FF现场总线控制技术的组态应用

摘 要：介绍了现场总线的特点，分析了基金会现场总线的几个关键技术。并且结合作者的实践，介绍了基金会现场总线控制系统的组态方法，指出了基金会现场总线控制系统组态过程中要注意的问题。
关键词：现场总线；基金会现场总线；设备描述语言；功能块；组态
现场总线是全数字化分布式底层控制网络，自他产生后，就引起控制领域的科研人员的广泛关注。但是，长期以来由于各个大组织在大型跨国公司的支持下，为制定统一的国际标准造成了巨大的阻力，形成了各大总线共存的局面。经过有关各方的共同努力和协商妥协,FF(Foundation Fieldbus，基金会现场总线)等7种现场总线在1999年年底的投票表决中获得通过,FF现场总线也成为了一种极有发展前景的现场总线。
1FF现场总线的特点
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欧洲部分国家也加入了FF。FF总线由低速(H1)和高速(HSE，High Speed Ethernet)2部分组成。低速H1部分将ISO/OSI七层参考模型结构简化为物理层、数据链路层、应用层，再加上用户层，形成4层结构。同时，为了适应以太网技术的发展，现场总线基金会放弃了其原来规划的Ｈ2高速总线标准，并于2000年3月29日公布了基于Ethernet的高速总线技术规范(HSE 1.0版)。
在现场总线技术的发展过程中，Smar公司开发了一系列现场总线产品，成为了现场总线技术中的领先者，SYSTEM 302是Smar公司总结系统工程方面的经验后开发的全数字化现场总线系统。下面介绍一下在利用Smar公司SYSTEM 302 现场总线系统进行组态时遇到的2个重要概念：
(1) DD(Device Description,设备描述)
DD是属于FF的报文规范层（FMS,Fieldbus Message Speciafication）的一个内容。设备描述DD是为虚拟现场设备VFD中的每个对象提供扩展描述，为控制系统或主机在理解VFD 中数据的意义提供必要的信息，因此，DD 可被看作是设备的一个驱动器。在每次组态设备之间必须确认是否安装该设备的设备描述语言。
(2)Function Block（功能模块，FB）
功能块应用进程位于FF总线通信模型的最高层用户层。FF用户层协议将实现控制系统所需的各种功能封装为通用的模块结构，并定义他们的输入、输出、算法、事件及控制图等内容，从而形成了功能模块FB。
FF现场总线把功能块FB主要分成了3类：资源块(Resource Block)、转换块(Transducer Block)、功能块FB。资源块描述了诸如设备名、生产厂家和序号等的现场总线设备特征。一台设备只有一个资源块。转换块把功能块从读传感器和命令输出硬件的本地输入/输出的功能分开，还包含标定日期和传感器类型等信息。每个输入或输出功能块通常就是一个转换块。功能块提供了控制系统行为。功能块的输入和输出通过现场总线相连接。每个功能块的执行被精确地调度。在一个用户应用中可以有多个功能块。
功能块FB技术是FF现场总线实现分布式控制的一项重要手段。在FF现场总线中，FCS废弃了DCS的输入/输出单元和工作站，把DCS的工作站的功能块分配给现场仪表，构成虚拟工作站。FF的功能块可以供用户自由选择，可统一组态，构成所需的控制系统，实现了彻底的分散控制。许多控制系统功能，诸如模拟输入输出、PID控制等功能都可以通过使用功能块由现场设备完成。
现场总线的技术特点包括很多方面，以上所述是在组态过程中遇到的2个重要概念及难点，在此做简单说明。
2组态基金会现场总线系统
现场总线的组态既与传统的DCS系统组态有共同之处，也有一定的差别。本部分主要结合笔者的实践来介绍现场总线组态的内容。
2.1系统的结构
为了推动南京工业大学对现场总线技术的研究，我校曾于2001年8月从Smar公司引进了一套现场总线系统。系统的结构如图1所示。

本系统由2个部分组成，其中：2个LD302压力变送器和阀门定位器FY302构成压力控制系统。LD302采集容器中的的压力信号，并将其转换为符合FF协议的标准信号发送到FF现场总线网络中，阀门定位器FY302根据系统的设定值和操作阈度，输出相应的模拟信号驱动控制阀，使系统的压力保持恒定；2个TT302温度变送器和现场总线(FF)到电流转换器FI302构成温度控制系统。TT302采集温度信号，并将其转换为符合FF协议的标准信号发送到FF现场总线网络中，现场总线(FF)到电流转换器FI302根据设定值和操作阈度，输出适当电流驱动可控硅，可控硅控制温度对象的输入电压，从而使温度对象保持恒温。这2个系统构成现场总线的H1网段。H1系统通过DF51网关与上位机相连。
2.2控制系统组态
系统的控制组态使用Smar公司推出的SYSTEM 302系统。SYSTEM 302是一套完整的现场总线控制方案，采用现场总线、Windows 和OPC 等先进技术，真正基于现场设备，系统可以处理各种信号，进行连续控制，离散逻辑控制和批处理控制，支持通过了基金会验证设备互操作性，真正实现了分布式控制。
使用SYSTEM 302 组态，首先要使用FBTools Wizard正确地设置网关，也就是H1网段与上位机之间的通信方式，以保证网关能够与上位机之间进行通信。SYSTEM 302提供的接口方式有PCI和DFI 302，此处使用DFI 302。
在DF51处于正常的RUN状态，确认要使用的所有设备的DD安装完毕以后，才可以使用SYSTEM 302的一个重要组成部分SYSCON进行系统的组态。SYSTEM 302系统可以很方便地安装新设备的DD。在安装目录的Device Support下建立该设备的活页夹，按照厂家提供的手册，添加该设备的Manufacturer ID，Device Type，EJA Device Type信息，同时在Standartini文件的Manufacturer By ID部分添加该设备的ID。

SYSCON将一个现场总线项目分为2部分：逻辑设备和物理设备。
逻辑设备是在组态项目中用到的逻辑连接，例如功能块、组态的策略等。网络上连接的各种现场设备在物理设备部分说明，例如网桥的配置、网段上设备的分布等。添加网络上的所有智能仪表到物理部分，并添加相应的功能块，设置功能块的部分参数，在SYSTEM 302中，资源块RES、转换块TRS、显示块DSP是每个设备都必须的功能块，例如可以为传感器（如TT302）添加AI功能块，为执行器添加AO功能块，PID功能块既可以添加在传感器中，也可以添加到执行器中。笔者在组态过程中，除了为每个物理设备添加资源块RES、转换块TRS、显示块DSP外，把PID功能块和AO功能块添加到阀门定位器FY302和电流转换器FI302，变送器还需AI功能块，如图2所示。



逻辑组态完毕，设置变化范围功能块的XD_SCALE、设定值SP等参数后，为控制策略选择功能块，按设计的控制算法逻辑连接相应的功能块的输入输出，就完成了控制策略组态。例如本系统中，PID温度单回路控制选择TT302的AI功能块和FI302的PID功能块、FI302的AO功能块，同时把输入输出相连。在SYSCON中，可以先建立物理设备，设置所有的功能块，再建立控制策略。也可以先建立逻辑设备，再添加物理设备，但是，工程人员必须合理规划需要使用的功能块。控制策略的离线组态已经完成后，合理设置系统的通信方式，待网桥与总线上的所有设备通信正常后，下载控制策略。
2.3操作界面组态
界面组态使用Smar公司提供的AIMAX。使用AIMAX的关键是与SYSTEM 302之间的数据连接，Smar公司采取了OPC方式。在FF组态系统的工作站，DFI OLE SERVER与现场设备之间通过网关以3125 kB/s不断进行数据交换，DFI OLE SERVER 提供了OPC接口供用户使用。AIMAX使用这个接口把DFI OLE SERVER的数据对象通过位号不断地导入自己的数据库中。绘制系统的结构图，建立自己的实时曲线组、历史曲线组，并为他们设置相应的数据点对象。操作界面组态完毕。
3结语
本实验系统由于采用了先进的现场总线技术，使用灵活，为科研和教学提供了极大的方便。