引言

現場總線是“安裝在生産過(guò)程區域的現場設備/儀表與控制室内的自動控制裝置/系統之間的一種(zhǒng)串行、數字化、多點通信的數據總線”。現場總線是一種(zhǒng)新型的自動化控制系統，是當今自動控制技術的發(fā)展方向(xiàng)。現場總線技術可被(bèi)廣泛應用于制造業、流程工業、樓宇、交通等自動化控制系統中。

在衆多的現場總線技術當中，由現場總線基金會(huì)組織(FieldbusFoundation，FF)開(kāi)發(fā)的基金會(huì)現場總線在工程自動化領域得到(dào)了廣泛的支持。基金會(huì)現場總線是一種(zhǒng)是全分布式的自動化系統，主要功能(néng)是對(duì)工業生産過(guò)程進(jìn)行測量、信号變送、控制等。FF于1996年頒布了低速總線H1标準。随著(zhe)以太網技術的成(chéng)熟，FF制定了FFHSE(HighSpeedEthernet)規範，該規範定義了一種(zhǒng)基于高速以太網的現場總線技術。為實現自動控制系統的控制功能(néng)，在H1和HSE應用層之上增加了用戶層。用戶層包括了FF所定義的标準化的功能(néng)塊和功能(néng)塊應用進(jìn)程，構成(chéng)了自動化控制系統中實現控制功能(néng)的主要部分。

功能(néng)塊模型

在FF現場總線系統中，工業控制系統的功能(néng)塊應用進(jìn)程(FunctionBlockApplicationProcess，FBAP)定義在用戶層，包括資源塊(ResouceBlock)、功能(néng)塊(FunctionBlock，FB)和變換塊(TransducerBlock)，以及為滿足控制系統需要而增加的各種(zhǒng)對(duì)象，如鍊接對(duì)象(LinkObject)、趨勢對(duì)象(TrendObject)等.

在現場設備應用進(jìn)程的體系結構中，資源塊表示網絡硬件和軟件對(duì)象，包含現場設備的一些硬件和物理特性。資源塊定義了相應的參數來描述所用資源的狀态，并通過(guò)執行特定的算法來控制對(duì)設備資源的操作。在用戶層應用中，功能(néng)塊FB代表了應用所執行的基本的自動控制功能(néng)，是定義工業控制系統的監控和控制功能(néng)的主要手段。通過(guò)定義功能(néng)塊，使工業控制系統的自動控制功能(néng)盡可能(néng)獨立于輸入\輸出(InputOutput，IO)設備。功能(néng)塊根據指定的算法并結合其内含的參數來處理輸入參數，得到(dào)的輸出提供給其它的功能(néng)塊或者變換塊執行控制功能(néng)。

定義變換塊的目的是使功能(néng)塊和IO設備隔離開(kāi)來，這(zhè)些IO設備包括傳感器、執行器和轉換開(kāi)關。變換塊通過(guò)由功能(néng)塊使用的獨立接口控制對(duì)IO設備的訪問，同時(shí)，變換塊還(hái)執行校準和線性化的功能(néng)。鍊接對(duì)象提供了功能(néng)塊輸入輸出間的對(duì)應關系，作為在控制系統中交換信息的映射。在FF現場總線控制系統中，現場設備間或設備内部進(jìn)行交換的過(guò)程數據和事(shì)件都(dōu)是通過(guò)連接對(duì)象來定義的。

功能(néng)塊實例化

在建立控制系統的過(guò)程中，控制應用所需要的現場設備是不确定的。即便是一個構建好(hǎo)的控制系統，也可能(néng)會(huì)因為功能(néng)或者是性能(néng)上的需要而添加新的設備，這(zhè)就(jiù)需要現場設備比如IO設備等能(néng)夠提供完善的功能(néng)。但現場設備通常都(dōu)是嵌入式設備，其操作系統采用嵌入式操作系統。因此現場設備的可用資源有限，同時(shí)實現所有功能(néng)對(duì)現場設備來要求太高。對(duì)于IO設備，多路模拟輸入(MultipleAnalogInput，MAI)功能(néng)塊負責模拟數據采集，多路離散輸入(MultipleDiscreteInput，MDI)功能(néng)塊負責數字數據的采集，每個MAI或者MDI功能(néng)塊所能(néng)采集的數據節點是一定的。一般情況下，每個現場設備中的功能(néng)塊類型和數目在出廠之前就(jiù)已經(jīng)定制好(hǎo)了。如果控制系統的規模發(fā)生了變化，那麼(me)原先安裝的現場設備就(jiù)可能(néng)滿足不了控制系統的需要。而如果允許控制工程師能(néng)夠根據實際的需要增加現場設備中功能(néng)塊的類型和數目，則能(néng)夠大大地降低控制系統的複雜性，節省控制系統升級所需要的時(shí)間和成(chéng)本，從而提高生産效率和效益。

功能(néng)塊實例化機制

為實現功能(néng)塊和其它對(duì)象的實例化，在基金會(huì)現場總線用戶層規範中定義了Action對(duì)象。通過(guò)對(duì)Action對(duì)象進(jìn)行操作，可以在控制系統需要某個對(duì)象或者功能(néng)塊時(shí)，在現場設備中創建所需要的對(duì)象或者功能(néng)塊。也可以通過(guò)Action對(duì)象删除現場設備中存在的對(duì)象或功能(néng)塊。Action對(duì)象包含3個參數，以結構的形式定義為：

typedefstruct{unsignedcharucAction;　unsignedlongulFunction;　unsignedshortuOccurrence;　｝FF_Action;

其中，第一個參數ucAction用來表示所采取的操作，取值為0、1或者2，0表示沒(méi)有任何操作，1表示實例化由參數ulFunction指定的功能(néng)塊或者是對(duì)象，2表示請求删除由參數ulFunction指定的功能(néng)塊或者對(duì)象。第二個參數ulFunction表示實例化操作或者删除操作時(shí)所操作的對(duì)象，該參數的取值是設備描述文件(DeviceDescription，DD)中針對(duì)具體的功能(néng)塊或者對(duì)象所定義的值。第3個參數uOccurrence在ucAction等于0或1時(shí)，其取值必須為0，在執行删除操作即ucAction等于2時(shí)，參數uOccurrence的值是要删除的功能(néng)塊或對(duì)象的序号，即表示要删除第幾個由ulFunction指定的功能(néng)塊或對(duì)象。實例化的操作通過(guò)組态軟件執行，用戶選擇了要實例化的功能(néng)塊後(hòu)，組态軟件向(xiàng)指定的現場設備發(fā)出FMS(FieldbusMessageSpecification)寫請求。現場設備接收到(dào)FMS寫請求後(hòu)，首先判斷本設備中是否已經(jīng)定義了實例化請求操作中指定類型的功能(néng)塊。如果本設備中定義了該類型的功能(néng)塊，則執行實例化操作，動态申請一塊内存，内存的大小即實例化請求操作中指定類型功能(néng)塊的大小。然後(hòu)將(jiāng)該類型功能(néng)塊的模闆拷貝到(dào)新申請的内存中。

功能(néng)塊數據保存和恢複

在現場總線控制系統中，由于種(zhǒng)種(zhǒng)原因，很可能(néng)會(huì)發(fā)生設備掉電的情況。由于組态的過(guò)程比較複雜，所以對(duì)于整個控制系統來說(shuō)，實現現場設備的數據保存功能(néng)是非常必要的。特别是對(duì)于存在實例化的功能(néng)塊的現場設備，在設備重新上電後(hòu)能(néng)夠恢複實例化的功能(néng)塊和組态數據顯得更為重要。