了得網研究生_現場總線技術與過程控制

編輯推薦

隨著計算機技術與通信技術的迅速發展，現場總線在工業控制繫統中的應用也已越來越廣泛。針對這種情況，作者在多年教學及工程實踐基礎上形成《現場總線技術與過程控制》一書。
《現場總線技術與過程控制》較繫統地介紹了有關過程控制與現場總線的基本理論、基本結構，以及實際應用的基本方法與技術等，並且重點對現場總線繫統與實現過程控制的基本裝置之間的關繫進行了介紹。
《現場總線技術與過程控制》也參考了國內外相關教材以及該領域的*進展來進行編寫，旨在能為與自動化技術相關專業學生提供良好的工程基礎。
《現場總線技術與過程控制》體繫結構較為完整，內容與工程結合較強，可讀性好。全書圖文並茂，較為通俗易懂。各章自成體繫又融會貫通，可方便讀者有選擇地學習。《現場總線技術與過程控制》既注重繫統性又注重時代性，各章節後安排了相關習題，以幫助學生鞏固所學知識。
《現場總線技術與過程控制》可作為自動化專業或相關專業本科生現場總線技術與過程控制類課程教材或教學參考書，也可作為有關工程技術人員相關參考資料。

內容簡介

本書是作者在多年教學及工程實踐基礎上形成的一部教材。本書較繫統地介紹了有關過程控制與現場總線技術的基本理論、基本結構，以及現場總線繫統實際應用的基本方法與技術等。主要圍繞基金會現場總線繫統和ProfibusPA現場總線繫統展開介紹。全書共5章，包括過程控制基礎、現場總線技術基礎、現場總線控制繫統、控制繫統實現的工程基礎以及可靠性分析基礎等。
本書可作為自動化專業或相關專業本科生現場總線技術與過程控制類課程教材或教學參考書，也可作為相關工程技術人員的參考資料。

目錄
CONTENTS
第1章引言與過程控制基礎
1.1現場總線的技術背景
1.1.1現場總線技術的發展過程
1.1.2現場總線技術與過程控制
1.2過程控制基礎知識
1.2.1工業過程控制基礎
1.2.2基本PID控制算法
1.2.3PID參數的整定
1.2.4PID控制算法的數字化、改進與組合
1.3過程控制儀表技術
1.3.1傳感器
1.3.2變送器

CONTENTS

第1章引言與過程控制基礎

1.1現場總線的技術背景

1.1.1現場總線技術的發展過程

1.1.2現場總線技術與過程控制

1.2過程控制基礎知識

1.2.1工業過程控制基礎

1.2.2基本PID控制算法

1.2.3PID參數的整定

1.2.4PID控制算法的數字化、改進與組合

1.3過程控制儀表技術

1.3.1傳感器

1.3.2變送器

1.3.3調節器

1.3.4執行器

1.3.5其他控制儀表

1.3.6控制儀表的發展

1.4計算機控制繫統

1.4.1計算機控制繫統的硬件結構

1.4.2計算機控制繫統的軟件體繫

1.4.3分布式計算機控制繫統

1.5本章小結

習題

參考文獻

第2章現場總線技術

2.1現場總線繫統概述

2.1.1現場總線的定義

2.1.2現場總線繫統的特點

2.2現場總線通信機制

2.2.1數據通信基礎

2.2.2網絡技術基礎

2.2.3基金會現場總線及ProfibusPA現場總線通信技術

2.2.4ProfibusDP總線通信技術

2.3現場總線技術的標準化

2.3.1現場總線技術的國際標準

2.3.2常用的現場總線簡介

2.4本章小結

習題

參考文獻

第3章現場總線控制繫統

3.1現場總線控制繫統的定義

3.2現場總線設備

3.2.1基金會現場總線和ProfibusPA現場總線設備

3.2.2ProfibusDP現場總線設備

3.3現場總線控制繫統

3.3.1現場總線控制繫統與傳統計算機控制繫統

3.3.2現場總線控制繫統的軟件實現

3.3.3功能塊

3.3.4現場總線設備中的功能塊

3.4組態

3.4.1網絡組態

3.4.2設備組態

3.4.3控制策略組態

3.5應用案例

3.6Profibus現場總線繫統的組態

3.7繫統集成

3.8本章小結

習題

參考文獻

第4章控制繫統工程設計基礎

4.1過程控制繫統的工程設計簡介

4.2工藝流程圖

4.3控制流程圖

4.4管道及儀表流程圖

4.4.1儀表位號

4.4.2儀表功能字母代號

4.4.3儀表的圖形符號

4.4.4采用P＆ID圖進行工程設計

4.5接線圖

4.6SAMA圖

4.7儀表回路圖

4.8組態文檔

4.9本章小結

習題

參考文獻

第5章控制繫統可靠性分析

5.1可靠性指標

5.2可靠性分析

5.3繫統可靠性測試

5.4提高現場總線控制繫統與分布式控制繫統可靠性的措施

5.5本章小結

習題

參考文獻

部分習題參考答案

前言

前言
PREFACE
隨著計算機技術與通信技術的迅速發展，現場總線在工業控制繫統中的應用業已越來越廣泛。本書正是針對這種情況，對現場總線技術在工業過程控制中的應用等問題進行了較繫統的介紹；並且重點對現場總線繫統與實現過程控制的基本裝置之間的關繫進行了介紹。本書也參考了國內外相關教材以及該領域的進展編寫，旨在為與自動化技術相關專業學生提供良好的工程基礎。

前言

PREFACE

隨著計算機技術與通信技術的迅速發展，現場總線在工業控制繫統中的應用業已越來越廣泛。本書正是針對這種情況，對現場總線技術在工業過程控制中的應用等問題進行了較繫統的介紹；
並且重點對現場總線繫統與實現過程控制的基本裝置之間的關繫進行了介紹。本書也參考了國內外相關教材以及該領域的進展編寫，旨在為與自動化技術相關專業學生提供良好的工程基礎。

全書共5章。第1章簡要介紹現場總線的技術背景和發展情況，對過程控制和過程控制儀表進行了簡要回顧，同時也簡要介紹了計算機控制繫統的基本構成等。第2章介紹現場總線繫統，包括其技術特點、現場總線通信機制以及相應的國際標準等。第3章介紹現場總線控制繫統，繫統硬件方面介紹了包括構成基金會現場總線繫統和ProfibusPA現場總線繫統的儀表設備、構成和ProfibusDP總線繫統的電氣控制設備；
繫統軟件方面介紹了包括過程控制功能的軟件功能塊實現方式、基金會現場總線控制繫統的功能塊結構與參數、功能塊組態以及繫統集成等。第4章介紹過程控制設計方面的相關知識，內容包括基本設計程序、儀表管線圖、儀表回路圖以及SAMA圖等。第5章介紹控制繫統可靠性分析方面的相關知識，內容包括可靠性指標、繫統可靠性模型、繫統可靠性試驗以及提高控制繫統可靠性的措施等。

本書體繫結構較為完整，是在多年教學及工程實踐基礎上形成的一部教材。本書內容與工程結合較強，可讀性好。全書圖文並茂、通俗易懂。各章自成體繫又融會貫通，可方便讀者有選擇地學習。本書既注重繫統性又注重時代性，各章節後安排了相關習題，以幫助學生鞏固所學知識。

本書可作為自動化類專業或相關專業本科生課程教材或教學參考書，也可作為相關工程技術人員的參考資料。

對本教材各章內容的講授提出教學建議如下：

教學內容學習要點及教學要求

課時安排

全部授課部分授課

第1章引言與過程控制基礎


了解現場總線技術的背景


了解現場總線技術與過程控制的基本關繫


了解或回顧過程控制的基本特性與實現方法


了解或回顧PID控制的基本原理及其組合與應用


了解或回顧過程控制儀表的基礎知識


了解或回顧計算機控制繫統的基本構成


了解或回顧分布式控制繫統的基本概念

續表

教學內容學習要點及教學要求

課時安排

全部授課部分授課

第2章現場總線技術


了解現場總線的基本定義


了解現場總線繫統的特點


了解或回顧數據通信的基礎知識


了解或回顧網絡技術的基礎知識


掌握基金會現場總線(FF)和ProfibusPA現場總線實現通信的基本原理


掌握ProfibusDP現場總線實現通信的基本原理


了解常用的現場總線繫統的基本結構

第3章現場總線控制繫統


了解現場總線控制繫統的基本定義


掌握基金會現場總線和ProfibusPA現場總線設備的基本原理與構成


掌握ProfibusDP現場總線設備的基本原理與構成


掌握現場總線控制繫統的基本結構


了解常用的分布式繫統的編程語言和國際標準


掌握現場總線控制繫統中常用的功能塊語言基本原理及相關參數


了解基金會現場總線設備中功能塊的基本配置


掌握基金會現場總線控制繫統控制策略組態的基本內容和參數設置的基本方法


了解ProfibusPA現場總線繫統組態的基本內容

1616

第4章控制繫統工程設計基礎


了解控制工程設計的主要內容


掌握工藝流程圖的基本表達方式


掌握控制流程圖的基本表達方式


掌握管道及儀表流程圖的基本表達方式


掌握SAMA圖的基本表達方式


掌握儀表回路圖的基本表達方式20

第5章控制繫統可靠性分析


了解控制繫統可靠性的主要指標


了解控制繫統進行可靠性分析的基本方法


了解進行繫統可靠性測試的基本原理和基本方法


了解提高控制繫統可靠性的基本方法與措施20

習題講解與課堂討論22

實驗實驗內容主要涉及基金會現場總線繫統或ProfibusPA現場總線繫統的功能塊組態88

教學總學時建議自動化專業開設40學時，即32 8(理論實驗)。其他專業第4章和第5章可以不予講授，開設32(24 8)學時4032

限於作者水平，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。

編者2018年3月

在線試讀

第3章

現場總線控制繫統第3章

現場總線控制繫統
教學目標現場總線控制繫統是由現場總線技術和智能化的現場設備組成，部分現場總線的通信機制已在第2章中做了簡要介紹。因此本章將簡要介紹部分現場總線設備，包括基金會現場總線設備、ProfibusPA總線設備以及ProfibusDP總線設備。同時還將介紹實現設備控制功能的相應的功能軟件。本章主要介紹基金會現場總線所用的功能軟件，包括功能塊組成，功能塊的組態等。同時簡要介紹ProfibusDP軟件。通過對本章內容的學習，讀者能夠：  了解現場總線控制繫統的基本定義； 掌握基金會現場總線和ProfibusPA現場總線設備的基本構成； 掌握ProfibusDP現場總線設備的基本構成； 掌握現場總線控制繫統的基本結構； 了解常用的分布式繫統的編程語言和國際標準； 掌握現場總線控制繫統中常用的功能塊語言基本原理及相關參數； 了解基金會現場總線設備中功能塊的基本配置； 掌握基金會現場總線控制繫統組態的基本內容； 掌握基金會現場總線控制繫統控制策略組態的基本內容和參數設置的基本方法； 了解ProfibusPA現場總線繫統組態的基本內容。3.1現場總線控制繫統的定義現場總線是解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制繫統之間的信息傳遞的橋梁，同樣也可解決工業現場的開關量控制與傳輸。使用現場總線構築控制繫統，可使繫統結構更為靈活，繫統功能更為強大。現場總線控制繫統(Fieldbus Control System，FCS)是集過程儀表、控制運算、控制組態、繫統診斷、功能報警、參數記錄等功能的，繫統開放型的工廠底層控制網絡的集成式全分布計算機控制繫統。FCS作為新一代控制繫統，采用了基於開放式、標準化的通信技術，突破了傳統分布式控制繫統的一些瓶頸，把控制功能徹底下放到過程現場。現場總線將把控制繫統底層的現場設備變成網絡節點連接起來，實現自下而上的全數字化通信，可以認為是通信總線在現場設備中的延伸，同時把企業信息溝通的覆蓋範圍延伸到了工業現場。現場總線控制繫統甚至可用下面的表達式表達：現場總線控制繫統=現場總線繫統現場智能化設備3.2現場總線設備現場總線設備繫指能夠掛接在現場總線上的各種設備。由於現場總線的種類較多，相應的現場總線設備也有多種。然而，我們通常所指的現場總線設備主要是用於過程控制的各種儀表或裝置。但由於設備聯動的控制繫統中，實現聯動控制的分布式I/O設備和各種電氣控制設備，都可掛接到相應的現場總線上進行數字通信，因此該類設備也是我們考慮的現場總線設備。本節主要介紹基於FF總線和ProfibusPA總線的儀表設備，以及部分基於ProfibusDP總線的智能電氣設備。3.2.1基金會現場總線和ProfibusPA現場總線設備基金會現場總線設備和ProfibusPA現場總線設備，實際上就對應第1章中介紹的各種過程控制儀表。在此，這些過程控制儀表已具有了現場總線的通信功能，另外也具有了智能控制的功能。現場總線設備實際上就是現場總線上的一個節點。基金會現場總線上的節點是具備以下功能的設備。① 實現測量或控制的物理實體功能裝置。② 能夠實現輸入或輸出轉換的功能裝置。 ③ 能夠實現模擬量輸入或模擬量輸出轉換的功能裝置。④ 能夠實現就地顯示的功能裝置。⑤ 能夠實現PID運算的功能裝置。⑥ 能夠實現信號特性描述和信號選擇的功能裝置。⑦ 能夠實現通用運算的功能裝置。⑧ 能夠實現現場總線接口的功能裝置。⑨ 能夠實現現場總線設備之間互可操作功能的裝置等。上述功能部分是由硬件實現，大多數則是由軟件實現。基金會現場總線和ProfibusPA現場總線指定了一種圖形化的、基於功能塊策略的編程語言實現上述的各種功能。關於功能塊編程語言在3.3節中予以介紹。基金會現場總線和ProfibusPA現場總線設備按其功能可分為：變送器類設備、執行器類設備、轉換類設備、接口類設備、電源類設備和附屬類設備等。其中，變送器類設備包括差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器等；執行器類設備包括電動執行器和氣動執行器；轉換類設備包括各種現場總線/電流轉換器、電流/現場總線轉換器、現場總線/氣壓轉換器等；接口類設備主要是指工作站或控制器與現場總線之間的接口設備；電源類設備是指為現場總線設備供電的電源；附屬類設備包括各種總線連接器、安全柵、終端器和中繼器等。1. 現場總線差壓變送器現場總線差壓變送器的傳感部分與第1章介紹的差壓變送器功能基本上相同。根據測量的原理也有電容式和擴散硅式等。不但可用於差壓、壓、表壓、液位和流量的測量，作為現場總線上的一個節點，它還可以實現信號處理、PID控制、本體設備的自診斷以及網絡通信等功能。現場總線變送器的轉換電路部分則是基於協議芯片進行二次開發的，一種電容式差壓變送器的電路原理框圖如圖31所示。各部分電路的功能如下。

圖31現場總線差壓變送器原理框圖

（1) 振蕩器：專用於給電容傳感器提供交變振蕩信號。電容傳感器的結構可參見圖128所示。（2) 信號隔離器：將來自CPU的控制信號和來自振蕩器的信號相互隔離，以免共地干擾。（3) CPU、RAM和PROM： CPU是變送器的核心部件，它用於完成參數測量、PID控制和其他運算功能塊的執行、自診斷和通信等任務(這些功能任務是由寫入其內的功能語言來實現的，FF總線設備具備主站功能，可執行控制等運算，而ProfibusPA設備隻具備從站功能，不能進行控制運算)。PROM用於程序的存儲。RAM用於暫存中間數據。在CPU中還設有一個EEPROM，它用於保存在失電情況下必須保留的數據，如調校、組態和識別數據等。（4) EEPROM：這個是傳感器中的EEPROM，用於保存傳感器在不同壓力和溫度等工況下的特性數據。（5) MODEM： MODEM也即通信控制器，用於監測鏈路活動、調制和解調通信信號、插入和刪除起始標志和結束標志。通信控制器是由協議芯片支持的，不同的協議芯片可構成不同的通信控制器，從而構成不同現場總線的變送器。比如，采用FF的協議芯片時即可實現FF協議的變送器，采用ProfibusPA的協議芯片時即可實現ProfibusPA協議的變送器，采用HART的協議芯片時即可實現HART協議變送器等。（6) 電源：將從現場總線上獲得的電源，轉變為對變送器內電路的供電。（7) 電源隔離器：實現對傳感器供電的隔離。（8) 顯示控制器：接收來自CPU的數據，轉換並控制變送器的就地顯示器。（9) 本地調整部件：配有兩個磁性工具，用於調整變送器的磁性開關，改變變送器的內部參數。2. 現場總線溫度變送器現場總線溫度變送器的傳感部分與第1章介紹的溫度變送器功能基本上相同。與熱電偶或熱電阻配合使用可用於溫度的測量，但它也可以接收傳感器的電阻或毫伏信號進行測量，如高溫計、荷重傳感器、電阻式位移傳感器等。作為現場總線上的一個節點，它還可以實現信號處理、PID控制、本體設備的自診斷以及網絡通信等功能。現場總線變送器的轉換電路部分則是基於協議芯片進行二次開發的，電路原理框圖如圖32所示。各部分電路的功能如下。

圖32現場總線溫度變送器原理框圖

（1) 多路器：多路器用於切換若干路傳感器的輸入信號，將其分別送入後續的信號調理電路進行處理。（2) 信號調理器：用於對輸入信號進行線性化計算、零位遷移、量程轉換、信號的標準化處理等。（3) A/D轉換器： A/D轉換器將輸入的模擬量信號轉換為CPU可用的數字量信號。（4) 信號隔離器：將來自CPU的控制信號和來自振蕩器的信號相互隔離，以免共地干擾。（5) CPU、RAM和PROM： CPU是變送器的核心部件，它用於完成參數測量、控制和運算功能塊的執行、自診斷和通信等任務(這些功能任務是由寫入其內的功能語言實現的)。PROM用於程序的存儲。RAM用於暫存中間數據。同樣，在CPU中還設有一個EEPROM，它用於保存在失電情況下必須保留的數據，如調校、組態和識別數據等。（6) MODEM：用於監測鏈路活動、調制和解調通信信號、插入和刪除起始標志和結束標志。通信控制器是由協議芯片支持的，不同的協議芯片可構成不同的通信控制器，從而構成不同現場總線的變送器。例如，采用FF的協議芯片時即可實現FF協議的變送器，采用ProfibusPA的協議芯片時即可實現ProfibusPA協議的變送器，采用HART的協議芯片時即可實現HART協議變送器等。（7) 電源隔離器：實現對傳感器供電的隔離。（8) 顯示控制器：接收來自CPU的數據，轉換並控制變送器的就地顯示器。（9) 本地調整部件：配有兩個磁性工具，用於調整變送器的磁性開關，改變變送器的內部參數。由於現場總線溫度變送器為數字化儀表，除了用軟件實現模擬變送器中的信號轉換功能外，還可直接實現對熱電偶或熱電阻的線性化計算，也可同時接收不同類型的傳感器信號，實現多路溫度同時測量或兩點溫差的測量。由於數字變送器具有高輸入阻抗，現場總線變送器可采用熱電阻傳感器的歐姆法測量，也允許采用兩線制連接方式。兩線制連接方式歐姆法測量如圖33所示。歐姆法測量時變送器向測量回路提供一個恆定電流I，電阻的變化可直接反映為電壓的變化如式(31)。

V=(RTD 2R)I(31)

式中： V為所測電壓； RTD件電阻； R為線路電阻； I為測量回路電流。兩線制連接方式實現的測量隻有在RTDIRI時測量誤差纔會比較小，線路較長時線路影響是不可忽視的。這時必須采用三線制或四線制連接方式。三線制連接方式歐姆法測量如圖34所示。由於數字變送器可實現高阻抗輸入，將端子3做高阻抗輸入端，因此沒有電流流過第3號線，該線路上沒有電壓降。變送器測量電壓V1與V2，其關繫如下：

V1-V2=(RTD R)I-RI=RTDI(32)

由式(32)可見，V2-V1與線路電阻無關，僅與RTD有關。

圖33溫度變送器兩線制接線示意圖

圖34溫度變送器三線制接線示意圖

四線制連接方式歐姆法測量如圖35所示。這時將端子2和端子3都做高阻抗輸入端，因此沒有電流流過第2號線和第3號線，該線路上沒有電壓降。變送器測量電壓V2，V2與線路電阻無關，僅與RTD有關。

V=VRTD=RTDI(33)

由如圖36所示的是差分測量方式或稱雙通道連接方式。雙通道連接方式可用來測量溫差。變送器測量電壓V1與V2，其關繫如下：

V1-V2=(RTD1 2R)I-(RTD2 2R)I=(RTD1-RTD2)I(34)

由式(34)可見，V1-V2與線路電阻無關，僅與RTD1和RTD2的差值有關。但需要說明的是，線路電阻對兩個測量回路線性化的影響會彼此不同，由於線路電阻的存在，對溫差測量還是會有一點影響。隻有如圖145所示的采用橋路進行信號調理時，纔能完全消除線路電阻因溫度變化帶來的影響。

圖35溫度變送器四線制接線示意圖

圖36溫度變送器差分接線示意圖

3. 電流/現場總線轉換器電流/現場總線轉換器是FF總線和ProfibusPA總線繫統的數據采集設備，主要用於將傳統的4~20mA模擬式變送器或其他具備4~20mA模擬信號輸出的儀表對現場總線繫統的接口，如圖37所示。一般一臺轉換器可同時轉換多路模擬信號，它還可提供多種形式的切換功能。

圖37現場總線轉換器連接示意圖

電流/現場總線轉換器主要由輸入電路板、顯示電路板和主電路板組成，如圖38所示。輸入的模擬電流信號在100Ω輸入電阻上轉換為電壓信號，經多路器MUX選擇後進入A/D轉換器，轉換為數字信號後經信號隔離電路送到主電路的CPU，在CPU中通過組態好的功能塊對信號進行必要的轉換與處理，再經MODEN送往現場總線。

圖38電流/現場總線轉換器原理框圖

轉換器的輸入電路具有反接保護，當輸入信號連接發生極性錯誤時由於電路的保護作用不會損壞轉換器。4. 現場總線/電流轉換器現場總線/電流轉換器是FF總線和ProfibusPA總線繫統與模擬儀表的轉換設備，主要用於現場總線繫統與控制閥或其他執行機構之間的接口。現場總線/電流轉換器可以將現場總線傳輸來的控制信號轉換為4~20mA模擬信號輸出。一臺電流/現場總線轉換器可同時轉換多路模擬量輸出信號，如圖37所示。另外，現場總線/電流轉換器還具備PID控制和其他運算功能。現場總線/電流轉換器主要由輸出電路板、顯示電路板和主電路板組成，如圖39所示。主電路板接收現場總線的指令信息，經CPU處理後，發送控制信號經信號隔離和D/A轉換器轉換成4~20mA模擬信號輸出。由於輸出的是模擬量信號，轉換器需考慮輸出的負載特性和輸出電路的反接保護等。

圖39現場總線/電流轉換器原理框圖

5. 現場總線/氣壓轉換器現場總線/氣壓轉換器主要用於現場總線繫統與氣動控制閥或其他氣動執行機構之間的接口，如圖37所示。現場總線/氣壓轉換器可以將現場總線傳輸來的控制信號轉換為20~100kPa氣壓信號輸出，以控制氣動控制閥或其他氣動執行機構。現場總線/氣壓轉換器同樣具備PID控制和其他運算功能。現場總線/氣壓轉換器的電路原理框圖如圖310所示。各部分電路的功能如下。

圖310現場總線/氣壓轉換器原理框圖

（1) D/A轉換器：接收來自CPU的控制信號並將其轉換成模擬量電壓用於控制氣動部件中件。（2) 控制部件：此處的控制部件件、噴嘴及相應的反饋平衡裝置組成，它能將來自D/A轉換器的控制信號和來自壓力傳感器的反饋信號平衡處理後控制輸出壓力。（3) 壓力傳感器與溫度傳感器：壓力傳感器實現對輸出氣壓的測量，並將壓力信號反饋至控制部件和CPU。溫度傳感器測量部件本體的溫度。（4) EEPROM：這個是控制部件中的EEPROM，用於保存現場總線/氣壓轉換器在復位時的特性數據。（5) MODEM： MODEM也即通信控制器，用於監測鏈路活動、調制和解調通信信號、插入和刪除起始標志和結束標志。通信控制器是由協議芯片支持的，不同的協議芯片可構成不同的通信控制器，從而不構成同現場總線的變送器。例如，采用FF的協議芯片時即可實現FF協議的變送器，采用ProfibusPA的協議芯片時即可實現ProfibusPA協議的變送器，采用HART的協議芯片時即可實現HART協議變送器等。（6) 電源：將從現場總線上獲得的電源，轉變為對轉換器內電路的供電。（7) CPU、RAM和PROM： CPU是變送器的核心部件，它用於完成參數測量、控制和運算功能塊的執行、自診斷和通信等任務(這些功能任務是由寫入其內的功能語言實現的)。PROM用於程序的存儲。RAM用於暫存中間數據。在CPU中還設有一個EEPROM，用於保存在失電情況下必須保留的數據，如調校、組態和識別數據等。（8) 顯示控制器：接收來自CPU的數據，轉換並控制變送器的就地顯示器。（9) 本地調整部件：配有兩個磁性工具，用於調整變送器的磁性開關，改變變送器的內部參數。（10) 壓電噴嘴擋板機構：用以實現將壓電板的位移轉換成氣壓信號，以調節控制腔室的氣壓。（11) 節流裝置：引導並控制壓縮空氣進入噴嘴。（12) 氣動放大器：用於將噴嘴擋板機構處的壓力放大，以便產生足夠大的空氣流量變化來驅動執行機構。現場總線/氣壓轉換器要實現對氣壓的控制，還需要有專門件，在此稱為輸出組件，其結構如圖311所示。輸出組件主要由噴嘴擋板機構、氣壓伺服機構和壓力傳感器等組成。

圖311現場總線/氣壓轉換器輸出組件原理示意圖

現場總線/氣壓轉換器接收到現場總線上的控制信號時，經CPU處理輸出一個設定信號送入控制電路，控制電路同時還接收輸出組件反饋來的壓力信號，並與之平衡。噴嘴擋板機構中采件作為擋板，當控制電路將電壓加到壓電擋板時，由壓電逆效應會使擋板靠近噴嘴，引起控制腔室氣壓升高，該氣壓為導壓。在一定範圍內導壓與擋板和噴嘴之間的距離成正比，轉換器的正常工作範圍就在該區域。氣動伺服機構則用來實現氣動放大作用。伺服機構在控制腔室一側設有一個膜片，在輸出腔室一側設有一個小膜片，導壓在控制腔室一側的膜片上產生一個壓力，在穩態時，導壓力和輸出氣壓加在輸出膜片上的壓力相等。當需要增加輸出氣壓時件膨脹，導壓升高，迫使提升閥下降，氣源所提供的壓縮空氣經提升閥流入輸出腔室，輸出氣壓增加，直到與導壓相平衡時為止。當需要減少輸出氣壓時件收縮，導壓減小，提升閥由於彈簧的作用而關閉。由於輸出氣壓大於導壓，膜片會向上移動，輸出腔室中的空氣通過提升閥上的小孔溢出，輸出氣壓減小，直到與導壓再次達到平衡時為止。6. 現場總線閥門定位器現場總線閥門定位器是在現場總線/氣壓轉換器的基礎上增加了閥位反饋，從而可實現精確的閥門定位。由於現場總線閥門定位器是數字定位器，它還可實現閥門控制信息的數字傳輸、閥門參數的遠程設定、閥門參數的自動標定和故障診斷等功能，並具備PID控制和其他運算功能(同樣這些功能任務是由寫入其內的功能語言來實現的，FF總線設備具備主站功能，可執行控制等運算，而ProfibusPA設備隻具備從站功能，不能進行控制運算)。它可自動累計閥門的行程和動作次數，當達到規定的數值時會發出提示信息。另外，通過軟件組態它還可實現各種閥門特性，如線性特性、等百分比特性和快開特性，這些閥門特性在模擬閥門定位器中是需要借助於凸輪和彈簧等其他部件實現的。當現場總線閥門定位器與現場總線之間的通信發生故障或上遊其他設備發生故障時，閥門定位器則進入故障安全狀態，並保持執行機構的位置不變或達到用戶預先設定的安全位置。現場總線閥門定位器主要由主電路板、顯示電路板和輸出組件組成。主電路板和顯示電路板與現場總線/氣壓轉換器基本相同。對輸出組件的設計，不同生產廠家會有不同的結構。其中一種結構如圖312所示。其結構包括噴嘴擋板機構、氣壓伺服機構、位移傳感器和輸出控制電路等組成。

圖312現場總線閥門定位器輸出組件原理示意圖

來自主電路板的控制信號加到壓電擋板上，通過壓電逆效應使擋板彎曲，從而使擋板靠近噴嘴，引起伺服腔室壓升高，該氣壓為導壓。在一定範圍內導壓與擋板和噴嘴之間的距離成正比，轉換器的正常工作範圍就在該區域。伺服機構的功能是實現氣壓放大。伺服機構有一個膜片位於伺服腔室，還有一個較小的膜片位於滑閥腔室。在穩態時，伺服腔室壓力對膜片的作用力等於滑閥腔室的壓力對小膜片的作用力。當壓電擋板靠近噴嘴時，伺服腔室的壓力會增加，位於伺服腔室的膜片受力增大，使滑閥向下移動，氣源的壓縮空氣通過滑閥中間的內通道經輸出孔2流入氣動執行機構的一側氣室，使該側的壓力加大；同時滑閥的向下移動又使輸出孔1和排氣孔1聯通，氣動執行機構另一側的空氣經輸出孔1和滑閥中間的內通道，由排氣孔1排出。執行機構受壓膜片兩側的壓力差驅使執行機構向下產生位移。霍爾位移傳感器檢測到執行機構的位移，並轉換為電信號送往輸出控制電路，當閥位反饋信號與閥門控制信號平衡時，執行機構也即達到給定位置，此時噴嘴擋板機構和伺服機構達到一個新的穩定狀態。基於上述輸出組件的閥門定位器電路框圖如圖313所示。另一種形式輸出組件的現場總線閥門定位器結構如圖314所示。

圖313現場總線閥門定位器原理框圖

圖314現場總線閥門定位器原理框圖

在圖314中，定位器的輸入是從現場總線而來，經信號接收器和通信控制器送往微處理器CPU進行處理。同樣通信控制器是由協議芯片支持的，不同的協議芯片可構成不同的通信控制器，從而構成不同現場總線的變送器。比如實現FF協議通信、ProfibusPA協議通信或HART協議通信等。微處理器完成參數測量、控制和運算功能塊的執行、自診斷和通信等任務。另外，閥門的具體變化信號經過位置感應傳感器和A/D轉換器也同時到達微處理器。微處理器根據輸入信號和閥位信號的偏差經過計算，向供氣電磁閥(或壓電閥)和排氣電磁閥輸出控制信號。如果控制要求需要閥門向下關閉，微處理器將向1號D/A轉換器發出控制指令，對應的1號位式供氣電磁閥工作，該供氣電磁閥將電信號轉變為氣壓信號輸出(此時3號位式供氣電磁閥不工作，沒有氣壓信號輸出)，其氣壓信號送往1號位式氣動閥，該氣動閥接通氣源，壓縮空氣經P1輸出口送往調節閥。調節閥在氣壓作用下將克服彈簧彈力向下移動。此處采用線性可變差動變壓器(LVDT)型位移傳感器將閥位信號反饋到微處理器。當閥門的閥位信號與控制信號平衡時，閥門開度即固定在此位置。如果控制要求需要閥門向上打開，微處理器將向3號D/A轉換器發出控制指令，對應的3號位式供氣電磁閥工作，該供氣電磁閥將電信號轉變為氣壓信號(此時1號位式供氣電磁閥不工作，沒有氣壓信號輸出)，其氣壓信號送往3號位式氣動閥將其打開，調節閥在簧彈作用下將向上移動，並將上部腔室的空氣經P1輸出口和3號位式氣動閥由閥門定位器的排氣孔排出。同樣，當閥門的閥位信號與控制信號平衡時，閥門開度即固定在此位置。在緊急情況下可按下閥門定位器上的緊急復位按鈕，同樣可打開3號位式氣動閥將調節閥中的空氣排出，使調節閥在彈簧的作用下打開。調節閥的種類很多，如圖314所示的是單向調節閥，在氣壓作用下調節閥閥杆向下移動，也即氣關式(調節閥是否為氣開或氣關還取決於閥體的結構)。如果在氣壓作用下閥杆向上移動，也即氣開式。另外，也有如圖313所示的雙向調節閥。這時需將閥門定位器的P1輸出口接調節閥的一側腔室，將閥門定位器的P2輸出口接調節閥的另一側腔室。7. 現場總線接口現場總線接口是一種連接高級過程控制與多通道FF現場總線的接口。該接口是為工業或商用計算機設計的工業標準體繫結構板卡(即ISA板卡)。一般它具備多個現場總線H1主通道，可運行多種復雜的功能塊。由於它是直接連接在PC總線上的，因此它可提供迅捷的現場總線與計算機之間的通信。由於現場總線接口是用於連接工業或商用計算機，一般用於構築小型現場總線控制繫統，如圖315所示。小型現場總線控制繫統一般隻有兩層繫統結構，一層為實現現場的過程控制，一層則實現過程的管理。

圖315小型現場總線控制繫統結構圖

現場總線接口卡安裝在計算機內，因此其硬件與軟件的設計都要充分考慮在盡量減小計算機負擔的情況下，完成一切必要的通信和過程控制任務。現場總線接口卡的硬件結構如圖316所示。圖316中各部分電路的功能如下：

圖316現場總線接口卡原理框圖

（1) 中央處理器CPU：用以完成現場總線接口的所有通信和控制任務。（2) 雙口RAM：現場總線接口和計算機上的CPU可以同時訪問該存儲器，由此，它可為現場總線接口以及計算機之間提供一個高效的通信路徑。（3) 控制邏輯：控制邏輯用於處理CPU對所有設備的訪問，以及雙口RAM的仲裁機構。（4) PC總線：用於為現場總線接口卡供電，並使計算機可以訪問現場總線接口卡。（5) 本地總線：用於現場總線接口卡的CPU與RAM、NVRAM、FLASH和雙口RAM之間高速交換信息。（6) 外設總線：用於現場總線接口卡的CPU與計時器和MODEM的連接。（7) 計時器：該通用計時器用作任務調度的時間基準和現場總線的通信定時。（8) 現場總線通信控制器MODEM：采用了專用的現場總線芯片來實現數據的串行通信。（9) 現場總線介質連接裝置：該裝置將MODEM輸出的信號轉換為現場總線信號，並對信號實行隔離。另外，該連接裝置符合相關的現場總線物理規範要求。這裡一塊現場總線接口卡可提供4路現場總線的連接。（10) 非易失性隨機存儲器NVRAM：用於存儲現場總線接口卡的數據和對像。（11) 閃存FLASH：用於保存現場總線接口卡的程序。8. 現場總線鏈路控制設備現場總線鏈路控制設備用於連接現場總線和過程控制主站，一般用於構築大型現場總線控制繫統，如圖317所示。現場總線鏈路控制設備可以是一個基於現場總線協議芯片的接口裝置，但多數繫統中都采用過程控制主站中的控制器來擔任。過程控制主站和控制器與分布式控制繫統中的控制站基本相同。隻是在控制器模塊中增加了現場總線協議芯片的接口裝置。這時現場總線控制繫統一般為控制繫統中的一個子繫統。這種大型控制繫統一般有三層繫統結構，一層為實現現場的過程控制，二層為設備或裝置的控制，三層則實現過程的管理。

圖317大型現場總線控制繫統結構圖

對於基金會現場總線繫統，主站中的控制器主要用來擔任高級控制任務，基礎控制任務均可由現場總線設備完成。對於ProfibusPA現場總線繫統，控制器也即繫統中的主站。因為ProfibusPA現場總線繫統中的現場設備隻能是繫統的從站，它們不具備基本的PID控制功能，控制功能必須由主站完成。基於ProfibusPA的現場總線控制繫統如圖248所示。由過程控制主站中的控制器擔任的現場總線鏈路控制設備的結構與1.4.3節中介紹的處理器模件的結構基本相同，其原理框圖如圖318所示。圖中各部分電路的功能如下。

圖318現場總線鏈路控制設備原理框圖

（1) 微處理器CPU：用於本模件的操作與控制、控制應用程序的運行、功能塊組態而建立的各種控制策略的執行以及與其他模件或部件的信息交換等。微處理器的操作繫統及功能塊庫則駐留在隻讀存儲器ROM中。（2) 隻讀存儲器ROM、靜態隨機存儲器SRAM及非易失存儲器NVRAM： ROM用於保存微處理器的操作繫統及功能塊庫，SRAM用於數據暫存和繫統組態副本的保留，NVRAM用於保存繫統組態、批處理文件和高級語言程序等，NVRAM中保存的信息在失電情況下也不會丟失。（3) 輸入/輸出接口電路及直接數據存儲設備：用於各種通信鏈路管理及數據交換，支持現場總線的控制模塊則相應配有現場總線的協議芯片以支持現場總線通信與管理。（4) 各種輸入/輸出通道：冗餘鏈路用於處理器模件冗餘配置組態，為主處理器模件和備用處理器模件提供並行鏈路。控制總線用於為該處理器模件和其他控制站中的處理器模件進行數據交換提供通道。輸入/輸出總線用於處理器模件與傳統輸入/輸出模件之間的數據傳輸提供通道。手動操作站接口用於中處理器模件故障情況下，需由手動操作站進行操作時進行必要的數據交換。串行口用於提供諸如RS232和RS485的標準接口，實現對其他設備的連接。現場總線接口則通過對現場總線的連接，基金會現場總線繫統則直接提供FFH1接口，而ProfibusPA現場總線繫統，在處理器模件上提供的則是用於主站的ProfibusDP現場總線繫統接口，另外還需使用DP/PA耦合器實現對ProfibusPA現場總線繫統的連接，其繫統構成如圖248所示。9. 其他現場總線設備用於基金會現場總線和ProfibusPA現場總線繫統的設備還包括離散輸入/輸出接口設備、現場總線電源設備、現場總線安全柵以及總線終端設備等。離散輸入/輸出接口設備是一種用於將現場的一些開關量信號連接到現場總線上來，並運用現場總線繫統的功能塊語言實現離散過程的控制。這些離散過程的控制包括像泵的啟停、電磁閥的開斷以及一些簡單電器設備的啟停控制，例如通斷式溫度控制、流量控制和液位控制等。典型離散輸入/輸出接口設備的電路原理框圖如圖319所示。圖中CPU用於管理和運行控制模塊。基於現場總線芯片的MODEM用於實現數據的通信管理與控制。輸入/輸出門電路用於對輸入/輸出信號的保持。

圖319現場總線離散I/O設備原理框圖

現場總線電源設備負責向現場總線的儀表設備提供24V的標準電源。現場總線電源設備可以接收交流輸入，也可以接收直流輸入。現場總線電源設備還可提供短路保護、過流保護及故障報警等功能。現場總線技術與過程控制第3章現場總線控制繫統現場總線安全柵與傳統儀表繫統的安全柵一樣，用於對送往現場的電壓與電流進行嚴格限制，以保證在各種狀況下進入現場的電功率在安全的範圍之內。總線終端設備結構非常簡單，采用一個100Ω的電阻和一個1μF的電容串聯而成。其作用是使該終端器的電阻與總線的線路電阻相匹配，從而防止信號在線路上傳輸時產生反射。另外，1.3.1節中介紹的電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計以及科裡奧利流量計所配套的變送器，均可采用FF協議芯片、ProfibusPA協議芯片或HART協議芯片，構成FF現場總線變送器、ProfibusPA現場總線變送器或HART變送器，如圖320所示。

圖320常用的現場總線變送器示意圖

3.2.2ProfibusDP現場總線設備ProfibusDP現場總線設備主要包括ProfibusDP總線上的主站設備和從站設備。1類主站設備（主站控制器，通常是一臺主站型PLC）的功能主要包括：執行控制運算、與從站設備循環交換I/O數據或進行非循環訪問、對從站設備進行診斷、對2類主站設備的組態和診斷請求進行處理、對從站設備的報警進行處理等。2類主站設備（通常是一臺便攜式計算機）的功能主要是繫統組態和收集1類主站設備的診斷數據等。從站設備的功能主要包括：與指定的主站設備循環交換I/O數據、響應指定主站的診斷請求、處理主站的組態請求、響應主站的非循環訪問、向指定的主站提供報警、支持1類主站設備和2類主站設備調用預定義功能等。由於低壓電氣設備智能化和網絡化的發展趨勢，ProfibusDP協議芯片得到了越來越多廠商的應用，這樣除了Profibus現場總線控制繫統的主站從站設備外，越來越多的電氣產品可以掛接到ProfibusDP總線上，尤其是一些低壓電器的控制設備、配電設備和主令設備，如斷路器、電機啟動器、變頻器等（主要用作從站設備）。ProfibusDP總線正如2.3.1節中所介紹的，是設備級現場總線。它主要用於對電氣設備各種狀態的表達和控制。同樣支持低壓電氣設備智能化和網絡化的發展的現場總線技術還包括DeviceNet總線和Interbus總線等。另外，一些儀器或儀表繫統也采用ProfibusDP協議芯片進行數據通信，這些儀器儀表主要是一些能夠獨立完成測控功能的儀器儀表繫統，如過程分析儀器繫統、調節儀表及稱重儀表等。在ProfibusDP總線上掛接的設備，制造商都必須安裝Profibus協議要求建立與設備相關的電子設備數據文件GSD，並將該文件公開，以便其設備能方便地集成到ProfibusDP繫統中。下面主要對一些低壓電器控制或操作設備予以簡單介紹，PLC繫統設備和便攜式計算機讀者可以通過相關資料查詢。1. 現場總線低壓斷路器低壓斷路器也稱自動空氣開關，是低壓配電網中的主要開關電器之一，它不僅可以接通和分斷正常負載電路，也可以用來控制不頻繁啟動的電動機。低壓斷路器還具備多種保護功能和動作值可調的功能。低壓斷路器的功能涵蓋了閘刀開關、過流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器和熱電保護器等設備的功能。將低壓斷路器智能化並植入了現場總線協議芯片後即可升級為現場總線低壓斷路器，典型的現場總線低壓斷路器原理框圖如圖321所示。

圖321現場總線斷路器原理框圖

圖321中過流脫鉤器的線圈和熱脫鉤件與主電路串聯，失壓脫鉤器的線圈與主電路並聯。當主電路發生短路或嚴重過載時，過流脫鉤器動作，推動主脫鉤機構動作使主觸點斷開主電路。當電路過載時熱脫鉤器動作，推動主脫鉤機構動作使主觸點斷開主電路。當電路欠電壓時，失壓脫鉤器動作，推動主脫鉤機構動作使主觸點斷開主電路。現場總線低壓斷路器中其過流脫鉤器、熱脫鉤器和失壓脫鉤器為電子式脫鉤器，均配有相應的傳感器，其保護信號均可通過斷路器對DP總線的接口將數據轉換成ProfibusDP規範後上傳至ProfibusDP總線。ProfibusDP主站也可通過ProfibusDP總線對斷路器實行主令操作。斷路器對ProfibusDP總線傳輸的數據包括相電流、相電壓和接地故障電流等模擬量檢測信號，也包括脫鉤狀態、潮濕報警和三相不平衡報警等故障信息，分合位置、分勵欠壓脫鉤器狀態、合閘準備就緒等運行狀態信息，以及遠距離參數設置和遠距離控制等主令控制信息。2. 現場總線馬達啟動器馬達啟動器(即電機啟動器)是用於輔助電機啟動的設備，使用馬達啟動器可使電機啟動平穩，啟動過程中對電網的衝擊小，還能實現對電機的軟停車、制動、過載和缺相保護等。馬達啟動器主要用於大型電機和異步電機中。常用的有星形/三角形降壓啟動控制方式和自耦變壓器降壓啟動控制方式。這些啟動方式都是在電動機的定子加上較低的電壓進行啟動，所以稱為降壓啟動(減壓啟動)。待電機啟動後再將電壓恢復到額定值，使之在正常電壓下運行。因為電樞電流和電壓成正比，所以降低電壓可以減小啟動電流，防止在電路中產生過大的電壓降，減小對線路電壓的影響。現場總線馬達啟動器采用基於微處理器的電子方式對星形/三角形的轉換或自耦變壓器的調整進行控制，通過啟動器對DP總線的接口將數據轉換成ProfibusDP規範後上傳至ProfibusDP總線。ProfibusDP主站也可通過ProfibusDP總線對啟動器實行主令操作。另外一種電機啟動方式是軟啟動。電壓逐步提升到額定電壓，這樣電機在啟動過程中的啟動電流，就由過去過載衝擊電流不可控制變成為可控制。並且可根據需要調節啟動電流的大小。電機啟動的全過程都不存在衝擊轉矩，而是平滑的啟動運行。軟啟動與其他啟動方式的特性比較如圖322所示。

圖322電機啟動特性比較圖

電機軟啟動器多采用三相反並聯晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動機定子之間。這種電路類似三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時，運用不同的方法，改變晶閘管的觸發角，就可調節晶閘管調壓電路的輸出電壓。在整個啟動過程中，軟啟動器的輸出是一個平滑的升壓過程，直到晶閘管全導通，電機在額定電壓下工作。軟啟動器的優點是降低電壓啟動，啟動電流小，適合所有的空載、輕載異步電動機使用。由於晶閘管的輸出電壓是逐漸增加的，所以電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，這樣可實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能。軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩衝擊。同樣也有現場總線軟啟動器產品。現場總線軟啟動器采用基於微處理器的電子方式對晶閘管的觸發角進行控制，且內部集成有旁路接觸繫統，並通過軟啟動器對DP總線的接口將數據轉換成ProfibusDP規範後上傳至ProfibusDP總線。ProfibusDP主站也可通過ProfibusDP總線對軟啟動器實行主令操作。典型的現場總線馬達啟動器原理框圖如圖323所示。

圖323現場總線軟啟動器原理框圖

3. 現場總線變頻器變頻器是通過改變電機電源的頻率調節電機轉速的裝置。變頻調速是將電網電壓提供的恆壓恆頻交流電變換為變壓變頻的交流電，通過平滑改變異步電動機的供電頻率來調節異步電動機的同步轉速，從而實現異步電動機的無級調速。這種調速方法由於調節同步轉速，故可以從高速到低速保持有限的轉差率。在異步電動機諸多的調速方法中，變頻調速的性能好，其調速範圍廣、效率高、穩定性好，是交流電動機一種比較理想的調速方法。常用的變頻技術有交直交變頻和交交變頻。交直交變頻也稱間接變頻。交直交變頻器先將頻率固定的交流電整流成直流電，經過中間濾波環節之後，再把直流電逆變成頻率可調的三相交流電。由於把直流電逆變成交流電的環節較易控制，因此，該方法在頻率的調節範圍及改善變頻後電動機的特性等方面都具有明顯的優勢。大多數變頻器都屬於交直交型。交交變頻也稱直接變頻。交交變頻器沒有明顯的中間濾波環節，電網固定頻率的交流電被直接變成可調頻調壓的交流電。交交變頻器通常由三相反並聯晶閘管可逆橋式變流器組成。交交變頻器具有過載能力強、效率高、輸出波形較好等優點，但同時存在著輸出頻率低、使用功率器件多、功率因數低和高次諧波對電網影響大等缺點。變頻器要實現頻率的轉換，對控制的要求較高。因此，變頻器基本上已經是智能化的設備。典型的交直交變頻器原理框圖如圖324所示。

圖324現場總線變頻器原理框圖

由圖324可見，變頻器包括主電路和控制電路。主電路由整流器、濾波器和逆變器組成。整流器將交流電整流成直流電。濾波器的作用是為了抑制脈動電壓波動。逆變器是將直流電重新變換為交流電。控制電路則由運算電路、驅動電路、檢測電路、輸入電路和輸出電路組成。運算電路將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算(包括一般的PID運算)，控制逆變器的輸出電壓與頻率。變頻器可以接收上級控制器發送過來的模擬控制指令，本身作為執行機構實行開環控制，也可以接收傳感器的發送過來的模擬信號，進行PID運算實行閉環控制。驅動電路用於驅動主電路器件。檢測電路用於對電壓、電流和速度進行檢測。輸入電路用於頻率設定信號輸入和電動機旋轉方向設定信號的輸入等。輸出電路用於報警信號輸出和測量信號輸出等。現場總線變頻器則在控制電路的基礎上，增加了ProfibusDP協議芯片進行數據通信，並通過變頻器對DP總線的接口將數據轉換成ProfibusDP規範後上傳至ProfibusDP總線。ProfibusDP主站也可通過ProfibusDP總線對變頻器實行主令操作，如圖324所示。對於小功率變頻器，還有一種比較通行的做法是將其做成ProfibusDP總線主站或從站中的一個模塊。這時變頻器通過背板總線接口與主站或從站上的背板總線進行連接，再通過站中的ProfibusDP通信模塊與ProfibusDP總線進行數據交換。模塊化設計的好處是變頻器此時已成為控制繫統的一個部分，這對控制繫統的管理控制，以及數據交換更為方便靈活。模塊化變頻器的原理如圖325所示。如圖326所示為模塊化變頻器作為ProfibusDP總線從站模塊的配置示意圖。

圖325模塊化現場總線變頻器原理框圖

圖326模塊化現場總線變頻器配置圖

4. 其他現場總線電氣設備能掛接在ProfibusDP總線上的從站設備還包括智能化的低壓開關櫃和智能化的馬達控制中心(MCC)等。智能化低壓開關櫃的功能包括配電、控制、保護和遠程通信等，基本上可實現無人值守。智能馬達控制中心由斷路器、接觸器、馬達保護器、馬達啟動器和馬達調速器等組成。可實現對電機的啟停控制、運行控制和預防控制等。另外，還能夠將接地故障、過流、過載、欠壓、自動重啟動、堵轉、超溫等功能集中到中心的控制設備上，上位機控制主站能夠通過總線網絡對智能馬達控制中心進行組態，也可采集馬達控制中心所有電動機運行參數，控制電機的啟停，實現遠方對現場電機設備的操控及運行狀態監控等。如圖327所示為ProfibusDP總線上的智能化的低壓開關櫃和智能化的馬達控制中心。

圖327現場總線配電櫃與馬達控制中心示意圖

5. ProfibusDP現場總線上的儀表與繫統設備前面已經介紹了現場總線的儀表，這些儀表基本上都是基金會現場總線儀表或ProfibusPA現場總線儀表，因為隻有在基金會現場總線儀表或ProfibusPA現場總線技術中纔在通信模型的應用層制定了標準的應用協議。而在ProfibusDP總線上沒有這類應用協議。ProfibusDP總線上的儀表基本上都是具備獨立控制功能的儀表或繫統。基本運算功能在本地裝置中完成，需要與上位機繫統通信的內容主要是執行結果，設備之間不能相互操作。這類儀表主要是分析儀表繫統、稱重繫統和智能調節器等。早期的智能儀表繫統基本上都采用RS485規範。RS485是一種標準的物理接口，對應通信模型中的物理層，沒有統一的通信協議。各家公司都有自己自定義的通信協議，但應用非常廣泛的是Modbus協議，大部分大公司的RS485產品都支持Modbus協議。Modbus是由Modicon(莫迪康公司，現為施耐德電氣公司的一個部分)在1979年開發的，是全球個真正用於工業現場的總線協議。Modbus協議是應用於電子控制器上的一種通用語言，並成為一種通用工業標準。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其他設備之間可以通信。通過該協議不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。

圖328Modbus與OSI模型關繫圖
Modbus協議對應ISO/OSI參考模型中的第1層、第2層和第7層，如圖328所示。Modbus第1層采用RS232或RS485規範。RS485采用平衡發送和差分接收方式實現通信，發送端將串行口的TTL電平信號轉換成兩路差分信號輸出，經過線纜傳輸之後在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由於傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以有極強的抗共模干擾能力，總線收發器靈敏度很高，可以檢測到低至200mV的電壓。故傳輸信號在千米之外都可以恢復。RS485的通信距離約為1219m，傳輸速率為10Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100kb/s的傳輸速率下，纔可以達到的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加RS485中繼器。RS485采用半雙工工作方式，支持多點數據通信。RS485總線網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構。即采用一條總線將各個節點串接起來，不支持環形或星型網絡。第2層采用Modbus串行鏈路協議。Modbus在訪問控制方面采用了主從原則，即查詢與回應方式。盡管網絡通信方法是“對等”方式，但是如果控制器發送消息，它將作為主設備，並期望從從設備得到回應。同樣，當控制器接收到消息，它將建立從設備回應格式並返回給發送的控制器。在Modbus繫統中有兩種傳輸模式可選擇。這兩種傳輸模式對PC通信的能力是同等的。選擇時應視所用Modbus主機而定，每個Modbus繫統隻能使用一種模式，不允許兩種模式混用。一種模式是ASCII(美國信息交換碼)，另一種模式是RTU(遠程終端設備)。Modbus繫統在數據校驗方面采用循環冗餘碼校驗。第7層為Modbus繫統應用層，在應用層中采用功能碼表述數據報文執行的功能。智能化的自動化儀表很多都采用了Modbus通信協議，尤其是具備獨立控制或執行功能的自動化儀表，如智能調節器和智能記錄儀等。圖329給出了一個基於Modbus通信協議的智能自動化儀表與上位計算機構成的監控繫統應用案例。

圖329基於Modbus協議的智能儀表繫統圖

由於ProfibusDP通信協議在其物理層采用了RS485規範，因此，上面介紹的這些具有獨立控制功能的自動化儀表，采用可選的ProfibusDP通信協議模塊非常容易實現ProfibusDP總線通信。例子之一是分析儀器繫統。過程分析儀器不論是分析氣體還是液體成分，都必須進行樣體采樣與樣體的預處理。取樣預處理繫統一般包括采樣裝置、過濾裝置、流量控制裝置和其他輔助裝置等。采樣裝置的功能就是將工藝物質以足夠的壓力和流量不失真地導出並送入後續的處理和。由此可見，分析儀器繫統本身就是一個比較復雜且相對獨立並自成體繫的控制繫統。如圖330所示為一個氣體分析繫統，該繫統由采樣預處理繫統與分析儀器構成。

圖330基於ProfibusDP協議的分析儀表繫統圖

圖330中被分析的工藝氣體物質由取樣泵抽入采樣繫統，經過濾、冷凝除水處理後送分析儀器的進行成分分析。采樣繫統運行一段時間後，進行反吹清洗，然後再用零位標定氣體對分析儀進行標定。分析儀根據被素不同其結構與原理也不同。常用的過程有紅外型、紫外型、光學型、電導型、電化學型等。對於本例中的紅外，還需對分隔室定期進行衝洗。這些過程都由分析儀繫統的內部控制器進行控制。用素的結果計算還涉及到樣氣中的氧含量及大氣壓等因素，由主電路板中的CPU進行實時計算，然後將結果轉換成4~20mA模擬量信號送出。如果選配ProfibusDP協議芯片接口，則可將結果送往ProfibusDP總線上的控制主站進行控制或其他處理。分析儀本體也有顯示操作面板可進行本地顯示和操作。例子之二是稱重繫統。稱重繫統分為動態稱重繫統與靜態稱重繫統。如圖131所示的即為動態稱重繫統，在該繫統中，相應的二次儀表須將荷重傳感器的信號與速度信號進行

圖331基於ProfibusDP協議的動態稱重儀表原理框圖

一定的運算。如果繫統構架是多托輥稱架，還須將多個荷重信號進行求和平均計算。由於是流量信號輸出，還需有瞬時值和累計值。可見，動態稱重繫統的二次儀表本身就是一臺功能性較強的專用儀表。隨著電子技術的發展，這類儀表很自然地發展為智能儀表。在現場總線繫統中有一種做法是將這種專用的稱重儀表集成到繫統中，就像上面介紹的小功率變頻器一樣，使其成為ProfibusDP從站或主站的一個模塊。如圖331所示就是動態稱重模塊的原理框圖。稱重的結果可通過ProfibusDP總線送往主站控制器進行運算或執行控制。對於靜態稱重繫統也有類似的做法，如圖332所示則為靜態稱重繫統的原理圖。圖中對於料倉重量的檢測由相應的稱重傳感器實現，稱重繫統不但要檢測物料的重量，還要進行自動去皮計算(料倉可能粘料，料倉的皮重並不是固定的)。同樣，稱重的結果通過ProfibusDP總線送往主站控制器進行運算，再經過從站(或主站)的I/O模塊送往現場執行控制。

圖332基於ProfibusDP協議的靜態稱重儀表繫統圖

例子之三是智能調節器。智能調節器是控制功能很強的一類儀表，簡單的智能調節器具備基本的PID控制功能和一些其他的運算功能。而稍高檔位的智能調節器則具備串級PID控制、前饋PID控制、非線性補償運算、史密斯預估運算，甚至PID參數自整定運算等多種高級功能。有些智能調節器還可實現雙回路控制或四回路控制。這些控制功能都是通過其軟件實現的，用戶可根據需要選擇並組合相應的控制功能，因此，有時也將智能調節器稱之為可編程調節器。智能調節器實際上已經是一臺小型的計算機裝置，其硬件構成包括CPU在內的相應芯片設施，智能調節器的電路原理框圖如圖333所示。

圖333基於ProfibusDP協議的智能調節器原理框圖

其電路主要包括主電路和輸入/輸出電路。主電路板中的CPU是調節器的核心部件，它用於完成PID控制和其他運算功能塊的執行、自診斷和通信等任務(這些功能任務是由寫入其內的功能語言來實現的)。內存FLASH中包括可編程隻讀存儲器PROM和隨機存儲器RAM，PROM用於存儲由制造商編制的各種功能程序語言，RAM用於暫存中間數據。非易失性隨機訪問存儲器NVRAM用於保存在失電情況下必須保留的數據，如調校、組態和識別數據等。鍵盤顯示接口主要用於處理面板顯示與面板操作等。輸入/輸出電路板用於處理輸入/輸出信號。智能調節器可接收各類模擬量輸入信號，包括標準的4~20mA信號、熱電阻輸入信號和熱電偶(mV)輸入信號等。也接收開關量輸入信號。輸出信號包括標準的4~20mA信號和開關量信號(主要用於報警功能等)，通過RS485接口或ProfibusDP總線接口，也可輸出相應通信協議的數字信號。

圖334帶ProfibusDP通信的儀表調節回路繫統圖
由智能調節器構成的一個簡單回路控制應用如圖334所示。在該應用中差壓變送器檢測流量孔板的前後差壓，將其轉換成4~20mA標準信號送往智能調節器。調節器根據控制要求進行PID運算，運算結果同樣以4~20mA標準信號送往調節閥上的閥門定位器，閥門定位器將控制信號轉換成閥門開度以控制工藝介質流量。不論變送器和閥門定位器是模擬型還是數字型，在傳統的模擬繫統中信號的傳輸都是4~20mA標準信號。在該繫統中控制功能由幾臺儀表組合完成。如果上位機需要監視該工藝過程的控制，可通過智能調節器上的RS485接口或ProfibusDP總線接口與上位機通信，並將相應的信息傳輸給上位機。此處則是通過ProfibusDP總線接口和ProfibusDP現場總線與上位機主站進行通信，將控制信息傳輸給主站上位機。
3.3現場總線控制繫統前面已經介紹了現場總線控制繫統(FCS)是集過程儀表、控制運算、控制組態、繫統診斷、功能報警、參數記錄等功能於一體的，開放型的工廠底層控制網絡的集成式全分布計算機控制繫統。現場總線是解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制繫統之間的信息傳遞的橋梁。但一般來說現場總線控制繫統多是大型控制繫統的一個子繫統。可見，現場總線控制繫統與傳統的計算機控制繫統有著非常密切的關繫。現場總線控制繫統將控制繫統底層的現場設備變成網絡節點連接起來，實現自下而上的全數字化通信，可以實現現場設備的數字通信。但現場總線控制繫統是由現場總線網絡繫統與現場智能化設備一起構成。3.3.1現場總線控制繫統與傳統計算機控制繫統隨著電子技術、計算機技術和過程控制技術的發展，到20世紀70年代過程控制裝置已發展成為分布式控制繫統，分布式控制繫統的典型結構如圖148所示。雖然對於小規模的實際應用時可以構築如圖23所示的小型現場總線控制繫統，但是當現場總線控制繫統融合到傳統的控制繫統中之後，其繫統結構如圖317所示。這時現場級的儀表可以是傳統的模擬儀表，也可以是智能化的模擬儀表，其傳輸信號為4~20mA標準信號，同時現場級的儀表也可以是數字通信的儀表繫統，即現場總線的儀表與現場總線網絡。在主站級，由於傳輸數據及帶寬的要求，其通信網絡基本上是采用以太網或基於以太網標準的網絡，常用的網絡協議包括基金會現場總線的高速以太網(HSE)、PROFInet、Modbus/TCP等。1. 傳統計算機控制繫統構成傳統計算機控制繫統的實體有典型的分布式控制繫統(即集散型控制繫統，DCS)。隨著PLC技術的發展，PLC也已經成為分布式控制繫統家族的成員，DCS和PLC構成的控制繫統都有著如圖149所示的體繫結構。圖149所示繫統的具體連接如圖335所示。在這種分布式計算機控制繫統中，現場的變送器獲取被控對像的參數，以4~20mA的標準信號傳輸給控制繫統中的輸入模塊(即I/O模塊)，在輸入模塊中模擬信號被轉換成數字信號，再通過控制繫統的內部總線或控制裝置的背板總線以數據通信的方式將信號傳輸給控制器模塊。在控制器模塊中進行控制算法的運算，再將運算結果傳輸給輸出模塊，在輸出模塊中數字信號被轉換成模擬信號，以4~20mA的標準信號傳輸給現場的執行機構(如閥門定位器)去執行控制指令。另外，過程參數和控制結果等還要送上位機進行顯示。

圖335傳統計算機控制繫統結構圖

在控制器模塊中具體控制算法是通過繫統中的控制軟件來實現的。上位機對過程信息進行顯示是通過繫統中的監控軟件實現的。工程師工作站對控制繫統進行編程或組態是通過繫統中的組態軟件實現的。在分布式計算機控制繫統的發展過程中，實現控制算法的編程語言也得到不斷發展和完善。1992年國際電工委員會制定了IEC 611313控制繫統編程語言的標準。IEC 611313標準專門為編程軟件提出了軟件模型，其軟件模型如圖336所示。該軟件模型是一種分層結構，每一層隱藏了其下層的許多特征。

圖336IEC 611313軟件模型圖

由圖336可見，IEC 611313標準的軟件模型包含配置、資源、程序和任務。模型的上層是軟件配置(configuration)。在物理上，一個配置可理解成一個PLC繫統或DCS的現場控制站。它等同於一個PLC軟件。如在一個復雜的由多臺PLC組成的自動化生產線中，每臺PLC中的軟件就是一個獨立的配置。一個配置可與其他的IEC配置通過定義的接口進行通信。在每一個配置中，有一個或多個資源(resources)。在物理上，可以將資源看成PLC或DCS控制器中的一個CPU，資源不僅為運行程序提供了一個支持繫統，而且它反映了PLC的物理結構，在程序和PLC物理I/O通道之間提供了一個接口。一個IEC程序隻有在裝入資源後纔能執行。資源通常放在PLC或DCS內，但也可以放在其他繫統內。一個IEC程序(program)可以用不同的IEC編程語言編寫。典型的IEC程序由許多互聯的功能塊組成，各功能塊之間可互相交換數據。一個程序可以讀寫I/O變量，並且能夠與其他的程序通信。一個程序中的不同部分的執行通過任務(Task)控制。任務被配置以後，可以控制一繫列程序(或)功能塊周期性地執行程序或由一個的特定的事件觸發開始執行程序。IEC程序或功能塊通常保持完全的待用狀態，隻有當一個特定的被配置的任務周期性地執行或由一個特定的變量狀態改變觸發執行時，IEC程序或功能塊纔會執行。一個配置可以有一個或多個資源；每個資源可以執行一個或多個程序任務；程序任務可以是函數、功能塊、程序或它們的組合。函數、功能塊和程序可以由IEC 611313的任意一種或多種編程語言編制。IEC 611313一共制定了5種編程語言標準，它們是功能塊圖(Function Block Diagram，FBD)語言、梯形圖(Ladder Diagram，LD)語言、順序功能圖(Sequential Function Chart，SFC)語言、指令表(Instruction List，IL)語言和結構化文本(Structured Text，ST)語言。有時還采用高級語言實現一些特殊的控制算法。實現流程過程控制常采用功能塊圖語言，實現設備聯動控制常采用梯形圖語言，智能調節儀表常采用順序功能圖語言、指令表語言或功能塊圖語言。這些編程語言中，功能塊圖、梯形圖和順序功能圖屬於圖形化編程語言，而指令表和結構化文本屬於文本化語言。功能塊(FBD)語言是一種預先編制好的軟件程序模塊，用戶通過確定功能塊的參數，並以一定的方式將其連接起來便構成一個具體的控制應用。連接功能塊的過程稱為組態。我們也常將功能塊稱為控制繫統的內部儀表，每個內部儀表對應著ROM中的一段程序，而不是一個真正的硬件儀表。控制繫統的制造廠家把所有的控制和計算功能塊編制好存放在控制器(即控制模塊)的ROM中，用戶隻需選擇所需的功能塊，把它們連接在一起，設置好必要的參數即可組成所需的控制繫統。功能塊用矩形塊表示，每一個功能塊的左側有不少於一個的輸入端，右側有不少於一個的輸出端。功能塊的類型名稱通常寫在塊內，但功能塊實例的名稱通常寫在塊的上部，功能塊的輸入與輸出名稱寫在塊內的輸入與輸出點的相應地方。在用功能塊連成的網絡中，信號通常是從一個功能或功能塊的輸出傳遞到另一個功能或功能塊的輸入。信號經由功能塊左端輸入，並求值更新，在功能塊右端輸出。一些常用的功能塊參見表31所示。

表31常用功能塊一覽表

名稱符號功能
模擬量輸入實現通道的選擇，從相應的模擬量輸入模塊存儲器中接收輸入數據，並初步處理成其他功能塊可用的數據模擬量輸出從控制或運算模塊接收輸入信號，通過內部定義將結果傳遞給相應的模擬量輸出模塊的存儲器中開關量輸入從相應的數字量輸入模塊存儲器中接收輸入數據，並輸出給其他功能塊開關量輸入從邏輯運算模塊接收輸入信號，通過內部定義將結果傳遞給相應的數字量輸出模塊的存儲器中開方運算對來自其他模

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