has been called the fifth generation process Control System [2]. But the real difference of DCS and FCS in the fieldbus technology. Now bus technology replaced with digital signal analog signals in 3C (Computer Control Control, Computer, Commcenication communication) technology, and on the basis of field test and Control information of in situ Set, in situ treatment and on-the-spot use, many control functions from the control room moved to site equipment. The big company because international in the fieldbus technology this field of competition, still not form an unified standards, currently fieldbus network interconnection abide by the OSI reference model [3].
现场总线技术及其应用研究 中文摘要: 现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在多方面的优越性，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。本文从多个方面介绍了现场总线技术的种类、现状、应用领域及前景。 现场总线FF（Field Bus）的概念起源于70年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号形式传送，不必每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统发展的必然趋势。 现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）。它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程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，将传统的DCS 三层网络结构变成两层网络结构，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。 关键词：现场总线技术、自动控制、发展趋势
第一章绪论 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。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，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（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。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。 第二章现场总线技术概述 2.1现场总线的定义： 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，"生产过程"包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。 2.2 现场总线技术产生的意义 （1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 （2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的"信息孤岛"，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 （3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 第三章现场总线的种类 从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、
Lonworks 总线及其应用
2008-2-27 17:03:00 来源：
一、现场总线 现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价 格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自 动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产 现场与外界的信息交换。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。 迄今为止，比较成熟的并且比较有影响力的现场总线则有以下几种类型： 1.FF，2.Profibus，3.CAN，4.Lonworks，5.Devicenet，6.Interbus，7.WorldFIP，8.Swiftnet，9.P-net， https://www.doczj.com/doc/2b7292794.html,-link，11.AS-i，12.controllnet。 由于现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求， 设备一对一的分别进行连线的结构 形式。把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有 通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底 的分散控制。 现场总线系统在技术上具有以下特点： (1)系统具有开放性和互用性 通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产 品组成开放互连的系统。 系统间、 设备间可以进行信息交换， 不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。 (2)系统功能自治性 系统将传感测量、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，现场设备可以完成 自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。 (3)系统具有分散性 现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性。 (4)系统具有对环境的适应性 现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采 用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。 由于现场总线结构简化，不再需要 DCS 系统的信号调理、转换隔离等功能单元及其复杂的接线， 节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费用。设备具有自诊断与简单故障处理能力，减 少了维护工作量。设备的互换性、智能化、数字化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易 于重构等优点。 下面本文对 Lonworks 总线和其技术特点及原理进行详细阐述： 1. Lonworks 总线及 Lonworks 系统特点 Lonworks 是由美国 Echelon 公司于 20 世纪 90 年代初推出的现场总线， 它采用 ISO/OSI 模型的全部 7 层通讯协议， 这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线， 在工业控制系统中可同时应用在 Sensor Bus、Device Bus、Field Bus 等任何一层总线中。它除了具有上面说提到的现场总线的公共的特点外， 另外，在一个 Lonworks 控制网络中，智能控制设备(节点)使用同一个通信协议与网络中的其它节点通
前言：近年来，各种现场总线技术在愈来愈多的工业现场得到良好的应用，国外多家知名自动化厂商相继推出了现场总线类产品，为了适应工业自动化产品技术发展的需要，满足众多客户现场总线应用需求，台达也推出了CANopen总线产品，支持台达全系列自动化产品，同时支持自定义设备，可以支持其他厂商产品接入CANopen现场总线。 本项目就是利用台达CANopen总线和台达其他自动化产品整合应用，基于CANopen现场总线通讯协议，达到高速通讯响应的控制要求。
控制系统技术方案配置：详见下表 序号 元件名称 型号规格 数量（台） 备注 1 人机界面 DOP-AE10THTD 1 10.4”
2 PLC主机 DVP28SV11R 1 16K Step 3 CANopen主站DVPCOPM-SL 1 SV左侧高速扩展 4 CANopen从站 IFD9503 5 CANopen/Modbus 5 变频器 VFD007B21A
750W，单相220V 6 变频器 VFD007M21A 3 750W，单相220V 7 变频器 VFD004S21A 1 400W，单相220V
上述表格仅列举出技术方案主要元器件，此外还包括121Ω终端电阻以及其他通讯连接电缆等辅助器件，此处均不予赘述。 控制系统原理框图简要介绍： 采用CANopen现场总线作为通讯介质，主要为了实现多从站大量数据高速通信响应和提高通讯稳定性，和传统Modbus通讯协议比较，CANopen总线通讯协议有质的飞跃，数据通讯不再受到Modbus轮
询方式的制约，大大提高了主从站之间的大量数据通讯响应速度和稳定性。 人机界面通过RS485和主站28SV PLC连接，28SV左侧高速并行接口连接CANopen总线主站模块DVPCOPM-SL，5台CANopen 总线从站模块IFD9503分别连接5台台达变频器，系统实现人机输入频率和启停命令，实时显示变频器输出频率、电流、电压等参数数
航空航天数据总线技术发展综述 综述1 70年代以来，随着微电子、计算机、控制论的发展，使得航空电子系统的发展更为迅速。1980年美国专门制定了军用1553系列标准和ARINC系列标准，使数据总线更加规范化。目前自动化程度较高的军、民用飞机，如F-16、F-117、幻影2000、空中客机A340等都采用了数据总线技术。数据总线技术在我国航空电子系统设计中已有十几年的设计和使用经验，本文针对具有代表性的总线标准，包括MIL-STD-1553B、ARINC429、MIL-STD-1773、ARINC629、STANAG3910、RS485及CAN总线技术进行介绍。 1. MIL-STD-1553B MIL-STD-1553B总线全称为飞行器内部时分命令/响应式多路数据总线,它由美国自动化工程师协会在军方和工业界的支持下制定,正式公布于1978年,1986-1993年进行了修改和补充。我国与之对应的标准是GJB289A-97。该总线采用冗余的总线型拓扑结构,传输数据率可达1 Mb/S，足以满足第三代作战飞机的要求。1553B总线系统主要由总线控制器BC和远程终端RT和组成，其字长度20bit，数据有效长度为16bit，半双工传输方法，双冗余故障容错方式，传输媒介为屏蔽双绞线，1553B总线的冗余度设计，提高了子系统和全系统的可靠性。 1553B总线的主要功能是为所有连接到总线上的航空电子系统提供综合化、集中式的系统控制和标准化接口。该总线技术首先运用于美国空军F-16战斗机。在过去的30年中,MIL-STD-1553B已成功地应用于多种战机,并且成功应用于其它控制领域,如导弹控制、舰船控制等，在海军和陆军的武器和维护系统中已经开始采用1553B总线。 随着国防现代化的建设和武器系统的升级换代，我军也开始将1553B协议大量应用到武器系统的设计中。 2. ARINC429 ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会（Airlines Engineering Committee）于1977年7月发表并获得批准使用的,它的全称是数字式信息传输系统(DITS)。协议标准
现场总线基础知识 现场总线技术综述 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。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，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点。 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus （FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状，最后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。 一、现场总线的技术特点 1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，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。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，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、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等
现场总线CAN综述报告 CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。 一． CAN总线的产生与发展 控制器局部网（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。 分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5C 技术--COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和 CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。 典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。 尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN正是在这种背景下应运而生的。 由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991 年 9 月 PHILIPS SEMICONDUCTORS 制订并发布了 CAN 技术规范（VERSION2.0）。该技术规范包括A和B 两部分。2.0A给出了曾在CAN 技术规范版本1.2 中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993 年11 月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准
现场总线概述 现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。 1 现场总线的发展 计算机控制系统的早期，采用一台小型机控制几十条控制回路，目的是降低每条回路的成本。但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效，所以后来发展成分布式控制（DCS），即由多台微机进行数据采集和控制，微机间用局域网（LAN）连接起来成为一个统一系统。DCS沿用了二十多年，其优点和缺点均充分显露。最主要的问题仍然是可靠性：一台微机坏了，该微机管辖下的所有功能都失效；一块AD板上的模/数转换器坏了，该板上的所有通道（8或16个）全部失效。曾有过采用双机双I/O等冗余设计，但这又增加了成本，增加了系统的复杂性。为了克服系统可靠性、成本和复杂性之间的矛盾，更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求，实现控制系统的网络化，一种新型控制技术──现场总线控制系统（FCS）正迅速发展起来。 1.1 什么是现场总线 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。 通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。
LonWorks现场总线及应用实例 LonWorks 是美国Echelon 公司推出的现场总线技术，它采用Lon Talk 协议，封装在Neuron 神经元芯片。Neuron 芯片上集成了3 个CPU，其中一个CPU 作为控制器，可以处理现场I/O，另两个CPU 处理网络通信，因此LonWorks 的最大优势是网络处理能力。它采用ISO/OSI 模型的全部7 层通信 协议及面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置， 其通信速率范围为3kb/s~1. 5Mb/s，直接通信距离可达2. 7 阳。LonWorks 的物理层可以使用多种介质，如EIA485、双绞线、无线电，红外线，等等。使用双 绞线时最高传输速率为1. 25M 胁，最大传输距离为1. 2km，一个网中可以有255 个网段，每个双绞线网段可连接64 个节点;1..onWorks 网上的每个控制节 点，称为LON 节点或1..onWorks 智能设备，它包括一块神经元芯片(Neuron)、 收发器、νo 网络通信接口及电源等功能块，LonWorks 网由多个节点组成， 节点通过收发器接入网络总线。1.LonWorks 特点 LonWorks 是唯一涵盖全部3 个层次(Sensor Bus、Device Bus 和Field Bus)，符合ISO/OSI7 层参考模型的现场总线技术。在一个多种层次的现场总线产品 并存竞争的现实环境下，LonWorks 兼收并蓄，成为连接过去、包容现在、面 向未来的工业总线技术。 LonWor ks 技术的核心是以固件形式实现7 层通信协议，遵循元中心控 制的真正分散模式;结点应用程序编写简易，开发系统完备;实行开放结构，具 备良好的互操作性;另外，还有网关可方便构成局域网，甚至与Internet 相连， 实现远程预览现场设备数据的应用。 LonWorks 技术在楼宇自控系统中的技术上的优势是显而易见的: (1)直接互联性。不同品牌、功能的DDC 组成一个统一控制网络协同工
现场总线技术综述
2008-3-3 15:51:00 来源：中国自动化网
现场总线控制系统技术是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的 工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的 PLC 和 DCS 控制系 统基本结构的革命性变化。 现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术 含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原 来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。 尤其是 20 世纪 90 年 代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合 Internet 和 Intranet 的迅猛发展， 现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。 现场总线控 制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。
1 现场总线的发展
计算机控制系统的早期，采用一台小型机控制几十条控制回路，目的是降低每条 回路的成本。但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效，所以后来发展成分布式 控制（DCS），即由多台微机进行数据采集和控制，微机间用局域网（LAN）连接起 来成为一个统一系统。DCS 沿用了二十多年，其优点和缺点均充分显露。最主要的 问题仍然是可靠性：一台微机坏了，该微机管辖下的所有功能都失效；一块 AD 板上 的模/数转换器坏了，该板上的所有通道（8 或 16 个）全部失效。曾有过采用双机双 I/O 等冗余设计，但这又增加了成本，增加了系统的复杂性。为了克服系统可靠性、 成本和复杂性之间的矛盾，更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求， 实现控制系统的网络化，一种新型控制技术──现场总线控制系统（FCS）正迅速发 展起来。 1.1 什么是现场总线 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机 系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某 个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。 数据的传输介质可以是电线电 缆、光缆、电话线、无线电等等。 通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并 联接线方式，从 PLC 控制各个电器元件，对应每一个元件有一个 I/O 口，两者之间需 用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当 PLC 所控制的电器元件数量达到数十个 甚至数百个时， 整个系统的接线就显得十分复杂， 容易搞错， 施工和维护都十分不便。 为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有 的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根 线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿 现场， 不同于计算机通常用于室内， 所以这种总线被称为现场的总线， 简称现场总线。
现场总线习题答案 作者：张磊 第一章现场总线技术概述 1.自动控制系统的发展经历了哪几个阶段？ 大致经历了四个发展阶段，具体如下：20世纪50年代以前是模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；70年代中期出现集散控制系统；90年代后期现场总线控制系统。 2.DCS控制系统的结构包括哪几部分？ 包括三部分：分散过程控制装置部分，操作管理装置部分，通信系统部分 3.现场总线的基本定义？ 现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。 5. 现场总线控制系统的技术特点。 1.开放性； 2.全数字化； 3.双向通信； 4.互可操作性与互用性； 5.现场设备的智能化与功能自治性 6.系统结构的高度分散性 7.对现场环境的适应性 6. FCS相对于DCS具有哪些优越性？ 1．FCS实现全数字化通信2．FCS实现彻底的全分散式控制3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作4．FCS增强系统的可靠性、可维护性5．FCS降低系统工程成本 7. 分析现场总线的现状，展望其发展前景。 第二章数据通信基础与网络互联 1.何谓现场总线的主设备、从设备？ 可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。
2.总线操作过程的内容是什么？ 总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开，这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。 3.寻址方式有几种？物理寻址逻辑寻址广播寻址 4.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能? 通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。 信息源和接收者是信息的产生者和使用者 发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。 传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。 5.通信方式按照信息的传输方向分为哪几种? 单工(simplex)方式；半双工(Half duplex)方式；全双工(Full duplex)方式 6.通信的传输模式分为哪几种? 基带传输载波（带）传输宽带传输异步转移模式ATM 7.在载带传输中有哪几种常用的数据表示方法？ 调幅方式、调频方式、调幅方式 8.在数据通讯系统中，通常采用哪几种数据交换方式? 线路交换方式报文交换方式报文分组交换方式 9.比较通信系统中的几种拓扑结构。 星型结构：在星形拓扑中，每个站通过点-点连接到中央节点，任何两站之间通信都通过中