一、基金會現(xiàn)場總線FF（FoudationFieldbus）的應用研究
　　
　　1.1基金會現(xiàn)場總線概述
　　
　　基金會現(xiàn)場總線是針對工業(yè)過程重要實時控制應用而設計的一種現(xiàn)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(yè)過程和DCS應用考慮，為滿足現(xiàn)場儀表和簡單控制回路的通訊需要而開發(fā)。Hl總線的波特率低，難以滿足大系統(tǒng)要求，也不能滿足制造工業(yè)快速過程的需要；HSE是以太網(wǎng)為基礎的高速現(xiàn)場總線，它與Hl可組成兩級通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)大系統(tǒng)的實時控制和信息管理功能。
　　
　　1.2基金會現(xiàn)場總線特點
　　
　　基金會現(xiàn)場總線zui大特點是在現(xiàn)場儀表和設備中使用功能塊，即在現(xiàn)場直接使用功能塊構筑具體控制系統(tǒng)。所以基金會現(xiàn)場總線不僅僅是信號和通訊標準，而且是一個系統(tǒng)標準。基金會現(xiàn)場總線功能塊和PLC/DCS中使用的功能塊有一定區(qū)別，是一個獨立的應用體系，每個功能塊都有多種參數(shù)可以組態(tài)。
　　
　　1.3基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)試驗
　　
　　1.3.1現(xiàn)場總線試驗系統(tǒng)的組成
　　
　　為了研究FF現(xiàn)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(tǒng)，包含SmarSystem302系統(tǒng)（FF現(xiàn)場總線）的網(wǎng)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(wǎng)關橋路控制器既作為HSE與Hl間的網(wǎng)關鏈接設備以及不同H1支路間的網(wǎng)橋，而且作為系統(tǒng)控制器。FF現(xiàn)場總線試驗系統(tǒng)實際接線見圖1。　　
　　H1總線掛接設備數(shù)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(xiàn)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(yè)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(jiān)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。控制掃描（運算）周期將總線上所有節(jié)點的功能塊間的鏈接通訊完成1次，背景通訊則完成各節(jié)點與操作站的信息交換。若干個宏周期后所有節(jié)點與操作站完成一次信息交換，稱為監(jiān)控周期。宏周期時間由鏈接通訊和功能塊執(zhí)行時間及背景通訊周期構成，一般為幾百毫秒，監(jiān)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(jiān)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(shù)據(jù)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(tài)及運行試驗
　　
　　在圖1的試驗系統(tǒng)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(huán)控制回路，組態(tài)4個功能塊；　　
　　試驗2:l號H1和2號Hl總線上的3臺設備、網(wǎng)橋控制器構成閉環(huán)控制回路，組態(tài)8個功能塊;其中l(wèi)號Hl總線的設備中，組態(tài)下裝了5個功能塊，2號Hl總線的設備中組態(tài)下裝了2個功能塊，在網(wǎng)橋控制器DFI302中還組態(tài)了1個功能塊。試驗2組態(tài)如圖2所示。圖中:數(shù)宇1表示該功能塊下載至掛在1號Hl總線上的現(xiàn)場設備中;數(shù)字2表示該功能塊下載至掛在2號Hl總線上的現(xiàn)場設備中;"橋"表示該功能塊放在網(wǎng)關網(wǎng)橋控制器的CPU中;AI為模擬量輸入;LDCONS為常數(shù)設定;∑為加法器;f（x）為函數(shù);PID為調節(jié)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(xiàn)場過程信息采集和簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)分散到現(xiàn)場智能儀表和設備中，實現(xiàn)了*的功能分散和風險分散的目的。火電廠控制系統(tǒng)中大約有73%%功能可以分散到現(xiàn)場，這樣將大大減輕控制器的負荷，從而可減少控制器數(shù)量，降低控制系統(tǒng)的投資。試驗看出Hl總線的速率較低，為了傳輸狀態(tài)、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(tài)的數(shù)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(tài)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(tǒng)，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(wǎng)橋控制器介入，將會降低功能分散的程度。
　　
　　二、Profibus現(xiàn)場總線（ProcessField-bus）的應用研究
　　
　　2.lProfibus現(xiàn)場總線概述
　　
　　Profibus現(xiàn)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(xié)議規(guī)范的儀表、設備連結組成系統(tǒng)。Profibus現(xiàn)場總線由以下3部分組成。
　　
　　（l）ProfibusFMSFMS是一個令牌結構的實時網(wǎng)絡。目前國內實際應用中大多使用100Mb/s的工業(yè)以太網(wǎng)來代替它。
　　
　　（2）ProfibusDPDP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。DP主要用于制造業(yè)自動化中每個控制分站中控制器與電動執(zhí)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(huán)網(wǎng)，使用Y-LINK耦合器將雙路的冗余光環(huán)合二為一，形成現(xiàn)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。
　　
　　（3）ProfibusPAPA總線專為過程自動化設計，其功能類似于FF現(xiàn)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(zhí)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(xiàn)場總線的循環(huán)數(shù)據(jù)通訊和非循環(huán)數(shù)據(jù)通訊
　　
　　Profibus現(xiàn)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(huán)數(shù)據(jù)通訊和非循環(huán)數(shù)據(jù)通訊。
　　
　　（1）循環(huán)數(shù)據(jù)通訊對于主、從站間交換的控制命令、主要運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、過程參數(shù)等實時數(shù)據(jù)，在每個通訊循環(huán)周期內保證傳送一遍。這此數(shù)據(jù)通過設備描述文件（GSD文件）或行規(guī)描述文件（EDD文件）定義，有的可以在系統(tǒng)組態(tài)時選擇、定義。循環(huán)數(shù)據(jù)的數(shù)量會受到系統(tǒng)實時性要求、系統(tǒng)設備類型等因素的限制。
　　
　　（2）非循環(huán)數(shù)據(jù)通訊對于從站的診斷、輔助狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)化數(shù)據(jù)等，采用非周期性的通訊方式，即只有在主站發(fā)出通訊請求時，才進行傳送。非循環(huán)數(shù)據(jù)的通訊請求，需要在主站（PLC）開發(fā)相應的軟件或組態(tài)才能實現(xiàn)，如設備管理軟件、組態(tài)讀/寫功能塊等。非循環(huán)數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)量一般與從站已開發(fā)的參數(shù)有關，對于DP總線還與通訊協(xié)議有關。擴展的DP協(xié)議（DPVl）比標準DP協(xié)議所能提供的非循環(huán)數(shù)據(jù)會成倍增加。
　　
　　2.3Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)試驗
　　
　　2.3.lProfibus現(xiàn)場總線試驗系統(tǒng)的組成
　　
　　為了研究Profibus現(xiàn)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(tǒng)，構建了實驗室Profibus試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)包含了Profibus系統(tǒng)現(xiàn)場應用的主要技術元素。
　　
　　（1）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(yè)以太網(wǎng)連接PLC、上位機（操作員站、工程師站）;為了更加真實的模擬現(xiàn)場環(huán)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(xiàn)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(tǒng)如圖3所示。　　
　　（2）軟件配置操作員站采用Windows2000操作系統(tǒng)（中文），系統(tǒng)組態(tài)軟件采用西門子STEP7，現(xiàn)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(fā)記憶器、2個記時器、2個計數(shù)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(tài)。
　　
　　SIMOCODE作為DP網(wǎng)絡上的從站，循環(huán)數(shù)據(jù)通訊:DP主站指令4字節(jié)（Byte），反饋至DP主站（4～12）個字節(jié);非循環(huán)數(shù)據(jù)通訊:標準DP協(xié)議20字節(jié)，DPVl擴展協(xié)議213字節(jié)。
　　
　　（1）循環(huán)通訊數(shù)據(jù)試驗試驗中定義19個字節(jié)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(tài)。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(xiàn)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(shù)、計數(shù)器1值、計數(shù)器2值、傳感器值（電機線圈熱電阻）。試驗中定義了1字節(jié)DP主站指令，實現(xiàn)對電機的控制。對循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，組態(tài)PLC映射地址，實現(xiàn)了對SIMOCODE進行周期性的循環(huán)讀寫、查詢。
　　
　　（2）非循環(huán)通訊數(shù)據(jù)試驗標準DP協(xié)議共20字節(jié)。包含的狀態(tài)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(shù)、電機運行小時數(shù)。通過PLC編程和設定條件，非周期性地讀取這些數(shù)據(jù)到緩存區(qū)中，供診斷、管理和參數(shù)調整使用。　　
　　利用上述數(shù)據(jù)，設計了中文界面的電機操作和診斷功能（圖4）。其中狀態(tài)和診斷信息包含了上述循環(huán)和非循環(huán)通訊的數(shù)據(jù)。顯示分為運行狀態(tài)部分、報警狀態(tài)部分和跳閘故障狀態(tài)部分等三個區(qū)域。
　　
　　2.3.2.2差壓變送器（PA儀表）
　　
　　差壓變送器的循環(huán)數(shù)據(jù)通訊可使用l0字節(jié)，分為2組，代表變送器測量的2個物理量及其狀態(tài)。第1組5字節(jié)是流量或差壓測量值（浮點數(shù)）及其狀態(tài)，第2組5字節(jié)為差壓或溫度測量值及其狀態(tài)。狀態(tài)字節(jié)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(tài)，在每種狀態(tài)中還細分為多個子狀態(tài)。根據(jù)變送器的循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，設計了中文界面的狀態(tài)、診斷信息窗（圖5）。"質量好"的子狀態(tài)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(tài)包括設置錯誤、設備故障;"值不確定"子狀態(tài)包括超出設定值范圍、設備重啟為更新、手動模擬狀態(tài)、補償傳感器失靈等。　　
　　PA儀表的非循環(huán)數(shù)據(jù)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(huán)數(shù)據(jù)通訊為5字節(jié)，是1個浮點數(shù)測量值和一個8位的狀態(tài)字節(jié)。狀態(tài)字節(jié)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(xiàn)場總線實際應用較為切實的方案。
　　
　　系統(tǒng)結構:以冗余DP光環(huán)連接主站（PLC）與各DP支路鏈路器從站作為系統(tǒng)主控通訊網(wǎng)（可達12Mb/s）,DP支路鏈路器分布在現(xiàn)場，它發(fā)出DP支路（187.2kb/s～1.5Mb/s）連接DP現(xiàn)場儀表、設備和PA儀表，形成設備級通訊網(wǎng)。PLC與操作員站、工程師站以工業(yè)以太網(wǎng)（1OOMb/s）作為車間監(jiān)控通訊網(wǎng)。
　　
　　系統(tǒng)功能實現(xiàn)和軟件:傳統(tǒng)功能如控制、數(shù)據(jù)采集等主要在PLC中實現(xiàn)。利用Profibus的循環(huán)數(shù)據(jù)通訊以及部分非循環(huán)數(shù)據(jù)通訊開發(fā)中文界面的儀表、設備診斷以及遠程參數(shù)化功能。利用設備管理軟件PDM對PA儀表和SIMOCODE實現(xiàn)遠程參數(shù)整定和編程。
　　
　　系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)量是傳統(tǒng)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(tǒng)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(shù)量只有傳統(tǒng)PLC設計的1/104。布線的大幅減少使設計、現(xiàn)場安裝、調試的工作量大大減輕。
　　
　　三、結語
　　
　　通過對FF和Profibus現(xiàn)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(tǒng)的FCS試驗系統(tǒng)，可以直接應用于工程實踐。現(xiàn)場總線可使電廠控制系統(tǒng)實現(xiàn)高度信息化和智能化，總體節(jié)省（設計、設備、材料、布線、施工、維護等）貫穿系統(tǒng)的壽命全周期，且系統(tǒng)規(guī)模越大，其*性更加明顯。