一、基金會現場總線FF（FoudationFieldbus）的應用研究
　　
　　1.1基金會現場總線概述
　　
　　基金會現場總線是針對工業過程重要實時控制應用而設計的一種現場總線。它包含H1（31.25kb/s）低速總線和HSE（HighSpeedEthernet,l00Mb/s）高速總線。Hl更多的是從工業過程和DCS應用考慮，為滿足現場儀表和簡單控制回路的通訊需要而開發。Hl總線的波特率低，難以滿足大系統要求，也不能滿足制造工業快速過程的需要；HSE是以太網為基礎的高速現場總線，它與Hl可組成兩級通訊網絡，實現大系統的實時控制和信息管理功能。
　　
　　1.2基金會現場總線特點
　　
　　基金會現場總線zui大特點是在現場儀表和設備中使用功能塊，即在現場直接使用功能塊構筑具體控制系統。所以基金會現場總線不僅僅是信號和通訊標準，而且是一個系統標準。基金會現場總線功能塊和PLC/DCS中使用的功能塊有一定區別，是一個獨立的應用體系，每個功能塊都有多種參數可以組態。
　　
　　1.3基金會現場總線控制系統試驗
　　
　　1.3.1現場總線試驗系統的組成
　　
　　為了研究FF現場總線的工程應用特點和性能構建了一套基本的、完整的FCS控制系統，包含SmarSystem302系統（FF現場總線）的網關橋路控制器（DFI302）、FF變送器、FF閥門定位器，上位機、橋路控制器通過HUB鏈入HSE。其中，網關橋路控制器既作為HSE與Hl間的網關鏈接設備以及不同H1支路間的網橋，而且作為系統控制器。FF現場總線試驗系統實際接線見圖1。　　
　　H1總線掛接設備數量受限于下列4點：（1）供電限制；（2）運行速度限制；設備運行時間小于250ms時，一條H1總線可掛接4個現場設備；（3）危險級限制。如Hl總線上的某設備故障或損壞可能造成企業重大損失，這樣的設備只能接1個;（4）總線通訊周期。
　　
　　1.3.2H1總線的通訊方式
　　
　　Hl總線的掃描周期分為宏周期和監控周期。一個宏周期由所謂的背景通訊周期和控制掃描（運算）周期構成?？刂茠呙瑁ㄟ\算）周期將總線上所有節點的功能塊間的鏈接通訊完成1次，背景通訊則完成各節點與操作站的信息交換。若干個宏周期后所有節點與操作站完成一次信息交換，稱為監控周期。宏周期時間由鏈接通訊和功能塊執行時間及背景通訊周期構成，一般為幾百毫秒，監控周期則需要（1～2）s。背景通訊周期可以調整。背景通訊周期延長則將使宏周期加長，但可能使監控周期縮短；因為較少的宏周期就可以將總線上傳到操作站的數據刷新一次。Hl總線速度較慢，僅適合于慢過程的控制。
　　
　　1.3.3組態及運行試驗
　　
　　在圖1的試驗系統中，分別進行了2個試驗；　　
　　試驗1:l號Hl總線上的2臺設備構成1個閉環控制回路，組態4個功能塊；　　
　　試驗2:l號H1和2號Hl總線上的3臺設備、網橋控制器構成閉環控制回路，組態8個功能塊;其中l號Hl總線的設備中，組態下裝了5個功能塊，2號Hl總線的設備中組態下裝了2個功能塊，在網橋控制器DFI302中還組態了1個功能塊。試驗2組態如圖2所示。圖中:數宇1表示該功能塊下載至掛在1號Hl總線上的現場設備中;數字2表示該功能塊下載至掛在2號Hl總線上的現場設備中;"橋"表示該功能塊放在網關網橋控制器的CPU中;AI為模擬量輸入;LDCONS為常數設定;∑為加法器;f（x）為函數;PID為調節器;AO為模擬量輸出。試驗結果見表1。　　
　　1.3.4應用特點分析
　　
　　在上述試驗中，現場過程信息采集和簡單閉環控制系統分散到現場智能儀表和設備中，實現了*的功能分散和風險分散的目的?；痣姀S控制系統中大約有73%%功能可以分散到現場，這樣將大大減輕控制器的負荷，從而可減少控制器數量，降低控制系統的投資。試驗看出Hl總線的速率較低，為了傳輸狀態、診斷等非實時信息，總線通訊的宏周期可能大于250ms。比較試驗1和2看出，一條Hl總線上如掛的設備不變，則控制周期不變，但如功能塊組態的數量不同，則背景通訊周期也不同，會使宏周期變化。因此，對于動態特性較慢的單回路熱工控制對象，可分散到Hl總線的設備中進行控制。對于把控制回路的功能分散到多條Hl總線的系統，其宏周期的計算，是按宏周期zui長的Hl總線來計算控制回路的宏周期。因此，能利用一條Hl總線上的設備完成一個回路的控制，如要用多條Hl總線設備共同進行一個回路的控制，不僅宏周期增大，而且需要網橋控制器介入，將會降低功能分散的程度。
　　
　　二、Profibus現場總線（ProcessField-bus）的應用研究
　　
　　2.lProfibus現場總線概述
　　
　　Profibus現場總線是以PLC應用為主、標準化、全開放的總線，可以將不同廠商但遵循同一協議規范的儀表、設備連結組成系統。Profibus現場總線由以下3部分組成。
　　
　?。╨）ProfibusFMSFMS是一個令牌結構的實時網絡。目前國內實際應用中大多使用100Mb/s的工業以太網來代替它。
　　
　　（2）ProfibusDPDP用于現場層的高速數據傳送。DP主要用于制造業自動化中每個控制分站中控制器與電動執行器及相關分布式I/O機架的連接。DP的傳輸速率為12Mb/s，掃描1000個I/O點的時間小于lms。傳輸媒介使用的屏蔽雙絞線，對于遠距離的傳輸，可通過光纜和光纖鏈路模塊（OLM）構成冗余環網，使用Y-LINK耦合器將雙路的冗余光環合二為一，形成現場DP支路。具有DP總線智能接口的設備如分布式I/O、電機控制和保護單元、變頻器和超聲波液位計等可直接連接到DP支路上。
　　
　?。?）ProfibusPAPA總線專為過程自動化設計，其功能類似于FF現場總線的Hl低速總線，用于連接來自不同廠商的過程自動化儀表，如流量變送器、液位變送器、壓力變送器、溫度變送器及閥門定位器執行機構等。PA總線的傳輸距離zui大為1900m，傳輸介質為雙絞線，總線供電，并具有本質安全特征。PA總線通過DP/PA耦合器與上層的DP總線相連，通過DP總線將過程信息向上傳輸。
　　
　　2.2Profibus現場總線的循環數據通訊和非循環數據通訊
　　
　　Profibus現場總線主站間采用令牌通訊，主站和從站間采用主、從輪詢通訊。主、從站通訊分為循環數據通訊和非循環數據通訊。
　　
　　（1）循環數據通訊對于主、從站間交換的控制命令、主要運行狀態數據、過程參數等實時數據，在每個通訊循環周期內保證傳送一遍。這此數據通過設備描述文件（GSD文件）或行規描述文件（EDD文件）定義，有的可以在系統組態時選擇、定義。循環數據的數量會受到系統實時性要求、系統設備類型等因素的限制。
　　
　　（2）非循環數據通訊對于從站的診斷、輔助狀態數據、參數化數據等，采用非周期性的通訊方式，即只有在主站發出通訊請求時，才進行傳送。非循環數據的通訊請求，需要在主站（PLC）開發相應的軟件或組態才能實現，如設備管理軟件、組態讀/寫功能塊等。非循環數據的傳輸數量一般與從站已開發的參數有關，對于DP總線還與通訊協議有關。擴展的DP協議（DPVl）比標準DP協議所能提供的非循環數據會成倍增加。
　　
　　2.3Profibus現場總線控制系統試驗
　　
　　2.3.lProfibus現場總線試驗系統的組成
　　
　　為了研究Profibus現場總線技術在電廠的應用，針對某大型火電廠4×1000MW機組水處理控制系統，構建了實驗室Profibus試驗系統。試驗系統包含了Profibus系統現場應用的主要技術元素。
　　
　?。?）硬件設備1套完整的西門子S7-400H冗余PLC主控制器;通過交換機式工業以太網連接PLC、上位機（操作員站、工程師站）;為了更加真實的模擬現場環境和應用技術，通過光纖鏈路模塊（OLM）和Y-LINK耦合器構成的DP支路及在DP支路上掛接2臺ET2OOX分布式I/O設備（它連接了氣動閥門控制單元-閥島）、l臺MultiRanger超聲波液位計和1臺SIMOCODE-DP（PDM）智能電機控制和保護單元;自現場OLM的DP之后，連接DP鏈接器和DP/PA耦合器，形成PA支路，PA支路上掛接1臺差壓變送器（ABB）、1臺壓力變送器（ABB）、1臺磁翻板液位計（上海產）。試驗系統如圖3所示。　　
　　（2）軟件配置操作員站采用Windows2000操作系統（中文），系統組態軟件采用西門子STEP7，現場總線儀表管理和診斷軟件采用SIMATICPDM。
　　
　　2.3.2信息傳輸試驗
　　
　　分別對DP和PA設備、儀表的性能進行試驗。DP設備以智能電機控制和保護單元（SIMOCODE）為代表，PA儀表以差壓變送器為代表進行分析。
　　
　　2.3.2.1電機控制和保護單元
　　
　　SIMOCODE具有一定的編程功能。其內部提供了4個真值表、6個觸發記憶器、2個記時器、2個計數器，允許用戶對其編程。SIMOCODE不僅能夠完成啟動/停止、自保持等簡單功能，就地的基本保護控制也可以在其中完成。SIMOCODE還具有過載、軟啟動、多種啟動曲線等保護、報警、跳閘功能，允許用戶選擇組態。
　　
　　SIMOCODE作為DP網絡上的從站，循環數據通訊:DP主站指令4字節（Byte），反饋至DP主站（4～12）個字節;非循環數據通訊:標準DP協議20字節，DPVl擴展協議213字節。
　　
　　（1）循環通訊數據試驗試驗中定義19個字節反饋信息。其中固定信息包括正轉、反轉、停止、自動/手動、過載報警、電氣報警、電氣故障等狀態。允許用戶定義的部分有:斷路器保護跳閘、斷路器異常失電、母線電壓低。這3個自定義信號作為保護跳閘條件，在SIMOCODE中編程，實現就地保護跳閘功能。試驗中讀取的模擬量信息:電機電流、電機累計啟動次數、計數器1值、計數器2值、傳感器值（電機線圈熱電阻）。試驗中定義了1字節DP主站指令，實現對電機的控制。對循環數據通訊，組態PLC映射地址，實現了對SIMOCODE進行周期性的循環讀寫、查詢。
　　
　　（2）非循環通訊數據試驗標準DP協議共20字節。包含的狀態信息有接地報警/跳閘、過載報警/跳閘、熱電阻超溫報警/跳閘、三相不對稱且過載報警/跳閘、電機堵轉跳閘、PLC、CPU故障等;模擬量信息包括zui近一次過載跳閘電流、過載跳閘累計次數、電機運行小時數。通過PLC編程和設定條件，非周期性地讀取這些數據到緩存區中，供診斷、管理和參數調整使用。　　
　　利用上述數據，設計了中文界面的電機操作和診斷功能（圖4）。其中狀態和診斷信息包含了上述循環和非循環通訊的數據。顯示分為運行狀態部分、報警狀態部分和跳閘故障狀態部分等三個區域。
　　
　　2.3.2.2差壓變送器（PA儀表）
　　
　　差壓變送器的循環數據通訊可使用l0字節，分為2組，代表變送器測量的2個物理量及其狀態。第1組5字節是流量或差壓測量值（浮點數）及其狀態，第2組5字節為差壓或溫度測量值及其狀態。狀態字節共8位分3段，分別表示測量值質量好、壞或值不確定3種狀態，在每種狀態中還細分為多個子狀態。根據變送器的循環數據通訊，設計了中文界面的狀態、診斷信息窗（圖5）。"質量好"的子狀態包括正常、高1/高2報警、低1/低2報警、事件更新;"質量壞"子狀態包括設置錯誤、設備故障;"值不確定"子狀態包括超出設定值范圍、設備重啟為更新、手動模擬狀態、補償傳感器失靈等。　　
　　PA儀表的非循環數據讀寫比較復雜，需要使用軟件，如西門子的設備管理軟件PDM。磁翻板液位變送器的循環數據通訊為5字節，是1個浮點數測量值和一個8位的狀態字節。狀態字節的定義與差壓變送器類似。
　　
　　2.3.3工程應用特點
　　
　　通過上述試驗確定了Profibus現場總線實際應用較為切實的方案。
　　
　　系統結構:以冗余DP光環連接主站（PLC）與各DP支路鏈路器從站作為系統主控通訊網（可達12Mb/s）,DP支路鏈路器分布在現場，它發出DP支路（187.2kb/s～1.5Mb/s）連接DP現場儀表、設備和PA儀表，形成設備級通訊網。PLC與操作員站、工程師站以工業以太網（1OOMb/s）作為車間監控通訊網。
　　
　　系統功能實現和軟件:傳統功能如控制、數據采集等主要在PLC中實現。利用Profibus的循環數據通訊以及部分非循環數據通訊開發中文界面的儀表、設備診斷以及遠程參數化功能。利用設備管理軟件PDM對PA儀表和SIMOCODE實現遠程參數整定和編程。
　　
　　系統設計和安裝:大大減少了電纜設計、敷設和接線安裝。如1臺電機控制在傳統的DCS設計中有6個開關量和1個模擬量，需要7條電纜;采用SIMO-CIDE-DP后，每一條DP支路上至少可以掛10臺電機控制和保護單元，布線數量是傳統DCS布線的1/70。以一個電磁閥箱有2個雙電控、6個單電控的電磁閥計算，傳統PLC設計需要1O個DO、16個DI信號;采用DP遠程I/O和閥島后，一條DP支路按掛4個電磁閥箱計（實際可掛8～10個），則布線數量只有傳統PLC設計的1/104。布線的大幅減少使設計、現場安裝、調試的工作量大大減輕。
　　
　　三、結語
　　
　　通過對FF和Profibus現場總線進行以工程應用為目的的試驗研究，構建了針對某大型火電廠水處理控制系統的FCS試驗系統，可以直接應用于工程實踐。現場總線可使電廠控制系統實現高度信息化和智能化，總體節?。ㄔO計、設備、材料、布線、施工、維護等）貫穿系統的壽命全周期，且系統規模越大，其*性更加明顯。