南京工程学院
基于CAN总线的网络控制系统设计
姓名：钱海涛
学号：203090527
老师：方力
学院：自动化学院
班级：数控091
时间：2013.1
现场总线的特点及不可复制的优越性 摘要：文本从基础出发，详细介绍了现场总线的基本特点和优势。
关键词：现场总线 控制系统网络协议
Fieldbus Control System Constitute and Characteristic
[Abstract]:This paper introducing the fieldbus mostly manufacture and control system frame and characteristic，be dead against meshwork topology frame discuss meshwork transmission physics medium and meshwork agree on。
[Key Words]: fieldbus control system meshwork topology meshwork agree on
1.概述
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络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。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。
2.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。
2.1.有源产品
有源产品可以产生通讯信号、响应信号、调整信号或者兼而有之。 有源产品包括以下部件：
2.1.1节点（Node）；总线上可以编址的设备。
2.1.2总线模块(Bus Modulea)；任何形式的现场节点，可以使用端子或接插件连接传感器、阀门、按钮等各种现场装置。
2.1.3网关（Gateway）；一种特殊的节点，用于两面种不同的总线之间的信号和数据变换。
2.1.4放大器；一种用于实时（加强）信号，以精确复制原始信号。连接同一总线的两部分，解决通讯信号在通讯线上由于电气损耗而造成的衰减。当信号变弱而不变形时可以使用放大器。
2.1.5中继器（Repeater）；用于加强信号，产生不变形的新信号。连接同一总线的两端，当信号变弱或变形时可以使用中继器。
2.1.6.桥（Bgridge）；有两类桥。一种是用于连接同一种协议，不同传输速度的两个段。另一种是一种智能的中继器，当通讯的源地址和目的地址位于不同总线段时，用于重复两个段间的数据。桥必须被编程设定地址和相关的段。当桥读地址时，要有几个位的等待时间。桥可以应用于设备级总线，但应用并不普遍。
2.1.7路由器（Router）；用于广域网的高等级桥。这类产品很少应用于设备级总线。
2.1.8有源多端口分接器（Active hub）多端口中继器或放大器，以增加总线的分支能力。
2.1.9接口卡、接口模块（Interface card,interface module）；指网关的常用术语，作为PLC或PC到设备及总线的接口。
2.2无源总线产品
无源总线产品包括：
2.2.1T型分支（Tee）；用于产生总线上的一路分支。
2.2.2无源多端口分接器（Passive hub）；多端口T型分支。
2.2.3终端电阻（Terminating Resistor）；安装在总线的始端和末端的电阻，用于稳定和调整信号。
2.2.4总线电缆（Busline）；连接节点，传送数据的各种电缆。
3.现场总线控制系统的结构及其特点
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、 PLC等与数字1/ O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；通信媒体安装费用较低。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。
系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口对整个系统进行管理和控制。其总线接口，有时可以称为扫描器。可以是分别的卡件，也可以集成于PLC中。总线接口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。总线接口的缺省地址通常设为
总线电缆和终端电阻。总线电缆一般分为主干缆和分支电缆。各种总线协议对于总线电缆的长度都有所规定，不同的通讯波特率，对应不同的总线电缆长度。同时，分支电缆的长度也是有所限制的。 网络的最后部分是终端电阻。在一些总线系统中。这个终端电阻只是连接到两数据线的简单电阻。它是用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。
3.1现场总线特点
与传统的PLC点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优势,现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，其在技术上具有以下特点：
（1）系统的开放性 现场总线致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可根据自己的需要，通过现场总线把来自不同厂商的产品组成大小随意的开放互连系统。
（2）互操作性与互用性 互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
（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。
（4）系统结构的高度分散性 现场总线构成一种新的全分散式控制系统的体系结构，从根本上改变了集中与分散相结合的DCS体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
（5）对现场环境的适应性 现场总线是专为现场环境而设计的，支持各种通信介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
由于现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。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。
参考文献：
[1]李虞文.火电厂计算机控制技术与系统[M].北京:水利水电出版社.2003.
[2]张建.计算机测控系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社.2004.
[3]周其节.自动控制原理[M].广州:华南理工大学出版社.1989.
南京工程学院
基于CAN总线的网络控制系统设计
姓名：钱海涛
学号：203090527
老师：方力
学院：自动化学院
班级：数控091
时间：2013.1
现场总线的特点及不可复制的优越性 摘要：文本从基础出发，详细介绍了现场总线的基本特点和优势。
关键词：现场总线 控制系统网络协议
Fieldbus Control System Constitute and Characteristic
[Abstract]:This paper introducing the fieldbus mostly manufacture and control system frame and characteristic，be dead against meshwork topology frame discuss meshwork transmission physics medium and meshwork agree on。
[Key Words]: fieldbus control system meshwork topology meshwork agree on
1.概述
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络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。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。
2.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。
2.1.有源产品
有源产品可以产生通讯信号、响应信号、调整信号或者兼而有之。 有源产品包括以下部件：
2.1.1节点（Node）；总线上可以编址的设备。
2.1.2总线模块(Bus Modulea)；任何形式的现场节点，可以使用端子或接插件连接传感器、阀门、按钮等各种现场装置。
2.1.3网关（Gateway）；一种特殊的节点，用于两面种不同的总线之间的信号和数据变换。
2.1.4放大器；一种用于实时（加强）信号，以精确复制原始信号。连接同一总线的两部分，解决通讯信号在通讯线上由于电气损耗而造成的衰减。当信号变弱而不变形时可以使用放大器。
2.1.5中继器（Repeater）；用于加强信号，产生不变形的新信号。连接同一总线的两端，当信号变弱或变形时可以使用中继器。
2.1.6.桥（Bgridge）；有两类桥。一种是用于连接同一种协议，不同传输速度的两个段。另一种是一种智能的中继器，当通讯的源地址和目的地址位于不同总线段时，用于重复两个段间的数据。桥必须被编程设定地址和相关的段。当桥读地址时，要有几个位的等待时间。桥可以应用于设备级总线，但应用并不普遍。
2.1.7路由器（Router）；用于广域网的高等级桥。这类产品很少应用于设备级总线。
2.1.8有源多端口分接器（Active hub）多端口中继器或放大器，以增加总线的分支能力。
2.1.9接口卡、接口模块（Interface card,interface module）；指网关的常用术语，作为PLC或PC到设备及总线的接口。
2.2无源总线产品
无源总线产品包括：
2.2.1T型分支（Tee）；用于产生总线上的一路分支。
2.2.2无源多端口分接器（Passive hub）；多端口T型分支。
2.2.3终端电阻（Terminating Resistor）；安装在总线的始端和末端的电阻，用于稳定和调整信号。
2.2.4总线电缆（Busline）；连接节点，传送数据的各种电缆。
3.现场总线控制系统的结构及其特点
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、 PLC等与数字1/ O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；通信媒体安装费用较低。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。
系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口对整个系统进行管理和控制。其总线接口，有时可以称为扫描器。可以是分别的卡件，也可以集成于PLC中。总线接口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。总线接口的缺省地址通常设为
总线电缆和终端电阻。总线电缆一般分为主干缆和分支电缆。各种总线协议对于总线电缆的长度都有所规定，不同的通讯波特率，对应不同的总线电缆长度。同时，分支电缆的长度也是有所限制的。 网络的最后部分是终端电阻。在一些总线系统中。这个终端电阻只是连接到两数据线的简单电阻。它是用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。
3.1现场总线特点
与传统的PLC点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优势,现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，其在技术上具有以下特点：
（1）系统的开放性 现场总线致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可根据自己的需要，通过现场总线把来自不同厂商的产品组成大小随意的开放互连系统。
（2）互操作性与互用性 互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
（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。
（4）系统结构的高度分散性 现场总线构成一种新的全分散式控制系统的体系结构，从根本上改变了集中与分散相结合的DCS体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
（5）对现场环境的适应性 现场总线是专为现场环境而设计的，支持各种通信介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
由于现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。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。
参考文献：
[1]李虞文.火电厂计算机控制技术与系统[M].北京:水利水电出版社.2003.
[2]张建.计算机测控系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社.2004.
[3]周其节.自动控制原理[M].广州:华南理工大学出版社.1989.