摘 要：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全新的分布控制系統(tǒng)，是以控制、計算機、數(shù)字通訊等技術為主要內容的綜合技術。基金會現(xiàn)場總線以其技術上的優(yōu)勢，極有希望成為主流發(fā)展趨勢。它的最大特點就是應用功能塊實現(xiàn)全分布式控制。

關鍵詞：現(xiàn)場總線，功能塊，調度，應用進程，虛擬現(xiàn)場設備

ABSTRACTION：Fieldbus-Control system is a kind of new Distributed-Control system, and a kind of integrated technology based on Automation-Control, Computer and Digital Communication. With great advantage in technology, Foundation Fieldbus technology is coming to be the major one. And its main feature is to implement distribute control by using function blocks.

KEYWORDS：Fieldbus, Function Block, Schedule, Application Process， Virtual Field Device

1 引言

現(xiàn)場總線 （Fieldbus）是20世紀末期出現(xiàn)并發(fā)展起來的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互連通訊網(wǎng)絡。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡的基礎，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種開放式的、安全性好、成本低、新型的全分布控制系統(tǒng)，是以控制、計算機、數(shù)字通訊等技術為主要內容的綜合技術，成為自動化技術發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻變革。

現(xiàn)場總線技術的標準化起步較晚，是以目前呈現(xiàn)多種現(xiàn)場總線技術并存的局面，其中有較強實力和影響的有：Foundtion Fieldbus（FF），LonWorks，Profibus，Hart，CAN等。它們具有各自的特色，在不同應用領域形成了自己的優(yōu)勢。其中，基金會現(xiàn)場總線以其技術先進、屬下會員實力強大成為非常有競爭力的一種總線技術。

基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)是由數(shù)字智能化現(xiàn)場設備和控制、監(jiān)控設備互聯(lián)而組成的。他們在一起提供I/O和控制、自動處理等操作。每個現(xiàn)場設備執(zhí)行整個系統(tǒng)中一部分功能，包括實現(xiàn)一個或多個時間關鍵的應用，例如傳感器數(shù)據(jù)的獲得和控制算法的執(zhí)行。每一個現(xiàn)場應用都是由一組設備功能來實現(xiàn)的，稱作功能塊（FB）。這些應用就稱作功能塊應用進程（FBAP）。

2 功能塊的定義和結構特點

功能塊表示了基本的自動化功能。每個功能塊處理輸入?yún)?shù)，并根據(jù)內部的內含參數(shù)，執(zhí)行特定的算法，產(chǎn)生可用的輸出參數(shù)。因此功能塊由輸入，輸出和內含參數(shù)，和應用這些參數(shù)的算法組成。功能塊用一個位號（FB Tag）和對象字典（OD）的索引來標識。功能塊位號提供了一個功能塊的符號引用，在一個系統(tǒng)中應該是唯一的。對象字典索引是為了快速訪問功能塊而用的。對象字典的索引只是在包含這個功能塊的資源中才有用。功能塊參數(shù)定義了用于功能塊操作的輸入，輸出和內含參數(shù)。這些參數(shù)可以通過網(wǎng)絡訪問，輸入和輸出參數(shù)通過功能塊之間的連接來交換數(shù)據(jù)。內含參數(shù)用來定義功能塊的私有參數(shù)，盡管他們是網(wǎng)絡可見的，但是他們不參與功能塊連接。功能塊的參數(shù)用設備描述（DD）的Member Id和對象字典索引來標識。DD Member Id和一個Tag相對應，這個Tag在整個系統(tǒng)內必須是唯一的;對象索引用來通過FMS服務來訪問一個功能塊參數(shù)。參數(shù)的描述可以通過DD來擴展。功能塊定義和相關的DD描述被組成一個一般依賴于應用領域、設備功能和廠商定義的參數(shù)的集合。

不同類型的設備根據(jù)實現(xiàn)功能的不同可以有不同的功能塊，典型的功能塊包括模擬輸入（AI），模擬輸出（AO）和PID控制功能塊。每一個功能塊都有一些特定的參數(shù)和算法以實現(xiàn)特定的功能。

功能塊應用結構定義了一個功能塊應用的內部組件，并規(guī)定了在一個應用內或多個應用之間這些組件的接口，這個結構可設計如下：

· 設計和執(zhí)行功能塊應用

· 配置和集成功能塊應用到現(xiàn)場設備中

· 系統(tǒng)運行時功能塊之間的互操作。

一個設備中的部分或所有組件可以由生產(chǎn)廠商預先定義。組件的參數(shù)可以通過設備組態(tài)來修改。另外，設備還要支持標準的功能塊服務（包括對功能塊參數(shù)的讀寫服務）。通過這些服務，功能塊和變換塊等組件可以被訪問或修改。

3 功能塊的執(zhí)行和調度

功能塊的執(zhí)行是由一個事件輸入激活的。這個事件可能是：

· 調度：調度定義了功能塊開始被觸發(fā)執(zhí)行的時間。

· 功能塊執(zhí)行的結束： 同一個設備內的功能塊執(zhí)行完成后有可能觸發(fā)其他功能塊的執(zhí)行。

· 廠商定義：功能塊的執(zhí)行可由生產(chǎn)廠商自己定義。

在基金會現(xiàn)場總線中，最常見的是調度執(zhí)行的功能塊。要想保證功能塊的調度執(zhí)行正確性和實時性，就必須符合以下特性：

· 系統(tǒng)中的每個功能塊應用有一個相同的時間即系統(tǒng)時間。時間標準的統(tǒng)一才能夠保證每個功能塊執(zhí)行時間的準確性。

· 測量設備定期采樣以保證連續(xù)控制的輸入?yún)?shù)的正確性。

· 在功能塊執(zhí)行時輸入和控制參數(shù)應該保持一致。

· 輸出參數(shù)的產(chǎn)生和應用之間的時間間隔必須小于控制回路的執(zhí)行時間。這個時間間隔包括功能塊之間傳輸數(shù)據(jù)所用的時間和數(shù)據(jù)傳輸完成后等待功能塊開始執(zhí)行的時間。

上述這些特性要求功能塊的執(zhí)行在以下三個方面的調整：

首先，要保證整個系統(tǒng)內的時間同步，以保證功能塊執(zhí)行的同步。

第二，要保證輸出參數(shù)的產(chǎn)生在其他功能塊需要這個參數(shù)之前。

第三，要保證功能塊的調度與總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑源_保輸出參數(shù)在合適的時間進行傳輸。

這三個方面分別是由時鐘同步，功能塊調度和網(wǎng)絡傳輸調度來實現(xiàn)的。

在FF系統(tǒng)中，應用時鐘的同步是通過系統(tǒng)管理的時鐘發(fā)布來實現(xiàn)的。系統(tǒng)管理中的時間發(fā)布者周期性的向現(xiàn)場設備發(fā)布應用時鐘同步消息, 應用時鐘消息包括應用時鐘時間（AP time）和鏈路時間（LS time）。系統(tǒng)管理內核（SMK）采樣鏈路時間和應用時鐘時間組成應用時鐘消息一起發(fā)送，接收設備利用接收到的應用時鐘消息調整其本地應用時間，以達到應用時鐘同步的目的。 　　對功能塊的執(zhí)行的調度也是由系統(tǒng)管理內核來管理的，通過對系統(tǒng)管理信息庫中的FB Start參數(shù)進行組態(tài)來實現(xiàn)對功能塊運行的調度。

FB Start的定義如下所示：

struct

｛

unsigned long start_time_offset;

unsigned short fb_object_index;

unsigned long vfd_ref;

｝

FB_START_ENTRY;

其中，start_time_offset表示功能塊開始執(zhí)行的時間，這個參數(shù)是一個相對與宏周期的時間偏差。它的單位是1/32毫秒。宏周期是指整個網(wǎng)絡上功能塊應用的執(zhí)行時間，功能塊的調度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{度都是以宏周期為時間基準來進行周期性調度的。它的單位也是1/32毫秒。

fb_object_index表示與這個FB Start項相關聯(lián)的功能塊的數(shù)據(jù)字典索引，即要執(zhí)行的功能塊的起始索引。這個參數(shù)用于標識要執(zhí)行的功能塊。

vfd_ref表示這個FB Start相關的VFD號，即要執(zhí)行的功能塊在哪個VFD里。

而數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{度是由鏈路活動調度器（LAS）來實現(xiàn)的。組態(tài)完成以后，在鏈路活動調度器（LAS）設備中就生成了一個調度表，這個調度表有一定的格式，LAS通過對這個調度表的讀取來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{度，即在特定的時間給特定的設備發(fā)送強制令牌（CD）報文來強制現(xiàn)場設備把要發(fā)送的實時數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這個時間是嚴格準確的，能夠確保正確的數(shù)據(jù)在需要的時間傳輸。現(xiàn)場設備在收到CD后立刻將緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)發(fā)布到總線上，緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)是由功能塊執(zhí)行以后寫入的。

下面一個以典型的PID控制回路為例來說明FF系統(tǒng)中功能塊的調度。

圖1 一個典型的PID控制回路

如圖1所示為一個典型的PID控制回路，圖中AI功能塊和PID功能塊在一個設備中，AO功能塊在另一個設備中。控制過程如下：AI功能塊的輸出（OUT）參數(shù)送到PID的輸入（IN）參數(shù)，PID的輸出（OUT）參數(shù)送到AO的級聯(lián)輸入（CAS_IN）參數(shù)，而AO的回算輸出（BKCAL_OUT）參數(shù)送到PID的回算輸入（BKCAL_IN）參數(shù)。從而完成一個PID閉環(huán)控制。

由此形成的調度如下圖所示：

圖2 PID控制回路的調度

圖2中，Loop Time（即宏周期）是1秒，藍顏色的框是功能塊的執(zhí)行時間，紅顏色的框是功能塊執(zhí)行后在總線上發(fā)布數(shù)據(jù)的時間。由于AI功能塊和PID功能塊在一個設備中，這部分的參數(shù)傳遞是通過本地接口實現(xiàn)的，在總線上是不可見的，故在圖中沒有這部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘@示。

組態(tài)完成后，在包含有AI功能塊和PID功能塊的設備（設備A）中應該有兩個FB Start項，一個對應AI功能塊的執(zhí)行，start_time_offset應該是0，fb_object_index是AI功能塊的起始索引;另一個對應PID功能塊的執(zhí)行，start_time_offset應該是640（20ms）。即在一個宏周期的起始處（偏移量為零），設備A的SMK調度AI功能塊開始執(zhí)行，得出輸出值并送到本地的PID功能塊。而在宏周期開始后的20毫秒處，設備A的SMK調度PID功能塊開始執(zhí)行，應用AI給的輸入值，算出輸出值，并放入緩沖區(qū)中，等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{度令牌（CD）。而LAS根據(jù)調度表在宏周期開始后的40毫秒處，發(fā)出一個強制發(fā)送數(shù)據(jù)的令牌（CD）來把設備A緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡上。設備B中只有一個AO功能塊要執(zhí)行，所以組態(tài)時只產(chǎn)生一個FB Start項用來對應AO功能塊的執(zhí)行，它的start_time_offset應該是1280（120毫秒）。設備B的AO功能塊接收到從設備A的PID功能塊發(fā)布的數(shù)據(jù)后，在宏周期開始后的120毫秒處，由設備B的SMK調度開始執(zhí)行，并產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)對執(zhí)行器進行操作，同時產(chǎn)生一個回算輸出（BKCAL_OUT）值放到本地的緩沖區(qū)內，等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{度令牌（CD）。而LAS根據(jù)調度表在宏周期開始后的140毫秒處，發(fā)出一個強制發(fā)送數(shù)據(jù)的令牌（CD）來把設備B緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡上。設備A中的PID功能塊應用這個回算值和AI的輸出值，調整執(zhí)行后的輸出值。從而完成一個PID的閉環(huán)控制。

4 結束語

基金會現(xiàn)場總線的功能塊和功能塊的調度是基金會現(xiàn)場總線應用的基礎，也是基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點和創(chuàng)新之一。通過對功能塊調度的了解，可以深入的理解基金會現(xiàn)場總線的開放性和互操作性的概念。

另外，功能塊的連接是通過VFD中的鏈接對象來實現(xiàn)的，本文由于篇幅所限，沒有做具體說明。

5 參考文獻

1. Fieldbus Foundation, FoundationTM Specification: System Architecture. 1999

2. Fieldbus Foundation, FoundationTM Specification: System Management. 1999

3. Fieldbus Foundation, FoundationTM Specification: Network Management. 1999

4. International Standard, IEC 61158-4. Second Edition. 2000