FF現場總線控制技術的組態應用

摘 要：介紹了現場總線的特點，分析了基金會現場總線的幾個關鍵技術。并且結合作者的實踐，介紹了基金會現場總線控制系統的組態方法，指出了基金會現場總線控制系統組態過程中要注意的問題。
關鍵詞：現場總線；基金會現場總線；設備描述語言；功能塊；組態
現場總線是全數字化分布式底層控制網絡，自他產生后，就引起控制領域的科研人員的廣泛關注。但是，長期以來由于各個大組織在大型跨國公司的支持下，為制定統一的國際標準造成了巨大的阻力，形成了各大總線共存的局面。經過有關各方的共同努力和協商妥協,FF(Foundation Fieldbus，基金會現場總線)等7種現場總線在1999年年底的投票表決中獲得通過,FF現場總線也成為了一種極有發展前景的現場總線。
1FF現場總線的特點
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七層參考模型結構簡化為物理層、數據鏈路層、應用層，再加上用戶層，形成4層結構。同時，為了適應以太網技術的發展，現場總線基金會放棄了其原來規劃的Ｈ2高速總線標準，并于2000年3月29日公布了基于Ethernet的高速總線技術規范(HSE 1.0版)。
在現場總線技術的發展過程中，Smar公司開發了一系列現場總線產品，成為了現場總線技術中的領先者，SYSTEM 302是Smar公司總結系統工程方面的經驗后開發的全數字化現場總線系統。下面介紹一下在利用Smar公司SYSTEM 302 現場總線系統進行組態時遇到的2個重要概念：
(1) DD(Device Description,設備描述)
DD是屬于FF的報文規范層（FMS,Fieldbus Message Speciafication）的一個內容。設備描述DD是為虛擬現場設備VFD中的每個對象提供擴展描述，為控制系統或主機在理解VFD 中數據的意義提供必要的信息，因此，DD 可被看作是設備的一個驅動器。在每次組態設備之間必須確認是否安裝該設備的設備描述語言。
(2)Function Block（功能模塊，FB）
功能塊應用進程位于FF總線通信模型的最高層用戶層。FF用戶層協議將實現控制系統所需的各種功能封裝為通用的模塊結構，并定義他們的輸入、輸出、算法、事件及控制圖等內容，從而形成了功能模塊FB。
FF現場總線把功能塊FB主要分成了3類：資源塊(Resource Block)、轉換塊(Transducer Block)、功能塊FB。資源塊描述了諸如設備名、生產廠家和序號等的現場總線設備特征。一臺設備只有一個資源塊。轉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，還包含標定日期和傳感器類型等信息。每個輸入或輸出功能塊通常就是一個轉換塊。功能塊提供了控制系統行為。功能塊的輸入和輸出通過現場總線相連接。每個功能塊的執行被精確地調度。在一個用戶應用中可以有多個功能塊。
功能塊FB技術是FF現場總線實現分布式控制的一項重要手段。在FF現場總線中，FCS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場儀表，構成虛擬工作站。FF的功能塊可以供用戶自由選擇，可統一組態，構成所需的控制系統，實現了徹底的分散控制。許多控制系統功能，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場設備完成。
現場總線的技術特點包括很多方面，以上所述是在組態過程中遇到的2個重要概念及難點，在此做簡單說明。
2組態基金會現場總線系統
現場總線的組態既與傳統的DCS系統組態有共同之處，也有一定的差別。本部分主要結合筆者的實踐來介紹現場總線組態的內容。
2.1系統的結構
為了推動南京工業大學對現場總線技術的研究，我校曾于2001年8月從Smar公司引進了一套現場總線系統。系統的結構如圖1所示。

本系統由2個部分組成，其中：2個LD302壓力變送器和閥門定位器FY302構成壓力控制系統。LD302采集容器中的的壓力信號，并將其轉換為符合FF協議的標準信號發送到FF現場總線網絡中，閥門定位器FY302根據系統的設定值和操作閾度，輸出相應的模擬信號驅動控制閥，使系統的壓力保持恒定；2個TT302溫度變送器和現場總線(FF)到電流轉換器FI302構成溫度控制系統。TT302采集溫度信號，并將其轉換為符合FF協議的標準信號發送到FF現場總線網絡中，現場總線(FF)到電流轉換器FI302根據設定值和操作閾度，輸出適當電流驅動可控硅，可控硅控制溫度對象的輸入電壓，從而使溫度對象保持恒溫。這2個系統構成現場總線的H1網段。H1系統通過DF51網關與上位機相連。
2.2控制系統組態
系統的控制組態使用Smar公司推出的SYSTEM 302系統。SYSTEM 302是一套完整的現場總線控制方案，采用現場總線、Windows 和OPC 等先進技術，真正基于現場設備，系統可以處理各種信號，進行連續控制，離散邏輯控制和批處理控制，支持通過了基金會驗證設備互操作性，真正實現了分布式控制。
使用SYSTEM 302 組態，首先要使用FBTools Wizard正確地設置網關，也就是H1網段與上位機之間的通信方式，以保證網關能夠與上位機之間進行通信。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，確認要使用的所有設備的DD安裝完畢以后，才可以使用SYSTEM 302的一個重要組成部分SYSCON進行系統的組態。SYSTEM 302系統可以很方便地安裝新設備的DD。在安裝目錄的Device Support下建立該設備的活頁夾，按照廠家提供的手冊，添加該設備的Manufacturer ID，Device Type，EJA Device Type信息，同時在Standartini文件的Manufacturer By ID部分添加該設備的ID。

SYSCON將一個現場總線項目分為2部分：邏輯設備和物理設備。
邏輯設備是在組態項目中用到的邏輯連接，例如功能塊、組態的策略等。網絡上連接的各種現場設備在物理設備部分說明，例如網橋的配置、網段上設備的分布等。添加網絡上的所有智能儀表到物理部分，并添加相應的功能塊，設置功能塊的部分參數，在SYSTEM 302中，資源塊RES、轉換塊TRS、顯示塊DSP是每個設備都必須的功能塊，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，也可以添加到執行器中。筆者在組態過程中，除了為每個物理設備添加資源塊RES、轉換塊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和電流轉換器FI302，變送器還需AI功能塊，如圖2所示。

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邏輯組態完畢，設置變化范圍功能塊的XD_SCALE、設定值SP等參數后，為控制策略選擇功能塊，按設計的控制算法邏輯連接相應的功能塊的輸入輸出，就完成了控制策略組態。例如本系統中，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，同時把輸入輸出相連。在SYSCON中，可以先建立物理設備，設置所有的功能塊，再建立控制策略。也可以先建立邏輯設備，再添加物理設備，但是，工程人員必須合理規劃需要使用的功能塊。控制策略的離線組態已經完成后，合理設置系統的通信方式，待網橋與總線上的所有設備通信正常后，下載控制策略。
2.3操作界面組態
界面組態使用Smar公司提供的AIMAX。使用AIMAX的關鍵是與SYSTEM 302之間的數據連接，Smar公司采取了OPC方式。在FF組態系統的工作站，DFI OLE SERVER與現場設備之間通過網關以3125 kB/s不斷進行數據交換，DFI OLE SERVER 提供了OPC接口供用戶使用。AIMAX使用這個接口把DFI OLE SERVER的數據對象通過位號不斷地導入自己的數據庫中。繪制系統的結構圖，建立自己的實時曲線組、歷史曲線組，并為他們設置相應的數據點對象。操作界面組態完畢。
3結語
本實驗系統由于采用了先進的現場總線技術，使用靈活，為科研和教學提供了極大的方便。