现场总线控制系统(FCS),现场总线控制系统

('第一章现场总线控制系统（FCS）第一节概述现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。由于它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线技术被誉为跨世纪的自控新技术。一、现场总线的发展随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线（Fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。1、什么是现场总线现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。1简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“自动化孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，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，这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设2备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器；出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器；出现了带控制模块和具有故障信息的执行器；并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。2、现场总线的发展50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.02～0.1MPa的气压信号，0～10mA，4～20mA的直流电流信号，1～5V直流电压信号等，送往集中控制室。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘，出现了集中式数字控制系统。但由于当时数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停工的严重局面，这种危险也集中的系统结构很难为生产过程所接受。随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中管理、分散控制相结合的集散控制系统。这就是今天正在被许多企业采用的DCS系统。DCS系3统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。新型的现场总线控制系统则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能。把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助设备的计算、通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统，提高控制系统运行的可靠性。还可借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气开关等。还可提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA／SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由ProwayWorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（ProcessFieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。1992年，由Siemens，Rosemount，ABB，Foxboro，Yokogawa等80家4公司联合，成立了ISP（InteroperableSystemProtocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。1993年，以Honeywell，Balley等公司为首，成立了WorldFIP（FactoryInstrumentationProtocol）组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒地认识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。但总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。1994年，ISP和WorldFIP北美部分合并，成立了现场总线基金会（FieldbusFoundation，简标FF），推动了现场总线标准的制定和产品开发，于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。如德国Bosch公司推出CAN（ControlAreaNetwork），美国Echelon公司推出的LonWorks等。大千世界，众多行业，需求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，预计在今后一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互连系统，是大势所趋。3、现场总线的特点⑴系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连5系统。⑵互可操作性与互用性：互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。⑶现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。⑷系统结构的高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。⑸对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。⑹节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。⑺节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60％以上。⑻节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护6工作量。⑼用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。⑽提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。4、几种有影响的现场总线技术⑴基金会现场总线基金会现场总线（FF，FoundationFieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的worldFIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO／OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。基金会现场总线分低速Hl和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境，H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特7编码。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议；用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈（CommunicationStack）；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。1996年在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，首次向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线的演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的基本概貌。⑵LonWorksLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m（78kbps，双绞线）；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。Echelon公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同8程度上卷入了LonWorks技术，1000多家公司已经推了LonWorks产品，并进一步组织起LonMARK互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它已被广泛应用在楼字自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，Lonworks神经元芯片也具有独特的优势。⑶PROFIBUSPROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9.6kbps～12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。⑷CANCAN是控制局域网络（ControIAreaNetwork）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps／40m，直接传输距离最远可达10km／5kbps。可挂接设备数最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，9以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。⑸HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写，最早由Rosemount公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。在后面的章节中，将较为详细地介绍基金会现场总线技术及应用实例。二、基金会现场总线的特征基金会现场总线系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。它可以工作在工厂生产的现10场环境下，能适应本质安全防爆的要求，还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。这种现场总线标准是由现场总线基金会（FieldbusFoundation）组织开发的。它得到了世界上主要自控设备供应商的广泛支持，在北美、亚太、欧洲等地区具有较强的影响力。现场总线基金会的目标是致力于开发出统一标准的现场总线，并已于1996年一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统和通信网络。使Hl低速总线步入实用阶段。基金会现场总线的系统是开放的，可由来自不同制造商的测量、控制设备构成。这些制造商所设计开发的设备遵循相同的协议规范。在产品开发期间，通过一致性测试，确保产品与协议规范的一致性。当把不同制造商的产品连接于同一网络系统时，作为网络节点的各设备间应可实现互操作。同时还允许不同厂商生产的相同功能设备之间进行相互替换。基金会现场总线的最大特色就在于它不仅仅是一种总线，而且是一个系统。是网络系统，也是自动化系统。它作为新型自动化系统，区别于以前各种自动化系统的特征就在于它所具有的开放型数字通信能力，它使自动化系统具备了网络化特征。而它作为一种通信网络，有别于其他网络系统的特征则在于它位于工业生产现场，其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。基金会现场总线系统作为全分布式自动化系统，要完成的主要功能是对工业生产过程各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自动保护，保障工业生产处于安全、稳定、经济的运行状态。这里的全分布式自动化系统是相对DCS而言的。目前在工业生产中广为采用DCS。它打破了计算机控制系统发展初期由单台计算机统管整个车间甚至工厂的集中控制模式，把整个生产过程分解为多个子系统，由多台计算机共同协作完成自控系统功能，每台计算机或微处理器独立承担其中某一部分功能，这种系统的优点是针对集中控制模式中危险也集中的弊端，但在其系统的物理结构上，仍然为数11字控制器与模拟变送器组成的模拟一数字混合系统。模拟变送器位于工艺设备的生产现场，而控制器一般位于集中控制室。从构成控制系统的信号流的角度来看，在现场把被控参数转换为测量信号后，被送往位于集中控制室的控制器，经控制运算后，再把所得到的操作信号由控制室送往位于生产现场的调节阀或控制电机，这样，即使是一个简单回路控制系统，其信号的必经路径也将会较长，因而会引发许多弊端和隐患。比如在控制室与现场之间的连线出现断线或短路故障时，控制室的计算机或控制器将对生产现场失去控制，而单凭现场仪表又不能实现控制功能，会给生产造成影响。现场总线的全分布式自动化系统则把控制功能完全下放到现场。仅由现场仪表即可构成完整的控制功能。由于基金会现场总线的现场变送、执行仪表（以下也称之为现场设备）内部都具有微处理器，现场设备内部可以装人控制计算模块，只需通过都处于现场的变送、执行器之间连接，便可组成控制系统。这个意义上的全分布无疑将增强系统的可靠性和系统组织的灵活性。当然，这种控制系统还可以与别的系统或控制室的计算机进行信息交换，构成各种高性能的控制系统。基金会现场总线系统作为低带宽的通信网络，把具备通信能力、同时具有的控制、测量等功能的现场自控设备作为网络的节点，由现场总线把它们互连为网络。通过网络上各节点间的操作参数与数据调用，实现信息共享与系统的各项自动化功能。各网络节点的现场设备内具备通信接收、发送与通信控制能力。它们的各项自动化功能是通过网络节点间的信息传输、连接、各部分的功能集成而共同完成的，因而称之为网络集成自动化系统。网络集成自动化系统的目的是实现人与人、机器与机器、人与机器、生产现场的运行控制信息与办公室的管理指挥信息的沟通和一体化。借助网络的信息传输与数据共享，组成多种复杂的测量、控制、计算功能，更有效、方便地实现生产过程的安全、稳定、经济运行，并进一步实现管控一体化。基金会现场总线作为工厂的底层网络，相对一般广域网、局域网而言，它是低速网段，其传输速率的典型值为31.25kbps，1Mbps和122.5Mbps。它可以由单一总线段或多总线段构成，也可以由网桥把不同传输速率、不同传输介质的总线段互连而构成。网桥在不同总线段之间透明地转换传送信息。还可以通过网关或计算机接口板，将其与工厂管理层的网段挂接，彻底打破了多年来未曾解决的自动化信息孤岛的格局，形成了完整的工厂信息网络。基金会现场总线围绕工厂底层网络和全分布自动化系统这两个方面形成了它的技术特色。其主要技术内容有：（1）基金会现场总线的通信技术。它包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。它涉及一系列与网络相关的硬、软件，如通信栈软件，被称之为圆卡的仪表用通信接口卡，FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、中继器等。它是现场总线的核心基础技术之一，无论对于现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。（2）标准化功能块（FB，FunctionBlock）与功能块应用进程（FBAP，FunctionBlockApplicationProcess）。它提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。（3）设备描述（DD，DeviceDescription）与设备描述语言（DDL，DeviceDescriptionLanguage）。为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操作，基金会现场总线采用了设备描述技术。设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，因而也可以看作控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编译器，把DDL编写的设备描述的源程序转化为机器可读的输出文件。控制系统正是凭借这些机器可读的输出文件来理解各制造商的设备的数据意义。现场总线基金会把基金会的标准DD和经基金会注13册过的制造商附加DD写成CD-ROM，提供给用户。（4）现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术。在现场总线的产品开发中，常采用OEM集成方法构成新产品，已有多家供应商向市场提供FF集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等。把这些部件与其他供应商开发的、或自行开发的、完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备的新产品。要将总线通信圆卡与实现变送、执行功能的部件构成一个有机的整体，要通过FF的PC接口卡将总线上的数据信息与上位的各种MMI（即人机接口）软件、高级控制算法融为一体，尚有许多智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发工作要做。如与MMI软件连接中的OPC技术。OPC技术是指用于过程控制的对象链接嵌入（OLE，ObjectLinkingandEmbedding）技术。OLE是Microsoft公司在PC机中采用的PC组件（PCComponent）技术。把这一技术引入到过程控制系统，使现场总线控制系统较容易地与现有的计算机平台结合起来，使工厂网络的各个层次可以在网络上共享数据与信息。可以认为，OPC技术是实现数据开放式传输的基础。（5）系统集成技术。它包括通信系统与控制系统的集成，如网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等。这是一项集控制、通信、计算机、网络等多方面的知识，集软硬件于一体的综合性技术。它在现场总线技术开发初期，在技术规范、通信软硬件尚不十分成熟之时，具有其特殊的意义。对系统设计单位、用户、系统集成商更是具有重要作用。（6）系统测试技术。包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术、总线监听分析技术、系统的功能和性能测试技术。一致性与互可操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。一般要经授权过的第三方认证机构作专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果交基金会登记注册，授予FF标志。只有具备了FF标志的现场总线产品，才是真正的FF产品，其通信的一致性与系统的开放性才有相应保障。有时，对由具有FF标志的现场设备所组成的实际系统，还需进一步进行互可操作性测试和功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的性能14指标。总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，以便于通信系统的调试、诊断与评价。对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统综合指标的评价。第二节FCS的硬件组成和传统的DCS控制系统不同，FCS是总线网络，所有现场表都是一个网络节点，并挂接在总线上，每一个节点都是一个智能设备，因此FCS中已经不存在现场控制站，只需要工业PC即可。在现场总线控制系统中，以微处理器为基础的现场仪表已不再是传统意义上的变送或执行单元，而是同时起着数据采集、控制、计算、报警、诊断、执行和通信的作用。每台仪表均有自己的地址与同一通道上的其它仪表进行区分。所有现场表均可采用总线供电方式，即电源线和信号线共用一对双绞线。在本质安全情况下使用时，必须使用现场总线安全栅SB302。Smar公司是生产FCS最早的生产厂家，下面以此为例介绍FCS的硬件组成。一、接口设备接口设备主要指各种计算机和计算机与现场总线之间的接口卡件。1、PC机一般的工业PC，带有大屏幕显示器、打印机、工业键盘和鼠标。另配有净化电源、UPS电源、操作台、操作椅等，置于操作室内。2、过程控制接口卡（PCI）PCI（ProcessControlInterface）是一种高性能接口卡，把先进15的过程控制与多通道通信、管理融为一体。该接口卡插在PC底板上，一台PC最多可插8卡。主要组成如下：⑴CPU：采用32位超级RISC处理器，完成PCI卡执行的全部通信与控制功能。⑵Dual-PortRAM，双口RAM：使PC机与本卡CPU共享16位数据存储器，为二者提供一个有效的通信通路。⑶ControlLogic，控制逻辑：为PCI卡CPU访问所有器件（NVRAM，FLASH，DP，TIMER，MODEM等）的判别部件。⑷PCBus，PC总线：16位ISA或32位EISA总线。在总线上插入PCI卡，通过总线访问PCI卡，同时向PCI卡提供电源。⑸LocalBus，就地总线：是PCI卡内部32位总线，它把CPU连接到各快速器件上（NVRAM，FLASH，DP）。⑹PeripheralBus，外围总线：它是8位外围总线，把CPU与低速器件相连接（TIMER，MODEM）。⑺TIMER0-5，定时器：8/16位3通道通用定时器，用做多任务切换及现场总线通信定时的时间基准。⑻MODEM0-3，FieldbusCommunicationController；调制解调器和现场总线通信控制器：Smar现场总线芯片以31.25Kbps串行数字通信，它符合ISA-SP50现场总线物理层规范，将±10mA的电流信号送给一个50Ω的等效负载，产生一个调制在直流电源上的1V峰-峰值的电压信号。⑼MAU0-3，FieldbusMediumAttachmentUnit；现场总线附属单元：属于信号调理及隔离电路。⑽PCI还有一整套软件，以适应各硬件的运行。3、串行接口（BC1）BC1是Smar入口级的现场总线网络与PC机之间的智能接口，具有一个Master的特点，它直接把PC机的串行口（RS232）接口到现场总线H1通道，由PC为其供电。用做便携式现场总线组态器及小工厂监控。软件为Windows平台。16二、现场总线仪表Smar公司共有五种现场总线仪表，三种输入仪表：双通道温度变送器TT3022、差压变送器LD302和三通道输入电流变换器IF302；二种输出仪表：三通道输出电流变换器FI302；输出气压信号变换器FP302，下面逐一介绍。1、双通道温度变送器TT302它将两路的温度信号引入现场总线，在现场完成两路的温度信号到现场总线的转换。具有冷端温度补偿，TC及RTD线性化，对特殊传感器有常规线性化模拟输入。图2.3.2-1TT302框图其输入信号有四种类型，七种连接方式：①热电阻（RTD）：二线制、三线制、四线制、温差。②热电偶（TC）：单偶、双偶、温差。③Ω信号：0~100Ω；0~400Ω；0~2000Ω。④mV信号：-6~-2mV；-2~22mV；-10~100mV；-50~500mV。硬件组成有：输入板、主板、显示板和液晶显示器。⑴输入板①MUX（MultipleXer），多路调制器：把四种类型，七种接法的传感器信号多路传输到信号调理部分。其内部带有环境温度测量元件，实17现冷端自动温度补偿。②SignalConditioner，信号调理器：给输入信号加以增益，使之适合于A/D转换规范。③A/D，模数转换器：把模拟输入信号转换为数字信号，使之适合CPU工作。④PowerIsolation，电源隔离：输入板与主板之间的输入信号与控制信号必须隔开，以保证系统安全工作；总线不与现场直接关联；通过DC-AC-DC为输入板提供电源。⑵主板①CPU，中央处理器：变送器的智能部分，进行测量控制、模块执行、自诊断与通信控制。②PROM，可编程只读存储器：用于存储操作系统等固定程序。③EEPROM，电可擦除可编程只读存储器：存储微调、标定、模块组态及识别数据。④RAM，随机存储器：存储暂时数据，掉电时数据丢失。⑤CommunicationControtter，通信控制器：监视总线动态，调制与解调通信信号，插入及删除起始与结束分割符。⑥PowerSupply/SignalShaping，电源/信号整形：电源（9—32VDC）取自现场总线，为变送器各板供电。同时实现信号整形并连接到现场总线。⑦LocalAdjust，就地调整：它有二个磁性开关，可以用磁性工具触发，无须机械或电接触，用于现场就地编程使用。⑶显示板①DisplayController，显示控制器：接收CPU发出的数据，使LCD各字段相应接通。②显示器：4位半数字、5字符字母LCD显示器。从现场总线的角度看，现场总线仪表只是网络节点，只与其功能块交换信息。TT302有如下功能块：18①一个物理模块：监视设备工作，设备系列号及出厂信息；②一个显示传感器模块：相应显示及就地调整；③二个输入传感器模块：实现冷端温度补偿、引线补偿及微调各种感测信号，信号类型和连接的调整，其输出一定是接到AI功能块的输入端（内部已接好）；④二个模拟输入AI功能块：实现温度测量，阻尼时间，工程单位转换等；⑤一个比例积分微分PID功能块：提供现场PID控制功能；⑥一个输入信号选择ISS功能块：完成三入选一的选择功能；⑦一个信号特征化CHAR功能块：用于X-Y坐标转换，使输出特性改变；⑧一个通用算术运算ARTH功能块：提供一个标量值的输出，实现五入四出的函数运算功能。192、差压变送器LD302它将一路的压力或差压信号引入现场总线，在现场完成压力信号到现场总线的转换。用于测量液体、气体或蒸汽的表压（M1-M6）、差压（D1-D4）或绝压A2-A5）；或用于流量（孔板）、液位（L2-L4）的测量。其测量部分利用的是电容式差压变送器原理。硬件组成有：输入板、主板、显示板和液晶显示器。其输入板稍有不同，主板上的PROM中的操作程序不同，其它部分结构与TT302相同。图2.3.2-2LD302框图从现场总线的角度看，现场总线仪表只是网络节点，只与其功能块交换信息。LD302有如下功能块：①一个物理模块；②一个显示传感器模块；③一个输入传感器模块：完成零点微调、量程偏移、温度补偿等功能；④一个模拟输入AI功能块：完成定标、滤波、线性化、平方根等处理；⑤一个比例积分微分PID功能块；20⑥一个输入信号选择ISS功能块；⑦一个信号特征化CHAR功能块；⑧一个通用算术运算ARTH功能块；⑨一个累加INTG功能块：完成积分或累加功能。3、三通道输入电流变换器IF302它将三路的电流（4-20mA或0-20mA）信号引入现场总线，用于将某些电Ⅲ型仪表的信号或其它标准信号引入现场总线网络。硬件组成有：输入板、主板、显示板和液晶显示器。图2.3.2-3IF302框图从现场总线的角度看，现场总线仪表只是网络节点，只与其功能块交换信息。注意要外接电源。配线简图如图2.3.2-4所示：图2.3.2-4IF302外部配线图21IF302有如下功能块：①一个物理模块；②一个显示传感器模块；③三个输入传感器模块；④三个模拟输入AI功能块；⑤一个比例积分微分PID功能块；⑥一个输入信号选择ISS功能块；⑦一个信号特征化CHAR功能块；⑧一个通用算术运算ARTH功能块；⑨一个累加INTG功能块。4、三通道输出电流变换器FI302它将现场总线的数字信号转换成三路的电流（4-20mA）信号，用于现场总线系统对电动调节阀、电气转换器或其它执行器（如：变频调速器）的控制。注意要外接电源，连接方式与上图类似。硬件组成有：主板、输出板、显示板和液晶显示器。其中输出板完成信号转换、信号隔离、数模转换（D/A），最后输出三路标准的4-20mA信号。图2.3.2-5FI302框图从现场总线的角度看，现场总线仪表只是网络节点，只与其功能块交换信息。FI302有如下功能块：①一个物理模块；22②一个显示传感器模块；③三个输出传感器模块；④三个模拟输出AO功能块；⑤一个比例积分微分PID功能块；⑥一个输出信号选择SPLT功能块；⑦一个输入信号选择ISS功能块；⑧一个通用算术运算ARTH功能块；5、输出气压信号变换器FP302它将现场总线的数字信号转换成一路标准气压信号（0.02—0.1Mpa），用于现场总线系统对气动调节阀或气动执行器的控制。注意要外接0.14Mpa（20PSI）的气源。硬件组成有：主板、输出板、显示板和液晶显示器。其中输出板完成信号转换、信号隔离、数模转换（D/A）成模拟电量，通过喷咀挡板机构转换成气压信号，经功率放大后，一路通过动传感器形成负反馈，另一路输出标准气压信号0.02—0.1Mpa（3-15PSI）到气动执行器。23图2.3.2-6FP302框图从现场总线的角度看，现场总线仪表只是网络节点，只与其功能块交换信息。FP302有如下功能块：①一个物理模块；②一个显示传感器模块；③一个输出传感器模块；④一个模拟输出AO功能块；⑤一个比例积分微分PID功能块；⑥一个输出信号选择SPLT功能块；⑦一个输入信号选择ISS功能块；⑧一个通用算术运算ARTH功能块；三、外围设备24如果要构成一个现场总线控制系统，除了接口设备和现场总线仪表之外，还需要有一些辅助部件，例如：电缆、电源、阻抗匹配器、端子、接线盒、安全栅及重发器等。1、专用电源PS302PS302是一种开关电源，非本安型，具有短路及过流保护，可冗余配置。输入电压：90—260VAC，47—440Hz或127—367VDC。输出：电压：+24V±1%，20mVp-p；电流：0—1.5A。2、电源阻抗匹配器PSI302PSI302为非隔离的有源阻抗匹配器，在31.25kHz附近使阻抗呈阻性，防止信号失真。3、端子BT302BT302为总线信号阻抗匹配器，主要抑制反射效应引起的失真，它由一个100Ω的电阻和1μF的电容串联而成。端子必须成对出现。4、本质安全栅及重发器SB302在危险场合使用现场总线必须使用安全栅SB302，它与常规的模拟仪表安全栅不同，既要起隔离作用，又要完成通信，同时要提供电源，它是网络的一部分。主要参数如下：·保险丝：安全区250mA，危险区100mA。·隔离：安全区250V，安全区与危险区之间1500V。·输入电压：24-35VDC，Imax=120mA。·输出：在最大电流条件下，栅末端可利用电压11VDC，Im=60mA。25第三节FCS的软件组成现场总线系统最具特色的是它的通信部分的硬软件。但当现场信号传入计算机后，还要进行一系列的处理。它作为一个完整的控制系统，仍然需要具有类似于DCS或其他计算机控制系统那样的控制软件、人机接口软件。当然，现场总线控制系统软件有继承DCS等控制软件的部分，也有在它们的基础上前进发展和具有自己特色的部分。现场总线控制系统软件是现场总线控制系统集成、运行的重要组成部分。FCS的软件体系主要有组态软件、监控软件、设备管理软件组成。一、现场总线组态软件SYSCON组态软件包括通信组态与控制系统组态。生成各种控制回路，通信关系。明确系统要完成的控制功能，各控制回路的组成结构，各回路采取的控制方式与策略；明确节点与节点间的通信关系。以便实现各现场仪表之间、现场仪表与监控计算机之间以及计算机与计算机之间的数据通信。Smar公司的现场总线组态软件SYSCON是一个强有力的对用户非常友好的软件工具，安装在控制站的工控机中，支持Windows95/98，通过一台PC可以对基于FieldBus的系统及现场总线仪表进行组态、维护和操作。即可以在线组态，也可以离线组态。组态步骤是：首先进行系统组态、分配地址和指定位号；然后进行现场总线仪表中的功能块组态、连接和参数设置；最后通过安装在工控机中的PCI卡，按照预先设定的地址，下装到挂接在每个通道上的现场总线仪表中。下装完成的同时，现场总线仪表便可在Master的调度下实现网络通信并进行控制。二、常用功能块26在PCI卡和每台现场总线仪表中均内置有许多功能模块，每个功能块根据专门的算法及内部设置的控制参数处理输入，产生的输出便于其它功能块应用。这些模块包括AI（模拟输入）、AO（模拟输出）、PID（PID运算）、ISS（输入选择）、ARTH（算术）、INTG（累积）、CHAR（特征化）和SPLT（输出选择）功能块等17种。用户可以通过策略组态软件SYSCON对这些功能模块进行灵活连接来实现自己的控制策略。1、模拟输入（AI）功能块图2.3.3-1AI功能块AI功能块接收传感器模块的数据，可以完成工艺参数定标、线性化处理、输入信号滤波、报警、工作方式选择等工作，经处理的信号转换成其它模块可以接收的输出。2、比例积分微分（PID）功能块27图2.3.3-2PID功能块PID功能块是控制模块，能完成P、PI、PID、前馈和跟踪等功能，即可以完成常规调节，又可以完成串级调节。可以进行工作方式选择、手/自动切换、滤波时间、报警限、速率限制和无扰切换设置。其给定值和正、反作用是根据工程要求设置的，其增益、积分时间、微分时间是根据综合应用经验设置的。3、模拟输出（AO）功能块图2.3.3-3AO功能块28AO功能块从其它功能块接收信号，可以实现工作方式选择、速率限制、高/低限报警、风开/风关选择和阀位保持等功能。在控制回路中用作输出单元，其输出一定接到输出传感器模块，并同硬件兼容。4、通用算术运算（ARTH）功能块图2.3.3-4ARTH功能块ARTH功能块有IN、IN-1、IN-2、IN-3、IN-4共5个输入端，主要完成加、减、乘、除、求和、开方、乘方、超前、滞后等运算。它可以完成8种运算公式的一种运算，每个公式有K1、K2、K3、K4、K5、K6共6个系数。通过选择公式和设置系数，可以完成不同的计算任务。5、输入信号选择（ISS）功能块29图2.3.3-5ISS功能块ISS功能块从多达三个输入中进行选择，并根据组态作用产生一个输出，例如：高选、低选、选中间值。若需要从二个输入中选择一个输出是通过IN-D的状态是‘0’还是‘1’来控制的，它还可以把可疑值作为好值处理。6、信号特征化（CHAR）功能块图2.3.3-6CHAR功能块CHAR功能块具有二个输入和二个输出，输出是输入的非线形函数，由二十个点的X-Y坐标查找表确定函数关系。IN-1对应OUT-1；IN-2对应OUT-2。X对应输入，Y对应输出。当BYPASS=1时，IN-1=OUT-1；IN-2=OUT-2。当REVERSE=1时，IN-2=Y；OUT-2=X。307、累加（INTG）功能块图2.3.3-7INTG功能块INTG功能块按时间函数对输入变量进行积分或对输入脉冲计数进行累加。常常用作流量累积得到一定时间内的总质量流量或总体积流量，也可以累加能量得到总能量。记数可以是正向，也可以是反向。可以使用坏值。可以设定记数值，时间到通过OUT-TRIP进行控制。8、输出信号选择（SPLT）功能块31图2.3.3-8SPLT功能块SPLT功能块是控制模块，用作分程控制、顺序控制和输出选择器。当A-TYPE=1时，SPLT作为输出选择器使用，若IN-D=0，OUT-1输出；若IN-D=1，OUT-2输出；当A-TYPE=2或3时，SPLT作为分程器使用，只是功能不同。其它九个功能块是AALM、CIAD、CIDD、COAD、CODD、SPG、ABR、DBR、DENS，若要详细了解，可参照相关参考资料。三、监控软件监控软件是必备的直接用于生产操作和监视的控制软件包，其功能十分丰富，流行的有：FIX、INTOUCH、AIMAX、VISCON等。该系统选用AIMAX，要完成的主要任务有：（1）实时数据采集。将现场的实时数据送入计算机，并置入实时数据库的相应位置。（2）常规控制计算与数据处理。如标准PID，积分分离，超前滞后比例，一阶、二阶惯性滤波，高选、低选，输出限位等。（3）优化控制。在数学模型的支持下，完成监控层的各种先进控制功能，如卡边控制、专家系统、预测控制、人工神经网络控制、模糊控制等。（4）逻辑控制。完成如开、停车等顺序启停过程。（5）报警监视。监视生产过程的参数变化，并对信号越限进行相应的处理，如声光报警等。（6）运行参数的画面显示。带有实时数据的流程图、棒图显示，历史趋势显示等。（7）报表输出。完成生产报表的打印输出。（8）操作与参数修改。实现操作人员对生产过程的人工干预，修改给定值、控制参数和报警限等。32四、设备管理自动化仪表的设备管理是现场总线仪表发展引出的新概念。由于模拟仪表只能提供过程参数的测量信号，不能提供任何别的信息，因而设备管理无从谈起。随着工厂越来越严格的质量标准及法规要求，人们对现场测量和控制设备的要求随之提高，不仅要求现场设备能提供过程参数的测量信息，还要能提供包括设备自身及过程的某些诊断信息，管理信息等。而由于现场总线仪表内部各种专用集成电路技术、以及现场总线其他软硬件技术的发展，有条件赋予现场设备更多，更强的智能化功能。在现场总线设备通过现场总线传送的数字信号中，除了过程变量的测量值以外，还含有设备运行的状态信息以及设备制造商提供的设备制造信息等。现场总线设备管理系统的目的就是充分发挥智能设备各种功能与信息的作用，让它们为提高过程控制和管理水平服务。这里的设备管理包括对现场总线系统中的现场智能仪表的管理、操作和维护。充分运用现场总线仪表所赋予的丰富的管理信息，直观、全面地反映现场设备状态，以便把传统经验型的，被动的维护管理模式，改变成可预测性的设备管理与维护模式。例如Fisher-Rosemount公司推出的设备管理系统（AMS）。第四节应用实例—炼油厂现场总线控制系统胜华炼油厂50万吨/年常减压蒸馏-氧化沥青联合装置包括：电脱盐、三注、初馏塔、常压塔、减压塔、氧化沥青、减粘、电精制，加热炉、减一中蒸汽发生器和公用工程部分，工艺过程复杂，产品数量多，产品质量要求高。为了提高生产过程的自动化水平，使该装置“安、稳、长、满、优”运行；为了适应校办工厂必须满足“生产、教学、科研”的要求，该装置采用了三冗余的数字化控制系统--现场总线控制系统FCS、工业控制计算机、Smar公司的302系列现场总线仪表、电Ⅲ型仪表和施耐得公司的PLC。33FCS控制系统上位机采用工业PC机作为硬件平台，以WINDOWS95为操作平台。计算机操作站上的人机界面组态是通过美国TA公司的AIMAX组态软件完成的。AIMAX通过驱动程序与FCS和PLC接口。FCS的控制策略组态由SMAR公司开发的现场总线组态软件SYSCON来完成。PLC系统的组态是通过施耐得公司的组态软件Modsoft实现的。一、系统硬件配置在进行FCS设计之前，必须做出某些初始考虑，主要有：打算用什么现场总线仪表，要用到哪些功能块，各需要多少台；需要多少个通道，需要几块PCI卡等。这首先要做出控制方案，还要知道FCS中有哪些容量限制。1、FCS中的容量限制与要求⑴每台PC机最多可以插8块PCI卡；⑵每块PCI卡有4个通道（即4条现场总线）；⑶每个通道可以挂接16台现场总线仪表；⑷若是有防爆要求，还要接安全栅。由于每个安全栅只能带4台现场总线仪表，因此每个通道需要4个安全栅；⑸每条现场总线的两端必须接BT302（成对出现）；⑹为了完成管理现场总线设备之间的通信，每个通道必须有一个‘Master’。2、系统配置该系统由三台工控机构成互为冗余的计算机操作站，每个操作站通过双屏卡挂接两台显示器，整个系统可以同时显示6个不同画面，以便满足同时设4个操作岗位和2个教学岗位的要求。每台工控机内插4块过程控制接口卡（PCI），每卡有4个通道，每个通道可挂接16块302系列现场总线仪表，理论上讲4块PCI卡可挂接256块现场总线仪表，根据实际情况该系统安装了152块现场总线仪表，分挂在全部16条通道上，处理控制回路63个。为了将现场仪表和控制室间进行隔离，每个通道可34挂接4个总线安全栅SB302，每个安全栅可挂接4块现场总线仪表，使全系统具有本质安全特征。考虑到目前现场总线仪表价格仍偏高，不参与控制而只用于显示的121个模拟量和全部53个开关量通过PLC进机。该系统共使用三台PLC，通过SA85网络适配器和Modicon的ModbusPlus分支器与系统的三台工控机构成ModbusPlus通讯网络，通信介质采用同轴电缆或屏蔽双绞线，传输速率可达1Mbps。系统硬件配置图如图2.3.4-1所示：图2.3.4-1FCS系统硬件配置图二、控制策略组态351、地址分配在现场总线系统中，不同的通道可以有相同的地址，而在同一通道中地址是绝对不能相同的，并且地址不能为0，否则会出现不可预料的后果。对于PCI卡而言，因为它将是‘Master’或备份‘Master’，而‘Master’的地址必须是最低的，因此PCI的地址必须是1至4中的一个，也就是说PCI卡冗余时，最多可达4备份。具有最低地址的‘Master’就是主‘Master’，若主‘Master’有故障，则现存‘Master’中的地址最低者就自动变为主‘Master’，依次类推；若更低地址的‘Master’恢复工作，则地址最低者又自动变为主‘Master’，其它就自动变为备份‘Master’。地址5留给BC1使用，BC1是Smar公司生产的通过PC机串口连接到现场总线系统的单通道专用通信接口，它用于便携式计算机对某个通道进行维护，而此时它应该是‘Master’，其地址应该是所有现场总线仪表中最低的。由于每个通道最多可挂接16块现场总线仪表，地址6至21分配给现场总线仪表。现场总线系统中允许用现场总线仪表作为备份‘Master’，如果你想用某个现场总线仪表作为备份‘Master’，请选用地址最低者。地址22至25留给Smar公司生产的PLC（LC700）使用，本系统没有选择LC007。2、控制策略组态该常减压蒸馏-氧化沥青联合装置共有温度控制回路5个；压力控制回路9个；流量控制回路10个；液位控制回路25个，含氧分析控制回路2个；热值控制回路2个，串级控制回路5个；调节阀和电机变频调速切换系统6个；液位切换控制回路1个；压力选择控制回路1个；通过搭桥实现三冗余不同通道间的控制回路1个；通过编程实现特殊控制回路1个；开环手动控制回路3个；流量指示、累计34个。全部工作正常，下面仅举一例。36图2.3.4-2常压炉燃烧控制温度串级回路组态图2.3.4-2所示为一常压炉的燃烧控制，该控制采用串级调节方式，以炉膛温度为副回路调节参数，炉出口温度为主回路调节参数，整个控制只需要两块现场总线仪表：即双通道现场总线温度变送器TT302（位号为TT-2705）和现场总线到气压信号转换器FP302（位号为TFP-2708）。在TT-2705中取2个AI模块TT2705和TT2708，它们分别检测炉出口温度和炉膛温度，两个PID运算模块（一个是TT-2705中的TIC2705，另一个是TFP-2708中的TIC2708）。这样TT2705作为主回路测量值与主回路调节器TIC2705的给定值进行比较运算，其输出作为副回路调节器TIC2708的给定，而副回路调节器的测量值来自TT-2705的AI模块TT2708。串级回路的输出经TFP-2708的AO模块TY2708变换为0.02-0.1Mpa的标准气压信号，对燃料油流量调节阀进行控制，以达到炉出口温度的调节。3、在FCS中实现装置切换胜华炼油厂的50万吨/年常减压蒸馏-氧化沥青联合装置中有许多复杂控制回路，其减底液位(LIC-2305)控制回路与减粘塔底液位(LIC-2401)组成切换调节回路，减底渣油经减底泵P-110/1或P-110/2抽出一路至减粘塔进料调节阀LV-2305，另一路至氧化沥青塔进料和冷渣油出37装置调节阀LV-2401。该切换调节回路可实现两种控制方案。方案一：开氧化沥青塔(不开减粘塔)时，由工艺人员切换流程关闭LV-2305，减底渣油送至氧化沥青塔，LIC-2305输出至氧化沥青塔进料调节阀LV-2401。方案二：开减粘塔(不开氧化沥青塔)时，减底渣油一路送至减粘塔；另一路冷渣油出装置。此时LIC-2305输出至减粘塔进料调节LV-2305；LIC-2401输出至冷渣油出装置调节阀LV-2401。该回路的减底液位控制还使用了电机变频调速器，LIC-2305的输出分为两路：一路输出至调节阀LV-2401(方案一)或LV-2305(方案二)，另一路输出至减底泵变频调速电机P-110/1。正常情况下，调节器输出只到变频调速电机，通过调速来控制减底液位，达到节能的目的。若调速电机P-110/1出现故障，则开备用电机P-110/2，用调节阀控制。液位调节控制方案和泵阀切换由操作人员通过键盘实现。其工艺自控流程图见图2.3.4-3所示。图2.3.4-3减底液位与减粘塔底液位切换调节回路工艺自控流程图减底液位与减粘塔底液位切换调节回路共用4块现场总线仪表：三路电流到现场总线转换器IF302（位号为IF-2305，地址为18）、现场总线到三路电流转换器FI302（位号为FI-2305，地址为20）和两个现场总线到标准气压信号转换器FP302（减底液位为TFP-2305，地址为19；减粘塔底液位为TFP-2401，地址为21）。38在IF-2305中取2个AI功能块LT2305和LT2401，它们分别完成减底液位浮球和减粘塔底液位浮球输出电流（4-20mA）的信号采集。在LFP-2305中取用1个PID运算功能块LIC2305进行PID运算，1个SPLT功能块SPLT2305用于输出切换，1个AO功能块LY2305输出0.02-0.1Mpa的标准气压信号到调节阀LV-2305。在FI-2305中取用1个SPLT功能块SPLT2401用于输出切换，1个AO功能块LMY2305输出4-20mA到变频调速器，对泵电机P-110/1进行调速。在LFP-2401中取用1个PID运算功能块LIC2401进行PID运算，1个ISS功能块ISS2401用于输入信号选择，1个AO功能块LY2401输出0.02-0.1Mpa的标准气压信号到调节阀LV-2401。在该控制回路组态中使用了AI、PID、SPLT、ISS和AO五种功能块，下面只介绍ISS功能块和SPLT功能块。ISS功能块是控制模块，通常前面与最多三个功能块的输出相连，选择一个输出与后面某个功能块的输入相连，用作输入信号选择器。SEL-TYPE=1时，三个输入中的最大值通过；SEL-TYPE=2时，三个输入中的最小值通过；SEL-TYPE=3时，三个输入中的中间值通过；SEL-TYPE=4时，三个输入中的第一个好值通过；SEL-TYPE=5时，只能在2个输入中选择一个通过。IN-D=0时，选择SEL-1；IN-D=1时，选择SEL-2；其它有关参数有MODE-BLK、OUT、PV-SCALE、OUT-SCALE、OUT-HI-LIM和OUT-LO-LIM。SPLT功能块是控制模块，通常前面与一个功能块的输出相连，后面与最多三个功能块相连，用作分程控制、顺序控制和输出选择器。A-TYPE=1时用作输出选择器，只能对2路信号选择；IN-D=0时，选择OUT-1（由LOCK-VAL-2和NOT-SEL-VAL-2确定OUT-2的状态和数值）；IN-D=1时，选择OUT-2（由LOCK-VAL-1和NOT-SEL-VAL-1确定OUT-1的状态和数值）；其它有关参数有MODE-BLK、IN-SCALE、OUT-1-SCALE和OUT-2-SCALE。在进行功能块连接时，它们之间的连接可以是内部的，也可以是外部的。内部连接指得是在同一个现场设备内功能块的连接，这些连接只消耗现场设备的处理时间而不使用总线，因此不占用控制扫描时间。外部39连接指得是在不同现场设备间功能块的连接，这些连接由于要使用总线，在‘Master’的调度下传送信息，因此每个外部连接要占用15ms的控制扫描时间。由于现场总线系统的信息传输速率较慢，在进行现场总线策略组态设计时，应尽量使用内部连接，减少外部连接，以便缩短控制扫描时间。在该控制回路设计中，AI和PID连接时，由于PID的输入端是IN，因此在AI和PID之间只有1条连接线。而PID和SPLT或ISS连接时，由于SPLT2305功能块的输入端是串接输入CAS-IN，必须从SPLT2305的BKCAL-OUT连接一条反馈线到LIC2305的BKCAL-IN（下同），因此在PID和SPLT之间至少有2条连接线。在现场设备IF-2305和LFP-2305中都有PID功能块。若使用IF-2305中的PID，存在2条外部连接线；若使用LFP-2305中的PID，则只有1条外部连接线。所以在此使用了LFP-2305中的PID功能块。组态图见图2.3.4-4所示。图2.3.4-4减底液位与减粘塔底液位切换调节回路组态图4、三冗余控制回路组态由于现场总线仪表中有各种功能块，根据需要选择在控制应用中使40用的功能块，然后指定其参数，无冗余的系统组态即告完成。若要进行冗余组态，不需重新全部组态。例如：要进行三冗余配置，只需要在主工作站下面再产生两个备份工作站，进行逐通道的挂接即可，但应有不同的通道名称。若某通道的名称为PCI0-CH0，其地址为1；则第二备份通道的名称应为PCI0-CH0-BACKUP1，其地址为2；第三备份通道的名称应为PCI0-CH0-BACKUP2，其地址为3。下装时1#工作站用PCI0-CH0；2#工作站用PCI0-CH0-BACKUP1；3#工作站用PCI0-CH0-BACKUP2即可。在现场总线控制系统的一个通道内构成控制回路十分方便，在设计时也尽量将构成控制回路的现场总线仪表放在同一通道中，实现三冗余也相对简单。在整改过程中，由于不能停工敷设电缆，需解决不同通道间的仪表构成一个三冗余控制回路。据资料介绍可以实现，但未见报道。经认真分析PCI卡中虚拟现场总线仪表中的模拟桥接模块ABR和现场总线仪表中的输入信号选择模块ISS，做如图2.3.4-5组态，实现了不同通道间的三冗余控制回路，但外部连接相应增多。图中现场总线仪表FT-2952和FFP-2952在同一PCI卡的不同通道，PCI-1、PCI-2和PCI-3在三台工控机中互为备份。41图2.3.4-5不同通道间的三冗余单回路控制策略组态图42',)