Foundation Field bus總線技術應用

曲濤

摘 要:本文著重介紹了Foundation Field bus總線技術的基礎和發(fā)展,介紹了FF總線技術的核心技術和結構發(fā)展歷程,并對FF總線技術的優(yōu)缺點做了分析和比較,同時探討了FF總線技術的實際意義和對其應用做了展望。

關鍵詞:Foundation Field bus拓撲結構總線應用

中圖分類號:TE9 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0010-03

Abstract:This article is focus on the basis and development of Foundation Field bus,introduced the core technology and Trop-Architecture of Foundation Field bus.Made the compare into the advantages and disadvantages,at the same time discuss the merit of FF application in actual process industry and anticipated the future of FF.

Key words:Foundation Field bus Trop-Architecture Feedbags Application

1 前言

隨著計算機硬件、軟件技術及網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展,自動化技術也迅猛發(fā)展起來,許多控制功能已經(jīng)被下放到現(xiàn)場及設備中,這使得現(xiàn)場設備間的數(shù)據(jù)通訊量加大,這種趨勢推動了現(xiàn)場總線技術的發(fā)展。現(xiàn)場總線是20世紀80年代末在國際上發(fā)展起來的用于過程自動化、制造業(yè)自動化、樓宇自動化等現(xiàn)場智能設備互連通信。目前不同國家和廠家已紛紛組成集團發(fā)表了各自的現(xiàn)場總線協(xié)議標準,市場上出現(xiàn)的現(xiàn)場總線有:FF、Proflbus、Lon Works、CAN、HART、Interfuse、ISPFIP、SDS、Devlcenet等等。

在現(xiàn)場總線技術中,由現(xiàn)場總線基金會組織(Field bus Foundation,FF)開發(fā)的基金會現(xiàn)場總線在過程自動化領域中得到了廣泛的應用。以基金會現(xiàn)場總線FF為信息通道構成了一種全分布式的自動化系統(tǒng),其主要功能是對工業(yè)生產(chǎn)過程進行測量、控制、信號變送等。FF于1996年頒布了低速總線Hl標準。隨著以太網(wǎng)技術的成熟,FF又制定了FF HSE(High Speed Ethemet)規(guī)范,該規(guī)范定義了一種基于高速以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線技術。為實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的控制功能,在H1和HSE應用層之上增加了用戶層。用戶層包括了FF所定義的標準化的功能塊和功能塊應用進程,構成了自動化控制系統(tǒng)中實現(xiàn)控制功能的主要部分。

FF基金會現(xiàn)場總線由于其優(yōu)良的性能、較高的可靠性和控制功能、診斷功能、管理功能,特別適合于工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連,因而越來越受到工業(yè)界的重視,并已被公認為應用于過程自動化系統(tǒng)中最具有前途的現(xiàn)場總線之一。

2 FF總線簡介

FF現(xiàn)場總線基金會是由WORLDFIP NA(北美部分,不包括歐洲)和ISP Foundation于1994年6月聯(lián)合成立的,它是一個國際性組織,目標是建立單一的、開放的、可相互操作的現(xiàn)場總線國際標準。這個組織目前有l(wèi)00多成員單位,包括了全世界主要的產(chǎn)品過程控制及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司。

1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協(xié)現(xiàn)場總線專業(yè)委員會(CFC)。FF成立的時間較晚,在推出自己的產(chǎn)品并把這項技術完整地應用到工程上相對于Profibus和WORLDFIP要晚。但正由于FF是1992年9月成立的,是以Fisher Rosemount公司為核心的ISP(可互操作系統(tǒng)協(xié)議)與WORLDFIP NA兩大組織合并而成,So,這個組織具有很強的實力:目前FF在IEC現(xiàn)場總線標準的制訂過程中起著舉足輕重的作用。FF(HSE)現(xiàn)場總線即為IEC定義的H2總線,它由Foundation Field bus(FF)組織負責開發(fā),并于1998年決定全面采用已廣泛應用于IT產(chǎn)業(yè)的高速以太網(wǎng)(high-speed Ethernet HSE)標準。該總線使用框架式以太網(wǎng)(Shelf Ethernet)技術,傳輸速率從100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持IEC 61158現(xiàn)場總線的各項功能,For example,功能塊和裝置描述語言等,并允許基于以太網(wǎng)的裝置通過一種連接裝置與H1裝置相連接。連接到一個連接裝置上的H1裝置無須主系統(tǒng)的干預就可以進行對等層通信。連接到一個連接裝置上的H1裝置同樣無須主系統(tǒng)的干預也可以與另一個連接裝置上的H1裝置直接進行通信。HSE總線成功地采用TCP/IP傳輸協(xié)議和CSMA/CD鏈路控制協(xié)議,并使用了高速以太網(wǎng)IEEE802.3μ標準的最新技術。

2.1 FF總線H1總線電路和信號形式

在H1網(wǎng)段下,總線電路如圖1所示。

現(xiàn)場設備靜態(tài)供電電流10～15mA,信號恒流方式l5～20mAp—p,多個設備可以并聯(lián),接收信號在0.75～1Vp—p電壓范圍,最小不低于150mVp—p,信號負載的作用是將15～20mAp—p電流方波信號轉化為0.75～1Vp—p的電壓信號。所以,匹配阻抗器既不能多,也不能少,否則信號電壓將不正常,特別是長線傳輸?shù)臅r候,如果終端阻抗不匹配,經(jīng)常會產(chǎn)生反射而使波形失真。電纜的特征阻抗是100π,長線要安裝在兩端。

2.2 FF總線物理層

FF—H1、HSE是高可靠性要求的熱工過程控制的首選,在當前工業(yè)現(xiàn)場應用極其廣泛,它們的傳輸距離可根據(jù)實際情況而定,不同的傳輸介質(zhì)和傳輸介質(zhì)質(zhì)量的好壞對信號的傳輸距離有很大的影響,就拿FF-H1低速總線來說,如果采用#18AWG屏蔽雙絞線的傳輸介質(zhì),傳輸距離可達1900m,但若采用#22AWG屏蔽雙絞線,傳輸距離則只有1200m,且此傳輸距離包含主干與分支的和,分支最長不能超過120m。另外,傳輸介質(zhì)的質(zhì)量對傳輸距離也有影響,但據(jù)有關部門考證,目前,國內(nèi)很多廠家生產(chǎn)的電纜在要求不是很嚴格的情況下是能夠滿足FF總線的現(xiàn)場需要的。所以,在我們設計FF總線網(wǎng)絡時,要根據(jù)FF總線特性、技術參數(shù)來選擇適當?shù)膫鬏斀橘|(zhì),這樣就能起到事半功倍的效果。FF總線技術參數(shù)表如表1所示。

2.3 FF總線鏈路層

FF總線的鏈路層是總線上信息正確傳遞的重要保障,每條總線上有且只有一臺現(xiàn)行鏈路活動調(diào)度器(LAS),在FF總線網(wǎng)絡上任何一個智能總線儀表都可以作為該條線路的LAS,LAS中有總線上所有的設備清單,它負責管理總線,管理其它設備是否占用總線。LAS將“時間重要”的實時過程數(shù)據(jù)與后臺MM1及組態(tài)下裝數(shù)據(jù)分別處理即周期受調(diào)度和非周期不受調(diào)度通信。

2.4 FF總線應用層

FF現(xiàn)場總線應用層遵循開放式系統(tǒng)互聯(lián)模式OSI的基本架構,FF現(xiàn)場總線的應用層服務由FMS(Field bus Message Specification)來定義．該層定義了用戶進行通信所需要的信息格式、行為狀態(tài)、通信服務等。在應用層中定義了網(wǎng)絡可視對象(Network Visible Objects)、虛擬現(xiàn)場設備(Virtual Field Device,簡稱VFD)、虛擬通信關系(Virtual Communication Relationship,簡稱VCR)幾個概念。

在FF現(xiàn)場總線規(guī)范中。現(xiàn)場設備之間進行信息傳輸所使用的預組態(tài)的信道稱為虛擬通信關系。相當于計算機網(wǎng)絡中的虛電路。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)中,設備中的不同的應用進程進行通信時通過使用不同的VCR可以進行互不干擾的通信。

FMS在VCR的端點向應用進程提供服務,FMS提供的服務分為有確認的服務(Have a confirmation service)和無確認服務(No confirmation service),其中有確認的服務用于操作和控制應用對象,如讀,寫變量的值、訪問對象字典OD等。使用Client/Server VCR;無確認的服務用于發(fā)布通報事件或數(shù)據(jù),發(fā)布通報事件使用Report Distribution VCR;數(shù)據(jù)使用Publisher/Subscriber VCR。

2.5 FF總線用戶層

基金會現(xiàn)場總線以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎,取數(shù)據(jù)鏈路層、其物理層、應用層為FF通信模型的相應層次,并增加了用戶層,用戶層主要針對自動化測控應用,定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則,采用設備描述規(guī)定了通用的功能,FF總線利用嵌入到系統(tǒng)內(nèi)部的功能塊實現(xiàn)工業(yè)控制上的各種控制功能。

FF公布十個基本功能塊:摸擬輸入AI;摸擬輸出AO;控制選擇CS;P,PD控制PD;手動ML;開關輸入DI;開關輸出DO;偏置增益BG;PID,PI,I控制PID;比率RA。FF公布十九個先進功能塊:復雜摸出;復雜開出;脈沖輸入;輸入選擇;運算;積算;分離器;算術運算;信號特征;裝置控制;摸擬報警;死區(qū);定時;超前滯后補償;摸擬接口;步進PID;SP發(fā)生器;開關報警;開關接口。用以上功能塊可以構筑幾乎所有基本的控制策略,功能相強大。

2.6 協(xié)議數(shù)據(jù)的構成與層次

圖2表明了現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)據(jù)的內(nèi)容和模型中每層應該附加的信息。它是從一個角度反映了現(xiàn)場總線保溫信息的形成過程,例如某個用戶要將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線發(fā)往其他設備,首先在用戶層形成用戶數(shù)據(jù),并把它們送往總線報文規(guī)范層處理,每幀最多可發(fā)送251個8位字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)信息;用戶數(shù)據(jù)信息在FAS,FMS,DLL各層分別加上各層的協(xié)議控制信息,在數(shù)據(jù)鏈路層還加上幀校驗信息后,送往物理層將數(shù)據(jù)打包,即加上幀前、幀后定界碼、幀結束碼,并在開頭碼之前再加上用于時鐘同步的前導碼。該圖還表明了各層所附的協(xié)議信息的字節(jié)數(shù)。信息幀形成后,還要通過物理層轉換為規(guī)范的物理信號,在網(wǎng)絡系統(tǒng)的控制下,發(fā)送到現(xiàn)場總線網(wǎng)段上。

3FF現(xiàn)場總線的拓撲結構

基金會現(xiàn)場總線一般會采用點樹形拓撲結構、帶支線拓撲結構、菊花鏈拓撲結構、點對點拓撲結構。在實際應用中通常有幾種方式,下面詳細介紹每種拓撲結構的特性(Characteristic)。

3.1 樹形拓撲結構

這種拓撲結構是在一臺現(xiàn)場總線段上的設備都是以獨立的雙絞線聯(lián)接到公共的端子盒、端子、儀表板或I/O卡。這種布局可以通向主機電纜的一個端上,事實上同一段上的設備是相互分開的,但一般是在同一個接線盒的區(qū)域內(nèi)。要使用這種布局方式,就要考慮到支線電纜的最大長度。

3.2 帶支線拓撲結構

這種拓撲結構,現(xiàn)場總線設備通過一段支線的電纜聯(lián)接到總線段上。支線的長度可以從lm到l20m,長度小于1m的支線看作是一個接頭。

3.3 菊花鏈拓撲結構

這種拓撲結構,在一個段中現(xiàn)場總線電纜從一臺設備走到另一臺設備,在每個現(xiàn)場設備的端子上互連。使用這種拓撲安裝應該使用聯(lián)接器或一種接線方式,從而一臺設備的接線斷了不會影響整個段的工作。

3.4 點對點拓撲結構

點對點拓撲結構是只由兩臺設備的段組成,然而段可以完全在現(xiàn)場(一臺從設備和一臺主設備獨立運行,如變送器和閥此外不再帶其他設備),或者也可以由一臺現(xiàn)場設備(變送器)連接到一個主系統(tǒng)(作為控制或監(jiān)視)。簡單的點對點(主機和每個總線的一個設備)不會常用,由于它每段只有一個測量或者控制設備,如同在傳統(tǒng)控制4～20mA時那樣,同每個都有多個設備的總線段相比沒有優(yōu)點。

4FF現(xiàn)場總線的實際應用

現(xiàn)場總線系統(tǒng)已經(jīng)逐步在大型和超大型規(guī)模系統(tǒng)中得到采用。據(jù)報道,目前已經(jīng)在使用的FF總線系統(tǒng)的最大規(guī)模已經(jīng)達到12000臺儀表。上海SECCO新建的石化裝置也全部采用FF總線技術和儀表,合同金額達到3000萬美元。現(xiàn)在在我國已經(jīng)安裝的FF總線系統(tǒng)已經(jīng)超過100個,當然大部分是中小系統(tǒng)。最近報道廈門湘魯石化有限公司,一期投資為6億美元。生產(chǎn)純凈對苯二酸,是世界上第一個在本安區(qū)域使用FF總線的PTA工廠。該系統(tǒng)在本安區(qū)域,有161個網(wǎng)段,掛接742臺FF總線設備。另外自備鍋爐還有38個網(wǎng)段,掛接173臺FF總線設備。平均一個網(wǎng)段掛接4臺設備。采用的系統(tǒng)是Emerson公司的產(chǎn)品。隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展,制造商(Manufacturer)和用戶(User)將對它的理解越來越深。人們對如何進行FF總線系統(tǒng)的設計、組態(tài)、調(diào)試、維護以及現(xiàn)場總線為用戶帶來的實際利益就會更加的明顯。

5FF現(xiàn)場總線的優(yōu)缺點總結

5.1 優(yōu)點(Advantage)

有較高的精確性。在DCS系統(tǒng)進行FAT測試時,通過對848T卡件加模擬量輸入信號,DCS數(shù)值顯示精度達到了0.01％。常規(guī)的模擬量信號在DCS的AI,AO卡件中轉換時,容易產(chǎn)生轉換誤差,而FF總線采用的是數(shù)字信號傳輸,克服了A/D,D/A轉換誤差,提高了控制精度和設備測量。

可靠性較高。現(xiàn)場信號采用數(shù)字傳輸,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力;另外,因I/O模件、熱控電纜和接線端子的減少,設備故障率也大大減少。

具有分散性。它有現(xiàn)場設備組成自治的控制回路,現(xiàn)場設備具有高度智能化與功能自主性,可完成大多數(shù)控制功能,并可隨時診斷設備運行的情況。

節(jié)省了DCS控制系統(tǒng)I/O卡件。現(xiàn)場智能設備與DCS系統(tǒng)通訊不需要通過I/O卡件,兩者直接進行數(shù)據(jù)通訊。

機組節(jié)省了大量的熱電偶補償電纜和控制電纜,從而降低了工程造價。

5.2 缺點(Weakness)

使用FF總線控制技術,必須采用帶有FF總線接口的智能設備,但智能現(xiàn)場設備價格一般比常規(guī)儀表價格要高。近年來,隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)場智能設備的價格已有一定的降低。

6總結(Summary)

現(xiàn)場總線是過程自動化的發(fā)展趨勢,而基金會總線是其中重要的部分。So,開發(fā)基金會總線產(chǎn)品將具有廣闊的技術和市場前景。開發(fā)商(Manufacturer)可依據(jù)自身的實力和專長,對市場進行準確的定位并選擇合適的開發(fā)工具和開發(fā)方式,開發(fā)出符合FF規(guī)范的要求,并能通過FF認證的總線產(chǎn)品。這樣既縮短了我國自動化儀表與國際的差距、也提高我國的自動化水平和地位,從而振興儀表工業(yè)也將有很大的發(fā)展和意義。

參考文獻

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