本讲座撰写人裘玉瑞先生，中国四联仪器仪表集团有限公司教授级高级工程师。 关键词：现场总线　智能仪表　功能模块　功能块 基金会现场总线规定了基于功能模块的用户应用，不同的功能模块表达了不同类型的应用功能。原DCS中60~80%的基本控制功能是通过设置功能块及其功能块的组合下载到现场总线智能仪表中去的。因此，现场总线智能仪表可以根据不同的被控对象的特性，灵活组合功能块以实现被控对象的控制策略，使其真正成为灵巧的智能仪表。典型的用户应用功能模块有3类：功能块、资源块、转换块。基金会现场总线已定义了1种资源块、10种基本功能块、19种先进功能块以及7种标准的转换块。 一 功能模块 基金会现场总线用户程序中常用的功能模块类型如图1所示。 1.资源块 资源块描述现场总线的设备特征，如设备名称、制造商与系列号。每台设备中仅有一个资源块。 为了使资源块能够表达这些特征，规定了一组参数。资源块没有输入或输出参数。它将功能块与设备的硬件特性相隔离，可以通过资源块在网络中访问与资源块相关的设备的硬件特性。 资源块也有其算法，用以监视和控制物理设备硬件的一般操作。其算法的执行取决于物理设备的特性，由制造商规定。该算法可能引起事件的发生。 2. 功能块 功能块(FB)提供控制系统行为，它的输入、输出参数可通过现场总线链接。各功能块的执行均受精确调度。 功能块是参数、算法和事件三者的完整组成。由外部事件驱动功能块的执行，通过算法把输入参数转换为输出参数，实现应用系统的控制功能。对于输入和输出功能块，要把它们链接到转换块，与设备的I/O硬件相互联系。 功能块的执行是按周期性调度或事件驱动的。功能块提供控制系统的功能，它的输入、输出参数可以跨越现场总线实现链接。一个用户程序中可有多个功能块。基金会现场总线定义了多个标准功能块，如FF-891功能块定义了用于基本控制的10种标准功能块。如表1所示。 此外，还定义了用于高级控制的19种标准功能块。如表2所示。 基金会现场总线也允许各制造厂商有自己独特的功能块，但要有DDL(设备描述语言)来保证不同厂商的产品在同一总线上具有可互操作性。 功能块可以理解为软件集成电路，使用者不必十分清楚其内部构造的细节，只要理解其外部特性就可以了。用基本、简单的功能块还可以构成复杂的功能块。基金会现场总线功能块支持国际可编程控制器编程标准IEC1131-3。 功能块可以按照设备的功能需要设置在现场总线设备内。例如，简单的温度变送器可能包含一个AI模拟量输入功能块，而调节阀则可能包含一个PID功能块和一个AO模拟量输出功能块。这样，一个完整的控制回路就可以只由一台变送器和一台调节阀组成。有时，也把PID功能块装入温度、压力等变送器内。 3. 转换块 转换块按所要求的频率读取传感器中的硬件数据，并将其写入到相应的待读取这一数据的硬件中。它不含有运用该数据的功能块，这样便于把读取、写入数据的过程从制造商的专有物理I/O特性中分离出来，提供功能块的设备入口，并执行一些功能。转换块包含有量程数据、传感器类型、线性化、I/O数据表示等信息。它可以加入本地读取传感器功能块或硬件输出功能块中，通常每个输入或输出功能块内部都会有一个转换块。 在用户应用中定义的附加对象如下： (1)链接对象 链接对象定义了功能块之间的链接关系。它包括一个设备内部之间的链接关系，也包括跨越现场总线网络的不同设备间的输入与输出之间的链接关系。 为了组成系统，在功能块AP之间和功能块内部，采用链接对象把不同功能块链接在一起，用来记录这类信息的对象称为链接对象。运用链接对象来定义输入输出参数之间的链接关系，也运用它来规定从外部对观测、趋势和报警对象的访问。链接对象要识别被链接的参数或对象，识别用于传输数据的FMS服务，识别用于传输的虚拟通信关系VCR。对跨越现场总线网络的不同设备间的输入输出参数链接，还要识别远程参数。 (2)趋势对象 趋势对象允许主机和其他设备访问功能块参数的局部趋势，允许将功能块参数进行局部化。它将短期历史数据收集起来并存储在一个设备中，并提供了回顾其特征的历史。 (3)报警对象 报警对象允许对报警状态和现场总线上的事件进行报告，当判断出有报警或事件时，可通过接口设备访问报警对象生成的通知信息。 报警对象可对块状态偏离进行监测。当报警和事件发生时，它发出事件通知，并等待特定的接收响应时间。如果在预定的时间内没有收到响应，它将发出重发事件通知。这一方法确保报警信息不会丢失。 对功能块和事件报告规定了两类报警。当功能块偏离了一个特定的状态时，例如，当一个参数越过了规定的门槛，采用事件表报导状态变化。不仅是在功能块发布了一个特殊状态时，对其特殊状态采用报警，而且当它返回到一定状态时也采用报警。 (4)视图对象 视图对象为预定义的参数群，由人机界面使用。功能块规范为每种块定义了4个视图。一般功能块变量映射入视图的示例如图2所示。功能参数按视图对象分组的情况如表3所示。 二 现场总线智能仪表和设备的定义 现场总线智能仪表和设备的功能是通过应用虚拟现场设备(VFD)，由功能模块的配置和它们的互连状态所决定的，对于现场总线通信系统来说是可视的。如图3所示。 用户应用对象字典题头指向一个指针，该指针总是指向功能模块应用的第一个入口，它提供了在功能模块应用中所有其他入口的起始指针(见图4)。 利用虚拟通信关系(VCR)可以在现场总线网络上远程访问虚拟现场设备的对象描述及其关联数据(见图5)。 三 功能块的内部结构与功能块连接 功能块应用进程提供了一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，把按时间反复执行的函数模块化为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。反复执行意味着功能块是按周期或事件发生重复作用的。 图6表示一个功能块的内部结构。可以看到，无论在一个功能块内部执行哪一种算法，实现哪一种功能，它们与功能块外部的连接结构是通用的。分布在图中左、右两边的一组输入参数与输出参数是本功能块与其他功能块之间要交换的数据和信息，其中输出参数是由输入参数、本功能块的内含参数、算法的共同作用而产生的。图中上部的执行控制用于在某个外部事件的驱动下，触发本功能块的运行，并向外部传送本功能块执行的状态。 例如，生产过程控制中常用的PID算法就是一个标准的功能块。把被控参数测量AI模块的输出连接到PID功能块上，就成为PID功能块的输入参数。当采用串级控制时，其他PID功能块的输出也可以作为输入参数，连接到PID功能块作为设定值。本功能块的内含参数指比例带、积分时间、微分时间等所有不参与连接的参数。处理算法指开发者编写的PID算式的运行程序。由链路活动调度器根据时钟时间，触发PID功能块的运行，由运行结果产生输出参数，送往与它相连接的AO模块，作为AO模块的输入参数，经AO模块作用后送往指定的阀门定位器。 采用这种功能块的通用结构，内部的处理算法与功能块的框架结构相对独立。使用者可以不必顾及功能与算法的具体实现过程。这样，有助于实现不同功能块之间的连接，便于实现同种功能块算法版本的升级，也便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。 功能块的设计和定义是单个进行的，并集成为功能块应用。一旦定义好某个功能块之后，可以把它用于其他功能块的应用之中。功能块由其输入参数、输出参数、内含参数及操作算法所定义，并使用一个位号(Tag)和一个OD索引来识别。 功能块连接是指把一个功能块的输入连接到另一个功能块的输出，以实现功能块之间的参数传递与功能集成。功能块之间的连接存在于功能块AP的内部，也存在于功能块AP之间。同一设备内部留驻的功能块之间的界面被规定为本地(局部)的，不同设备内功能块之间的界面利用功能块壳体服务，功能块壳体提供对FMS应用层服务的访问。功能块应用进程中的功能块与对象的连接如图7所示。 （未完待续）