现场总线综述及应用实例.

1、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

2、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

3、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, Interope

4、rable System Project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 FI P ）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

5、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

6、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 (

7、法国 Alstom 公司支持)类型 8 In terbus (德国 Phoe nix con tact 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)IEC620

8、26 4 协议(规约) LontalkIEC62026 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In terbus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

9、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 011898(通 信速率v 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

10、 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 ProfibusPROFIBUS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

11、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。 组成：PROFIBUS 有三个部分组成：PROFIBUS-FMS (Field Message Specificatio n

12、)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。 协议结构Profibus协议结构是根据IS

13、O7498国际标准以OSI作为参考模型的。但 省略了 36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

14、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。 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

15、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：波特率19151(Kbps).69.23.7587.5005002000距离/1142段（m）20020020000000000011B. 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 o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. Profibu

16、s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。 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

17、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 ProtocoI)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。 FF的拓朴结构（图6）远程沁占低压配电柜S7-300 或 S740

18、0低压鹽柜（5mcc）DDEH1低速现场总线31.25Kbps232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 FF 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。 FF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

19、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。 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Robe nt 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

20、， 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 v 1Mbps）和ISO11519 （通信速率w 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。 CAN的协议结构采用 ISO/OSI 模型的第一层、第二层和第七层。 CAN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/40 m,直接

21、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。 应用情况

22、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、 M icro 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

23、 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

24、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 DevicenetDeviceNet 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

25、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“ O DV”A( O pe n DeviceNet Vendor Asso

26、ciation) 0 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(Ven dor 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 Devi

27、ceNet 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:，ODVA 在中国有办事机 构 ODVA Chi na,网址：hppt:www.odvachi 。Device net 可以归纳出以下一 些技术特点： 最大 64 个节点。125kbps500kbps 通信速率。点对点,多主或主 /从通信。

28、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1 2月1日发行

29、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/T18858.3-2002,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 ASiASi （ Actuator Sen sor In terface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

30、 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丸.5mm2）; 连接方法：采用穿刺法；最大电缆长度：无中继器

31、/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22数模块时，即431个）； 248个（当用4输入/4输出模块时，即8X31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 InterbusIn terbus是一种器件级现场总线，它是德国Phoe nixCo ntact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

32、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，In terbus已有125000多个应用项目和170万个联网的节点。In terbus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(Seque nci

33、 ng 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

34、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

35、最多可挂接 127 个站点。传输速率为 9.6 kbps12.0 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

36、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

37、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，

38、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

39、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 S7-3O0

40、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

41、供的 GSD文件将其设备集成在同一总线系统中（见图1）工作站PROFIBUS工作站. .I 智能PLC 一PLC 变频器图1网络结构图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Con figured 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

42、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。图2 网络组态配置曝气量控制模块截图1图3 网络组态配置曝气量控制模块截图2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

43、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：

44、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

45、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 k12M bit#s-1,传输距离为1001 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;

46、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、PR