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1、现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用第第3 3讲讲2023/5/301第第3章章 几种流行的现场总线几种流行的现场总线3.1基金会现场总线基金会现场总线3.2Profibus现场总线现场总线3.3LonWorks3.4CAN总线总线3.5小节小节2023/5/3023.1 基金会现场总线基金会现场总线3.1.1基金会现场总线概述基金会现场总线概述3.1.2基金会现场总线通信系统的构成基金会现场总线通信系统的构成3.1.3基金会现场总线网络拓扑基金会现场总线网络拓扑3.1.4基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型3.1.5基金会现场总线的功能块基
2、金会现场总线的功能块3.1.6基金会现场总线通信控制器基金会现场总线通信控制器FB30503.1.7基金会现场总线的组态基金会现场总线的组态3.1.8一致性与互操作性测试一致性与互操作性测试3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例基金会现场总线的应用设计与实例2023/5/3033.1.1基金会现场总线概述基金会现场总线概述lFF发展的简单回顾发展的简单回顾lFF的技术特点的技术特点2023/5/304FF基金会和FF总线协议的起源l在工业自动化领域，ISP北美分会和World FIP合并成立了现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）ISP 包括Fisher-Rosemou
3、nt，Smar，E+H，Siemens，Yokogawa等100多家，以德国标准PROFIBUS为基础制定现场总线。World FIP 包括Honeywell，Allen-Bradley，Elsag Bailey等120多家，以法国标准FIP（Factory Instrumentation Protocol）为基础制定现场总线。FF基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备和DCS制造厂商，研究机构和最终用户。现有基金会成员120余家，以及诸多最终用户组成的顾问委员会。FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总线标准。2023/5/305FF标准系列标准系列l用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之
4、间的联接用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接的的H1（31.25K）l用于高速，制造业自动化或者车间自动化的以快速以太网用于高速，制造业自动化或者车间自动化的以快速以太网为基础的为基础的FF-HSE2023/5/306FF的技术特点的技术特点 l适用于过程自动化的低速部分适用于过程自动化的低速部分FF-H1支持总线供电支持本质安全令牌总线访问机制内容广泛的用户层l基于以太网的高速部分基于以太网的高速部分HSE支持H1可实现冗余支持标准的基本功能模块2023/5/3073.1.2 3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成基金会现场总线通信系统的构成基金会现场总线通信系统的构成基金会
5、现场总线通信系统的构成2023/5/308通信系统的主要构成部分通信系统的主要构成部分l功能块应用进程功能块应用进程l对象字典（对象字典（OD）和设备描述（）和设备描述（DD）l网络通信网络通信l网络管理网络管理l系统管理系统管理2023/5/3092023/5/30102023/5/3011网络管理者与网络管理代理网络管理者与网络管理代理网络管理负责以下工作：网络管理负责以下工作：下载虚拟通信关系表下载虚拟通信关系表VCRL或表中某个单一条目；或表中某个单一条目；对通信栈组态；对通信栈组态；下载链路活动调度表下载链路活动调度表LAS；运行性能监视；运行性能监视；差错判断监视。差错判断监视。系
6、统管理和网络管理系统管理和网络管理2023/5/3012NMA是一个设备应用进程，它由一个是一个设备应用进程，它由一个FMSVFD模型表示。在模型表示。在NMAVFD中的对象是关中的对象是关于通信栈整体或各层管理实体于通信栈整体或各层管理实体(LME)的信息。这些网络管理对象集合在网络管理信息库的信息。这些网络管理对象集合在网络管理信息库(NMIB)中，可由中，可由NMgr使用一些使用一些FMS服务，通过与服务，通过与NMA建立建立VCR进行访问。进行访问。网络管理者、被管理对象、网络管理代理网络管理者、被管理对象、网络管理代理之间的相互作用关系、之间的相互作用关系、系统管理和网络管理系统管理
7、和网络管理2023/5/3013（4 4）通信实体）通信实体通信实体包含自物理层、数据链路层、现场总线访问子层和现场总线信息规范层直通信实体包含自物理层、数据链路层、现场总线访问子层和现场总线信息规范层直至用户层。至用户层。设备的通信实体由各层的协议和网络管理代理共同组成，通信栈是其中的核心。设备的通信实体由各层的协议和网络管理代理共同组成，通信栈是其中的核心。层层管管理理实实体体LMEs提提供供对对一一层层协协议议的的管管理理能能力力，它它向向网网络络管管理理代代理理提提供供对对协协议议被被管管理对象的本地接口。理对象的本地接口。PH-SAP为为物物理理层层服服务务访访问问点点；DL-SAP
8、为为数数据据链链路路服服务务访访问问点点；DL-CEP为为数数据据链链路连接端点。它们是构成层间虚拟通信关系的接口端点。路连接端点。它们是构成层间虚拟通信关系的接口端点。层协议的基本目标是提供虚拟通信关系。层协议的基本目标是提供虚拟通信关系。FMS提供提供VCR应用报文服务，如变量读、写。不过，有些设备可以不用应用报文服务，如变量读、写。不过，有些设备可以不用FMS，而直，而直接访问接访问FAS。系统管理和网络管理系统管理和网络管理2023/5/3014现场总线通信实体示意图现场总线通信实体示意图 系统管理和网络管理系统管理和网络管理2023/5/3015系系统统管管理理内内核核除除采采用用F
9、MS服服务务外外，还还可可在在经经过过系系统统管管理理内内核核协协议议直直接接访访问问数数据链路层。据链路层。FAS对对FMS和和应应用用进进程程提提供供VCR报报文文传传送送服服务务，把把这这些些服服务务映映射射到到数数据据链链路路层层。FAS提提供供VCR端端点点对对数数据据链链路路层层的的访访问问，为为运运用用数数据据链链路路层层提提供供了了一一种种辅辅助方式。在助方式。在FAS中还规定了中还规定了VCR端点的数据联络能力。端点的数据联络能力。数数据据链链路路层层为为系系统统管管理理内内核核协协议议和和总总线线访访问问子子层层访访问问总总线线媒媒体体提提供供服服务务。访访问通过链路活动调
10、度器进行，访问可以是周期性的，也可是非周期的。问通过链路活动调度器进行，访问可以是周期性的，也可是非周期的。数数据据链链路路层层的的操操作作被被分分成成两两层层，一一层层提提供供对对总总线线的的访访问问，一一层层用用于于控控制制数数据据链路用户之间的数据传输。链路用户之间的数据传输。系统管理和网络管理系统管理和网络管理2023/5/3016l物理层是传输数据信号的物理媒体与现场设备之间的接口。它为数据链路层提供了独立于物理媒体种类的接收与发送能力。l物理层由媒体连接单元、媒体相关子层、媒体无关子层组成。各层协议、各层管理实体和网络管理代理所组成的通信实体协同工作，共同承担网络通信任务。系统管理
11、和网络管理系统管理和网络管理2023/5/30173.1.3 基金会现场总线网络拓扑基金会现场总线网络拓扑1.单网段拓扑 2.桥接网络拓扑PID（链路主设备）模拟量输入（基本设备）模拟量输出（基本设备）单网段拓扑图单网段拓扑图2023/5/3018LAS每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS,它的功能是：认知新设备，并将新设备加入到链路中去；从链路中除去没有响应的设备；在链路上发布数据链路时间和调度时间；在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备；在调度时间之间，发送优先级驱动的令牌给某设备。2023/5/3019网桥的功能l转发（Forwarding）置于转发表中，按
12、优先级排队l重发（Republishing）置于重发表中，缓冲型重发以转发代替，以支持非调度式的传输l数据链路时间重分布l应用时钟时间重分布DLL系统管理2023/5/30203.1.4 基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型2023/5/3021lFAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式；lFMS的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据；lFMS和FAS的任务是完成一个应用进程到另一个应用进程的描述，实现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。2023/5/3022如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备
13、，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层（FMS）处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息；然后依次送往现场总线访问子层（FAS）和数据链路层（DLL）；用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为CRC校验码）后，送往物理层将数据打包；信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。2023/5/3023现场总线协议数据的生成现场总线协议数据的生成2023/5/30243.1.4.1 物理层物理层l低速现场总线H131.25Kbpsl高速现场总线H2l采用
14、曼彻斯特编码l3种传输介质：双绞线、光纤和射频lH1标准下，使用双绞线，现场设备供电方式可以是总线供电，也可以是自供电2023/5/3025FF协议物理层H1标准l低速总线H1已完成标准制定(IEC1158-2)l用于过程自动化l直流电压供电范围为9-32VDCl不考虑本安时一条总线上可以连接32台仪表l两线制传输，最远传输距离1900米l最多可以加四个中继器l拓扑结构：总线型或树型2023/5/3026FFFF总线拓扑结构总线拓扑结构2023/5/3027H1H1H1H1总线网段的主要特性参数总线网段的主要特性参数总线网段的主要特性参数总线网段的主要特性参数 传输速率传输速率31.25Kbp
15、s31.25Kbps31.25Kbps信号类型信号类型电压电压电压电压电压电压拓扑结构拓扑结构总线总线/菊花链菊花链/树型树型总线总线/菊花链菊花链/树型树型总线总线/菊花链菊花链/树型树型通信距离通信距离1900m1900m1900m分支长度分支长度120m120m120m供电方式供电方式非总线供电非总线供电总线供电总线供电总线供电总线供电本质安全本质安全不支持不支持不支持不支持支持支持设备数段设备数段232112262023/5/3028图图3-6FF总线的网络拓扑结构总线的网络拓扑结构2023/5/30293.1.4.2数据链路层数据链路层l数据链路层DLL(Data Link Laye
16、r)DLL低层（介质访问）功能：l基本设备BD(Basic Device)不能主动发起通信，只能接收查询；l链路主设备LMD(Link Master Device)在得到令牌时可以发起一次通信；l链路活动调度器LAS(Link Active Scheduler)发起周期和非周期通信。DLL高层（数据传输）功能：l无连接数据传输；发布/索取数据定向连接传输；请求/响应数据定向连接传输。2023/5/3030FFFF协议数据链路层协议数据链路层lFF通信采用多主站令牌传递的主从结构l现场总线设备包括Basic Device和Link Master Device和特殊设备网桥l每一个网络段上存在唯一
17、的特殊主设备LAS(Link Active Scheduler)，即链路活动调度器l总线上所有设备发送数据必须得到LAS许可l数据的存取分调度传输(Schedule transfer)和非调度传输(Unscheduled transfer)2023/5/3031链路活动调度器链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许
18、可，才能向总线上传输数据。因此的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。是总线的通信活动中心。现场总线仪表与现场总线仪表与LAS LAS 2023/5/3032基金会现场总线设备的类型基金会现场总线设备的类型网关LM基本设备基本设备BD基本设备基本设备BD基本设备基本设备BD现场总线现场总线(i)现场总线现场总线FF-HSE网桥基本设备基本设备BD基本设备基本设备BD现场总线现场总线(i+2)例如：例如：31.25kbpsLM =链路主设备链路主设备LAS=现行的链路活动调度器现行的链路活动调度器LAS=备份的链路活动调度器备份的链路活动调度器BD =基本设备基本设备LAS
19、LASLAS2023/5/3033l数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问(数据链路数据链路层低层功能层低层功能)；另一个是在数据链路使用者之间控制数据传输；另一个是在数据链路使用者之间控制数据传输(数数据链路层高层功能据链路层高层功能)。lFF提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方式。无连接方式用于支持报告分发式。无连接方式用于支持报告分发VCR；一种面向连接方式用于；一种面向连接方式用于支持发布支持发布/订阅订阅VCR，另一种面向连接方式用于支持客户，另一种面向连
20、接方式用于支持客户/服务器服务器VCR。2023/5/3034总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS，它具备链路活动调度能力，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。对没有链路活动调度能力的设备来说，其数据链路层要对来自总线的链路数据做出响应，控制本设备对总线的活动。此外在DLL层还要对所传输的信息实行帧校验。2023/5/3035基金会现场总线的通信活动被归纳为两类：受调度通信与非调度通
21、信。由链路活动调度器按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动，称为受调度通信。链路活动调度器内有一个预定调度时间表。一旦到了某个设备要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据(CD，compel data)给这个设备。基本设备收到这个强制数据信息，就可以向总线上发送它的信息。受调度通信一般用于在设备间周期性地传送控制数据。如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式称为非调度通信。由此可以看到，FF通信采用的是令牌总线工作方式。2023/5/3036链路活动调度算法链路活动调度算法CD=强制数据强制数据PN=节点探测包
22、节点探测包TD=时间分配包时间分配包PT=传输令牌传输令牌在发布下在发布下 一个一个CD之前有时间之前有时间做其他工作否做其他工作否否否发布发布PN,TD 或者或者 PT等等在发布在发布CD之前之前 等待等待等待期间发等待期间发布空闲报文布空闲报文发布周期性发布周期性CD等待事务完成等待事务完成是是2023/5/3037FFFF协议应用层协议应用层l上层是应用服务(Application Layer Services),由FMS(Fieldbus Messaging Specification)定义，并为用户层提供服务l下层是现场总线访问子层FAS(Fieldbus Access Sublay
23、er)，定义与数据链路层连接接口2023/5/3038lFAS属于应用层的一部分，处于属于应用层的一部分，处于FMS与与DLL之间，它利用数之间，它利用数据链路层的调度通信和非调度通信作用，可为据链路层的调度通信和非调度通信作用，可为FMS和应用和应用进程进程(AP)提供提供VCR的报文传递服务。的报文传递服务。lFAS内部可分为三个层次，表现为三个协议机：内部可分为三个层次，表现为三个协议机：FAS服务协服务协议机议机(FSPM)、应用关系协议机、应用关系协议机(ARPM)、数据链路层映射协、数据链路层映射协议机议机(DMPM)3.1.4.33.1.4.33.1.4.3现场总线访问子层现场总
24、线访问子层现场总线访问子层现场总线访问子层现场总线访问子层现场总线访问子层2023/5/3039虚拟通信关系VCRlVCR：预先组态好的通信信道lFF定义了以下三种VCRPublisher/Subscriber（发布者/预订者模式），用于实现缓冲型的一对多通信。Report Distribution（报文/分发模式），排队式、非周期的一对多通信。Client/Server（客户机/服务器模式），一对一的、排队式的、非周期通信。2023/5/3040Publisher/Subscriber&Report DistributionlP/S（发布/预订模式）发布者向总线上广播它的信息，希望收到这一发
25、行消息的设备称为预订者。缓冲工作方式是指只有最近发行的数据保留在网络缓冲器中，新的数据会完全覆盖先前的数据。lRD（报告分发模式）设备把它的报文分发给预设置的一组地址。这种VCR主要用于报警和趋势数据的传送。按照不同的报文类型进行排队。2023/5/3041Client/Server（客户/服务器模式）l一个设备对另一个设备发送请求，请求者称为客户，响应这一请求称为服务器l数据通信按优先权排队l利用周期性通信的时间片间隔，不能保证实时性l通信出错后，调用再发程序2023/5/30423.1.4.4现场总线报文规范子层l现场总线报文规范FMS(Fieldbus Messaging Specifi
26、cation)FMS规定了访问应用进程AP(Application Process)的报文格式及服务FMS与对象字典OD(Object Diction-ary)配合，为现场总线规定了功能接口FMS通过调用VCR，在现场设备之间传递报文2023/5/3043lFMS子层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、子层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等，提供了一组服务和标准的报文格式，用户可行为状态等，提供了一组服务和标准的报文格式，用户可采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过FMS服服务访问功能块应用进程对象以及它们的对象描述。务
27、访问功能块应用进程对象以及它们的对象描述。lFMS子层由七个模块组成：虚拟现场设备子层由七个模块组成：虚拟现场设备(VFD)、对象字典、对象字典管理、通信关系管理、域管理、程序调用管理、变量访问管理、通信关系管理、域管理、程序调用管理、变量访问和时间管理。和时间管理。l基金会现场总线报文规范采用抽象语法记法基金会现场总线报文规范采用抽象语法记法1(ASN.1)。2023/5/3044FF协议用户层l功能块应用过程l设备描述(Device Description)l对象字典（Object Dictionary)2023/5/3045设备描述设备描述DDDD与设备描述语言与设备描述语言DDLDDL
28、l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。l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。l设备描述语言是一种进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述器，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。l现场总线基金会把基金会的标准DD和经基金会注册过的制造商附加DD写成CD-ROM，提供给用户。2023/5/3046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，使其公共特性标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制
29、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。每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功能块及其相互连接，集成为功能块应用。3.1.5 3.1.5 基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块2023/5/3047一般每个功能块相当于把几个专有语言功能块的功能装在一个模块中。真正使这些功能块变得强有力的是它的握手(handshake)能力，以及使状态信息与数值信息一起从一个功能块传到另一功能块的能力。由于功能块的行为
30、是标准化的，所以这些功能可以跨越几个不同制造商的设备来完成。功能块还包含使用这些状态信息的标准停车连锁和串级初始化机制。这就意味着不需要对使用不同语言的附加逻辑进行组态，便可实现这些及许多其他的功能。工厂不仅仅是从单独的功能块的能力中获得好处，更重要的是从能把这些模块链接起来的标准化互操作性的结合能力中获得好处。2023/5/3048lFF协议将仪表的功能以功能块、资源块、变送器块等标准结构定义lFF定义了29个标准的“功能块”(Function BlockFB)l基本功能块10个l先进功能块7个l计算功能块7个l辅助功能块5个l设备描述语言DDL和对象字典OD，解决功能块模型的标准化和互操作
31、性问题2023/5/3049功能块类型功能块类型2023/5/3050典型功能块应用过程典型PID控制功能块应用过程图2023/5/3051 模块有功能快、转换快、资源块三种，功能块编程语言是基金会现场总线(FF)的一个有机部分，是针对调节控制和过程监测建立策略的理想工具。（1）资源块 资源块描述现场总线的设备特征，表达了现场设备的本地硬件对象及其相关运行参数，如设备类型、设备版本、制造商等。2023/5/3052资源块部分参数表 2023/5/3053（2 2）转换块）转换块描述了现场设备的描述了现场设备的I/O特性，如传感器和执行器的特性。变换块的参数都是内含的。特性，如传感器和执行器的特
32、性。变换块的参数都是内含的。7类类标标准准的的转转换换块块：带带标标定定的的标标准准压压力力变变换换块块、带带标标定定的的标标准准温温度度变变换换块块、带带标标定定的的标标准准液液位位变变换换块块、带带标标定定的的标标准准流流量量变变换换块块、标标准准的的基基本本阀阀门门定定位位块块、标标准准的的先先进阀门定位块、标准的离散阀门定位块。进阀门定位块、标准的离散阀门定位块。（3 3）功能块）功能块是是参参数数、算算法法和和事事件件的的完完整整组组合合。通通过过对对功功能能块块的的连连接接和和组组态态，构构成成控控制制回回路路，实现控制策略，完成自动化系统的任务。实现控制策略，完成自动化系统的任务
33、。10个标准基本功能块：模拟量输入（个标准基本功能块：模拟量输入（AI）、离散输入（）、离散输入（DI）；输出块：模拟量输）；输出块：模拟量输出（出（AO）、离散输出（）、离散输出（DO）；控制块：手动装载）；控制块：手动装载(ML)、控制选择（、控制选择（CS）、偏置）、偏置（BG）、比例积分（）、比例积分（PD）、比例积分微分（）、比例积分微分（PID）、比率系数（）、比率系数（RA）。）。2.3.3 2.3.3 基金会现场总线的编程语言基金会现场总线的编程语言 2023/5/3054从输出参数到输入参数，功能块彼此链接。链路中既包括参数数值，又包括参数状态。一个输出参数可以链接到任何数目
34、的输入。不同设备间功能块的链接通过网络通信实现。同一设备上功能块的链接不需通过总线进行通信，因而会立刻完成并且不占用网络带宽。资源块和转换块不是控制策略的一部分，它们所有的参数都是内含参数，不可以进行链接。输入参数也可以链接到另一个输入参数，但仅局限于同一个设备内。功能块链接功能块链接2023/5/3055功能块链接功能块链接2023/5/30563.1.5.23.1.5.2功能块应用进程功能块应用进程功功能能块块应应用用进进程程(FBAP)是是位位于于通通信信栈栈之之上上的的用用户户层层，主主要要用用来来完完成成用用户所需的自动化应用功能；户所需的自动化应用功能；在在设设备备组组态态或或网网
35、络络运运行行期期间间，AP是是否否装装载载进进一一台台设设备备，取取决决于于该该设设备备的物理能力和的物理能力和AP如何被执行；如何被执行；在在具具体体结结构构上上，功功能能块块应应用用进进程程是是由由功功能能块块应应用用对对象象、对对象象字字典典和和设设备描述三部分组成。备描述三部分组成。2023/5/3057功功能能块块应应用用进进程程提提供供了了一一个个通通用用结结构构，把把实实现现控控制制系系统统所所需需的的各各种种功功能能划分为功能模块，使其公共特征标准化划分为功能模块，使其公共特征标准化.规规定定它它们们各各自自的的输输入入、输输出出、算算法法、事事件件、参参数数与与块块控控制制图
36、图，把把按按时时间间反复执行的函数模块化为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。反复执行的函数模块化为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。无论在一个功能块内部执行哪一种算法，实现哪一种功能，它们与功能无论在一个功能块内部执行哪一种算法，实现哪一种功能，它们与功能块外部的连接结构是通用的。块外部的连接结构是通用的。3.1.5.23.1.5.2功能块应用进程功能块应用进程功能块应用进程功能块应用进程2023/5/3058 功能块的内部结构功能块的内部结构 2023/5/3059以锅炉汽包水位控制作为典型范例进行分析。锅炉汽包水位三冲量控制P&I图一个典型的控制系统一个典型的控制系统一
37、个典型的控制系统一个典型的控制系统2023/5/3060保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水水位位过过高高造造成成饱饱和和蒸蒸汽汽带带水水过过多多、汽汽水水分分离离差差，使使过过热热器器管管壁壁结结垢垢，传传热热效效率率下下降降，过过热热蒸蒸汽汽温温度度下下降降，当当用用于于蒸蒸汽汽透透平平(汽汽轮轮机机)的的动动力力源源时时，会会损损坏坏汽汽轮轮机机叶叶片片，影影响响运运动动的的安安全全与与经济性；经济性；水水位位过过低低造造成成汽汽包包水水量量太太少少，负负荷荷有有较较大大变变动动时时，水水的的汽汽化化速速度
38、度过过快快，而而汽汽包包内内水水的的全全部部汽汽化将导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。化将导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是最简单和基本的控制系统。单冲量指只有一个被控变量，即汽包水位。是最简单和基本的控制系统。单冲量指只有一个被控变量，即汽包水位。锅锅炉炉汽汽包包水水位位控控制制系系统统的的操操纵纵变变量量总总是是选选用用给给水水流流量量。根根据据锅锅炉炉水水位位动动态态特特性性分分析析，该该过过程程具具有有虚虚假假水水位位的的反反向向特特性性，因因此此，当当负负荷荷变变化化较较大大时时，会会造造成成控控制制器器输输出出误误动动作作，影影响响
39、控控制制系统的控制品质。系统的控制品质。此外，由于蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此会造成控制不及时。此外，由于蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此会造成控制不及时。一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2023/5/3061考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控(因为蒸汽负荷由用户决定因为蒸汽负荷由用户决定)，因此，因此，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统，通常称为双冲反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。量水位控制系统。考考虑虑到
40、到给给水水流流量量的的扰扰动动影影响响(例例如如给给水水压压力力变变动动器器)及及由由于于迟迟延延等等因因素素，将将给给水水流流量量引引入入到到双双冲冲量量控控制制系系统统中中，由由此此组组成成了了图图2.622.62所所示示的的三三冲冲量量水水位位控控制制系系统。统。三冲量汽包水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副三冲量汽包水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈-串级反馈控制系统。串级反馈控制系统。一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的
41、控制系统2023/5/3062 三冲量汽包水位控制系统组态图三冲量汽包水位控制系统组态图一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2023/5/3063 AI功能块通过硬件通道与压力转换块相连，它能对转换块来的信号进行阻尼、功能块通过硬件通道与压力转换块相连，它能对转换块来的信号进行阻尼、开方和量程调整，因此，三个开方和量程调整，因此，三个AI可分别对汽包液位、给水流量和蒸汽流量的频繁波可分别对汽包液位、给水流量和蒸汽流量的频繁波动设置阻尼，可通过阻尼时间参数动设置阻尼，可通过阻尼时间参数PV_FTIME设置阻尼大小。设置阻尼大小。同样，通过设置同样，通过设置L_
42、TYPE参数参数(置置3)就可对差压进行开方运算，从而得到流量的就可对差压进行开方运算，从而得到流量的线性信号。线性信号。INT是累积功能块，它能对蒸汽流量和给水流量进行累积或积算，不用是累积功能块，它能对蒸汽流量和给水流量进行累积或积算，不用额外增添仪表，就可得到两个非常重要的总量参数。副额外增添仪表，就可得到两个非常重要的总量参数。副PID有前馈输入参数有前馈输入参数FF_VAL，它与反馈控制信号相加，取代了，它与反馈控制信号相加，取代了P&I图的加法器图的加法器FY。液位变送控制器中的液位变送控制器中的PID是主调节器，阀门定位器是主调节器，阀门定位器(或阀门控制器或阀门控制器)中的中的
43、PID是副是副调节器，两者构成给水三冲量的串级控制。由调节器，两者构成给水三冲量的串级控制。由FF模块构成的串级控制能实现手动模块构成的串级控制能实现手动-自动模式的双向无扰切换。自动模式的双向无扰切换。一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2023/5/3064 汽包水位和给水流量两个调节器构成一个串级控制，汽包水位提供给水流量闭环控制汽包水位和给水流量两个调节器构成一个串级控制，汽包水位提供给水流量闭环控制的设定值。的设定值。蒸汽流量和给水流量构成一个前馈控制通路。蒸汽流量变化时给水流量能及时跟随变蒸汽流量和给水流量构成一个前馈控制通路。蒸汽流量变化时给水
44、流量能及时跟随变化，而不是靠液位变化来改变，蒸汽流量的增加将调整副调节器模块的设定点，这将化，而不是靠液位变化来改变，蒸汽流量的增加将调整副调节器模块的设定点，这将使汽包液位被影响前，给水流量就将增加，因而减小了动态偏差，提高了控制质量。使汽包液位被影响前，给水流量就将增加，因而减小了动态偏差，提高了控制质量。汽包水位汽包水位PID调节有一个较长的时间常数，一方面避免蒸汽流量激烈变化时因气泡而调节有一个较长的时间常数，一方面避免蒸汽流量激烈变化时因气泡而形成的瞬时虚假水位，但从长时间控制周期看，汽包水位形成的瞬时虚假水位，但从长时间控制周期看，汽包水位PID调节可以修正前馈调节所调节可以修正前
45、馈调节所形成的液位积累误差。形成的液位积累误差。给水流量和给水流量给水流量和给水流量HD形成一个快速调节回路，当给水压力波动等情况发生时，会形成一个快速调节回路，当给水压力波动等情况发生时，会在汽包水位变化前得到修正，使汽包水位不受内扰发生的影响。在汽包水位变化前得到修正，使汽包水位不受内扰发生的影响。一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2023/5/3065FF现场总线的技术优势lFF应用于过程控制的主要优点FF在七层协议以外增加了用户层，主要内容是制定标准的功能块。使得FF跨越了一项通信标准而成为一项系统标准。设备描述技术（DD）和对象字典技术（OD）保
46、证了互操作性和用户的可扩展性FF也采用行规（Profiles），提供公共功能结构FF具有周期通信和非周期通信，有多种访问控制方式，如Client/Server,publisher/subscriber,report DistributionFF具有系统管理功能，总线上设备时钟同步优于Profibus-PA2023/5/3066现场总线的分散控制模块2023/5/3067互操作性的层次互操作性的层次通讯协议规范通讯协议规范+设备描述一致性设备描述一致性推荐推荐 功能块一致性功能块一致性可互操作可互操作基本一致性基本一致性有限互操作性有限互操作性非一致性非一致性不可互操作不可互操作+通讯协议规范通
47、讯协议规范通讯协议规范通讯协议规范通讯协议规范通讯协议规范标准功能块标准功能块标准功能块标准功能块标准设备参数标准设备参数厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（公开）（公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（公开）（公开）厂家自定义厂家自定义功能块功能块厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（公开）（公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）厂家自定义厂家自定义功能块功能块厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）2023/5/30683.1.6基
48、金会现场总线通信控基金会现场总线通信控制器制器FB3050lSmarFB-3050DMA,sharememorylFujiFrontier-1+FIFObufferlShipstarFCHIP-1lYamaha2023/5/3069控制器基本功能控制器基本功能lManchester编解码编解码l并串转换，报文缓冲并串转换，报文缓冲l报文过滤和地址识别报文过滤和地址识别l唠叨抑制唠叨抑制(Jabberinhibit)lCRC产生和检查产生和检查l高层数据链路功能需要软件编程高层数据链路功能需要软件编程!2023/5/30702023/5/3071FB3050控制器的特点控制器的特点 l适用于适用
49、于ISASP50021992年年Part2，现场总线物理层定义；，现场总线物理层定义；l内含曼彻斯特（内含曼彻斯特（Manchester）编码器和译码器；）编码器和译码器；l片内有两个通道的片内有两个通道的DMA控制器；控制器；l可自动极性探测和校正；可自动极性探测和校正；l自动接收帧校验序列自动接收帧校验序列(FCS)探测；探测；l软件控制的发送软件控制的发送FCS发生器；发生器；l自动信息类型和地址识别；自动信息类型和地址识别；l31.25K和和1Mbit/s的数据率；的数据率；l内有发送器超长（内有发送器超长（Jabber）禁止电路；）禁止电路；l可与所有通用微处理器和微控制器兼容；可与
50、所有通用微处理器和微控制器兼容；l可屏蔽多源中断结构以减少中断响应次数；可屏蔽多源中断结构以减少中断响应次数；l具有具有CMOS低功耗和省电方式；低功耗和省电方式；l有可用于数据链路层定时的定时器；有可用于数据链路层定时的定时器；l采用采用100针针TQFP封装形式。封装形式。2023/5/30723.1.7基金会现场总线的组态基金会现场总线的组态l组态第组态第1层：厂家设备定义层：厂家设备定义l组态第组态第2层：网络定义层：网络定义l组态的第组态的第3层：分布式应用程序定义层：分布式应用程序定义l组态第组态第4层：设备组态层：设备组态2023/5/3073组态第组态第1层：厂家设备定义层：厂