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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,3,章 几种流行的现场总线,3.1,基金会现场总线,3.2,Profibus,现场总线,3.3 LonWorks,3.4CAN,总线,3.5,小节,2024/11/19,1,第3章 几种流行的现场总线3.1基金会现场总线2023/9,3.1,基金会现场总线,3.1.1,基金会现场总线概述,3.1.2,基金会现场总线通信系统的构成,3.1.3,基金会现场总线网络拓扑,3.1.4,基金会现场总线通信模型,3.1.5,基金会现场总线的功能块,3.1.6,基金会现场总线通信控制器,FB3050,3.1.7,基金会现场总线的组态,3.1.8,一致性与互操作性测试,3.1.9,基金会现场总线的应用设计与实例,2024/11/19,2,3.1 基金会现场总线2023/9/292,3.1.1,基金会现场总线概述,FF,发展的简单回顾,FF,的技术特点,2024/11/19,3,3.1.1基金会现场总线概述FF发展的简单回顾2023/9/,FF,基金会和,FF,总线协议的起源,在工业自动化领域，,ISP,北美分会和,World FIP,合并成立了现场总线基金会,FF,（,Fieldbus Foundation,）,ISP,包括,Fisher-Rosemount,，,Smar,，,E+H,，,Siemens,，,Yokogawa,等100多家，以德国标准,PROFIBUS,为基础制定现场总线。,World FIP,包括,Honeywell,，,Allen-Bradley,，,Elsag Bailey,等120多家，以法国标准,FIP,（,Factory Instrumentation Protocol,）,为基础制定现场总线。,FF,基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备和,DCS,制造厂商，研究机构和最终用户。现有基金会成员120余家，以及诸多最终用户组成的顾问委员会。,FF,的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总线标准。,2024/11/19,4,FF基金会和FF总线协议的起源在工业自动化领域，ISP北美分,FF,标准系列,用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接的,H1,（,31.25K,）,用于高速，制造业自动化或者车间自动化的以快速以太网为基础的,FF-HSE,2024/11/19,5,FF标准系列用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联,FF,的技术特点,适用于过程自动化的低速部分,FF-H1,支持总线供电,支持本质安全,令牌总线访问机制,内容广泛的用户层,基于以太网的高速部分,HSE,支持,H1,可实现冗余,支持标准的基本功能模块,2024/11/19,6,FF的技术特点 适用于过程自动化的低速部分FF-H12023,3.1.2,基金会现场总线通信系统的构成,2024/11/19,7,3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成2023/9/29,通信系统的主要构成部分,功能块应用进程,对象字典（,OD,）和设备描述（,DD,）,网络通信,网络管理,系统管理,2024/11/19,8,通信系统的主要构成部分功能块应用进程 2023/9/298,2024/11/19,9,2023/9/299,2024/11/19,10,2023/9/2910,网络管理者与网络管理代理,网络管理负责以下工作：,下载虚拟通信关系表VCRL或表中某个单一条目；,对通信栈组态；,下载链路活动调度表LAS；,运行性能监视；,差错判断监视。,系统管理和网络管理,2024/11/19,11,网络管理者与网络管理代理系统管理和网络管理2023/9/29,NMA是一个设备应用进程，它由一个FMS VFD模型表示。在NMA VFD中的对象是关于通信栈整体或各层管理实体(LME)的信息。这些网络管理对象集合在网络管理信息库(NMIB)中，可由NMgr使用一些FMS服务，通过与NMA建立VCR进行访问。,网络管理者、被管理对象、网络管理代理,之间的相互作用关系、,系统管理和网络管理,2024/11/19,12,NMA是一个设备应用进程，它由一个FMS VFD模型表,（4）通信实体,通信实体包含自物理层、数据链路层、现场总线访问子层和现场总线信息规范层直至用户层。,设备的通信实体由各层的协议和网络管理代理共同组成，通信栈是其中的核心。,层管理实体LMEs提供对一层协议的管理能力，它向网络管理代理提供对协议被管理对象的本地接口。,PH-SAP为物理层服务访问点；DL-SAP为数据链路服务访问点；DL-CEP为数据链路连接端点。它们是构成层间虚拟通信关系的接口端点。,层协议的基本目标是提供虚拟通信关系。,FMS提供VCR应用报文服务，如变量读、写。不过，有些设备可以不用FMS，而直接访问FAS。,系统管理和网络管理,2024/11/19,13,（4）通信实体系统管理和网络管理2023/9/2913,现场总线通信实体示意图,系统管理和网络管理,2024/11/19,14,现场总线通信实体示意图 系统管理和网络管理2023/9/29,系统管理内核除采用FMS服务外，还可在经过系统管理内核协议直接访问数据链路层。,FAS对FMS和应用进程提供VCR报文传送服务，把这些服务映射到数据链路层。FAS提供VCR端点对数据链路层的访问，为运用数据链路层提供了一种辅助方式。在FAS中还规定了VCR端点的数据联络能力。,数据链路层为系统管理内核协议和总线访问子层访问总线媒体提供服务。访问通过链路活动调度器进行，访问可以是周期性的，也可是非周期的。,数据链路层的操作被分成两层，一层提供对总线的访问，一层用于控制数据链路用户之间的数据传输。,系统管理和网络管理,2024/11/19,15,系统管理内核除采用FMS服务外，还可在经过系统管理内核协议直,物理层是传输数据信号的物理媒体与现场设备之间的接口。它为数据链路层提供了独立于物理媒体种类的接收与发送能力。,物理层由媒体连接单元、媒体相关子层、媒体无关子层组成。各层协议、各层管理实体和网络管理代理所组成的通信实体协同工作，共同承担网络通信任务。,系统管理和网络管理,2024/11/19,16,物理层是传输数据信号的物理媒体与现场设备之间的接口。它为数据,3.1.3,基金会现场总线网络拓扑,1.,单网段拓扑 2.桥接网络拓扑,PID（链路主设备）,模拟量输入（基本设备）,模拟量输出（基本设备）,单网段拓扑图,2024/11/19,17,3.1.3 基金会现场总线网络拓扑1. 单网段拓扑,LAS,每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为,链路活动调度器,LAS,它的功能是：,认知新设备，并将新设备加入到链路中去；,从链路中除去没有响应的设备；,在链路上发布数据链路时间和调度时间；,在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备；,在调度时间之间，发送优先级驱动的令牌给某设备。,2024/11/19,18,LAS每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器,网桥的功能,转发（,Forwarding,）,置于转发表中，按优先级排队,重发（,Republishing,）,置于重发表中，缓冲型,重发以转发代替，以支持非调度式的传输,数据链路时间重分布,应用时钟时间重分布,DLL,系统管理,2024/11/19,19,网桥的功能转发（Forwarding）DLL系统管理2023,3.1.4,基金会现场总线通信模型,2024/11/19,20,3.1.4 基金会现场总线通信模型2023/9/2920,FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式；,FMS的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据；,FMS和FAS的任务是完成一个应用进程到另一个应用进程的描述，实现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。,2024/11/19,21,FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求,如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层（,FMS,）处理，每帧最多可发送,251,个,8,位字节的用户数据信息；,然后依次送往现场总线访问子层（,FAS,）和数据链路层（,DLL,）；,用户数据信息在,FAS,，,FMS,，,DLL,各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为,CRC,校验码）后，送往物理层将数据打包；,信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。,2024/11/19,22,如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成,现场总线协议数据的生成,2024/11/19,23,现场总线协议数据的生成2023/9/2923,3.1.4.1,物理层,低速现场总线,H131.25Kbps,高速现场总线,H2,采用曼彻斯特编码,3种传输介质：双绞线、光纤和射频,H1,标准下，使用双绞线，现场设备供电方式可以是总线供电，也可以是自供电,2024/11/19,24,3.1.4.1 物理层低速现场总线H131.25Kbps2,FF,协议物理层,H1,标准,低速总线,H1,已完成标准制定(,IEC1158-2),用于过程自动化,直流电压供电范围为9-32,VDC,不考虑本安时一条总线上可以连接32台仪表,两线制传输，最远传输距离1900米,最多可以加四个中继器,拓扑结构：总线型或树型,2024/11/19,25,FF协议物理层H1标准低速总线H1已完成标准制定(IEC11,FF总线拓扑结构,2024/11/19,26,FF总线拓扑结构2023/9/2926,H1总线网段的主要特性参数,传输速率,31.25Kbps,31.25Kbps,31.25Kbps,信号类型,电压,电压,电压,拓扑结构,总线/菊花链/树型,总线/菊花链/树型,总线/菊花链/树型,通信距离,1900m,1900m,1900m,分支长度,120m,120m,120m,供电方式,非总线供电,总线供电,总线供电,本质安全,不支持,不支持,支持,设备数段,232,112,26,2024/11/19,27,H1总线网段的主要特性参数 传输速率31.25Kbps31.,图3-6 FF总线的网络拓扑结构,2024/11/19,28,2023/9/2928,3.1.4.2,数据链路层,数据链路层,DLL(Data Link Layer),DLL,低层（介质访问）功能：,基本设备,BD(Basic Device),不能主动发起通信，只能接收查询；,链路主设备,LMD(Link Master Device),在得到令牌时可以发起一次通信；,链路活动调度器,LAS(Link Active Scheduler),发起周期和非周期通信。,DLL,高层（数据传输）功能：,无连接数据传输；发布/索取数据定向连接传输；请求/响应数据定向连接传输。,2024/11/19,29,3.1.4.2数据链路层数据链路层DLL(Data Link,FF,协议数据链路层,FF,通信采用多主站令牌传递的主从结构,现场总线设备包括,Basic Device,和,Link Master Device,和特殊设备网桥,每一个网络段上存在唯一的特殊主设备,LAS (Link Active Scheduler),，,即链路活动调度器,总线上所有设备发送数据必须得到,LAS,许可,数据的存取分调度传输(,Schedule transfer),和非调度传输(,Unscheduled transfer),2024/11/19,30,FF协议数据链路层FF通信采用多主站令牌传递的主从结构202,链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。,任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。,现场总线仪表与LAS,2024/11/19,31,现场总线仪表与LAS 2023/9/2931,基金会现场总线设备的类型,网关,LM,基本设备,BD,基本设备,BD,基本设备,BD,现场总线 (i),现场总线,FF-HSE,网桥,基本设备,BD,基本设备,BD,现场总线 (i+2),例如：31.25kbps,LM = 链路主设备,LAS,= 现行的链路活动调度器,LAS,= 备份的链路活动调度器,BD = 基本设备,LAS,LAS,LAS,2024/11/19,32,基金会现场总线设备的类型网关LM基本设备基本设备基本设备现场,数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问(数据链路层低层功能)；另一个是在数据链路使用者之间控制数据传输(数据链路层高层功能)。,FF提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方式。无连接方式用于支持报告分发VCR；一种面向连接方式用于支持发布/订阅VCR，另一种面向连接方式用于支持客户/服务器VCR。,2024/11/19,33,数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问(数据链路层,总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。,每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为,链路活动调度器,LAS,，它具备链路活动调度能力，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。,对没有链路活动调度能力的设备来说，其数据链路层要对来自总线的链路数据做出响应，控制本设备对总线的活动。此外在,DLL,层还要对所传输的信息实行帧校验。,2024/11/19,34,总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响,基金会现场总线的通信活动被归纳为两类：,受调度通信与非调度通信。,由链路活动调度器按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动，称为受调度通信。,链路活动调度器内有一个,预定调度时间表,。一旦到了某个设备要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据,(CD,，,compel data),给这个设备。,基本设备收到这个,强制数据信息,，就可以向总线上发送它的信息。,受调度通信一般用于在设备间周期性地传送控制数据。如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。,在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式称为非调度通信。由此可以看到，,FF,通信采用的是令牌总线工作方式。,2024/11/19,35,基金会现场总线的通信活动被归纳为两类：受调度通信与非调度通信,链路活动调度算法,CD = 强制数据,PN = 节点探测包,TD = 时间分配包,PT = 传输令牌,在发布下,一个CD之前有时间,做其他工作否,否,发布,PN, TD 或者 PT等,在发布CD,之前 等待,等待期间发,布空闲报文,发布周期性CD,等待事务完成,是,2024/11/19,36,链路活动调度算法CD = 强制数据在发布下 否发布在发布CD,FF,协议应用层,上层是应用服务 (,Application Layer Services),由,FMS (Fieldbus Messaging Specification),定义，并为用户层提供服务,下层是现场总线,访问,子层,FAS (Fieldbus Access Sublayer ),，,定义与数据链路层连接接口,2024/11/19,37,FF协议应用层上层是应用服务 (Application La,FAS属于应用层的一部分，处于FMS与DLL之间，它利用数据链路层的调度通信和非调度通信作用，可为FMS和应用进程(AP)提供VCR的报文传递服务。,FAS内部可分为三个层次，表现为三个协议机：FAS服务协议机(FSPM)、应用关系协议机(ARPM)、数据链路层映射协议机(DMPM),3.1.4.3,现场总线访问子层,2024/11/19,38,FAS属于应用层的一部分，处于FMS与DLL之间，它利用数据,虚拟通信关系,VCR,VCR,：,预先组态好的通信信道,FF,定义了以下三种,VCR,Publisher/Subscriber,（,发布,者,/预订,者,模式），用于实现缓冲型的一对多通信。,Report Distribution,（,报,文/,分发模式），排队式、非周期的一对多通信。,Client/Server,（,客户机/服务器模式），一对一的、排队式的、非周期通信。,2024/11/19,39,虚拟通信关系VCRVCR：预先组态好的通信信道2023/9/,Publisher/Subscriber & Report Distribution,P/S,（,发布/预订模式）发布者向总线上广播它的信息，希望收到这一发行消息的设备称为预订者。缓冲工作方式是指只有最近发行的数据保留在网络缓冲器中，新的数据会完全覆盖先前的数据。,RD,（,报告分发模式）设备把它的报文分发给预设置的一组地址。这种,VCR,主要用于报警和趋势数据的传送。按照不同的报文类型进行排队。,2024/11/19,40,Publisher/Subscriber & Repor,Client/Server,（,客户/服务器模式）,一个设备对另一个设备发送请求，请求者称为客户，响应这一请求称为服务器,数据通信按优先权排队,利用周期性通信的时间片间隔，不能保证实时性,通信出错后，调用再发程序,2024/11/19,41,Client/Server （客户/服务器模式）一个设备对,3.1.4.4,现场总线报文规范子层,现场总线报文规范,FMS(Fieldbus Messaging Specification),FMS,规定了访问应用进程,AP(Application Process),的报文格式及服务,FMS,与对象字典,OD(Object Diction-ary),配合，为现场总线规定了功能接口,FMS,通过调用,VCR,，,在现场设备之间传递报文,2024/11/19,42,3.1.4.4现场总线报文规范子层现场总线报文规范FMS(F,FMS子层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等，提供了一组服务和标准的报文格式，用户可采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过FMS服务访问功能块应用进程对象以及它们的对象描述。,FMS子层由七个模块组成：虚拟现场设备(VFD)、对象字典管理、通信关系管理、域管理、程序调用管理、变量访问和时间管理。,基金会现场总线报文规范采用抽象语法记法1(ASN.1)。,2024/11/19,43,FMS子层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态,FF,协议用户层,功能块应用过程,设备描述 (,Device Description),对象字典（,Object Dictionary),2024/11/19,44,FF协议用户层功能块应用过程2023/9/2944,设备描述,DD,与设备描述语言,DDL,为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操作，基金会现场总线采用了设备描述技术。,设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，因而也可以看作控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。,设备描述语言是一种进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述器，把,DDL,编写的设备描述的源程序转化为机器可读的输出文件。,现场总线基金会把基金会的标准,DD,和经基金会注册过的制造商附加,DD,写成,CD-ROM,，提供给用户。,2024/11/19,45,设备描述DD与设备描述语言DDL2023/9/2945,它提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特性标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。,便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。,功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。,每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功能块及其相互连接，集成为功能块应用。,3.1.5,基金会现场总线的功能块,2024/11/19,46,它提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模,一般每个功能块相当于把几个专有语言功能块的功能装在一个模块中。,真正使这些功能块变得强有力的是它的,握手,(handshake),能力,，以及使状态信息与数值信息一起,从一个功能块传到另一功能块的能力,。,由于功能块的行为是标准化的，所以这些功能可以跨越几个不同制造商的设备来完成。,功能块还包含使用这些状态信息的,标准停车连锁,和,串级初始化机制,。这就意味着不需要对使用不同语言的附加逻辑进行组态，便可实现这些及许多其他的功能。,工厂不仅仅是从单独的功能块的能力中获得好处，更重要的是从能把这些模块链接起来的标准化互操作性的结合能力中获得好处。,2024/11/19,47,一般每个功能块相当于把几个专有语言功能块的功能装在一个模块中,FF,协议将仪表的功能以功能块、资源块、变送器块等标准结构定义,FF,定义了,29,个标准的“功能块”(,Function BlockFB),基本功能块10个,先进功能块7个,计算功能块7个,辅助功能块5个,设备描述语言,DDL,和对象字典,OD,，,解决功能块模型的标准化和互操作性问题,2024/11/19,48,FF协议将仪表的功能以功能块、资源块、变送器块等标准结构定义,功能块类型,2024/11/19,49,2023/9/2949,典型功能块应用过程,典型PID控制功能块应用过程图,2024/11/19,50,典型功能块应用过程典型PID控制功能块应用过程图2023/9,模块有功能快、转换快、资源块三种，功能块编程语言是基金会现场总线(FF)的一个有机部分，是针对调节控制和过程监测建立策略的理想工具。,（1）资源块,资源块,描述现场总线的设备特征，,表达了现场设备的本地硬件对象及其相关运行参数，如设备类型、设备版本、制造商等。,2024/11/19,51,模块有功能快、转换快、资源块三,资源块部分参数表,2024/11/19,52,资源块部分参数表 2023/9/2952,（2）转换块,描述了现场设备的I/O特性，如传感器和执行器的特性。变换块的参数都是内含的。,7类标准的转换块：带标定的标准压力变换块、带标定的标准温度变换块、带标定的标准液位变换块、带标定的标准流量变换块、标准的基本阀门定位块、标准的先进阀门定位块、标准的离散阀门定位块。,（3）功能块,是参数、算法和事件的完整组合。通过对功能块的连接和组态，构成控制回路，实现控制策略，完成自动化系统的任务。,10个标准基本功能块：模拟量输入（AI）、离散输入（DI）；输出块：模拟量输出（AO）、离散输出（DO）；控制块：手动装载(ML)、控制选择（CS）、偏置（BG）、比例积分（PD）、比例积分微分（PID）、比率系数（RA）。,2.3.3 基金会现场总线的编程语言,2024/11/19,53,（2）转换块2.3.3 基金会现场总线的编程语言 2023/,从输出参数到输入参数，功能块彼此链接。链路中既包括参数数值，又包括参数状态。一个输出参数可以链接到任何数目的输入。,不同设备间功能块的链接通过网络通信实现。同一设备上功能块的链接不需通过总线进行通信，因而会立刻完成并且不占用网络带宽。,资源块和转换块不是控制策略的一部分，它们所有的参数都是内含参数，不可以进行链接。,输入参数也可以链接到另一个输入参数，但仅局限于同一个设备内。,功能块链接,2024/11/19,54,功能块链接2023/9/2954,功能块链接,2024/11/19,55,功能块链接2023/9/2955,3.1.5.2功能块应用进程,功能块应用进程(FBAP)是位于通信栈之上的用户层，主要用来完成用户所需的自动化应用功能；,在设备组态或网络运行期间，AP是否装载进一台设备，取决于该设备的物理能力和AP如何被执行；,在具体结构上，功能块应用进程是由功能块应用对象、对象字典和设备描述三部分组成。,2024/11/19,56,3.1.5.2功能块应用进程功能块应用进程(FBAP)是位于,功能块应用进程提供了一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化.,规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，把按时间反复执行的函数模块化为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。,无论在一个功能块内部执行哪一种算法，实现哪一种功能，它们与功能块外部的连接结构是通用的。,3.1.5.2功能块应用进程,2024/11/19,57,3.1.5.2功能块应用进程2023/9/2957,功能块的内部结构,2024/11/19,58,功能块的内部结构 2023/9/2958,以锅炉汽包水位控制作为典型范例进行分析。,锅炉汽包水位三冲量控制P&I图,一个典型的控制系统,2024/11/19,59,以锅炉汽包水位控制作为典型范例进行分析。 锅炉汽包水位三冲,保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。,水位过高,造成饱和蒸汽带水过多、汽水分离差，使过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，当用于蒸汽透平(汽轮机)的动力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运动的安全与经济性；,水位过低,造成汽包水量太少，负荷有较大变动时，水的汽化速度过快，而汽包内水的全部汽化将导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。,单冲量水位控制系统,是最简单和基本的控制系统。单冲量指只有一个被控变量，即汽包水位。,锅炉汽包水位控制系统的操纵变量总是选用给水流量。根据锅炉水位动态特性分析，该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当负荷变化较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质。,此外，由于蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此会造成控制不及时。,一个典型的控制系统,2024/11/19,60,保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。,考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控(因为蒸汽负荷由用户决定)，因此，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。,考虑到给水流量的扰动影响(例如给水压力变动器)及由于迟延等因素，将给水流量引入到双冲量控制系统中，由此组成了图2.62所示的三冲量水位控制系统。,三冲量汽包水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈-串级反馈控制系统。,一个典型的控制系统,2024/11/19,61,考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控(因为蒸汽负荷,三冲量汽包水位控制系统组态图,一个典型的控制系统,2024/11/19,62,三冲量汽包水位控制系统组态图一个典型的控制系统2023/,AI,功能块通过硬件通道与压力转换块相连，它能对转换块来的信号进行阻尼、开方和量程调整，因此，三个AI可分别对汽包液位、给水流量和蒸汽流量的频繁波动设置阻尼，可通过阻尼时间参数PV_FTI ME设置阻尼大小。,同样，通过设置L_TYPE参数(置3)就可对差压进行开方运算，从而得到流量的线性信号。INT是累积功能块，它能对蒸汽流量和给水流量进行累积或积算，不用额外增添仪表，就可得到两个非常重要的总量参数。副PID有前馈输入参数FF_VAL，它与反馈控制信号相加，取代了P&I图的加法器FY。,液位变送控制器中的PID是主调节器，阀门定位器(或阀门控制器)中的PID是副调节器，两者构成给水三冲量的串级控制。由FF模块构成的串级控制能实现手动-自动模式的双向无扰切换。,一个典型的控制系统,2024/11/19,63,AI功能块通过硬件通道与压力转换块相连，它能对,汽包水位和给水流量两个调节器构成一个串级控制，汽包水位提供给水流量闭环控制的设定值。,蒸汽流量和给水流量构成一个前馈控制通路。蒸汽流量变化时给水流量能及时跟随变化，而不是靠液位变化来改变，蒸汽流量的增加将调整副调节器模块的设定点，这将使汽包液位被影响前，给水流量就将增加，因而减小了动态偏差，提高了控制质量。,汽包水位PID调节有一个较长的时间常数，一方面避免蒸汽流量激烈变化时因气泡而形成的瞬时虚假水位，但从长时间控制周期看，汽包水位PID调节可以修正前馈调节所形成的液位积累误差。,给水流量和给水流量HD形成一个快速调节回路，当给水压力波动等情况发生时，会在汽包水位变化前得到修正，使汽包水位不受内扰发生的影响。,一个典型的控制系统,2024/11/19,64,汽包水位和给水流量两个调节器构成一个串级控制，汽包水,FF,现场总线的技术优势,FF,应用于过程控制的主要优点,FF,在七层协议以外增加了用户层，主要内容是制定标准的功能块。使得,FF,跨越了一项通信标准而成为一项系统标准。设备描述技术（,DD,）,和对象字典技术（,OD,）,保证了互操作性和用户的可扩展性,FF,也采用行规,（,Profiles,），提供公共功能结构,FF,具有周期通信和非周期通信，有多种访问控制方式，如,Client/Server, publisher/subscriber, report Distribution,FF,具有系统管理功能，总线上设备时钟同步优于,Profibus-PA,2024/11/19,65,FF现场总线的技术优势FF应用于过程控制的主要优点2023/,现场总线的分散控制模块,2024/11/19,66,现场总线的分散控制模块2023/9/2966,互操作性的层次,通讯协议规范,+,+,设备描述一致性,推荐,功能块一致性,可互操作,基本一致性,有限互操作性,非一致性,不可互操作,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,通讯协议规范,通讯协议规范,通讯协议规范,标准功能块,标准功能块,标准设备参数,厂家自定义,设备参数,（公开）,厂家自定义,设备参数,（非公开）,厂家自定义,设备参数,（公开）,厂家自定义,功能块,厂家自定义,设备参数,（公开）,厂家自定义,设备参数,（非公开）,厂家自定义,设备参数,（非公开）,厂家自定义,功能块,厂家自定义,设备参数,（非公开）,2024/11/19,67,互操作性的层次通讯协议规范+设备描述一致性推荐 功能块一致,3.1.6,基金会现场总线通信控制器,FB3050,Smar FB-3050,DMA, share memory,FujiFrontier-1+,FIFO buffer,Shipstar FCHIP-1,Yamaha,2024/11/19,68,3.1.6基金会现场总线通信控制器FB3050Smar,控制器基本功能,Manchester,编解码,并串转换，报文缓冲,报文过滤和地址识别,唠叨抑制 (,Jabber inhibit),CRC,产生和检查,高层数据链路功能需要软件编程!,2024/11/19,69,控制器基本功能Manchester编解码2023/9/296,2024/11/19,70,2023/9/2970,FB3050,控制器的特点,适用于,ISA SP50,02 1992,年,Part 2,，现场总线物理层定义；,内含曼彻斯特（,Manchester,）编码器和译码器；,片内有两个通道的,DMA,控制器；,可自动极性探测和校正；,自动接收帧校验序列,(FCS),探测；,软件控制的发送,FCS,发生器；,自动信息类型和地址识别；,31.25K,和,1Mbit/s,的数据率；,内有发送器超长（,Jabber,）禁止电路；,可与所有通用微处理器和微控制器兼容；,可屏蔽多源中断结构以减少中断响应次数；,具有,CMOS,低功耗和省电方式；,有可用于数据链路层定时的定时器；,采用,100,针,TQFP,封装形式。,2024/11/19,71,FB3050控制器的特点 适用于ISA SP5002 19,3.1.7,基金会现场总线的组态,组态第,1,层：厂家设备定义,组态第,2,层：网络定义,组态的第,3,层：分布式应用程序定义,组态第,4,层：设备组态,2024/11/19,72,3.1.7基金会现场总线的组态组态第1层：厂家设备定义202,组态第,1,层：厂家设备定义,每个制造商决定所提供设备的应用进程的定义和类型，并且标识每个AP的网络可见对象。,1)每个网络可访问AP的OD和AP目录的定义和结构；,2)提供制造商名、设备模块名、VFD管理、FBAP的VFD等；,3)设备的分配和相互关系以及VFD的标识信息包含在SMIB、NMIB和FBAP中。,2024/11/19,73,组态第1层：厂家设备定义每个制造商决定所提供设备的应用进程的,组态第,2,层：网络定义,这个层次定义了网络拓扑结构：,决定控制策略,选择协议版本,标识每个链路和它的设备,管理设备标签和数据链路地址,标识每个链路的链路控制主设备,定义每个LAS使用的链路参数,定义一个基本和其它应用时钟发布者，作为时间源,2024/11/19,74,组态第2层：网络定义这个层次定义了网络拓扑结构：2023/9,组态的第,3,层：分布式应用程序定义,定义了分布式资源的交互作用：,定义FBAP连接对象，并使用VCR解决,定义VCR表，并把它们转化成为数据链路地址,定义功能块和LAS调度宏循环,定义扩展树结构，包括发送和重新发布表,2024/11/19,75,组态的第3层：分布式应用程序定义定义了分布式资源的交互作用：,组态第,4,层：设备组态,定义分配给设备的每个AP的值：,分配用户AP操作值,分配NMIB操作值,分配SMIB操作值,2024/11/19,76,组态第4层：设备组态定义分配给设备的每个AP的值：2023/,Fieldbus,Foundation,(FF),现场总线,基金会（FF）,(1),SS 开发和测试通讯栈.,(4),FF 认可注册,(FF Stack),第三方,测试机构,(TT),(SS),(5),DS 购买协议栈,DD,(11),FF 定期发行DD,(10),FF 发布,注册商标,(FF Device),(2),TT 测试协议栈,(一致性测试),(3),TT 提交测试报告,FF MARK,FF MARK,(DS),PASS,(14) 最终用户购买FF设备,(13),FF 发布,FF通讯栈和设备的,产品目录,(12),DS 负责分发其,FBOD和组态文件,FF MARK,(6),DS 增加功能块和其他特征, 创建DD.,(8),DS 作互操作性测试(可由第三方完成).,(7),注册DD,(9),DS 提交,互操作性测试报告,3.1.8一致性与互操作性测试,协议栈,供应商,设备供应商,PASS,四阶段：, 14,510, 1113, 14,From 1997 现场总线基金会介绍材料,3.1.8,一致性与互操作性测试,2024/11/19,77,FieldbusFoundation(FF)现场总线基金会（,3.1.9,基金会现场总线的应用设计与实例,冶金行业中运用精料技术是高炉冶炼技术进步的具体体现，使用球团矿来代替铁矿和部分烧结矿是高炉精料技术的发展，采用高硷度烧结矿加酸性球团矿的配料来进行高炉冶炼，从而达到增产节支的目的。,2024/11/19,78,3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例冶金行业中运用精料技,3.1.9,基金会现场总线的应用设计与实例,2024/11/19,79,3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例2023/9/297,3.1.9,基金会现场总线的应用设计与实例,NCS-3000,系统具有以下特点：,以,FF,现场总线技术为核心，将控制任务下放至工业现场的智能仪表，实现了控制功能的彻底分散，而控制功能的分散意味着危险分散，从而极大地提高了系统的可靠性。,FFHSE,高速总线和,FFH1,总线相互补充，构成企业综合自动化系统的网络平台。现场总线仪表、智能,I/O,与计算机之间通过现场总线连成一体，系统结构简单，可扩展性强，不仅降低了布线成本，而且还具有设备远程调试和自诊断能力，维护方便。,不仅支持多种现场总线智能仪表，也支持传统的模拟仪表、,DCS,和,PLC,，可以在最大程度上保护用户的已有投资。,支持设备描述技术，保证了不同厂商现场总线设备间的客户操作性，使用户有很大的设备选择空间。,可以集成各种流行的工业自动化设备和监控组态软件，是真正开放的网络化控制系统。,采用,OPC,标准，实现硬件与软件及软件与软件间的信息集成，充分保证了系统的开放性。,支持,Internet,，使用户可以通过浏览器对生产过程进行远程监控。,2024/11/19,80,3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例NCS-3000系,3.1.9,基金会现场总线的应用设计与实例,2024/11/19,81,3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例2023/9/298,3.1.9,基金会现场总线的应用设计与实例,配料烘干电气控制系统,造球筛分电气控制系统,竖炉本体电气控制系统,成品运输电气控制系统,过程检测（仪表）控制系统,2024/11/19,82,3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例配料烘干电气控制系统,
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