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DART A LAN Interface for Low Overhead Communication

MITSUBISHI ELECTRIC RESEARCH LABORATORIES

CAMBRIDGE RESEARCH CENTER

DART:A LAN Interface for Low

Overhead Communication

Randy Osborne

osborne@https://www.wendangku.net/doc/977501312.html,

TR-94-09v2July1994

Abstract

This article presents a low level protocol and network interface architecture for

low overhead communication in a distributed memory computing environment

|such as workstations and PCs connected via a high speed LAN.We use both

sender information and destination information to demultiplex messages directly

to where they are needed.The network interface lters incoming messages,sep-

arating data delivery from synchronization so as to enable the optimization of

simple data delivery while leaving more di cult synchronization to the host

processor.To perform this ltering the interface has a small set of simple oper-

ations and a small amount of state.We have designed an interface architecture

called DART which specializes these ideas to ATM networks.We have built an

in-kernel software implementation of this interface with stock workstation and

ATM interface cards.This implementation currently achieves a best case appli-

cation to application latency of24.5 sec.With a hardware version of DART,

we expect to achieve latencies of under10 sec for a155Mbps ATM LAN and

under3 sec for a622Mbps ATM LAN in the workstation LAN environment.

To appear in Special Issue of the IEEE Technical Committee on Computer Architecture(TCCA) Newsletter on Interconnection Networks for High Performance Computing Systems,Fall1994

This work may not be copied or reproduced in whole or in part for any commercial purpose.Permission to copy in whole or in part without payment of fee is granted for nonpro t educational and research pur-poses provided that all such whole or partial copies include the following:a notice that such copying is by permission of Mitsubishi Electric Research Laboratories of Cambridge,Massachusetts;an acknowledgment of the authors and individual contributions to the work;and all applicable portions of the copyright notice. Copying,reproduction,or republishing for any other purpose shall require a license with payment of fee to Mitsubishi Electric Research Laboratories.All rights reserved.

201Broadway,Cambridge,Massachusetts02139

1.First printing,short abtract,May19,1994

2.Second printing, nal version,July31,1994

1Introduction

This article presents a low level protocol and network interface architecture for low over-head communication in a distributed memory computing environment|such as workstations and PCs connected via a high speed LAN(or perhaps computing nodes in a tightly coupled multiprocessor).By low overhead communication we mean both low latency and low impact on the host processor.We regard high bandwidth in this environment as a solved problem (see e.g.[Dav93,BP93,TS93]).Our objective is a low cost interface to support applications in parallel,distributed,and real-time computing.Low latency is essential for parallel com-puting.In distributed computing,low latency can help improve the performance of remote procedure call(RPC)based applications and increases the exibility in structuring a system. Low latency can also be useful for real-time computing,but low impact is far more important to insulate real-time tasks on the host processor from unrelated asynchronous communication events.

There are two key ideas in this article.The rst is to use both sender information and destination information to demultiplex messages directly to where they are needed without intermediate copying.This idea exploits the sender's knowledge,shifting more of the burden to the sender,in order to simplify the message processing at the destination.In e ect,the sender uses its knowledge to pre-demultiplex the messages.[Se93]termed a sender-based subset of this idea the\deposit"model.In our case,the deposit action(address and interrupt generation)is a function of both sender and destination information,so we call our scheme a \hybrid deposit"model.Our variation also supports protected,user level communication.We present a low level hybrid deposit protocol and show how it has exibility for a wide range of application requirements.

The second key idea is to use the network interface to lter incoming https://www.wendangku.net/doc/977501312.html,pletely isolating the host processor from all communication events by using a second processor as in the Intel Paragon is expensive and having the host processor handle all communication as in the Thinking Machines CM-5(at user level and with Active Messages[von92])impacts the host processor performance signi cantly.We take an intermediate position and use the interface to separate events by their need for the host processor.Events,such as data delivery, that do not require the host processor are handled directly e.g.by depositing data directly into user memory.Events|chie y synchronization|that do require the host processor are divided into immediate actions that require service immediately and delayable actions that are accumulated and processed when convenient for the host processor(thereby turning them into synchronous events).This separation arises from two observations.First,the interrupt handling cost for mainstream microprocessors is likely to be signi cant for the foreseeable future.Second,even if the interrupt handling cost was small,it is not appropriate for the host processor,sitting atop an expensive memory hierarchy,to be involved in all messages.Our idea then,is for the interface to lter incoming messages and direct them to the appropriate level in the hierarchy.Since a design constraint is to stick to stock processor architectures as much as possible,we approximate the memory hierarchy by directly depositing in main memory and interrupting the host processor to deliver data to the top of the hierarchy.Other interface architectures also do this,but either just do simple DMA or are expensive like the high speed MAGIC interface in FLASH[Ke94b].We are aiming for a minimalist approach to

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Deposit to specified address (random access)

net

and mapping

Connection state interrupt and mapping

Connection state deposit

operating system application 1

application 2

endpoint

header

e.g. offset

operand data

operation

system operating endpoint

application 1

application 2

processor processor interface

interface

net

Figure 1:Hybrid deposit operational model

keep the cost low.Thus we endow the interface with a small set of simple operations and a small amount of state.

2The Hybrid Deposit Model

Figure 1shows the main idea of the interface:messages originating in a source endpoint can bypass the conventional operating system and host processor route to the network and either be delivered directly to any location in a destination endpoint or conditionally delivered to the destination operating system.The destination address and interrupt generation are a function of both sender and destination state.

Messages contain an ID describing the destination endpoint,control information consisting of an operation (or a pointer to the operation at the destination)and some operands,and data.Each operand is an address,immediate data,or the name of some destination state.Addresses are encoded as an o set from the destination endpoint.The destination end of each communication \connection"has some state,contained in specially addressable locations called \address registers",which message operands can name.Thus message actions are a function of an operation speci ed by the sender,operands representing sender state,and the contents of the address registers.

The allowable operations are composed of primitive actions that can be implemented sim-ply,in one message time,without host processor or operating system intervention.The host processor can process more complex actions via a software exception.We liken this to RISC philosophy of processor architecture applied to communication.

Figure 2shows an example set of primitive operations.The few primitive operations in this example set allow a rich set of powerful and exible compound operations e.g.store indirect with postincrement,priority queueing,and various atomic operations such as fetch-and-increment,compare-and-swap,and barrier synchronization.More complex operations can be achieved using multiple compound messages.

For further information on the hybrid deposit model see [Osb94].

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Address e addr=operand

(direct addressing)generation e addr=

(indirect addressing)e addr=+operand

(indexed addressing)Register addreg i operand

operations addreg i unary-op f or operand g

addreg i binary-op f or operand g

Conditional if (compare-op operand )then generate interrupt at end operations if (compare-op )then generate interrupt at end

Figure 2:Primitive operations

mask

opcode

. . .

ATM header in VPI/VCI field index data0

data31 5 bytes 4 bytes 4 bytes 4 bytes 32 bytes of data 4 bytes

operation operand CRC

unused connection number encoded

Figure 3:Format of 53byte ATM cell for hybrid deposit model

3DART

We have designed an interface architecture called DART which specializes our ideas to ATM networks.The 48byte payload of an ATM cell contains 32bytes of data |a size selected to match memory and cache (sub)block sizes |and 16bytes of control which includes the operation,an immediate source operand (o set or data),and an index eld as shown in Figure 3.Destination operands are speci ed via up to three separate register indices encoded in the index eld.Reads and writes occur in 32byte blocks.The mask eld can be used to deselect the reading or writing of 4byte words within such a block.There is also a multiple cell message format for block transfer.In this format,the rst cell is a \control"cell in the above format and the following cells are standard AAL5cells with 48bytes of payload for data.

Figure 4shows a block diagram of DART.The main features are protected,user level interaction and virtual mapping of endpoint regions.The send and receive sides multiplex the Connection and Operation Logic shown in Figure 5(latches and control signals omitted for clarity).The Connection Table indirects to an Endpoint Table,allowing multiple connections to share the same endpoint.The Endpoint Table contains base and bound virtual addresses pairs de ning the contiguous region of each endpoint.Once an endpoint virtual address is formed in any of a variety of ways,it is bounds checked,and then mapped to a physical address by the TLB.Consequently,endpoints need not be pinned in main memory as is common in other interface designs.Each connection has a \window"of address registers demarcated by the base and bounds entry in the Connection Table.This scheme allows a variable number of address registers per connection and allows the overlapping and nesting of register windows

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control encode index

registers

send map

VCI/VPI rcv_operand

flow control & FIFO

VCI/VPI map

flow network receive

network send control decode

header

form also traffic shaping &policing

header split &check

index

block data split &check

connection

data buffer

block & FIFO

control host memory

transfer

send control

receive control

interrupt

code

condition state&opcode, operand

connection

Connection Logic

and

Table

Operation address

control control

opcode

send_offset

Figure 4:DART block diagram

M X

U M X

U index

U X

D <

M ALU

address

error trap

bounds

base page offset

Endpoint Table

Translation cache

condition code

physical address

miss

trap

error no

trap to rights

page #

ep ep

registers

Address value

conn#

max conn#

reply ep

base bounds state conn

Registers

Connection Table

conn#

error trap

state

Operation Logic

rcv_operand send_offset

Figure 5:Connection Table and Operation Logic

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to provide exibility in sharing and protection between connections.

Each connection has a set of memory mapped Send Registers.To send a message from a given endpoint,a user writes control information,the message's o set from the endpoint base, and the data size into the Send Registers for an appropriate connection for that endpoint. The control information consists of an opcode,source operand,and address register indices for depositing the message at the destination.

DART can execute up to four primitive operations per message received(one address generation,two register operations,and one conditional).We clock the Operation Logic through multiple primitive operations per message,feeding back immediate values as necessary via the\value"path shown in Figure5.A main opcode controls the selection and ordering of the primitive operations.Example opcodes are read,read multiple(32byte blocks),write, write multiple,and software exception(which causes an interrupt to the host processor). Remote reads are handled without the interrupting the host processor.Exceptions arising due to error traps,TLB misses,and unimplemented operations cause an interrupt to the host processor.

A variant of DART interprets the operation eld as an\instruction"pointer to an opcode and operand at the destination(see[Osb94]for details).Many implementation details require further evaluation before DART implementation can begin.We are targeting the PCI bus and plan to use a cheap i960embedded processor to implement the Operation Logic.

We have built a software implementation of the hybrid deposit model to simulate the inter-face described above.This is an in-kernel implementation under Mach3.0on a DECStation 5000/240with a140Mbps Fore Systems TCA-100ATM interface card.The best case latency for a32byte application to application data transfer is24.5 sec on DECStation5000s con-nected via a switchless ATM network and30 sec on DECStations connected via a single Fore Systems ASX-100ATM switch.This is about10times faster than the fastest conventional approach(using Fore System's AAL3/4implementation)on the same hardware[Ke94a].With our DART interface,we expect to achieve latencies of under10 sec for a155Mbps ATM LAN and under3 sec for a622Mbps ATM LAN in the workstation LAN environment(for one transit of a fast ATM switch).We plan to use this software implementation to evaluate the hybrid deposit model and DART for higher level protocols and applications.

4Related Work

The per cell processing architecture of DART is similar in principle to the message-driven processor(MDP)[De87].However,we use DART in a ltering role for depositing messages, rather than for direct computation(i.e.it is not the main processor)and we provide full protected,multiuser communication.SHRIMP[Be94]and Hamlyn[Wil92]adopt a similar emphasis on increasing the participation of the sender to minimize the required functionality at the destination.However both di er from DART in some major ways:they both support only direct addressing and both pin endpoint pages.In addition,Hamlyn supports only one delayed action queue per node whereas there can be any number in DART.A simpler version of SHRIMP has a limited form of hybrid addressing without indirection[DLM94].MINI only

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supports direct addressing[MBH94].Like DART,Axon[SP90]has self describing packets for direct deposit at the destination.However,Axon lacks hardware support for exible sender and destination-based addressing,hybrid interrupt control,and register operations. Acknowledgments

Development of the hybrid deposit model bene ted from discussions with Peter Steenkiste and Thomas Gross at CMU.

References

[Be94]M.Blumrich and et al.Virtual Memory Mapped Network Interface for the SHRIMP Multicomputer.

In I ntl Symposium on Computer Architecture,April1994.

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现场总线知识点总结(打印版)

1.集散控制系统是以微型计算机为基础的分散性综合控制系统。集散控制系统的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是计算机技术、通信技术、控制技术和CRT显示技术（简称4c技术）相互渗透发展的产物。采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，以分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代工业的生产和管理要求。 2.集散控制系统由集中管理部分、分散啊控制检测部分和通信部分组成。集中管理部分可分为运行员操作站、工程师工作站和管理计算机；分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站；通信部分用于完成控制指令及各种信息的传递和数据资源的共享。集散控制系统按照自下而上的功能可分为四层：现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级和调度管理级。 3.集散控制系统组态功能包括硬件组态和软件组态。 4.CRT操作方式的特点：信息量大、显示方式多样化、操作方便容易、透明度提高。 5.组态操作包括系统组态、控制组态、画面组态和操作组态。 6.过程画面组态主要由静态画面、动态画面及画面合成等内容组成。 7.集散控制系统的显示画面可分为四层：区域显示、单元显示、组显示、细目显示。 8.集散控制系统的显示画面分为：概貌显示画面、过程显示画面、仪表面板显示画面、趋势显示画面、报警显示画面、系统显示画面。 9.数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息。 10.传输速率：指信道在单位时间内传输的信息量。 11.传输方式：①单工方式：信息只能沿单方向传输的通信方式②半双工方式：信息可沿着两个方向上传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式③全双工方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。有基带传输、载带传输和宽带传输。 12.异步传输：信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的；同步传输：信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。 13.串行传输：把构成数据的各个二进制位依次在信道上传输；并行传输：把构成数据的各个二进制位同时在信道上传输。 14.载带传输有三种调制方式：调幅方式、调频方式和调相方式。 15.数据交换方式：线路交换方式、报文交换方式、报文分组交换方式（又分为虚电路和数据报两种交换方式）。 16.OSI模型的层次：物理、数据链路、网络、传送、会话、表示、应用。 17.开放系统互联的参考模型各层共有的功能：封装过程、分段存储、连接建立、流量控制、差错控制和多路复用。 18.IEE802委员会分别对带有冲突检测的载波侦听多路存取、令牌总线、令牌环三种媒体存取方式规定了相关协议，即IEE802.3、IEE802.4、IEE802.5。19．现场总线广义上是指控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统。 20.一般认为现场总线时用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。 21.现场总线的特点：封闭的物理过程、更大的覆盖范围、设备的数量、价格、实时性操作、传输的完整性、有效性、用户选择的服务、集成开放结构、严酷的环境条件。 22.通用现场通信系统和各领域的特殊要求：发电和输变电、化工系统特殊要求、制造应用、电子机构应用、现场总线需求的综合考虑。 23.现场总线控制系统在制造在领域、物业领域和过程领域得到全面的发展。 24.Profibus产品系列：Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS。 25.Profibus的主要特性：总线存取协议、灵活的配置、本征安全、功能强大的FMS。 26.集散控制系统的设计分为4个阶段：方案论证、方案设计、工程设计和系统文件设计。 27.CAN总线：控制器局域网。主要特性如下：通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，直接通信最远可达10km，最高速率可达1Mbit/s；用数据块编码方式的代替传统的站地址编码方式；网络上任意一个节点可以主动向其他节点发送数据；网络上的节点可以定义成不同的优先级；数据帧中的数据字段长度最多为8个字节；CAN中的每一个帧中都有CRC校验及其他检错措施，降低数据的错误率；网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能。 28.集散控制系统的安全性：功能安全、人身安全、信息安全。 29.现场总线与IT计算机网络技术的的区别：现场总线数据传输的“及时性” 和系统响应的“实时性”，响应时间要求为001~0.5s或者0.5~2s，而在IT中实时性可以忽略；在工厂自动化系统中通信方式使用广播和多组方式；在IT 中某个自主系统与另一个自主系统只建立暂时的一对一方式；现场总线强调在恶劣环境下数据传送的完整性；现场总线需要面向连接的服务和无连接服务两种LLC服务形式；现场总线需要解决多家公司产品和系统在一个网络上相互兼容的问题；IT计算机网络通信与现场总线的现场装置之间的网络通信，要求有所不同，前者通信量大，而后者量不大；现场总线控制系统的数据通信要求严格，采用的网络技术不仅是先进的，更重要的是成熟的、实用的。 30.离散PID控制算法：位置算法、增量算法、速度算法。 31.前馈控制：实质是一种扰动进行调节的开环控制系统。 32.通信就是信息从一处传输到另一处的进程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息组成。 33.集中式控制的优点：可实现高质量控制；控制功能集中在中心控制站；避免通信站之间互相协调的麻烦；缺点：中心控制站结构复杂；中心控制站成为整个网络系统的潜在瓶颈。 34.多功能智能化现场装置产品的功能：与自动控制装置之间的双向数字通信功能；多变量输出；信息差错检测功能；提供诊断信息；控制器功能。35.Lonworks的特点：开放性和互操作性；通信介质；网络结构、应用高级语言进行开发、开发周期短、易于商品化、支持完全分布式网络系统；提供与上层决策系统的互联接口。 36.可靠度：系统在规定的条件下(指设备所处的温度、湿度、气压、振动等环境条件和使用方法及维护措施等),在规定的时间内(指明确规定的工作期限)，无故障地发挥规定功能(应具备的技术指标)的概率。名词解释： 1、数据采集系统：计算机只承担数据的采集和处理，而不直接参与控制。 2、直接数字控制系统：计算机既采集数据，又对数据进行处理，并按照一定的控制规律进行运算，其结果经输出通道作用到控制对象，使被控变量符合要求。 3、现场总线控制系统：利用现场总线将分布在工业现场的各种智能设备和I/O单元方便的连接在一起构成的系统。 4、实时控制：计算机在规定的时间内完成数据的采集、、计算和输出。 5、传输速率：单位时间内通信系统所传输的信息量，一般以每秒种能够传输的比特数来表示，其单位是bps。 6、计算机控制系统：利用计算机来实现工艺过程自动控制的系统。 7、集散控制系统：是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、局部网络通信的计算机综合控制系统。 8、现场总线：连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 9、组态：利用软件工具将计算机的软硬件及各种资源进行配置，使其按预定的功能实现特定的目的。 10、串行传输：把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。 11、通信协议：通信双方共同遵守的规则，包括语法、语义、时序。 12、监督计算机控制系统：简称SCC系统，是一种两级微型计算机控制系统，其中 DDC级计算机完成生产过程的直接数字控制；SCC级计算机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC级计算机执行。 13、分级控制系统：由多台计算机完成不同的控制功能和对多个设备的控制，其特点是控制分散、危险分散。 14、模拟通信：通信系统中所传输的是模拟信号，通常采用0-10m A DC或4-20m A DC电流信号传输信息。 15、数字通信：通信系统中所传输的是数字信号。 16、并行传输：把数据多位同时在信道上进行传输的方式。 17、开放系统互连参考模型：信息处理领域内最重要的标准之一，是一种框架模型，它将开发系统的通信功能分为七层，描述了各层的意义及各层的命名和功能。18、解释名词：SCC，DDC，DCS，FCS，CIPS，CIMS 答：①SCC：计算机监督控制②DDC：直接数字控制③DCS：集散控制系统④FCS：现场总线控制系统⑤CIPS：计算机集成过程系统⑥CIMS：计算机集成制造系统问答题： 1、简述DCS的操作员站、工程师站、监控计算机站的主要功能？答：①操作站的主要功能：为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。 ②工程师站的主要功能：控制系统组态的修改、控制参数的调试 ③监控计算机的主要功能：在车间管理级与过程优化级之间起到信息传递的作用，同时可对信息进行优化计算，为系统决策提供参考。 2、组态设计的一般步骤如下：答：①组态软件的安装按照要求正确安装组态软件，并将外围设备的驱动程序、通信协议等安装就绪。 ②工程项目系统分析首先要了解控制系统的构成和工艺流程，弄清被控对象的特征，明确技术要求，然后再进行工程的整体规划，包括系统应实现哪些功能、需要怎样的用户界面窗口和哪些动态数据显示、数据库中如何定义及定义哪些数据变量等。 ③设计用户操作菜单为便于控制和监视系统的运行，通常应根据实际需要建立用户自己的菜单以方便操作，例如设立一按钮来控制电动机的起/停。 ④画面设计与编辑画面设计分为画面建立、画面编辑和动画编辑与链接几个步骤。画面由用户根据实际工艺流程编辑制作，然后需要将画面与已定义的变量关联起来，以便使画面上的内容随生产过程的运行而实时变化。 ⑤编写程序进行调试程序由用户编写好之后需进行调试，调试前一般要借助于一些模拟手段进行初调，检查工艺流程、动态数据、动画效果等是否正确。 ⑥综合调试对系统进行全面的调试后，经验收方可投入试运行，在运行过程中及时完善系统的设计。 3、什么是PROFIBUS总线？PROFIBUS总线有什么特点？答：①PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）现场总线解决方案[12]，它不依赖于产品制造商，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信，因此它广泛应用于制造加工、楼宇和过程自动化等自动控制领域。 ②PROFIBUS现场总线系统的技术特点：⑴容易安装，节省成本。⑵集中组态，建立系统简单。⑶提高可靠性，工厂生产更安全、有效。⑷减少维护，节省成本。⑸符合国际标准，工厂投资安全。 4、DCS的层次结构一般分为几层，并说明每层的功能？答：集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。 ①现场控制级的功能：一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。 ②过程控制级功能：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及 I/O卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。 ③过程管理级功能：一是监视和控制生产过程；二是控制方式的无扰动切换，修改设定值，调整控制信号，操控现场设备，以实现对生产过程的干预；三是打印各种报表，复制屏幕上的画面和曲线等。

现场总线设计报告

# 重庆科技学院课程设计报告院（系）:_电气与信息工程学院专业班级: 测控普2007-01 学生姓名: 黄亮学号: 99 设计地点（单位）__ I502________ __ ______ 设计题目:__基于WinCC和S7-300的温度测控系统__ * 完成日期：2010年 12 月 10 日指导教师评语: _______________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ ________________________________ __________ _ 成绩（五级记分制）:______ __________ 指导教师（签字）:________ ________ <

1课程设计任务书设计题目：基于WinCC和S7-300的温度测控系统教研室主任：指导教师：胡文金、刘显荣 2010 年 11月 26 日

2温度控制对象概述温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温控系统的控制技术得到了迅速发展，能否成功地将温度控制在所需范围内，关系到整个活动的成败，由于控制对象的多样性和复杂性，导致采用的温控手段的多样性，且控制对象普遍具有时间常数大、纯滞后时间长、时变性较明显等特点，给控制带来一定难度。在本次设计中采用的是TKPLC-2型温度加热器。功能特点与技术参数 TKPLC-2型温度加热器是包括三个模块，电压驱动模块、电阻丝加热模块以及电流输出模块，温度加热器功率为50W。电压输入为0-5V，电流采用标准的DDZⅢ型4-20mA输出信号，温度传感器采用Pt100，测温范围0-200℃，Pt100采用电桥连接。电阻丝温度变化大概为0-100℃，因此满足实验的要求。控制手段温度控制对象由于存在比较大的滞后，控制快速性以及控制精度较难权衡，因此控制比较复杂。针对各种温度控制对象，已经有了各种不同的温度控制方法，包括最经典的PID控制算法，模糊控制算法，神经网络控制，最优控制等等，这些控制算法各有各自的特点及优势。由于实验的条件以及自身的知识水平，采用最经典的PID控制算法作为本次课程设计的核心温度控制算法。整个控制流程为：由温度加热器的自带的温度传感器Pt100实时测量温度，再由温度加热器内部调理电路，将温度信号转换为4-20mA的电流信号，电流信号通过电缆传送到S7300型号PLC的模拟量输入端，通过PLC内部自带的FB58温度控制PID模块控制，然后通过PLC的模拟量输出口采用0-10V（实际程序控制只需输出0-5V）方式电压输出控制温度加热器的加热电压，达到控制温度的目的。此外实验中还通过WinCC组态软件来实时监控温度控制过程，包括实时温度，PID三个参数（Kp、Ti、Td），以及输出控制流量，绘制实时曲线，棒图等。PLC通过DP总线与PC连接，WinCC组态软件通过配置PG接口与PLC连接，达到数据传输的目的。以此，一个PID温度控制以及实施监控的控制的系统叙述完毕。

现场总线知识点

1.现场总线定义按照国际电工委员会IEC标准的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式，双向传输，多分支结构的通信网络。 2.现场总线的本质含义表现在几个方面 1.现场通信网络。现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，是过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单点并行传输变为多点一线的双向串行数字传输。 2.现场设备互联。现场设备是指位于生产现场的传感器、变送器和执行器等。这些现场设备可以通过现场总线直接在现场实现互联，相互交换信息。在DCS中，现场设备之间是不能直接交换信息的。 3.互操作性。互操作性指来自不同厂家的设备可以互相通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。它体现在用户可以自由的选择设备，而这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议；制造上具有增加新的、有用功能的能力，不需要专用协议和特殊定制驱动软件和升级软件。 4.分散功能块。现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此可以取消传统DCS的过程控制站。例如现场总线变送器还可以运行PID控制功能块，现场总线执行器还可以运行PID控制功能块和输出特性补偿块还可以实现阀门特性自校验和阀门故障自诊断功能。 5.现场总线供电。现场总线完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且可以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中的应用奠定了基础。 6.开放式互联网络。现场总线为开放式互联网络，即可于同层网络互连，也可与不同层网络互联。现场总线协议是一个完全开放的协议，它不像DCS那样采用封闭的、专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协议。这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化。 3.现场总线通信系统组成由数据发送设备、接收设备、传输介质、传输报文和通信协议等部分组成。 4.几种典型的现场总线（考名词解释） CAN控制局域网络；PROFIBUS过程现场总线；WorldFIP世界工厂仪表协议；HART是可寻址远程传感器数据通路；ControlNet是IEC标准类型2，主要用于PLC与计算机之间的通信网络，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于连接串行、并行的I／O设备，人机接口等；DeviceNet是一种基于CAN技术的开放型通信网络，主要用于构建底层控制网络，其节点由嵌入了CAN通信控制器芯片的设备组成；ASI执行器或传感器接口，它是一种用在控制器和传感器/执行器之间双向交换信息的总线网络，属于底层自控设备的工业数据通信网络；FF 现场总线基金会。 5.具有两层结构的FCS：现场设备和人机接口。

现场总线控制系统学习心得

现场总线控制系统学习心得班级：电技131 姓名：杨秋学号：20XX301030103 六个星期的现场总线控制系统课程已经结束，通过这段时间的学习和老师的耐心讲解，我初步了解到了这门课程的基本内容。目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。我们已经在以往的学习中了解到了PLC和DCS这两大系统的基本知识，而FCS就是我们这段时间学习的现场总线控制系统。老师分别从以下几个方面详细地向我们讲解了这门课程。 1现场总线和现场总线控制系统的概念根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS，它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为

4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。 2 现场总线技术现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统 3 现场总线的分类老师重点讲述了现场总线的几种类别，典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF，LonWork现场总线，Profibu 现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。其中FF总线尤为重要，按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为

现场总线控制系统

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南阳理工学院自动控制仪表课程报告学院（系）：机械与汽车工程学院专业：测控技术与仪器（升）学生： *** 指导教师： * * 完成日期2015年 12 月

自动控制仪表课程报告现场总线控制系统 Fieldbus control system 总计：自动控制仪表课程报告 20 页插图： 14 幅

自动控制仪表课程报告现场总线控制系统 Fieldbus control system 学院（系）：机械与汽车工程学院专业：测控技术与仪器（升）学生姓名： *** 学号：1%%%%%%% 指导教师（职称）：（高级工程师）评阅教师：完成日期： 2015年12月南阳理工学院 Nan yang Institute of Technology

现场总线控制系统测控技术与仪器（升） *** [摘要]技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线协议主要包括、、Foundation、、Interbus_S 等。在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。 [关键词] 现场总线；工业控制；应用广泛 Fieldbus control system Measurement & Control Technology and Instruments Major（l） *** Abstract：Field bus technology, since the promotion has been all over the world should be used in industrial control fields. Fieldbus technology popularization has three or four years, has been or are being used in metallurgy, automobile manufacturing, tobacco machinery, environmental protection, petrochemical, electric power, textile machinery and other industries. Application of bus protocol mainly includes the PROFIBUS, DeviceNet, Foundation, Fieldbus, Interbus_S, etc. In the automotive industry, the field bus control technology application is very common, in the past two years the domestic new and the old production line of auto production line transformation, mostly using the field bus control technology. Design of field bus control system has been applied abroad is very broad, from the single device to the transmission system of the whole production line, adopts the control method of the field bus. And domestic applications are mostly concentrated in the production line of

什么是现场总线控制系统

现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是由各种现场仪表通过互连与控制室内人机界面所组成的系统；一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。也正是由于这些特点，以现场总线作为技术支撑的FCS在工业自动化领域有明显的优势，诸如很高的精确性、组志简单、设计安装方便、易于维护和扩展、可以节约软硬件投资等，被称为第五代控制系统，成为当今工业自动化发展的必然趋势。它使过程控制领域的自动化装置由DCS向FCS过渡，DDC（直接数字控制）功能将彻底分散到现场，使先进的现场设备管理功能得以实现。现场总线已广泛应用于各个领域，如电力监控、能源管理、自动测试系统等等。我公司以前的高炉生产自动化控制系统采用美国GE 公司的Series 90－70／30的PLC设备，此设备运行稳定，可靠性高。现场设备的各种开关及模拟信号通过信号电缆汇到PLC模板处，供PLC采集，进行处理，然后输出，控制现场设备运转，来满足高炉生产的需要。如图1所示：图1DCS控制图从上图可以看出：整个系统的关键在于主机入口处的瓶颈现象。由于现场及设备多，且比较分散，信号进入PLC后，必须经过A／D、D从转换过程，且精确度有所降低，这样就迫使PLC 的扫描周期加长，不利于主机腾出手来从事优化工作，使整个主机性能下降，直接威胁到高炉各种信号的实时性。另外，现场及设备所处的环境特殊，与之相连接的电缆比较多，维护量大，故障率高，影响到整个高炉自动化控制系统的稳定性和可靠性。三、现场总线的选用1．现场总线的优点PY。fibllsoP 现场总线是Pr。fiblls现场总线的一个性能优化版本，专门用于自动化系统与分布式外围设备之间的临界通信任务。这种总线适合于替代价格昂贵的24V DC和4～20mA测量信号平行传输线路。德国TURCK公司开发的工业现场总线是现场仪表、设备与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向通信与多站的通信系统，为我厂已建成的千兆位以大网系统提供了现场级的控制功能。这次我炼铁厂5＃高炉大修选用TURCK公司的工业现场总线，可避免几千个检测点和控制点的检测信号汇集到DCS 的入日处所造成的信号堵塞，从而把60％以上的控制功能下放到现场仪表，增加了系统的安全性和可靠性。采用现场总线主要有以下优点：（1）可以减少1／2-2／3的隔离器、端子柜、I／O柜、l／O终端，这样大大节省了10装置及装置室的空间；（2）由于免去了D／A及A／D转换的过程，使信号精确度可以从±0．5％提高到±0．1％；（3）由于可以将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2－3次增加到每秒10－20次，从而改善了调节性能；（4）组态简单，安装、运行、维护简便；（5）采用IP67的防护等级，使之完全适合高炉现场的恶劣环境。 2.5＃高炉大修工业现场总线的组态方式为使TURCK公司开发的工业现场总线产品更好地应用到生产中去，必须使之与高炉主PLC（GE 公司series 90．30）系统有机地结合在一起。5＃高炉系统由高炉、热风、喷煤、卷扬及槽下（包括除尘）部分组成。每个部分都负责一定的区域，它们之间既相互独立，又密不可分，相互联系。任何一个环节出问题，都将导致高炉的直接休风，影响生产。为此，以上各个部分都配有自己独立的series 90－30 PLC控制系统，且从各自的PLC 总线接口分别架设一条工业现场总线到各自所负责的区域。PLC通过各自的总线系统采集现场的实时数据进行处理及控制。这样，就可以使复杂的高炉生产系统分成五部分总线来设计，避免总线的连接过于复杂，有利于工业现场总线优势的发挥。5＃高炉总线布置图如图2：图2总线布置图高炉各个部分的PLC之间利用已建成的千兆位局域网进行通讯，相互联系。把现场的实时数据提供给操作者进行参考，由此判断炉况。（1）与PLC的总线接口GE公司的主PLC 设备，支持工业总线Profibus．DP协议，具有很强的扩展性，机架上挂接一块总线接口PBM 模板，利用Profibus-DP 协议来完成从工业总线上采集数据、传递信息的任务，控制现场设备的运行。为使PBM模板能够正常工作，要求CPU的软件版本在8.0以上，因而PLC 主处理模块采用GE 公司新推出的IC693 CPU364。为保持其兼容性，使用GE公司自己开发的Vesapro组态软件，通过Turck公司提供的GSD文件来完成对总线的配置。组态图如图

DART A LAN Interface for Low Overhead Communication

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