自动化控制系统现场总线的设计及实现Word文档格式.docx
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是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。
主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
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420mA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。
现场总线的主要产品连接于总线上的产品可以分为有源和无源两大类。
标准化功能模块与功能模块应用进程。
它提供了一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成可在某个现场设备中执行的应用进程。
便于实现不同制造商产品的混组态与调用。
功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动功能的基础。
为了实现各种不同设备的互联，必然要注意将接口设计的规范化。
2正文
2.1背景和意义
2.11现场总线的发展背景
现场总线（Fieldbus）[1]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。
1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它现场总线技术发展概览主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多（MULTIBUS）[2]分离，形成了现场总线的最初概念。
80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议。
采用在4～20mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。
HART协议已是现场总线的雏形。
1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了WorldFIP制定了FIP协议。
1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。
后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISASP50。
随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：
一个是以Siemens、Rosemount，横河为首的ISP集团；
另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。
1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（FieldbusFoundation）简称FF。
对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：
共同制定遵循IEC/ISASP50协议标准；
商定现场总线技术发展阶段时间表。
2.11现场总线的发展意义
目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。
从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。
因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。
而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。
今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。
高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。
目前这一领域还比较薄弱。
因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。
而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。
发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对中国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。
自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。
现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有；
智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；
组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；
网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；
人机接口、软件技术；
现场总线系统集成技术。
总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。
既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。
大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。
几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。
加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。
有理由认为：
在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。
在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。
这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。
2.2方案的论证
2.21系统的开放性
传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。
在FCS中,工作站同时靠挂于现场总线和局域网两层网络，通过后者可以与其它计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。
另外，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，没有专利许可要求，实行技术共享。
它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。
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。
系统测试技术包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术、总线监听分析技术、系统的功能和特性测试技术。
一致性和可互操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。
一般要经授权过的第三方认证机构专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果现场总线管理中心登记授予FF标志。
只有具备了FF标志的现场总线产品才是真正的FF产品，其通信的一致性和系统的开放性才有相应保障。
有时，对由具有FF标志的现场设备所组成的实际系统，还需进一步进行互可操作性测试和功能性能试测试，以保证系统的正常运行，并达到所要求的性能指标。
总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，以便于通信系统的测试、诊断与评价。
对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技术还包括对其实现各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。
并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统综合指标的评价。
2.22可操作性与互用性
不同厂家生产的DCS产品不能互换，要想更新技术和设备，只能全部更换。
FCS可实现互连设备间、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。
不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
2.23现场设备的智能化与功能自治性
传统的DCS至少要有操作站、控制站和现场设备三层结构，它的信号传递是模拟信号的单向传递，信号在传递过程中产生的误差较大，另外系统难以迅速判断故障而带故障运行。
在FCS中采用双向数字通讯，它将传感测量、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，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
2.24系统结构的高度分散性
由于FCS现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。
从根本上改变了原有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
2.25对现场环境的适应性
现场总线作为工厂底层网络工作在现场设备前端,是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、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，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
现场总线的优点如下
（1）节省硬件数量与投资由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、测量、控制、报警和计算功能因而可减少变送器的数量不再需要单独的调节器、计算单元等也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线还可以用工控PC机作为操作站从而节省了一大笔硬件投资并可减少控制室的占地面积。
（2）节省安装费用现场总线系统的接线十分简单一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少连线设计与接头校对的工作量也大大减少。
当需要增加现场控制设备时无需增设新的电缆可就近连接在原有的电缆上既节省了投资又减少了设计、安装的工作量。
据有关典型试验工程的测算资料表明可节约安装费用60以上。
（3）节省维护开销现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室用户可以查询所有设备的运行诊断维护信息以便早期分析故障原因并快速排除缩短了维护停工时间同时由于系统结构简化连线简单而减少了维护工作量。
（4）用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。
避免因选择了某一品牌的产品而限制了使用设备的选择范围不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
5提高了系统的准确性与可靠性现场设备的智能化、数字化与模拟信号相比从根本上提高了测量与控制的精确度减少了传送误差。
简化的系统结构设备与连线减少现场设备内部功能加强减少了信号的往返传输提高了系统的工作可靠性。
此外由于它的设备标准化功能模块化因而还具有设计简单易于重构等优点结束语现场总线技术的兴起开辟了工厂底层网络的新天地。
它将促进企业网络的快速发展为企业带来新的效益因而会得到广泛的应用并推动自动化相关行业的发展。
2.3方案的设计
2.31过程控制层
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联的实时控制通信的网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议。
依照现场总线的协议标准，智能设备采用的功能块的结构设计，通过组态设计完成数据采集、A仍转换、数字滤波、温度压力补偿、PD控制等各种功能。
智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。
此外，总线上应用PLC等接口，以便于连接原有的系统。
现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线必须采取合理网络拓扑结构。
如图3-1
图3-1现场总线的控制层示意图
2.32制造执行层
这一层是从现场设备中获取数据，完成各种控制、运动参数的检测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下载．制造执行层的功能一般有上位计算机完成，它通过扩展槽中网络接口与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信，或者通过专用的现场总线接口实现现场总线段与以太网段的连接，这种方式使系统配置更加灵活。
制造执行层还提供实时数据库、工艺流程监控、先进控制以及设备管理等功能．现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础，这种控制网络是直接面向生产过程，因此要求有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性．同时现场总线还要完成向上层工厂信息系统进行数据交换和传递工作。
综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业架构中，现场总线网络涉及到从底层现场设备到上层信息网络的数据传输过程。
2.33资源管理规划层
主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统，这一层的主要目的就是将中间监控层的数据库中的信息转入到本层的关系数据库中，这样远程用户就可以通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备工况，对生产过程进行实时的远程监控。
在赋予一定权限以后，还可以修改各种设备的参数和运行参数，从而在广域网范围内实现底层测控信息的实时传递．现场设备具有高度智能化和功能自治性现场总线控制技术将系统的传感器测量、补偿计算、工程量的处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅仅依靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
系统结构的高度分散性现场总线构成了一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有的DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化系统的结构，提高系统的可靠性。
对现场环境的高度适应性现场总线是工厂网络底层，是专为现场而设计的，能通过采用两线制实现供电与通信，并可以满足本质安全防爆的要求。
具体的物理层通信它可以利用双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等实现信号传输，具有较强的抗干扰能力．由于现场总线以上特点，尤其是现场总线系统结构的简化，使得以现场总线控制技术为基础的控制系统从设计、安装、投入到正常生产运行以及日后维修维护都变得十分简便。
2.4硬件的设计
2.41网络结构
传统的现场级与车问级监控系统多是基于PLC的分布式监控系统，其主要特点之一是现场层设备与控制器之间的连接是一对一的I/O接线方式，信号传递是4-20ｍA模拟信号，存在信息集成能力弱，系统不具开发性，可集成性差，可靠性不易保证，可维护性不高等弊端。
如图4-1
图4-1传统总线系统
现场总线用数字化通讯取代和20TAN模拟信号的传统技术，使用数字化通信完成现场设备通信和控制要求，通过上面两章的介绍我们知道现场总线控制系统具有如下特点：
（1）基于现场总线的自动化监控系统增强了现场信息的集成能力可从现场设备获得大量丰富信息，集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体。
（2）开放性、互操作性、互换性、可集成性大大提高不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性。
（3）可靠性、可维护性好总线方式替代一对一I/O连线，减少了接线点造成的不可靠因素，同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能。
（4）节省成本，对大范围大规模IO的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块等。
通过以上特点我们可以看出现场总线比较适合于设备布局分散、设备控制系统不统一、同时还便于系统以后扩充，这些特点与本项目实施的车间状况还是极其相似的，在该目标实施的项目中目前要集成入网的设备共14台，这14台设备是分布在一个69ｍ×
80ｍ厂房中，距离较分散，此外还有7台改造和正在安装的设备，这7台设备在将来都是要集成入网的，这些特点都促使我们需要选择一套合适总线控制系统完成数据采集工作。
设备车间现场布局分布如图4-2所示。
图4-2现场布局分布
根据上面的分析、从综合经济性和实用性出发，车间作业监控系统选用PROSHTE．DP现场总线，采用单主站，监控站双机冗余结构，物理层是采用RS-485传输技术。
PROISHR采用的是线形结构，其特点是简明，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，主站扫描所有从站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道。
另外，不需关闭总线系统就可以把一个从站设备从总线上拆下，实现设备动态增减，这给总线系统的维护带来了很大方便，同时还便于总线控制系统扩充。
现场总线网络本方案选择了“结构类型2”，这种网络结构类型就是以PLC
或控制器做ｌ类主站，监控站通过PLC的自由口与PLC一对一连接。
监控站PC通过网卡接入矾TEBRAND，在这种结构中，监控站不在RPRHJAFU网上，不是2类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作，监控站的数据只能从主站PLC控制器中获取。
主站选择西门子S7．300（CPU315．2DP），从站选择（CPU224），监控站选择是两台研华工控机加网卡，为了保证系统的稳定性，系统运用了双机冗余，一台工控机通过现场总线接口卡与主站PLC相连，另一台冗余机通过矾ＴＥＲＮＥＴ第一台监控站相连，若其中一台工控机发生故障，冗余监控站可继续运行．对于这种结构类型，PC机故障将导致整个系统瘫痪，因此PC机选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级PC机，同时配备了双机冗余功能，以保证系统的可靠性。
本系统总的结构是1个主站、9个从站、1个监控站、1个监控站的冗余站，S7-300实现主站的功能，主要是负责总线网络组态，通信管理，与从站完成数据交换，并向监控站提供数据；
第一道工序（串列线工序）是三台设备考虑到位置因素、信号传输长度、设备使用率和重要性等因素，第一、二台串列线共用一个从站（S7-200），第三台串列线单独使用一个从站；
第二道工序星对绞工序的四台设备共用一个从站实现长度脉冲时钟的采集：
在第三道成缆工序两台设备控制单元是使用的西门子S7.200MC，为此直接加装了EM277控制模块实现，实现现场设备直接以从站的接入总线网络，在第四道铝包覆高频焊机工序使用了一台从站实现两台设备长度数据采集；
在第五道主要装铠机工序上是由于布局和以后扩展的考虑，单独用一个从站实现数据采集；
第六道外护工序上两台挤出机分别单独作为从站接入到总线控制网络中去，也是通过加装总线通信模块EM277实现。
上述方案之所以这样选择是与现有系统与用户的需求分不开，在保证了用户设备在不改动情况选择这样一个折衷方案，方案中从站确定原因如下：
一是在第一道绝缘单线（串列线）工序长度脉冲采集主要是通过传感器产生计数脉冲，再通过PLC实现脉冲个数采集，该工序三台设备都是采用欧姆龙的PLC，设备厂家处于技术保密和用户在不改变原有设备系统要求下，我们采用了直接采集长度脉冲的方式，长度脉冲采集是通过从站S7.200（CPU224）内部高速计数器来实现的；
二是第二道星对绞工序共有四台设备，三台星绞设备是LG的PLC控制，对绞设备是单片机控制，因此我们也是选用了与第一道工序同样的方式采用了直接通过从站直接采集长度脉冲方式实现长度数据获得；
三是对于第三道成缆工序和最后一道外护工序由于控制装置本身采用就是西门子PLCS7．200CPU2248．因此就是直接通过加装EM335通信模块形式直接把S7-200控制器作为从站直接加入到总线网络中去；
四是对于铝包覆工序上2台高频焊机（1台在用，1台安装中）和装铠工序上设备由于采用的是单独计米设备，既有电子式的也有机械式计米装置，为此把机械式计米装置统一更换成电子式计米装置，至于长度采集也是通过从站记录传感器脉冲形式实现长度采集。
2.42编程功能块的构成
PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的不同需要。
用于S7-300的编程语言通常有以下几种：
梯形图、语句表、功能块图。
梯形图（LAD）是STEP7编程语言的图形表达方式，是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
它的基本思想与继电器控制系统梯形图是一致的，只是在使用符号和表达方式有一定的区别。
语句表（STL）是STEP7编程语言的文本表达方式，与机器码相似，类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础、最灵活的编程语言。
功能块图（FBD）是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。
复合功能（如数学功能）可用逻辑框相连直接表达。
上面三种编程语言都集成在STEP7标准软件包中。
本设计中，根据要实现的功能和编程的方便，采用以上三种语言相结合的编程方法。
STEP7程序主要是电机起停、状态转换、互锁控制、PID控制、模拟量处理、单机／自动方式控制、设备运行状态及检测与执行器件工作状态监测、网络工作状态监测、过程参数处理、安个功能、故障提示等程序。
可使用以上3种编程语言，3种方式在一定条件下可互相转换。
在编制程序时，先编写控制器CPU的启动块（在57300中即OB100）后，以硬件配置指定的I/O区及工艺流程和设备布置为依据，将整个控制系统的控制任务分解成许多单个的任务，并采用相关的程序块或段完成，最后要完成在循环程序处理块OBI中的调用啪１。
在PLC的CPU中，有两种不同的程序执行：
操作系统和用户程序。
操作系统用来组织与具体控制任务无关的功能，主要包括处理CPU启动、周期更新输出／输入过程映像区、调用用户程序、处理中断和故障、管理内存、设备通讯。
可以通过改变操作系统参数来影响CPU的运行。
建立符号表：
PLC编程中，每个输入输出都有由硬件组态预定义的一个绝对地址，该地址可以由编程者按自己的意愿选定的符号替代。
STEP7的编程中，可以生成一个符号表，在该表中，．为所有的绝对地址分配符号地址和数据类型。
它相当十全局变量，以后的编程，可以直接运用符号来代替绝对地址。
其好处在十：
增加程序的可读性；
程序的修改可以通过仅仅修改符号表来达到目的，而不必在程序中用到的地方作修改。
调用相关的组织块。
选择插入FB，FC等程序块，在其中编写控制程序。
编程语言可选语句表（STL）梯形图（LAD）和功能块（FBD）在OBI中调用程序块。
PLC编程采用模块式编程方法，通过编写处理这些模块，解决控制任务程序。
类型包括逻辑块（组织块、函数和函数块）和数据块DB。
另外，还有用户定义数据类型UDT、变量表VAT、系统数据CSYSET系统函数SFC系统函数块SFB。
其中OB1为自动创建，用户程序在这里循环执行。
用户程序是由用户创建并下载到CPU中的程序。
用于处理指定的自动化任务。
主要包括指定启动的条件、处理过程数据、指定对中断的处理、处理程序正常运行中的紊乱等等。
2.43程序功能块的运用
STEP7中的用户程序由各种各样的功能块组成，包括系统提供的功能也是以功能块的形式提供。
程序的这种结构具有以下几个优点：
程序易于扩展、程序段可以标准化、程序组织更简单、易于修改程序、便于调试等。
S7用户程序包括以下几种类型的功能块：
组织块（OB）、系统功能块（SFB）、系统功能（SFC）、功能块（FB）、功能（FC）、数据块（DB）、实
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