摘 要：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全新的分布控制系統(tǒng)，是以控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。基金會(huì)現(xiàn)場總線以其技術(shù)上的優(yōu)勢，極有希望成為主流發(fā)展趨勢。它的最大特點(diǎn)就是應(yīng)用功能塊實(shí)現(xiàn)全分布式控制。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線，功能塊，調(diào)度，應(yīng)用進(jìn)程，虛擬現(xiàn)場設(shè)備

ABSTRACTION：Fieldbus-Control system is a kind of new Distributed-Control system, and a kind of integrated technology based on Automation-Control, Computer and Digital Communication. With great advantage in technology, Foundation Fieldbus technology is coming to be the major one. And its main feature is to implement distribute control by using function blocks.

KEYWORDS：Fieldbus, Function Block, Schedule, Application Process， Virtual Field Device

1 引言

現(xiàn)場總線 （Fieldbus）是20世紀(jì)末期出現(xiàn)并發(fā)展起來的，用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種開放式的、安全性好、成本低、新型的全分布控制系統(tǒng)，是以控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。

現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化起步較晚，是以目前呈現(xiàn)多種現(xiàn)場總線技術(shù)并存的局面，其中有較強(qiáng)實(shí)力和影響的有：Foundtion Fieldbus（FF），LonWorks，Profibus，Hart，CAN等。它們具有各自的特色，在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。其中，基金會(huì)現(xiàn)場總線以其技術(shù)先進(jìn)、屬下會(huì)員實(shí)力強(qiáng)大成為非常有競爭力的一種總線技術(shù)。

基金會(huì)現(xiàn)場總線系統(tǒng)是由數(shù)字智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制、監(jiān)控設(shè)備互聯(lián)而組成的。他們在一起提供I/O和控制、自動(dòng)處理等操作。每個(gè)現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)中一部分功能，包括實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)時(shí)間關(guān)鍵的應(yīng)用，例如傳感器數(shù)據(jù)的獲得和控制算法的執(zhí)行。每一個(gè)現(xiàn)場應(yīng)用都是由一組設(shè)備功能來實(shí)現(xiàn)的，稱作功能塊（FB）。這些應(yīng)用就稱作功能塊應(yīng)用進(jìn)程（FBAP）。

2 功能塊的定義和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

功能塊表示了基本的自動(dòng)化功能。每個(gè)功能塊處理輸入?yún)?shù)，并根據(jù)內(nèi)部的內(nèi)含參數(shù)，執(zhí)行特定的算法，產(chǎn)生可用的輸出參數(shù)。因此功能塊由輸入，輸出和內(nèi)含參數(shù)，和應(yīng)用這些參數(shù)的算法組成。功能塊用一個(gè)位號（FB Tag）和對象字典（OD）的索引來標(biāo)識。功能塊位號提供了一個(gè)功能塊的符號引用，在一個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)該是唯一的。對象字典索引是為了快速訪問功能塊而用的。對象字典的索引只是在包含這個(gè)功能塊的資源中才有用。功能塊參數(shù)定義了用于功能塊操作的輸入，輸出和內(nèi)含參數(shù)。這些參數(shù)可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問，輸入和輸出參數(shù)通過功能塊之間的連接來交換數(shù)據(jù)。內(nèi)含參數(shù)用來定義功能塊的私有參數(shù)，盡管他們是網(wǎng)絡(luò)可見的，但是他們不參與功能塊連接。功能塊的參數(shù)用設(shè)備描述（DD）的Member Id和對象字典索引來標(biāo)識。DD Member Id和一個(gè)Tag相對應(yīng)，這個(gè)Tag在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)必須是唯一的;對象索引用來通過FMS服務(wù)來訪問一個(gè)功能塊參數(shù)。參數(shù)的描述可以通過DD來擴(kuò)展。功能塊定義和相關(guān)的DD描述被組成一個(gè)一般依賴于應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)備功能和廠商定義的參數(shù)的集合。

不同類型的設(shè)備根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同可以有不同的功能塊，典型的功能塊包括模擬輸入（AI），模擬輸出（AO）和PID控制功能塊。每一個(gè)功能塊都有一些特定的參數(shù)和算法以實(shí)現(xiàn)特定的功能。

功能塊應(yīng)用結(jié)構(gòu)定義了一個(gè)功能塊應(yīng)用的內(nèi)部組件，并規(guī)定了在一個(gè)應(yīng)用內(nèi)或多個(gè)應(yīng)用之間這些組件的接口，這個(gè)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)如下：

· 設(shè)計(jì)和執(zhí)行功能塊應(yīng)用

· 配置和集成功能塊應(yīng)用到現(xiàn)場設(shè)備中

· 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)功能塊之間的互操作。

一個(gè)設(shè)備中的部分或所有組件可以由生產(chǎn)廠商預(yù)先定義。組件的參數(shù)可以通過設(shè)備組態(tài)來修改。另外，設(shè)備還要支持標(biāo)準(zhǔn)的功能塊服務(wù)（包括對功能塊參數(shù)的讀寫服務(wù)）。通過這些服務(wù)，功能塊和變換塊等組件可以被訪問或修改。

3 功能塊的執(zhí)行和調(diào)度

功能塊的執(zhí)行是由一個(gè)事件輸入激活的。這個(gè)事件可能是：

· 調(diào)度：調(diào)度定義了功能塊開始被觸發(fā)執(zhí)行的時(shí)間。

· 功能塊執(zhí)行的結(jié)束： 同一個(gè)設(shè)備內(nèi)的功能塊執(zhí)行完成后有可能觸發(fā)其他功能塊的執(zhí)行。

· 廠商定義：功能塊的執(zhí)行可由生產(chǎn)廠商自己定義。

在基金會(huì)現(xiàn)場總線中，最常見的是調(diào)度執(zhí)行的功能塊。要想保證功能塊的調(diào)度執(zhí)行正確性和實(shí)時(shí)性，就必須符合以下特性：

· 系統(tǒng)中的每個(gè)功能塊應(yīng)用有一個(gè)相同的時(shí)間即系統(tǒng)時(shí)間。時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一才能夠保證每個(gè)功能塊執(zhí)行時(shí)間的準(zhǔn)確性。

· 測量設(shè)備定期采樣以保證連續(xù)控制的輸入?yún)?shù)的正確性。

· 在功能塊執(zhí)行時(shí)輸入和控制參數(shù)應(yīng)該保持一致。

· 輸出參數(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用之間的時(shí)間間隔必須小于控制回路的執(zhí)行時(shí)間。這個(gè)時(shí)間間隔包括功能塊之間傳輸數(shù)據(jù)所用的時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸完成后等待功能塊開始執(zhí)行的時(shí)間。

上述這些特性要求功能塊的執(zhí)行在以下三個(gè)方面的調(diào)整：

首先，要保證整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間同步，以保證功能塊執(zhí)行的同步。

第二，要保證輸出參數(shù)的產(chǎn)生在其他功能塊需要這個(gè)參數(shù)之前。

第三，要保證功能塊的調(diào)度與總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，以確保輸出參數(shù)在合適的時(shí)間進(jìn)行傳輸。

這三個(gè)方面分別是由時(shí)鐘同步，功能塊調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)傳輸調(diào)度來實(shí)現(xiàn)的。

在FF系統(tǒng)中，應(yīng)用時(shí)鐘的同步是通過系統(tǒng)管理的時(shí)鐘發(fā)布來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)管理中的時(shí)間發(fā)布者周期性的向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)布應(yīng)用時(shí)鐘同步消息, 應(yīng)用時(shí)鐘消息包括應(yīng)用時(shí)鐘時(shí)間（AP time）和鏈路時(shí)間（LS time）。系統(tǒng)管理內(nèi)核（SMK）采樣鏈路時(shí)間和應(yīng)用時(shí)鐘時(shí)間組成應(yīng)用時(shí)鐘消息一起發(fā)送，接收設(shè)備利用接收到的應(yīng)用時(shí)鐘消息調(diào)整其本地應(yīng)用時(shí)間，以達(dá)到應(yīng)用時(shí)鐘同步的目的。 　　對功能塊的執(zhí)行的調(diào)度也是由系統(tǒng)管理內(nèi)核來管理的，通過對系統(tǒng)管理信息庫中的FB Start參數(shù)進(jìn)行組態(tài)來實(shí)現(xiàn)對功能塊運(yùn)行的調(diào)度。

FB Start的定義如下所示：

struct

｛

unsigned long start_time_offset;

unsigned short fb_object_index;

unsigned long vfd_ref;

｝

FB_START_ENTRY;

其中，start_time_offset表示功能塊開始執(zhí)行的時(shí)間，這個(gè)參數(shù)是一個(gè)相對與宏周期的時(shí)間偏差。它的單位是1/32毫秒。宏周期是指整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上功能塊應(yīng)用的執(zhí)行時(shí)間，功能塊的調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度都是以宏周期為時(shí)間基準(zhǔn)來進(jìn)行周期性調(diào)度的。它的單位也是1/32毫秒。

fb_object_index表示與這個(gè)FB Start項(xiàng)相關(guān)聯(lián)的功能塊的數(shù)據(jù)字典索引，即要執(zhí)行的功能塊的起始索引。這個(gè)參數(shù)用于標(biāo)識要執(zhí)行的功能塊。

vfd_ref表示這個(gè)FB Start相關(guān)的VFD號，即要執(zhí)行的功能塊在哪個(gè)VFD里。

而數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度是由鏈路活動(dòng)調(diào)度器（LAS）來實(shí)現(xiàn)的。組態(tài)完成以后，在鏈路活動(dòng)調(diào)度器（LAS）設(shè)備中就生成了一個(gè)調(diào)度表，這個(gè)調(diào)度表有一定的格式，LAS通過對這個(gè)調(diào)度表的讀取來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度，即在特定的時(shí)間給特定的設(shè)備發(fā)送強(qiáng)制令牌（CD）報(bào)文來強(qiáng)制現(xiàn)場設(shè)備把要發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這個(gè)時(shí)間是嚴(yán)格準(zhǔn)確的，能夠確保正確的數(shù)據(jù)在需要的時(shí)間傳輸?，F(xiàn)場設(shè)備在收到CD后立刻將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)布到總線上，緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)是由功能塊執(zhí)行以后寫入的。

下面一個(gè)以典型的PID控制回路為例來說明FF系統(tǒng)中功能塊的調(diào)度。

圖1 一個(gè)典型的PID控制回路

如圖1所示為一個(gè)典型的PID控制回路，圖中AI功能塊和PID功能塊在一個(gè)設(shè)備中，AO功能塊在另一個(gè)設(shè)備中。控制過程如下：AI功能塊的輸出（OUT）參數(shù)送到PID的輸入（IN）參數(shù)，PID的輸出（OUT）參數(shù)送到AO的級聯(lián)輸入（CAS_IN）參數(shù)，而AO的回算輸出（BKCAL_OUT）參數(shù)送到PID的回算輸入（BKCAL_IN）參數(shù)。從而完成一個(gè)PID閉環(huán)控制。

由此形成的調(diào)度如下圖所示：

圖2 PID控制回路的調(diào)度

圖2中，Loop Time（即宏周期）是1秒，藍(lán)顏色的框是功能塊的執(zhí)行時(shí)間，紅顏色的框是功能塊執(zhí)行后在總線上發(fā)布數(shù)據(jù)的時(shí)間。由于AI功能塊和PID功能塊在一個(gè)設(shè)備中，這部分的參數(shù)傳遞是通過本地接口實(shí)現(xiàn)的，在總線上是不可見的，故在圖中沒有這部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)娘@示。

組態(tài)完成后，在包含有AI功能塊和PID功能塊的設(shè)備（設(shè)備A）中應(yīng)該有兩個(gè)FB Start項(xiàng)，一個(gè)對應(yīng)AI功能塊的執(zhí)行，start_time_offset應(yīng)該是0，fb_object_index是AI功能塊的起始索引;另一個(gè)對應(yīng)PID功能塊的執(zhí)行，start_time_offset應(yīng)該是640（20ms）。即在一個(gè)宏周期的起始處（偏移量為零），設(shè)備A的SMK調(diào)度AI功能塊開始執(zhí)行，得出輸出值并送到本地的PID功能塊。而在宏周期開始后的20毫秒處，設(shè)備A的SMK調(diào)度PID功能塊開始執(zhí)行，應(yīng)用AI給的輸入值，算出輸出值，并放入緩沖區(qū)中，等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度令牌（CD）。而LAS根據(jù)調(diào)度表在宏周期開始后的40毫秒處，發(fā)出一個(gè)強(qiáng)制發(fā)送數(shù)據(jù)的令牌（CD）來把設(shè)備A緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。設(shè)備B中只有一個(gè)AO功能塊要執(zhí)行，所以組態(tài)時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)FB Start項(xiàng)用來對應(yīng)AO功能塊的執(zhí)行，它的start_time_offset應(yīng)該是1280（120毫秒）。設(shè)備B的AO功能塊接收到從設(shè)備A的PID功能塊發(fā)布的數(shù)據(jù)后，在宏周期開始后的120毫秒處，由設(shè)備B的SMK調(diào)度開始執(zhí)行，并產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)對執(zhí)行器進(jìn)行操作，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)回算輸出（BKCAL_OUT）值放到本地的緩沖區(qū)內(nèi)，等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度令牌（CD）。而LAS根據(jù)調(diào)度表在宏周期開始后的140毫秒處，發(fā)出一個(gè)強(qiáng)制發(fā)送數(shù)據(jù)的令牌（CD）來把設(shè)備B緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。設(shè)備A中的PID功能塊應(yīng)用這個(gè)回算值和AI的輸出值，調(diào)整執(zhí)行后的輸出值。從而完成一個(gè)PID的閉環(huán)控制。

4 結(jié)束語

基金會(huì)現(xiàn)場總線的功能塊和功能塊的調(diào)度是基金會(huì)現(xiàn)場總線應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是基金會(huì)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點(diǎn)和創(chuàng)新之一。通過對功能塊調(diào)度的了解，可以深入的理解基金會(huì)現(xiàn)場總線的開放性和互操作性的概念。

另外，功能塊的連接是通過VFD中的鏈接對象來實(shí)現(xiàn)的，本文由于篇幅所限，沒有做具體說明。

5 參考文獻(xiàn)

1. Fieldbus Foundation, FoundationTM Specification: System Architecture. 1999

2. Fieldbus Foundation, FoundationTM Specification: System Management. 1999

3. Fieldbus Foundation, FoundationTM Specification: Network Management. 1999

4. International Standard, IEC 61158-4. Second Edition. 2000