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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)。由于它適應了工業(yè) 控制系統(tǒng)向數(shù)字化、分散化、網(wǎng)絡化、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)品面臨體系結構、功能等方面的 重大變革，導致工業(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 被譽為跨世紀的自控新技術。 一、 現(xiàn)場總線的發(fā)展

2、隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，信息交換的領域正 在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制、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。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自 動化系統(tǒng)結構的變革，逐步形成以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信 息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線（Fieldbus ）就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術。 1、什么是現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(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。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)中具有廣泛的應用前景。 現(xiàn)場總線技術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備變成網(wǎng)絡節(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、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng) 與控制系統(tǒng)。它給自動化領域帶來的變化，正如眾多分散的計算機被網(wǎng) 絡連接在一起，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)與設備具有了通信能力，把它們連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡

4、 的行列。因此把現(xiàn)場總線技術說成是一個控制技術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，完成現(xiàn)場自動化設備之間的多點數(shù)字通信， 實現(xiàn)底層現(xiàn)

5、場設備之間以及生產(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動下應運而生的。它作為過程自 動化、制造自動化、樓宇、交通等領域現(xiàn)場智能設備之間的互連通信網(wǎng) 絡，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡之間 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，又是一種全分布控制系 統(tǒng)。它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡節(jié)點的智 能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構成自動化系統(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)絡為

6、主 要容的綜合技術。 由于現(xiàn)場總線適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展 的方向，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術的熱點，受到全世界的 普遍關注?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，導致目前生產(chǎn)的自動化儀表、集散控制系 統(tǒng)、可編程控制器在產(chǎn)品的體系結構、功能結構方面的較大變革，自動 化設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)結構很難 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)字調節(jié)器、 可編程控制器以及由多個計算機遞階構成的集中管理、分散控制相結合 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 動化設備，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能； 同時把DCS?中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結 構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身便可實現(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，二是得益于設備的通信功能。把微處理器置入現(xiàn)場自控設備、使設 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，借助設備的計算、通信能力，在現(xiàn)場就可進行許多復 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等。還可提供 傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關動作次數(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)場總線體系結構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)場總線應該 有一個統(tǒng)一的國際標準，現(xiàn)場總線技術勢在必行。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，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 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 種異構網(wǎng)絡互連通訊的局面。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：開放是指對相關標準的一致性、 公開性，強調對 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 相同標準的其他設備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設 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，把來自不同供應商 的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過現(xiàn)場總線構筑自動化領域的開放互連 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備 可實現(xiàn)相互替換。 ⑶ 現(xiàn)場設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)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成 自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。 ⑷ 系統(tǒng)結構的高度分散性：現(xiàn)場總線已構成一種新的全分散性控制 系統(tǒng)的體系結構。從根本上改變了現(xiàn)有 DCSB中與分散相結合的集散控 制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。 ⑸ 對現(xiàn)場環(huán)境的適應性：工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡底層 的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設計的，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 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，不再需要單獨的調節(jié)器、計算單元等，也不再需要 DCS勺信號調 理、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，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備，因而電纜、端子、梢盒、橋架的用量大 大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控 制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了 投資，也減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關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)字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查 詢所有設備的運行，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)結構簡化，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：用戶可以自由選擇不同廠商所 提供的設備來集成系統(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)的結構簡化，設備與連線減少，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 ⑴基金會現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線(FF, Foundation Fieldbus )是在過程自動化領域 得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。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，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為 FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對 自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語 言規(guī)定了通用的功能塊集。由于這些公司是該領域自控設備的主要供應 商，對工業(yè)底層網(wǎng)絡的功能需求了解透徹，也具備足以左右該領域現(xiàn)場 自控設備發(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 設備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典； 用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉換等應用功能的功能塊； 實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、 調度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技

22、術以及構筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng) 的系統(tǒng)集成技術。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 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。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，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 面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置， 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，并開發(fā)了相應的本質安全防爆產(chǎn)品，被譽為通用 控制網(wǎng)絡。 LonWorks 技術所采用的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)絡處理 器，進行網(wǎng)絡變

24、量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng) 絡管理，并負責網(wǎng)絡通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等。第三個是應用處理器， 執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼。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)絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。 Echelon公司的技術策略是鼓勵各 OEMF發(fā)商運用LonWorks技術和 神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應用產(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，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技術與產(chǎn)品。 它已被廣泛應用在樓字自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設

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型用于分散外設間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領域的 應用。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其傳輸介質可 以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接 127個站點。可實現(xiàn)總線供電 與本質安全防爆。 ⑷CAN CAN 是控制局域網(wǎng)絡(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，它廣泛應用在離散控制 領域。CANW議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的， 不過，其模型結構只有三層，即只取 OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和 頂層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線。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備數(shù)最多可達110 個。 CANW信號傳輸采用短幀結構，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)場設備中實現(xiàn)，這類命令包括最常用 的現(xiàn)場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實 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)場設備?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。 HART采用統(tǒng)一的設備描述語言 DDL現(xiàn)場設備開發(fā)商采用這種標準 語言來描述設備特性，由HARTS金會負責登記管理這些設備描述并把它 們編為設備描述字典，主設備運用 DDL技術來理解這些設備的特性參數(shù) 而不必為這些設備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導 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)主機作為主設備的雙主設備系統(tǒng)。 在后面的章節(jié)中，將較為詳細地介紹基金會現(xiàn)場總線技術及應用實 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)境與技術上的需要而專門設計的。它可以工作在工廠生產(chǎn)的 現(xiàn)場環(huán)境下，能適應本質安全防爆的要求，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備供應商的廣泛支持，在北美、 亞太、歐洲等地區(qū)具有較強的影響力。現(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。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 制設備構成。這些制造商所設計開發(fā)的設備遵循相同的協(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)絡系統(tǒng)時，作為網(wǎng)絡節(jié)點的各設備間應可實現(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)絡化特征。而它作為一種通信網(wǎng)絡，有別于其 他網(wǎng)絡系統(tǒng)的特征則在于它位于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，其網(wǎng)絡通信是圍繞完成 各種自動化任務進行的。 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)的物理結構上，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 藝設備的生產(chǎn)現(xiàn)場，而控制器一般位于集中控制室。從構成控制系統(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)場設備）部都具有微處理器，現(xiàn)場設備部可 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，把具備通信能力、同 時具有的控制、測量等功能的現(xiàn)場自控設備作為網(wǎng)絡的節(jié)點，由現(xiàn)場總 線把它們互連為網(wǎng)絡。通過網(wǎng)絡上各節(jié)點間的操作參數(shù)與數(shù)據(jù)調用，實 現(xiàn)信息共享與系統(tǒng)的各項自動化功能。各網(wǎng)絡節(jié)點的現(xiàn)場設備具備通信 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 集成自動化系統(tǒng)。網(wǎng)絡集成自動化系統(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)絡的信息傳輸與數(shù)據(jù)共享，組成多種復雜的測量、 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，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成，也可以由網(wǎng)橋把不同傳輸速率、 不同傳輸介質的總線段互連而構成。網(wǎng)橋在不同總線段之間透明地轉換 傳送信息。還可以通過網(wǎng)關或計算機接口板，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。 基金會現(xiàn)場總線圍繞工廠底層網(wǎng)絡和全分布自動化系統(tǒng)這兩個方面 形成了它的技術特色。其主要技術容有： (1

37、)基金會現(xiàn)場總線的通信技術。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)絡與系統(tǒng)管理等容。它涉及一系列 與網(wǎng)絡相關的硬、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、網(wǎng)橋、中繼器等。它是現(xiàn)場總 線的核心基礎技術之一，無論對于現(xiàn)場總線設備的開發(fā)制造單位，還是 系統(tǒng)設計單位、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 )與功能塊應用進程 (FBAP Function Block Application Process )。它提供一個通用結構，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)場設備中執(zhí)行的應用進程。便于實現(xiàn)不同制造商產(chǎn)品的 混合組態(tài)與調用。功能塊的通用結構是實現(xiàn)開放系統(tǒng)構架的基礎，也是 實現(xiàn)各種網(wǎng)絡功能與自動化功能的基礎。 (3)設備描述(DR Device Description )與設備描述語言(DDL Device Description Language )。為實現(xiàn)現(xiàn)場總線設備的互操作性，支 持標準的功能塊操作，基金會現(xiàn)場總線采用了設備描述技術。設備描述 為控制系統(tǒng)理解來自現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)意義提供必需的信息，因而也可以 看作控制系統(tǒng)或主機對某個設備的驅

39、動程序，即設備描述是設備驅動的 基礎。設備描述語言是一種用以進行設備描述的標準編程語言。采用設 備描述編譯器，把DDL?寫的設備描述的源程序轉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 備的數(shù)據(jù)意義。現(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。在現(xiàn)場總線的產(chǎn)品開發(fā)中，常采用 OEM1成方法構成新產(chǎn)品，已有 多家供應商向市場提供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。OPCK術是指用于過程控制的對 象嵌入(OLE Object Linking and Embedding)技術。OLE是 Microsoft 公司在PC機中采用的PC組件(PC Component )技術。把這一技術引 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、結合起來，使工廠網(wǎng)絡的各個層次可以在網(wǎng)絡上共享數(shù)據(jù)與信息?？梢?認為，OPCK術是實現(xiàn)數(shù)據(jù)開放式傳輸?shù)幕A。 (5)系統(tǒng)集成技術。它包括通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成， 如網(wǎng)絡通信 系統(tǒng)組態(tài)、網(wǎng)絡拓撲、配線、網(wǎng)絡系統(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)絡等多方面的知 識，集軟硬件于一體的綜合性技術。它在現(xiàn)場總線技術開發(fā)初期，在技 術規(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。包括通信系統(tǒng)的一致性與互可操作性測試技術、 總線監(jiān)聽分析技術、系統(tǒng)的功能和性能測試技術。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)授權過的第三 方認證機構作專門測試，驗證符合統(tǒng)一的技術規(guī)后，將測試結果交基金 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)的開放性才有相應保障。有時， 對由具有FF標志的現(xiàn)場設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，并達到所要求的性 能指標。總線監(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)的調試、診斷與評價。對由現(xiàn)場總線設備構成的自動化系統(tǒng)， 功能、性能測試技術還包括對其實現(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，所有現(xiàn)場表都是一個 網(wǎng)絡節(jié)點，并掛接在總線上，每一個節(jié)點都是一個智能設備，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 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、接口設備 接口設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，用做多任務切 換及現(xiàn)場總線通信定時的時間基準。 ⑻ MODEM0-3 Fieldbus Communication Controller ;調制解調器 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：屬于信號調理及隔離電路。 (10) PCI還有一整套軟件，以適應各硬件的運行。 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{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，信號調理器：給輸入信號加以增益，使之 適合于A/D轉換規(guī)。 ③A/D ,模數(shù)轉換器：把模擬輸入信號轉換為數(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、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)，調制 與解調通信信號，插入及刪除起始與結束分割符。 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 ,就地調整：它有二個磁性開關，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)視設備工作，設備系列號及出廠信息； ②一個顯示傳感器模塊：相應顯示及就地調整； ③二個輸入傳感器模塊：實現(xiàn)冷端溫度補償、引線補償及微調各種 感測信號，信號

52、類型和連接的調整，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坐標轉換，使輸出特性 改變； ⑧一個通用算術運算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、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。 硬件組成有：輸入板、主板、顯示板和液晶顯示器。 至電絡板 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)對電動調節(jié)閥、電氣轉換器或其它執(zhí)行器（如：變頻調速 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、信號轉換、信號隔離、數(shù)模轉換（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 成信號轉換、信號隔離、數(shù)模轉換(D/A)成模擬電量，通過噴咀擋板機 構轉換成氣壓信號，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； ⑧一個通用算術運算ARTH^能塊； 三、外圍設備 如果要構成一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，除了接口設備和現(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， 也有在它們的基礎上前進發(fā)展和具有自己特色的部分。現(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 關系。明確系統(tǒng)要完成的控制功能，各控制回路的組成結構，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)設置；最后通過安裝在工控機 中的PCI卡，按照預先設定的地址，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的調度下實現(xiàn) 網(wǎng)絡通信并進行控制 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）、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)調節(jié)，又可以完成串級調節(jié)。可以進行工作方式選擇、 手/自動切換、濾波時間、報警限、速率限制和無擾切換設置。具給定值 和

64、正、反作用是根據(jù)工程要求設置的，其增益、積分時間、微分時間是 根據(jù)綜合應用經(jīng)驗設置的。 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)。通過選擇公式和設置系數(shù)，可以完成不同的計算任務。 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)關系。IN-1對應OUT-1; IN-2對 應OUT-2 X對應輸入，Y對應輸出。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對輸入脈沖計數(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?？梢栽O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