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现场总线智能仪表及其应用

1  现场仪表正跨入数字化、智能化和网络化的新阶段
    现场总线智能仪表是个特定的概念，即把遵循国际现场总线协议设计制造的智能仪表称为现场总线智能仪表. 它是随着现场总线控制系统的出现应运而生的。和现场总线一样，它得到了迅速发展。
    所谓“现场总线”，按照国际电工委员会的定义，安装在制造或过程区域现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。我们也可以从不同的角度来描述现场总线的涵义:从通信的角度，现场总线可以定义为用于生产现场的测量控制设备之间实现双向、串行的数字通信系统，或定义为开放式、数字化、多点通信技术;从技术的角度可以认为，现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字通信能力，成为网络的一个节点，可独立完成测量控制或通信任务。并把分散的多个测控仪表或测控装置变成网络节点，构成网络与控制系统，完成自动测量与控制任务;从信息网络角度来看，则现场总线使生产过程自动测控系统与其仪表装置设备进入了信息网络，构成企业底层信息网络。现场总线控制系统将控制功能下放到现场，由智能现场仪表承担，实现了真正全分布式系统结构。
    在现场总线控制系统下，智能现场仪表替代了传统集散控制系统中的模拟现场仪表，这里的所谓“智能”，是指现场变送器除了具有信号变换、补偿等功能外，还具有控制功能，如pid等运算控制功能;而执行器方面则除了具有调节和驱动功能外，还具有特性补偿、自诊断功能。也就是说在现场总线控制系统下，现场仪表设备具有功能自治能力，它把传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场仪表中完成。
一般说来“智能”的含义有2个层面:
(1) 是采用人工智能的理论方法和技术;
(2) 是具有拟人智能的特性或功能,例如自适应、自学习、自校正、自诊断、自组织等。
现场总线智能仪表与现场总线控制系统有着不可分割的密切关系, 采用现场总线控制系统必须有现场总线智能仪表与之相匹配。因此,研究现场总线智能仪表的实现与发展技术具有十分重要的意义控制仪表装置是实现控制效果的技术工具，它包括各种现场仪表及计算机等，它们不仅是技术工具，而且是信息的源头, 更是信息工业的组成部分。在控制自动化的进程中，它代替人们对控制过程进行测量、监视、控制和保护，起到了非常重要的作用.现场仪表和控制仪表装置的发展经历了机械式、电子式、微机化数字式几个阶段。从仪表的功能上也经历了几个层次：单一功能仪表、组合式仪表、数字化智能化网络化仪表，在技术上，目前已走出了模拟技术的时代，正跨入数字化、智能化和网络化的新阶段。
2  数字式、网络化是现场总线仪表的核心技术
    现场总线的推广应用，在某种意义上讲，关键在于现场仪表是否具有与现场总线联网匹配的能力，各种传感器、变送器、执行器、泵/阀等现场设备是否具有数字化、智能化和网络化功能。在目前现场总线多标准的情况下，为了满足不同用户的要求，在底层能够将不同通信协议的现场仪表(i/o设备)连接，不仅需要设计、开发各种相应的转换器和网关，更重要的、更迫切的是要设计开发智能化、网络化的变送器、执行器、泵/阀等现场总线智能仪表。
    现场总线发展迅速，但由于目前多标准并存，没有统一的标准，目前正处于群雄并起，百家争鸣的阶段. 也由于现场总线没有统一标准，现场总线智能仪表的通信协议也很难统一，各大仪表厂商均在开发符合一种或几种通信协议的现场总线智能仪表。
    20世纪80年代，由于计算机技术的发展及其在仪表中的应用，仪表的数字化成为可能，以微处理器为核心器件的微机化仪表应运而生，产生了各种数字式变送器、数字式调节器、数字显示记录仪、可编程控制器和智能仪表。与模拟式仪表相比，数字式仪表的功能、性能、可靠性、通讯功能等诸方面有了质的飞跃。
    控制系统中各种参数信息是由变送器产生的。各种新型的数字变送器,采用现代先进的传感器、微处理器、参数补偿、数字化和网络通信等技术，在结构上做到了检测与变换的一体化，现场总线是一种全分散、全数字化、双向、多变量、多点、多站的串行通信网络，实现了一对总线上传输多个节点的多种信号。
    在计算机网络飞速发展的推动下，当今传统的回路控制系统发生了根本变化，加上现场总线系统的发展与应用，形成的由常规传感器、变送器、显示器、控制器和执行器网络化产品，进而实现了检测、变送、显示、控制和执行单元的网络化。网络系统与常规回路控制系统在结构上发生了根本变化，代表过程控制信息的电气信号的传送，不再通过直接的点到点的连接方式，而是通过现场级网络以数字量的方式进行，即仪表之间的信息全部依靠网络进行传送。由于网络延伸和出现在控制的基本回路中，这是控制网络化的基本体现。
    在现场总线控制系统下, 现场仪表被作为网络的一个节点,称为智能节点，现场智能设备，它应具有数字通信能力和具有控制、补偿、参数改变、报警显示、故障诊断等功能。
3  由功能模块组成现场总线智能仪表
    现场总线智能仪表,可以根据不同的被控对象的特性，灵活组合功能模块,以实现被控对象的控制策略，成为十分灵巧的智能仪表，ff现场总线包含的10个基本功能模块如表1所示。

    10个功能模块可以灵活组合,实现多种功能。例如，一台温度变送器可配置一个输入(ai)功能模块，一台控制阀可配置一个pid功能模块和一个输出(ao)功能模块，如此，一个控制回路仅用一台变送器和一台控制阀就构成了，如图1所示。

图1     功能模块构成的现场总线控制回路

    必须指出的是，功能模块的配置与组合，取决于对被控对象所采取的控制策略，功能模块的采用，是随系统的控制方案而异的。
4  现场总线智能仪表控制系统
    过程控制系统的发展经历了单回路反馈控制、集散型控制、现场总线控制等技术变革，系统的结构经历了气动、电动、直接数字控制和分布式控制几个阶段，正在迈向现场总线网络控制系统，系统的应用则经历了单机自动化、机组自动化和综合自动化几个阶段, 正在朝着管控一体化方向发展。早期的单回路pid控制,它以经典控制理论为基础，一直是工业过程控制的主要手段;随着复杂工业控制的要求,逐步发展了串级、比值、前馈、均匀等复杂控制系统;随着以状态空间方法为主体的现代控制理论的产生, 出现了状态反馈、解耦控制、最优控制、自适应控制等控制系统;随着计算机技术的飞速发展及其在工业控制中的广泛应用,出现了分散控制系统dcs和plc可编程控制器为代表的新型控制系统;人工智能的发展为控制领域带来了新的突破,工业控制中出现了先进控制技术和先进控制系统。先进控制软件，形成了集硬件和软件一体化的全厂综合自动化的全面解决方案。现场总线控制系统的出现，改变了传统工业控制系统的基本结构，具有更强的开放性和实用性，因而所组建的自动化控制系统有更大的灵活性，可以为企业提供一个从现场控制到企业管理全方位的、一体化的自动化解决方案。以下列举几种现场总线智能仪表控制系统的实例:
(1) 由多变量变送器构成的现场总线控制系统
    多变量变送器，可以接受多个输入参数,能够对多个参数进行测量。如可以测量流体温度、压力、差压，并能根据流体的温度、压力、压差和流体类型精确地得出流体的流量。
一种与现场总线匹配的多变量变送器的构成原理框图如图2所示，现场传感器的多参数信号，经多路输入可编程放大器送入a/d转换单元，变送器的核心微处理器系统负责放大器放大倍数的选择，实现数据采集和处理，并对液晶显示、变送器键盘、现场总线等部分的接口进行配置。

图2    与现场总线匹配多参数变送器的构成框图

    现场总线采用lon总线, 为了充分利用tp/ft-10模块的网络通信功能，变送器采用双cpu设计，即使用8位微处理芯片89c51与神经元芯片共同完成各种控制。tp/ft-10模块主要提供lon网络通信功能，89c51完成现场控制功能，如图3所示。神经元芯片和89c51之间的数据交换通过异步串行通信来实现。

图3     双cpu多变量变送器结构框图

(2) 由智能泵控制器构成的现场总线控制系统
    众所周知，泵在工业控制系统中使用极为广泛，绝大多数流程工业都必须使用泵。随着现场总线控制系统(fcs)在工业企业中的应用，原有的泵，因没有参数监控功能、不能与现场总线控制系统配套应用，已不能满足现代工业系统的要求，迫切需要生产支持现场总线的、具有参数监控功能的智能泵。要使泵的性能能够支持现场总线，并具有参数的监控功能，必需研制智能泵控制器。
    智能泵控制器要解决的技术问题主要是:与现场总线的连接接口，使之具有与现场总线通信的功能;对泵的主要参数如流量、扬程、转速、功率、效率、轴承温度、进口压力、出口压力等进行监控的能力，即具有进行参数显示和控制的功能，因而它必须是数字式系统。智能泵与普通泵的本质区别在于:普通泵不能感受自身工作状态并作出自我调节和控制，而智能泵不但具有现场总线的功能，而且可通过传感器对其工作参数和状态参数进行测量，再把测量结果输入微处理器并进行自动控制。由于泵的工作参数和状态参数有很多，选择一些重要的参数进行测量是非常必要的，从而使智能泵具有良好的性能价格比。泵的主要参数有:流量、扬程、转速、功率、效率等。
    在fcs系统中，智能泵控制器以从设备的方式，按规范与现场总线接口(anybus-s)进行数据交换，并在现场总线组态下运行具体的设备和进行监控。智能控制器具有本地操作的人机界面(操作键和lcd显示屏)，并能进行远程操作。
    智能泵控制器具有一个通信标准为485或rs232接口。还配置了一个现场总现接口，它是一个34芯孔的连接插座，可直接与device net的anybus卡连接或通过自制的dpram接口卡与profibus-dp的im183卡连接。w78e58可以通过此口将需发送的信息写入anybus的dpram或自制的dpram接口卡上的dpram中。同时也可以通过此口将上位机发来的信息从anybus的dpram或自制的dpram接口的dpram中读出。实现device net或profibus-dp形式的现场总线网络连接。智能泵控制器具有一个通信标准的rs232接口，它是由w78e58通过扩展的串行接口(8250)而配置的，并使8250的sin，sout端与 max232c相连，完成ttl与rs232电平的转换。智能泵控制器还配置了一个现场总现接口，它是通过50芯孔的连接插座与im183(profibus-dp)或者34芯孔的连接插座与anybus(device net)卡连接的并行通信口，w78e58可以通过此口将需发送的信息写入im183上的双口ram。同时也可以通过此口向上位机发来的信息从im183的双口ram中读出。实现profibus-dp或device net形式的现场总线网络配置。
    智能泵控制器的总线接口在devicenet系统中，是选用devicenet的总线接口anybus-s模板。智能控制器中设计了与anybus-s的通信接口。anybus-s通信模块提供给开发者并行和串行两种开发方式。在此我们采用并行开发方式，通信模块提供一个2k字节的双端口ram作为公共数据缓冲区为anybus端和应用程序端进行数据交换服务。双口ram可作为外部数据存储区由应用端cpu进行外部寻址并读写数据，当cpu写次高位字节寄存器7feh（application status register）时，双口ram会产生中断通知anybus端对相关区域数据进行处理。当读高位字节寄存器7ffh(anybus  status register)时会清anybus端写高位字节寄存器时产生的中断信号。依靠这两个寄存器应用和anybus端进行交换数据和报文时的握手。
    智能泵控制器的软件设计采用结构化和模块化设计方法。主要分为监控程序和中断服务程序两大部分，每一部分又由许多功能模块构成。以dl144-18x2型普通水泵为对象，在软件的控制下，自动监测其流量、压力、温度等参数，并根据控制要求，控制泵机输出，实现对泵的自动调节和控制。
    智能泵控制方案，设计成两种类型:即开环控制和闭环控制。开环控制时，控制器对泵的参数进行监测，并实时显示各参数值。闭环控制时，控制器对流量或扬程进行控制。
示范系统总体体系结构如图4所示。

图4    智能泵现场总线控制系统系统

    系统的智能泵控制器(下位机)将现场参数信息传送至上位机，上位机接收信息显示在界面上。上位机在获得控制权后亦可进行直接远程操作。
(3) 由智能阀构成的现场总线控制系统
    在工业控制系统中，阀门的使用十分广泛也十分重要。但常规的阀门是不支持现场总线的，不能用于现场总线控制系统，在现场总线控制系统中必须使用智能阀。因此，必须使常规的阀门成为现场总线智能仪表，成为现场总线智能阀。图5是一种基于device net现场总线的智能阀控制系统。

图5    智能阀现场总线控制系统

    系统通过传感器对阀门的工作参数进行测量，再把测量结果输入单片机进行处理，单片机发出的开、关、停等控制信号直接对阀门进行本地控制。还可以由主机通过devicenet现场总线向从机发送控制信号,由充当从机的单片机对阀门进行调节, 实现远程控制。
系统主机部分由组态软件、opc接口和devicenet总线适配器构成。从机由单片机系统、总线从接口、i/o接口以及键盘和lcd显示等模块组成。单片机系统实现对外围各个模块的控制, 总线从接口是device net总线的从通信模块, 通过它把传感器、执行器与device net现场总线连接起来。输入、输出接口将测量数据进行转换和将控制信号输出到执行器, 实现对设备的控制。键盘和lcd显示实现系统参数的设定、修改、显示等功能。系统具有本地控制和远程控制两大功能。本地控制时单片机通过数据采集电路不断采集阀门的行程、轴承温度等数据, 并作出控制决策, 驱动设备的运行。远程控制则是从机通过总线传给主机供主机监测,而主机发送阀门的开、关命令给从机由从机直接控制,实现远程控制操作。
    一般说来,电动执行机构是一种系统终端控制仪表,它根据控制电信号,直接操作改变阀的开度,利用微机技术与通信技术,实现双向通信、pid调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术所要求的功能。

5  结束语
    现场总线智能仪表，以能进行双向数字通信、具备自诊断功能、能远程对仪表的组态数据进行修改等为其主要特点，以数字化、网络化为其技术内涵，把现场仪表带到一个全新的阶段。目前, 由于现场总线多标准并存, 现场总线智能仪表通信协议很难统一。因而，它将像现场总线一样，朝着开放系统、统一标准的方向发展。
参考文献
[1] 赵维琴等. 用于现场总线的智能泵控制器[j]. 世界仪表与自动化, 2003,1.7(.6).
[2] 裘玉瑞. 现场总线智能仪表功能模块[j]. 世界仪表与自动化, 2001,1.5(.9).
[3] 边宁宁等. 一种基于现场总线的智能阀控制系统[j]. 自动化仪表, 2002,23(.9).
作者简介
郎文鹏(1938-)  男  教授  清华大学热工量测及自动化专业毕业,主要研究方向:过程自动化与智能测控技术。

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