自动化仪表与过程控制：第三章DCS的发展及组成

第3章集散控制系统与现场总线控制系统

1单回路数字调节器的局限性（1）CPU档次不高，其信息处理能力有限（2）构成大型复杂系统，接线复杂，造价高（3）仪表盘操作给高度集中控制带来了困难2集散控制系统集散控制系统是以微处理器为基础的集中-分散型综合控制系统的简称。发展初期是以分散控制为主要特征的，一般称其为分散控制系统（DistributedControlSystem）即DCS，或集散控制系统。集散控制系统由三部分组成，如图所示。

或称现场控制单元（FCU），分散于现场，控制一个或数个回路。有的过程控制单元可以控制几十个甚至上百个回路，这样的控制单元也叫单元控制室，其中设有本地操作站。①

分散过程控制装置（PCU）②

操作管理装置中央控制室通过通信系统汇集分散在各过程控制单元或单元控制室的信息，从而实现信息综合与集中管理。③

通信系统系统采用了局域网技术，沟通现场控制单元与中央控制室的信息传输。所谓“集”是实现了全系统的信息综合管理。所谓“散”

是实现了分散控制。智能分散、显示分散、数据库分散、通信分散、供电分散。

3.1集散控制系统的发展及其组成

3.1.1集散控制系统的发展及其组成

20世纪70年代以大规模集成电路为基础的微处理器的出现，功能丰富，价格便宜，可靠性很高，到1975年，全球一些著名的仪表公司在几个月内纷纷宣布研制成功了新一代的计算机控制系统，例如美国Honeywell公司的TDC-2000系统，日本横河公司的CENTUM系统等。这是在多年的集中型计算机控制失败的实践中产生的一种新的体系结构，即通过将控（1）第一代制功能分散到多台计算机上，并采取双重化等冗余措施，达到运行安全的目的。基本结构如图所示。

数据传输通道CRT操作室上位计算机过程控制单元数据采集装置第一代DCS结构简图①

过程控制单元（ProcessControlUnit）

亦称现场控制单元（FieldControlUnit）或基本控制器（BasicControler）。它一般由微处理器组成的基本计算机系统，可以控制一个或多个回路，具有较强的运算能力和较复杂的控制功能。②

数据采集装置（DataAcquisitionUnit）亦称过程接口单元（ProcessInterfaceUnit）是以微处理器为基础的数据采集设备。其主要功能是采集非控制变量、进行数据处理、井将其数据经数据传输通道送给上位机或CRT操作站。③

CRT操作站人-机接口，具有丰富的画面显示，很强的数据处理能力，并具有进行多种操作数据传输通道CRT操作室上位计算机过程控制单元数据采集装置第一代DCS结构简图与控制键盘的功能，可以对PCU、DAU进行组态和查询，还有覆盖全系统的报警功能、自诊断功能、实现对全系统的管理等。

④

上位计算机

亦称监控计算机，是集散控制系统的主机。它综合监视全系统的各工作站（PCU，DAU，CRT），管理全系统的所有信息，具有对整个系统进行优化控制和管理的功能。数据传输通道CRT操作室上位计算机过程控制单元数据采集装置第一代DCS结构简图⑤

数据传输通道

由通信电缆与数据传输管理指挥装置组成，是第一代DCS的通信系统。

（2）第二代80年代，16位、32位微处理机技术的成熟，局域数据传输通道CRT操作室上位计算机过程控制单元数据采集装置第一代DCS结构简图网技术进入集散系统，以局域网为主干，统领了全系统，系统中各单元都看作了网络节点。可以将第一代集散系统看成是通过网间连接器挂接在系统局域网上的一个子系统。如图所示。①

局域网（LocalAreaNetwork）由传输介质（如同轴电缆，双绞线等）和网络节点组成，网络通信功能有较复杂的机制。不同型号的局域网取名不同。例如，TDC-3000系统取名为局部控制网，节点节点管理计算机中央工作站第二代DCS结构简图系统管理站GWPCU监控计算机PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工业网络LANGWCENTUM系统则取名为HF总线等。

②

节点工作站

通常把局域网上的网络节点都称为网络节点工作站。而这里的节点工作站专指过程控制站（PCU）或现场控制单元。第二代系统的过程控制站是在第一代基础上发展而来，比第一代有更多的功能。

节点节点管理计算机中央工作站系统管理站GWPCU监控计算机PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工业网络LANGW③

中央操作站中央操作站是连接在LAN上的节点工作站，其主要作用是对全系统的信息进行综合管理，是全系统人一机联系的窗口，是全系统的主操作站。④

系统管理站系统管理功能强是第二代系统的主要标志，有些厂家利用系统管理站完成全厂的优化控制、经营管理和生产管理等。节点节点管理计算机中央工作站第二代DCS结构简图系统管理站GWPCU监控计算机PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工业网络LANGW⑤

网间连接器（GW，GataWay）

它是局部网络与其子网络或其它工业网络的接口装置，起着通信系统转换器、协议翻译器或系统扩展器的作用，如连接PLC组成的子系统或第一代集散系统等。⑥

管理计算机

它是挂接在局部网络上的主计算机，带有海量存储器、键盘等外部设备。具有复杂运算能力和较强的管理功能。

节点节点管理计算机中央工作站第二代DCS结构简图系统管理站GWPCU监控计算机PCUCRTPCUCRTPCUGW其它工业网络LANGW（3）第三代集散控制系统

其结构的主要变化是局部网络采用了制造自动化协议MAP（ManufactureAutomationProtocol）或者是与MAP兼容，或者LAN本身就是实时的MAPLAN。它的结构如图所示。除了局部网络的根本进步而外，第三代集散系统的其它单元无论是硬件或软件都有较大变化，但系统的基本组成变化不大。MAP或MAP兼容网络主计算机第三代DCS结构简图节点工作站操作站节点装置智能变送器智能仪表GWCENTUM-CS综合控制系统CENTUM-XL综合控制系统集散控制系统CENTUMCS3000R3集散控制系统CENTUMCS3000R3的系统结构

3.1.2集散控制系统的主要特点现代集散控制系统与常规的模拟仪表及一般的计算机系统相比，具有如下优点。1自律性极强的单元结构工作站具有极强的自律性，功能齐全，可靠性高，是一个自治的子系统。工作站都采用了最新技术的微处理器，有的单元还采用了多微处理器结构。2完善的控制功能控制单元具有连续、离散、批量控制等功能，算法功能模块高达上千种，可实现各种高级控制，如串级控制、前馈-反馈复合控制、Smith预估控制、自适应控制、多变量解耦控制等。CRT屏幕可将系统总貌、分组、单元的数据即时、恰当地呈现在操作人员面前，实现全系统管理操作。这是集中型模拟仪表的几十米长仪表盘难以相及的。CRT操作站采用多微处理机结构，能适应现代管理中对画面和报表的各种要求。3统领全局的窗口功能4局部网络通信技术DCS都采用工业局部网络技术进行通信，是集散系统最大的特点。大多数DCS的局部网络采用了光纤传输媒介，使通信的安全性大大提高。通信协议，也在向标准化方向前进，与MAP兼容已是一种潮流。5强管理能力现代DCS的管理水平已经达到：①生产过程自动化以及过程监督、节能控制、安全监督、环境监视和生产计划管理等等；②实现加工、装配、检查、挑选、仓库搬运控制、设备诊断、工程过程和产品质量管理等的自动化；③实验室自动化；④办公室业务自动化。6高可靠性现代DCS的有效率高达99．9999％。系统中广泛采用了冗余技术、容错技术，各单元都具有自诊断、自检查、自修理功能。7系统构成灵活．扩展方便DCS多采用模块、模件结构，可以灵活组建系统。3.2DCS现场控制站

下面以国内使用较多的日本横河公司大型集散控制系统CENTUM为例，介绍DCS的系统的工作原理。典型的DCS由分散执行控制功能的现场控制站（FieldControlStation）和进行集中监视、操作的操作站（OperatorStation）两级组成。相互问通过内部高速通信HF总线相连，组成计算机局域网络。采用多主站的令牌传送方式，在系统内，各操作站和控制站的地位都是相同的，没有固定的主站与从站划分。

CS3000R3系统的双重化现场控制站(FIO型)，如图3-2所示。

3.2.1现场控制站的结构（1）运算控制单元运算控制单元，采用4CPU，成对热备、冗余容错技术（又称“互备互校”系统），来实现CPU故障状态下的无扰动切换，极大提高了系统的可靠性。（2）双重化总线对Vnet总线、总线通信耦合器、站内总线，进行双重化。（3）I/O插件箱FFCS-L型紧凑型现场控制站，输入输出插件箱的具体结构如图3-4所示。右边4个插槽作为公用部分，2个槽插电源卡，2个槽插处理器卡。输入输出卡都做成多回路的，下面以模拟量输入输出（I/O）插件为例：插件箱的左边8个插槽是供各种输入输出卡使用的。①

控制用多路模拟量输入输出卡可接受8路1~5V的模拟电压输入，送出8路4~20mA电流信号，驱动8个执行器。该卡可做双重化备用，其并联工作的原理，如图3-3所示。变送器4～20mA信号I/V变换为1～5V信号输入电路（RC滤波、多路转换开关、A/D转换）数据库内部总线接口内部通信总线CPU运算返回D/A4～20mA执行器电流是否向外输出，取决于RS触发器的状态。当输出电流异常CI读回设置RS的状态双重化控制电路②其它可供选用的I/O插件FIO总线型现场控制站的I/0模件大致可分为三大类，即模拟量I/O模件、数字量I/O模件及通信模件。其中，模拟量I/O模件包括：电流（4~20mA、HART协议等）、电压（毫伏、1~5V等）、热电阻、热电偶、隔离、非隔离等不同输入/输出类型，通信模件则包括：RS422/RS485（ALR121）、现场总线FFH1（ALF111）、ProfibusDPV1（ALP111）、以太网（ALE111）等许多类型的通信模件。

3.2.2现场控制站的内部仪表与单回路控制仪表相比，作为多回路控制器的现场控制站如图3-7所示。除反馈控制功能、运算功能、报警功能、通信功能更加充实外，最主要的特点是顺序控制功能大大增强。报警功能、通信功能更加充实外，最主要的特点是顺序控制功能大大增强。（1）内部仪表（又称功能块）和单回路控制仪表一样，为便于用户程序的建立，继承长期以来用单块仪表构成系统的概念，将一些常用的功能子程序组成标准功能模块，称为内部仪表。CENTUMCS3000的常规控制块以及计算块，分别如表3-1和表3-2所示，从中可看出其强大的功能。（2）内部仪表的组态与单回路控制器中不同，1个调节单元除包含PID控制功能之外，还具有输入信号变换、报警检测、输出信号处理等功能，相当单回路控制器中5～10个运算控制块。因此，组态比较简单。如图3-8所示。关于内部仪表的组态，由于现场控制站自身没有人机接口，需要在操作站或专门的工程站上进行。在CENTUMCS3000中，控制站的组态是在工程师站（ENG）上实现的。组态组态不再使用填表式语言，而是采用图形化的功能块图接点连线方式，在专用的“控制图”画面中画图实现。所谓“控制图”，是指两个或多个功能块组成的控制功能的一个组合。

图3-9所示为缓冲罐容器的选择控制系统，则在CENTUMCS3000中需要使用三个内部功能块仪表，其中两个是基本PID调节单元“PID”，一个是带自动/手动切换的低值自动选择单元“AS-L”。可令液位指示调节器的工位号为LIC101，流量指示调节器的工号为FIC102，低值选择单元为LSL103。

若将液位变送器，接到节点01第1个插槽模件上，并使用其第03个通道，则其地址可缩写为“%Z011103”。

图3-9所示为缓冲罐容器的选择控制系统，则在CENTUMCS3000中需要使用三个内部功能块仪表，其中两个是基本PID调节单元“PID”，一个是带自动/手动切换的低值自动选择单元“AS-L”。可令液位指示调节器的工位号为LIC101，流量指示调节器的工号为FIC102，低值选择单元为LSL103。

若将液位变送器，接到节点01第1个插槽模件上，并使用其第03个通道，则其地址可缩写为“%Z011103”。

3.2.3CENTUMCS3000的现场总线网络现场总线是连接现场智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路，与传统的4~20mA模拟传输技术相比具有明显的优势。

在集散控制系统的阶层结构中，操作站位于控制站的上层，它通过数据通信，与各个现场，控制站交换信息。操作工人利用操作站上的大型高分辨率的CRT显示器，对生产过程从全局，到细节进行集中监视、操作和管理。为方便操作工人使用，集散控制系统的人机界面提供了多种工厂人员习惯的显示画面，让操作人员能以最短时间，迅速准确地掌握生产过程的状，态，并根据需要，修改控制回路的设定值、整定参数、运行方式，乃至系统结构。

3.3DCS操作站的功能

集散控制系统CENTUMCS3000R3（1）以系统生成、维护为主的工程功能现场控制站的反馈控制和顺序控制的组态，都是在操作站COPSV的CRT屏幕上，通过填表操作生成后，经数据通信，由操作站装入控制站。操作站自身的系统生成，例如用三、四台CRT组成操作控制群，分工实现报警、操作及总貌监视，并互为备用；在各操作站内，还需生成各种与显示有关的项目，对各工号的仪表进行分组编排，形成各种标准的监视操作画面及千变万化的流程图画面。对生成的系统动作状态进行观测和调试，协助工作人员进行硬件的维护作业，实现对系统内部文件的自动管理。（2）以监视、运行、记录为主的操作功能一般在操作站上都备有总貌画面、分组画面、回路调整画面、报警画面、趋势分组画面五种标准画面，此外，还能根据用户的不同特点，生成各种流程图画面及工艺数据汇总画面等。（3）与现场控制站和上位计算机交换信息的通信功能3.4现场总线技术（1）DCS的局限性

DCS硬件和软件的封闭性．成为系统间互连的重大障碍DCS与现场仪表间的联系仍采用4~20mA模拟信号，远远满足不了对现场设备状态监测和管理的深层次要求为解决控制系统的开放化和数字化问题，20世纪90年代出现了现场总线的思想。（2）现场总线（Fieldbus）现场总线（fieldbus）是用于智能现场仪表与控制室系统之间的一种全开放、全数字化、双向、多节点的互连通信系统，是现场通信网络与控制系统的结合。这是计算机技术、通信技术和控制技术（3C）的综合与集成。现场总线不单纯是一种通信技术，它的关键在于用新一代的现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）代替传统的集散控制系统DCS，实现现场总线通信网络与控制系统的集成。（3）现场总线技术的特点双向数字通信，适时性好，易实现远程组态与维护网络化结构可大大节省连接电缆，降低安装费用使控制功能比DCS更加分散，减少硬件设备，降低控制系统的总成本与国际标准的一致性，保证了系统的开放性和不同厂商设备的互换性各节点可含有如同DCS中的功能块，如PID算法、线性化运算模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）可相互操作和组态，用户可自由地集成FCS，并由通信线直接供电，可实现本质安全防爆还允许不同制造商的网络互连3.4.1现场总线技术的发展（1）仪表智能化是实现仪表网络化的基础以微处理器芯片为基础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件，为现场总线技术的发展奠定了基础。（2）统一的通信协议标准，使现场总线成为开放互联系统

开放意味着对同一标准的共同遵从，意味着来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连为一致通信系统。从这个意义上说，现场总线就是工厂自动化领域的开放互联系统。开发这项技术首先必须制定相应的统一标准。最近十多年来，由于现场总线的众多优点，研究开发现场总线成为自动化技术的热点，从而在世界上出现了多种现场总线。由于技术原因和商业利益，要想统一，尚须待以时日。这里仅介绍两种。3.4.2开放系统互连参考模型（略）3.4.3HART通信技术可寻址远程变送器数据高速公路通信协议，简称“HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)”协议，最初是由美国Rosemount公司开发，目的是在维持原有4~20mA模拟通信不变的前提下，实现与现场仪表间的数字通信。该协议目前已向所有用户开放，世界上各大公司都支持和使用这一协议。HART协议使用了FSK技术，在4~20mA信号上叠加了一个频率信号，成功地使模拟信号与数字信号的双向通信在同一对导线上同时进行，且不相互干扰。字信号的双向通信在同一对导线上同时进行，且不相互干扰。HART协议以OSI模型为参照，使用其中的1，2，7三层。

（1）物理层物理层规定HART通信采用标准的BELL202频移键控（FSK）信号波特率1200bps

逻辑“1”1200Hz

逻辑“0”2200Hz如图3-20所示。正弦信号的平均值为零，所以它对模拟信号没有影响。

HART信号要被智能设备检出，必须具有0.25V（峰—峰值）以上的电平，因此两线制智能设备与电源之间至少要有250Ω以上的电阻，以免这一信号被电源的低阻抗所短路。（2）数据链路层HART采用异步串行通信，数据链路层规定了通信数据的结构。每个字符由11位组成：lbit起始位，8bit数据位，1bit奇偶校验位，以及lbit停止位。不仅每个字节有奇偶校验，每个完整的HART数据帧用一个字节进行纵向校验。HART数据帧格式如图3-21所示。其中HART数据项长短并不恒定，最多可包括25个字节，数据形式可为无符号整型数、符点数或ASCII字符串。

（3）应用层HART应用层规定了HART命令，智能设备从这些命令中辨识对方信息的含义。①通用命令（UniversalCommands）对所有遵从HART协议的智能设备都适用。例如，读制造厂名及产品型号，读过程变量及单位等。②普通应用命令（Common-PracticeCommands）对大多数智能设备都适用，但不要求完全一样；适用于常用操作，如写时间常数、量程标定。③专用命令（Device-SpecificCommands）是针对各种具体设备的特殊性而设立的，因而，它不要求统一。（4）HART通信协议的两种通信模式①“问答式”主设备向从设备发出命令，从设备给予回答，每秒钟可以变换两次数据②

“成组模式”无需主设备发出请求而从设备自动地连续发出数据，传输速率提高到每秒3.7次，但只适用于“点对点”的连接方式，而不适用于多站连接方式。HART协议是现场总线的雏形。3.4.4基金会现场总线FF（

FieldbusFoundation）FF的体系结构参照国际标准化组织（1SO）的全开放系统互连（OSl）的七层参考模型协议，采用其中的第1、2和7层（物理层、数据链路层和应用层），再增加一层用户层，如图所示。1物理层（PL）物理层的任务是规定传输媒体种类和传输长度、传输速度、与现场仪表连接技术和连接台数、供电方式以及本质安全隔离栅等问题。FF提供两种物理层（PL）标准：H1为用于过程控制的低速总线，速率为31.25kbps，传输介质为双绞线，传输距离为200m至1900m，总线供电，可支持本安设备（2～6台），非本安设备（2～32台）H2为制造自动化高速总线，传输介质为双绞线、同轴电缆、光缆和无线电、传输速率为1Mbps（750m）和2.5Mbps（500m）。每段可带124个节点H1可以通过网桥和H2连接2数据链路层（DLL）这一层的作用是对总线上传输数据的存取、控制方式和错误鉴别进行规定。FF对H1标准采用总线仲裁方式，对H2正在制订。3应用层（AL）主要是为设备间和网络间数据要求而服务的，包括发送变送器来的信息和操作员报文信息、事件通知、趋势报告和发布上装及下装的命令。FF提供两个子层：现场总线访问子层（FAS）和现场总线报文子层（FMS）。4用户层（UL）将数据规格化成为特定的数据结构，决定现场总线设备内部信息的存取及将这一信息传送到网络内同一节点或不同节点上其他设备中去的方式。其它现场总线还有很多，如PROFIBUS（过程现场总线）、CAN（局域控制网络）、LONWORKS（局部操作网络）等，其参考模型及协议大同小异，各有特点，适用于不同行业和场合。3．5基金会现场总线技术的应用应用层的功能是为使用开放系统的不同类型“应用”提供特定的通信服务。FF将来自过程控制领域的用户需求模型化为用户层，即定义功能块模型结构。3．5．1用户应用——功能块用户层的核心是功能块。功能块是数据采集、控制及输出等应用当中通用功能的一般化模型。通过功能模块及其参数，可以实现基本控制功能。（1）资源块虚拟现场设备VFD模块化为一个个资源块。资源块表达了应用进程的网络硬件和软件对象。1功能块的基本概念一个功能块的行为决定于其参数值。功能块VFD包含三类块。描述了现场总线设备的特征，如设备名、制造者、系列号为了使资源块表达这些特性，规定了一组参数一个设备中只有唯一的一个资源块。功能块提供控制系统功能，功能块的输入输出参数可以跨越现场总线实现连接由外部事件驱动功能块的执行对输入和输出功能块来说，要把它们连接到变换块，与设备的I/O硬件相互联系每个功能块的执行受到准确地调度（2）功能块功能块是参数，算法和事件的完整组成。

FF规定了如下表所示的一组标准功能块。此外，还为先进控制规定了19个标准的附加功能块。功能块名称功能块符号功能块名称功能块符号模拟量输入AI离散输出DO模拟量输出AO手动装载ML偏置B比例微分PD控制选择CS比例积分微分PID离散输入DI比率系数RA表FF的基本标准功能块（3）变换块变换块是传感器与执行器的模型，具有类似功能块的描述结构。

读取传感器硬件，并写入到相应的要接受这一数据的硬件中它不含有运用该数据的功能块，这样便于把读取数据、写入的过程从制造商的专有物理I/O特性中分离出来含有量程数据、传感器类型，线性化、I/O数据表示等信息。2功能块参数一个功能块参数可分为三类：输入参数，输出参数及内含参数。内含参数只能够根据要求，采用读（Read）或写（Write）申请来对其访问，访问可根据FMS索引号来进行功能块参数具有连续的索引号，其数据类型可以是FF定义的任意数据类型。资源块与变换块只具有内含参数。功能块参数又可划分为动态参数与静态参数。输入、输出参数及一部分内含参数是由参数数值（VALUE）及参数状态（STATUS）两部分组成的记录描述。

（1）块模式所有的块都有“块模式（BlockMode）”参数，用来记录功能块的状态，记做MODE-BLK，它是由如下四个部分组成的一个记录。目标模式（Target）：记录操作者希望本模块进入的工作模式，该元素可读写。实际模式（Actual）：指示该块实际所处的工作模式，该元素只读。当满足一定的条件时，实际模式与目标模式相同。允许模式（Permitted）：其显示该功能块所允许的目标模式，可读写。正常模式（Normal）：该域提醒操作者，本模块在正常条件下的预期运行模式，可读写。具体可选的运行模式包括：O/S（OutofService）模式，块不做任何事情，仅仅设置参数状态为BAD

MAN（Manual）模式，功能块的执行不影响其输出AUTO（Automatic）模式，该块的执行独立于其上游的功能块CAS（Cascade）模式下，功能块接收来自上游功能块的设定值（2）定标参数一些功能块需要对数据进行标尺变换，将工程单位数据换算为0~100％之间的规范化数据。标尺变换参数是由四个参数组成的一个记录：EU@100％（100％对应的工程单位数值）EU@0％（0对应的工程单位数值）UnitCodo(工程单位码)，包括MPa，kg/s，inchs等PointPosition（小数点位置）（3）观测对象基金会现场总线采用FMS定义变量表服务，将功能块参数集进行预先分组定义，形成“观测对象”，在观测对象中定义的块参数分成四类，即动态操作参数（VIEW-1）静态（组态）操作参数（VIEW-2）完全动态参数（VIEW-3）其他静态参数（VIEW-4）（指对于组态与维护目的可能有用的静态参数列表，此表比VIEW-2对象大，可能包括、也可能不包括所有的静态参数）使一组块参数的属性值可被一次性地访问，它主要用于获取运行、诊断、组态的信息。（2）功能块调度LAS定周期发布链路调度时间，协调FF上各个功能块的执行及通信。3功能块的链接与调度（1）功能块链接现场设备中的功能块互连构成测量与控制应用。一个典型的PID控制回路由AI，AO以及PID三个功能块组成，如图3-32所示。

4常用功能块（1）模拟输入（AI）块①

AI内部算法根据通道参数，选择接收变换块相关通道测量到的数据，并做诸如单位或量程变换、平方根计算、低通滤波等输入处理，其内部算法结构如图3-34。②

AI的工作模式AI模块的工作模式为O/S，MAN及AUTO。

（2）模拟输出（AO）块是阀门定位器之类输出设备的标准化模型。①AO的结构输入端接收来自控制模块的输出值，同时将当前实际阀位输出值通过反向计算输出端子反馈给前级控制模块。如图3-35所示。②

AO的工作模式AO块的运行模式包括O/S，MAN，LO（LocalOver-ride），AUTO，CAS，RCAS（Remotecas-cade）以及ROUT（Remoteoutput）。其中，为将AO块引导到CAS模式，一定要将MODE-BLK．Target设定为CAS。

（3）PID功能块①

PID的结构过程测量值来自于IN参数，而其控制输出为OUT参数。同时，还有其它一些输入/输出参数用来实现不同的控制策略，如串级控制等，如图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内部算法基本PID，增强型PID（EPID），先进PID（APID）等控制功能块。EPID相对基本PID主要增添了四种类型的手动到自动的无扰动切换模式。而诸如采样PI算法、微分先行/比例先行PID、自适应增益、抗积分饱和算法、非线性P1D控制等先进算法均安排在APID功能块中实现。3.5.2系统管理

FF采用管理员-代理者模式，每个设备的系统管理内核（SMK）承担代理者的角色，对来自系统管理者的指示做出响应。1设备管理FF设备可采用设备标识（ID），物理设备（PD）位号，网络节点地址等三种标识符之一进行识别。2功能块管理功能块算法必须在规定的时刻启动执行，系统管理代理存储有功能块调度信息，会在规定的时刻启动功能块的执行。3应用时间管理现场总线应用从时间角度上需要进行同步。在系统中的所有系统管理代理内部都持有应用时间（或称做“系统时间”），用于记录事件发生的时刻。应用时钟通常被设置成等于本地当日时间，系统管理者有一个时间发布器，它向所有现场总线设备周期性地发布应用时钟同步信息。链路调度时间（又称做“网络时间”）是数据链路层中的本地时间，用于通信及功能块的执行。数据链路调度时间与应用时钟信息一起被采样、发送，以使接收设备可以调整其本地时钟。3.5.3设备信息文件人机界面、现场设备组态与维护等需要更多有关设备的信息，FF将许多文件格式标准化，有助于实现设备所要求的可相互操作性，并有助于工程技术人员的理解。用标准化的“设备描述语言（DDL）”来描述设备功能及设备VFD（远程观测本地设备数据）等采用PC的“编译器”软件对源文件进行“编译”DD目标文件扩展名为“．Fro”的二进制格式文件扩展名为“．sym”的符号列表文件1设备描述（DD，DeviceDescriptions）与设备描述语言（DDL）2功能文件采用离线方式对现场总线系统进行组态时，要借助于设备的功能文件（CapabilityFile）其相应的扩展名为“．cff”。功能文件（相当于“软设备”）提供了设备有关网络与系统管理、功能块应用等方面的功能性描述信息，其中一部分信息已驻留在设备内部。3设备信息文件的安装FF要求所有经过认证的设备都可以用两种类型的文件来描述其功能：设备描述和功能文件。一个真正的基金会现场总线系统只需要这两类文件就可以完全对FF设备进行组态和访问。一般设备描述文件和功能文件按照规定目录结构存储。

3.5.4现场总线控制系统的设计

根据特定的应用需求，结合不同现场总线的技术特点，选择合适的总线标准，构造FCS。1总线连接与设备选择依据每一设备具有的唯一物理设备位号以及相应的网络节点地址来加以区分，并可以用树型、总线型、菊花链型，以及点到点连接等不同的拓扑结构接入总线网络中。究竟在一个现场总线网段上，添置多少设备才合适呢?从经济角度看，12个设备足以使初始成本降低。如果是一个技改项目，用来取代4～20mA的话，一般4个或5个设备经济上就是合算的。（1）从通信规范角度看为简化网络接线设计，物理层—般将一个总线段上的设备数量限制在2~32个之间。而数据链路层节点地址占用一个字节，除掉其中一些为特殊需要保留的地址空间外，实际用于现场设备的有效地址区间大小是232。显然，该数值已足够大而不必加以考虑。

（2）总线供电条件下，电源的功率电源所能提供电流要大于总线上所有设备平均消耗电流的总量。而在安全防爆条件下，危险区域现场设备的总量决定于安全防爆栅所能够提供的总能量。

（3）从功能块应用角度来看在总线设备接线上，最好将相互关联的功能块放置在同一网段内，以避免功能块跨越网桥连接。因为不同设备上的功能块连接需要调用总线上的通信服务。对于通信负荷的一个粗略而保守的估计算法如下。设不同设备上功能块之间的连接数量（即发布者的数量）为Np，控制块外加输出块（即用于人机界面控制显示的通信）数量为Nc，则通信负荷为：

TLOAD=（NP十Nc）×50ms如果TLOAD超过控制周期（宏周期）的80％，则组态风险性较大，最好从总线上减少一些设备。

（4）从控制风险角度来看在同一网段上控制回路的数量要严格加以限制，即通过分散控制回路来达到风险分散的目的，有效避免危险情况的发生。2设备组态及控制策略的生成（1）设备组态现场总线网段上连接的设备确定下来之后，就要根据控制策略，在设备内添加合适的功能块，并设定必要的功能块参数；同时，还需将相关功能块的输入、输出采用“图形化”语言进行功能块连接，即进行控制回路的连接。上述过程属于现场设备的组态。（2）控制策略的生成在FCS控制系统内，如何实现复杂的控制策略，涉及到PID控制功能块的工作模式。如图3-37所示。

在正常条件下，主系统中的PID块可以被组态成主系统中复杂控制策略的一部分，实施实际控制运算，并以远程输出模式（RemoteOutputMode）将控制量①

DDC工作方式MV发送给现场设备PID功能块中的远程控制量输入端子（Rout．in）实施上位机的DDC控制。当主系统发生故障或通信失败时，由现场设备中的PID块接手承担控制运算，并将运算结果直接输出，从而控制过程不会中断。当故障恢复后，重新回到远程输出模式。这里，现场设备中的PID块起着后退备用方式。②SPC工作方式当现场设备中的PID块工作于远程串级控制模式（RemoteCascadeMode）时，其设定值来自于上位PID块的输出，属于SPC工作方式。3．6现场总线控制系统

以Smar公司的现场总线控制系统System302为例，介绍FCS的典型结构。

3.6.1现场总线控制系统System302的组成

操作站四通道现场总线PC接口卡（或网桥）现场设备如图3-38所示。

1操作站工业或商用PC机

2链接设备（1）PCI卡①硬件结构是一块插在PC机上的16位ISA卡，每块PCI卡拥有4个独立的H1通道。PCI卡的主要功能是快速处理和访问连接现场仪表的多个通道上的数据，完成现场仪表与操作站之间的数据通讯任务，其硬件结构如图3-39所示。

PCI卡采用32位的RISCCPU处理所有的通信与控制任务，通过双端口（DP）RAM（16bit，256KB数据内存），可实现PC机CPU与PCI卡之间的高效数据通信。PCI卡内数据结构与对象存储在512KB的非易失性32位数据存储器内，即NVRAM中。PCI卡程序保存在1MB的32位Flash程序存储器中，便于软件升级。现场总线通信控制器Modem0~3采用Smar公司的现场总线协议芯片FB3050，遵从ISA-SP50现场总线物理层规范，实现1．25Kb/s波特率的串行数据通信。现场总线通信介质连接线路MAU0~3，实现信号变换与隔离，根据ISA-SP50现场总线物理层规范，将来自MODEM的数字信号（0V或5V）调整到现场总线上。在系统操作站（工业PC机）总线插槽上，最多可插人8块PCI卡，驱动32个FFHl通道。在安全防爆条件下，每个通道可连接4个安全栅SB302，每个安全栅下可挂接4台Smar302系列现场仪表。这时，每台302系列仪表的工作电流约为15mA。②

软件基于PCI卡的System302的软件分层结构如图3-40所示。

最上层为人机界面（HMI），运行于PC机上的用户程序（包括组态、监控、系统分析等）特定服务器（PCIOLEServer）HMI与PCI卡的接口。PCIOLESorver是基于客户／服务器型体系结构的适用于WindowsNT的32位版本服务器，遵从OPC规范。这里，OPC（OLEforProcessControl）是指用于过程控制的对象链接与嵌入（OLE）技术，它是对象链接与嵌入技术在自动化领域的应用扩展，是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互，实现控制系统开放性的关键技术。OPC取代了传统的“I/O驱动程序”，它一方面实现与数据供应方（包括硬件和软件，如下层现场设备）中获取实时数据，另一方面，将来自数据供应方的数据通过一套标准的OLE接口提供给数据调用方（如上层客户应用程序），数据调用方充当OPC客户的角色。

PCI卡上每一通道都包含物理层与部分的数据链路层。

（2）通用网桥Smar公司推出的现场总线通用网桥（FieldhusUniversalBridge）DFI302。该设备将PCI卡与PC机通过PC总线进行并行通信改为借助以太网及TCP/IP协议与PC机进行串行通信的方式，使系统构成具有更大的灵活性与通用性，