第3章集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

1單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器的局限性（1）CPU檔次不高，其信息處理能力有限（2）構(gòu)成大型復(fù)雜系統(tǒng)，接線復(fù)雜，造價(jià)高（3）儀表盤操作給高度集中控制帶來(lái)了困難2集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)的集中-分散型綜合控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。發(fā)展初期是以分散控制為主要特征的，一般稱其為分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）即DCS，或集散控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)由三部分組成，如圖所示。

或稱現(xiàn)場(chǎng)控制單元（FCU），分散于現(xiàn)場(chǎng)，控制一個(gè)或數(shù)個(gè)回路。有的過(guò)程控制單元可以控制幾十個(gè)甚至上百個(gè)回路，這樣的控制單元也叫單元控制室，其中設(shè)有本地操作站。①

分散過(guò)程控制裝置（PCU）②

操作管理裝置中央控制室通過(guò)通信系統(tǒng)匯集分散在各過(guò)程控制單元或單元控制室的信息，從而實(shí)現(xiàn)信息綜合與集中管理。③

通信系統(tǒng)系統(tǒng)采用了局域網(wǎng)技術(shù)，溝通現(xiàn)場(chǎng)控制單元與中央控制室的信息傳輸。所謂“集”是實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)的信息綜合管理。所謂“散”

是實(shí)現(xiàn)了分散控制。智能分散、顯示分散、數(shù)據(jù)庫(kù)分散、通信分散、供電分散。

3.1集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及其組成

3.1.1集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及其組成

20世紀(jì)70年代以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的微處理器的出現(xiàn)，功能豐富，價(jià)格便宜，可靠性很高，到1975年，全球一些著名的儀表公司在幾個(gè)月內(nèi)紛紛宣布研制成功了新一代的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，例如美國(guó)Honeywell公司的TDC-2000系統(tǒng)，日本橫河公司的CENTUM系統(tǒng)等。這是在多年的集中型計(jì)算機(jī)控制失敗的實(shí)踐中產(chǎn)生的一種新的體系結(jié)構(gòu)，即通過(guò)將控（1）第一代制功能分散到多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，并采取雙重化等冗余措施，達(dá)到運(yùn)行安全的目的?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示。

數(shù)據(jù)傳輸通道CRT操作室上位計(jì)算機(jī)過(guò)程控制單元數(shù)據(jù)采集裝置第一代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖①

過(guò)程控制單元（ProcessControlUnit）

亦稱現(xiàn)場(chǎng)控制單元（FieldControlUnit）或基本控制器（BasicControler）。它一般由微處理器組成的基本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以控制一個(gè)或多個(gè)回路，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和較復(fù)雜的控制功能。②

數(shù)據(jù)采集裝置（DataAcquisitionUnit）亦稱過(guò)程接口單元（ProcessInterfaceUnit）是以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。其主要功能是采集非控制變量、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、井將其數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸通道送給上位機(jī)或CRT操作站。③

CRT操作站人-機(jī)接口，具有豐富的畫(huà)面顯示，很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，并具有進(jìn)行多種操作數(shù)據(jù)傳輸通道CRT操作室上位計(jì)算機(jī)過(guò)程控制單元數(shù)據(jù)采集裝置第一代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與控制鍵盤的功能，可以對(duì)PCU、DAU進(jìn)行組態(tài)和查詢，還有覆蓋全系統(tǒng)的報(bào)警功能、自診斷功能、實(shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)的管理等。

④

上位計(jì)算機(jī)

亦稱監(jiān)控計(jì)算機(jī)，是集散控制系統(tǒng)的主機(jī)。它綜合監(jiān)視全系統(tǒng)的各工作站（PCU，DAU，CRT），管理全系統(tǒng)的所有信息，具有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制和管理的功能。數(shù)據(jù)傳輸通道CRT操作室上位計(jì)算機(jī)過(guò)程控制單元數(shù)據(jù)采集裝置第一代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖⑤

數(shù)據(jù)傳輸通道

由通信電纜與數(shù)據(jù)傳輸管理指揮裝置組成，是第一代DCS的通信系統(tǒng)。

（2）第二代80年代，16位、32位微處理機(jī)技術(shù)的成熟，局域數(shù)據(jù)傳輸通道CRT操作室上位計(jì)算機(jī)過(guò)程控制單元數(shù)據(jù)采集裝置第一代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入集散系統(tǒng)，以局域網(wǎng)為主干，統(tǒng)領(lǐng)了全系統(tǒng)，系統(tǒng)中各單元都看作了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。可以將第一代集散系統(tǒng)看成是通過(guò)網(wǎng)間連接器掛接在系統(tǒng)局域網(wǎng)上的一個(gè)子系統(tǒng)。如圖所示。①

局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork）由傳輸介質(zhì)（如同軸電纜，雙絞線等）和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)通信功能有較復(fù)雜的機(jī)制。不同型號(hào)的局域網(wǎng)取名不同。例如，TDC-3000系統(tǒng)取名為局部控制網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)管理計(jì)算機(jī)中央工作站第二代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖系統(tǒng)管理站GWPCU監(jiān)控計(jì)算機(jī)PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工業(yè)網(wǎng)絡(luò)LANGWCENTUM系統(tǒng)則取名為HF總線等。

②

節(jié)點(diǎn)工作站

通常把局域網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作站。而這里的節(jié)點(diǎn)工作站專指過(guò)程控制站（PCU）或現(xiàn)場(chǎng)控制單元。第二代系統(tǒng)的過(guò)程控制站是在第一代基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，比第一代有更多的功能。

節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)管理計(jì)算機(jī)中央工作站系統(tǒng)管理站GWPCU監(jiān)控計(jì)算機(jī)PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工業(yè)網(wǎng)絡(luò)LANGW③

中央操作站中央操作站是連接在LAN上的節(jié)點(diǎn)工作站，其主要作用是對(duì)全系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合管理，是全系統(tǒng)人一機(jī)聯(lián)系的窗口，是全系統(tǒng)的主操作站。④

系統(tǒng)管理站系統(tǒng)管理功能強(qiáng)是第二代系統(tǒng)的主要標(biāo)志，有些廠家利用系統(tǒng)管理站完成全廠的優(yōu)化控制、經(jīng)營(yíng)管理和生產(chǎn)管理等。節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)管理計(jì)算機(jī)中央工作站第二代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖系統(tǒng)管理站GWPCU監(jiān)控計(jì)算機(jī)PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工業(yè)網(wǎng)絡(luò)LANGW⑤

網(wǎng)間連接器（GW，GataWay）

它是局部網(wǎng)絡(luò)與其子網(wǎng)絡(luò)或其它工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接口裝置，起著通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器、協(xié)議翻譯器或系統(tǒng)擴(kuò)展器的作用，如連接PLC組成的子系統(tǒng)或第一代集散系統(tǒng)等。⑥

管理計(jì)算機(jī)

它是掛接在局部網(wǎng)絡(luò)上的主計(jì)算機(jī)，帶有海量存儲(chǔ)器、鍵盤等外部設(shè)備。具有復(fù)雜運(yùn)算能力和較強(qiáng)的管理功能。

節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)管理計(jì)算機(jī)中央工作站第二代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖系統(tǒng)管理站GWPCU監(jiān)控計(jì)算機(jī)PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工業(yè)網(wǎng)絡(luò)LANGW（3）第三代集散控制系統(tǒng)

其結(jié)構(gòu)的主要變化是局部網(wǎng)絡(luò)采用了制造自動(dòng)化協(xié)議MAP（ManufactureAutomationProtocol）或者是與MAP兼容，或者LAN本身就是實(shí)時(shí)的MAPLAN。它的結(jié)構(gòu)如圖所示。除了局部網(wǎng)絡(luò)的根本進(jìn)步而外，第三代集散系統(tǒng)的其它單元無(wú)論是硬件或軟件都有較大變化，但系統(tǒng)的基本組成變化不大。MAP或MAP兼容網(wǎng)絡(luò)主計(jì)算機(jī)第三代DCS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖節(jié)點(diǎn)工作站操作站節(jié)點(diǎn)裝置智能變送器智能儀表GWCENTUM-CS綜合控制系統(tǒng)CENTUM-XL綜合控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)CENTUMCS3000R3集散控制系統(tǒng)CENTUMCS3000R3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.2集散控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)與常規(guī)的模擬儀表及一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。1自律性極強(qiáng)的單元結(jié)構(gòu)工作站具有極強(qiáng)的自律性，功能齊全，可靠性高，是一個(gè)自治的子系統(tǒng)。工作站都采用了最新技術(shù)的微處理器，有的單元還采用了多微處理器結(jié)構(gòu)。2完善的控制功能控制單元具有連續(xù)、離散、批量控制等功能，算法功能模塊高達(dá)上千種，可實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)控制，如串級(jí)控制、前饋-反饋復(fù)合控制、Smith預(yù)估控制、自適應(yīng)控制、多變量解耦控制等。CRT屏幕可將系統(tǒng)總貌、分組、單元的數(shù)據(jù)即時(shí)、恰當(dāng)?shù)爻尸F(xiàn)在操作人員面前，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)管理操作。這是集中型模擬儀表的幾十米長(zhǎng)儀表盤難以相及的。CRT操作站采用多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)現(xiàn)代管理中對(duì)畫(huà)面和報(bào)表的各種要求。3統(tǒng)領(lǐng)全局的窗口功能4局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)DCS都采用工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行通信，是集散系統(tǒng)最大的特點(diǎn)。大多數(shù)DCS的局部網(wǎng)絡(luò)采用了光纖傳輸媒介，使通信的安全性大大提高。通信協(xié)議，也在向標(biāo)準(zhǔn)化方向前進(jìn)，與MAP兼容已是一種潮流。5強(qiáng)管理能力現(xiàn)代DCS的管理水平已經(jīng)達(dá)到：①生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化以及過(guò)程監(jiān)督、節(jié)能控制、安全監(jiān)督、環(huán)境監(jiān)視和生產(chǎn)計(jì)劃管理等等；②實(shí)現(xiàn)加工、裝配、檢查、挑選、倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)控制、設(shè)備診斷、工程過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量管理等的自動(dòng)化；③實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化；④辦公室業(yè)務(wù)自動(dòng)化。6高可靠性現(xiàn)代DCS的有效率高達(dá)99．9999％。系統(tǒng)中廣泛采用了冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)，各單元都具有自診斷、自檢查、自修理功能。7系統(tǒng)構(gòu)成靈活．?dāng)U展方便DCS多采用模塊、模件結(jié)構(gòu)，可以靈活組建系統(tǒng)。3.2DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站

下面以國(guó)內(nèi)使用較多的日本橫河公司大型集散控制系統(tǒng)CENTUM為例，介紹DCS的系統(tǒng)的工作原理。典型的DCS由分散執(zhí)行控制功能的現(xiàn)場(chǎng)控制站（FieldControlStation）和進(jìn)行集中監(jiān)視、操作的操作站（OperatorStation）兩級(jí)組成。相互問(wèn)通過(guò)內(nèi)部高速通信HF總線相連，組成計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。采用多主站的令牌傳送方式，在系統(tǒng)內(nèi)，各操作站和控制站的地位都是相同的，沒(méi)有固定的主站與從站劃分。

CS3000R3系統(tǒng)的雙重化現(xiàn)場(chǎng)控制站(FIO型)，如圖3-2所示。

3.2.1現(xiàn)場(chǎng)控制站的結(jié)構(gòu)（1）運(yùn)算控制單元運(yùn)算控制單元，采用4CPU，成對(duì)熱備、冗余容錯(cuò)技術(shù)（又稱“互備互?！毕到y(tǒng)），來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU故障狀態(tài)下的無(wú)擾動(dòng)切換，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。（2）雙重化總線對(duì)Vnet總線、總線通信耦合器、站內(nèi)總線，進(jìn)行雙重化。（3）I/O插件箱FFCS-L型緊湊型現(xiàn)場(chǎng)控制站，輸入輸出插件箱的具體結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。右邊4個(gè)插槽作為公用部分，2個(gè)槽插電源卡，2個(gè)槽插處理器卡。輸入輸出卡都做成多回路的，下面以模擬量輸入輸出（I/O）插件為例：插件箱的左邊8個(gè)插槽是供各種輸入輸出卡使用的。①

控制用多路模擬量輸入輸出卡可接受8路1~5V的模擬電壓輸入，送出8路4~20mA電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)8個(gè)執(zhí)行器。該卡可做雙重化備用，其并聯(lián)工作的原理，如圖3-3所示。變送器4～20mA信號(hào)I/V變換為1～5V信號(hào)輸入電路（RC濾波、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換）數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部總線接口內(nèi)部通信總線CPU運(yùn)算返回D/A4～20mA執(zhí)行器電流是否向外輸出，取決于RS觸發(fā)器的狀態(tài)。當(dāng)輸出電流異常CI讀回設(shè)置RS的狀態(tài)雙重化控制電路②其它可供選用的I/O插件FIO總線型現(xiàn)場(chǎng)控制站的I/0模件大致可分為三大類，即模擬量I/O模件、數(shù)字量I/O模件及通信模件。其中，模擬量I/O模件包括：電流（4~20mA、HART協(xié)議等）、電壓（毫伏、1~5V等）、熱電阻、熱電偶、隔離、非隔離等不同輸入/輸出類型，通信模件則包括：RS422/RS485（ALR121）、現(xiàn)場(chǎng)總線FFH1（ALF111）、ProfibusDPV1（ALP111）、以太網(wǎng)（ALE111）等許多類型的通信模件。

3.2.2現(xiàn)場(chǎng)控制站的內(nèi)部?jī)x表與單回路控制儀表相比，作為多回路控制器的現(xiàn)場(chǎng)控制站如圖3-7所示。除反饋控制功能、運(yùn)算功能、報(bào)警功能、通信功能更加充實(shí)外，最主要的特點(diǎn)是順序控制功能大大增強(qiáng)。報(bào)警功能、通信功能更加充實(shí)外，最主要的特點(diǎn)是順序控制功能大大增強(qiáng)。（1）內(nèi)部?jī)x表（又稱功能塊）和單回路控制儀表一樣，為便于用戶程序的建立，繼承長(zhǎng)期以來(lái)用單塊儀表構(gòu)成系統(tǒng)的概念，將一些常用的功能子程序組成標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，稱為內(nèi)部?jī)x表。CENTUMCS3000的常規(guī)控制塊以及計(jì)算塊，分別如表3-1和表3-2所示，從中可看出其強(qiáng)大的功能。（2）內(nèi)部?jī)x表的組態(tài)與單回路控制器中不同，1個(gè)調(diào)節(jié)單元除包含PID控制功能之外，還具有輸入信號(hào)變換、報(bào)警檢測(cè)、輸出信號(hào)處理等功能，相當(dāng)單回路控制器中5～10個(gè)運(yùn)算控制塊。因此，組態(tài)比較簡(jiǎn)單。如圖3-8所示。關(guān)于內(nèi)部?jī)x表的組態(tài)，由于現(xiàn)場(chǎng)控制站自身沒(méi)有人機(jī)接口，需要在操作站或?qū)ｉT的工程站上進(jìn)行。在CENTUMCS3000中，控制站的組態(tài)是在工程師站（ENG）上實(shí)現(xiàn)的。組態(tài)組態(tài)不再使用填表式語(yǔ)言，而是采用圖形化的功能塊圖接點(diǎn)連線方式，在專用的“控制圖”畫(huà)面中畫(huà)圖實(shí)現(xiàn)。所謂“控制圖”，是指兩個(gè)或多個(gè)功能塊組成的控制功能的一個(gè)組合。

圖3-9所示為緩沖罐容器的選擇控制系統(tǒng)，則在CENTUMCS3000中需要使用三個(gè)內(nèi)部功能塊儀表，其中兩個(gè)是基本PID調(diào)節(jié)單元“PID”，一個(gè)是帶自動(dòng)/手動(dòng)切換的低值自動(dòng)選擇單元“AS-L”?？闪钜何恢甘菊{(diào)節(jié)器的工位號(hào)為L(zhǎng)IC101，流量指示調(diào)節(jié)器的工號(hào)為FIC102，低值選擇單元為L(zhǎng)SL103。

若將液位變送器，接到節(jié)點(diǎn)01第1個(gè)插槽模件上，并使用其第03個(gè)通道，則其地址可縮寫(xiě)為“%Z011103”。

圖3-9所示為緩沖罐容器的選擇控制系統(tǒng)，則在CENTUMCS3000中需要使用三個(gè)內(nèi)部功能塊儀表，其中兩個(gè)是基本PID調(diào)節(jié)單元“PID”，一個(gè)是帶自動(dòng)/手動(dòng)切換的低值自動(dòng)選擇單元“AS-L”?？闪钜何恢甘菊{(diào)節(jié)器的工位號(hào)為L(zhǎng)IC101，流量指示調(diào)節(jié)器的工號(hào)為FIC102，低值選擇單元為L(zhǎng)SL103。

若將液位變送器，接到節(jié)點(diǎn)01第1個(gè)插槽模件上，并使用其第03個(gè)通道，則其地址可縮寫(xiě)為“%Z011103”。

3.2.3CENTUMCS3000的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)量與控制設(shè)備的全數(shù)字式、雙向傳輸、具有多節(jié)點(diǎn)分支結(jié)構(gòu)的通信鏈路，與傳統(tǒng)的4~20mA模擬傳輸技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在集散控制系統(tǒng)的階層結(jié)構(gòu)中，操作站位于控制站的上層，它通過(guò)數(shù)據(jù)通信，與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，控制站交換信息。操作工人利用操作站上的大型高分辨率的CRT顯示器，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程從全局，到細(xì)節(jié)進(jìn)行集中監(jiān)視、操作和管理。為方便操作工人使用，集散控制系統(tǒng)的人機(jī)界面提供了多種工廠人員習(xí)慣的顯示畫(huà)面，讓操作人員能以最短時(shí)間，迅速準(zhǔn)確地掌握生產(chǎn)過(guò)程的狀，態(tài)，并根據(jù)需要，修改控制回路的設(shè)定值、整定參數(shù)、運(yùn)行方式，乃至系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.3DCS操作站的功能

集散控制系統(tǒng)CENTUMCS3000R3（1）以系統(tǒng)生成、維護(hù)為主的工程功能現(xiàn)場(chǎng)控制站的反饋控制和順序控制的組態(tài)，都是在操作站COPSV的CRT屏幕上，通過(guò)填表操作生成后，經(jīng)數(shù)據(jù)通信，由操作站裝入控制站。操作站自身的系統(tǒng)生成，例如用三、四臺(tái)CRT組成操作控制群，分工實(shí)現(xiàn)報(bào)警、操作及總貌監(jiān)視，并互為備用；在各操作站內(nèi)，還需生成各種與顯示有關(guān)的項(xiàng)目，對(duì)各工號(hào)的儀表進(jìn)行分組編排，形成各種標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)視操作畫(huà)面及千變?nèi)f化的流程圖畫(huà)面。對(duì)生成的系統(tǒng)動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)和調(diào)試，協(xié)助工作人員進(jìn)行硬件的維護(hù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部文件的自動(dòng)管理。（2）以監(jiān)視、運(yùn)行、記錄為主的操作功能一般在操作站上都備有總貌畫(huà)面、分組畫(huà)面、回路調(diào)整畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、趨勢(shì)分組畫(huà)面五種標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)面，此外，還能根據(jù)用戶的不同特點(diǎn)，生成各種流程圖畫(huà)面及工藝數(shù)據(jù)匯總畫(huà)面等。（3）與現(xiàn)場(chǎng)控制站和上位計(jì)算機(jī)交換信息的通信功能3.4現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（1）DCS的局限性

DCS硬件和軟件的封閉性．成為系統(tǒng)間互連的重大障礙DCS與現(xiàn)場(chǎng)儀表間的聯(lián)系仍采用4~20mA模擬信號(hào)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和管理的深層次要求為解決控制系統(tǒng)的開(kāi)放化和數(shù)字化問(wèn)題，20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線的思想。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）是用于智能現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室系統(tǒng)之間的一種全開(kāi)放、全數(shù)字化、雙向、多節(jié)點(diǎn)的互連通信系統(tǒng)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的結(jié)合。這是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)（3C）的綜合與集成?，F(xiàn)場(chǎng)總線不單純是一種通信技術(shù)，它的關(guān)鍵在于用新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。（3）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)雙向數(shù)字通信，適時(shí)性好，易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省連接電纜，降低安裝費(fèi)用使控制功能比DCS更加分散，減少硬件設(shè)備，降低控制系統(tǒng)的總成本與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一致性，保證了系統(tǒng)的開(kāi)放性和不同廠商設(shè)備的互換性各節(jié)點(diǎn)可含有如同DCS中的功能塊，如PID算法、線性化運(yùn)算模擬量輸入（AI）模擬量輸出（AO）可相互操作和組態(tài)，用戶可自由地集成FCS，并由通信線直接供電，可實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全防爆還允許不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連3.4.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展（1）儀表智能化是實(shí)現(xiàn)儀表網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表，為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字化以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件，為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。（2）統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使現(xiàn)場(chǎng)總線成為開(kāi)放互聯(lián)系統(tǒng)

開(kāi)放意味著對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)的共同遵從，意味著來(lái)自不同廠商而遵從相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可互連為一致通信系統(tǒng)。從這個(gè)意義上說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線就是工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互聯(lián)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)首先必須制定相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。最近十多年來(lái)，由于現(xiàn)場(chǎng)總線的眾多優(yōu)點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線成為自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，從而在世界上出現(xiàn)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線。由于技術(shù)原因和商業(yè)利益，要想統(tǒng)一，尚須待以時(shí)日。這里僅介紹兩種。3.4.2開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型（略）3.4.3HART通信技術(shù)可尋址遠(yuǎn)程變送器數(shù)據(jù)高速公路通信協(xié)議，簡(jiǎn)稱“HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)”協(xié)議，最初是由美國(guó)Rosemount公司開(kāi)發(fā)，目的是在維持原有4~20mA模擬通信不變的前提下，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)儀表間的數(shù)字通信。該協(xié)議目前已向所有用戶開(kāi)放，世界上各大公司都支持和使用這一協(xié)議。HART協(xié)議使用了FSK技術(shù)，在4~20mA信號(hào)上疊加了一個(gè)頻率信號(hào)，成功地使模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的雙向通信在同一對(duì)導(dǎo)線上同時(shí)進(jìn)行，且不相互干擾。字信號(hào)的雙向通信在同一對(duì)導(dǎo)線上同時(shí)進(jìn)行，且不相互干擾。HART協(xié)議以O(shè)SI模型為參照，使用其中的1，2，7三層。

（1）物理層物理層規(guī)定HART通信采用標(biāo)準(zhǔn)的BELL202頻移鍵控（FSK）信號(hào)波特率1200bps

邏輯“1”1200Hz

邏輯“0”2200Hz如圖3-20所示。正弦信號(hào)的平均值為零，所以它對(duì)模擬信號(hào)沒(méi)有影響。

HART信號(hào)要被智能設(shè)備檢出，必須具有0.25V（峰—峰值）以上的電平，因此兩線制智能設(shè)備與電源之間至少要有250Ω以上的電阻，以免這一信號(hào)被電源的低阻抗所短路。（2）數(shù)據(jù)鏈路層HART采用異步串行通信，數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。每個(gè)字符由11位組成：lbit起始位，8bit數(shù)據(jù)位，1bit奇偶校驗(yàn)位，以及l(fā)bit停止位。不僅每個(gè)字節(jié)有奇偶校驗(yàn)，每個(gè)完整的HART數(shù)據(jù)幀用一個(gè)字節(jié)進(jìn)行縱向校驗(yàn)。HART數(shù)據(jù)幀格式如圖3-21所示。其中HART數(shù)據(jù)項(xiàng)長(zhǎng)短并不恒定，最多可包括25個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)形式可為無(wú)符號(hào)整型數(shù)、符點(diǎn)數(shù)或ASCII字符串。

（3）應(yīng)用層HART應(yīng)用層規(guī)定了HART命令，智能設(shè)備從這些命令中辨識(shí)對(duì)方信息的含義。①通用命令（UniversalCommands）對(duì)所有遵從HART協(xié)議的智能設(shè)備都適用。例如，讀制造廠名及產(chǎn)品型號(hào)，讀過(guò)程變量及單位等。②普通應(yīng)用命令（Common-PracticeCommands）對(duì)大多數(shù)智能設(shè)備都適用，但不要求完全一樣；適用于常用操作，如寫(xiě)時(shí)間常數(shù)、量程標(biāo)定。③專用命令（Device-SpecificCommands）是針對(duì)各種具體設(shè)備的特殊性而設(shè)立的，因而，它不要求統(tǒng)一。（4）HART通信協(xié)議的兩種通信模式①“問(wèn)答式”主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)出命令，從設(shè)備給予回答，每秒鐘可以變換兩次數(shù)據(jù)②

“成組模式”無(wú)需主設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求而從設(shè)備自動(dòng)地連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)，傳輸速率提高到每秒3.7次，但只適用于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的連接方式，而不適用于多站連接方式。HART協(xié)議是現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形。3.4.4基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（

FieldbusFoundation）FF的體系結(jié)構(gòu)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（1SO）的全開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSl）的七層參考模型協(xié)議，采用其中的第1、2和7層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層），再增加一層用戶層，如圖所示。1物理層（PL）物理層的任務(wù)是規(guī)定傳輸媒體種類和傳輸長(zhǎng)度、傳輸速度、與現(xiàn)場(chǎng)儀表連接技術(shù)和連接臺(tái)數(shù)、供電方式以及本質(zhì)安全隔離柵等問(wèn)題。FF提供兩種物理層（PL）標(biāo)準(zhǔn)：H1為用于過(guò)程控制的低速總線，速率為31.25kbps，傳輸介質(zhì)為雙絞線，傳輸距離為200m至1900m，總線供電，可支持本安設(shè)備（2～6臺(tái)），非本安設(shè)備（2～32臺(tái)）H2為制造自動(dòng)化高速總線，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纜和無(wú)線電、傳輸速率為1Mbps（750m）和2.5Mbps（500m）。每段可帶124個(gè)節(jié)點(diǎn)H1可以通過(guò)網(wǎng)橋和H2連接2數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）這一層的作用是對(duì)總線上傳輸數(shù)據(jù)的存取、控制方式和錯(cuò)誤鑒別進(jìn)行規(guī)定。FF對(duì)H1標(biāo)準(zhǔn)采用總線仲裁方式，對(duì)H2正在制訂。3應(yīng)用層（AL）主要是為設(shè)備間和網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)要求而服務(wù)的，包括發(fā)送變送器來(lái)的信息和操作員報(bào)文信息、事件通知、趨勢(shì)報(bào)告和發(fā)布上裝及下裝的命令。FF提供兩個(gè)子層：現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層（FAS）和現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文子層（FMS）。4用戶層（UL）將數(shù)據(jù)規(guī)格化成為特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，決定現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備內(nèi)部信息的存取及將這一信息傳送到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)或不同節(jié)點(diǎn)上其他設(shè)備中去的方式。其它現(xiàn)場(chǎng)總線還有很多，如PROFIBUS（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）、CAN（局域控制網(wǎng)絡(luò)）、LONWORKS（局部操作網(wǎng)絡(luò)）等，其參考模型及協(xié)議大同小異，各有特點(diǎn)，適用于不同行業(yè)和場(chǎng)合。3．5基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用層的功能是為使用開(kāi)放系統(tǒng)的不同類型“應(yīng)用”提供特定的通信服務(wù)。FF將來(lái)自過(guò)程控制領(lǐng)域的用戶需求模型化為用戶層，即定義功能塊模型結(jié)構(gòu)。3．5．1用戶應(yīng)用——功能塊用戶層的核心是功能塊。功能塊是數(shù)據(jù)采集、控制及輸出等應(yīng)用當(dāng)中通用功能的一般化模型。通過(guò)功能模塊及其參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)基本控制功能。（1）資源塊虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備VFD模塊化為一個(gè)個(gè)資源塊。資源塊表達(dá)了應(yīng)用進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件對(duì)象。1功能塊的基本概念一個(gè)功能塊的行為決定于其參數(shù)值。功能塊VFD包含三類塊。描述了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的特征，如設(shè)備名、制造者、系列號(hào)為了使資源塊表達(dá)這些特性，規(guī)定了一組參數(shù)一個(gè)設(shè)備中只有唯一的一個(gè)資源塊。功能塊提供控制系統(tǒng)功能，功能塊的輸入輸出參數(shù)可以跨越現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)連接由外部事件驅(qū)動(dòng)功能塊的執(zhí)行對(duì)輸入和輸出功能塊來(lái)說(shuō)，要把它們連接到變換塊，與設(shè)備的I/O硬件相互聯(lián)系每個(gè)功能塊的執(zhí)行受到準(zhǔn)確地調(diào)度（2）功能塊功能塊是參數(shù)，算法和事件的完整組成。

FF規(guī)定了如下表所示的一組標(biāo)準(zhǔn)功能塊。此外，還為先進(jìn)控制規(guī)定了19個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的附加功能塊。功能塊名稱功能塊符號(hào)功能塊名稱功能塊符號(hào)模擬量輸入AI離散輸出DO模擬量輸出AO手動(dòng)裝載ML偏置B比例微分PD控制選擇CS比例積分微分PID離散輸入DI比率系數(shù)RA表FF的基本標(biāo)準(zhǔn)功能塊（3）變換塊變換塊是傳感器與執(zhí)行器的模型，具有類似功能塊的描述結(jié)構(gòu)。

讀取傳感器硬件，并寫(xiě)入到相應(yīng)的要接受這一數(shù)據(jù)的硬件中它不含有運(yùn)用該數(shù)據(jù)的功能塊，這樣便于把讀取數(shù)據(jù)、寫(xiě)入的過(guò)程從制造商的專有物理I/O特性中分離出來(lái)含有量程數(shù)據(jù)、傳感器類型，線性化、I/O數(shù)據(jù)表示等信息。2功能塊參數(shù)一個(gè)功能塊參數(shù)可分為三類：輸入?yún)?shù)，輸出參數(shù)及內(nèi)含參數(shù)。內(nèi)含參數(shù)只能夠根據(jù)要求，采用讀（Read）或?qū)懀╓rite）申請(qǐng)來(lái)對(duì)其訪問(wèn)，訪問(wèn)可根據(jù)FMS索引號(hào)來(lái)進(jìn)行功能塊參數(shù)具有連續(xù)的索引號(hào)，其數(shù)據(jù)類型可以是FF定義的任意數(shù)據(jù)類型。資源塊與變換塊只具有內(nèi)含參數(shù)。功能塊參數(shù)又可劃分為動(dòng)態(tài)參數(shù)與靜態(tài)參數(shù)。輸入、輸出參數(shù)及一部分內(nèi)含參數(shù)是由參數(shù)數(shù)值（VALUE）及參數(shù)狀態(tài)（STATUS）兩部分組成的記錄描述。

（1）塊模式所有的塊都有“塊模式（BlockMode）”參數(shù)，用來(lái)記錄功能塊的狀態(tài)，記做MODE-BLK，它是由如下四個(gè)部分組成的一個(gè)記錄。目標(biāo)模式（Target）：記錄操作者希望本模塊進(jìn)入的工作模式，該元素可讀寫(xiě)。實(shí)際模式（Actual）：指示該塊實(shí)際所處的工作模式，該元素只讀。當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，實(shí)際模式與目標(biāo)模式相同。允許模式（Permitted）：其顯示該功能塊所允許的目標(biāo)模式，可讀寫(xiě)。正常模式（Normal）：該域提醒操作者，本模塊在正常條件下的預(yù)期運(yùn)行模式，可讀寫(xiě)。具體可選的運(yùn)行模式包括：O/S（OutofService）模式，塊不做任何事情，僅僅設(shè)置參數(shù)狀態(tài)為BAD

MAN（Manual）模式，功能塊的執(zhí)行不影響其輸出AUTO（Automatic）模式，該塊的執(zhí)行獨(dú)立于其上游的功能塊CAS（Cascade）模式下，功能塊接收來(lái)自上游功能塊的設(shè)定值（2）定標(biāo)參數(shù)一些功能塊需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)尺變換，將工程單位數(shù)據(jù)換算為0~100％之間的規(guī)范化數(shù)據(jù)。標(biāo)尺變換參數(shù)是由四個(gè)參數(shù)組成的一個(gè)記錄：EU@100％（100％對(duì)應(yīng)的工程單位數(shù)值）EU@0％（0對(duì)應(yīng)的工程單位數(shù)值）UnitCodo(工程單位碼)，包括MPa，kg/s，inchs等PointPosition（小數(shù)點(diǎn)位置）（3）觀測(cè)對(duì)象基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線采用FMS定義變量表服務(wù)，將功能塊參數(shù)集進(jìn)行預(yù)先分組定義，形成“觀測(cè)對(duì)象”，在觀測(cè)對(duì)象中定義的塊參數(shù)分成四類，即動(dòng)態(tài)操作參數(shù)（VIEW-1）靜態(tài)（組態(tài)）操作參數(shù)（VIEW-2）完全動(dòng)態(tài)參數(shù)（VIEW-3）其他靜態(tài)參數(shù)（VIEW-4）（指對(duì)于組態(tài)與維護(hù)目的可能有用的靜態(tài)參數(shù)列表，此表比VIEW-2對(duì)象大，可能包括、也可能不包括所有的靜態(tài)參數(shù)）使一組塊參數(shù)的屬性值可被一次性地訪問(wèn)，它主要用于獲取運(yùn)行、診斷、組態(tài)的信息。（2）功能塊調(diào)度LAS定周期發(fā)布鏈路調(diào)度時(shí)間，協(xié)調(diào)FF上各個(gè)功能塊的執(zhí)行及通信。3功能塊的鏈接與調(diào)度（1）功能塊鏈接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的功能塊互連構(gòu)成測(cè)量與控制應(yīng)用。一個(gè)典型的PID控制回路由AI，AO以及PID三個(gè)功能塊組成，如圖3-32所示。

4常用功能塊（1）模擬輸入（AI）塊①

AI內(nèi)部算法根據(jù)通道參數(shù)，選擇接收變換塊相關(guān)通道測(cè)量到的數(shù)據(jù)，并做諸如單位或量程變換、平方根計(jì)算、低通濾波等輸入處理，其內(nèi)部算法結(jié)構(gòu)如圖3-34。②

AI的工作模式AI模塊的工作模式為O/S，MAN及AUTO。

（2）模擬輸出（AO）塊是閥門定位器之類輸出設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化模型。①AO的結(jié)構(gòu)輸入端接收來(lái)自控制模塊的輸出值，同時(shí)將當(dāng)前實(shí)際閥位輸出值通過(guò)反向計(jì)算輸出端子反饋給前級(jí)控制模塊。如圖3-35所示。②

AO的工作模式AO塊的運(yùn)行模式包括O/S，MAN，LO（LocalOver-ride），AUTO，CAS，RCAS（Remotecas-cade）以及ROUT（Remoteoutput）。其中，為將AO塊引導(dǎo)到CAS模式，一定要將MODE-BLK．Target設(shè)定為CAS。

（3）PID功能塊①

PID的結(jié)構(gòu)過(guò)程測(cè)量值來(lái)自于IN參數(shù)，而其控制輸出為OUT參數(shù)。同時(shí)，還有其它一些輸入/輸出參數(shù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制策略，如串級(jí)控制等，如圖3-36所示。②

PID的工作模式包括O/S，MAN，IMAN，LO，AUTO，CAS，RCAS以及ROUT。③

PID內(nèi)部算法基本PID，增強(qiáng)型PID（EPID），先進(jìn)PID（APID）等控制功能塊。EPID相對(duì)基本PID主要增添了四種類型的手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換模式。而諸如采樣PI算法、微分先行/比例先行PID、自適應(yīng)增益、抗積分飽和算法、非線性P1D控制等先進(jìn)算法均安排在APID功能塊中實(shí)現(xiàn)。3.5.2系統(tǒng)管理

FF采用管理員-代理者模式，每個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)管理內(nèi)核（SMK）承擔(dān)代理者的角色，對(duì)來(lái)自系統(tǒng)管理者的指示做出響應(yīng)。1設(shè)備管理FF設(shè)備可采用設(shè)備標(biāo)識(shí)（ID），物理設(shè)備（PD）位號(hào)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址等三種標(biāo)識(shí)符之一進(jìn)行識(shí)別。2功能塊管理功能塊算法必須在規(guī)定的時(shí)刻啟動(dòng)執(zhí)行，系統(tǒng)管理代理存儲(chǔ)有功能塊調(diào)度信息，會(huì)在規(guī)定的時(shí)刻啟動(dòng)功能塊的執(zhí)行。3應(yīng)用時(shí)間管理現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用從時(shí)間角度上需要進(jìn)行同步。在系統(tǒng)中的所有系統(tǒng)管理代理內(nèi)部都持有應(yīng)用時(shí)間（或稱做“系統(tǒng)時(shí)間”），用于記錄事件發(fā)生的時(shí)刻。應(yīng)用時(shí)鐘通常被設(shè)置成等于本地當(dāng)日時(shí)間，系統(tǒng)管理者有一個(gè)時(shí)間發(fā)布器，它向所有現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備周期性地發(fā)布應(yīng)用時(shí)鐘同步信息。鏈路調(diào)度時(shí)間（又稱做“網(wǎng)絡(luò)時(shí)間”）是數(shù)據(jù)鏈路層中的本地時(shí)間，用于通信及功能塊的執(zhí)行。數(shù)據(jù)鏈路調(diào)度時(shí)間與應(yīng)用時(shí)鐘信息一起被采樣、發(fā)送，以使接收設(shè)備可以調(diào)整其本地時(shí)鐘。3.5.3設(shè)備信息文件人機(jī)界面、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組態(tài)與維護(hù)等需要更多有關(guān)設(shè)備的信息，F(xiàn)F將許多文件格式標(biāo)準(zhǔn)化，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備所要求的可相互操作性，并有助于工程技術(shù)人員的理解。用標(biāo)準(zhǔn)化的“設(shè)備描述語(yǔ)言（DDL）”來(lái)描述設(shè)備功能及設(shè)備VFD（遠(yuǎn)程觀測(cè)本地設(shè)備數(shù)據(jù)）等采用PC的“編譯器”軟件對(duì)源文件進(jìn)行“編譯”DD目標(biāo)文件擴(kuò)展名為“．Fro”的二進(jìn)制格式文件擴(kuò)展名為“．sym”的符號(hào)列表文件1設(shè)備描述（DD，DeviceDescriptions）與設(shè)備描述語(yǔ)言（DDL）2功能文件采用離線方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時(shí)，要借助于設(shè)備的功能文件（CapabilityFile）其相應(yīng)的擴(kuò)展名為“．cff”。功能文件（相當(dāng)于“軟設(shè)備”）提供了設(shè)備有關(guān)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理、功能塊應(yīng)用等方面的功能性描述信息，其中一部分信息已駐留在設(shè)備內(nèi)部。3設(shè)備信息文件的安裝FF要求所有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的設(shè)備都可以用兩種類型的文件來(lái)描述其功能：設(shè)備描述和功能文件。一個(gè)真正的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)只需要這兩類文件就可以完全對(duì)FF設(shè)備進(jìn)行組態(tài)和訪問(wèn)。一般設(shè)備描述文件和功能文件按照規(guī)定目錄結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。

3.5.4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)特定的應(yīng)用需求，結(jié)合不同現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)，選擇合適的總線標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)造FCS。1總線連接與設(shè)備選擇依據(jù)每一設(shè)備具有的唯一物理設(shè)備位號(hào)以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址來(lái)加以區(qū)分，并可以用樹(shù)型、總線型、菊花鏈型，以及點(diǎn)到點(diǎn)連接等不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)接入總線網(wǎng)絡(luò)中。究竟在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上，添置多少設(shè)備才合適呢?從經(jīng)濟(jì)角度看，12個(gè)設(shè)備足以使初始成本降低。如果是一個(gè)技改項(xiàng)目，用來(lái)取代4～20mA的話，一般4個(gè)或5個(gè)設(shè)備經(jīng)濟(jì)上就是合算的。（1）從通信規(guī)范角度看為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)接線設(shè)計(jì)，物理層—般將一個(gè)總線段上的設(shè)備數(shù)量限制在2~32個(gè)之間。而數(shù)據(jù)鏈路層節(jié)點(diǎn)地址占用一個(gè)字節(jié)，除掉其中一些為特殊需要保留的地址空間外，實(shí)際用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的有效地址區(qū)間大小是232。顯然，該數(shù)值已足夠大而不必加以考慮。

（2）總線供電條件下，電源的功率電源所能提供電流要大于總線上所有設(shè)備平均消耗電流的總量。而在安全防爆條件下，危險(xiǎn)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的總量決定于安全防爆柵所能夠提供的總能量。

（3）從功能塊應(yīng)用角度來(lái)看在總線設(shè)備接線上，最好將相互關(guān)聯(lián)的功能塊放置在同一網(wǎng)段內(nèi)，以避免功能塊跨越網(wǎng)橋連接。因?yàn)椴煌O(shè)備上的功能塊連接需要調(diào)用總線上的通信服務(wù)。對(duì)于通信負(fù)荷的一個(gè)粗略而保守的估計(jì)算法如下。設(shè)不同設(shè)備上功能塊之間的連接數(shù)量（即發(fā)布者的數(shù)量）為Np，控制塊外加輸出塊（即用于人機(jī)界面控制顯示的通信）數(shù)量為Nc，則通信負(fù)荷為：

TLOAD=（NP十Nc）×50ms如果TLOAD超過(guò)控制周期（宏周期）的80％，則組態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性較大，最好從總線上減少一些設(shè)備。

（4）從控制風(fēng)險(xiǎn)角度來(lái)看在同一網(wǎng)段上控制回路的數(shù)量要嚴(yán)格加以限制，即通過(guò)分散控制回路來(lái)達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)分散的目的，有效避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。2設(shè)備組態(tài)及控制策略的生成（1）設(shè)備組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上連接的設(shè)備確定下來(lái)之后，就要根據(jù)控制策略，在設(shè)備內(nèi)添加合適的功能塊，并設(shè)定必要的功能塊參數(shù)；同時(shí)，還需將相關(guān)功能塊的輸入、輸出采用“圖形化”語(yǔ)言進(jìn)行功能塊連接，即進(jìn)行控制回路的連接。上述過(guò)程屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組態(tài)。（2）控制策略的生成在FCS控制系統(tǒng)內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制策略，涉及到PID控制功能塊的工作模式。如圖3-37所示。

在正常條件下，主系統(tǒng)中的PID塊可以被組態(tài)成主系統(tǒng)中復(fù)雜控制策略的一部分，實(shí)施實(shí)際控制運(yùn)算，并以遠(yuǎn)程輸出模式（RemoteOutputMode）將控制量①

DDC工作方式MV發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PID功能塊中的遠(yuǎn)程控制量輸入端子（Rout．in）實(shí)施上位機(jī)的DDC控制。當(dāng)主系統(tǒng)發(fā)生故障或通信失敗時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的PID塊接手承擔(dān)控制運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果直接輸出，從而控制過(guò)程不會(huì)中斷。當(dāng)故障恢復(fù)后，重新回到遠(yuǎn)程輸出模式。這里，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的PID塊起著后退備用方式。②SPC工作方式當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的PID塊工作于遠(yuǎn)程串級(jí)控制模式（RemoteCascadeMode）時(shí)，其設(shè)定值來(lái)自于上位PID塊的輸出，屬于SPC工作方式。3．6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

以Smar公司的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)System302為例，介紹FCS的典型結(jié)構(gòu)。

3.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)System302的組成

操作站四通道現(xiàn)場(chǎng)總線PC接口卡（或網(wǎng)橋）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖3-38所示。

1操作站工業(yè)或商用PC機(jī)

2鏈接設(shè)備（1）PCI卡①硬件結(jié)構(gòu)是一塊插在PC機(jī)上的16位ISA卡，每塊PCI卡擁有4個(gè)獨(dú)立的H1通道。PCI卡的主要功能是快速處理和訪問(wèn)連接現(xiàn)場(chǎng)儀表的多個(gè)通道上的數(shù)據(jù)，完成現(xiàn)場(chǎng)儀表與操作站之間的數(shù)據(jù)通訊任務(wù)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3-39所示。

PCI卡采用32位的RISCCPU處理所有的通信與控制任務(wù)，通過(guò)雙端口（DP）RAM（16bit，256KB數(shù)據(jù)內(nèi)存），可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)CPU與PCI卡之間的高效數(shù)據(jù)通信。PCI卡內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與對(duì)象存儲(chǔ)在512KB的非易失性32位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)，即NVRAM中。PCI卡程序保存在1MB的32位Flash程序存儲(chǔ)器中，便于軟件升級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器Modem0~3采用Smar公司的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議芯片F(xiàn)B3050，遵從ISA-SP50現(xiàn)場(chǎng)總線物理層規(guī)范，實(shí)現(xiàn)1．25Kb/s波特率的串行數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線通信介質(zhì)連接線路MAU0~3，實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換與隔離，根據(jù)ISA-SP50現(xiàn)場(chǎng)總線物理層規(guī)范，將來(lái)自MODEM的數(shù)字信號(hào)（0V或5V）調(diào)整到現(xiàn)場(chǎng)總線上。在系統(tǒng)操作站（工業(yè)PC機(jī)）總線插槽上，最多可插人8塊PCI卡，驅(qū)動(dòng)32個(gè)FFHl通道。在安全防爆條件下，每個(gè)通道可連接4個(gè)安全柵SB302，每個(gè)安全柵下可掛接4臺(tái)Smar302系列現(xiàn)場(chǎng)儀表。這時(shí)，每臺(tái)302系列儀表的工作電流約為15mA。②

軟件基于PCI卡的System302的軟件分層結(jié)構(gòu)如圖3-40所示。

最上層為人機(jī)界面（HMI），運(yùn)行于PC機(jī)上的用戶程序（包括組態(tài)、監(jiān)控、系統(tǒng)分析等）特定服務(wù)器（PCIOLEServer）HMI與PCI卡的接口。PCIOLESorver是基于客戶／服務(wù)器型體系結(jié)構(gòu)的適用于WindowsNT的32位版本服務(wù)器，遵從OPC規(guī)范。這里，OPC（OLEforProcessControl）是指用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接與嵌入（OLE）技術(shù)，它是對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展，是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)與過(guò)程管理級(jí)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)開(kāi)放性的關(guān)鍵技術(shù)。OPC取代了傳統(tǒng)的“I/O驅(qū)動(dòng)程序”，它一方面實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)供應(yīng)方（包括硬件和軟件，如下層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，另一方面，將來(lái)自數(shù)據(jù)供應(yīng)方的數(shù)據(jù)通過(guò)一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE接口提供給數(shù)據(jù)調(diào)用方（如上層客戶應(yīng)用程序），數(shù)據(jù)調(diào)用方充當(dāng)OPC客戶的角色。

PCI卡上每一通道都包含物理層與部分的數(shù)據(jù)鏈路層。

（2）通用網(wǎng)橋Smar公司推出的現(xiàn)場(chǎng)總線通用網(wǎng)橋（FieldhusUniversalBridge）DFI302。該設(shè)備將PCI卡與PC機(jī)通過(guò)PC總線進(jìn)行并行通信改為借助以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議與PC機(jī)進(jìn)行串行通信的方式，使系統(tǒng)構(gòu)成具有更大的靈活性與通用性，