1 現(xiàn)場儀表正跨入數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化的新階段 現(xiàn)場總線智能儀表是個特定的概念，即把遵循國際現(xiàn)場總線協(xié)議設計制造的智能儀表稱為現(xiàn)場總線智能儀表. 它是隨著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)應運而生的。和現(xiàn)場總線一樣，它得到了迅速發(fā)展。 所謂“現(xiàn)場總線”，按照國際電工委員會的定義，安裝在制造或過程區(qū)域現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。我們也可以從不同的角度來描述現(xiàn)場總線的涵義:從通信的角度，現(xiàn)場總線可以定義為用于生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設備之間實現(xiàn)雙向、串行的數(shù)字通信系統(tǒng)，或定義為開放式、數(shù)字化、多點通信技術(shù);從技術(shù)的角度可以認為，現(xiàn)場總線技術(shù)將專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有數(shù)字通信能力，成為網(wǎng)絡的一個節(jié)點，可獨立完成測量控制或通信任務。并把分散的多個測控儀表或測控裝置變成網(wǎng)絡節(jié)點，構(gòu)成網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)，完成自動測量與控制任務;從信息網(wǎng)絡角度來看，則現(xiàn)場總線使生產(chǎn)過程自動測控系統(tǒng)與其儀表裝置設備進入了信息網(wǎng)絡，構(gòu)成企業(yè)底層信息網(wǎng)絡。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將控制功能下放到現(xiàn)場，由智能現(xiàn)場儀表承擔，實現(xiàn)了真正全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)下，智能現(xiàn)場儀表替代了傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)中的模擬現(xiàn)場儀表，這里的所謂“智能”，是指現(xiàn)場變送器除了具有信號變換、補償?shù)裙δ芡猓€具有控制功能，如PID等運算控制功能;而執(zhí)行器方面則除了具有調(diào)節(jié)和驅(qū)動功能外，還具有特性補償、自診斷功能。也就是說在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)下，現(xiàn)場儀表設備具有功能自治能力，它把傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場儀表中完成。 一般說來“智能”的含義有2個層面: （1） 是采用人工智能的理論方法和技術(shù); （2） 是具有擬人智能的特性或功能,例如自適應、自學習、自校正、自診斷、自組織等。 現(xiàn)場總線智能儀表與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有著不可分割的密切關(guān)系, 采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必須有現(xiàn)場總線智能儀表與之相匹配。因此,研究現(xiàn)場總線智能儀表的實現(xiàn)與發(fā)展技術(shù)具有十分重要的意義控制儀表裝置是實現(xiàn)控制效果的技術(shù)工具，它包括各種現(xiàn)場儀表及計算機等，它們不僅是技術(shù)工具，而且是信息的源頭, 更是信息工業(yè)的組成部分。在控制自動化的進程中，它代替人們對控制過程進行測量、監(jiān)視、控制和保護，起到了非常重要的作用.現(xiàn)場儀表和控制儀表裝置的發(fā)展經(jīng)歷了機械式、電子式、微機化數(shù)字式幾個階段。從儀表的功能上也經(jīng)歷了幾個層次：單一功能儀表、組合式儀表、數(shù)字化智能化網(wǎng)絡化儀表，在技術(shù)上，目前已走出了模擬技術(shù)的時代，正跨入數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化的新階段。 2 數(shù)字式、網(wǎng)絡化是現(xiàn)場總線儀表的核心技術(shù) 現(xiàn)場總線的推廣應用，在某種意義上講，關(guān)鍵在于現(xiàn)場儀表是否具有與現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)匹配的能力，各種傳感器、變送器、執(zhí)行器、泵/閥等現(xiàn)場設備是否具有數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化功能。在目前現(xiàn)場總線多標準的情況下，為了滿足不同用戶的要求，在底層能夠?qū)⒉煌ㄐ艆f(xié)議的現(xiàn)場儀表（I/O設備）連接，不僅需要設計、開發(fā)各種相應的轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)關(guān)，更重要的、更迫切的是要設計開發(fā)智能化、網(wǎng)絡化的變送器、執(zhí)行器、泵/閥等現(xiàn)場總線智能儀表。 現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，但由于目前多標準并存，沒有統(tǒng)一的標準，目前正處于群雄并起，百家爭鳴的階段. 也由于現(xiàn)場總線沒有統(tǒng)一標準，現(xiàn)場總線智能儀表的通信協(xié)議也很難統(tǒng)一，各大儀表廠商均在開發(fā)符合一種或幾種通信協(xié)議的現(xiàn)場總線智能儀表。 20世紀80年代，由于計算機技術(shù)的發(fā)展及其在儀表中的應用，儀表的數(shù)字化成為可能，以微處理器為核心器件的微機化儀表應運而生，產(chǎn)生了各種數(shù)字式變送器、數(shù)字式調(diào)節(jié)器、數(shù)字顯示記錄儀、可編程控制器和智能儀表。與模擬式儀表相比，數(shù)字式儀表的功能、性能、可靠性、通訊功能等諸方面有了質(zhì)的飛躍。 控制系統(tǒng)中各種參數(shù)信息是由變送器產(chǎn)生的。各種新型的數(shù)字變送器,采用現(xiàn)代先進的傳感器、微處理器、參數(shù)補償、數(shù)字化和網(wǎng)絡通信等技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上做到了檢測與變換的一體化，現(xiàn)場總線是一種全分散、全數(shù)字化、雙向、多變量、多點、多站的串行通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)了一對總線上傳輸多個節(jié)點的多種信號。 在計算機網(wǎng)絡飛速發(fā)展的推動下，當今傳統(tǒng)的回路控制系統(tǒng)發(fā)生了根本變化，加上現(xiàn)場總線系統(tǒng)的發(fā)展與應用，形成的由常規(guī)傳感器、變送器、顯示器、控制器和執(zhí)行器網(wǎng)絡化產(chǎn)品，進而實現(xiàn)了檢測、變送、顯示、控制和執(zhí)行單元的網(wǎng)絡化。網(wǎng)絡系統(tǒng)與常規(guī)回路控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了根本變化，代表過程控制信息的電氣信號的傳送，不再通過直接的點到點的連接方式，而是通過現(xiàn)場級網(wǎng)絡以數(shù)字量的方式進行，即儀表之間的信息全部依靠網(wǎng)絡進行傳送。由于網(wǎng)絡延伸和出現(xiàn)在控制的基本回路中，這是控制網(wǎng)絡化的基本體現(xiàn)。 在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)下, 現(xiàn)場儀表被作為網(wǎng)絡的一個節(jié)點,稱為智能節(jié)點，現(xiàn)場智能設備，它應具有數(shù)字通信能力和具有控制、補償、參數(shù)改變、報警顯示、故障診斷等功能。 3 由功能模塊組成現(xiàn)場總線智能儀表 現(xiàn)場總線智能儀表,可以根據(jù)不同的被控對象的特性，靈活組合功能模塊,以實現(xiàn)被控對象的控制策略，成為十分靈巧的智能儀表，F(xiàn)F現(xiàn)場總線包含的10個基本功能模塊如表1所示。 10個功能模塊可以靈活組合,實現(xiàn)多種功能。例如，一臺溫度變送器可配置一個輸入（AI）功能模塊，一臺控制閥可配置一個PID功能模塊和一個輸出（AO）功能模塊，如此，一個控制回路僅用一臺變送器和一臺控制閥就構(gòu)成了，如圖1所示。 必須指出的是，功能模塊的配置與組合，取決于對被控對象所采取的控制策略，功能模塊的采用，是隨系統(tǒng)的控制方案而異的。 4 現(xiàn)場總線智能儀表控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了單回路反饋控制、集散型控制、現(xiàn)場總線控制等技術(shù)變革，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了氣動、電動、直接數(shù)字控制和分布式控制幾個階段，正在邁向現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的應用則經(jīng)歷了單機自動化、機組自動化和綜合自動化幾個階段, 正在朝著管控一體化方向發(fā)展。早期的單回路PID控制,它以經(jīng)典控制理論為基礎，一直是工業(yè)過程控制的主要手段;隨著復雜工業(yè)控制的要求,逐步發(fā)展了串級、比值、前饋、均勻等復雜控制系統(tǒng);隨著以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生, 出現(xiàn)了狀態(tài)反饋、解耦控制、最優(yōu)控制、自適應控制等控制系統(tǒng);隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及其在工業(yè)控制中的廣泛應用,出現(xiàn)了分散控制系統(tǒng)DCS和PLC可編程控制器為代表的新型控制系統(tǒng);人工智能的發(fā)展為控制領域帶來了新的突破,工業(yè)控制中出現(xiàn)了先進控制技術(shù)和先進控制系統(tǒng)。先進控制軟件，形成了集硬件和軟件一體化的全廠綜合自動化的全面解決方案?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，具有更強的開放性和實用性，因而所組建的自動化控制系統(tǒng)有更大的靈活性，可以為企業(yè)提供一個從現(xiàn)場控制到企業(yè)管理全方位的、一體化的自動化解決方案。以下列舉幾種現(xiàn)場總線智能儀表控制系統(tǒng)的實例: （1） 由多變量變送器構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 多變量變送器，可以接受多個輸入?yún)?shù),能夠?qū)Χ鄠€參數(shù)進行測量。如可以測量流體溫度、壓力、差壓，并能根據(jù)流體的溫度、壓力、壓差和流體類型精確地得出流體的流量。 一種與現(xiàn)場總線匹配的多變量變送器的構(gòu)成原理框圖如圖2所示，現(xiàn)場傳感器的多參數(shù)信號，經(jīng)多路輸入可編程放大器送入A/D轉(zhuǎn)換單元，變送器的核心微處理器系統(tǒng)負責放大器放大倍數(shù)的選擇，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，并對液晶顯示、變送器鍵盤、現(xiàn)場總線等部分的接口進行配置。 現(xiàn)場總線采用LON總線, 為了充分利用TP/FT-10模塊的網(wǎng)絡通信功能，變送器采用雙CPU設計，即使用8位微處理芯片89C51與神經(jīng)元芯片共同完成各種控制。TP/FT-10模塊主要提供LON網(wǎng)絡通信功能，89C51完成現(xiàn)場控制功能，如圖3所示。神經(jīng)元芯片和89C51之間的數(shù)據(jù)交換通過異步串行通信來實現(xiàn)。 [align=center] 圖3 雙CPU多變量變送器結(jié)構(gòu)框圖[/align] （2） 由智能泵控制器構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 眾所周知，泵在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用極為廣泛，絕大多數(shù)流程工業(yè)都必須使用泵。隨著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）在工業(yè)企業(yè)中的應用，原有的泵，因沒有參數(shù)監(jiān)控功能、不能與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)配套應用，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的要求，迫切需要生產(chǎn)支持現(xiàn)場總線的、具有參數(shù)監(jiān)控功能的智能泵。要使泵的性能能夠支持現(xiàn)場總線，并具有參數(shù)的監(jiān)控功能，必需研制智能泵控制器。 智能泵控制器要解決的技術(shù)問題主要是:與現(xiàn)場總線的連接接口，使之具有與現(xiàn)場總線通信的功能;對泵的主要參數(shù)如流量、揚程、轉(zhuǎn)速、功率、效率、軸承溫度、進口壓力、出口壓力等進行監(jiān)控的能力，即具有進行參數(shù)顯示和控制的功能，因而它必須是數(shù)字式系統(tǒng)。智能泵與普通泵的本質(zhì)區(qū)別在于:普通泵不能感受自身工作狀態(tài)并作出自我調(diào)節(jié)和控制，而智能泵不但具有現(xiàn)場總線的功能，而且可通過傳感器對其工作參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)進行測量，再把測量結(jié)果輸入微處理器并進行自動控制。由于泵的工作參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)有很多，選擇一些重要的參數(shù)進行測量是非常必要的，從而使智能泵具有良好的性能價格比。泵的主要參數(shù)有:流量、揚程、轉(zhuǎn)速、功率、效率等。 在FCS系統(tǒng)中，智能泵控制器以從設備的方式，按規(guī)范與現(xiàn)場總線接口（Anybus-s）進行數(shù)據(jù)交換，并在現(xiàn)場總線組態(tài)下運行具體的設備和進行監(jiān)控。智能控制器具有本地操作的人機界面（操作鍵和LCD顯示屏），并能進行遠程操作。 智能泵控制器具有一個通信標準為485或RS232接口。還配置了一個現(xiàn)場總現(xiàn)接口，它是一個34芯孔的連接插座，可直接與Device Net的Anybus卡連接或通過自制的DPRAM接口卡與Profibus-DP的IM183卡連接。W78E58可以通過此口將需發(fā)送的信息寫入Anybus的DPRAM或自制的DPRAM接口卡上的DPRAM中。同時也可以通過此口將上位機發(fā)來的信息從Anybus的DPRAM或自制的DPRAM接口的DPRAM中讀出。實現(xiàn)Device Net或Profibus-DP形式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接。智能泵控制器具有一個通信標準的RS232接口，它是由W78E58通過擴展的串行接口（8250）而配置的，并使8250的SIN，SOUT端與 MAX232C相連，完成TTL與RS232電平的轉(zhuǎn)換。智能泵控制器還配置了一個現(xiàn)場總現(xiàn)接口，它是通過50芯孔的連接插座與IM183（Profibus-DP）或者34芯孔的連接插座與Anybus（Device Net）卡連接的并行通信口，W78E58可以通過此口將需發(fā)送的信息寫入IM183上的雙口RAM。同時也可以通過此口向上位機發(fā)來的信息從IM183的雙口RAM中讀出。實現(xiàn)Profibus-DP或Device Net形式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡配置。 智能泵控制器的總線接口在DeviceNet系統(tǒng)中，是選用DeviceNet的總線接口Anybus-s模板。智能控制器中設計了與Anybus-s的通信接口。Anybus-s通信模塊提供給開發(fā)者并行和串行兩種開發(fā)方式。在此我們采用并行開發(fā)方式，通信模塊提供一個2K字節(jié)的雙端口RAM作為公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為Anybus端和應用程序端進行數(shù)據(jù)交換服務。雙口RAM可作為外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)由應用端CPU進行外部尋址并讀寫數(shù)據(jù)，當CPU寫次高位字節(jié)寄存器7FEh（application status register）時，雙口RAM會產(chǎn)生中斷通知Anybus端對相關(guān)區(qū)域數(shù)據(jù)進行處理。當讀高位字節(jié)寄存器7FFh（anybus status register）時會清Anybus端寫高位字節(jié)寄存器時產(chǎn)生的中斷信號。依靠這兩個寄存器應用和anybus端進行交換數(shù)據(jù)和報文時的握手。 智能泵控制器的軟件設計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設計方法。主要分為監(jiān)控程序和中斷服務程序兩大部分，每一部分又由許多功能模塊構(gòu)成。以DL144-18X2型普通水泵為對象，在軟件的控制下，自動監(jiān)測其流量、壓力、溫度等參數(shù)，并根據(jù)控制要求，控制泵機輸出，實現(xiàn)對泵的自動調(diào)節(jié)和控制。 智能泵控制方案，設計成兩種類型:即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制時，控制器對泵的參數(shù)進行監(jiān)測，并實時顯示各參數(shù)值。閉環(huán)控制時，控制器對流量或揚程進行控制。 示范系統(tǒng)總體體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。 [align=center] 圖4 智能泵現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)系統(tǒng)[/align] 系統(tǒng)的智能泵控制器（下位機）將現(xiàn)場參數(shù)信息傳送至上位機，上位機接收信息顯示在界面上。上位機在獲得控制權(quán)后亦可進行直接遠程操作。 （3） 由智能閥構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，閥門的使用十分廣泛也十分重要。但常規(guī)的閥門是不支持現(xiàn)場總線的，不能用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中必須使用智能閥。因此，必須使常規(guī)的閥門成為現(xiàn)場總線智能儀表，成為現(xiàn)場總線智能閥。圖5是一種基于Device Net現(xiàn)場總線的智能閥控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)通過傳感器對閥門的工作參數(shù)進行測量，再把測量結(jié)果輸入單片機進行處理，單片機發(fā)出的開、關(guān)、停等控制信號直接對閥門進行本地控制。還可以由主機通過DeviceNet現(xiàn)場總線向從機發(fā)送控制信號,由充當從機的單片機對閥門進行調(diào)節(jié), 實現(xiàn)遠程控制。 系統(tǒng)主機部分由組態(tài)軟件、OPC接口和DeviceNet總線適配器構(gòu)成。從機由單片機系統(tǒng)、總線從接口、I/O接口以及鍵盤和LCD顯示等模塊組成。單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對外圍各個模塊的控制, 總線從接口是Device Net總線的從通信模塊, 通過它把傳感器、執(zhí)行器與Device Net現(xiàn)場總線連接起來。輸入、輸出接口將測量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和將控制信號輸出到執(zhí)行器, 實現(xiàn)對設備的控制。鍵盤和LCD顯示實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設定、修改、顯示等功能。系統(tǒng)具有本地控制和遠程控制兩大功能。本地控制時單片機通過數(shù)據(jù)采集電路不斷采集閥門的行程、軸承溫度等數(shù)據(jù), 并作出控制決策, 驅(qū)動設備的運行。遠程控制則是從機通過總線傳給主機供主機監(jiān)測,而主機發(fā)送閥門的開、關(guān)命令給從機由從機直接控制,實現(xiàn)遠程控制操作。 一般說來,電動執(zhí)行機構(gòu)是一種系統(tǒng)終端控制儀表,它根據(jù)控制電信號,直接操作改變閥的開度,利用微機技術(shù)與通信技術(shù),實現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)所要求的功能。 5 結(jié)束語 現(xiàn)場總線智能儀表，以能進行雙向數(shù)字通信、具備自診斷功能、能遠程對儀表的組態(tài)數(shù)據(jù)進行修改等為其主要特點，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化為其技術(shù)內(nèi)涵，把現(xiàn)場儀表帶到一個全新的階段。目前, 由于現(xiàn)場總線多標準并存, 現(xiàn)場總線智能儀表通信協(xié)議很難統(tǒng)一。因而，它將像現(xiàn)場總線一樣，朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標準的方向發(fā)展。 參考文獻 [1] 趙維琴等. 用于現(xiàn)場總線的智能泵控制器[J]. 世界儀表與自動化, 2003,1.7（.6）. 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