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1、功能块是现场总线仪表的核心技术，也是一种图形化的编程语言。功能块相当于单元仪表，即积木仪表，也可称为软仪表。功能块的引入使得现场总线仪表与传统DCS相比在功能上有了很大的增强，一些过去只能在控制系统中完成的控制及运算功能，现在下放到现场总线仪表中完成，从而使系统的分散度更高、控制品质更好。就想现在新时代社会的行政部门或企业的权利下放的思想。,2.4.2现场仪表功能块及常用参数,功能块是现场总线技术的载体，不但仪表制造厂要掌握它，用户工程师更要掌握它。只有掌握了功能块的配置组合和参数设定，才能根据控制对象的动态特性，形成各种各样的控制策略。 功能块及其应用是一个十分重要和复杂的问题，为了实现最佳
2、的优化控制方案，对功能块的配置组合和参数设定，还需一个长期的工程实践和经验积累。每个功能块都有十几个或几十个参数,并预先定义了名称。，通常列成参数表。只有理解每个参数的含义，才能在组态中设定好参数,从而形成合适的控制策略。,每种类型的功能块都有一个不同的内部算法以及几个参数来执行不同类型的功能。功能块不依靠IO硬件，独立运行基本的监测和控制功能。例如，模拟输入模块(AI)提供测量所需基本功能：仿真、推算量程、传递函数、阻尼以及报警。压力变送器中的标准AI模块跟温度变送器中的相同。无论在变送器中、定位器中或中央控制器中，无论设备制造商是谁，标准PID模块都相同。共有四类具备不同特性的功能块(图2
3、.60)： 输入类(Input Class) 控制类(Control Class) 计算类(Calculate Class) 输出类(Output Class),1功能块类型,图2.60 功能块种类,2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2.61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
4、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。,图2.61 功能块的内部结构,图2.61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
5、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。 3常用功能块参数 资源块、转换块以及功能块都包含内含参数，用于模块设置和操作以及诊断。功能块还包含输入参数，经模块算法运算后产生输出参数。一个功能块中总共有三类参数： 内含参数(Contained parameter) 输入参数(Input parameter),输出参数(Output parameter) 例如，PID模块中，过程变量成为输入之一，操作变量是输出之一，整定参数是一些内含参数。参数可以由用户或模块本身设定。输入参数一般从相链接的输出取得数据或由用户设定
6、，但模块本身不能设定输入数值。 （1）模拟输入块AI 模拟输入功能块AI的内部结构图如图2.62所示。AI的主要作用是从转换块中取得模拟过程变量(如压力、温度、流量等)，并完成通道配置、仿真、标度、线性化、阻尼、报警等功能，它的输出供其他功能块使用。 AI功能块大约36个参数，常用参数如表2.16。表2.16 为AI控制功能块参数表。表中注释如下： E：列举参数； Na：无单位位串；RO：只读 D：动态； S：静态； N：非易失,图2.62 模拟输入功能块AI的内部结构图,图2.63 PID控制算法功能块PID的内部结构图,（2）控制块PID 控制块PID的内部结构如图2.63所示。它提供了比
7、例(P)、积分(I)、微分(D)的运算控制。PID控制功能块参数表如表2.17所列。对最基本且常用的参数进行说明。,表2.17 PID控制功能块参数表 E：列举参数； na：无单位位串； RO：只读； D：动态； S：静态； N：非易失,(3)模拟输出块AO 模拟输出块AO的内部结构如图2.64所示。AO功能块从另一个功能块接收信号，然后通过内部通道的定义，将计算结果传递到一个转换块。在传递给输出转换块前，它提供了用户对AO所期望的功能，如限幅,正反作用、位置反馈(读回)、仿真及故障安全输出等。AO控制功能块参数表如表2.18所列。对最基本且常用的参数进行说明。表中E：列举参数； Na：无单位
8、位串；RO：只读；D：动态；S：静态；N：非易失 (4) 计算块ARTH 计算功能块ARTH的内部结构如图2.65所示。计算功能块ARTH提供了多种用途的计算能力，它可以用来执行过程工业控制中最普通的计算，如乘除、平均、求和、流量的压力和温度补偿，闭口容器液位测量以及比率控制中受控流量设定值的计算等。,图2.64 模拟输出功能块AO的内部结构图,图2.65 计算功能块ARTH的内部结构,ARTH用来计算转换器(块)来的信号，而不是用于控制路径，所以不支持串级和反馈计算，不需转换为百分比，也不需比例换算，更没有过程报警。功能块有5个输入端(其中3个为辅助输入，一个输出端。),ARTH功能块大约3
9、6个参数，常用的参数如表2.19。表2.19ARTH控制功能块参数表。表中注释如下： E：列举参数； na：无单位位串； RO：只读； D：动态；S：静态；N：非易失。,表2.19 ARTH控制功能块参数表,(5)输入选择块ISEL 输入选择功能块ISEL的内部结构图如图2.66所示。输入选择功能块提供了最多4路输入的选择，根据组态产生一个输出信号。 它通常接收来自AI功能块的数据，可以执行最大(MAX)、最小(MIN)、中间(MID)、平均(AVG)、第一好(FIRST GOOD)运算和状态的信号选择。功能块的另一个输出参数是“选中通道(SELECTED)”，它指明了算法(由SE_LECT_
10、TYPE设定)选中了哪个输入。功能块支持OOS、Man和Auto模式。 输入选择功能块ISEL一共有24个参数，常用参数如表2.20。,图2.66 输入选择功能块ISEL的内部结构图,表2.20 ISEL控制功能块参数表 E：列举参数； na：无单位位串； RO：只读； D：动态； S：静态； N：非易失,(6)累积块INTG INTG功能块用于对一个变量进行时间累积或者与PUL块(脉冲输入块)配合对脉冲输入进行计数。INTG功能块也就是TOT功能块，通常用来累积流量，即给出一段时间内物流的总质量或总体积(kg或m3)，也可累积一段时间的功率，给出总能量。 累积方法可以是从零递增，也可以是从某
11、一设定值递减。累积值与预设的触发设定值进行比较，累积到达设定值或从设定值递减到零时产生一个开关信号。累积的复位方式可以是自动的，也可以是周期的，还可以是用户命令的。表2.21为INTG控制功能块参数表。,表2.21 INTG控制功能块参数表 E：列举参数；na：无单位位串；RO：只读；D：动态； S：静态；N：非易失,2.4.3功能块的组态 1组态(Configuration)的含义 组态(Configuration)的含义就是功能模块的任意组合(或连接)。FF为工业控制应用提供了大量的功能模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术(甚至不需要编程技术)，利用组态软件就能很好地完成一个复杂工程所要
12、求的所有功能。,过去，由于控制仪表品种繁多，组态也是五花八门，每遇到一个新的仪表品种，用户就得重新学习组态，虽然有一些相通之处，但也是给用户造成不小的麻烦。现场总线控制系统的出现，将从根本上解决这一问题。凡是遵守现场总线标准的仪表，不论是哪个厂家生产，也不论是什么型号，统统都能在一起工作，而且组态也是一致的。,虽然现场总线控制系统的组态简单一致，但由于历史的原因，或为了更好说明组态策略起见，还是出现了三种组态图，但这三种组态图差别不大，控制策略的实现是一致的。,2三种系统组态图 串级控制P&I图如图2.67所示。这是一个温度控制系统，用蒸汽加热冷流体(产品)，工艺要求经过加热的热流体(产品)出
13、口温度保持一定。若忽略热损失，当蒸汽带进的热量与热流体带出的热量相等时，热流体出口温度保持在规定的数值上。由于冷流体(产品)流量、冷流体(产品)入口温度和蒸汽阀前压力等因素的波动，将会使出口温度下降或上升。 为此，设计一个前馈-反馈串级温度控制系统。 温度调节主环的输出作为加热蒸汽流量的设定值，这是负反馈控制。加热蒸汽流量与副调节器形成前馈控制，以快速消除蒸汽压力变化对温度的影响。前馈-反馈系统具有下列优点： 从前馈控制角度看，由乎反馈控制的存在，将降低对前馈控制模型的精度要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用；,从反馈控制角度看，由于前馈控制的存在，对干扰进行了及时的粗调作用，将大大减
14、小了主PID控制的负担。根据图2.67绘制出现场总线控制系统的三种组态图如下。 （1）现场总线型 现场总线型组态图如图2.68所示。从物理上讲，现场总线只是立对屏蔽双绞线，但从信息上讲它是一个很“粗“的通道。由于图2.68组态图突出了现场总线“粗”的特点，所以称这样的组态图为现场总线型。 （2）方框圆圈型 方框圆圈型组态图如图2.69所示。这里的虚框代表现场总线仪表，圆圈代表功能块，所以称为方框圆圈型。这是推荐画法，目前版本的SYSCON支持这种画法，因此，读者或用户应熟练掌握。,图2.67 串级控制P&I图,图2.68 串级控制功能块连接组态图一,图2.69 串级控制功能块连接组态图二,参数
15、设置： PI功能块(WD) TAG=TT-100 MODE_BLK TARGET=AUTO(目标模式=自动) PID功能块(WD) TAG=TT-100 MODE_BLK TARGET=AUTO PV_SCALE=0-600 OUT_SCALE=0-200kgh AI功能块(LL) TAG=FT-101 MODE_BLK TARGET=AUTO L_TYPE=3(开平方非直接) XD_SCAIE=0-200inH2O OUT_SCALE=0-200 kgh,PID功能块(LL) TAG=FIC-101 MODE_BLK TARGET=CAS(串级) PV_SCALE=0-200 kgh OUT
16、_SCALE=0-100 AO功能块(FM) TAG=FCV-102 MODE_BLK TARGET=CAS PV_SCALE=0-100 XD_SCALE=O.02-O.1MPa,（3）圆圈方框型 圆圈方框型组态图如图2.70所示。这里的圆圈(有时是虚线圆圈)代表现场总线仪表，方框代表功能块，所以称为圆圈方框型。这不是推荐画法，以前版本的组态软件支持这种画法。但这种画法与推荐画法没有本质区别，有时可以不加以区分。 图2.70 串级控制功能块连接组态图三,2.4.4 一个典型的控制系统组态 下面以锅炉汽包水位控制作为典型范例进行分析。 1锅炉汽包水位三冲量控制P&I图 如图2.71所示的锅炉汽包水位三冲量控制P&I图，是经常被采用的经典控制方案。,图2.71 锅炉汽包水位三冲量控制P&I图,保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过高造成饱和蒸汽带水过多、汽水分离差，使过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，当用于蒸汽透平(汽轮机)的动力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运动的
