一、基金会现场总线ff（foudationfieldbus）的应用研究
1.1基金会现场总线概述
基金会现场总线是针对工业过程重要实时控制应用而设计的一种现场总线。它包含h1（31.25kb/s）低速总线和hse（highspeedethernet,l00mb/s）高速总线。hl更多的是从工业过程和dcs应用考虑，为满足现场仪表和简单控制回路的通讯需要而开发。hl总线的波特率低，难以满足大系统要求，也不能满足制造工业快速过程的需要；hse是以太网为基础的高速现场总线，它与hl可组成两级通讯网络，实现大系统的实时控制和信息管理功能。
1.2基金会现场总线特点
基金会现场总线zui大特点是在现场仪表和设备中使用功能块，即在现场直接使用功能块构筑具体控制系统。所以基金会现场总线不仅仅是信号和通讯标准，而且是一个系统标准。基金会现场总线功能块和plc/dcs中使用的功能块有一定区别，是一个独立的应用体系，每个功能块都有多种参数可以组态。
1.3基金会现场总线控制系统试验
1.3.1现场总线试验系统的组成
为了研究ff现场总线的工程应用特点和性能构建了一套基本的、完整的fcs控制系统，包含smarsystem302系统（ff现场总线）的网关桥路控制器（dfi302）、ff变送器、ff阀门定位器，上位机、桥路控制器通过hub链入hse。其中，网关桥路控制器既作为hse与hl间的网关链接设备以及不同h1支路间的网桥，而且作为系统控制器。ff现场总线试验系统实际接线见图1。
h1总线挂接设备数量受限于下列4点：（1）供电限制；（2）运行速度限制；设备运行时间小于250ms时，一条h1总线可挂接4个现场设备；（3）危险级限制。如hl总线上的某设备故障或损坏可能造成企业重大损失，这样的设备只能接1个;（4）总线通讯周期。
1.3.2h1总线的通讯方式
hl总线的扫描周期分为宏周期和监控周期。一个宏周期由所谓的背景通讯周期和控制扫描（运算）周期构成。控制扫描（运算）周期将总线上所有节点的功能块间的链接通讯完成1次，背景通讯则完成各节点与操作站的信息交换。若干个宏周期后所有节点与操作站完成一次信息交换，称为监控周期。宏周期时间由链接通讯和功能块执行时间及背景通讯周期构成，一般为几百毫秒，监控周期则需要（1～2）s。背景通讯周期可以调整。背景通讯周期延长则将使宏周期加长，但可能使监控周期缩短；因为较少的宏周期就可以将总线上传到操作站的数据刷新一次。hl总线速度较慢，仅适合于慢过程的控制。
1.3.3组态及运行试验
在图1的试验系统中，分别进行了2个试验；
试验1:l号hl总线上的2台设备构成1个闭环控制回路，组态4个功能块；
试验2:l号h1和2号hl总线上的3台设备、网桥控制器构成闭环控制回路，组态8个功能块;其中l号hl总线的设备中，组态下装了5个功能块，2号hl总线的设备中组态下装了2个功能块，在网桥控制器dfi302中还组态了1个功能块。试验2组态如图2所示。图中:数宇1表示该功能块下载至挂在1号hl总线上的现场设备中;数字2表示该功能块下载至挂在2号hl总线上的现场设备中;桥表示该功能块放在网关网桥控制器的cpu中;ai为模拟量输入;ldcons为常数设定;∑为加法器;f（x）为函数;pid为调节器;ao为模拟量输出。试验结果见表1。
1.3.4应用特点分析
在上述试验中，现场过程信息采集和简单闭环控制系统分散到现场智能仪表和设备中，实现了*的功能分散和风险分散的目的。火电厂控制系统中大约有73%%功能可以分散到现场，这样将大大减轻控制器的负荷，从而可减少控制器数量，降低控制系统的投资。试验看出hl总线的速率较低，为了传输状态、诊断等非实时信息，总线通讯的宏周期可能大于250ms。比较试验1和2看出，一条hl总线上如挂的设备不变，则控制周期不变，但如功能块组态的数量不同，则背景通讯周期也不同，会使宏周期变化。因此，对于动态特性较慢的单回路热工控制对象，可分散到hl总线的设备中进行控制。对于把控制回路的功能分散到多条hl总线的系统，其宏周期的计算，是按宏周期zui长的hl总线来计算控制回路的宏周期。因此，能利用一条hl总线上的设备完成一个回路的控制，如要用多条hl总线设备共同进行一个回路的控制，不仅宏周期增大，而且需要网桥控制器介入，将会降低功能分散的程度。
二、profibus现场总线（processfield-bus）的应用研究
2.lprofibus现场总线概述
profibus现场总线是以plc应用为主、标准化、全开放的总线，可以将不同厂商但遵循同一协议规范的仪表、设备连结组成系统。profibus现场总线由以下3部分组成。
（l）profibusfmsfms是一个令牌结构的实时网络。目前国内实际应用中大多使用100mb/s的工业以太网来代替它。
（2）profibusdpdp用于现场层的高速数据传送。dp主要用于制造业自动化中每个控制分站中控制器与电动执行器及相关分布式i/o机架的连接。dp的传输速率为12mb/s，扫描1000个i/o点的时间小于lms。传输媒介使用的屏蔽双绞线，对于远距离的传输，可通过光缆和光纤链路模块（olm）构成冗余环网，使用y-link耦合器将双路的冗余光环合二为一，形成现场dp支路。具有dp总线智能接口的设备如分布式i/o、电机控制和保护单元、变频器和超声波液位计等可直接连接到dp支路上。
（3）profibuspapa总线专为过程自动化设计，其功能类似于ff现场总线的hl低速总线，用于连接来自不同厂商的过程自动化仪表，如流量变送器、液位变送器、压力变送器、温度变送器及阀门定位器执行机构等。pa总线的传输距离zui大为1900m，传输介质为双绞线，总线供电，并具有本质安全特征。pa总线通过dp/pa耦合器与上层的dp总线相连，通过dp总线将过程信息向上传输。
2.2profibus现场总线的循环数据通讯和非循环数据通讯
profibus现场总线主站间采用令牌通讯，主站和从站间采用主、从轮询通讯。主、从站通讯分为循环数据通讯和非循环数据通讯。
（1）循环数据通讯对于主、从站间交换的控制命令、主要运行状态数据、过程参数等实时数据，在每个通讯循环周期内保证传送一遍。这此数据通过设备描述文件（gsd文件）或行规描述文件（edd文件）定义，有的可以在系统组态时选择、定义。循环数据的数量会受到系统实时性要求、系统设备类型等因素的限制。
（2）非循环数据通讯对于从站的诊断、辅助状态数据、参数化数据等，采用非周期性的通讯方式，即只有在主站发出通讯请求时，才进行传送。非循环数据的通讯请求，需要在主站（plc）开发相应的软件或组态才能实现，如设备管理软件、组态读/写功能块等。非循环数据的传输数量一般与从站已开发的参数有关，对于dp总线还与通讯协议有关。扩展的dp协议（dpvl）比标准dp协议所能提供的非循环数据会成倍增加。
2.3profibus现场总线控制系统试验
2.3.lprofibus现场总线试验系统的组成
为了研究profibus现场总线技术在电厂的应用，针对某大型火电厂4×1000mw机组水处理控制系统，构建了实验室profibus试验系统。试验系统包含了profibus系统现场应用的主要技术元素。
（1）硬件设备1套完整的西门子s7-400h冗余plc主控制器;通过交换机式工业以太网连接plc、上位机（操作员站、工程师站）;为了更加真实的模拟现场环境和应用技术，通过光纤链路模块（olm）和y-link耦合器构成的dp支路及在dp支路上挂接2台et2oox分布式i/o设备（它连接了气动阀门控制单元-阀岛）、l台multiranger超声波液位计和1台simocode-dp（pdm）智能电机控制和保护单元;自现场olm的dp之后，连接dp链接器和dp/pa耦合器，形成pa支路，pa支路上挂接1台差压变送器（abb）、1台压力变送器（abb）、1台磁翻板液位计（上海产）。试验系统如图3所示。
（2）软件配置操作员站采用windows2000操作系统（中文），系统组态软件采用西门子step7，现场总线仪表管理和诊断软件采用simaticpdm。
2.3.2信息传输试验
分别对dp和pa设备、仪表的性能进行试验。dp设备以智能电机控制和保护单元（simocode）为代表，pa仪表以差压变送器为代表进行分析。
2.3.2.1电机控制和保护单元
simocode具有一定的编程功能。其内部提供了4个真值表、6个触发记忆器、2个记时器、2个计数器，允许用户对其编程。simocode不仅能够完成启动/停止、自保持等简单功能，就地的基本保护控制也可以在其中完成。simocode还具有过载、软启动、多种启动曲线等保护、报警、跳闸功能，允许用户选择组态。
simocode作为dp网络上的从站，循环数据通讯:dp主站指令4字节（byte），反馈至dp主站（4～12）个字节;非循环数据通讯:标准dp协议20字节，dpvl扩展协议213字节。
（1）循环通讯数据试验试验中定义19个字节反馈信息。其中固定信息包括正转、反转、停止、自动/手动、过载报警、电气报警、电气故障等状态。允许用户定义的部分有:断路器保护跳闸、断路器异常失电、母线电压低。这3个自定义信号作为保护跳闸条件，在simocode中编程，实现就地保护跳闸功能。试验中读取的模拟量信息:电机电流、电机累计启动次数、计数器1值、计数器2值、传感器值（电机线圈热电阻）。试验中定义了1字节dp主站指令，实现对电机的控制。对循环数据通讯，组态plc映射地址，实现了对simocode进行周期性的循环读写、查询。
（2）非循环通讯数据试验标准dp协议共20字节。包含的状态信息有接地报警/跳闸、过载报警/跳闸、热电阻超温报警/跳闸、三相不对称且过载报警/跳闸、电机堵转跳闸、plc、cpu故障等;模拟量信息包括zui近一次过载跳闸电流、过载跳闸累计次数、电机运行小时数。通过plc编程和设定条件，非周期性地读取这些数据到缓存区中，供诊断、管理和参数调整使用。
利用上述数据，设计了中文界面的电机操作和诊断功能（图4）。其中状态和诊断信息包含了上述循环和非循环通讯的数据。显示分为运行状态部分、报警状态部分和跳闸故障状态部分等三个区域。
2.3.2.2差压变送器（pa仪表）
差压变送器的循环数据通讯可使用l0字节，分为2组，代表变送器测量的2个物理量及其状态。第1组5字节是流量或差压测量值（浮点数）及其状态，第2组5字节为差压或温度测量值及其状态。状态字节共8位分3段，分别表示测量值质量好、坏或值不确定3种状态，在每种状态中还细分为多个子状态。根据变送器的循环数据通讯，设计了中文界面的状态、诊断信息窗（图5）。质量好的子状态包括正常、高1/高2报警、低1/低2报警、事件更新;质量坏子状态包括设置错误、设备故障;值不确定子状态包括超出设定值范围、设备重启为更新、手动模拟状态、补偿传感器失灵等。
pa仪表的非循环数据读写比较复杂，需要使用软件，如西门子的设备管理软件pdm。磁翻板液位变送器的循环数据通讯为5字节，是1个浮点数测量值和一个8位的状态字节。状态字节的定义与差压变送器类似。
2.3.3工程应用特点
通过上述试验确定了profibus现场总线实际应用较为切实的方案。
系统结构:以冗余dp光环连接主站（plc）与各dp支路链路器从站作为系统主控通讯网（可达12mb/s）,dp支路链路器分布在现场，它发出dp支路（187.2kb/s～1.5mb/s）连接dp现场仪表、设备和pa仪表，形成设备级通讯网。plc与操作员站、工程师站以工业以太网（1oomb/s）作为车间监控通讯网。
系统功能实现和软件:传统功能如控制、数据采集等主要在plc中实现。利用profibus的循环数据通讯以及部分非循环数据通讯开发中文界面的仪表、设备诊断以及远程参数化功能。利用设备管理软件pdm对pa仪表和simocode实现远程参数整定和编程。
系统设计和安装:大大减少了电缆设计、敷设和接线安装。如1台电机控制在传统的dcs设计中有6个开关量和1个模拟量，需要7条电缆;采用simo-cide-dp后，每一条dp支路上至少可以挂10台电机控制和保护单元，布线数量是传统dcs布线的1/70。以一个电磁阀箱有2个双电控、6个单电控的电磁阀计算，传统plc设计需要1o个do、16个di信号;采用dp远程i/o和阀岛后，一条dp支路按挂4个电磁阀箱计（实际可挂8～10个），则布线数量只有传统plc设计的1/104。布线的大幅减少使设计、现场安装、调试的工作量大大减轻。
三、结语
通过对ff和profibus现场总线进行以工程应用为目的的试验研究，构建了针对某大型火电厂水处理控制系统的fcs试验系统，可以直接应用于工程实践。现场总线可使电厂控制系统实现高度信息化和智能化，总体节省（设计、设备、材料、布线、施工、维护等）贯穿系统的寿命全周期，且系统规模越大，其优越性更加明显。