工业自动化仪表现场总线通讯技术研究
现场总线技术在控制系统中的应用研究
个， 通过一个 ８ 位的拨码开关手动设定智能仪表的站地址 ，
然后 由中央处理 器读入 并写 入 ＳＣ Ｐ ３特定 的存储 位置 ， 位于 Ｓ ３存储 空间地 址 １Ｈ的组织参数 Ｒ＇－ ｄ， Ｗ＿ ６ －ＳＡ ｒ从而获得通讯 Ｉ
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对智能仪表参数的修改 ， 现了对智能仪表 的远 程控制和 网 实
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５ 结束语
本课 题 宗 旨在于工业 现 场总线 Ｐｏ ｂｓ Ｐ技术 与现场 ｒ ｕ． ｉ ｆ Ｄ
一
［ 作者简介］ 赵艾强（９２ ， 助研， １７ 一）男， 主要研究方向
为 电气 自动化 、 电力 电子技术等
（ 稿 日期 ：０５１－１ 收 ２ ． ９０．２０ ）
－
级 Ｄ 主站是 中央控制器 ， 预定的信息周期 内与分 Ｐ 它在
（ Байду номын сангаас第５ 上 ｏ页）
散的站（ Ｄ 如 Ｐ从站） 交换信息 。典型的 Ｄ Ｍ１ ＰＥ或 Ｐ 。 Ｐ 如 Ｉ ｃ ４ ２ 二类 Ｄ ． Ｐ主站 （ Ｐ ２ ＤＭ ）
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对 ５－０ Ｌ ＂ ３０ＰＪ ７ ｃ进行硬件组态和编程 后 ， 实现对智能仪 可
表的控制 ， 并在信息周期内与智能仪表交换信息 ； 智能仪表
采集 ２ 直 流 电 压 信 号 ， 之 为通 道 １和通 道 ２通 过 对 路 称 ，
三种工业总线及其中的现场总线
一，工业总线三种基本类型*传感器级总线，即485总线网络*设备级总线，即HART总线网络*现场总线，即FieldBus现场总线网络现场总线定义：现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网现场总线分为以下几种：下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。
1、基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。
该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。
基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。
FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。
后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。
FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。
CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。
CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。
CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。
已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。
现场总线仪表的特点及应用
［ 摘 要］ 本文论述 了现场总线仪表的产 生、 义以及现场总线仪表 的良好特点是仪表发展 的趋 势。 含 ［ 关键词 ］ 场总线仪表 现场总线仪表 的特点及应用 现
现 场 总 线 仪 表 的产 生 最早期的 自动化仪表是基地式仪 表，但其缺点成套性强容易 出现 个功 能结 构坏而报废 ， 应运 而生 ， 单元组合式仪表 出现了 ， 可它 的缺 点是为了克服噪声电子线路极为复杂 ， 还有就是监控 困难 ， 接下来 Ｄ ＤＣ （ 计算机直 接控 制系统 ） 出现 ， 它依 旧不足 ， 险集 中 ， 但 危 随着微处理机 技术的高速发展 ， 使得 Ｄ Ｓ 分散控制系统 ） Ｃ（ 解决 了危险集 中 是 由于 可 它的现场测量级或执行级仍采用 ４ Ａ～ ０ ＡＤ ，不但 电缆消耗量 巨 ｍ ２ ｍ Ｅ 大， 而且安装维护 费用高 ， 远远满足不 了对现场仪表状态监测和管理 的 深层次要求 ， 而现场 总线仪表正是为解决 这些 问题而产生的。 二、 现场总线仪表较传统仪表的优 势 １ ． 全数字性 ： 现场总线通信方式与模拟通信和混合通信 方式不 同， 是完全的数字通信信号 。 现场总线通信方式可 以进行双向通信 ， 因此与 模拟通信方式 和混合通信方式不同 ， 可以传送多种数据。 在现场 总线通 信方式 中， 从变 送器的传感器到最后 的控制阀 ， 信号一 直保 持数字性 ， 具 有 全 数 字性 。 现场 总线作 为一种数字式通信网络 ， 从控制室一直延伸到现场 ， 使 过去采用一对 一式的模拟量信号传输 变为多点一线 串行数 字式传输 。 在现场总线仪表 中， 不论是传感 器还是转换器 电路 ， 都是数字的。因而 ， 现场总线仪表 的全数字性使得仪表的硬件结构更加简单 ， 其分辨力 、 测 量速度 、 稳定性都高于现阶段的 自动化仪表 。 ２ 度 高： 精 现场总线可 以消除模拟通信方式 中数据传送时产生 的误 差， 模拟通信方式产生误差的原因有以下三个方 面 ： 现场仪 表中 ＤＡ转 ／ 换产生误差 ； 模拟信息传 递产生误差 ； 系统仪表 的 ＡＤ转换产 生误差 。 ／ 在现场总线通信方式 中，不存在 Ｄ Ａ和 ＭＤ转换 电路 ，所 以不会产生 ／ ＤＡ和 Ａ Ｄ的转换误差 ， ／ ／ 因而信号的传输精 度有所提高 。 故现场 总线通 信方式要比模拟通信方式精度高。编码的作用是把微处理机输 出的数 字信号变换为适合传送 的数字信号 ， 反之就是解码。 ３ 干扰能力强： 航 在模拟通信方式 中， 信号以 ４ Ａ～ ０ Ａ的连续变 ｍ ２ｍ 化形式存在 的 ， 信号值 的变化可 以无 限小 ， 因此 ， 噪声 和信号畸变在模 拟信号传输中是无法避免的。 也就是说 ， 现场仪表传输模拟信号时稳定 性较差 ， 号误差指挥将一个有效信号变为另一个有效信号 ， 信 即使从最 精确的模 拟仪表送过来的信号 ，当它到达控制器时也可能 已变得完全 不准确。而在现 场总线仪表 中， 信号 的有效值只有 ０或 １ 两个 ， 以它 所 非常坚实可靠 ， 的噪声很难扭 曲它 。 一般 它可以直接传送或者 以某种方 式进行编码。 因此 ， 与模拟信号相 比， 其抗干扰或抗畸变的能力强 。 更为 重要 拘是， 检错机制可以检测到信号的畸变 ， 这是因为一个畸变的信号 看起束仍然像是一个有效的。 ４ ． 内嵌控制功能 ： 在每台现场总线仪表 中都 内嵌有 ＰＤ控制 、 Ｉ 逻辑
现场总线概况
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，近年来得到了迅速发展和应用。
文章介绍几种典型的现场总线技术及特点，并介绍了现场总线技术在电力系统中应用及系统的构成与特点。
最后说明了现场总线技术发展前景。
关键词：现场总线；电力系统；控制系统1.引言随着计算机网络技术的飞速发展，集计算机、通信、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制技术于一体的现场总线技术也得到了迅猛的发展。
加之现场总线适应了控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大的实惠和方便。
自其出现之日起，就受到广泛关注，迅速成为世界范围内控制技术的热点，并成为多学科交叉领域的一个热门研究课题。
现场总线技术给仪表和自动化领域带来了深刻的影响，特别是用数字信号取代4～20mA 的模拟信号和控制功能向现场的下移，使得传统的控制系统结构发生了根本性的变革。
现场总线技术也为电力系统领域的分散式、开放式、智能式的自动化系统的设计和实现提供了新的途径和方法，也必将在电力系统的各个方面获得广泛的应用。
2.现场总线的概述2.1现场总线的定义现场总线是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。
2.2现场总线的特点简单地概括现场总线技术的特点就是信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放、互操作性强、费用低等。
具体概述为：(1)数字化的信号传输：使用数字化通信完成对现场设备的联络和控制，在网络通信中采用信息防撞与纠错技术，实现了高速及双向多点之间的可靠通信。
(2)功能转移：廉价的智能化现场设备的普及与基于现场的微处理器及标准数字通讯链路的发展相互促进，促使简单的控制任务迁移到控制现场，能够处理PID算法和控制逻辑的现场微处理器接管了大部分简单的控制任务。
(3)方便的互操作性：现场总线技术强调“互联”和“互操作性”。
实现真正的“即接即用”，即所谓互操作性。
这样，用户也能自由地集成现场总线控制系统，从而极大的方便了用户。
浅谈PROFIBUS现场总线不稳定因素及对策
浅谈PROFIBUS现场总线不稳定因素及对策本文根据实际生产过程中经常遇到的一些影响PROFIBUS现场总线不稳定的因素和可能引起不稳定现象的因素,从四个方面提出了一些切实可行的对策措施,供致力于现场总线技术的人员探讨。
标签：现场总线通讯稳定对策0 引言现场总线PROFIBUS是工业通信系统,它是使用一类传输介质(如具有位串传输的铜缆、光纤或无线等),用比特串传输,将分散的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器、变送器及各种现场仪表等)连接到中央控制或管理系统。
作为一种先进的数据传输技术,因其通信速率快、系统安全、价格低廉等特点,已被广泛的应用到烟草行业许多烟厂,它确实实现了工艺控制由结果控制向过程控制的转变,由控制指标向控制参数转变;由人工控制经验决策向自动控制科学决策转变,提高了自动化过程生产力和灵活性,但由于工业现场的恶劣环境,如温差、湿度变化大(使用蒸汽及无空调环境)、粉尘多、电磁干扰强等因素及使用一段时间后设备出现的老化现象,严重影响到PROFIBUS现场总线系统的稳定性,从而影响数据的可靠传输,这将会造成设备的突然停机,影响生产安全和产品质量。
本文根据实际生产过程中经常遇到的一些影响PROFIBUS现场总线不稳定的因素和可能引起不稳定现象的因素,从四个方面提出了一些切实可行的对策措施,供致力于现场总线技术的人员探讨。
1 网络的电气干扰实际生产现场造成电气干扰的原因很多,如变频器的干扰,地线接触不良,交流电源的信号干扰,设备振动的干扰等。
提高抗干扰能力的对策措施:1.1 对因设计安装在现场I/O柜内的变频器可考虑把变频器移到I/O柜外,对因变频器到电机没有采用屏蔽电缆线的可考虑更换为屏蔽电缆线,以减少变频器对网络的干扰。
1.2 在接地网线达到规范的前提下,应确保PROFIBUS电缆的屏蔽层在每个站点都可靠接地,在两端的接地应使用尽可能大面积的屏蔽压板,以保证地对大地的良好导电性。
1.3 应避免数据线与所用电力电缆敷设在同一桥架内,尽量避免其它电缆与现场总线电缆敷设在同一线槽内,并尽可能保持一定的距离,如不可避免时,可考虑把这些电缆套上带金属屏蔽的绝缘套管。
现场总线概述
3.现场总线的结构特点和优点 3.现场总线的结构特点和 现场总线的结构特点
3.2 现场总线的优点 现场总线的优点 现场总线系统采用智能设备, 现场总线系统采用智能设备,通过标准协议在一根总 线上实现所有信号的数字化传输。它具有如下优点: 线上实现所有信号的数字化传输。它具有如下优点: 1) 开放,互操作性好。 开放, 现场总线采用标准的通信协议, 现场总线采用标准的通信协议,是开放式的互联网 络,用户可按自己的需要和考虑,把来自不同供应商的 用户可按自己的需要和考虑, 产品组成大小随意的系统。 2) 彻底的分散控制。 现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场 智能仪表和设备中,做到彻底的分散控制, 智能仪表和设备中,做到彻底的分散控制,提高了系统 的灵活性、自治性和安全可靠性。
4.几种流行的现场总线的比较及应用 4.几种流行的现场总线的比较及 几种流行的现场总线的比较
4.1 HART总线 HART总线 最早的现场总线系统HART(Highway 最早的现场总线系统HART(Highway addressable remote transducer)是美国Rosemount公司于1986年 transducer)是美国Rosemount公司于1986年 提出并研制的一种通信协议,得到了80多家著名仪表 提出并研制的一种通信协议,得到了80多家著名仪表 公司的支持, 公司的支持,这种被称为可寻址远程传感器高速通道 的开放通信协议, 的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上 实现数字信号通信,它在常规模拟仪表的4 实现数字信号通信,它在常规模拟仪表的4—20mA DC信号的基础上迭加了FSK(Frequency shift keying) DC信号的基础上迭加了FSK(Frequency 数字信号,这种通信协议既可以用于4 数字信号,这种通信协议既可以用于4—20mA DC的 DC的 模拟仪表, 模拟仪表,也可以用于数字式通讯仪表。它属于模拟 系统向数字系统转变过程中的过渡性产品, 系统向数字系统转变过程中的过渡性产品,因而在当 前的过渡时期具有较强的市场竞争力, 前的过渡时期具有较强的市场竞争力,得到了广泛的 应用。
工业自动化仪表控制系统的技术
工业自动化仪表控制系统的技术摘要:随着科学技术的不断发展,信息技术在日常生活中的使用范围也越来越广泛。
在工业生产过程中,仪表控制系统也开始使用的信息技术。
加入了计算机应用的仪表控制系统在结构和功能方面都发生了非常大的改变,对系统产生了非常大的影响。
基于此本文对工业自动化仪表控制系统的技术。
关键词:工业自动化仪表控制系统技术在我国经济的飞速发展下,科学技术也出现了日新月异的发展,工业生产也逐渐进入了智能化发展的阶段,在工业生产过程中,自动化仪表是生产设备的控制核心。
特别是近年来加入微计算机的仪表控制系统在设计特点和结构等方面都出现了非常大的变化,对整个控制系统的发展都造成了非常大的影响,对我国的工业发展做出了非常大贡献。
1 简述自动化控制系统在工业设备的控制系统中,自动化控制仪表是系统的中心,是由具有自动化功能的元件组成的,主要是用来提供出设备调整的基本技术参数和对设备的运行情况进行监测,是一种自动化功能非常完善的技术工具。
一般情况下,自动华控制仪表是由显示、记录、自动报警、控制等功能组成的。
另外在国防领域、科学研究领域、冶金、石化、电力等领域流量、数控等仪表的使用也非常的普遍,在工业控制系统中,自动化控制系统是一个非常重要的组成部分,主要是用来将输入信号转化成输出信号,并根据频率和时间来对信号进行表达,传输的信号可以根据实际的需要调成断断续续的数字量模式和连续性的模拟量模式。
2 工业化自动化仪表的发展2.1 自动化控制仪表的总线发展工业自动化仪表控制系统的现场设备主要由执行器、变送器、在线分析仪表等组成,通过使用现场总线技术,使得分布式测试系统和组建系统变的更加的容易。
但是随着工业化生产规模的不断扩大,集中测控系统已经无法满足大范围的远程测控任务,于是就建立一个可以让各种仪器进行共享的网络,即现场总线控制系统。
它主要是在中央控制系统和各种现场智能化仪表之间进行使用,属于一种双向、开放、全数字化、多站的信息传输系统。
第8章 现场总线与工业以太网控制网络技术
现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动 化领域的计算机局域网。 它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级 控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅 是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的 控制系统。 这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的 综合技术，已受到世界范围的关注而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。
NRZ编码采用频带传输。调制方式主要有CPFSK和 COFSK。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无 线介质。 2．数据链路层 数据链路层又分为两个子层，即介质访问控制层（MAC） 和逻辑链路控制层（LLC）。MAC功能是对传输介质传送 的信号进行发送和接收控制，而LLC层则是对数据链进行 控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线网络中的 设备可以是主站，也可以是从站，主站有控制收发数据的 权力，而从站则只有响应主站访问的权力。 关于MAC层，目前有三种协议： （1）集中式轮询协议 其基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点， 被轮循的节点允许与其他节点通信。
现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如DCS）结 构对比如图8-1所示。
操作站 LAN 控制站 操作站 LAN CANBUS 服务器 PROFIBUS-DP 4~20mA H1 现场设备
网桥
LonWorks 现场总线 现场设备
传统的模拟仪表
DeviceNet 现场总线
图8-1 FCS与DCS结构比较
8.1.1 现场总线的产生
在过程控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在使用着 一种信号标准，那就是4~20mA的模拟信号标准。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时 的计算机提供的是集中式控制处理。 20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被 嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。 随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电 子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、 传输及优化控制等功能的智能设备。 一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪 表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自 校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、 状态报告、趋势图等功能。
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工业自动化仪表现场总线通讯技术研究
工业自动化仪表现场总线通讯技术是指通过总线技术来实现工业自动化仪表之间的数
据通信和控制信号传输。
随着工业自动化的快速发展，传统的点对点通讯方式已经无法满
足复杂的工业场景需求，因此采用总线通讯技术成为了主流。
总线通讯技术具有以下几个优势：它能够实现多仪表之间的数据传输和共享，避免了
传统的点对点通讯的复杂布线和高成本问题，大大简化了系统结构。
总线通讯技术能够实
现实时性传输，通过合理的总线协议和数据帧格式设计，可以确保数据的实时性和准确性。
总线通讯技术具有较高的扩展性和灵活性，可以根据实际需求对总线进行扩展或更换。
总
线通讯技术还能提供远程监控和诊断功能，方便维护和故障排除。
目前常用的工业自动化仪表总线通讯技术有多种，如CAN总线、Profibus、Modbus和以太网等。
下面就这些总线通讯技术进行简要介绍。
CAN总线是一种串行通讯协议，广泛应用于工业控制、汽车电子等领域。
CAN总线具有高可靠性、实时性和抗干扰能力强等特点，适用于需要高速数据传输和较长传输距离的场景。
Profibus是一种开放的现场总线通讯协议，支持数据传输和控制信号传输，是国际上应用最广泛的工业自动化总线之一。
Profibus具有高速率、大容量和可靠性好等特点，适用于复杂的工业环境。
Modbus是一种串行通讯协议，常用于工业自动化场景中的设备和监控系统之间的数据通信。
Modbus具有简单、高效和灵活的特点，适合于中小型工业自动化系统的应用。
以太网是一种通用的局域网通讯协议，由于其高速率和广泛应用的特点，也逐渐在工
业自动化领域得到应用。
以太网可以支持多个不同类型的数据通信，并能通过上层协议实
现工业自动化设备之间的数据传输。
工业自动化仪表现场总线通讯技术的发展将极大地推动工业自动化领域的发展，提高
了生产效率和产品质量，降低了成本和资源的浪费，为工业企业带来了巨大的经济效益。