1 現場儀表正跨入數字化、智能化和網絡化的新階段 現場總線智能儀表是個特定的概念，即把遵循國際現場總線協議設計制造的智能儀表稱為現場總線智能儀表. 它是隨著現場總線控制系統的出現應運而生的。和現場總線一樣，它得到了迅速發展。 所謂“現場總線”，按照國際電工委員會的定義，安裝在制造或過程區域現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。我們也可以從不同的角度來描述現場總線的涵義:從通信的角度，現場總線可以定義為用于生產現場的測量控制設備之間實現雙向、串行的數字通信系統，或定義為開放式、數字化、多點通信技術;從技術的角度可以認為，現場總線技術將專用的微處理器置入傳統的測量控制儀表，使它們各自都具有數字通信能力，成為網絡的一個節點，可獨立完成測量控制或通信任務。并把分散的多個測控儀表或測控裝置變成網絡節點，構成網絡與控制系統，完成自動測量與控制任務;從信息網絡角度來看，則現場總線使生產過程自動測控系統與其儀表裝置設備進入了信息網絡，構成企業底層信息網絡?，F場總線控制系統將控制功能下放到現場，由智能現場儀表承擔，實現了真正全分布式系統結構。 在現場總線控制系統下，智能現場儀表替代了傳統集散控制系統中的模擬現場儀表，這里的所謂“智能”，是指現場變送器除了具有信號變換、補償等功能外，還具有控制功能，如PID等運算控制功能;而執行器方面則除了具有調節和驅動功能外，還具有特性補償、自診斷功能。也就是說在現場總線控制系統下，現場儀表設備具有功能自治能力，它把傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場儀表中完成。 一般說來“智能”的含義有2個層面: （1） 是采用人工智能的理論方法和技術; （2） 是具有擬人智能的特性或功能,例如自適應、自學習、自校正、自診斷、自組織等。 現場總線智能儀表與現場總線控制系統有著不可分割的密切關系, 采用現場總線控制系統必須有現場總線智能儀表與之相匹配。因此,研究現場總線智能儀表的實現與發展技術具有十分重要的意義控制儀表裝置是實現控制效果的技術工具，它包括各種現場儀表及計算機等，它們不僅是技術工具，而且是信息的源頭, 更是信息工業的組成部分。在控制自動化的進程中，它代替人們對控制過程進行測量、監視、控制和保護，起到了非常重要的作用.現場儀表和控制儀表裝置的發展經歷了機械式、電子式、微機化數字式幾個階段。從儀表的功能上也經歷了幾個層次：單一功能儀表、組合式儀表、數字化智能化網絡化儀表，在技術上，目前已走出了模擬技術的時代，正跨入數字化、智能化和網絡化的新階段。 2 數字式、網絡化是現場總線儀表的核心技術 現場總線的推廣應用，在某種意義上講，關鍵在于現場儀表是否具有與現場總線聯網匹配的能力，各種傳感器、變送器、執行器、泵/閥等現場設備是否具有數字化、智能化和網絡化功能。在目前現場總線多標準的情況下，為了滿足不同用戶的要求，在底層能夠將不同通信協議的現場儀表（I/O設備）連接，不僅需要設計、開發各種相應的轉換器和網關，更重要的、更迫切的是要設計開發智能化、網絡化的變送器、執行器、泵/閥等現場總線智能儀表。 現場總線發展迅速，但由于目前多標準并存，沒有統一的標準，目前正處于群雄并起，百家爭鳴的階段. 也由于現場總線沒有統一標準，現場總線智能儀表的通信協議也很難統一，各大儀表廠商均在開發符合一種或幾種通信協議的現場總線智能儀表。 20世紀80年代，由于計算機技術的發展及其在儀表中的應用，儀表的數字化成為可能，以微處理器為核心器件的微機化儀表應運而生，產生了各種數字式變送器、數字式調節器、數字顯示記錄儀、可編程控制器和智能儀表。與模擬式儀表相比，數字式儀表的功能、性能、可靠性、通訊功能等諸方面有了質的飛躍。 控制系統中各種參數信息是由變送器產生的。各種新型的數字變送器,采用現代先進的傳感器、微處理器、參數補償、數字化和網絡通信等技術，在結構上做到了檢測與變換的一體化，現場總線是一種全分散、全數字化、雙向、多變量、多點、多站的串行通信網絡，實現了一對總線上傳輸多個節點的多種信號。 在計算機網絡飛速發展的推動下，當今傳統的回路控制系統發生了根本變化，加上現場總線系統的發展與應用，形成的由常規傳感器、變送器、顯示器、控制器和執行器網絡化產品，進而實現了檢測、變送、顯示、控制和執行單元的網絡化。網絡系統與常規回路控制系統在結構上發生了根本變化，代表過程控制信息的電氣信號的傳送，不再通過直接的點到點的連接方式，而是通過現場級網絡以數字量的方式進行，即儀表之間的信息全部依靠網絡進行傳送。由于網絡延伸和出現在控制的基本回路中，這是控制網絡化的基本體現。 在現場總線控制系統下, 現場儀表被作為網絡的一個節點,稱為智能節點，現場智能設備，它應具有數字通信能力和具有控制、補償、參數改變、報警顯示、故障診斷等功能。 3 由功能模塊組成現場總線智能儀表 現場總線智能儀表,可以根據不同的被控對象的特性，靈活組合功能模塊,以實現被控對象的控制策略，成為十分靈巧的智能儀表，FF現場總線包含的10個基本功能模塊如表1所示。 10個功能模塊可以靈活組合,實現多種功能。例如，一臺溫度變送器可配置一個輸入（AI）功能模塊，一臺控制閥可配置一個PID功能模塊和一個輸出（AO）功能模塊，如此，一個控制回路僅用一臺變送器和一臺控制閥就構成了，如圖1所示。 必須指出的是，功能模塊的配置與組合，取決于對被控對象所采取的控制策略，功能模塊的采用，是隨系統的控制方案而異的。 4 現場總線智能儀表控制系統 過程控制系統的發展經歷了單回路反饋控制、集散型控制、現場總線控制等技術變革，系統的結構經歷了氣動、電動、直接數字控制和分布式控制幾個階段，正在邁向現場總線網絡控制系統，系統的應用則經歷了單機自動化、機組自動化和綜合自動化幾個階段, 正在朝著管控一體化方向發展。早期的單回路PID控制,它以經典控制理論為基礎，一直是工業過程控制的主要手段;隨著復雜工業控制的要求,逐步發展了串級、比值、前饋、均勻等復雜控制系統;隨著以狀態空間方法為主體的現代控制理論的產生, 出現了狀態反饋、解耦控制、最優控制、自適應控制等控制系統;隨著計算機技術的飛速發展及其在工業控制中的廣泛應用,出現了分散控制系統DCS和PLC可編程控制器為代表的新型控制系統;人工智能的發展為控制領域帶來了新的突破,工業控制中出現了先進控制技術和先進控制系統。先進控制軟件，形成了集硬件和軟件一體化的全廠綜合自動化的全面解決方案?，F場總線控制系統的出現，改變了傳統工業控制系統的基本結構，具有更強的開放性和實用性，因而所組建的自動化控制系統有更大的靈活性，可以為企業提供一個從現場控制到企業管理全方位的、一體化的自動化解決方案。以下列舉幾種現場總線智能儀表控制系統的實例: （1） 由多變量變送器構成的現場總線控制系統 多變量變送器，可以接受多個輸入參數,能夠對多個參數進行測量。如可以測量流體溫度、壓力、差壓，并能根據流體的溫度、壓力、壓差和流體類型精確地得出流體的流量。 一種與現場總線匹配的多變量變送器的構成原理框圖如圖2所示，現場傳感器的多參數信號，經多路輸入可編程放大器送入A/D轉換單元，變送器的核心微處理器系統負責放大器放大倍數的選擇，實現數據采集和處理，并對液晶顯示、變送器鍵盤、現場總線等部分的接口進行配置。 現場總線采用LON總線, 為了充分利用TP/FT-10模塊的網絡通信功能，變送器采用雙CPU設計，即使用8位微處理芯片89C51與神經元芯片共同完成各種控制。TP/FT-10模塊主要提供LON網絡通信功能，89C51完成現場控制功能，如圖3所示。神經元芯片和89C51之間的數據交換通過異步串行通信來實現。 [align=center] 圖3 雙CPU多變量變送器結構框圖[/align] （2） 由智能泵控制器構成的現場總線控制系統 眾所周知，泵在工業控制系統中使用極為廣泛，絕大多數流程工業都必須使用泵。隨著現場總線控制系統（FCS）在工業企業中的應用，原有的泵，因沒有參數監控功能、不能與現場總線控制系統配套應用，已不能滿足現代工業系統的要求，迫切需要生產支持現場總線的、具有參數監控功能的智能泵。要使泵的性能能夠支持現場總線，并具有參數的監控功能，必需研制智能泵控制器。 智能泵控制器要解決的技術問題主要是:與現場總線的連接接口，使之具有與現場總線通信的功能;對泵的主要參數如流量、揚程、轉速、功率、效率、軸承溫度、進口壓力、出口壓力等進行監控的能力，即具有進行參數顯示和控制的功能，因而它必須是數字式系統。智能泵與普通泵的本質區別在于:普通泵不能感受自身工作狀態并作出自我調節和控制，而智能泵不但具有現場總線的功能，而且可通過傳感器對其工作參數和狀態參數進行測量，再把測量結果輸入微處理器并進行自動控制。由于泵的工作參數和狀態參數有很多，選擇一些重要的參數進行測量是非常必要的，從而使智能泵具有良好的性能價格比。泵的主要參數有:流量、揚程、轉速、功率、效率等。 在FCS系統中，智能泵控制器以從設備的方式，按規范與現場總線接口（Anybus-s）進行數據交換，并在現場總線組態下運行具體的設備和進行監控。智能控制器具有本地操作的人機界面（操作鍵和LCD顯示屏），并能進行遠程操作。 智能泵控制器具有一個通信標準為485或RS232接口。還配置了一個現場總現接口，它是一個34芯孔的連接插座，可直接與Device Net的Anybus卡連接或通過自制的DPRAM接口卡與Profibus-DP的IM183卡連接。W78E58可以通過此口將需發送的信息寫入Anybus的DPRAM或自制的DPRAM接口卡上的DPRAM中。同時也可以通過此口將上位機發來的信息從Anybus的DPRAM或自制的DPRAM接口的DPRAM中讀出。實現Device Net或Profibus-DP形式的現場總線網絡連接。智能泵控制器具有一個通信標準的RS232接口，它是由W78E58通過擴展的串行接口（8250）而配置的，并使8250的SIN，SOUT端與 MAX232C相連，完成TTL與RS232電平的轉換。智能泵控制器還配置了一個現場總現接口，它是通過50芯孔的連接插座與IM183（Profibus-DP）或者34芯孔的連接插座與Anybus（Device Net）卡連接的并行通信口，W78E58可以通過此口將需發送的信息寫入IM183上的雙口RAM。同時也可以通過此口向上位機發來的信息從IM183的雙口RAM中讀出。實現Profibus-DP或Device Net形式的現場總線網絡配置。 智能泵控制器的總線接口在DeviceNet系統中，是選用DeviceNet的總線接口Anybus-s模板。智能控制器中設計了與Anybus-s的通信接口。Anybus-s通信模塊提供給開發者并行和串行兩種開發方式。在此我們采用并行開發方式，通信模塊提供一個2K字節的雙端口RAM作為公共數據緩沖區為Anybus端和應用程序端進行數據交換服務。雙口RAM可作為外部數據存儲區由應用端CPU進行外部尋址并讀寫數據，當CPU寫次高位字節寄存器7FEh（application status register）時，雙口RAM會產生中斷通知Anybus端對相關區域數據進行處理。當讀高位字節寄存器7FFh（anybus status register）時會清Anybus端寫高位字節寄存器時產生的中斷信號。依靠這兩個寄存器應用和anybus端進行交換數據和報文時的握手。 智能泵控制器的軟件設計采用結構化和模塊化設計方法。主要分為監控程序和中斷服務程序兩大部分，每一部分又由許多功能模塊構成。以DL144-18X2型普通水泵為對象，在軟件的控制下，自動監測其流量、壓力、溫度等參數，并根據控制要求，控制泵機輸出，實現對泵的自動調節和控制。 智能泵控制方案，設計成兩種類型:即開環控制和閉環控制。開環控制時，控制器對泵的參數進行監測，并實時顯示各參數值。閉環控制時，控制器對流量或揚程進行控制。 示范系統總體體系結構如圖4所示。 [align=center] 圖4 智能泵現場總線控制系統系統[/align] 系統的智能泵控制器（下位機）將現場參數信息傳送至上位機，上位機接收信息顯示在界面上。上位機在獲得控制權后亦可進行直接遠程操作。 （3） 由智能閥構成的現場總線控制系統 在工業控制系統中，閥門的使用十分廣泛也十分重要。但常規的閥門是不支持現場總線的，不能用于現場總線控制系統，在現場總線控制系統中必須使用智能閥。因此，必須使常規的閥門成為現場總線智能儀表，成為現場總線智能閥。圖5是一種基于Device Net現場總線的智能閥控制系統。 系統通過傳感器對閥門的工作參數進行測量，再把測量結果輸入單片機進行處理，單片機發出的開、關、停等控制信號直接對閥門進行本地控制。還可以由主機通過DeviceNet現場總線向從機發送控制信號,由充當從機的單片機對閥門進行調節, 實現遠程控制。 系統主機部分由組態軟件、OPC接口和DeviceNet總線適配器構成。從機由單片機系統、總線從接口、I/O接口以及鍵盤和LCD顯示等模塊組成。單片機系統實現對外圍各個模塊的控制, 總線從接口是Device Net總線的從通信模塊, 通過它把傳感器、執行器與Device Net現場總線連接起來。輸入、輸出接口將測量數據進行轉換和將控制信號輸出到執行器, 實現對設備的控制。鍵盤和LCD顯示實現系統參數的設定、修改、顯示等功能。系統具有本地控制和遠程控制兩大功能。本地控制時單片機通過數據采集電路不斷采集閥門的行程、軸承溫度等數據, 并作出控制決策, 驅動設備的運行。遠程控制則是從機通過總線傳給主機供主機監測,而主機發送閥門的開、關命令給從機由從機直接控制,實現遠程控制操作。 一般說來,電動執行機構是一種系統終端控制儀表,它根據控制電信號,直接操作改變閥的開度,利用微機技術與通信技術,實現雙向通信、PID調節、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術所要求的功能。 5 結束語 現場總線智能儀表，以能進行雙向數字通信、具備自診斷功能、能遠程對儀表的組態數據進行修改等為其主要特點，以數字化、網絡化為其技術內涵，把現場儀表帶到一個全新的階段。目前, 由于現場總線多標準并存, 現場總線智能儀表通信協議很難統一。因而，它將像現場總線一樣，朝著開放系統、統一標準的方向發展。 參考文獻 [1] 趙維琴等. 用于現場總線的智能泵控制器[J]. 世界儀表與自動化, 2003,1.7（.6）. 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