基金会现场总线功能块原理及应用

现场总线的定义是：“从控制室联结到现场设备的双向全数字通信总线”。基金会现场总线（FF）是针对过程工业重要实时控制应用而设计的一种现场总线。它借用了国际标准化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）的模型，但另外增加了“用户层”，而功能块则是用户层的主要内容。用户直接使用功能块构筑自己的控制系统，所以基金会现场总线（FF）一再强调它不仅仅是信号标准（数字的4~20mA），也不仅仅是通信标准，而是一个系统标准。这是FF和许多其他类型现场总线的主要区别之一。基金会现场总线制定了一套标准的功能块，也允许制造商自行开发特有的功能块，并通过“设备描述”技术使之开放，互可操作。因此在一定程度上说，使用基金会现场总线技术就是熟练地使用功能块。但是基金会现场总线功能块并不是一套简单基本的功能块，和PLC/DCS中使用的功能块也有一定的区别，是一个独立的应用体系。它积累了工业控制的各种需要和经验，是十分完备和比较复杂的，每个功能块都有数十种参数可以组态。甚至可以说基金会现场总线功能块的内容也就是常规过程工业控制应用内容的大全。
现场总线技术导致了新一代控制系统FCS的产生，是当前的热门技术和发展方向。本书的目的不是要对现场总线技术作一般泛泛的介绍，而是对基金会现场总线功能块应用部分内容进行较详细的说明，为使用现场总线控制系统的工程技术人员提供一本实用的工具书。本书也可以作为希望深入了解基金会现场总线应用的科技人员及大专院校学生的参考书。本书不是面向专业基金会现场总线技术的研究开发人员，所以用较多篇幅介绍有关控制和应用内容，但不深入介绍与应用关系不大而且难于理解的基金会现场总线技术内容。
本书第1章使读者对基金会现场总线技术有一些基本简要的了解。第2章专门介绍功能块通用的参数，这是功能块应用的重要基础知识。第3章是部分功能块具体的说明。本书除了介绍基金会制定的一系列标准块外，还介绍了一些厂商制定的功能块，但它们都可以看做基金会现场总线功能块的范畴。这些功能块不仅大大丰富了基金会现场总线控制系统的功能，而且在理解使用上和标准块有很大的相似性。第4章则列举了一些功能块应用实例，这对于初学者而言可能是一种简单易行的模仿参考途径。
由于作者水平有限，加之这项新技术目前还处在快速发展之中，书中难免有不少遗漏和错误，敬请读者原谅并指正。对于为本书进行审阅并提出许多宝贵修改意见的吴伯沛、曹迎东先生，在此谨致谢意。

                              作者
                            2003年10月

现场总线技术是自动控制领域当前的热门技术和发展方向。基金会现场总线是符合国际现场总线标准的8种总线之一，广泛应用于流程工业。使用基金会现场总线技术，从某种程度上说，就是熟练地使用功能块。本书不是对现场总线技术作一般泛泛的介绍，而是对基金会现场总线功能块应用部分内容进行较详细的说明，为使用现场总线控制系统的工程技术人员提供一本实用的工具书。

第1章 基金会现场总线介绍	1
1.1 数据通信和网络的背景	1
1.2 工业自动化控制系统的发展历史	4
1.3 现场总线技术的发展历史	6
1.4 IEC61158国际现场总线标准	8
1.5 基金会现场总线技术的优越性	8
1.6 基金会现场总线技术简介	9
1.6.1 物理层	10
1.6.2 通信栈	12
1.6.3 用户应用层	19
1.6.4 高速以太网现场总线	23
1.7 基金会现场总线控制系统的设计	24
1.7.1 基金会现场总线控制系统的结构	24
1.7.2 FF现场控制系统的设计	25
1.8 基金会现场总线控制系统的组态	28
1.9 现场总线设备管理系统	31
第2章 基金会现场总线功能块参数的基础知识	32
2.1 功能块及参数的概念	32
2.2 控制变量的计算	35
2.3 块模式参数	38
2.4 量程标定参数	44
2.5 错误状态的参数处理和激活	46
2.6 报警和事件参数	48
2.7 仿真参数	53
2.8 通道组态	53
2.9 块实例化和下装时参数顺序	54
2.10 数据类型和结构	54
2.11 块选项	60
第3章 基金会现场总线功能块库	64
3.1 资源块，转换器块	64
3.1.1 资源块	64
3.1.2 转换器块	68
3.2 输入、输出功能块	78
3.2.1 模拟输入功能块 AI	78
3.2.2 模拟输出功能块AO	81
3.2.3 多通道模拟输入功能块MAI	83
3.2.4 多通道模拟输出功能块MAO	85
3.2.5 开关量输入功能块DI	87
3.2.6 开关量输出功能块DO	89
3.2.7 多通道开关量输入功能块MDI	90
3.2.8 多通道开关量输出功能块MDO	91
3.2.9 脉冲输入功能块PUL	93
3.2.10 步进PID输出功能块STEP	96
3.3 控制算法功能块	100
3.3.1 手动加载功能块ML	100
3.3.2 偏置与增益功能块B/G	102
3.3.3 比率功能块RATIO	104
3.3.4 PID控制算法功能块PID	107
3.3.5 先进PID控制算法功能块APID	114
3.3.6 计算功能块ARTH	118
3.3.7 先进函数功能块AEQU	122
3.3.8 输出分程功能块SPLT	123
3.3.9 信号曲线功能块CHAR	126
3.3.10 累积积算功能块INTG	128
3.3.11 模拟报警功能块AALM	133
3.3.12 输入选择功能块ISEL	138
3.3.13 设定值程序发生功能块SPG	140
3.3.14 定时器和逻辑功能块TIME	145
3.3.15 超前-滞后补偿功能块LLAG	151
3.3.16 动态限幅和输出选择功能块OSDL	153
3.3.17 常数功能块CT	156
3.3.18 时间盲区功能块DT	157
3.3.19 RS/D及边沿触发器功能块FFET	158
3.3.20 柔性功能块FFB	159
3.3.21 Modbus控制“主”功能块MBCM	165
3.3.22 Modbus控制“从”功能块MBCS	169
3.3.23 Modbus监视“主”功能块MBSM	171
3.3.24 Modbus监视“从”功能块MBSS	173
第4章 基金会现场总线功能块应用举例	176
4.1 串级控制	176
4.2 比率控制	177
4.3 前馈控制	179
4.4 分程控制	180
4.5 异形容器液位控制	182
4.6 带“超前-滞后”校正控制	183
4.7 流量补偿计算和积算	185
4.8 罐容计量	187
4.9 交叉限幅燃烧控制	189
4.10 三冲量汽包液位控制	192
4.11 燃气混合配比热值及压力控制	194
4.12 称重送料控制	198
附录1 基金会现场总线技术常用术语	200
附录2 FF注册现场总线设备表（至2003年www.fieldbus.org）	204
附录3 工程单位列举表（DS-68）	207
参考文献	214