自动化毕业实习

1、自动化毕业实习2009年2月修订 实习教学内容安排表实习教学内容安排表 地点：地点：A303次数时间内容备注18：308：50介绍实习大纲、报告格式、内容要求等多媒体8：509：20FESTO过控基础实习讲解多媒体9：209：35休息9：35：11：30现场参观、操作指导、答疑，讲解原理图、了解控制设备。分组操作、调试对照设备、原理图14：3015：00FESTO创新实习讲解多媒体15：0015：20休息15：2017：30现场演示、观摩、操作指导、答疑，消化控制原理。分组操作、调试对照设备、原理图次数时间内容备注28：309：20过程控制实验系统实习讲解多媒体9：209：35休息9：35：1

2、0：00现场参观、操作指导、答疑，讲解原理图、了解控制设备。分组操作、调试对照设备、原理图10：0011：00EPA实验内容实习讲解多媒体11：00：11：30现场参观、操作指导、答疑，讲解原理图、了解控制设备。分组操作、调试对照设备、原理图14：3016：30挂图：“现代工业控制应用实例”“先进制造技术”“先进检测技术”讲解。指导、答疑对照挂图16：3016：40休息16：4017：30座谈、讨论 实习教学内容安排表实习教学内容安排表 地点：地点：A303毕业实习任务及目的毕业实习任务及目的 了解过程控制系统的发展历程（DCS、FCS、EPA）。 了解现代化工厂自动控制系统的构筑模式（三层结

3、构：PCS、MES、ERP）。 了解和掌握组成自动控制系统的信息形式（模拟、数字）、处理过程（采样、变换、运算、驱动）和传递方法（有线、无线）。 掌握具体控制对象（温度、压力、流量、液位）工艺的控制方法（简单控制、单回路控制、串级控制、前馈控制、超驰控制等）。 巩固和加强自动化专业的理论知识，拓宽知识面，为毕业设计及今后走上工作岗位奠定必要的理论与实践基础。 锻炼和培养学生的动手能力和创新意识，使学生能够独立完成有一定难度的自动控制系统设计。毕业实习任务及目的毕业实习任务及目的专题部分要求专题部分要求-基础部分基础部分控制对象专题专题 要求掌握工业过程控制中对典型的液位、流量、压力、温度系统进

4、行PID定值控制的方法； 学习PLC、Burket控制器的使用方法； 能进行PID参数的简单整定； 了解利用组态软件绘制被控对象工艺流程图的实现过程； 用ActiveX技术实现新算法； 使用数据采集板卡实现PC和现场实时交换数据，以达到实时控制的目的，观察控制效果，验证算法的可行性； 给出开环、闭环、前馈控制的控制效果结论。 分组选择操作：温度站、压力站、流量站、液位站专题部分要求专题部分要求提高提高部分部分控制对象专题专题 了解过程控制实验系统的原理，熟悉三种（C3000、DDC、EPA）控制的结构和功能； 了解利用组态软件编制监控系统的设计过程； 掌握组成自动控制系统的信息形式（模拟、数字

5、）、处理过程（采样、变换、运算、驱动）和传递方法（有线、无线）。专题部分要求专题部分要求过程控制实验系统过程控制实验系统对象专题专题 了解先进制造技术先进制造技术的构成及与自动化专业的关系； 了解先进检测技术先进检测技术的构成及与自动化专业的关系； 了解现代工业控制应用现代工业控制应用的构成及与自动化专业的关系； 了解无线网络技术无线网络技术的构成及与自动化专业的关系；专题部分要求专题部分要求先进技术挂图先进技术挂图专题专题考核内容与方式考核内容与方式 学生在实习过程中对所要求实习内容的掌握程度。 学生在实习过程中的表现和出勤率。 学生的实习笔记和实习报告。 根据综合情况评定成绩，分为优、良、

6、中、及格、不及格五个等级。 注：出勤率30%，实习过程表现30%，实习报告40%。（3个学分）毕业实习报告（每个实习地一份） 1.概述概述 1.1目的和任务目的和任务（叙述大纲及任务书要求） 1.2总体结构总体结构（给出整个系统组成框图、工艺流程图，注明设备规格、性能指标参数等，能够有效地表示工作环境规模和技术先进程度的数字量） 2.系统的工作原理系统的工作原理 2.1 工艺过程、系统要求及构成工艺过程、系统要求及构成 2.2工作过程（工作过程（各部分信号的获取、变换、数据处理的工作原理及功能） 2.3控制方法及实现方式控制方法及实现方式 2.4思考题思考题 3. 专题工作部分（专题工作部分（

7、对所完成工作在总体中的位置、和其它环节的相互关系、技术和控制上的要求等有较全面地描述；对所选专题进行详细的分析和讨论。具体工作特点和所完成的工作量。） 4.总结总结毕业实习报告 了解PROFIBUS总线的原理，熟悉FESOT组网结构和功能； 了解利用IXXAT系列CAN总线通讯模块以及canAnalyser32CAN总线分析开发工具软件； 实现CAN总线上位机与下位机节点间的相互通讯，采用自制应用层协议完成规定的工作流程，从而加深对CAN总线的理解。专题部分要求专题部分要求网络化网络化部分部分控制对象专题专题FESTO过控基础实习液位站流量站压力站温度站PLC站1、叙述液位、流量、压力、温度物

8、理量的标度变换原理。2、叙述液位、流量、压力、温度系统的传递函数。FESTO过控基础实习-思考题思考题u介绍过程控制系统的基本知识基本知识，分别以工业中典型的液位、流量、压力、温度液位、流量、压力、温度系统为对象，从这些过程参数的重要性、安全性等问题入手，系统地介绍常用的检测方法和控制手段常用的检测方法和控制手段；u分析常用的单闭环控制系统的工作原理；u结合FESTO PCS实验设备，对4个控制系统进行实际操作演示和学习；FESTO过控基础实习内容 u掌握工业中对典型的液位、流量、压力、温度系统进行PID定值控制的方法； u学习Burket控制器的使用方法； u能进行PID参数的简单整定； u

9、给出开环、闭环、前馈控制的控制效果结论。FESTO过控基础实习目的 容器、管道； 手动球阀；（手动操作） 电机调速器、电磁阀；（ 执行机构） FESTO过控元器件介绍 超声波液位传感器； （模拟输出传感器） 电容接近传感器； （开关量输出传感器） Burkert控制器；FESTO过控元器件介绍（8）压力容器 功能说明功能说明：用来存储被加压的介质 FESTO过控元器件介绍（9）压力传感器功能说明：功能说明：测量压力，信号被放大后以电压形式输出 特征曲线特征曲线：1mbar=100paFESTO过控元器件介绍Burket控制器面板使用介绍ABCD*LCD显示屏可以分两行显示参数，上行A区域显示C

10、O（操作变量）、PV（实际测量值）、SP（设定值）、F（比例控制中的PV1）；*C区域上边出现长方形黑块表示继电器1正在加热，下边出现黑块表示继电器2正在冷却，一般在温度系统中这个区域才会有显示；*下行B区域可显示设定值或串级控制中主、辅控制器的设定值。Burket控制器面板使用介绍手手/自动操作切换按钮自动操作切换按钮 连续按下按钮，就会在手动、自动操作方式件切换，左上方LED灯亮表示控制器处于自动控制方式下。当选择手动操作模式时，应通过按下按钮DISPLAY 使A区域显示CO（操作变量）与之相配合，其中操作变量显示区域内出现0100之间的数字，其实际的物理意义为控制器输出信号的百分比。 B

11、urket控制器面板使用介绍显示键显示键 连续按下按钮，A区域显示在SP、PV、CO、F间切换。选择键选择键按住按钮超过5秒，就会进入参数修改过程中，其中可修改的参数包括：控制参数（包括比例，微分，积分，死区等参数），设定值上下限选择（当设定好此项时我们再更改SP参数指示就只能在此范围内变化），检测值上下限（此设置能起到限位报警的作用当实测值超出我们设定的上限或下限时控制器就会在LCD的B区域显示报警信息，此时控制台左上方的报警灯也会被点亮）；参数代码和滤波时间常数等。配合SELECT按钮选择要修改的参数，ENTER确定，增加键和移位键修改数值大小，ENTER确定。在参数选择模式时当LCD显示

12、结束设置信息时按下确认键即可退出此模式或者在设定好参数后等待一定的时间控制器就会自动退出此模式。 确认键确认键当更改参数后按下此键可以确认此次更改参数的有效性；同时按住SELECT和ENTER超过5秒，进入控制方式配置过程中，配合SELECT选择控制方式；按下表示确认当前操作并退出当前配置环境（此功能在本实验中不会涉及，请勿调节！）。增加正在修改的某个参数的数值；手动控制方式下增加控制器输出操作变量（U或I）的值；增加PWM信号脉冲宽度的值；不带外部反馈的三点阶跃控信号控制方式下打开继电器1。主要作用为当需要改变可调参数值时，按下此键能够选择需更改参数的数据位（方向从右到左循环选择，当某位被选

13、中时，该位此时被闪烁的黑框包围）；手动控制方式下的功能为减少正在修改的某个参数的数值即减少控制器输出操作变量（CO）的值，减少PWM信号脉冲宽度的值；不带外部反馈的三点阶跃控信号方式下打开继电器2。 说明：在对控制器进行任何参数修改的过程中，控制器停止自动控制，处于手动控制方式下。减少键减少键增加键增加键Burket控制器面板使用介绍模拟终端FESTO过控系统工艺流程一、工作原理一、工作原理超声波液位传感器电机调速器电机/泵FESTO过控系统液位站 料位测量的一种; 连续指示和极限位置发信号（即越限报警） ； 料位测量方法 ：静压式静压式，浮力式浮力式，电气式电气式，超声波式超声波式，核核 辐

14、射式辐射式；二、液位测量二、液位测量三、三、直流电机调速直流电机调速 调压式（PWM)； 调功；四、控制方式控制方式 液位 控制系统按照控制方式的不同分为开环控制、闭环控制，单回路控制、串级控制、比值控制、解耦等多种方式。FESTO过控系统液位站五、闭环控制五、闭环控制FESTO过控系统液位站六、液位控制系统接线图六、液位控制系统接线图FESTO过控系统液位站FESTO过控系统液位站流量传感器比例阀电机调速器一、工作原理一、工作原理FESTO过控系统流量站二、流量测量二、流量测量 1 1、原理：、原理： 流量测量是检测有多少物料和能量输入设备，及有些设备输出多少物料和能量的重要手段。了解物料传

15、输的速率和数量对生产过程的技术分析和经济核算等是很有必要的。 通常把物料传输的速率称为q，以单位时间内通过有压管路或明渠有效截面的物料表示，即其中 和 分别是 时刻和 时相对于起算时刻 通过的物料量。FESTO过控系统流量站1101limlimQQQdQqd Q1Q10 q是时刻 时的流量，也称为时刻 的瞬时流量。 当物料用质量表示时，称流量为“质量流量 ”, 当物料用体积表示时，称流量为“体积流量 ”。 ( )2、流量测量方法、流量测量方法 a、容积法、容积法 如果使流体以固定的已知大小的体积逐次从流量计中排放流出，则计数排放次数，就可以求得通过仪器的流体总量。若测量排放的频率，即可显示容积

16、流量。这就是容积法测流量的基本原理。其实例如标准体积管椭圆齿轮流量计和刮板式流量等。 11mqvqmvqqFESTO过控系统流量站b b、流速法、流速法 当流通截面恒定时，根据一元流动的连续性方程，截面上的平均流速与体积流量成正比。于是各种与流速有关的物理现象便可作为建立流量计的基础。实例：超声波流量计节流式流量计动压测量管漩涡流量计涡轮流量计转子流量计c c、质量法、质量法 给出质量流量信号的方法有直接式和间接式两种。 直接式质量流量计的原理是：在惯性系统中，按牛 顿第二定律测量力和加速度来反映质量。 实例：振动式流量计双涡轮式质量流量计FESTO过控系统流量站 涡轮流量计 椭圆齿轮流量传感

17、器 玻璃转子流量计 管道流量计 FESTO过控系统流量站三、测控元件三、测控元件 1、流量传感器、流量传感器 工作电压512V DC；输出131200HZ、512V的方波； 透明的流体可以在其流动方向上被检测到，通过测量室安装的螺旋盘可使流体做圆周运动，并运动到轻质的三相转子上。转子的速度和流量成正比，并可通过光电远红外系统（二极管、光电晶体管）不带反馈的检测出来。 集成的放大器可以提供稳定的方波信号，信号的幅值取决于所提供的电压值（512V DC）。 由于转子设计的特殊之处，流体中可能会产生一些不能分解的气泡，会随着流体一起流动。FESTO过控系统流量站 任何位置都可安装流量传感器。流动的方

18、向由传感器壳体上的箭头标示出来。测量设备稳定区域的上下浮动是不必要的。 流速的浮动或震动对测量结果不会存在负面影响。在入口端有一个有保护作用的滤波器。注意：注意：在操作时，请观察所接电压的极性，终端有颜色标记。工作电压工作电压正极 白色负极 绿色输出信号输出信号方波信号 棕色FESTO过控系统流量站2 2、比例阀、比例阀 可方便的控制中性气体和液体；能用做远程控制的最终控制元件，或用在闭环控制中；由电磁铁线圈提高阀活塞的位置，使液体从接点1流动到接点2。工作电压24V DC；输入010V，或420mA、020mA；阀的开度与输入电压成正比。四、控制方式控制方式 流量控制系统按照控制方式的不同分

19、为开环控制、闭环控制，单回路控制、串级控制、比值控制等多种方式。FESTO过控系统流量站FESTO过控系统流量站五、流量控制系统接线图五、流量控制系统接线图FESTO过控系统流量站压力传感器比例阀电机调速器一、工作原理一、工作原理FESTO过控系统压力站二、压力检测二、压力检测 目前，压力的检测主要是通过各种传感器和变送器来实现的。压力传感器是指将压力信号转变为电信号的装置，在应用中一般分为表压、密封表压、差压、绝压、负压，因而在压力传感器制造上出现了各种技术，如扩散硅技术、陶瓷电容技术、不锈钢技术、溅射薄膜技术等等。根据不同的技术把压力传感器分成了不同的类型：FESTO过控系统压力站（1）普

20、通压力传感器（2）应变式压力传感器FESTO过控系统压力站（3）溅射薄膜压力传感器（4） 扩散硅压力变送器FESTO过控系统压力站（5）防爆压力传感器/变送器（6）压力数字表（7）智能压力变送器FESTO过控系统压力站三、压力控制三、压力控制系统接线图系统接线图前面板的6个端子FESTO过控系统压力站FESTO过控系统压力站一、工作原理一、工作原理温度传感器加热棒电机/泵FESTO过控系统温度站接触法与非接触接触法与非接触传感器传感器测温特性测温特性FESTO过控系统温度站二、测温技术二、测温技术常用温度计的种类及特性常用温度计的种类及特性FESTO过控系统温度站常用温度计的种类及特性常用温度

21、计的种类及特性FESTO过控系统温度站 只要温度传感器测得的温度不等于设定值，就会有偏差e存在，控制器内的PID算法根据e的值算出控制输出量，进而调节加热棒开关，使容器中液体温度发生变化，直到等于给定值，加热棒才停止加热。FESTO过控系统温度站三、闭环控制三、闭环控制四、温度控制系统接线图四、温度控制系统接线图FESTO过控系统温度站FESTO过控系统温度站FESTO过控提高实习液位站流量站压力站温度站PLC站液位系统流量系统压力系统温度系统PC+板卡PC+板卡PC+板卡PC+板卡Internet上位PC机 FESTO实验装置在实际实验过程中，存在一定的局限性。如控制算法单一、参数调整受限、

22、控制过程反馈数据不直观等。针对原有FESTO实验装置实验功能的局限性，在不破坏原实验装置功能的基础上，通过增加少量硬件接口和电缆，将传感器信号通过PCI板卡引入PC机，PC机控制输出信号通过PCI板卡输出到执行器，由PC机替代原Burkert控制器实施控制，使两套系统共享系统资源，拓宽实验范围，增强实训性。FESTO过控提高实习目的及意义FESTO过控提高实习目的及意义 改造后，学生能够在原有FESTO实验学习基础上，利用PC机控制方式提供的软、硬件环境，通过PC机运行的组态软件实现不同控制策略的选取和控制，使学生可以针对实验对象的特性，验证相应的控制算法，加深对过程控制系统的了解，拓展了学生

23、的思维。 要求熟悉使用组态王软件绘制出的被控对象工艺流程图，利用VB、ActiveX技术实现新算法，并掌握使用数据采集板卡实现PC和现场设备实时交换数据的过程，达到实时控制的目的，观察控制效果，验证算法的可行性。被控对象选取FESTO PCS的四个独立站。 FESTO过控提高实习内容 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的工具。组态软件提供了友好的人机交互界面，强大的通讯功能，适合于开发上位机的管理系统。 FESTO过控提高实习组态软件 ActiveX是Microsoft的

24、元素软件标准。简单地说，ActiveX技术是一种共享程序数据和功能的技术。 ActiveX技术是Microsoft对OLE技术的更新和发展，Microsoft公司为了适应网络的高速发展把它的OLE技术和OCX技术融为一体并加以改进形成联合标准，改进之后赋予新名字ActiveX。也就是说，ActiveX中涵盖了OLE的所有技术和功能，同时又具有许多新的特性，以适应网络发展的需要。FESTO过控提高实习ActiveX ActiveX指的是一组包括控件、DLL和ActiveX文档的组件，它通常以动态链接库的形式存在，其设计思想是将一个程序（比如Flash动画）嵌入到另一个程序中（这个程序通常被称做容

25、器，比如Authorware、Delphi、VB、VC、Internet Explorer等）。借助这种技术使得用户在一个程序中所创建的信息可以被集成到其它程序所产生的文档中。这样就使它（如Flash动画）可以随意地应用到各种场合。FESTO过控提高实习ActiveX ActiveX控件的数据输入和函数功能执行都必须通过容器，因此ActiveX控件和容器之间必须有一些特定的接口协议。 ActiveX控件必须具备如下的性能机制： 属性和方法：ActiveX控件必须提供属性的名称、方法的名称及参数，通过这项机制，容器可以存取和改变ActiveX控件的属性参数。 FESTO过控提高实习ActiveX

26、 事件：ActiveX控件由这项机制通知容器在ActiveX控件中发生的事件，比如属性参数的改变，用户按下鼠标左键等。 ActiveX控件一旦在Windows 的Register 数据库中注册后, 就可以像其他Windows 应用程序一样发挥各自的功能 。 ActiveX 控件是一个模块化的灵活对象, 如果某个应用程序或网页需要增加一项特殊的功能, 无须重写整个程序, 只要灵活地插入一个具有此项功能的ActiveX 控件即可实现。FESTO过控提高实习ActiveX ActiveX 的优势还在于它的动态可交互性, 用户可以动态地在过程中使用, 通过改变它的属性和参数, 在应用程序中实现自己的特

27、殊要求。 如果要使用自己编写的控件或者使用其他人提供的控件，首先，要在Windows中进行注册。注册方法：单击Windows的开始菜单，选择运行命令，在打开的对话框中输入以下命令： regsvr32 “ActiveX控件的文件名.ocx ”FESTO过控提高实习ActiveX 若要解除某一个ActiveX控件的注册，则格式如下：regsvr32 /u “ActiveX控件的文件名.OCX” ActiveX控件的开发 ActiveX控件的开发可以借助于VB、VC、Delphi等可视化应用程序，算法的实现就通过控件来实现，开发过程见“实验步骤”。 FESTO过控提高实习ActiveX现场传感器和执

28、行机构输出和接收的一般都为模拟信号，如超声波液位传感器的输出为420mA直流电流，电机调速器的输入信号为-10V+10V直流电压；而PC机的输入输出是数字量。所以需要一个中间的转换环节数据采集和输出板卡。 FESTO过控提高实习数据采集板卡如北京科日新公司生产基于PCI总线的KPCI811多功能数据采集卡，直接插在IBM-PC/AT或与之兼容计算机内的PCI插槽中。构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、分析和数据处理系统，也可构成工业现场的过程监控系统。 FESTO过控提高实习数据采集板卡 其性能指标如下所示： 模拟信号输入（模拟信号输入（A/DA/D）部分部分 模拟通道输入数：1

29、6路单端或8路双端输入 模拟输入电压范围：5V、05V、010V 模拟输入阻抗：100M A/D分辨率：12Bit(4096) 非线性误差：1LSB(最大) 转换时间：1us 系统测量精度：0.1% 三种采样触发方式：定时触发、软件触发和外触发 高精度采样周期、窄定时间隔（1/16微秒），宽定时范围（1us-56us）； FESTO过控提高实习数据采集板卡 模拟量输出模拟量输出( (D/A)D/A)部分部分 D/A分辨率：12Bit(4096) 模拟输出电压,电流范围：5V、05V、010V和420mA输出 输出通道数：2路 非线性误差：1LSB(最大) 建立时间：10S(0.01%精度) 输

30、出阻抗：0.2 具有加电清零功能FESTO过控提高实习数据采集板卡 3 3个独立的个独立的1616位计数位计数/ /定时器，信号与定时器，信号与TTLTTL电平兼容电平兼容 GATE 计数器的计数使能输入端内部已接有上拉电阻,以方便使用 CLK、OUT输出端满足TTL电气特性。低电平小于0.4V，高电平大于2.6V OUT的最大输出驱动电流1毫安。 开关量输入输出部分开关量输入输出部分 16路开关量输入通道输入电平与TTL兼容、 16路输出开关量输出通道电平与TTL兼容； 输入TTL电平，吸入电流小于0.5毫安。 FIFOFIFO存储器存储器 深度： 1K 32K words，宽度： 12Bi

31、ts，标志： 满、空、半满 FESTO过控提高实习数据采集板卡16路单端或8路双端输入模拟电压（5V、05V、010V ）；2路模拟输出电压、电流（5V、05V、010V和420mA）；3个独立的16位计数/定时器，信号与TTL电平兼容；16路开关量输入通道输入电平与TTL兼容；16路输出开关量输出通道电平与TTL兼容。FESTO过控提高实习数据采集板卡 数据采集板卡的配置及使用 板卡的WINDOWS、组态王驱动安装，测试参考板卡驱动安装使用说明文档。 组态王下I/O设备的建立。 以液位站为例，通过数据采集板卡实现PC和现场的数据实时双向交换。 FESTO过控提高实习数据采集板卡 点击组态王工

32、程浏览器中“设备”下“板卡”项中 “新建”，弹出如图所示的“设备配置向导”,在智能模块找到“科日 新”下的“KPIC811”，点击“下一步”在“逻辑名称 ” 中 添 入“kpic811”，“地址”设为“0”，其它使用默认即可。FESTO过控提高实习数据采集板卡 然后在“数据库”中的“数据词典”中新建“液位PV”，“变量类型”填“I/O实数”，最小值0，最大值300，最小原始值0，最大原始值4095（因为811A/D分辨率：12Bit(4096)）在“连接设备”中选“kpic811”，寄存器“AD0”，“数据类型”选“USHORT”，“读写属性”为“只写”。 同 样 ， 新 建 “ 液 位 O

33、U T ” ， 寄 存 器“DA0”，“数据类型”选“USHORT”，“读写属性”为“只读”，其他同上（因为811D/A分辨率：12Bit(4096)）。(结合运行组态工程进行)FESTO过控提高实习数据采集板卡过程控制系统网络化实习以太网（或以太网（或FMS)FMS) 流程控制自动化技术是工业自动控制领域的热点研究内容。它包括三个层面： 位于最底层的是基础自动化PCS系统，关注与设备相关的自动控制和优化，包括整个生产线的过程控制和单体设备基础自动化，是整个流程型企业信息化的基础。 中间层是制造执行系统(MES)，进行生产作业的计划、执行与监控以及生产实时数据的采集和管理。以上两层面向生产过程

34、控制，强调信息的时效性和准确性。 过程控制系统网络化实习-目的及意义目的及意义 最上层是企业资源计划（ERP）系统，管理整个企业的内部价值链和供应链，即销售、采购、生产、库存、质量、财务、人力资源等，强调所有这些业务的整合，强调计划(销售计划、生产计划、采购计划等)的协调和控制。 过程控制系统网络化实验以数字化工厂 现代化PCS过程控制系统实践平台为依托，实现对位于最底层的基础自动化系统、中间层制造执行系统(MES)的了解，建立起对现代化工业企业控制系统模式的整体概念。 过程控制系统网络化实习-目的及意义目的及意义 过程控制系统网络化实习-数字化工厂模型数字化工厂模型过程控制系统网络化实习-过

35、程控制系统网络化模过程控制系统网络化模型型 五代过程控制系统（PCS、ACS、CCS、DCS、FCS）以及现场总线控制系统的历史发展概貌如图过程控制系统网络化实习-过程控制系统发展历程过程控制系统发展历程 计算机的微型化和普及推动着数字化、网络化时代的到来，它们也成为工业控制应用领域进一步发展的主流。现场总线是实现自动化控制系统现场设备或仪表之间互连的通信网络；当然，系统中各个节点上的仪表也都应当是数字化、智能型的设备。由此产生了新一代的控制系统现场总线控制系统(FCS(Fieldbus Control System)，它是现场通信网络与控制系统的集成。 过程控制系统网络化实习-现场总线控制系

36、统现场总线控制系统( (FCSFCS） 现场总线 （1）应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行节点数字通信的系统。也可称为开放式、数字、多点通信的底层控制网络。 （2）现场总线控制系统：是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。是连接智能设备的纽带，实现基本控制，补偿计算、参数修改、报警、显示、监控优化及控管一体化的综合自动化功能。 过程控制系统网络化实习-现场总线现场总线 （3）2000年宣布的国际标准中，将下列6种总线列入国际标准；形成多种总线共同竞争的局面。 PROFIBUS INTERBUS-S DERICE NET (基于CAN) FOUNDATION FILDBU

37、SHI CONTROLNET CANOPEN(基于CAN) 过程控制系统网络化实习-现场总线现场总线 FCS除了它的数字化、节点智能化、开发式、互换性能好、布线简单的特征外，其最大优点表现在既可以把系统对各节点的控制功能和权利充分下放给节点本身的微处理器，必要时又可以由监控中心的虚拟控制平台实施集中控制，同时它又可以使得各节点之间直接通信。由此，可以想象在一个复杂、实时性很强、节点之间相互紧密关联的自控系统中，FCS的优势最为明显。过程控制系统网络化实习- FCSFCS的网络特点的网络特点 是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。他为对等通信提供实时控制和报文传送服务。

38、他作为控制器和I/O设备之间的一条高速链路，综合了现有各种网络的能力。 其特点是： 对同一链路上I/O实时互锁。对等报文传送和编程操作时均具有相同的带宽。 对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。 过程控制系统网络化实习 控制网网络控制网网络 CAN (Controller Area Network)总线，又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。 CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CA

39、N总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准，CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，由于CAN总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。 过程控制系统网络化实习 CANCAN总线总线过程控制系统网络化实习 CANCAN总线总线过程控制系统网络化实习 CANCAN总线总线过程控制系统网络化实习 CANCAN总线总线过程控制系统网络化实习 CANCAN总线特点总线特点 （1）CAN是目前为止惟一有国际标准的现场总线；（2）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地

40、向网络上其他节点发送信息，而不分主从；（3）在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；（4）CAN采用非破坏总线仲裁技术；（5）CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可以实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据；（6）CAN的直接通信距离最远可达10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）； 过程控制系统网络化实习 CANCAN总线特点总线特点（7）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；（8）报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低；（9）CAN的每帧信息都有CRC校验

41、及其他检错措施，具有极好的检错效果；（10）硬件化底层协议 （物理层和数据链路层）（11） CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；（12） CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；（13）CAN总线具有较高的性价比。 过程控制系统网络化实习 CANCAN总线总线结构与组结构与组成成 CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型OSI一致。 CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，其中数据链路层又划分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC），应用层协议可以由CAN用户定

42、义成适合特别工业领域的任何方案，如已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的协议标准DeviceNet，以及在汽车工业中被大量使用的CANOpen协议等。具体分层结构如图所示。 过程控制系统网络化实习 CANCAN总线总线结构与组结构与组成成 为了满足现代控制系统既要集中管理又要分散实时控制的要求，CAN现场总线数据采集与控制系统总体结构如图所示，主要由上位机监控站和若干个现场CAN智能测控节点构成，通过相应的网关还可与其他类型网络进行通信。 过程控制系统网络化实习 CANCAN总线网络总线网络结构结构传输机构执行机构检测机构CAN BUS上位机上位机其他网络CAN控制器CAN控制器CAN控制器网

43、关 CAN 总线上的节点是网络上的信息接收和发送站，智能节点能通过编程设置工作方式、ID地址、波特率等参数。它主要由单片机和可编程的CAN通信控制器组成，具体结构如图所示。过程控制系统网络化实习 CANCAN总线节点总线节点结构结构详见：详见：CANCAN总线实验平台实验手册总线实验平台实验手册 V1.0V1.0 过程控制系统网络化实验过程控制系统网络化实验- -CANCAN实验指导书实验指导书 过程控制系统网络化实习 IXXATIXXAT系列系列CANCAN总线通讯总线通讯/ /测测试模块试模块 过程控制系统网络化实习 CANCAN总线传输总线传输一、CAN总线的位数值表示二、CAN总线的通

44、信距离过程控制系统网络化实习 CANCAN总线传输总线传输三、CAN报文的帧结构 SOF：所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿仲裁场 远程请求：RTR =显性 数据帧；=隐性 远程帧帧格式：IDE =显性 标准帧；=隐性 扩展帧替代远程请求：SRR扩展帧=隐性 控制场 ：数据场：由0-8字节数据组成 CRC场：1位隐性位界定，8位CRC 应答场ACR 2位：应答间隙=2隐性（发送器发出） 1显性（接收器回应） 应答界定符=1 隐性帧结束：由7个隐性位组成 过程控制系统网络化实习 CANCAN总线传输总线传输数据帧远程帧：用来请求总线上远程节点发送自己想要接收的某种数据，无数据域且

45、RTR=1，其余同数据帧错误帧：两个场组成，第一场由来自各站的错误标志叠加，第二场为出错界定符。报文传输过程中任何一个节点出错，即于下一位开始发送出错帧，通知发送端停止发送。超载帧：超载条件 要求延迟发送（最多两次）在间歇场检测到显性位活动帧间空间 无错 有错认可过程控制系统网络化实习 CANCAN总线传输总线传输错误标志： 6个连续显性位认可错误标志： 6个隐性位 1、 曼彻斯特波形的跳变有几层含义？ 2、 物理层的主要功能是什么？ 3、 终端器的作用是什么？ 4、数据链路层的主要功能是什么？ （操作演示 ）过程控制系统网络化实习CANCAN总线思考题总线思考题过程控制系统网络化实习PROF

46、IBUS PROFIBUS PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。(2) PROFIBUS由三个兼容部分组成： PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery分布式外围设备 ） PROFIBUS-PA (Process Automation过程自动化 )(1

47、) PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification现场总线报文规范 ) 过程控制系统网络化实习PROFIBUS PROFIBUS 过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS簇簇 PROFIBUS PA适用于过程自动化控制模式。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、液位、温度、流量传感器等现场设备连接起来，用来代替420mA的模拟信号。从而提高了控制系统的灵活性、可靠性。低功耗的现场设备（如温度传感器）由两线制总线供电，数字信号也在同一条总线上传输。传感器/执行器安装在生产现场，而耦合器和控制器则安装在控制室内，IEC61158-2指出仪表总线

48、上最多能连接32台现场设备，但由于现场系统不能满足理想条件， 实际应用中可以连接28台设备。 过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS基本特性基本特性 PROFIBUS DP用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信，可以取代420mA模拟信号的传输。通信时采用ISO/OSI参考模型的物理层作为第一层，通信介质可以由电、光、红外以及混合等多种方式，传输速率为9.6K12Mbit/，每个DP从站的输入数据和输出数据的最大值为244B，使用屏蔽双绞线电缆时最长通信距离为9.6km，使用光缆时最长通信距离为90km，最多可连接127个从站。 PROFIBUS DP设备主要分为以

49、下三类： 1、一类DP主站（DPM1） 是系统的中央处理器，DPM1在预定的周期内与分布式的从站循环地交换信息，并对总线通信进行控制与管理。 过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS基本特性基本特性 2、二类主站（DPM2）是DP网络中的编程、诊断和管理设备。DPM2除了具有一类主站的功能外，在与一类主站进行数据通信的同时，可以读取DP从站的输入/输出数据和当前的组态数据，可以给DP从站分配新的总线地址。 3、DP从站是进行输入信息采集和输出信息发送的外围设备，它只与组态它的DP主站交换用户数据，可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断。 过程控制系统网络化实习PROFIBUSPR

50、OFIBUS基本特性基本特性 PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。主要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据，处理单元级（PLC和PC）的多主站数据通信，为解决复杂的通信任务提供了很大的灵活性，但通信的实时性要求低于现场层。 过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS基本特性基本特性 PROFIBUS提供了三种数据传输类型： 用于DP和FMS的RS485传输（采用的电缆是屏蔽双绞铜线）过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS传输技术传输技术过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS传输技术传输技术 用于

51、PA的IEC1158-2传输 光纤传输技术 (1) PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。(2) 可使用两种光纤导体，一是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50米情况下使用。另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1公里情况下使用。(3) 许多厂商提供专用总线插头可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS传输技术传输技术过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS总线存取总线存取协议协议 (1) 三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线

52、存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。 (2) 在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层（Fieldbus Data LinkFDL）。介质存取控制（Medium Access ControlMAC）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。 (3(3）PROFIBUSPROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。 过程控制系统网络化实习PROFIBUS

53、PROFIBUS总线存取总线存取协议协议 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 因此，PROFIBUSPROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。 (4) 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行，海明距离 HD = 4。 (5) 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，可能有以下三种系统配置：纯主从系统纯主主系统混合系统 过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS总线存取总

54、线存取协议协议 (6) 如图是一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。3个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主从通讯关系表与所有从站通信，也可依照主主通讯关系表与所有主站通信。过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS总线存取总线存取协议协议 (7) 在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。(8) 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性。PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数

55、据的高度完整性。(9) PROFIBUS第二层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信，其中包括广播及有选择广播功能。 过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS总线存取总线存取协议协议 Profibus现场总线现场总线FMS通信方式通信方式过程控制系统网络化实习FESTO FESTO 各从站进行各从站进行FMSFMS方方式式 1、利用WinCC组态软件对FESTO 过程控制系统各从站进行FMS方式配置的步骤。 2、利用WinCC组态软件、STEP7配置各从站进行组态的步骤。 （操作演示 ）过程控制系统网络化实习PROFIBUSPROFIBUS总线思考总线思

56、考题题 随着计算机控制、通信、网络技术的发展，以太网技术在工业控制中的应用成为当前控制领域的研究热点。以太网存在通信不确定性，不能满足实时性要求，成为应用于工业现场设备层网络的主要障碍。 EPA是Ethernetfor Plant Automation的缩写，它基于以太网( IEEE802.3)和无线局域网(IEEE802.11)、蓝牙(IEEE802.15)等信息网络COTS(Commercial Of The Shelf)通信技术以及TCP(UDP)AP协议，是一种适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、工业自动化仪器仪表间数据通信的工业控制网络技术。过程控制系统网络化实习 EPA总线特

57、点总线特点 EPA标准是我国第一部工业以太网标准。通过分析现场设备层信息的实时性要求，提出了EPA系统应用于工业现场设备层的实时通信解决方案。在研究EPA所定义的系统管理、网络拓扑结构、通信模型、时钟同步和应用层服务等功能基础上，重点分析EPA系统的实时特性，讨论EPA实时通信调度方法。进一步研究在网络节点数、交换机级联级数和带宽确定情况下，设备递交时间，时钟同步精度，网络吞吐量，非实时通信带宽和实时通信带宽等实时性能指标的测试目的、测试方法和测试评判，以及实时性能指标间的相互影响和综合指标集的测试方法。过程控制系统网络化实习 EPA总线特点总线特点 现场总线的出现给工业自动化带来一场深层次的

58、革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，这一些不足之处阻碍了现场总线的进一步发展。 随着控制、计算机、通信、网络技术的发展，以太网以其成熟的技术、开放和统一的标准、广泛的应用和高传输速率等优势，弥补了现场总线的缺陷。工业以太网作为一种新兴、统一、快速发展的标准，满足了工业网络在开放性、互联性、带宽方面提出的高要求，因此，从信息集成的角度出发，要达到“管控一体化”的最佳状态，现场总线与以太网相结合将会是最佳的方案，也是现场总线未来发展的方向。这一结合，为工业控制网络产生了新的活力，势必将推动工业控制领域的

59、又一次变革和发展。过程控制系统网络化实习 EPA总线特点总线特点 EPA网络拓扑结构如图所示，它由两个网段组成：监控级L2网段和现场设备级L1网段。 现场设备级L1网段用于工业生产现场的各种现场设备（如变送器、执行机构、分析仪器等）之间以及现场设备与L2网段的连接；监控级L2网段主要用于控制室监控设备、装置以及人机接口之间的连接。过程控制系统网络化实习 EPA网络拓扑结构过程控制系统网络化实习 EPA网络拓扑结构 每个EPA设备的功能由至少一个功能块实例、EPA应用访问实体、EPA系统管理实体、EPA套接字映射实体、EPA链接对象、通信调度管理实体以及UDP/IP协议等几个部分组成。 当某个E

60、PA设备的用户层功能块生成一个数据后，把数据传递给EPA应用层实体。EPA应用层实体接受到数据后，通知EPA套接字映射实体把报文向下传递，经过UDP和IP打包后，把数据暂时存在处于数据链路层的通信调度管理实体(CSME)。通信调度管理实体(CSME)按照调度规则，把数据发送到以太网上。过程控制系统网络化实习 EPA通信过程 处于以太网另一端的设备在接收到该报文后，首先通过通信调度管理实体，判断是否为给CSME的报文，不是就继续向上送。 IP和UDP在经过校验和解包后，把数据通过套接字映射实体传递给EPA应用层，EPA应用层通过查找链接关系找到相应功能块实例后便把数据发送给相应功能块实例进行处理