集散控制系统与现场总线技术实验指导书2利用Profibus组网
PROFIBUS总线
PROFIBUS 协议的特点
1) 不支持长信息段 > 235 B 2)不支持短信息组块功能 3)本规范不提供由网络层支持运行的功能 4)除规定的最小组态外，根据应用需求可以
建立任意的服务子集。 5)其他功能是可选的，如口令保护方法等。 6)网络拓扑是总线形，两端带终端器或不带
终端器。
7)介质、距离、站点数取决于信号特性。 8)传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从
JB/T10308-3-2001。
PROFIBUS由以下三个兼容部分组成:
1.PROFIBUS-DP：用于传感器和执行器级的 高速数据传输，它以DIN19245第一部分为基 础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以 扩充，DP传输速率可达：12 Mbit/s。
一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环 数据传输方式工作。
3.PROFIBUS-FMS：解决车间一级通用性通信
任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中 等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由 于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以 及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是 系统的功能而不是系统响应时间，应用过程通常 要求的是随机的信息交换 (如改变设定参数等)。 可用于大范围和复杂的通信系统。
RS-485总线段的结构
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω
DGND(5)
RS485段
B RS485总线段的结构
A
....
最多32个站
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω DGND(5)
（1）传输程序
半双工、异步、无间隙同步 NRZ（不归零）编码 “1”——RXD/TXD-P（Receive/Transmit-
第2层提供的数据服务如下: 1)发送数据需应答 (SDA) 2)发送数据无需应答 (SDN） 3）发送和请求数据需回答 (SRD) 4）循环地发送和请求数据需回答 (CSRD)。 上一层通过第2层的SAP(服务存取点)调用
集散控制系统及现场总线 第2版
( 4-3 )
Qo Qf Qg
( 4-4 )
因此，燃料油的供给是出口温度和物料进料流量两者的函数，即
SP k3 X k4Qo
数据点应用举例(续)
(2)空气/燃料比值控制 根据所用油和废气总量以及烟气中希望的氧气含量， 本控制方案也控制空气流量。 首先，用式(4-6)计算总的热量(BTU)含量。
序、输出及其他。
数据点介绍(续)
3.数据点驻留
数据点可以驻留在TDC3000中的一些部件里(见表 4-3)。当网络
组成时，工程师规定了过程连接装置或 LCN模块。该数据点保存在何 处，由存取数据的信息出口来决定。保存在数据点的装置或模块类型 可能制约该点的功能。
4.数据点的建立
在TDC3000中，一个特殊的“编码程序”功能，是用来在过程数
TDC3000的UCN网上挂接的模块(1)
1.逻辑控制站(Logic Manager，LM)
LM是用于逻辑控制的现场控制站。它具有PLC控制的特点，同时 在 UCN 网络上可方便地与系统中各模块进行通信，使DCS 与PLC 更有机 地结合。LM能使其数据集中显示、操作和管理，LM提供逻辑处理、提 醒逻辑编程和逻辑程序执行等操作，能与LCN和UCN网中的模块进行通 信，并利用控制网络设计特点，把快速逻辑控制和 TDC3000 过程管理 功能有机地结合起来。
TDC3000的UCN网上挂接的模块(2)
3.增强型过程管理站 (Advanced Process Manager，APM)
APM是过程管理站(PM)的发展，它为用户提供一个可靠的输入/
输出及控制技术，除了具有PM的相同功能外，APM还可以提供更密集的 连续控制和离散控制以及某一装置的子系统信息。
集散控制与现场总线技术-实验指导书
集散控制与现场总线技术实验指导书实验一 建立工程项目一、 实验目的：1、了解WinCC 的特点。
2、熟悉和掌握项目管理器的结构。
3、掌握项目创建的步骤。
二、 实验设备安装了WinCC 软件的计算机三、 实验原理1、 项目管理器（1） 启动WinCC 安装成功后，WinCC 将出现在操作系统的开始菜单上。
启动WinCC 可使用Windows Control 5.0命令，也可通过其他方式启动WinCC 项目管理器。
（2） WinCC 项目管理器的结构使用WinCC 项目管理器，可完成以下工作：● 创建和打开项目。
● 管理项目数据和归档。
● 打开各种编辑器。
● 激活或取消激活项目。
WinCC 项目管理器的用户界面由以下元素组成：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、 浏览窗口和数据窗口，如图1-1所示。
状态栏浏览窗口数据窗口图1-1 WinCC 项目管理器2、项目类型WinCC中的工程项目分为3种类型：单用户项目、多用户项目和客户机项目。
项目包括“计算机”、“变量管理器”、“编辑器”等组件。
单用户项目是一种只拥有一个操作终端的项目类型。
在此计算机上可以完成组态、操作、与过程总线的连接以及项目数据的存储。
项目的计算机既用作进行数据处理的服务器，又用作操作员的输入站。
其他计算机不能访问该计算机上的项目（通过OPC等访问的除外）。
单用户项目可与多个控制器建立连接。
在单用户项目计算机所在的自动化网络中，一般只有一台PC机。
如果有多台PC机，则PC机上的数据也是相互独立的，不可通过WinCC 进行相互访问。
如果只希望在WinCC项目中使用一台计算机进行工作，可创建单用户项目，运行WinCC。
3、创建项目的步骤第一步：准备工作。
创建项目前应对项目的结构给出一些初步的考虑。
可从如下几个方面进行：（1）项目类型在开始创建项目前，应清楚创建的是单用户项目，还是多用户项目。
（2）项目路径可将WinCC项目创建在一个单独的分区上，不要将WinCC项目放在系统分区上（即不要将项目建立在C盘上）。
利用PROFIBUS协议进行网络通信
利用PROFIBUS协议进行网络通信PROFIBUS是世界上第一个开放式现场总线标准，目前技术已成熟，其应用领域掩盖了从机械加工、过程掌握、电力、交通到楼宇自动化的各个领域。
PROFIBUS于1995年成为欧洲工业标准（EN50170），1999年成为国际标准（1EC61158-3）。
在S7-200 系列plc的CPU中，CPU22X都可以通过增加EM277 PROFIBUS-DP 扩展模块的方法支持PROFIBUS DP 网络协议。
最高传输速率可达12Mbit/s。
采纳PROFIBUS的系统，对于不同厂家所生产的设备不需要对接口进行特殊的处理和转换，就可以通信。
PROFIBUS 连接的系统由主站和从站组成，主站能够掌握总线，当主站获得总线掌握权后，可以主动发送信息。
从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。
它们可以接收信号并赐予响应，但没有掌握总线的权力。
当主站发出恳求时，从站回送给主站相应的信息。
PRORFIBUS除了支持主／从模式，还支持多主／多从的模式。
对于多主站的模式，在主站之间按令牌传递挨次打算对总线的掌握权。
取得掌握权的主站，可以向从站发送，猎取信息，实现点对点的通信。
西门子S7通过PROFIBUS现场总线构成的系统，其基本特点如下：（1）PLC、I/O模板、智能仪表及设备可通过现场总线连接，特殊是同厂家的产品供应通用的功能模块管理规范，通用性强，掌握效果好。
（2）I/O模板安装在现场设备（传感器、执行器等）四周，结构合理。
（3）信号就地处理，在肯定范围内可实现互操作。
（4）编程仍采纳组态方式，设有统一的设备描述语言。
（5）传输速率可在9.6kb／s～12Mb／s间选择。
（6）传输介质可以用金属双绞线或光纤。
1．PROFIBUS的组成PROFIBUS由三个相互兼容的部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。
（1）PROFIBUS-DP（Distributed Periphery 分布I/O系统）PROFIBUS-DP是一种优化模板，是制造业自动化主要应用的协议内容，是满意用户快速通信的最佳方案，每秒可传输12兆位。
现场总线与工业以太网-ProfiBus通讯技术
ProfiBus通讯技术的概述
1
类型
按传输速度分为ProfiBus DP、ProfiBus PA和ProfiBus FMS三种类型。
2
特点
传输距离长、接口方便、可靠性高、实时性好、适用性强。
3
应用领域
广泛应用于工业自动化、过程自动化以及工控网络。
现场总线和工业以太网的区别
1 支持的节点类型不同
ProfiBus适用于工厂自动化现场的传感器、执行机构等自动控制设备，而工业以太网适用 于计算机网络中的各种数据传输节点。
身技术的改进和完善，与现有工业控制网络 相结合，不断满足不同行业的自动化需求。
方便的接口
标准的RS-485接口易于连接和维护。
适用性强
适用于多种设备和场合，能适应多变的现场环 境需求。
ProfiBus在工业自动化中的应用
生产过程中的控制
ProfiBus应用广泛，如轨道交通信号控制系统，飞机 发动机控制系统，生产过程中的各种控制以及机器 人控制平台等。
物流行业中的应用
Proபைடு நூலகம்iBus应用在物流行业中，如卷烟机设备、包装设 备、包卷设备和输送带设备。
ProfiBus的未来发展趋势
1
实现更高速率
为满足控制网络不断提升的数据传输速度和容量需求，ProfiBus正在不断研发设计更高速率的 新产品，比如ProfiNet IOC。
2
支持IEEE 802标准
正在开发能够支持IEEE 802标准的ProfiBus产品，以增强ProfiBus网络兼容性和互操作性。
现场总线与工业以太网ProfiBus通讯技术
现场总线与工业以太网是工业自动化领域中最常见的现场通讯技术。本次演 示将深入探讨其中最前沿的ProfiBus通讯技术。
集散控制系统及现场总线第二版课程设计
集散控制系统及现场总线第二版课程设计1. 课程设计目的本课程设计旨在让学生通过对集散控制系统及现场总线的学习及实践，掌握以下能力：1.理解集散控制系统和现场总线的基本概念、功能及组成结构；2.掌握PLC程序设计及调试技能；3.能够独立完成集散控制系统及现场总线的搭建和调试；4.培养学生的解决问题的能力和团队合作精神。
2. 课程设计内容及进度安排2.1 课程设计内容本课程设计内容主要包括以下两个模块：1.集散控制系统设计；2.现场总线的应用与设计。
2.2 进度安排模块名称安排时间安排内容集散控制系统设计第1周-第3周1. 集散控制系统结构及组成；2. 数据通信及控制策略；3. PLC程序设计及调试。
现场总线的应用与设计第4周-第6周1. 现场总线标准及通信协议；2. 现场总线搭建及通信测试；3. 现场总线应用案例分析。
3. 课程设计具体方案3.1 集散控制系统设计1.学生分组，每组4人，每人分工明确；2.每组选定一项可实施的课程设计方案并报备给指导老师；3.对所选课程设计方案进行分析、设计、编程及调试；4.测试所设计的集散控制系统，确保其能够实现设计要求；5.撰写课程设计报告。
3.2 现场总线的应用与设计1.学生重新分组，每组4人；2.每组选定一项可实施的现场总线应用案例并报备给指导老师；3.对所选案例进行现场总线设计、组态及调试；4.测试所设计的现场总线，确保其能够实现设计要求；5.撰写课程设计报告。
4. 课程设计评分标准评分项目分值设计报告撰写20分PLC程序设计及调试40分集散控制系统设计及调试20分现场总线搭建及组态10分现场总线传输效果测试及应用案例分析10分团队协作及表现20分总分120分5. 总结本课程设计通过对集散控制系统和现场总线的学习和实践，提高了学生的实践操作能力、解决问题的能力和团队合作精神。
学生不仅动手实践了，而且在整个设计过程中通过对理论知识的应用提高了对理论的理解能力，有助于提高学生的实际应用能力。
集散控制系统与现场总线6
DCS与现场总线
6.3.2 现场总线协议模型
4.用户层 主要任务是制定现场总线设备中数据库信息的存取规则 ， 定 义功能块，提供系统组态语言。 网络管理部分将4个层次有机地结合在一起，协调地工作。
DCS与现场总线
6.3.3 现场总线仪表
1.所有公司生产的现场仪表，具有统一的总线协议，或者是必 须遵守相关的通信规约。
·工作时间记录; · 温度测量：当前温度、最小/最大温度（记忆）、 每个温度段的工作时间、设定点报警检测。 ·在线控制阀座（上、下行程位置）; ·监视或显示可调阈值：累积行程、100％阀位、 动作次数、死区补偿; ·报警1和2（位置报警）的次数。
信息差错检测 可帮助技术人员缩短查找故障的时间。
DCS与现场总线
6.1.1 现场总线的基本定义
2.全数字化 现场总线采用数字信号通信，用数字通信代替4-20mA的连接 标准。 各种开关量、模拟量信号转变为数字信号，然后通过总线传 输。 3.双向传输 一条总线上既可以向上传递各类传感器信号，又可以向下传 递执行器的控制信号。 通过串行通信接口部件，使所有现场设备采用统一的协议标 准。
6.4 现场总线的技术应用
6.4.1 现场总线网络的应用特征
1. 通信介质——双绞线、光纤、无线等，实现成本低；IT网络需要专用电缆
，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。
2. 通信响应的实时性——对实时性要求较高；IT网络的实时性可以忽略。
3. 传输的信息长度
数据传输长度一般都比较小，节点通常也较少，对网络传输吞吐量要求不高
。IT网络传输大批量数据信息，通信量较大。
4. 环境适应性与安全性
较强的环境适应性和安全性，包括防电磁干扰、防潮、防震动等；IT网络则
《集散控制系统及现场总线技术》课程教学大纲
《集散控制系统及现场总线技术》教学大纲课程名称：集散控制系统及现场总线技术（Distribution Control System and Field Bus Technology）课程编码：1502ZY028 课程类别：专业选修学分：2 分总学时：32 学时，其中，理论学时：22 学时；实验学时：10 学时适用专业：自动化、自动化产业班先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、过程控制系统及装置杨三青周永乾一、课程性质《集散控制系统及现场总线技术》是自动化专业的一门专业选修课。
本课程介绍集散控制系统及现场总线的基本概念、特点及发展情况；详细阐明了系统构成、数据通信、控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理及应用。
旨在培养从事工业企业集散控制系统及现场总线的生产、建设、管理、维护第一线需要的有理论、重实践的高技能型人才，使学生获得集散控制系统及现场总线的基本知识和实际应用能力，为今后从事职场工作打下坚实基础。
二、课程目标（一）育人目标紧紧围绕坚定学生理想信念，以爱党、爱国、爱社会主义、爱人民、爱集体为主线，将育人要素嵌入到集散控制系统及现场总线技术课堂教学中。
通过积极培育和践行社会主义核心价值观，运用马克思主义哲学的方法论，引导学生正确做人和做事；注重在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力；注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。
让学生成为德才兼备、又红又专、全面发展的人才。
（二）知识和能力目标1.了解集散控制系统及现场总线的基本概念，体系结构，各种信号传输标准（支撑毕业要求2.1）2.掌握集散控制系统及现场总线硬件组成、数据通信，网络架构，熟悉各种通信协议。
（支撑毕业要求2.1）3.掌握集散控制系统及现场总线软件组成，了解各种控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理等技术。
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实验二利用Profibus组网
一、实验目的
（1）了解I501过程控制及工控系统实验室Profibus-DP现场总线控制网络的构成；
（2）初步掌握Profibus网络的组态方法；
（3）在西门子人机界面上熟练进行对各个站点的监视和控制。
二、实验设备
A3000高级过程控制实验系统（6套，含西门子S7-200PLC6台，带EM277模块）、西门子人机界面1套、S7-300PLC一台。
三、实验步骤
1、了解I501过程控制及工控系统实验室Profibus-DP网络的构成
过程控制及工控系统实验室Profibus-DP网络由以下站点构成：
1）靠窗边从左到右依次为：西门子人机界面（站地址10）、5号S7-200站（站地址5）、6号S7-200站（站地址6）；
2）靠左墙为11号S7-200站（站地址11）；
3）靠走廊从作到右依次为12号S7-200站（站地址12）、13号S7-200站（站地址13）和14号站（站地址14）。
2、了解S7-200站点的模块构成以及Profibus-DP网的连接方法
1）每个S7-200站点由CPU222CN AC/DC/RLY 模块、EM235 CN AI4/AQ1 ×12bit和EM277 Profibus DP 构成。
2）观察Profibus-DP电缆的结构和与EM277模块的链接，以及终端电阻的接入与否。
3）观察EM277模块上站地址设置开关的位置与站地址的关系。
3、利用西门子人机界面（Siematic Panel）对S7-200站点进行监视和控制
1）开启各个A3000高级过程控制系统实验台上的S7-200站点，将下水箱液位输出信号接入PLC的AI0，PLC的AO0接变频器控制信号输入，构成利用变频器进行控制的单回路水位定值控制系统，相关管路阀门也应设置为相应的开关状态；
2）开启西门子人机界面（Siematic Panel），首先出现的是“系统”画面；
3）按F19进入“主画面”，它显示出了系统的结构。
4）按F4（下一步），则进入站点选择画面，它显示了5、6、11、12、13、14号站点，以及进入每个站点的“远程监视”和“远程控制”功能的按键。
5）按F4（进入），则进入11号站的“远程控制”功能。
6）画面上显示了“实验一单容水箱特性测试”、“实验二双容水箱特性测试”、“实验三锅炉水温特性测试”、“实验四调节阀支路流量特性”、“实验五水泵压力特性测试”、“实验六单容水箱定值控制”、“实验七双容水箱定值控制”、“实验八三容水箱定值控制”、“实
验九调节阀支路流量定值控制”、“实验十变频器支路流量定值控制”、“实验十一锅炉温度定值控制”、“实验十二水泵压力定值控制”、“实验十三双容水箱液位定值控制”、“实验十四液位与调节阀流量串级控制”和“实验十五液位与变频器流量串级控制”；
7）输入数字“6”，按F19（确定），则进入“实验六单容水箱定值控制”画面；
8）按F4键可以让PLC在“自动”控制状态和“手动”控制状态之间进行切换；
9）按F19键可以刷新画面；
10）按▲、▼键，可以改变当前光标的位置，从而可以对控制器的设定值（sv）、输出值（MV，只有手动状态下才有效）、比例系数（k）、积分时间（Ti）、微分时间（Td）进行修改，并按Enter键进行确认，从而可以在画面上观察系统的运行状态。
11）在人机界面上给系统施加给定值扰动，按照临界比例度法对系统进行整定，得到4:1的衰减振荡过程。
记录下此时的过渡过程曲线形状和PID参数。
比例系数：50、积分时间20、微分时间0 。
12）退出人机界面。
13）PLC停止运行。
14）关闭A3000高级过程控制实验系统电源。
3、练习Profibus-DP网的组网方法
西门子S7-400，S7-300PLC可以通过PROFIBUS-DP方式与S7-200的EM277进行通讯。
本实验采用一台CPU315-2DP作为PROFIBUS-DP通讯的主站，S7-200的EM277作为PROFIBUS-DP通讯的智能从站进行通讯。
S7-300与S7-200通过EM277进行PROFIBUS-DP通讯，需要在STEP7中进行S7-300站组态，在S7-200系统中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要进行通讯的数据整理存放在V存储区与S7-300的组态EM277从站时的硬件I/O地址相对应就可以了。
1）新建项目：在STEP7中创建一个新项目，点击右键，在弹出的菜单中选择“Insert New Object”→“SIMATIC 300 Station”，插入S7-300站。
2）双击“Hardware”选项，进入“HW Config”窗口。
点击“Catalog”图标打开硬件目录，按硬件安装次序和订货号依次插入机架、电源、CPU等进行硬件组态。
插入CPU时会同时弹出PROFIBUS组态界面。
点击“New”按钮新建PROFIBUS(1)，组态PROFIBUS站地址，本例中为2。
点击“Properties”按钮组态网络属性，选择“Network Setings”进行网络参数设置，在本例中设置PROFIBUS的传输速率为“1.5Mbit/s”，行规为“DP”。
点击“OK”按钮确认，出现PROFIBUS网络。
3）选中菜单“Option”→“Install New GSD...”，导入SIEM089D.GSD文件，安装EM277从站配置文件。
配置文件GSD下载地址：PROFIBUS GSD文件：SIMATIC ，在此压缩文件中可找到EM277从站配置文件SIEM089D.GSD。
如果你的编程软件为STEP7 V5.4版可省略这一步，因为V5.4版已经预装了这个配置文件。
4）在右侧的硬件目录列表中找到EM277从站，选择“PROFIBUS DP”→“Additional Field Devices”→“PLC”→“SIMATIC”文件夹，选择“EM 277 PROFIBUS-DP”，将其拖拽到
DP主站系统的PROFIBUS总线上，从而将其连接到DP网络上。
在弹出的对话框中设定EM277从站地址，此地址应该和EM277上的拨位开关设定的地址一致，本例为6。
5）根据您的通讯字节数，选择一种通讯方式，本例中选择了8字节入/8字节出的方式。
方法是把“EM 277 PROFIBUS-DP”目录下的“8 Bytes Out/8 Bytes In”拖拽到下方表中。
6）组态完系统的硬件配置后，用MPI接口将硬件信息下载到CPU315-2DP中。
7）在S7-200PLC中编写程序将进行交换的数据放在VB0~VB15中，对应S7-300PLC的PQB0~PQB7和PIB0~PIB7。
四、实验现象记录及实验现象分析
（这里请大家根据实验过程中观察到的现象，自己独立书写相关内容）
五、实验结论
（这里请大家自己独立书写相关内容）
六、心得体会
（这里请大家自己独立书写相关内容）。