常用功能模块：手动设定开关和PID算法的串联运用

1.模拟量输入（AI）模块

AI模块获得的变量数据来自硬件输入，为一个主要变量数据输入提供线性化、阻尼，单位转换为百分数和限位，使这个变量数据成为AI模块的输出数据。变量数据输入来自于传感器模块，可按通道号选择。

AI模块的框图如图9-3-2所示。

用通道选择外部连接，将输入CHANNEL0（通道变量数据）经过传感器通道（access transducer）引入块处理（图9-3-2所示）。块处理对引入的主要变量进行工程单位到百分数的转换（CONVERT TO%），XD_SCALE为输入变量的百分刻度数值；线性化由“函数”进行处理，用L_TYPE选择允许算法的不同类型，如线性、非线性和平方根；用户单位转换（user unit conversion）是把百分数值转换为用户工程单位。OUT_SCALE为输入变量的用户工程单位数值。经块处理输出的变量进入滤波器，阻尼时间常数由PV_FTIME控制。滤波器输出PV（E.U）分两路，一路由OUT_D输出，把PV（E.U）送报警磁盘（ALARMS DISC），HL_LIM、LO_LIM、ALARM_MYS、ALARM_IND_TYPE分别为报警上限、下限、方式和选择类型。另一路经手动设定（MANUAL SP）开关和限位（clamp function）单元由OUT送出，这个输出能用于其他功能模块。手动设定开关由方式选择控制，MODE_PER为方式允许（即允许手动设定），MOD_E_BLK为功能块方式。在手动设定时，可使AI功能模块输出一个可调数值，这对控制系统仿真和调试非常有用。由于有“函数”功能，AI输出可以是输入的线性函数，也可以是输入的平方根函数。

图9-3-2 AI模块的框图

2.PID控制模块

PID控制模块是许多控制策略的关键，它几乎被普遍使用，除PD之外，当过程本身有偏差存在时，PID模块输出将不断变化，输出使偏差向减小方向变化（这是对负反馈控制系统而言）。当主过程（回路）和副过程（回路）惯性时间常数或工作频率相差三倍以上时，控制模块常被串联（级）使用。

PID控制模块的框图如图9-3-3所示。

被控变量由IN输入，经滤波器（PV_FTIME）后用PV表示，其时间常数是PV_FTIME。PV经标度变换（PV＆SP SCALING）后在PID算法（PID algorithim）中与SP相会合，如果IN被限制在一个常数状态，PID将不能积分。PV和DV（PV与SV差的绝对值）提供越限报警功能（PV AND DEVIATION ALARM），虽然PV是一个包含变量的参数，但也有一个状态，这个状态是IN的一个复制，除非IN是好的，否则有一个PV或块报警。

串级设定SP被使用，它带有速率和绝对值限制。有一个附加控制选项手动跟踪，即在手动方式时将引起SP值跟踪PV值，限制不产生SP—PV跟踪。

有一个BYPASS（旁路）开关，是给操作员用的，如果BYPASS控制选项是真的，在副级控制器使用BYPASS开关，若有坏值，则旁路。如果只改变BYPASS，当设置的时候，SP的值（量程的百分数）直接通向操作输出，输出OUT的值可作为块反向输出（BKCAL_OUT）。当方式改变为串级（CAS）时，上游块需要恢复OUT的值，在旁路输出上，上游块需要恢复PV值。

图9-3-3 PID控制模块的框图

增益、重置（积分时间）和速率（微分时间）是P、I和D术语的调整常数，增益是无量纲数值，速率是用秒表示的时间常数，现存的控制器由它们的一些或所有的倒数值调整，如比例带和每分钟重复。这些参数的操作接口，应能显示并由使用者选择。

输出选择为控制PID作用选择。正作用控制选项如果是真的，当PV超过SP，输出OUT增加；如果是假的，PV超过SP，输出将减少。这将使正作用和反作用之间的反馈不同，必须设置合适，在整个自动方式期间决不能改变。为了输出反向跟踪（BKCAL_OUT），选项的设置也必须在计算机限制状态内。

输出支持前馈（feed forward）算法，在控制回路中前馈值（FF_VAL）输入带进一个与干扰成比例的外部值，使用前馈标度变换（feed forward scaling）使前馈值转换为输出量程的百分数。这个值在前馈增益（feed forward gain）中与增益相乘后送到PID算法，加入了PID算法的操作输出。如果前馈值的状态是“坏”的，最后可用值（通常是手动的最后值）将被使用，这样，可防止对输出的冲击。当状态返回到“好”时，模块将调整它的积分或偏置项以保持以前的输出。

为反向输出（BKCAL_OUT）设置了一个不是限制后的SP值就是PV值的选项。输出支持跟踪算法，TRK_VAL为跟踪值，TRK_IN_D为跟踪状态值。

为了防止积分饱和，当输出参数达到或是上限（HI_LIM）或是下限（LOW_LIM）时，PID模块有一个利用停止算法积分过程（或积分分离）的控制策略，可避免过程控制的积分饱和。

当模块方式开关从手动切向自动时，PID算法给予用户无扰切换的性能。这个性能通过BUMP_ENB（软切换）和BUMP_TYPE（硬切换）两参数完成。无扰策略按照选择的无扰类型重新计算PID的积分项。当方式开关出现时，每种类型将影响PID输出。在第一种类型积分项被改变，使输出保持它的最后值，最后值通常是手动的最后值或自动的初始值；当硬传输被选择，输出等于它的以前值加上PID比例项。其他情况可能将产生一个输出等于一个偏置值或偏置值加PID比例项。所谓硬性M→A（手动→自动）切换即初始输出值加上当时偏差值乘以比例增益。

手动→自动切换的初始值，即手动的最后值，如果这个值指定为非零值，则手动切向自动时，该值即输出的初始值。这时跟踪输入（TRK_VAL）不能被连接。作为M→A切换，手动输出要连接到TRK_VAL，而TRK_IN_D要连接到自动/手动方式的状态信号上，这样，在手动时，PID输出跟踪手操输出，一旦切到自动，则可实现无扰。手动向自动切换可是无扰的，也可以是硬的。自动切向手动也是无扰的，在自动状态下，手动操作寄存器始终跟踪限制器（OUTPUT LIMIT）后的输出值。

RCAS_IN表示由监控主系统对模块输出提供目标设定和状态；RCAS_OUT表示经斜坡（速率限制）后的模块设定和状态提供给监控主系统，用于返回计算和发生在限值和方式变化条件下的允许功能；ROUT_IN表示由监控主系统为像输出一样使用的控制模块提供目标（或操作）输出和状态；CAS_IN表示输入参数是远程设定值，这个值必须来自其他现场总线模块或DCS。

总之，PID模块使用时如同设定器，由操作人员调整设定值，或由其他模块送来变量，或由计算机、DCS或PLC设定数值。操作变量MV也具有相同的结构，也可由监控主系统或DCS或PLC设定。MV值与乘上增益的前馈变量相加，并加上一个偏置经标定和限位后输出（OUT）。模块提供了限值报警、偏差报警、设定、跟踪、安全（限位）输出、正作用和反作用等功能。

3.模拟量输出（AO）模块

驱动硬件输出和相关数据通路，按照运行方式选择当前的设定值，如果需要可限制它。也可根据需要反向并提供结果给硬件输出或软件输出。

AO模块的框图如图9-3-4所示。

图9-3-4 AO模块的框图

模块可以设置为CAS_IN和RCAS_IN自动方式。SP经选择器（SP SELECTOR）对CAS_IN、SP_LOCAL（本机设定）和RCAS_IN以及反馈值进行选择后输出设定值。为避免设定值SP的剧烈变化设置了限制器（rate limiter），对SP进行速率限制，再经限位器（clamper）对SP进行绝对值限制后，进入一个按特殊功能做的特性补偿器（characteriza-tion）。特性补偿后，SP与偏置值相加后分三路：第一路返回SP选择器；第二路进入反向通路输出参数选择器；第三路在转换器中将工程单位转换为百分数，标度参数为PV_SCALE（SP%），也可通过开关（INC CLOSE）输出反向（INVERT SPAN 100VALUE）设定值（IN V.SP%），并由传送输出给转换器（块）。SP支持串联（级）结构，CAS方式必须把其他模块的输出作为AO模块的SP，SP设有标准的速率和绝对值限制。

如果硬件支持一个读回值，如阀位，此值应通过READBACK返回。

总之，模拟输出模块AO能从其他模块接收一个信号，并把它进行标定、限速、限位、补偿和报警后送硬件转换块转换为电流或气压输出。可由操作人员写最终控制元件的设定值（SP_LOCAL），或由另一信号或DCS或PLC来写，它支持串级结构，并为自动/手动无扰切换提供一个反馈计算输出。

4.输出选择（OSDL）模块

这是装在现场总线到电流转换器FI302中的模块。输出选择块提供从一个跟随已给信号到三个输出的选择，它被用于分割范围控制、阀序或输出选择。输出选择模块OSDL的框图如图9-3-5所示。

图9-3-5 输出选择模块OSDL框图

5.输入信号选择（Input Selector，IS）模块

输入信号选择模块具有4个模拟输入和1个输出。允许对一个参数选它的最大值、最小值、中值，或通过由二进制输入所驱动的触发开关，从所选的两个值中输出一个。输入信号选择模块IS的框图如图9-3-6所示。

6.信号特征描绘（Signal Characterizer，CHAR）模块

信号特征化功能块有两个通道，每个部分的输出是相应输入的非线性函数。非线性函数用一个最多为20段的折线表来描述。非线性函数是由x—y坐标上20个点组成的图表所决定的。用内插法计算出输出y。用同一曲线使两个输入产生两个独立的输出。第二个输入可以反向，也就是说，y₂是输入，x₂是输出。

输出通道1、2分别与输入通道1、2相关，这两个通道的输入互不相关，但两者使用同样的曲线。不在折线折点上的输出值通过线性插值计算。在填入曲线表中的点坐标时，X应该是单调递增的，否则参数BLOCK_ERR的组态错误标志将被置位，块工作模式进入“停止服务”。如果所需的折线少于20段，也就不需要填入21个有效的点坐标，但需要将不用的点坐标都设成“+∞”。X₁是曲线X坐标的最小值，X_m是曲线X坐标的最大值。当输入小于X₁时，Y均为Y₁；当输入大于X_m时，Y均为Y_m。这两个Y值也起着类似限幅的作用，因此在这种情况下的输出状态中会有所体现。

图9-3-6 输入信号选择模块IS框图

功能块有一个反向处理的功能，可以交换第2个通道的X、Y轴，即当参数SWAP_2为真时：

IN_1=X，OUT_1=Y；

IN_2=Y，OUT_2=X；

这提供了运用曲线的反函数进行反向计算的方法。如果折线表定义的曲线不是单调递增或者单调递减的，即当X增加时Y不是单调的，此时如果SWAP_2为“真”时，会出现与组态时X不是单调递增的同样的错误。

信号特征描绘模块CHAR的框图如图9-3-7所示。

7.算术（ARTH）模块

该功能块设计用于支持多传感器复合测量中的计算。它向用户提供一些在这种运用中通用的数学计算函数。用户不需要知道如何写方程式，而只需根据所要完成的功能，按名称来选择算法即可。算术模块ARTH的框图如图9-3-8所示。

算术模块计算四个输入为函数的输出，函数中包含一组可调的常数和一个已选择好的算法。模块提供多种可选择的算法，如带有温度和压力补偿并采用双量程变送器的气体流量计算、带有温度补偿的液体流量计算、平均值计算、信号相加和相乘、四阶多项式计算、简单的静压式罐容（HTG）计算、明渠流量计算。

功能块具有5个输入，其中3个为辅助输入。IN和IN_LO两个输入用于量程扩展。量程扩展功能是这样实现的：g为一内部变量，如果输入IN小于量程低限（RANGE_LO），g=0；如果IN大于量程高限（RANGE_HI），g=1；如果IN在两者之间，g在0和1之间线性插值。量程扩展单元的输出按下式计算：

PV=gIN+（1-g）IN_LO

这样功能块就能综合从两个不同量程范围的传感器传来的信号。

计算功能块可以提供以下算法：①线性流量补偿，用于体积流量的密度补偿；②平方根流量补偿；③近似流量补偿；④英制热流量补偿；⑤常规乘/除；⑥平均；⑦常规加法器；⑧四阶多项式；⑨简单HTG液位补偿。

图9-3-7 信号特征描绘模块CHAR的框图

图9-3-8 算术模块ARTH的框图

8.积分器模块INTG

积分器模块将两个输入之差加以累计。这些输入可以是变化率，或者是由脉冲计数器来的累加值。累加值与释放动作值进行比较，两个分离的输出是由累加值控制；当累加值达到释放限值时，其中一个输出起作用，另一个输出是当达到预释放值时起作用。通过对两个输入信号的分析，模块能告诉操作员累加值是否可靠。积分器模块INTG的框图如图9-3-9所示。

图9-3-9 积分器模块INTG的框图

累积功能块用于对一个变量进行时间累积，或者对一个脉冲输入功能块（FF基金会尚未正式发布其规范）进行计数。它通常用来累积流量，给出一段时间内总质量或者容量；或者总计一段时间内的功率，给出总能量。累积方法可以是从零递增，或者是从某一设定值递减。功能块也可以作为批量总计（Batch totalizer）单元工作，即累积值与预设的触发设定值比较，累加到达设定值或从设定值递减到零时产生一个开关信号。累计单元的复位方式可以是自动、周期的或者根据用户命令进行。计数方式和复位方式的不同组合决定了不同的计算类型。

累积功能块具备处理双向流量输入的能力，因此它可以用于计算净流量。将REV_FLOWi（i=1、2）置为“真”，此时功能块即将相应通道的输入处理为反向的流量、速率、脉冲量等。这可以用于计算容器内容积或者质量的变化，或者作为流量比控制的优化工具。

图9-3-10是该功能块计算净流量的简要示意图，该图仅为表示如何处理双向流量计算，对输入数据处理做了简化。

由于输入值状态可能并不总是“良好”（good），因此，功能块有两个输出值OUT和RTOTAL表示累积的结果。OUT反映了不考虑输入状态时净流量的累积，RTOTAL表示输入状态为“出错”（bad）时的净流量绝对值累加。

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图9-3-10 净流量计算示意图

该功能块可用于批量总计，相应有两个输出：预触发信号（OUT_PTRIP）和触发信号（OUT_TRIP）。累计单元递增计数，当输出OUT到达设定值TOTAL_SP减去预触发提前量PRE_TRIP的值时，预触发开关量输出OUT_PTRIP置位。当计数到达设定值TOTAL_SP，触发信号OUT_TRIP置位，预触发信号保持置位。

9.设备控制（Device control）模块

这个功能块用于对具有多个状态的数字设备（如双向电动机、压缩机等）的设定值控制。具体地说，就是根据功能块的设定值、其他控制参数输入的逻辑运算以及被控设备状态的反馈，产生被控设备的设定值。当功能块工作处于“自动”时的典型工作过程如下：如果输出OUT_D转换到一个新的状态，输出被控设备的一个新的设定值（如“活动状态1”），然后功能块开始计时。如果被控设备在预定的时间内确认了该状态，并将确认信号反馈到功能块的IN_D，则定时器停止，该过程完成。如果定时器到达该状态的确认时间，则功能块状态参数DC_STATE中关于“状态1”的相应标志置位为“失败”，输出OUT_D根据块的配置决定进入“不活动”（passive）状态或保持原状态。

10.输出分程（Splitter）模块

输出分程模块SPLIT的框图如图9-3-11所示。

输出分程功能块提供了分程控制的能力，将单个输入用于驱动两个控制输出，每个输出是输入中某一部分的线性函数，同时提供了相同的线性函数的反向计算（back calculation给上游功能块提供一个输出，用于实现无扰动切换）。图9-3-12是一种分程控制应用的示意图。

实际上用户可以通过指定（X₁₁，Y₁₁），（X₁₂，Y₁₂），（X₂₁，Y₂₁），（X₂₂，Y₂₂），定义输出1、2和设定值之间的任意关系，功能块本身对此并无限制。设定值的单位不一定用百分量。

图9-3-1 1输出分程模块SPLIT的框图

11.超前/滞后（Lead/Lag）模块

超前/滞后模块的框图如图9-3-13所示。

超前/滞后功能块提供了对输入参数（IN）的动态补偿，它能提供超前或滞后补偿，或同时提供两者。用户可以通过设置适当的超前时间和滞后时间获得所期望的输入/输出关系。

功能块另有一个跟随（FOLLOW）开关量输入，如果它被置位，功能块的计算输出值将被强制跟随输入值。另外功能块也支持手动模式。这个功能块设计用于测量变送通道，因而不支持控制状态传播或者反向计算。

12.延时模块（Deadtime）

延时功能块提供了以某一确定的时间延迟一个连续信号的功能，从控制角度来说提供了一个纯滞后环节。延迟的时间值由DEAD_TIME参数确定。可以通过设置跟随参数，根据外部事件取消延迟作用。

图9-3-12 分程控制示意图

图9-3-13 超前/滞后模块Lead/Lag的框图

13.设定值程序发生模块（Setpoint rampgenerator）

设定值程序发生模块的框图如图9-3-14所示。

图9-3-14 设定值程序发生模块的框图

（1）功能块概述

设定值程序发生功能块典型的应用是在均热炉、间歇反应器等的温度控制，用于产生一个PID功能块的设定值。在这些应用场合，设定值往往需要跟踪一条随时间变化的曲线。

输出曲线由折线表定义，折线最多可达10段。每一段由一个起始值、一个持续时间值和下一段的起始值定义，一条拥有n段的曲线需指定n+1个设定值和n个时间值。另外用户还需指定用于显示的时间单位。设定值的输出值通过对这若干个点进行折线拟合和插值计算后得到。

（2）时钟控制

时间轴的控制由一个内部定时器来实现。定时器的启动和复位由输入START和RESET_IN控制，也可以通过发出操作员指令，即设置参数OP_CMD_SPG来实现。一旦启动，功能块将按设定的曲线自动输出设定值。定时器在运行中可以被暂停。

如果自动循环（AUTO_CYCLE）设为“真”，当时间值到达曲线终点时会自动回到曲线原点重新运行，即能够循环地输出设定值曲线。

功能块有3个输出参数指示输出当前在时间轴上的位置：STEP_POSN——在当前段中的位置；TIME_POSN——从当前段开始已经过的时间；TIME_POSN_T——时间轴上的位置和定时器设置。功能块处于手动模式时，操作员可以通过写这3个参数的值，使功能块的输出转移到时间轴上的任何位置。值得注意的是，这3个输出是不独立的。

手动模式下，操作员还可以发出以下的操作命令（OP_CMD_SPG）：前进（AD-VANCE）——时间推进到下一段的起始点；重复（REPEAT）——时间回到当前段的起始点。

（3）输出参数

功能块处于自动模式时，OUT值是不可以通过网络访问修改的。当功能块处于手动操作模式时，用户可以更改OUT值，但此时PRE_OUT参数值仍然是自动运行时随着时间变化应当输出的值。这保证了当运行模式从“手动”回到“自动”时，切换是无扰动的，OUT值将以BAL_TIME参数定义的时间值为时间常数，接近PRE_OUT参数值。另外，设定值输出曲线的起始点可以根据BKCAL_IN参数而改变。总之，该功能块配置非常灵活，对用户的各种需求考虑得较为周全。

14.输入选择（Input selector）模块

输入选择模块的框图如图9-3-15所示。

信号选择功能块提供了对最多4路输入的选择，根据配置产生一个输出信号。它通常接收来自AI功能块的数据，可以执行最大、最小、中间值、平均值或者“最先良好”（first good）状态的信号选择。功能块的另一个输出参数是“选中通道”（selected），指明算法选中了哪个输入。功能块也支持手动模式。

该功能块提供了禁止某一路通道的功能。如果“DISABLE_N”置位，相应的第N个输入被忽略，状态为“bad”的输入也被忽略。如果当前没有输入存在，或者有效的输入数目低于“MIN_GOOD”参数的设定值，那么将“选中”输出的值设为零，不进行选择处理。

15.定时器（Timer）模块

定时器模块的框图如图9-3-16所示。

该功能块有4个通道的数据输入和1个复位输入可与其他功能块相连接。已连接的输入值可以为“真”、“假”或者“未定义”。“未定义”的输入作为“失效”状态处理。

图9-3-15 输入选择模块的框图

定时器的处理类型由参数TIMER_TYPE定义，可以为：

1）测量指示最近一次输入为真的延续时间。

2）累积输入为真的延续时间。

3）比较输入为真的延续时间和一个指定的时间值。

4）延迟一个正跳变（false→true），如果该正脉冲延续时间过短，忽略这个脉冲。

5）扩展一个负跳变（true→false），如果该负脉冲延续时间过短，忽略这个脉冲。

6）去抖动延迟任何跳变，如果脉冲延续时间过短，忽略这个脉冲。

7）产生不可重触发脉冲——当输入一个正跳变，产生一个不可重触发的正脉冲。

8）产生可重触发脉冲——当输入一个正跳变，产生一个可重触发的正脉冲。

该功能块有3个输出值：OUT_D、OUT_EXP、OUT_REM。OUT_D是一个可连接的包含状态信息的数字量。OUT_EXP和OUT_REM输出浮点数，前者指示已经历的时间，后者指示相对于一个设定的时间值剩余的时间。

图9-3-16 定时器模块的框图

图9-3-17给出功能块处于“延迟”模式时输入输出的示意图。图中的组合逻辑输出PV_D发生了一个正跳变，功能块将延迟该信号，直到定时器计时超过设定值TIME_SP后，在预输出PRE_OUT_D上输出一个正跳变。如果PV_D为“真”的时间不到该设定值，预输出不发生变化。OUT_EXP参数为PV_D为“真”的持续时间，OUT_REM为从设定值开始递减经过的时间。在PV_D发生了负跳变以后，两个时间输出值是否清零由参数QUIES_OPT设置而定。下一次PV_D的正跳变将重启一次计时过程。

图9-3-17 延迟模式输出

16.模拟量报警（Analog Alarm）模块

模拟量报警模块的框图如图9-3-18所示。

图9-3-18 模拟量报警模块的框图

模拟量报警功能块提供了对于任何块的模拟量输出的报警状态报告。报警状态包括上限、上上限、下限、下下限报警。这些报警限可以是用户输入的，也可以通过计算提供动态偏差报警限，即基于过程设定点（SP）和偏差、增益的设置计算而得。该功能块提供了一个选项，可以在设定值改变以后临时扩展报警限，如图9-3-19所示。另外也可以设置在一段时间内禁止报警，以免产生有害的报警。

此外，该功能块可以用作比较器，比较IN输入和过程设定值输入。由于IN输入的处理算法首先进行以PV_TIME为时间常数的滤波，因而该比较器有滞后效应。

Smar302现场总线控制系统的功能模块有很多，不能一一介绍，将来的FF模块会与之很类似，所以，学习Smar302现场总线控制系统的功能模块，一定会对学习FF的功能模块有所帮助。但是，对功能模块的深入理解，还应在具体的工程实践中加以体会。