现场总线与工业以太网基金会现场总线仪表.ppt

与常规仪表相比，基金会现场总线仪表的主要特点表现在功能块和通讯功能两个方面。,首先，现场总线仪表的功能由所带的功能模块决定，同类型被测变量的变送装置如果所带的功能模块不同，所具有的功能也不同。例如，北京华控技术有限公司的温度变送器HK2F102TT仅具有AI功能模块，而Smar公司的302温度变送器不仅有AI功能模块，还有PID功能模块。因此，它们可应用在不同的场合。此外，同类型的执行器，由于采用的智能阀门定位器所带功能模块不同，同样，会具有不同的功能。例如，ABB公司的TZID2C120220定位器只有AO功能，而SamsonAG公司的3787定位器除了带AO功能模块外，还带PID功能模块。另外，不同版本的现场总线仪表功能也可能有所不同。不同版本的现场总线仪表所带的功能模块不同，所具有的通讯类型不同。通常，常规仪表使用不必考虑仪表的版本。现场总线仪表中，由于总线通讯中有发布方和约定接受方之分，不同版本仪表的发布方和接受方的数量不同。,例如，Rosemount公司的3051现场总线压力变送器，版本3具有2个发布方和3个接受方，而版本6不仅具有4个发布方和4个接受方，还可作为链路主设备的后备。通讯功能是现场总线仪表的主要特点。基金会现场总线控制系统将控制下移到现场级，仪表通讯更为重要。由于现场总线仪表的信号连接是通过现场总线进行，现场总线仪表位通讯能力、位置、所带功能模块，都影响现场总线系统的通讯性能。1现场总线压力变送器(LD302)LD302是现场总线仪表系列的重要产品之一，它是一种测量差压、绝对压力和表压力、液位和流量的变送器。它同时也是一种转换器，即把差压、绝压、表压、流量和液位转换为符合FF标准的现场总线数字通信信号。LD302是在具有运行可靠和性能优越并经现场验证的数字式电容传感器的基础上开发的。LD302的测量范围为012.5Pa40MPa；准确度为校准量程的0.1，校准范围为从URL(测量范围上限，Upper Range Limit)至URL/40；,与介质接触的部分采用316不锈钢、哈氏合金和钛等；数字指示器为任选件，它是一个四位半数字值和五位字母的LCD(液晶显示)显示器。LD302是Smar公司完整的302系列现场总线仪表的一部分，将多个现场总线仪表互联起来，用户通过功能块的连接，即能建立适合于用户中所需的控制策略。为了对用户友好，引入了功能块的概念。这样，用户能容易地建立和综观一个具有复杂控制策略的系统。另一个优点是增加灵活性，控制策略不需要重新接线或改变任何硬件即可编制。在发展整个302系列现场总线仪表时，已考虑了在小系统和大系统中实现现场总线的各种需要。302系列现场总线仪表具有共同的特点：既能在网络上作为主站使用，也可在本地(机)用磁性工具组态，这样在许多基本应用条件下不再需要组态器(手持终端)或控制盘。,（1）LD302的内装功能模块 LD302不仅是一个压力、差压变送器，而且是一个网络节点，它包含的模块有：一个现场总线资源块，一个传感器输入转换块，一个传感器显示块，一个模拟输入AI功能块，一个PID)控制功能块，一个累积INTG功能块，一个输入选择ISEL功能块，一个折线CHAR功能块，一个计算ARTH功能块。,图2.38 LD302的内装模块图,这些模块都是典型的常用各种应用中的功能模块，LD302提供这些模块用于控制系统。一台现场总线仪表包含几个功能模块。LD302内装的功能模块如图2.38所示。为了更好地掌握和使用功能块，下面主要对LD302中的内装模块中PID和AI进行总结性的简要概述。PID功能块使用时如同一个由操作员、其他功能块、计算机、DCS或PLC调整的设定值，控制变量也具有相同的设定值调整结构。MV值(控制变量)与乘上增益的前馈变量相加，并加上一个偏置值。PID功能块提供限值报警、偏差报警、设定值跟踪、安全输出、直接(正向)作用和反向作用。,模拟输入AI模块接收由传感器测量的变量，并加以定标、滤波，使输出信号能用于其他模块。输出可以是输入的线性函数，也可以按照平方根模式。AI模块具有报警功能，还能切换到手动，以便迫使输出变成一个可调的数值。,（2）控制策略 其他现场总线仪表的功能也是以模块型式体现的，存在于其他现场总线仪表中的某些功能模块在LD302中没有提供。将现场总线系统的各种功能模块结合在一起，能为大多数控制系统提供所需的全部功能。例如，图2.39显示LD302在控制系统中的一个简单应用。图中执行器包含一个模拟输出功能块AO，注意，TOT是累积块符号的又一种表示。用户可以把LD302和执行器中的功能块通过现场总线连接起来，形成用户所需要的控制策略。在系统中每一个块均由用户所分配的指定模块位号所标识，在现场总线系统中，这个位号必须是惟一的。在功能块中，有三种类型参数：输入参数，功能块接收到并进行处理的值；输出参数，功能块的处理结果可送给其他功能块、硬件或者使用者；内含参数，用于块的组态、运行和诊断。例如，在一个PID功能块中，过程变量是输入参数，控制变量是输出参数，整定参数是内含参数，一个功能块中的所有参数都有预先确定的名。,图2.39 LD302的控制应用,如果LD302只需要完成一个测量功能，那么用户仅需要模拟输入功能块AI。为了实现控制，就要用到LD302中或其现场总线仪表中的PID功能块。通过把功能块的输出连(链)接到其他功能块的输入，即能建立起控制策略。当完成这种连接时，一个功能块的输入从要取值的功能块的输出“拉”出数值。在同一仪表或与其他仪表之间，都可实现功能块之间的链接，一个输出可以链接到多个输入，这种链接是纯软件的。对一条物理导线上可以传输多少链接基本上是没有限制的，但必须考虑每个链接的通信时间。内含参数是不能建立链接的，但它是网络可视的。,功能块输出通常总是包含变量的状态信息。它告诉来自传感器或其他功能块或其他仪表的数据是好的、还是坏的或是不确定(可疑)的。根据这些状态信息，用户可以决定下一步如何做。这些状态信息可通过某些功能块传播。,作为图2.39的例子，当输出功能块驱动阀门时，送给阀门的实际值通过“反向通路”反馈到控制PID，而来自传感器的数值(前向通路)送到TOT块和PID块，这些数值的状态是否适合于控制，可以由接收功能块采取适应的动作。连接是用输出参数的名称和输出该参数的功能模块的位号来单独定义。,图2.40 现场总线压力变送器(LD302),图2.41 现场总线压力变送器(LD302),（3）安装：法兰安装适合于LD302L液位型；可选择平面支架安装、水平或垂直的(DN50)2管线安装；可通过支架装在三阀组上；直接管线安装适合于变送器与孔板法兰的组合体。如图图2.40、图2.41所示。,（4）校验 每个传感器都有一条特性曲线，一般称为原始特性，它表示了施加压力和传感器输出信号之间的关系，该曲线仅适用于各自的传感器，并存入传感器电路的存储器中。当传感器与变送器电路连接时，其存储器中的内容与微处理机接通，微处理机使传感器输出信号与测量压力相对应。,有时变送器的显示和转换块读数可能与所施加的压力有所不同，其原因可能是：变送器的安装位置有问题，用户的压力标准与制造厂的压力标准不同，变送器的原始特性受过压、过热或长时间漂移的影响。校验就是要使读数与所施加的压力相一致。将一个已知的标准值加在变送器上，然后通知变送器这个值是多少，指导变送器达到正确值。有以下三种校验的类型可以利用。,下限校验 当进行下限校验时，必须施加已知的外部标准下限输入信号。当按下如图2.42所示的OK按钮后，就打开了SYSCON的上、下限校验窗口，如图2.43所示。选择Lower Value(下限)，25.523287mmH20是变送器的当前下限测量值，若标准下限输入信号是25mmH20，只需要把标准下限数值25mmH20通过键盘键入在Desired(希望值)的方框内，再按Send(发送)键。这样，就把正确的渎数通知给了变送器，从而完成了下限校验。,传感器下限校验的一个特殊情况是零点校验，它不需要连接任何标准输入设备(压力信号源)，只需要让变送器的两个容室中的压力相等。实现的方法有释放压力、切断流量或放空储罐等。而且，也不需要键入任何数值，就可以进行零点校验。,图2.42 TRIM组态画面,图2.43 下限校验,上限校验 当进行上限校验时，必须施加已知的外部标准上限输入信号。上限校验窗口如图2.44所示，选择Upper Value(上限)，若此时201.80000mmH20是变送器的当前上限测量值，而标准上限输入信号是200mmH20，只需要把标准上限数值200mmH20通过键盘键入在Desired(希望值)的方框内，再按Send(发送)键。这样，就把正确的读数通知给了变送器，从而完成了上限校验。一般来说，上限校验总是在下限校验之后进行的。,图2.44 上限校验,非线性校验 在一定温度和压力范围内的传感器特性曲线可能有一点非线性，这点最后的非线性将被非线性校验功能所校正。因此，用户可在使用范围内校验变送器，以获得更好的精度。因非线性校验可改变变送器的特性，所以应仔细阅读LD302说明书，确认正在使用标准压力源的精度在0.03或更高，即标准信号源的精度至少是LD302的三倍。否则，变送器的精度将受到很大影响。,将鼠标的光点移至如图2.45所示的Chareterization 的选项上，用左键单击选定，就可打开非线性校验画面，如图2.46所示。非线性校验仍然需要把标准压力施加到变送器上。为了保证校验精度，最好使用活塞式压力计。,画面一共有五个校验点，如果决定采用非线性校验，至少须确定两点，特性曲线将由这两点决定，点的最大数为五点。建议，所选择的校验点应均匀分布在变送器的工作范围内和特别需要高精度的特殊点上。假设变送器的工作范围为05000mmH20，标(刻)度为02000mmH20，可选择的校验点为：Pl=0mmH20，P2=500mmH20，P3=1000mmH20，P4=1500mmH20，P5=2000mmH20。此时，请确认一下稳定的压力源及与变送器相连的精确的压力指示表。若外部给定压力源的压力P1=0mmH20，选择如图2.46所示画面上的第一点，将鼠标的光点移至最上面的第一个小圆圈并单击选中，然后，键入0值，即完成了第一点的校验。依此类推，一直校验到第五点，按Send键后，就将正确的读数通知给了变送器，从而完成了非线性校验。,图2.45 输入转换块菜单,图2.46 非线性校验画面,2现场总线温度变送器(TT302)TT302温度变送器是一种符合FF通信协议的现场总线仪表，它可以与各种热电阻(Cu1O,Ni120、Pt5O、Pt100,Pt500)或热电偶(B、E、J、K、N、R,T、L、U)配合使用测量温度，也可以使用其他具有电阻或毫伏(mV)输出的传感器，如负荷传感器、电阻位置指示器等测量其他参数，具有量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强：重量轻以及安装维护方便等优点。采用低铝铜(重量轻的)外壳或316不锈钢外壳，既可直接安装在传感器上，也可通过支架安装在管道上或平台上，还可安装在墙上或盘上。图2.47为TT302外表示意图。TT302还具有控制功能，其软件中提供了多种与控制功能有关的功能模块，用户通过组态，可以实现所要求的控制策略。这充分体现了现场总线仪表的特点，将控制功能下放到现场。TT302还具有双通道输入，可接受两个测量元件的信号，实现温差控制。,（1）模块 TT302的准确度为0.02，量程可组态，在现场总线系统中可作为主站或从站，内装功能模块有RES(资源块)、TRD(转换块)、DSP(显示转换块)、DIAG(组态转换)、AI(模拟输入块)、PID(PID控制块)、EPID(增强PID)、ISEL(输入选择块)、ARTH(计算块)、CHAR(折线块)、SPLT(分程块)、AALM(模拟报警块)、SPG(设定值程序发生块)、TIME(定时与逻辑块)、LLAG(超前滞后块)、CT(常数块)、OSDL(输出选择动态限幅块)。TT302内装17个模块，现将各模块概述如下：资源块RES，该模块包含与资源相关的硬件数据。转换块TRD，该模块将输入变量转换成相应的工程数据。显示转换块DSP，该模块用于组态液晶显示的过程变量。组态转换块DIAG，该模块提供在线测量功能执行时间，检查模块与其他程序之间的连接。,增强PID的符号是EPID，该模块除了具有PID控制功能模块所有的标准功能外，还包括无扰动或强制手动自动切换等功能。分程块SPLT，该模块主要用于分程和顺序控制，它收到来自PID功能模块的输出，根据所选算法进行处理，产生两路模拟输出。模拟报警块AALM，该模块具有动态或静态报警限位、优先级选择、暂时性报警限位、扩展阶跃设定点和报警限位或报警检查延迟等功能，可以避免错误报警、重复报警。设定值程序发生块SPG，该模块按事先确定的时间函数产生设定值，主要用于温度控制、批处理等。定时块TIME，该模块包含由四个组合逻辑产生的离散输出，被选定的定时器可对输入信号进行延迟时间测量、累积、延迟和扩展等。超前滞后块LLAG，该模块提供动态变量补偿，通常用于前馈控制。常量块CT，该模块提供模拟及离散输出常数。输出选择动态限幅块OSDL，该模块有两种算法：输出选择，实现对离散输入信号OP_SELECT的输出选择；动态限幅，专门用于燃烧控制的双交叉限幅。,（2）安装 可直接安装在传感器上；或通过支架安装在2管线上、墙上或平面上。,图2.47 TT302外表示意图,（2）安装 可直接安装在传感器上；或通过支架安装在2管线上、墙上或平面上。,图2.48为TT302安装示意图,（3）校验 在某些情况下，显示器所显示的读数和转换块的读数可能与所加的输入信号不同，其原因是：用户的电阻或电压标准与制造厂的标准不同，变送器由于过电压或者长时间的漂移而偏离原始的特性曲线。量程校验TRIM可以使读数与所加输入信号相匹配。,因为变送器输入有一个自动的零点校验特性，所以可以不做零点校验。注意，校验必须用所希望的传感器，如RTD、TC、Ohm和mV，每次改变传感器时，量程校验是禁止的。为了进行量程校验，首先要将标准电阻RTD或标准热电偶TC或标准mV发生器连接到变送器，这些标准信号源的精度最好大于0.02。运行SYSCON软件并选择TT302后，就打开了TT302窗口，如图2.49所示。两个转换块TRDTT都是可组态的。,移动鼠标光点到转换块TRDTT处单击右键，即打开了TRDTT的组态选项，它们是Attributes(属性)、EEPROM(存储器)、Trim(校验、定标、微调、调整、校准、预处理)、Sensor(传感器)。,选择Trim后就打开了Trim对话框，如图2.50所示。该窗口为量程校验即上限校验，窗口中有两个数值显示框分别用于显示希望值和TT302的测量值。窗口中还有5个按钮，它们是Close(为关闭按钮，若想离开量程检验调整按它)、send(为送按钮，键入希望值后，按它将希望值送给变送器)、Retrieve(为检索按钮，将存储在EEPROM中存储的最后一次校验值检索出来，并把它存放在RAM中)、Factory(为工厂按钮，它将制造厂检验值检索出来，并存放到RAM中)、Help(为帮助按钮，有何疑难问题请按它)。,从标准电阻中读出数值并用键盘键入到希望值的方框中，按Send按钮后，TT302的测量值变为了新的测量值。若测量值与希望值相等或相差无几，就说明校验已获得成功。在进行量校验中是不允许用0值的。当选择了Close按钮后，量程校验对话框就会关闭。同时，一个新的对话框出现了，如图2.51所示。该窗口询问，是否将量程检验数值从RAM中存储到EEPROM中。如果检验是正确的，就要存储它，按Yes按钮；如果不想存储它，就按N0按钮；如果想返回量程检验对话框，就按Cancel按钮。,图2.49 选择校验Trim,图2.50 量程校验对话框,图2.51 存储量程检验对话框,3电流-现场总线转换器(IF302)IF302是Smar公司生产制造的第一代现场总线设备之一。它是模拟变送器与现场总线系统之间的转换器。IF302接收电流信号，主要为420mA或020mA，把它转换成现场总线信号。IF302采用数字技术，可用一个设备接收三路输入并提供了多种转换功能，使得现场仪表与控制室之间的转换十分简便，并且大大减少了在安装、运行及维修费用。,（1）IF302内装功能模块 IF302能同时转换3路模拟信号，它还可以提供各种形式的转换功能。IF302可作为主站或从站，它内装的功能模块有DSP、DIAG、TRD、RES、AI、PID、EPID、ARTH、INTG、ISEL、CHAR、SPLT、AALM、SPG、TIME、LLAG、OSDL、CT。,（2）安装 可选支架，可安装在2管线上、墙上或平面上。图2.52为IF302安装示意图。,图2.52 IF302安装示意图,（3）校验 如果IF302转换块输出与实际电流输入不一致时，必须进行校验。不一致的原因与前面阐述相同。IF302的校验可以做两点：低限，它用来校验下限范围的输出；高限，它用来校验上限范围的输出。这两点定义输入一输出的线性特性。下限和上限的校验是互相独立的，互不影响。校验有两种方法：一是用SYSCON软件，二是用本机调整。下面介绍用SYSCON校验IF302。,进入SYSCON后选择IF302，就会出现如图2.53所示的窗口，窗口中有三个转换块可被利用，它们的顺序号分别是1、2、3。将鼠标光点移至第一个转换块上，单击右键，就会打开一个选项窗口，在选项窗口中选择Trim后，出现了一个新的对话框，如图2.54所示，这个窗口已经在LD302中见过，在这个窗口里只是校验变量的单位不是mmH20，而是mA。,将电流源接入IF302，在标准电流表上读取数值，并将该数值键入希望值的方框内，按Send钮，就把键人的电流值通知给了IF302，而且，几秒钟后，IF302方框内的数值将改变，改变后的数值正是键入的数值，说明校验获得成功。,图2.53 trim选择,图2.54 IF302 trim对话框,下限校验范围是09mA，超出这个范围的任何值，SYSCON都不接受，并且显示一个错误信息。推荐值一般为4mA。上限校验范围是15mA22mA，超出这个范围的任何值，SYSCON都不接受，并且显示一个错误信息。推荐值一般为20mA。4现场总线-电流转换器(FI302)FI302是smar公司生产制造的第一代现场总线设备之一，如图2.55。它是现场总线系统与控制阀门或其它执行器间的转换器。FI302接收从现场总线网络传来的一个输入信号并产生相应的420mA输出信号。FI302采用数字技术，现场仪表与控制室之间的转换十分简便，并且大大减少了安装、运行及维护费用。FI302具有三路输出，降低了每路的成本。FI302是302系列产品之一，能够将控制完全下放到现场。其内装的模块有DSP、DIAG、TRD、RES、PID、EPID、AO、ARTH、INTG、CHAR、SPLT、AALM、SPG、TIME、LLAG、OSDL、CT、ISEL。,图2.55 FI302现场总线-电流转换器,5现场总线-气压转换器(FP302)FP302是smar公司生产制造的第一代现场总线设备之一。它是现场总线系统与气动控制阀门或阀门定位器之间的转换器。FP302接收来自现场总线的一个输入信号并产生正比于它的一个21kPa103kPa的气压输出信号，以控制阀门或执行机构。FP302采用数字技术，现场仪表与控制室之间通讯十分简便，并且大大减少了安装、运行及维修方面的费用。图2.56为现场总线-气压转换器FP302的外观图。（1）FP302内装功能模块 在FP302内装有功能模块，如DSP、DIAG、TRD、RES、PID、EPID、AO、ARTH、INTG、ISEL、CHAR、SPLT、AALM、SPG、TIME、LLAG、OSDL、CT。由于PID等模块就在仪表中，所以减少了信息交换，缩短了控制周期，使基础控制级的体系结构更为紧凑。,图2.56 现场总线-气压转换器(FP302),（2）校验 FP302提供了在输出压力下的校验能力。如果转换块输出读数与实际物理输出不一致时，校验是必需的。造成不一致的原因与前面叙述的原因是相同的，这里不再重述。用户可以由使用带有标准(精度高)压力表测量输出压力并与转换块输出进行比较，如果检测不一致，就应该进行校验。校验仍进行两点：一是下限校验，用来校验输出压力的下限范围；二是上限校验，用来校验输出压力的上限范围。这两点决定(定义)了输出的线性特性。在进行下限校验时，不会影响上限校验数值，反之，进行上限校验时，也不会影响下限校验。两者的校验是相互独立的。（3）缺省校验 缺省校验是现场总线仪表一个很有用的特点。如果用户在进行一个校验时，因为某些原因，丢失了正确的校验值，并且已经不能继续实施校验了，用户这时可以召回缺省校验值。,缺省校验是仪表制造厂在出厂前进行的，它决不会丢失。缺省检验值可能与精确校验设备值稍有不同，这可能是长期漂移所造成的。但是，缺省值可以认为是相当可靠的。6现场总线阀门定位器(FY302)FY302是smar现场总线302系列产品之一，是第一代现场总线设备之一，如图2.57、图2.58和图2.59。它是用于现场总线系统中的阀门定位器。FY302可根据现场总线系统或内部控制器输入的信号输出相应的压力信号，设定控制阀门的位置。现场与控制室之间的接口简单，大大减少了安装、运行及维修费用。FY302阀门感应为非机械式接触，因而大大减少了设备磨损及由此导致的性能的降低。它以霍尔效应为基础，能直接感应纵向或旋转动作。定位信号还可用于高级控制策略。,图2.57 现场总线阀门定位器(FY302),图2.58 现场总线阀门定位器(FY302),阀门特性、动作、阻尼及变化率范围等可通过软件调整(改变线性、等开、快开阀门的参数，组态可远程进行，只需操纵按钮即可完成，而不用改变机械部分，如凸轮、弹簧等，这使得FY302操作起来十分灵活。,图2.59 现场总线阀门定位器(FY302),FY302具有持续的自诊断功能，可以及时对阀门或其定位器的软硬件出现的故障发出警报，这样就可以迅速查出故障所在，以免产生设备损坏。并可根据需要获得相应的诊断数据。,它的优点是操作人员无需将设备拿到现场进行检测就可以知道故障位置。大大节省了时间。诊断数据可以帮助确定过程故障是否是阀门出了问题，而无需亲临现场，在很短的时间内即可恢复正常生产。诊断功能还适合于维护性检修，例如检测增加门阀死区或点击操作。具有软件行程限幅开关,可自动向操作发出警报。,参考文献现场总线技术及其应用 阳宪惠 清华大学出版社基金会现场总线(FF)技术讲座第1讲 基金会现场总线(FF)的发展与特点冯冬芹 施一明(浙江大学工业控制技术国家重点实验室,杭州 310027褚 健(浙江大学先进控制研究所,杭州 3100275自动化仪表6第22卷第6期 2001年6月(52-54),FF现场总线控制技术的组态应用刘定球,林锦国(南京工业大学自动化学院 江苏南京 210009)现代电子技术2003年第11期总第154期(80-82)基于FF现场总线技术的组态软件的设计与实现DesignandImplementationoftheConfigurationSoftwareBasedonFFFieldbus逄 华 王 宏 林 跃(中国科学院沈阳自动化所,沈阳 1100165自动化仪表6第25卷第11期 2004年11月(11-16),