現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

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1、第一章 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FC9 第一節(jié)概述 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System , FC9是繼基地式 氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控 制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS后的新一代控制系統(tǒng)。由于它適應(yīng)了工業(yè) 控制系統(tǒng)向數(shù)字化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，給自動化系 統(tǒng)的最終用戶帶來更大實惠和更多方便，并促使目前生產(chǎn)的自動化儀表、 集散控制系統(tǒng)、可編程控制器（PLC產(chǎn)品面臨體系結(jié)構(gòu)、功能等方面的 重大變革，導(dǎo)致工業(yè)自動化產(chǎn)品的又一次更新?lián)Q代，因而現(xiàn)場總線技術(shù) 被譽為跨世紀的自控新技術(shù)。 一、 現(xiàn)場總線的發(fā)展

2、隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域正 在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，從工段、車 間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自 動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信 息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線（Fieldbus ）就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。 1、什么是現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙 向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的 底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系 統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的

3、測量控制儀表，使它們各 自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用雙絞線等作為總線，把多個 測量控制儀表連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)的通信協(xié)議，在位于現(xiàn) 場的多個微機化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之 間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。 簡而言之，它把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以現(xiàn)場總線為 紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 與控制系統(tǒng)。它給自動化領(lǐng)域帶來的變化，正如眾多分散的計算機被網(wǎng) 絡(luò)連接在一起，使計算機的功能、作用發(fā)生的變化?，F(xiàn)場總線則使自控 系統(tǒng)與設(shè)備具有了通信能力，把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)

4、 的行列。因此把現(xiàn)場總線技術(shù)說成是一個控制技術(shù)新時代的開端并不過 分。 現(xiàn)場總線是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的。隨著微處理 器與計算機功能的不斷增強和價格的急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)得到迅速發(fā)展，而處于生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，采用一對一 連線，用電壓、電流的模擬信號進行測量控制，或采用自封閉式的集散 系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動化系 統(tǒng)成為“自動化孤島”。要實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化, 就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通 信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信， 實現(xiàn)底層現(xiàn)

5、場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。 現(xiàn)場總線就是在這種實際需求的驅(qū)動下應(yīng)運而生的。它作為過程自 動化、制造自動化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng) 絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間 的聯(lián)系，為徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系 統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智 能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補 償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動 化功能，這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為

6、主 要容的綜合技術(shù)。 由于現(xiàn)場總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展 的方向，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術(shù)的熱點，受到全世界的 普遍關(guān)注。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，導(dǎo)致目前生產(chǎn)的自動化儀表、集散控制系 統(tǒng)、可編程控制器在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)方面的較大變革，自動 化設(shè)備的制造廠家被迫面臨產(chǎn)品更新?lián)Q代的又一次挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的模擬儀 表將逐步讓位于智能化數(shù)字儀表，并具備數(shù)字通信功能。出現(xiàn)了一批集 檢測、運算、控制功能于一體的變送控制器；出現(xiàn)了可集檢測溫度、壓 力、流量于一身的多變量變送器；出現(xiàn)了帶控制模塊和具有故障信息的 執(zhí)行器；并由此大大改變了現(xiàn)有的設(shè)備維護管理方法。 2、現(xiàn)場總線的發(fā)

7、展 50 年代以前，由于當時的生產(chǎn)規(guī)模較小，檢測控制儀表尚處于發(fā)展 的初級階段，所采用的僅僅是安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場、只具備簡單測控功 能的基地式氣動儀表，其信號僅在本儀表起作用，一般不能傳送給別的 儀表或系統(tǒng)，即各測控點只能成為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操 作人員只能通過生產(chǎn)現(xiàn)場的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況。 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，操作人員需要綜合掌握多點的運行參數(shù)與信 息，需要同時按多點的信息實行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動、電動系列 的單元組合式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一 的模擬信號，如 0.02?0.1MPa的氣壓信號，0?10mA 4?20mA的直流 電流信號，1

8、?5V直流電壓信號等，送往集中控制室。操作人員可以坐 在控制室縱觀生產(chǎn)流程各處的狀況，可以把各單元儀表的信號按需要組 合成復(fù)雜控制系統(tǒng)。 由于模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，信號變化緩慢，提高 計算速度與精度的開銷、難度都較大，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差， 人們開始尋求用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制。由于當 時的數(shù)字計算機技術(shù)尚不發(fā)達，價格昂貴，人們企圖用一臺計算機取代 控制室的幾乎所有的儀表盤，出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。但由于當時 數(shù)字計算機的可靠性還較差，一旦計算機出現(xiàn)某種故障，就會造成所有 控制回路癱瘓、生產(chǎn)停工的嚴重局面，這種危險也集中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難 為生產(chǎn)過程所接

9、受。 隨著計算機可靠性的提高，價格的大幅度下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、 可編程控制器以及由多個計算機遞階構(gòu)成的集中管理、分散控制相結(jié)合 的集散控制系統(tǒng)。這就是今天正在被許多企業(yè)采用的 DCS系統(tǒng)。DCS 系統(tǒng)中，測量變送儀表一般為模擬儀表，因而它是一種模擬數(shù)字混合系 統(tǒng)。這種系統(tǒng)在功能、性能上較模擬儀表、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)有了很 大進步，可在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，在 DCS 系統(tǒng)形成的過程中，由于受計算機系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的 影響，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家的設(shè)備不能互連在一起，難以 實現(xiàn)互換與互操作，組成更大圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在很多困難。 新型的現(xiàn)

10、場總線控制系統(tǒng)則突破了 DC繇統(tǒng)信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系 統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開 化、標準化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)的自 動化設(shè)備，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能； 同時把DCS?中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié) 構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身便可實現(xiàn)基本 控制功能 現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控能力指數(shù)，一是得益于儀表的微機 化，二是得益于設(shè)備的通信功能。把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備、使設(shè) 備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳 輸精度，同時為豐富控

11、制信息的容，實現(xiàn)其遠程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn) 場總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計算、通信能力，在現(xiàn)場就可進行許多復(fù) 雜計算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)運行的 可靠性。還可借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其他網(wǎng)段，實現(xiàn) 異地遠程自動控制，如操作遠在數(shù)百公里之外的電氣開關(guān)等。還可提供 傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障診斷等信息，便于操 作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運行狀態(tài)。 1984 年，美國儀表協(xié)會(ISA)下屬的標準與實施工作組中的 ISA /SP50開始制定現(xiàn)場總線標準；1985年，國際電工委員會決定由Proway Working Gro

12、up負責現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標準的研究制定工作； 1986年， 德國開始制定過程現(xiàn)場總線(Process Fieldbus )標準，簡稱為 PROFIBUS由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。 1992 年，由 Siemens, Rosemount, ABB Foxboro, Yokogawa等 80 家公司聯(lián)合，成立了 ISP (Interoperable System Protocol )組織，著 手在PROFIBUS勺基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場總線標準。1993年，以Honeywell , Balley 等公司為首，成立了 World FIP ( Factory Instrumentati

13、on Protocol )組織，有120多個公司加盟該組織，并以法國標準 FIP為基 礎(chǔ)制定現(xiàn)場總線標準。此時各大公司均已清醒地認識到，現(xiàn)場總線應(yīng)該 有一個統(tǒng)一的國際標準，現(xiàn)場總線技術(shù)勢在必行。但總線標準的制定工 作并非一帆風順，由于行業(yè)與地域發(fā)展歷史等原因，加之各公司和企業(yè) 集團受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，致使總線的標準化工作進展緩慢。 1994 年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場總線基金會 (Fieldbus Foundation ,簡標FF),推動了現(xiàn)場總線標準的制定和產(chǎn) 品開發(fā)，于1996年第一季度頒布了低速總線 H1的標準，安裝了示系統(tǒng)， 將不同廠商的符合FF規(guī)的儀

14、表互連為控制系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)，使 H1低速 總線開始步入實用階段。 與此同時，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標準。它們 大都在公司標準的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至 于國際組織的支持。如德國Bosch公司推出CANControl Area Network), 美國Echelon公司推出的Lon Works等。大千世界，眾多行業(yè)，需求各 異，加上要考慮已有各種總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，預(yù) 計在今后一段時期，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標準共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾 種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)，真正形 成開放互連系統(tǒng)，是大勢所趨。 3、現(xiàn)場總線

15、的特點 ⑴ 系統(tǒng)的開放性：開放是指對相關(guān)標準的一致性、 公開性，強調(diào)對 標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守 相同標準的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè) 備之間可實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠 底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商 的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連 系統(tǒng)。 ⑵ 互可操作性與互用性：互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng) 間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備 可實現(xiàn)相互替換。 ⑶ 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性： 它將傳感測量

16、、補償計算、工 程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成 自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。 ⑷ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有 DCSB中與分散相結(jié)合的集散控 制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 ⑸ 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性：工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層 的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光 纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制 實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。 ⑹節(jié)省硬件數(shù)量與投資：由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的

17、智能設(shè) 備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的 數(shù)量，不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要 DCS勺信號調(diào) 理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機作為操作 站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。 ⑺節(jié)省安裝費用：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一 條電纜上通常可掛接多個設(shè)備，因而電纜、端子、梢盒、橋架的用量大 大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控 制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了 投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料 表明，可節(jié)約安裝

18、費用60%以上。 ⑻節(jié)省維護開銷：由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的 能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查 詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除， 縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護 工作量。 ⑼ 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)：用戶可以自由選擇不同廠商所 提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被“框死” 了 使用設(shè)備的選擇圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、 接口而一籌莫展。 使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。 (10)提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性：由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)

19、字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少 了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表 部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 4、幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù) ⑴基金會現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線(FF, Foundation Fieldbus )是在過程自動化領(lǐng)域 得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國 Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合 Foxboro、橫河、ABB西門子等80 家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的 150 家公司制訂的world FIP協(xié)議。這兩大集團于1

20、994年9月合并，成立了 現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以 ISO /OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對 自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語 言規(guī)定了通用的功能塊集。由于這些公司是該領(lǐng)域自控設(shè)備的主要供應(yīng) 商，對工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，也具備足以左右該領(lǐng)域現(xiàn)場 自控設(shè)備發(fā)展方向的能力，因而由它們組成的基金會所頒布的現(xiàn)場總線 規(guī)具有一定的權(quán)威性。 基金會現(xiàn)場總線分低速Hl和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率 為31.25kbps ,通信距

21、離可達1900m (可加中繼器延長)，可支持總線供 電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境，H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種， 其通信距離分別為750m和500m物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和 無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹 斯特編碼。 基金會現(xiàn)場總線的主要技術(shù)容包括 FF通信協(xié)議；用于完成開放互連 模型中第2~7層通信協(xié)議的通信棧(Communication Stack);用于描述 設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典； 用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能的功能塊； 實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、 調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技

22、術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 的系統(tǒng)集成技術(shù)。1996年在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現(xiàn)場總線 基金會組織實施，首次向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF 協(xié)議的產(chǎn)品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的 FF展品， 用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場總線的演示系統(tǒng)，各展臺現(xiàn)場設(shè) 備之間可實地進行現(xiàn)場互操作，展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的基本概貌。 ⑵ LonWorks LonWorks 是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)。它是由美國 Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于 1990年正 式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議

23、，采用了 面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置， 其通信速率從 300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達 2700m (78kbps,雙絞線)；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電 力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽為通用 控制網(wǎng)絡(luò)。 LonWorks 技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為 Neuron的神 經(jīng)元芯片中而得以實現(xiàn)。集成芯片中有 3個8位CPU 一個用于完成開 放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現(xiàn)介 質(zhì)訪問的控制與處理；第二個用于完成第3?6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理 器，進行網(wǎng)絡(luò)變

24、量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng) 絡(luò)管理，并負責網(wǎng)絡(luò)通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等。第三個是應(yīng)用處理器， 執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn) CPLfc間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。 Echelon公司的技術(shù)策略是鼓勵各 OEMF發(fā)商運用LonWorks技術(shù)和 神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同 程度上卷入了 LonWorks技術(shù)，1000多家公司已經(jīng)推了 LonWorks產(chǎn)品， 并進一步組織起LonMAR血操作協(xié)會，開發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。 它已被廣泛應(yīng)用在樓字自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)

25、備、交 通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感 器方面，Lonworks神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。 ⑶ PROFIBUS PROFIBUS是德國國家標準 DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總 線標準。由 PROFIBUS-DPPROFIBUS-FM中ROFIBUS-PAI成了 PROFIBUS 系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的 應(yīng)用。FMS1為現(xiàn)場信息規(guī)，PROFIBUS-FMS用于紡織、樓宇自動化、 可編程控制器、低壓開關(guān)等。而 PA型則是用于過程自動化的總線類型， 它遵從IEC1158-2標準。該項技術(shù)是由西門子公司

26、為主的十幾家德國公 司、研究所共同推出的。它采用了 OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS 還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kbps ~ 12Mbps,最大傳輸距離在12Mbps 時為100mr)1.5Mbps時為400mrj可用中繼器延長至10kmi其傳輸介質(zhì)可 以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接 127個站點?？蓪崿F(xiàn)總線供電 與本質(zhì)安全防爆。 ⑷CAN CAN 是控制局域網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network )的簡稱，最早由德 國BOSC淤司推出，用于汽車部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總 線規(guī)現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準。由于得到了 Motorola ,

27、Intel , Philip , Siemence, NE/公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制 領(lǐng)域。CANW議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的， 不過，其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取 OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和 頂層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達 1Mbp/ 40nl,直接傳輸距離最遠可達10km/5kbps?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)最多可達110 個。 CANW信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳 輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能， 以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點及其通信不受影響， 具有較強的抗干擾能

28、力。 ⑸ HART HART 是 Highway Addressable Remote Transducer 的縮寫，最早由 Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持， 于1993年成 立了 HART?信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通 信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模 擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具 有較強的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。 它規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令，第一類稱 為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為 命令，所提供的功能可以在許

29、多現(xiàn)場設(shè)備中實現(xiàn)，這類命令包括最常用 的現(xiàn)場設(shè)備的功能庫；第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實 現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命 令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設(shè)備常可發(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。 HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言 DDL現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標準 語言來描述設(shè)備特性，由HARTS金會負責登記管理這些設(shè)備描述并把它 們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運用 DDL技術(shù)來理解這些設(shè)備的特性參數(shù) 而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導(dǎo) 致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。 HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可

30、組成由手持 編程器與管理系統(tǒng)主機作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。 在后面的章節(jié)中，將較為詳細地介紹基金會現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用實 例。 二、基金會現(xiàn)場總線的特征 基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)是為適應(yīng)自動化系統(tǒng)、特別是過程自動化系統(tǒng) 在功能、環(huán)境與技術(shù)上的需要而專門設(shè)計的。它可以工作在工廠生產(chǎn)的 現(xiàn)場環(huán)境下，能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求，還可通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為 現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。 這種現(xiàn)場總線標準是由現(xiàn)場總線基金會(Fieldbus Foundation )組 織開發(fā)的。它得到了世界上主要自控設(shè)備供應(yīng)商的廣泛支持，在北美、 亞太、歐洲等地區(qū)具有較強的影響力?，F(xiàn)場總線基金會的目標是致力于 開發(fā)出統(tǒng)一標準的現(xiàn)

31、場總線，并已于 1996年一季度頒布了低速總線 H1 的標準，安裝了示系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)的儀表互連為控制系統(tǒng) 和通信網(wǎng)絡(luò)。使Hl低速總線步入實用階段。 基金會現(xiàn)場總線的系統(tǒng)是開放的，可由來自不同制造商的測量、控 制設(shè)備構(gòu)成。這些制造商所設(shè)計開發(fā)的設(shè)備遵循相同的協(xié)議規(guī)。在產(chǎn)品 開發(fā)期間，通過一致性測試，確保產(chǎn)品與協(xié)議規(guī)的一致性。當把不同制 造商的產(chǎn)品連接于同一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各設(shè)備間應(yīng)可實現(xiàn) 互操作。同時還允許不同廠商生產(chǎn)的相同功能設(shè)備之間進行相互替換。 基金會現(xiàn)場總線的最大特色就在于它不僅僅是一種總線，而且是一 個系統(tǒng)。是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是自動化系統(tǒng)。它作為新型自動化系

32、統(tǒng)，區(qū)別 于以前各種自動化系統(tǒng)的特征就在于它所具有的開放型數(shù)字通信能力， 它使自動化系統(tǒng)具備了網(wǎng)絡(luò)化特征。而它作為一種通信網(wǎng)絡(luò)，有別于其 他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特征則在于它位于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，其網(wǎng)絡(luò)通信是圍繞完成 各種自動化任務(wù)進行的。 基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)作為全分布式自動化系統(tǒng)，要完成的主要功能 是對工業(yè)生產(chǎn)過程各個參數(shù)進行測量、信號變送、控制、顯示、計算等， 實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動檢測、監(jiān)視、自動調(diào)節(jié)、順序控制和自動保護， 保障工業(yè)生產(chǎn)處于安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行狀態(tài)。這里的全分布式自動 化系統(tǒng)是相對Dcsrn言的。 目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣為采用 DCS它打破了計算機控制系統(tǒng)發(fā)展初期 由單臺計算機統(tǒng)管整個車

33、間甚至工廠的集中控制模式，把整個生產(chǎn)過程 分解為多個子系統(tǒng)，由多臺計算機共同協(xié)作完成自控系統(tǒng)功能，每臺計 算機或微處理器獨立承擔其中某一部分功能，這種系統(tǒng)的優(yōu)點是針對集 中控制模式中危險也集中的弊端，但在其系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)上，仍然為數(shù) 字控制器與模擬變送器組成的模擬一數(shù)字混合系統(tǒng)。模擬變送器位于工 藝設(shè)備的生產(chǎn)現(xiàn)場，而控制器一般位于集中控制室。從構(gòu)成控制系統(tǒng)的 信號流的角度來看，在現(xiàn)場把被控參數(shù)轉(zhuǎn)換為測量信號后，被送往位于 集中控制室的控制器，經(jīng)控制運算后，再把所得到的操作信號由控制室 送往位于生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)節(jié)閥或控制電機，這樣，即使是一個簡單回路控 制系統(tǒng)，具信號的必經(jīng)路徑也將會較長，因而會引發(fā)

34、許多弊端和隱患。 比如在控制室與現(xiàn)場之間的連線出現(xiàn)斷線或短路故障時，控制室的計算 機或控制器將對生產(chǎn)現(xiàn)場失去控制，而單憑現(xiàn)場儀表又不能實現(xiàn)控制功 能，會給生產(chǎn)造成影響。 現(xiàn)場總線的全分布式自動化系統(tǒng)則把控制功能完全下放到現(xiàn)場。僅 由現(xiàn)場儀表即可構(gòu)成完整的控制功能。由于基金會現(xiàn)場總線的現(xiàn)場變送、 執(zhí)行儀表（以下也稱之為現(xiàn)場設(shè)備）部都具有微處理器，現(xiàn)場設(shè)備部可 以裝人控制計算模塊，只需通過都處于現(xiàn)場的變送、執(zhí)行器之間連接， 便可組成控制系統(tǒng)。這個意義上的全分布無疑將增強系統(tǒng)的可靠性和系 統(tǒng)組織的靈活性。當然，這種控制系統(tǒng)還可以與別的系統(tǒng)或控制室的計 算機進行信息交換，構(gòu)成各種高性能的控制系統(tǒng)。

35、 基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)作為低帶寬的通信網(wǎng)絡(luò)，把具備通信能力、同 時具有的控制、測量等功能的現(xiàn)場自控設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，由現(xiàn)場總 線把它們互連為網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點間的操作參數(shù)與數(shù)據(jù)調(diào)用，實 現(xiàn)信息共享與系統(tǒng)的各項自動化功能。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的現(xiàn)場設(shè)備具備通信 接收、發(fā)送與通信控制能力。它們的各項自動化功能是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間 的信息傳輸、連接、各部分的功能集成而共同完成的，因而稱之為網(wǎng)絡(luò) 集成自動化系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)人與人、機器與機 器、人與機器、生產(chǎn)現(xiàn)場的運行控制信息與辦公室的管理指揮信息的溝 通和一體化。借助網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸與數(shù)據(jù)共享，組成多種復(fù)雜的測量、 控制、計算功能，更有效、方

36、便地實現(xiàn)生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運 行，并進一步實現(xiàn)管控一體化。 基金會現(xiàn)場總線作為工廠的底層網(wǎng)絡(luò)，相對一般廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)而 言，它是低速網(wǎng)段，其傳輸速率的典型值為31.25kbps ,1Mbp的2.5Mbps 它可以由單一總線段或多總線段構(gòu)成，也可以由網(wǎng)橋把不同傳輸速率、 不同傳輸介質(zhì)的總線段互連而構(gòu)成。網(wǎng)橋在不同總線段之間透明地轉(zhuǎn)換 傳送信息。還可以通過網(wǎng)關(guān)或計算機接口板，將其與工廠管理層的網(wǎng)段 掛接，徹底打破了多年來未曾解決的自動化信息孤島的格局，形成了完 整的工廠信息網(wǎng)絡(luò)。 基金會現(xiàn)場總線圍繞工廠底層網(wǎng)絡(luò)和全分布自動化系統(tǒng)這兩個方面 形成了它的技術(shù)特色。其主要技術(shù)容有： (1

37、)基金會現(xiàn)場總線的通信技術(shù)。它包括基金會現(xiàn)場總線的通信模型、 通信協(xié)議、通信控制器芯片、通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理等容。它涉及一系列 與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的硬、軟件，如通信棧軟件，被稱之為圓卡的儀表用通信接 口卡，F(xiàn)F與計算機的接口卡，各種網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、中繼器等。它是現(xiàn)場總 線的核心基礎(chǔ)技術(shù)之一，無論對于現(xiàn)場總線設(shè)備的開發(fā)制造單位，還是 系統(tǒng)設(shè)計單位、系統(tǒng)集成商以至用戶，都具有重要作用。 (2)標準化功能塊(FB, Function Block )與功能塊應(yīng)用進程 (FBAP Function Block Application Process )。它提供一個通用結(jié)構(gòu)，把實 現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能劃分為功能模

38、塊，使其公共特征標準化，規(guī) 定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)與塊控制圖，并把它們組 成為可在某個現(xiàn)場設(shè)備中執(zhí)行的應(yīng)用進程。便于實現(xiàn)不同制造商產(chǎn)品的 混合組態(tài)與調(diào)用。功能塊的通用結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)開放系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)，也是 實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能與自動化功能的基礎(chǔ)。 (3)設(shè)備描述(DR Device Description )與設(shè)備描述語言(DDL Device Description Language )。為實現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備的互操作性，支 持標準的功能塊操作，基金會現(xiàn)場總線采用了設(shè)備描述技術(shù)。設(shè)備描述 為控制系統(tǒng)理解來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)意義提供必需的信息，因而也可以 看作控制系統(tǒng)或主機對某個設(shè)備的驅(qū)

39、動程序，即設(shè)備描述是設(shè)備驅(qū)動的 基礎(chǔ)。設(shè)備描述語言是一種用以進行設(shè)備描述的標準編程語言。采用設(shè) 備描述編譯器，把DDL?寫的設(shè)備描述的源程序轉(zhuǎn)化為機器可讀的輸出 文件?？刂葡到y(tǒng)正是憑借這些機器可讀的輸出文件來理解各制造商的設(shè) 備的數(shù)據(jù)意義?，F(xiàn)場總線基金會把基金會的標準 DDffi經(jīng)基金會注冊過的 制造商附加DD^成CD-ROM提供給用戶。 (4)現(xiàn)場總線通信控制器與智能儀表或工業(yè)控制計算機之間的接口技 術(shù)。在現(xiàn)場總線的產(chǎn)品開發(fā)中，常采用 OEM1成方法構(gòu)成新產(chǎn)品，已有 多家供應(yīng)商向市場提供FF集成通信控制芯片、通信棧軟件、圓卡等。把 這些部件與其他供應(yīng)商開發(fā)的、或自行開發(fā)的、完成測量控制

40、功能的部 件集成起來，組成現(xiàn)場智能設(shè)備的新產(chǎn)品。要將總線通信圓卡與實現(xiàn)變 送、執(zhí)行功能的部件構(gòu)成一個有機的整體，要通過 FF的PC接口卡將總 線上的數(shù)據(jù)信息與上位的各種 MMI(即人機接口)軟件、高級控制算法 融為一體，尚有許多智能儀表本身及其與通信軟硬件接口的開發(fā)工作要 做。如與MMI軟件連接中的OPCK術(shù)。OPCK術(shù)是指用于過程控制的對 象嵌入(OLE Object Linking and Embedding)技術(shù)。OLE是 Microsoft 公司在PC機中采用的PC組件(PC Component )技術(shù)。把這一技術(shù)引 入到過程控制系統(tǒng)，使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)較容易地與現(xiàn)有的計算機平臺

41、結(jié)合起來，使工廠網(wǎng)絡(luò)的各個層次可以在網(wǎng)絡(luò)上共享數(shù)據(jù)與信息?？梢?認為，OPCK術(shù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)開放式傳輸?shù)幕A(chǔ)。 (5)系統(tǒng)集成技術(shù)。它包括通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成， 如網(wǎng)絡(luò)通信 系統(tǒng)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓撲、配線、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理、控制系統(tǒng)組態(tài)、人機接口、 系統(tǒng)管理維護等。這是一項集控制、通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)等多方面的知 識，集軟硬件于一體的綜合性技術(shù)。它在現(xiàn)場總線技術(shù)開發(fā)初期，在技 術(shù)規(guī)、通信軟硬件尚不十分成熟之時，具有其特殊的意義。對系統(tǒng)設(shè)計 單位、用戶、系統(tǒng)集成商更是具有重要作用。 (6)系統(tǒng)測試技術(shù)。包括通信系統(tǒng)的一致性與互可操作性測試技術(shù)、 總線監(jiān)聽分析技術(shù)、系統(tǒng)的功能和性能測試技術(shù)。一致性與

42、互可操作性 測試是為保證系統(tǒng)的開放性而采取的重要措施。一般要經(jīng)授權(quán)過的第三 方認證機構(gòu)作專門測試，驗證符合統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)后，將測試結(jié)果交基金 會登記注冊，授予FF標志。只有具備了 FF標志的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，才是 真正的FF產(chǎn)品，其通信的一致性與系統(tǒng)的開放性才有相應(yīng)保障。有時， 對由具有FF標志的現(xiàn)場設(shè)備所組成的實際系統(tǒng)，還需進一步進行互可操 作性測試和功能性能測試，以保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，并達到所要求的性 能指標?？偩€監(jiān)聽分析用于測試判斷總線上通信信號的流通狀態(tài)，以便 于通信系統(tǒng)的調(diào)試、診斷與評價。對由現(xiàn)場總線設(shè)備構(gòu)成的自動化系統(tǒng)， 功能、性能測試技術(shù)還包括對其實現(xiàn)的各種控制系統(tǒng)功能的能力、指標 參

43、數(shù)的測試。并可在測試基礎(chǔ)上進一步開展對通信系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)綜 合指標的評價。 第二節(jié)FCS的硬件組成 和傳統(tǒng)的DCS空制系統(tǒng)不同，F(xiàn)CS是總線網(wǎng)絡(luò)，所有現(xiàn)場表都是一個 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并掛接在總線上，每一個節(jié)點都是一個智能設(shè)備，因此 FCS 中已經(jīng)不存在現(xiàn)場控制站，只需要工業(yè)PC即可。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中， 以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場儀表已不再是傳統(tǒng)意義上的變送或執(zhí)行單元， 而是同時起著數(shù)據(jù)采集、控制、計算、報警、診斷、執(zhí)行和通信的作用。 每臺儀表均有自己的地址與同一通道上的其它儀表進行區(qū)分。所有現(xiàn)場 表均可采用總線供電方式，即電源線和信號線共用一對雙絞線。在本質(zhì) 安全情況下使用時，必須使用現(xiàn)場總線

44、安全柵 SB302 Smar公司是生產(chǎn)FCSt早的生產(chǎn)廠家，下面以此為例介紹 FCS的硬 件組成。 一、接口設(shè)備 接口設(shè)備主要指各種計算機和計算機與現(xiàn)場總線之間的接口卡件。 1、PC 機 一般的工業(yè)PG帶有大屏幕顯示器、打印機、工業(yè)鍵盤和鼠標。另 配有凈化電源、UPS電源、操作臺、操作椅等，置于操作室。 2、過程控制接口卡(PCI) PCI (Process Control Interface )是一種高性能接口卡，把先進 的過程控制與多通道通信、 管理融為一體。該接口卡插在PC底板上，一 臺PC最多可插8卡。主要組成如下： ⑴CPU:采用32位超級RISC處理器，完成PCI卡

45、執(zhí)行的全部通信 與控制功能。 ⑵Dual-Port RAM ,雙口 RAM使PC機與本卡CPUtt享16位數(shù)據(jù) 存儲器，為二者提供一個有效的通信通路。 ⑶Control Logic，控制邏輯：為PCI卡CPUW問所有器件(NVRAM FLASH DP, TIMER MODEMS)的判別部件。 ⑷PC Bus, PC總線：16位ISA或32位EISA總線。在總線上插入 PCI卡，通過總線訪問PCI卡，同時向PCI卡提供電源。 ⑸Local Bus ,就地總線：是PCI卡部32位總線，它把CPU1接 到各快速器件上(NVRAM FLASH DB 。 ⑹Peripheral Bus ,外圍

46、總線：它是8位外圍總線，把 CPUW低 速器件相連接(TIMER MODE)M ⑺TIMER0-5,定時器：8/16位3通道通用定時器，用做多任務(wù)切 換及現(xiàn)場總線通信定時的時間基準。 ⑻ MODEM0-3 Fieldbus Communication Controller ;調(diào)制解調(diào)器 和現(xiàn)場總線通信控制器：Smar現(xiàn)場總線芯片以31.25Kbps串行數(shù)字通信， 它符合ISA-SP50現(xiàn)場總線物理層規(guī)，將士 10mA勺電流信號送給一個50 Q的等效負載，產(chǎn)生一個調(diào)制在直流電源上的 1V峰-峰值的電壓信號。 ⑼ MAU0-3, Fieldbus Medium Attachment Uni

47、t ;現(xiàn)場總線附屬單 元：屬于信號調(diào)理及隔離電路。 (10) PCI還有一整套軟件，以適應(yīng)各硬件的運行。 3、串行接口( BCD BC1是Smar入口級的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與 PC機之間的智能接口，具有 一個Master的特點，它直接把PC機的串行口(RS232接口到現(xiàn)場總線 H1通道，由PC為其供電。用做便攜式現(xiàn)場總線組態(tài)器及小工廠監(jiān)控。 軟件為Windows平臺。 二、現(xiàn)場總線儀表 Smar公司共有五種現(xiàn)場總線儀表，三種輸入儀表：雙通道溫度變送 器TT3022、差壓變送器LD302和三通道輸入電流變換器IF302;二種輸 出儀表：三通道輸出電流變換器FI302;輸出氣壓信號變換器FP3

48、02,下 面逐一介紹。 1、雙通道溫度變送器TT302 它將兩路的溫度信號引入現(xiàn)場總線，在現(xiàn)場完成兩路的溫度信號到 現(xiàn)場總線的轉(zhuǎn)換。具有冷端溫度補償，TC及RT磔性化，對特殊傳感器 有常規(guī)線性化模擬輸入。 TC U RTD年 mV * 撲雉溫度 「電踣板 儕號隔離洪 圖 2.3.2-1 TT302 框圖 其輸入信號有四種類型，七種連接方式： ① 熱電阻(RTD :二線制、三線制、四線制、溫差。 ②熱電偶(T。：單偶、雙偶、溫差。 ③ Q信號：0~100Q ; 0~400Q ; 0~2000QO ④ mV信號：-6~-2 mV; -2~22 mV; -10~10

49、0 mV; -50~500 mV。 硬件組成有：輸入板、主板、顯示板和液晶顯示器。 ⑴輸入板 ①MUX (Multiplexer ),多路調(diào)制器：把四種類型，七種接法的傳 感器信號多路傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理部分。其部帶有環(huán)境溫度測量元件，實現(xiàn) 冷端自動溫度補償。 ②Signal Conditioner，信號調(diào)理器：給輸入信號加以增益，使之 適合于A/D轉(zhuǎn)換規(guī)。 ③A/D ,模數(shù)轉(zhuǎn)換器：把模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使之適合 CPUX 作。 ④Power Isolation ,電源隔離：輸入板與主板之間的輸入信號與 控制信號必須隔開，以保證系統(tǒng)安全工作；總線不與現(xiàn)場直接關(guān)聯(lián)；通 過DC-AC

50、-D@輸入板提供電源。 ⑵主板 ①CPU,中央處理器：變送器的智能部分，進行測量控制、模塊執(zhí) 行、自診斷與通信控制。 ②PROM可編程只讀存儲器：用于存儲操作系統(tǒng)等固定程序。 ③EEPROM電可擦除可編程只讀存儲器：存儲微調(diào)、標定、模塊組 態(tài)及識別數(shù)據(jù)。 ④RAM隨機存儲器：存儲暫時數(shù)據(jù)，掉電時數(shù)據(jù)丟失。 ⑤Communication Controtter ,通信控制器：監(jiān)視總線動態(tài)，調(diào)制 與解調(diào)通信信號，插入及刪除起始與結(jié)束分割符。 ⑥ Power Supply/Signal Shaping ,電源/信號整形：電源（9—32VDC 取自現(xiàn)場總線，為變送器各板供電。同時實現(xiàn)信號整

51、形并連接到現(xiàn)場總 線。 ⑦Local Adjust ,就地調(diào)整：它有二個磁性開關(guān)，可以用磁性工具 觸發(fā)，無須機械或電接觸，用于現(xiàn)場就地編程使用。 ⑶顯示板 ①Display Controller ,顯示控制器：接收CPU^出的數(shù)據(jù)，使LCD 各字段相應(yīng)接通。 ② 顯示器：4位半數(shù)字、5字符字母LCD顯示器。 從現(xiàn)場總線的角度看，現(xiàn)場總線儀表只是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，只與其功能塊 交換信息。 TT302有如下功能塊： ①一個物理模塊：監(jiān)視設(shè)備工作，設(shè)備系列號及出廠信息； ②一個顯示傳感器模塊：相應(yīng)顯示及就地調(diào)整； ③二個輸入傳感器模塊：實現(xiàn)冷端溫度補償、引線補償及微調(diào)各種 感測信號，信號

52、類型和連接的調(diào)整，具輸出一定是接到AI功能塊的輸入 端（部已接好）； ④ 二個模擬輸入AI功能塊：實現(xiàn)溫度測量，阻尼時間，工程單位 轉(zhuǎn)換等； ⑤一個比例積分微分PID功能塊：提供現(xiàn)場PID控制功能； ⑥一個輸入信號選擇ISS功能塊：完成三入選一的選擇功能； ⑦一個信號特征化CHA電能塊：用于X-Y坐標轉(zhuǎn)換，使輸出特性 改變； ⑧一個通用算術(shù)運算ARTH^能塊：提供一個標量值的輸出，實現(xiàn) 五入四出的函數(shù)運算功能。 2、差壓變送器LD302 它將一路的壓力或差壓信號引入現(xiàn)場總線，在現(xiàn)場完成壓力信號到 現(xiàn)場總線的轉(zhuǎn)換。用于測量液體、氣體或蒸汽的表壓（ M1-M6、差壓 （D1-D4

53、）或26壓A2-A5）;或用于流量（孔板）、液位（L2-L4）的測 量。其測量部分利用的是電容式差壓變送器原理。 硬件組成有：輸入板、主板、顯示板和液晶顯示器。其輸入板稍有 TT302相同。 圖 2.3.2-2 LD302 框圖 從現(xiàn)場總線的角度看，現(xiàn)場總線儀表只是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，只與其功能塊 交換信息。 LD302有如下功能塊： ①一個物理模塊； ②一個顯示傳感器模塊； ③一個輸入傳感器模塊：完成零點微調(diào)、量程偏移、溫度補償?shù)裙?能； ④一個模擬輸入AI功能塊：完成定標、濾波、線性化、平方根等 處理; ⑤一個比例積分微分PID功能塊； ⑥一個輸入信號選擇ISS功

54、能塊； ⑦一個信號特征化CHA電能塊； ⑧一個通用算術(shù)運算ARTH^能塊； ⑨一個累加INTG功能塊：完成積分或累加功能。 3、三通道輸入電流變換器IF302 它將三路的電流（4-20mA或0-20mAA信號引入現(xiàn)場總線，用于將某 些電HI型儀表的信號或其它標準信號引入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。 硬件組成有：輸入板、主板、顯示板和液晶顯示器。 至電絡(luò)板 輸入電路板 也簫 信號隔陽盤 圖 2.3.2-3 IF302 框圖 從現(xiàn)場總線的角度看，現(xiàn)場總線儀表只是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，只與其功能塊 交換信息。 注意要外接電源。配線簡圖如圖 2.3.2-4所示： 圖2.3.2-4 IF302

55、外部配線圖 IF302有如下功能塊： ①一個物理模塊； ②一個顯示傳感器模塊； ③三個輸入傳感器模塊； ④三個模擬輸入AI功能塊； ⑤一個比例積分微分PID功能塊； ⑥一個輸入信號選擇ISS功能塊； ⑦一個信號特征化CHA電能塊； ⑧一個通用算術(shù)運算ARTH^能塊； ⑨一個累加INTG功能塊。 4、三通道輸出電流變換器FI302 它將現(xiàn)場總線的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成三路的電流（4-20mA）信號，用于 現(xiàn)場總線系統(tǒng)對電動調(diào)節(jié)閥、電氣轉(zhuǎn)換器或其它執(zhí)行器（如：變頻調(diào)速 器）的控制。注意要外接電源，連接方式與上圖類似。 硬件組成有：主板、輸出板、顯示板和液晶顯示器。其中輸出板完 成

56、信號轉(zhuǎn)換、信號隔離、數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）,最后輸出三路標準的4-20mA 信號。 輸出電郵板 I電2懾 圖 2.3.2-5 FI302 框圖 從現(xiàn)場總線的角度看，現(xiàn)場總線儀表只是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，只與其功能塊 交換信息。 FI302有如下功能塊： ①一個物理模塊； ②一個顯示傳感器模塊； ③ 三個輸出傳感器模塊； ④三個模擬輸出AO功能塊； ⑤一個比例積分微分PID功能塊； ⑥一個輸出信號選擇SPLT功能塊； ⑦一個輸入信號選擇ISS功能塊； ⑧一個通用算術(shù)運算ARTH^能塊； 5、輸出氣壓信號變換器FP302 它將現(xiàn)場總線的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一路標準氣壓信號 (0.0

57、2—0.1Mpa),用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)對氣動調(diào)節(jié)閥或氣動執(zhí)行器的控 制。注意要外接0.14Mpa (20PSI)的氣源。 硬件組成有：主板、輸出板、顯示板和液晶顯示器。其中輸出板完 成信號轉(zhuǎn)換、信號隔離、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)成模擬電量，通過噴咀擋板機 構(gòu)轉(zhuǎn)換成氣壓信號，經(jīng)功率放大后，一路通過動傳感器形成負反饋，另 一路輸出標準氣壓信號 0.02—0.1Mpa (3-15PSI)到氣動執(zhí)行器 從現(xiàn)場總線的角度看，現(xiàn)場總線儀表只是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，只與其功能塊 交換信息。 FP302有如下功能塊： ①一個物理模塊； ②一個顯示傳感器模塊； ③一個輸出傳感器模塊； ④一個模擬輸出AO功能

58、塊； ⑤一個比例積分微分PID功能塊； ⑥一個輸出信號選擇SPLT功能塊； ⑦一個輸入信號選擇ISS功能塊； ⑧一個通用算術(shù)運算ARTH^能塊； 三、外圍設(shè)備 如果要構(gòu)成一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，除了接口設(shè)備和現(xiàn)場總線儀表 之外，還需要有一些輔助部件，例如：電纜、電源、阻抗匹配器、端子、 接線盒、安全柵及重發(fā)器等。 1、專用電源 PS302 PS302是一種開關(guān)電源，非本安型，具有短路及過流保護，可冗余配 置。 輸入電壓：90—260VAC 47—440Hz 或 127—367VDC 輸出：電壓：+24V士 1% 20mVp-n 電流：0—1.5A。 2、電源阻抗匹配器 PS

59、I302 PSI302為非隔離的有源阻抗匹配器，在 31.25kHz附近使阻抗呈阻 性，防止信號失真。 3、端子 BT302 BT302為總線信號阻抗匹配器，主要抑制反射效應(yīng)引起的失真， 它由 一個100Q的電阻和1 pF的電容串聯(lián)而成。端子必須成對出現(xiàn)。 4、本質(zhì)安全柵及重發(fā)器SB302 在危險場合使用現(xiàn)場總線必須使用安全柵 SB302,它與常規(guī)的模擬儀 表安全柵不同，既要起隔離作用，又要完成通信，同時要提供電源，它 是網(wǎng)絡(luò)的一部分。主要參數(shù)如下： ? 保險絲：安全區(qū) 250mA危險區(qū)100mA ? 隔離：安全區(qū)250V,安全區(qū)與危險區(qū)之間1500V。 ? 輸入電壓：24-3

60、5Vdc, Ima=20mA ? 輸出：在最大電流條件下，柵末端可利用電壓 11 Vdc, I后60mA 第三節(jié)FCS的軟件組成 現(xiàn)場總線系統(tǒng)最具特色的是它的通信部分的硬軟件。但當現(xiàn)場信號 傳入計算機后，還要進行一系列的處理。它作為一個完整的控制系統(tǒng)， 仍然需要具有類似于DCSK其他計算機控制系統(tǒng)那樣的控制軟件、人機 接口軟件。當然，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)軟件有繼承 DCS?控制軟件的部分， 也有在它們的基礎(chǔ)上前進發(fā)展和具有自己特色的部分?，F(xiàn)場總線控制系 統(tǒng)軟件是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成、運行的重要組成部分。 FCS的軟件體系主要有組態(tài)軟件、監(jiān)控軟件、設(shè)備管理軟件組成。 一、 現(xiàn)場總線組態(tài)軟件

61、SYSCON 組態(tài)軟件包括通信組態(tài)與控制系統(tǒng)組態(tài)。生成各種控制回路，通信 關(guān)系。明確系統(tǒng)要完成的控制功能，各控制回路的組成結(jié)構(gòu)，各回路采 取的控制方式與策略；明確節(jié)點與節(jié)點間的通信關(guān)系。以便實現(xiàn)各現(xiàn)場 儀表之間、現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計算機之間以及計算機與計算機之間的數(shù)據(jù) 通信。 Smar公司的現(xiàn)場總線組態(tài)軟件 SYSCON一個強有力的對用戶非常友 好的軟件工具，安裝在控制站的工控機中，支持 Windows 95/98,通過 一臺PC可以對基于FieldBus的系統(tǒng)及現(xiàn)場總線儀表進行組態(tài)、維護和 操作。即可以在線組態(tài)，也可以離線組態(tài)。 組態(tài)步驟是：首先進行系統(tǒng)組態(tài)、分配地址和指定位號；然后進行現(xiàn)

62、 場總線儀表中的功能塊組態(tài)、連接和參數(shù)設(shè)置；最后通過安裝在工控機 中的PCI卡，按照預(yù)先設(shè)定的地址，下裝到掛接在每個通道上的現(xiàn)場總 線儀表中。下裝完成的同時，現(xiàn)場總線儀表便可在 Master的調(diào)度下實現(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)通信并進行控制 二、常用功能塊 在PCI卡和每臺現(xiàn)場總線儀表中均置有許多功能模塊， 每個功能塊根 據(jù)專門的算法及部設(shè)置的控制參數(shù)處理輸入，產(chǎn)生的輸出便于其它功能 塊應(yīng)用。這些模塊包括 AI （模擬輸入）、AO （模擬輸出）、PID （PID 運算）、ISS （輸入選擇）、ARTH（算術(shù)）、INTG （累積）、CHAR（特征 化）和SPLT （輸出選擇）功能塊等17種。用戶可以通過策

63、略組態(tài)軟件 SYSCONt這些功能模塊進行靈活連接來實現(xiàn)自己的控制策略。 1、模擬輸入（AI）功能塊 圖2.3.3-1 AI 功能塊 AI功能塊接收傳感器模塊的數(shù)據(jù)，可以完成工藝參數(shù)定標、線性化 處理、輸入信號濾波、報警、工作方式選擇等工作，經(jīng)處理的信號轉(zhuǎn)換 成其它模塊可以接收的輸出 2、比例積分微分（PID）功能塊 圖2.3.3-2 PID 功能塊 oirr PID功能塊是控制模塊，能完成 P、PI、PID、前饋和跟蹤等功能, 即可以完成常規(guī)調(diào)節(jié)，又可以完成串級調(diào)節(jié)?？梢赃M行工作方式選擇、 手/自動切換、濾波時間、報警限、速率限制和無擾切換設(shè)置。具給定值 和

64、正、反作用是根據(jù)工程要求設(shè)置的，其增益、積分時間、微分時間是 根據(jù)綜合應(yīng)用經(jīng)驗設(shè)置的。 3、模擬輸出（AQ功能塊 圖2.3.3-3 AO 功能塊 AO功能塊從其它功能塊接收信號，可以實現(xiàn)工作方式選擇、速率限 制、高/低限報警、風開/風關(guān)選擇和閥位保持等功能。在控制回路中用 作輸出單元，其輸出一定接到輸出傳感器模塊，并同硬件兼容。 4、通用算術(shù)運算（ARTH功能塊 JOUT 圖2.3.3-4 ARTH 功能塊 ARTH^J能塊有IN、IN-1、IN-2、IN-3、IN-4共5個輸入端，主要完 成加、減、乘、除、求和、開方、乘方、超前、滯后等運算。它可以完 成8

65、種運算公式的一種運算，每個公式有 K1、K2、K3、K4、K5、K6共6個系數(shù)。通過選擇公式和設(shè)置系數(shù)，可以完成不同的計算任務(wù)。 5、輸入信號選擇（ISS）功能塊 UKCALJNQ HACKWAKD INPUT PARAMETERS c c c C 1一_2鼻一 口 XL LN- E E 舊1? s s S 圖2.3.3-5 ISS 功能塊 ISS功能塊從多達三個輸入中進行選擇，并根據(jù)組態(tài)作用產(chǎn)生一個輸 出，例如：高選、低選、選中間值。若需要從二個輸入中選擇一個輸出 是通過IN-D的狀態(tài)是’0'還是‘1’來控制的，它還可以把可疑值作為 好值處理。 6、信號特征化（CH

66、AR功能塊 皿匚 圖2.3.3-6 CHAR功能塊 CHA電能塊具有二個輸入和二個輸出，輸出是輸入的非線形函數(shù), 由二十個點的X-Y坐標查找表確定函數(shù)關(guān)系。IN-1對應(yīng)OUT-1; IN-2對 應(yīng)OUT-2 X對應(yīng)輸入，Y對應(yīng)輸出。當 BYPASS=時，IN-1=OUT-1; IN-2=OUT-2。當 REVERSED, IN-2=Y; OUT-2=X 7、累加（INTG）功能塊 INTG功能塊按時間函數(shù)對輸入變量進行積分或?qū)斎朊}沖計數(shù)進行 累加。常常用作流量累積得到一定時間的總質(zhì)量流量或總體積流量，也 可以累加能量得到總能量。記數(shù)可以是正向，也可以是反向?？梢允褂?壞值。可以設(shè)定記數(shù)值，時間到通過 OUT-TRIP進行控制。 8、輸出信號選擇（SPLT功能塊 SPLT功能塊是控制模塊，用作分程控制、順序控制和輸出選擇器。 當A-TYPE=1時，SPLT作為輸出選擇器使用，若IN-D=0, OUT-1輸出； 若IN-D=1, OUT-2輸出；當A-TYPE=M 3時，SPLT作為分程器使用， 只是功能不同。 其它九個功能塊是 AALM C