摘 要：介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，分析了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。并且結(jié)合作者的實(shí)踐，介紹了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的組態(tài)方法，指出了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)組態(tài)過程中要注意的問題。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線；設(shè)備描述語言；功能塊；組態(tài)
現(xiàn)場(chǎng)總線是全數(shù)字化分布式底層控制網(wǎng)絡(luò)，自他產(chǎn)生后，就引起控制領(lǐng)域的科研人員的廣泛關(guān)注。但是，長期以來由于各個(gè)大組織在大型跨國公司的支持下，為制定統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)造成了巨大的阻力，形成了各大總線共存的局面。經(jīng)過有關(guān)各方的共同努力和協(xié)商妥協(xié),FF(Foundation Fieldbus，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線)等7種現(xiàn)場(chǎng)總線在1999年年底的投票表決中獲得通過,FF現(xiàn)場(chǎng)總線也成為了一種極有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線。
1FF現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)
FF是基于WorldFip North American (FIP)和InterOperable System Project(ISP)的共同利益，在1994年合并而成的。1995年，WorldFip歐洲部分國家也加入了FF。FF總線由低速(H1)和高速(HSE，High Speed Ethernet)2部分組成。低速H1部分將ISO/OSI七層參考模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，再加上用戶層，形成4層結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了適應(yīng)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)放棄了其原來規(guī)劃的Ｈ2高速總線標(biāo)準(zhǔn)，并于2000年3月29日公布了基于Ethernet的高速總線技術(shù)規(guī)范(HSE 1.0版)。
在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展過程中，Smar公司開發(fā)了一系列現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，成為了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中的領(lǐng)先者，SYSTEM 302是Smar公司總結(jié)系統(tǒng)工程方面的經(jīng)驗(yàn)后開發(fā)的全數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。下面介紹一下在利用Smar公司SYSTEM 302 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時(shí)遇到的2個(gè)重要概念：
(1) DD(Device Description,設(shè)備描述)
DD是屬于FF的報(bào)文規(guī)范層（FMS,Fieldbus Message Speciafication）的一個(gè)內(nèi)容。設(shè)備描述DD是為虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備VFD中的每個(gè)對(duì)象提供擴(kuò)展描述，為控制系統(tǒng)或主機(jī)在理解VFD 中數(shù)據(jù)的意義提供必要的信息，因此，DD 可被看作是設(shè)備的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。在每次組態(tài)設(shè)備之間必須確認(rèn)是否安裝該設(shè)備的設(shè)備描述語言。
(2)Function Block（功能模塊，F(xiàn)B）
功能塊應(yīng)用進(jìn)程位于FF總線通信模型的最高層用戶層。FF用戶層協(xié)議將實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能封裝為通用的模塊結(jié)構(gòu)，并定義他們的輸入、輸出、算法、事件及控制圖等內(nèi)容，從而形成了功能模塊FB。
FF現(xiàn)場(chǎng)總線把功能塊FB主要分成了3類：資源塊(Resource Block)、轉(zhuǎn)換塊(Transducer Block)、功能塊FB。資源塊描述了諸如設(shè)備名、生產(chǎn)廠家和序號(hào)等的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備特征。一臺(tái)設(shè)備只有一個(gè)資源塊。轉(zhuǎn)換塊把功能塊從讀傳感器和命令輸出硬件的本地輸入/輸出的功能分開，還包含標(biāo)定日期和傳感器類型等信息。每個(gè)輸入或輸出功能塊通常就是一個(gè)轉(zhuǎn)換塊。功能塊提供了控制系統(tǒng)行為。功能塊的輸入和輸出通過現(xiàn)場(chǎng)總線相連接。每個(gè)功能塊的執(zhí)行被精確地調(diào)度。在一個(gè)用戶應(yīng)用中可以有多個(gè)功能塊。
功能塊FB技術(shù)是FF現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)分布式控制的一項(xiàng)重要手段。在FF現(xiàn)場(chǎng)總線中，F(xiàn)CS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和工作站，把DCS的工作站的功能塊分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，構(gòu)成虛擬工作站。FF的功能塊可以供用戶自由選擇，可統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。許多控制系統(tǒng)功能，諸如模擬輸入輸出、PID控制等功能都可以通過使用功能塊由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成。
現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)包括很多方面，以上所述是在組態(tài)過程中遇到的2個(gè)重要概念及難點(diǎn)，在此做簡(jiǎn)單說明。
2組態(tài)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)
現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)既與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)組態(tài)有共同之處，也有一定的差別。本部分主要結(jié)合筆者的實(shí)踐來介紹現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)的內(nèi)容。
2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
為了推動(dòng)南京工業(yè)大學(xué)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究，我校曾于2001年8月從Smar公司引進(jìn)了一套現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)由2個(gè)部分組成，其中：2個(gè)LD302壓力變送器和閥門定位器FY302構(gòu)成壓力控制系統(tǒng)。LD302采集容器中的的壓力信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為符合FF協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送到FF現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中，閥門定位器FY302根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定值和操作閾度，輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制閥，使系統(tǒng)的壓力保持恒定；2個(gè)TT302溫度變送器和現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)到電流轉(zhuǎn)換器FI302構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。TT302采集溫度信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為符合FF協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送到FF現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)到電流轉(zhuǎn)換器FI302根據(jù)設(shè)定值和操作閾度，輸出適當(dāng)電流驅(qū)動(dòng)可控硅，可控硅控制溫度對(duì)象的輸入電壓，從而使溫度對(duì)象保持恒溫。這2個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線的H1網(wǎng)段。H1系統(tǒng)通過DF51網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)相連。
2.2控制系統(tǒng)組態(tài)
系統(tǒng)的控制組態(tài)使用Smar公司推出的SYSTEM 302系統(tǒng)。SYSTEM 302是一套完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制方案，采用現(xiàn)場(chǎng)總線、Windows 和OPC 等先進(jìn)技術(shù)，真正基于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，系統(tǒng)可以處理各種信號(hào)，進(jìn)行連續(xù)控制，離散邏輯控制和批處理控制，支持通過了基金會(huì)驗(yàn)證設(shè)備互操作性，真正實(shí)現(xiàn)了分布式控制。
使用SYSTEM 302 組態(tài)，首先要使用FBTools Wizard正確地設(shè)置網(wǎng)關(guān)，也就是H1網(wǎng)段與上位機(jī)之間的通信方式，以保證網(wǎng)關(guān)能夠與上位機(jī)之間進(jìn)行通信。SYSTEM 302提供的接口方式有PCI和DFI 302，此處使用DFI 302。
在DF51處于正常的RUN狀態(tài)，確認(rèn)要使用的所有設(shè)備的DD安裝完畢以后，才可以使用SYSTEM 302的一個(gè)重要組成部分SYSCON進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)。SYSTEM 302系統(tǒng)可以很方便地安裝新設(shè)備的DD。在安裝目錄的Device Support下建立該設(shè)備的活頁夾，按照廠家提供的手冊(cè)，添加該設(shè)備的Manufacturer ID，Device Type，EJA Device Type信息，同時(shí)在Standartini文件的Manufacturer By ID部分添加該設(shè)備的ID。

SYSCON將一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線項(xiàng)目分為2部分：邏輯設(shè)備和物理設(shè)備。
邏輯設(shè)備是在組態(tài)項(xiàng)目中用到的邏輯連接，例如功能塊、組態(tài)的策略等。網(wǎng)絡(luò)上連接的各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在物理設(shè)備部分說明，例如網(wǎng)橋的配置、網(wǎng)段上設(shè)備的分布等。添加網(wǎng)絡(luò)上的所有智能儀表到物理部分，并添加相應(yīng)的功能塊，設(shè)置功能塊的部分參數(shù)，在SYSTEM 302中，資源塊RES、轉(zhuǎn)換塊TRS、顯示塊DSP是每個(gè)設(shè)備都必須的功能塊，例如可以為傳感器（如TT302）添加AI功能塊，為執(zhí)行器添加AO功能塊，PID功能塊既可以添加在傳感器中，也可以添加到執(zhí)行器中。筆者在組態(tài)過程中，除了為每個(gè)物理設(shè)備添加資源塊RES、轉(zhuǎn)換塊TRS、顯示塊DSP外，把PID功能塊和AO功能塊添加到閥門定位器FY302和電流轉(zhuǎn)換器FI302，變送器還需AI功能塊，如圖2所示。



邏輯組態(tài)完畢，設(shè)置變化范圍功能塊的XD_SCALE、設(shè)定值SP等參數(shù)后，為控制策略選擇功能塊，按設(shè)計(jì)的控制算法邏輯連接相應(yīng)的功能塊的輸入輸出，就完成了控制策略組態(tài)。例如本系統(tǒng)中，PID溫度單回路控制選擇TT302的AI功能塊和FI302的PID功能塊、FI302的AO功能塊，同時(shí)把輸入輸出相連。在SYSCON中，可以先建立物理設(shè)備，設(shè)置所有的功能塊，再建立控制策略。也可以先建立邏輯設(shè)備，再添加物理設(shè)備，但是，工程人員必須合理規(guī)劃需要使用的功能塊?？刂撇呗缘碾x線組態(tài)已經(jīng)完成后，合理設(shè)置系統(tǒng)的通信方式，待網(wǎng)橋與總線上的所有設(shè)備通信正常后，下載控制策略。
2.3操作界面組態(tài)
界面組態(tài)使用Smar公司提供的AIMAX。使用AIMAX的關(guān)鍵是與SYSTEM 302之間的數(shù)據(jù)連接，Smar公司采取了OPC方式。在FF組態(tài)系統(tǒng)的工作站，DFI OLE SERVER與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間通過網(wǎng)關(guān)以3125 kB/s不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DFI OLE SERVER 提供了OPC接口供用戶使用。AIMAX使用這個(gè)接口把DFI OLE SERVER的數(shù)據(jù)對(duì)象通過位號(hào)不斷地導(dǎo)入自己的數(shù)據(jù)庫中。繪制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，建立自己的實(shí)時(shí)曲線組、歷史曲線組，并為他們?cè)O(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)象。操作界面組態(tài)完畢。
3結(jié)語
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于采用了先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使用靈活，為科研和教學(xué)提供了極大的方便。