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基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線——自動(dòng)化行業(yè)的前沿技術(shù)

http://www.gjzbw99.com 2009-01-07 09:29 來(lái)源：自動(dòng)化博覽

　　編者語(yǔ)：FOUNDATION fieldbus 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是數(shù)字化過(guò)程控制的基礎(chǔ)，是工廠信息化的前沿技術(shù)。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字的、雙向傳輸、多點(diǎn)通訊由總線供電、用于連接智能設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊鏈路。FOUNDATION fieldbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線可視作為一種基于現(xiàn)場(chǎng)的局域網(wǎng)(LAN),用于連接各種儀表、閥門定位器等智能設(shè)備,其自身可向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供控制應(yīng)用程序;當(dāng)前已經(jīng)注冊(cè)有200多種來(lái)自各個(gè)廠家的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。
　　一、FOUNDATlON fieldbus 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線  

　　基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FOUNDATION fieldbus)是一種由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation)研發(fā)推廣的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的名稱,它符合開放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC-61158-2;現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)是一個(gè)獨(dú)立的非盈利組織;它于1994年成立,并由超過(guò)350家來(lái)自全球用戶及主要過(guò)程自動(dòng)化供應(yīng)商組成;該基金會(huì)志在:形成專一的、國(guó)際性、有互操作性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)以符合最新自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展要求,并提供教育、互操作性測(cè)試、一致性測(cè)試、測(cè)試工具、研發(fā)支持軟件和試驗(yàn)協(xié)助等工作。
　　基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字的、雙向傳輸、多點(diǎn)通訊由總線供電、用于連接智能設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊鏈路。FOUNDATION fieldbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線可視作為一種基于現(xiàn)場(chǎng)的局域網(wǎng)(LAN),用于連接各種儀表、閥門定位器等智能設(shè)備,其自身可向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供控制應(yīng)用程序;當(dāng)前已經(jīng)注冊(cè)有200多種來(lái)自各個(gè)廠家的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。
　　為了幫助您簡(jiǎn)便、成功地應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),艾默生過(guò)程管理將提供從現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備到DeltaV/Ovation規(guī)模可變控制系統(tǒng)的一整套產(chǎn)品和方案。

　　FOUNDATION fiedbus 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)用化的關(guān)鍵在于對(duì)工廠內(nèi)的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制、智能診斷及快速數(shù)字通信能力。對(duì)艾默生過(guò)程管理而言,FOUNDATION fiedbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是 PlantWeb工廠管控網(wǎng)--基于現(xiàn)場(chǎng)智能的體系結(jié)構(gòu)的基石。
　　PlantWeb工廠管控網(wǎng)基于現(xiàn)場(chǎng)智能的結(jié)構(gòu)使您能通過(guò)對(duì)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、規(guī)模可變的平臺(tái)與增值軟件形成網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)開放式過(guò)程管理方案。由于充分利用了現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備,過(guò)程管理已不僅僅意味著過(guò)程控制,而且還包括了設(shè)備管理:現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備同時(shí)具有了強(qiáng)大的控制運(yùn)算及診斷能力,PlantWeb是一個(gè)利用現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的預(yù)測(cè)診斷能力來(lái)提升工廠性能的數(shù)字化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對(duì)智能儀表、智能閥門定位器等進(jìn)行在線組態(tài)、調(diào)試、檢驗(yàn)管理診斷及歷史事件記錄等工作。
　　在OSI模型中未定義用戶程序。現(xiàn)場(chǎng)總線FOUNDATION fieldbus基金會(huì)已定義了用戶程序模型,并在AMS設(shè)備管理與DeltaV/Ovation 數(shù)字控制系統(tǒng)中加以使用。融合于PlantWeb中的AMS Suite設(shè)備管理組合應(yīng)用方案,可以使您簡(jiǎn)便直觀地享受到以上的所有得益,在獲取現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備的同時(shí),它還能管理過(guò)程工藝靜態(tài)設(shè)備和機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備等,并將信息以您熟悉的形式傳送至桌面,用Windows界面甚至以太網(wǎng)瀏覽器方式集中或分散地監(jiān)視和管理(詳情請(qǐng)參閱AMS Suite設(shè)備管理組合資料)。

　　二、FOUNDATION fieldbus 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
　　FOUNDATION fiedlbus 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)包含以下三部分:
l        物理層
l        通訊“棧”
l        用戶程序
                  
　　開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)分層通訊模型可用于模擬這些部分(見圖)。
　　物理層是OSI的第一層；數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)是OSI的第二層;現(xiàn)場(chǎng)總線消息規(guī)范(FMS)是OSI的第七層;通訊棧包括了OSI模型中的第二層到第七層。
　　現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議不使用OSI的第三、四、五、六層。現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層(FAS)將FMS映射到DLL。
　　在OSI模型中未定義用戶程序。現(xiàn)場(chǎng)總線FOUNDATION fiedlbus基金會(huì)已定義了用戶程序模型,并在AMS設(shè)備管理與DeltaV/Ovation數(shù)字控制系統(tǒng)中加以使用。

　　三、物理層
　　物理層由國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)與國(guó)際測(cè)量與控制協(xié)會(huì)(ISA)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義。物理層從通訊棧接收信息,并將其轉(zhuǎn)換成物理信號(hào),然后發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線的傳送介質(zhì)上;物理層也負(fù)責(zé)這一過(guò)程的逆過(guò)程。該層的標(biāo)準(zhǔn)決定了總線的物理特性,包括:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電纜距離、電壓電流、設(shè)備個(gè)數(shù)等。
　　H1 現(xiàn)場(chǎng)總線
　　H1現(xiàn)場(chǎng)總線可用于溫度、液位、流量與壓力等監(jiān)視和控制等場(chǎng)合。
　　其設(shè)備可直接從現(xiàn)場(chǎng)總線雙絞線上獲取電源,并在該線路上傳輸數(shù)字通訊信號(hào)而工作。
　　H1現(xiàn)場(chǎng)總線還可支持現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的應(yīng)用。在安全區(qū)內(nèi)的電源與危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的本安設(shè)備之間安置本安安全柵。(見圖)
          

　　H1 現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)傳輸
　　傳送設(shè)備以31.25kbit/s的速率向50Ohm的終端負(fù)載發(fā)送±10mA,產(chǎn)生1.0V的峰一峰電壓,并調(diào)制于直流(DC)電壓之上,直流電壓范圍為 9-32VDC(見圖 7) 。但是,在本安應(yīng)用中,電壓范圍視選用方案而定。 

　　H1 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段拓?fù)?/B>
　　接線H1現(xiàn)場(chǎng)總線允許存在支干,如圖所示。
　　所謂H1網(wǎng)段是指從H1接口以下安裝在一對(duì)終端器之間的電纜、智能設(shè)備,與電源調(diào)節(jié)器模塊的系統(tǒng)組合;H1現(xiàn)場(chǎng)總線一般會(huì)采用以下幾種網(wǎng)段拓?fù)洌?/FONT>
　　樹形拓?fù)?雞爪型)
　　樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)智能設(shè)備與公共接線盒連接的多條獨(dú)立現(xiàn)場(chǎng)總線支線組合而成的結(jié)構(gòu);使用于同一網(wǎng)段上設(shè)備集中在接線盒總區(qū)域范圍之內(nèi)的情況,考慮更高的安全要求,可以在接線盒的各分支上增加防短路保護(hù)功能。
                                

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　　分支拓?fù)?/FONT>
　　各現(xiàn)場(chǎng)總線智能設(shè)備獨(dú)立分散地連接到總線主干網(wǎng)上的結(jié)構(gòu)方式;適用于智能設(shè)備密度比較低、跨度比較大的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　混合拓?fù)洌?/FONT>
　　將上述兩種拓?fù)浞绞交旌鲜褂?以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、復(fù)雜的應(yīng)用要求。決定現(xiàn)場(chǎng)總線長(zhǎng)度的因素有通訊速率,電纜類型、連接方式、總線電源選項(xiàng)與本安選項(xiàng)等。  

　　若使用屏蔽雙絞線,現(xiàn)場(chǎng)總線電纜的長(zhǎng)度不能超過(guò)1900m(6332英尺)。其中電纜的長(zhǎng)度為主干長(zhǎng)度加上所有支干長(zhǎng)度,在終端器之間的區(qū)域部分定義為主干,所有離開主干的部分稱為分支,主干的兩端均設(shè)有終端負(fù)載。如果可以選擇支干的長(zhǎng)度,則越短越好。支線的總長(zhǎng)受支干數(shù)目與每條支干上設(shè)備的數(shù)量限制,如下表所示。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線上可承受的設(shè)備總數(shù)受諸多因素影響,如各臺(tái)設(shè)備的電耗、電纜類型、是否使用中繼器等。
　　易燃易爆環(huán)境下的H1現(xiàn)場(chǎng)總線
　　本質(zhì)安全型ENTITY
　　這是現(xiàn)場(chǎng)總線初始應(yīng)用階段最常用的防爆方法,通過(guò)采用能防止浪涌電流或過(guò)載電流從安全區(qū)傳輸?shù)轿ｋU(xiǎn)場(chǎng)所的高度可靠的電源隔離器措施來(lái)保證安全;跟本安安全柵一樣,隔離器設(shè)置了限壓限流電路,這一電路就確定了本安輸出特性。由于在本規(guī)范下的供電模塊一般只有80mA,連接的設(shè)備和距離受到了很大限制;但可以利用中繼器來(lái)延伸或增加連接的智能設(shè)備。    

　　現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆的FISCO應(yīng)用模型
　　FISCO為“現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆概念”(Fieldbus Intrinsically Safe Concept )的簡(jiǎn)稱:它是一個(gè)既符合本安防爆標(biāo)準(zhǔn),又便于實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆應(yīng)用模型和認(rèn)證規(guī)范。依照FISCO模型設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),工程設(shè)計(jì)人員和最終用戶可以避免繁瑣的電容和電感參數(shù)的核算,現(xiàn)場(chǎng)儀表和電纜布置變更時(shí)也無(wú)需重新進(jìn)行參數(shù)核算。FISCO 應(yīng)用規(guī)范的要點(diǎn)如下：
　　每根本安現(xiàn)場(chǎng)總線上只允許設(shè)置一臺(tái)有源設(shè)備,其他必須是無(wú)源設(shè)備,這臺(tái)有源設(shè)備為取得本安防爆認(rèn)證的現(xiàn)場(chǎng)總線本安配電設(shè)備,如現(xiàn)場(chǎng)總線隔離柵、現(xiàn)場(chǎng)總線本安中繼器、現(xiàn)場(chǎng)總線安全網(wǎng)橋或現(xiàn)場(chǎng)總線本安配電器等。所謂無(wú)源設(shè)備,通常為現(xiàn)場(chǎng)儀表、電纜、接線盒、網(wǎng)端等;每根本安現(xiàn)場(chǎng)總線上最多掛接12臺(tái)符合FISCO認(rèn)證的現(xiàn)場(chǎng)儀表;每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表的耗電不小于10mA;電纜長(zhǎng)度總和不超過(guò)1000米,每根分支電纜長(zhǎng)度最長(zhǎng)為30米。
           

　　增安型防爆的主干線,本安型防爆的現(xiàn)場(chǎng)儀表
　　利用兼?zhèn)涓綦x柵和接線盒功能的現(xiàn)場(chǎng)安全柵(Fieldbarrier)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的方法; Field barrier本身通常為增安型和澆封型防爆,可安裝在危險(xiǎn)區(qū)Zone 1,內(nèi)含隔離柵為EEx ia IIC,兼容FISCO和ENTITY標(biāo)準(zhǔn),主干線電纜的長(zhǎng)度和分支電纜的長(zhǎng)度只受現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的約束(電纜總長(zhǎng)1900米,分支見表1),不受FISCO規(guī)定的電纜長(zhǎng)度總和不超過(guò)1000米和每分支不超過(guò)30米的限制。

　　高速以太網(wǎng)
　　H2現(xiàn)場(chǎng)總線(HSE)描述了在100MB/秒以太網(wǎng)上工作的一種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),通常連接I/O子系統(tǒng)、鏈接設(shè)備、交換器、主機(jī)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等,可滿足高速工廠自動(dòng)化應(yīng)用的要求。
　　HSE現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
　　HSE現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是一種能夠與高速以太網(wǎng)(HSE)現(xiàn)場(chǎng)總線直接連接的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。通常的HSE現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有HSE鏈接設(shè)備、運(yùn)行功能塊的HSE現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和主機(jī)。
　　HSE鏈接設(shè)備
　　HSE鏈接設(shè)備是一種將HSE層和多個(gè)H1現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段互聯(lián),創(chuàng)建更大H1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換單元。
　　HSE交換器
　　HSE交換器是一種標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備,可用于連接多個(gè)高速以太網(wǎng)(HSE)設(shè)備,如HSE鏈接設(shè)備和HSE現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,從而形成更大的HSE網(wǎng)絡(luò)

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　　四、通訊棧

　　數(shù)據(jù)鏈路層
　　數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)控制消息在現(xiàn)場(chǎng)總線上的傳輸。DLL通過(guò)確定的集中式總線調(diào)度器,即所謂的鏈接活動(dòng)調(diào)度器(LAS),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊訪問(wèn)進(jìn)行控制。
　　設(shè)備類型
　　DLL 規(guī)范中定義了三類設(shè)備：
l        不可成為 LAS 的基本設(shè)備
l        可成為 LAS 的鏈接控制設(shè)備
l        用于將各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線互聯(lián)為更大網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋
         

　　調(diào)度通訊
　　LAS有一份傳送時(shí)間表,記錄著要在一個(gè)周期內(nèi)傳送的所有設(shè)備中所有緩存的傳送次數(shù)。當(dāng)?shù)搅四骋辉O(shè)備發(fā)送緩存的時(shí)刻,LAS即向該設(shè)備發(fā)出一項(xiàng)強(qiáng)制數(shù)據(jù)(CD)消息。一旦收到CD,設(shè)備即向現(xiàn)場(chǎng)總線上的所有設(shè)備廣播或"發(fā)布"緩存中的數(shù)據(jù)。所有組態(tài)為接收數(shù)據(jù)的設(shè)備即稱為"認(rèn)購(gòu)者"。 (見圖)
          

　　非調(diào)度通訊
　　在傳送調(diào)度的間隙,現(xiàn)場(chǎng)總線上的所有設(shè)備均可發(fā)出"非調(diào)度"消息。LAS可以通過(guò)向設(shè)備發(fā)出傳遞令牌(PT)的方式允許該設(shè)備使用現(xiàn)場(chǎng)總線。當(dāng)設(shè)備收到PT,它即可以發(fā)出消息,直至結(jié)束,或超過(guò)"最大令牌保留時(shí)間"(取兩者中較短者)。消息可向單一的地址發(fā)送,也可向多個(gè)目的地址發(fā)送,(多路廣播)。
　　鏈接活動(dòng)調(diào)度器的操作
LAS 的全部操作可分為:
l        CD 調(diào)度
l        活動(dòng)表維護(hù)
l        數(shù)據(jù)鏈接時(shí)間同步
l        令牌傳遞
l        LAS 冗余
下圖為 LAS 采用的算法。
       
　　CD 調(diào)度
　　包含一張用于引發(fā)循環(huán)基的行動(dòng)表。在計(jì)劃好的時(shí)刻來(lái)臨時(shí),LAS準(zhǔn)時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中的某一特定數(shù)據(jù)緩存發(fā)出一個(gè)強(qiáng)制數(shù)據(jù)(CD)。該設(shè)備立即向現(xiàn)場(chǎng)總線上的所有設(shè)備廣播或 "發(fā)布" 一個(gè)消息。這在 LAS 的作業(yè)中具有最高優(yōu)先級(jí)。剩余的作業(yè)將在調(diào)度傳送之間完成。
　　活動(dòng)表維護(hù)
　　"活動(dòng)表"是記錄所有正確響應(yīng)傳遞令牌(PT)的設(shè)備清單。新設(shè)備可以隨時(shí)加入現(xiàn)場(chǎng)總線。LAS定時(shí)向不在活動(dòng)表上的地址發(fā)出指針點(diǎn)(PN)消息。如果有設(shè)備于該地址收到了PN,該設(shè)備將立即返回指針響應(yīng)(PR)消息,此時(shí)LAS會(huì)將該設(shè)備添加在活動(dòng)表上,并發(fā)出節(jié)點(diǎn)激活消息表示確認(rèn)。
　　在完成向活動(dòng)表中的所有設(shè)備發(fā)出一輪PT之后,LAS至少需測(cè)試其中一個(gè)地址。所有能正確響應(yīng)PT的設(shè)備將繼續(xù)保留在活動(dòng)表中。如果某一設(shè)備在三次嘗試后都未使用令牌或立即返回到LAS,LAS會(huì)將該設(shè)備從活動(dòng)表中刪去。
　　無(wú)論何時(shí),當(dāng)活動(dòng)表添加或刪除某臺(tái)設(shè)備時(shí),LAS都會(huì)向所有設(shè)備發(fā)送活動(dòng)表的變化。這使得每臺(tái)設(shè)備都可以保有活動(dòng)表的最新備份。
　　數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間同步
　　LAS定時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)總線上廣播時(shí)間分布(TD)消息,以便所有設(shè)備都具有完全相同的數(shù)據(jù)鏈接時(shí)間。這一點(diǎn)相當(dāng)重要,因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線上的調(diào)度通訊與用戶程序中調(diào)度功能塊的執(zhí)行者要依據(jù)從中獲得的信息。
　　令牌傳遞
　　LAS向活動(dòng)表上的所有設(shè)備發(fā)出傳遞令牌(PT)消息。當(dāng)收到PT 時(shí),設(shè)備即可傳送非調(diào)度消息。
　　LAS 冗余
　　一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線H1網(wǎng)段可以有多個(gè)鏈路活動(dòng)調(diào)度器,如果當(dāng)前的LAS失效,地址值最小的鏈路控制設(shè)備會(huì)接替活動(dòng)的LAS,使現(xiàn)場(chǎng)總線繼續(xù)工作。
　　五、用戶應(yīng)用層--塊
　　現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)在"塊"的基礎(chǔ)上定義了標(biāo)準(zhǔn)用戶應(yīng)用層。塊代表了各類應(yīng)用功能
(見圖 22)。

　　資源塊
　　資源塊描述現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備特性 ,如設(shè)備名稱、制造商與系列號(hào)。每臺(tái)設(shè)備中僅有一個(gè)資源塊。
　　轉(zhuǎn)換塊
　　轉(zhuǎn)換塊是(TB)包括諸如:標(biāo)定信息、組態(tài)信息。
　　功能塊
　　功能塊 (FB) 提供控制系統(tǒng)行為。功能塊的輸入、輸出參數(shù)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線鏈接；各功能塊的執(zhí)行均受精確調(diào)度。
　　一個(gè)用戶程序中可有多個(gè)功能塊。以下為現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)定義的功能塊：
　　標(biāo)準(zhǔn)功能塊：
FF-891功能塊－第二部分,定義如下10類標(biāo)準(zhǔn)功能塊
1)      AI － 模擬輸入
2)      AO － 模擬輸出
3)      BG － 增益
4)      CS － 控制選擇器
5)      DI － 離散輸入
6)      DO － 離散輸出
7)      ML － 手動(dòng)裝載
8)      PD － 比例/微分控制
9)      PID － 比例/積分/微分控制
10)  RA － 比值
　　先進(jìn)功能塊
先進(jìn)功能塊的定義可參見FF-892功能塊－第三部分如下：
1)      Pulse Input（脈沖輸入）
2)      Complex AO（復(fù)雜AO）
3)      Complex DO（復(fù)雜DO）
4)      Step Output PID（步進(jìn)輸出PID）
5)      Device Control（設(shè)備控制）
6)      Setpoint Ramp（給定值斜率）
7)      Splitter（分信號(hào)塊）
8)      Input Selector（輸入選擇器）
9)      Signal Characterizer（信號(hào)線性化塊）
10)  Dead Time（時(shí)間）
11)  Calculate（計(jì)算塊）
12)  Lead/Lag（超前/滯后）
13)  Arithmetic（算法塊）
14)  Integrator（累計(jì)塊）
15)  Timer（定時(shí)器）
16)  Analog Alarm（模擬報(bào)警）
17)  Discrete Alarm（離散報(bào)警）
18)  Analog Human Interface（模擬人機(jī)接口）
19)  Discrete Human Interface（離散人機(jī)接口）
　　附加功能塊
附加功能塊的定義可參見FF-892功能塊－第四部分如下：
1)      Multiple Analog Input MAI（多路模擬輸入）
2)      Multiple Analog Output MAO（多路模擬輸出）
3)      Multiple Discrete Input MDI（多路數(shù)字輸入）
4)      Multiple Discrete Output MDO（多路數(shù)字輸出）
　　柔性化功能塊
柔性化功能塊的定義可參見FF-892功能塊－第五部分如下：
1)      Flexible Function Block (柔性化功能塊）
　　轉(zhuǎn)換塊
轉(zhuǎn)換塊將功能塊從讀取傳感器和命令驅(qū)動(dòng)硬件的本地輸入/輸出(I/O)功能分開。轉(zhuǎn)換塊(TB)包含諸如標(biāo)稱數(shù)據(jù)和傳感器類型等信息。通常轉(zhuǎn)換塊為每個(gè)功能塊(FB)的輸入或輸出都配有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換塊通道。

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　　六、設(shè)備描述

　　對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備而言相當(dāng)重要的是互操作性。為此 , 除標(biāo)準(zhǔn)功能塊參數(shù)與行為定義之外還使用了EDDL(電子設(shè)備描述語(yǔ)言)技術(shù)。設(shè)備描述(DD)為主機(jī)系統(tǒng)提供了一種自動(dòng)識(shí)別和使用該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的方式。每臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備都有特定的設(shè)備描述,并可從供應(yīng)商或現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)獲取。
　　DD可以視為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,類似于個(gè)人電腦(PC)中用來(lái)操作打印機(jī)及其它與PC相連的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。只要有設(shè)備的DD,任何與現(xiàn)場(chǎng)總線兼容的控制系統(tǒng)或主機(jī)就可以操作該設(shè)備。
　　現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FF)為所有標(biāo)準(zhǔn)功能塊與轉(zhuǎn)換器塊提供DD,設(shè)備供應(yīng)商一般會(huì)參照標(biāo)準(zhǔn)DD制訂"加長(zhǎng)"DD。供應(yīng)商也可以向設(shè)備中加入供應(yīng)商特定性質(zhì),如標(biāo)定與診斷程序等,這些特性也可在加長(zhǎng)DD中加以描述。用戶可以向設(shè)備供應(yīng)商索取加長(zhǎng)DD,如果供應(yīng)商已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)上注冊(cè)了其加長(zhǎng)DD,用戶也可以從其中獲取。
　　要在現(xiàn)場(chǎng)總線上增加一臺(tái)新設(shè)備,可將其簡(jiǎn)單地連在現(xiàn)場(chǎng)總線線路上并且向控制系統(tǒng)或主機(jī)提供新設(shè)備的加長(zhǎng)DD(如果有)。艾默生過(guò)程管理為其生產(chǎn)的所有現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備提供DD。另外,DeltaV/Ovation數(shù)字控制系統(tǒng)與AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)為所有標(biāo)準(zhǔn)注冊(cè)的總線設(shè)備提供DD- 無(wú)論它是由哪家廠商生產(chǎn)的。                

　　七、設(shè)計(jì)與儀表選型

　　由于FF總線網(wǎng)段的構(gòu)成受到電纜、供電、儀表耗電、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞鹊挠绊?所以需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算才能形成有效、可工作的網(wǎng)段。
例:現(xiàn)場(chǎng)總線配電器應(yīng)用中,現(xiàn)場(chǎng)總線掛接現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量和電纜長(zhǎng)度的估算。
供電配電能力：                        24VDC/400mA                          
FF總線變送器耗電：                    9V/17.5mA                            
FF總線閥門定位器耗電：                9V/26mA                              
FF現(xiàn)場(chǎng)總線A型電纜分布電阻：           44歐姆/km                            
1) 現(xiàn)場(chǎng)儀表掛接數(shù)量：
變送器：                              400/17.5 = 22.8                      
定位器：                              400/26 = 15.3                        
所以,每根總線可掛接22臺(tái)變送器或15臺(tái)閥門定位器。實(shí)踐中,DCS通常規(guī)定每段H1總線掛接現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)量為16臺(tái),其中閥門定位器為4到8臺(tái)。
2) 電纜長(zhǎng)度:假設(shè)總線上掛接8臺(tái)變送器和8臺(tái)閥門定位器。
則現(xiàn)場(chǎng)儀表耗電總額為：                (8 x 17.5) + (8 x 26) = 348mA        
允許總線電纜的壓降為：                24 - 9 = 15V                         
允許電纜總電阻為：                    15V / 348mA = 43.1歐姆
電纜長(zhǎng)度為：                          43.1 / 44 = 0.980 km
所以,當(dāng)總線上掛接8臺(tái)變送器加8臺(tái)閥門定位器時(shí),電纜長(zhǎng)度可達(dá)980米。
當(dāng)然,這些計(jì)算是基于其應(yīng)用極限的,為了總線穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)將最低電壓提高2V的裕度來(lái)考慮,具體情況可參見現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的《FF工程應(yīng)用指南》。
為了更便于用戶和設(shè)計(jì)部門對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)的工作,艾默生過(guò)程管理研發(fā)了Ff Design Tool。它運(yùn)行在Windows界面下,包含了不同廠家的各類總線儀表規(guī)格型號(hào),并內(nèi)嵌了總線設(shè)計(jì)規(guī)范,所以只需用鼠標(biāo)拖拉方式就可以完成網(wǎng)段的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)工作,并形成報(bào)表。
     

　　作為FF的應(yīng)用,智能設(shè)備的選擇是十分重要的,因?yàn)樗鼈兪钦麄€(gè)控制系統(tǒng)信息化的源頭,甚至本身就是控制單元,所以建議在選擇Ff儀表時(shí)請(qǐng)考慮以下因素：
l        工作電壓（9-32VDC）
l        最大的總線耗電量
l        要求實(shí)現(xiàn)的功能塊
l        功能塊執(zhí)行時(shí)間
l        設(shè)備智能程度：標(biāo)準(zhǔn)/先進(jìn)診斷
l        互操作性測(cè)試（ITK4.0以上）
l        無(wú)極性敏感
l        LAS功能
l        設(shè)備版本
l        設(shè)備的多參數(shù)測(cè)量功能
l        現(xiàn)場(chǎng)指示功能（是否可以顯示網(wǎng)段上其他設(shè)備的參數(shù)）
　　關(guān)于系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)、輔助設(shè)備要求、軟件組態(tài)準(zhǔn)則等詳情請(qǐng)參閱現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的《FF工程應(yīng)用指南》。
　　八、現(xiàn)場(chǎng)總線有哪些優(yōu)點(diǎn)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)遍布于整個(gè)工廠的生產(chǎn)周期 :
　　計(jì)劃與安裝
　　現(xiàn)場(chǎng)總線允許多臺(tái)設(shè)備連接至一根雙絞線,從而減少了電纜、橋架、本安安全柵與端子柜的使用量,進(jìn)而降低了安裝成本。多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接在一根總線上同時(shí)也減少了I/O模板需求量,并降低了機(jī)架底板、電源等。

　　即插即用的設(shè)備連接通訊技術(shù)和相應(yīng)接線端子塊,并利用無(wú)極性敏感的智能設(shè)備功能使現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝的連接更便捷。

　　由于 FOUNDATION fieldbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的功能塊可迅速而方便地鏈結(jié)起來(lái),形成完整的控制策略---完全在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層次上實(shí)現(xiàn),故而設(shè)計(jì)與調(diào)試費(fèi)也得以減少。
　　標(biāo)準(zhǔn)的功能塊設(shè)計(jì)允許對(duì)不同廠商生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能進(jìn)行集成的順利分配。功能強(qiáng)大的AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)可以幫您迅速組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。實(shí)際上,如果啟動(dòng)了艾默生過(guò)程管理的DeltaV/Ovation基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊端口,系統(tǒng)就會(huì)立即自動(dòng)辨識(shí)已連接的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備屬性。一旦安裝至系統(tǒng),與DeltaV/Ovation 同時(shí)提供的強(qiáng)大組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)控制策略的圖形化組合或使用標(biāo)準(zhǔn)的拖放技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修改。
　　控制與操作
　　使用FOUNDATION fieldbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),您就會(huì)發(fā)現(xiàn)其在控制和操作方面的卓越性能。現(xiàn)場(chǎng)總線可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備產(chǎn)生的多路變量進(jìn)入過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng),并可進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)歸檔、趨勢(shì)分析、過(guò)程優(yōu)化與報(bào)表生成。數(shù)字通信具有精度高且不失真的特性,可提供更加可靠的控制數(shù)據(jù)。
　　在控制常駐于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之中的情況下,系統(tǒng)性能衰退或?qū)嵭У目赡苄员仍趥鹘y(tǒng)DCS控制要小得多。這提高了回路性能,降低了易變性,改善了控制性能,整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性得到提升。智能的Ff現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備不僅僅提供了PID功能,現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)定義的30多種功能塊改變了傳統(tǒng)的控制思路和策略,使分散的監(jiān)視和控制方案極大地方便了用戶。
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例1:艾默生過(guò)程管理的羅斯蒙特 3051S

　　3051S在提供常規(guī)的功能塊(白色框所示)的同時(shí),還具備了輸入選擇、算法、信號(hào)線性化、累計(jì)、顯示等標(biāo)準(zhǔn)功能塊配置,所有這些功能塊與DeltaV/Ovation系統(tǒng)中的功能塊是沒(méi)有任何差異的。其算術(shù)功能塊可方便地將來(lái)自溫度、壓力變送器的信號(hào)在3051S差壓變送器中計(jì)算出溫壓補(bǔ)償后的瞬時(shí)流量, 這樣操作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)看到準(zhǔn)確的、經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)牧髁恐?而無(wú)需回到操作室看控制系統(tǒng)畫面。

　　如果采用累計(jì)功能塊,您在現(xiàn)場(chǎng)還能看到流量的累計(jì)值,常規(guī)的方法是在DCS控制器或上位機(jī)中執(zhí)行累計(jì)功能塊,但一旦系統(tǒng)故障或上位機(jī)死機(jī)就會(huì)導(dǎo)致累計(jì)量的丟失,如果在儀表本身執(zhí)行累計(jì),這樣問(wèn)題就迎刃而解了。

如果我們將該累計(jì)功能塊利用在成品油、氣灌裝的流程上：

　　FT100和FT101分別測(cè)量大管道流量Flow1和小管道流量Flow2,其中在FT100是3051S FF差壓變送器;利用FT100的累計(jì)功能塊來(lái)計(jì)量Flow1和Flow2的總體累積量,當(dāng)達(dá)到示意曲線中預(yù)設(shè)值Pre Trip點(diǎn)時(shí),累積功能塊Pre Trip Out輸出開關(guān)信號(hào)關(guān)閉FCA100閥門,只用Flow2來(lái)作流量細(xì)調(diào);當(dāng)FT100中累積到設(shè)定點(diǎn)(Set Point)時(shí)再由功能塊Trip Out輸出開關(guān)信號(hào),關(guān)閉FCA 101閥門;最后實(shí)現(xiàn)分程精密灌裝的功能。
　　所有灌裝的程序都在儀表中執(zhí)行,可以避免由于系統(tǒng)控制單元故障情況下對(duì)成品出廠工段的影響。再利用多參數(shù)顯示的功能,在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視將變得十分簡(jiǎn)便。我們還可以利用線性化功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)換算工作,比如有一個(gè)非線性的罐,需要用差壓來(lái)測(cè)
量和顯示罐內(nèi)液體的體積, 可以采用以下方式完成：

　　運(yùn)用算術(shù)功能塊完成罐底和罐頂?shù)牟顗河?jì)算,再通過(guò)線性化功能塊以20點(diǎn)的采樣值來(lái)擬合出相應(yīng)的差壓和體積的線性關(guān)系,并可以在罐底3051S的表頭上直接顯示罐的體積。

例2：艾默生過(guò)程管理的羅斯蒙特 848T
　　848T是基于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的8通道溫度變送器,－40oC～85oC的工作環(huán)境能力保證了它可以在現(xiàn)場(chǎng)安裝,并且每個(gè)848T只占用Ff總線網(wǎng)段上的一個(gè)站點(diǎn);故在一個(gè)網(wǎng)段上可以連接多個(gè)848T,或與其它現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、閥門混合連接;多通道溫變大量節(jié)省了常規(guī)需連接到控制室內(nèi)的熱電偶補(bǔ)償電纜或熱電阻三芯電纜。

同樣,848T可以在現(xiàn)場(chǎng)完成各種功能塊運(yùn)算,保證分散控制的安全可靠。

比如：燃?xì)廨啓C(jī)的溫度監(jiān)測(cè)
- 尾氣平均溫度的測(cè)量 (T1-T4的平均值)
- 入口燃?xì)獾淖罡邫z測(cè)溫度 (T5-T8中的最大值)

針對(duì)溫度傳感器容易損壞且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、不便維修的工藝場(chǎng)合,848T可應(yīng)用于4個(gè)分組冗余溫度的監(jiān)測(cè),以提高現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的可靠性：
　當(dāng)主傳感器發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換
例3:艾默生過(guò)程控制的Rosemount 848L
　　848L是基于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的邏輯功能變送器,－40oC～85oC的工作環(huán)境能力保證了它可以在現(xiàn)場(chǎng)安裝,并且每個(gè)848L只占用FF總線網(wǎng)段上的一個(gè)站點(diǎn);故在一個(gè)網(wǎng)段上可以連接多個(gè)848L,或與其它現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、閥門混合連接;它可以提供8個(gè)離散輸入和4個(gè)離散輸出,并具備與、或、非、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器等功能,可實(shí)現(xiàn)快捷的本地邏輯運(yùn)算和控制,并將監(jiān)視信息傳送至上位系統(tǒng)。

848L的出現(xiàn)打破了FF總線難以適應(yīng)響應(yīng)要求快捷的邏輯動(dòng)作的開關(guān)量信號(hào)應(yīng)用的局限,它可以廣泛應(yīng)用于電磁閥邏輯動(dòng)作、馬達(dá)啟停、開關(guān)閥氣控、限位開關(guān)、互鎖邏輯、現(xiàn)場(chǎng)按鈕等工藝場(chǎng)合。由此可見,基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的內(nèi)嵌智能控制和運(yùn)算功能改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的習(xí)慣組態(tài)思路,為分散化、單元化的安全控制提供了基礎(chǔ)。
　　維護(hù)
　　智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用將使工廠的維護(hù)工作發(fā)生徹底的改變。基于微處理器的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有自檢與通訊能力,能減少工廠停工時(shí)間,提高安全性。您不會(huì)在不知情的情況下使用一臺(tái)可能有問(wèn)題的設(shè)備了,一旦現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備有故障,其自診斷系統(tǒng)會(huì)向您發(fā)出通知,您可以派出相關(guān)的維修工配備正確的工具去檢修,減少了無(wú)謂的現(xiàn)場(chǎng)奔波和無(wú)目的性的巡檢時(shí)間。

　　在您對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、標(biāo)定、診斷及報(bào)告時(shí), AMS Suite設(shè)備管理組合方案軟件及 DeltaV/Ovation 系統(tǒng)可以滿足您所有的需要。


                     

　　互操作性是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)
　　互操作性的定義為:在性能毫無(wú)損失的情況下,在同一系統(tǒng)下操作不同廠商生產(chǎn)的多臺(tái)設(shè)備的能力。
　　任何向FOUNDATION fieldbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線提供設(shè)備的廠商都必須遵從FOUNDATION fieldbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),否則將得不到FOUNDATION fieldbus基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線認(rèn)證。這使您選擇供應(yīng)商的余地更大了,并保證了不同廠商生產(chǎn)設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作。
　　FF現(xiàn)場(chǎng)總線在艾默生管理系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
　　艾默生過(guò)程管理有限公司作為在現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的先驅(qū)者,有著豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和技巧;為了充分地發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線的功能,艾默生過(guò)程管理按照標(biāo)準(zhǔn)全新地設(shè)計(jì)了支持FF的DeltaV和Ovation系統(tǒng)。
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　　DeltaV系統(tǒng)中的FF應(yīng)用
　　在您對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、標(biāo)定、診斷及報(bào)告時(shí), AMS Suite設(shè)備管理組合方案軟件及 DeltaV/Ovation 系統(tǒng)可以滿足您所有的需要。如圖所示,DeltaV系統(tǒng)在兼容傳統(tǒng)I/O及HART信號(hào)的同時(shí),支持面向離散量信息的ASI總線、面向智能電氣類的Device和Profibus-DP總線、以及面向過(guò)程控制的FF總線;其中FF總線分為HSE和H1兩層,當(dāng)前H1層的FF卡件安裝于DeltaV的I/O機(jī)架上,可以與其它任意I/O模塊或總線模塊混合安裝,自動(dòng)識(shí)別并可以設(shè)置成冗余;即將面世的HSE鏈路設(shè)備將更方便于H1總線的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
　　如上圖所示,其FF智能設(shè)備即插即用并無(wú)縫連接到控制系統(tǒng)中,標(biāo)準(zhǔn)友好的FF組態(tài)和監(jiān)視軟件直接訪問(wèn)到現(xiàn)場(chǎng)的儀表而不存在任何映射關(guān)系,我們稱這種為FF而特定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為本質(zhì)型(Native)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。請(qǐng)?jiān)L問(wèn)WWW.DeltaV.com或艾默生銷售以了解更詳盡的信息。
　　Ovation系統(tǒng)中的FF應(yīng)用
　　類似于DeltaV系統(tǒng),Ovation對(duì)FF的支持也是與身俱來(lái)的,如下圖：

　　在該典型的結(jié)構(gòu)中,Ovation FF現(xiàn)場(chǎng)總線模塊就像傳統(tǒng)I/O模塊一樣直接安裝在I/O底板上,沒(méi)有特定的地址要求,即插即用的功能方便了系統(tǒng)硬件組態(tài);每一個(gè)FF模塊可提供兩個(gè)H1網(wǎng)段,每個(gè)網(wǎng)段最多支持16臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備;當(dāng)前Ovation的每一對(duì)控制器最多可支持24個(gè)H1網(wǎng)段。         

　　用于功能組態(tài)的Control Sheets與原先傳統(tǒng)的方式一樣,只是在是FF總線設(shè)備的地方用FF來(lái)標(biāo)示一下,沒(méi)有任何數(shù)據(jù)映射的過(guò)程,工程人員在組態(tài)時(shí)也不必?fù)?dān)心該信號(hào)的實(shí)際位置。
　　3420 Ff 現(xiàn)場(chǎng)總線接口模塊應(yīng)用
　　有時(shí)用戶會(huì)遇到如何在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中加入FF功能的要求,比如傳統(tǒng)DCS改造項(xiàng)目中增加智能設(shè)備、上新項(xiàng)目但主系統(tǒng)是不支持FF總線的PLC控制器時(shí);艾默生公司研發(fā)了一款現(xiàn)場(chǎng)總線接口模塊－3420 FIM,該模塊可提供4個(gè)H1網(wǎng)段,最多連接64個(gè)FF智能設(shè)備,它將現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程信號(hào)和控制指令轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU或OPC通訊協(xié)議,與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)或上位機(jī)直接通訊,并通過(guò)以太網(wǎng)連接AMS設(shè)備管理系統(tǒng)對(duì)FF智能設(shè)備進(jìn)行管理和診斷,讓用戶獲得FF技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)和利益。

3420現(xiàn)場(chǎng)總線接口模塊也適合一些小規(guī)模FF應(yīng)用，比如罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)等：

在3420 FIM設(shè)備上采用遠(yuǎn)程通訊(無(wú)線技術(shù)、電話撥號(hào)、光纜、衛(wèi)星等)技術(shù),通過(guò)Modbus RTU或OPC協(xié)議,它還能廣泛應(yīng)用于油氣管線等SCADA系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)管控一體化的自動(dòng)化要求：              

　　九、艾默生過(guò)程管理基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備清單

Model Number 型號(hào)
Description
375
Communicator 手操器
CSI 9210
Machinery Health Transmitter
El-O-Matic 0990
ELQ Quarter Turn Electric Actuator
El-O-Matic 22C0
ELQ Quarter Turn Electric Actuator
El-O-Matic 7360
ELQ Positioning Electric Actuator
El-O-Matic 8000
ELQ Positioning Electric Actuator
El-O-Matic A2C0
FF34 Actuator Controller
El-O-Matic DD30
ELQ Positioning Electric Actuator
El-O-Matic F800
ELQ Quarter Turn Electric Actuator
FieldQ
Pneumatic Valve

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