Foundation Field bus總線技術(shù)應(yīng)用

曲濤

摘 要:本文著重介紹了Foundation Field bus總線技術(shù)的基礎(chǔ)和發(fā)展,介紹了FF總線技術(shù)的核心技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程,并對FF總線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)做了分析和比較,同時(shí)探討了FF總線技術(shù)的實(shí)際意義和對其應(yīng)用做了展望。

關(guān)鍵詞:Foundation Field bus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線應(yīng)用

中圖分類號:TE9 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,自動(dòng)化技術(shù)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(shè)備中,這使得現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊量加大,這種趨勢推動(dòng)了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代末在國際上發(fā)展起來的用于過程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信。目前不同國家和廠家已紛紛組成集團(tuán)發(fā)表了各自的現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),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(shù)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(dòng)化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。以基金會現(xiàn)場總線FF為信息通道構(gòu)成了一種全分布式的自動(dòng)化系統(tǒng),其主要功能是對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行測量、控制、信號變送等。FF于1996年頒布了低速總線Hl標(biāo)準(zhǔn)。隨著以太網(wǎng)技術(shù)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(shù)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制功能,在H1和HSE應(yīng)用層之上增加了用戶層。用戶層包括了FF所定義的標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊和功能塊應(yīng)用進(jìn)程,構(gòu)成了自動(dòng)化控制系統(tǒng)中實(shí)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(shè)備的互連,因而越來越受到工業(yè)界的重視,并已被公認(rèn)為應(yīng)用于過程自動(dòng)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(gè)國際性組織,目標(biāo)是建立單一的、開放的、可相互操作的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)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(gè)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(shí)間較晚,在推出自己的產(chǎn)品并把這項(xiàng)技術(shù)完整地應(yīng)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(gè)組織具有很強(qiáng)的實(shí)力:目前FF在IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)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(fù)責(zé)開發(fā),并于1998年決定全面采用已廣泛應(yīng)用于IT產(chǎn)業(yè)的高速以太網(wǎng)(high-speed Ethernet HSE)標(biāo)準(zhǔn)。該總線使用框架式以太網(wǎng)(Shelf Ethernet)技術(shù),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(xiàng)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(gè)連接裝置上的H1裝置無須主系統(tǒng)的干預(yù)就可以進(jìn)行對等層通信。連接到一個(gè)連接裝置上的H1裝置同樣無須主系統(tǒng)的干預(yù)也可以與另一個(gè)連接裝置上的H1裝置直接進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的最新技術(shù)。

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(shè)備靜態(tài)供電電流10～15mA,信號恒流方式l5～20mAp—p,多個(gè)設(shè)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(fù)載的作用是將15～20mAp—p電流方波信號轉(zhuǎn)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(shí)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(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用極其廣泛,它們的傳輸距離可根據(jù)實(shí)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(dá)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(guān)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(yán)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(shè)計(jì)FF總線網(wǎng)絡(luò)時(shí),要根據(jù)FF總線特性、技術(shù)參數(shù)來選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斀橘|(zhì),這樣就能起到事半功倍的效果。FF總線技術(shù)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(dòng)調(diào)度器(LAS),在FF總線網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)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(shè)備清單,它負(fù)責(zé)管理總線,管理其它設(shè)備是否占用總線。LAS將“時(shí)間重要”的實(shí)時(shí)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(yīng)用層

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

在FF現(xiàn)場總線規(guī)范中?，F(xiàn)場設(shè)備之間進(jìn)行信息傳輸所使用的預(yù)組態(tài)的信道稱為虛擬通信關(guān)系。相當(dāng)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的虛電路。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,設(shè)備中的不同的應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行通信時(shí)通過使用不同的VCR可以進(jìn)行互不干擾的通信。

FMS在VCR的端點(diǎn)向應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù),FMS提供的服務(wù)分為有確認(rèn)的服務(wù)(Have a confirmation service)和無確認(rèn)服務(wù)(No confirmation service),其中有確認(rèn)的服務(wù)用于操作和控制應(yīng)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(rèn)的服務(wù)用于發(fā)布通報(bào)事件或數(shù)據(jù),發(fā)布通報(bào)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(chǔ),取數(shù)據(jù)鏈路層、其物理層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次,并增加了用戶層,用戶層主要針對自動(dòng)化測控應(yīng)用,定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則,采用設(shè)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(shí)現(xiàn)工業(yè)控制上的各種控制功能。

FF公布十個(gè)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(dòng)ML;開關(guān)輸入DI;開關(guān)輸出DO;偏置增益BG;PID,PI,I控制PID;比率RA。FF公布十九個(gè)先進(jìn)功能塊:復(fù)雜摸出;復(fù)雜開出;脈沖輸入;輸入選擇;運(yùn)算;積算;分離器;算術(shù)運(yùn)算;信號特征;裝置控制;摸擬報(bào)警;死區(qū);定時(shí);超前滯后補(bǔ)償;摸擬接口;步進(jìn)PID;SP發(fā)生器;開關(guān)報(bào)警;開關(guān)接口。用以上功能塊可以構(gòu)筑幾乎所有基本的控制策略,功能相強(qiáng)大。

2.6 協(xié)議數(shù)據(jù)的構(gòu)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(yīng)該附加的信息。它是從一個(gè)角度反映了現(xiàn)場總線保溫信息的形成過程,例如某個(gè)用戶要將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線發(fā)往其他設(shè)備,首先在用戶層形成用戶數(shù)據(jù),并把它們送往總線報(bào)文規(guī)范層處理,每幀最多可發(fā)送251個(gè)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(yàn)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(jié)束碼,并在開頭碼之前再加上用于時(shí)鐘同步的前導(dǎo)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(zhuǎn)換為規(guī)范的物理信號,在網(wǎng)絡(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基金會現(xiàn)場總線一般會采用點(diǎn)樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、帶支線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中通常有幾種方式,下面詳細(xì)介紹每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性(Characteristic)。

3.1 樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在一臺現(xiàn)場總線段上的設(shè)備都是以獨(dú)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(jī)電纜的一個(gè)端上,事實(shí)上同一段上的設(shè)備是相互分開的,但一般是在同一個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),現(xiàn)場總線設(shè)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(gè)接頭。

3.3 菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在一個(gè)段中現(xiàn)場總線電纜從一臺設(shè)備走到另一臺設(shè)備,在每個(gè)現(xiàn)場設(shè)備的端子上互連。使用這種拓?fù)浒惭b應(yīng)該使用聯(lián)接器或一種接線方式,從而一臺設(shè)備的接線斷了不會影響整個(gè)段的工作。

3.4 點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是只由兩臺設(shè)備的段組成,然而段可以完全在現(xiàn)場(一臺從設(shè)備和一臺主設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行,如變送器和閥此外不再帶其他設(shè)備),或者也可以由一臺現(xiàn)場設(shè)備(變送器)連接到一個(gè)主系統(tǒng)(作為控制或監(jiān)視)。簡單的點(diǎn)對點(diǎn)(主機(jī)和每個(gè)總線的一個(gè)設(shè)備)不會常用,由于它每段只有一個(gè)測量或者控制設(shè)備,如同在傳統(tǒng)控制4～20mA時(shí)那樣,同每個(gè)都有多個(gè)設(shè)備的總線段相比沒有優(yōu)點(diǎn)。

4FF現(xiàn)場總線的實(shí)際應(yīng)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(bào)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(dá)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(shù)和儀表,合同金額達(dá)到3000萬美元?，F(xiàn)在在我國已經(jīng)安裝的FF總線系統(tǒng)已經(jīng)超過100個(gè),當(dāng)然大部分是中小系統(tǒng)。最近報(bào)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(gè)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(gè)網(wǎng)段,掛接742臺FF總線設(shè)備。另外自備鍋爐還有38個(gè)網(wǎng)段,掛接173臺FF總線設(shè)備。平均一個(gè)網(wǎng)段掛接4臺設(shè)備。采用的系統(tǒng)是Emerson公司的產(chǎn)品。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)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(jìn)行FF總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)以及現(xiàn)場總線為用戶帶來的實(shí)際利益就會更加的明顯。

5FF現(xiàn)場總線的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

5.1 優(yōu)點(diǎn)(Advantage)

有較高的精確性。在DCS系統(tǒng)進(jìn)行FAT測試時(shí),通過對848T卡件加模擬量輸入信號,DCS數(shù)值顯示精度達(dá)到了0.01％。常規(guī)的模擬量信號在DCS的AI,AO卡件中轉(zhuǎn)換時(shí),容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換誤差,提高了控制精度和設(shè)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(shè)備故障率也大大減少。

具有分散性。它有現(xiàn)場設(shè)備組成自治的控制回路,現(xiàn)場設(shè)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(shí)診斷設(shè)備運(yùn)行的情況。

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

機(jī)組節(jié)省了大量的熱電偶補(bǔ)償電纜和控制電纜,從而降低了工程造價(jià)。

5.2 缺點(diǎn)(Weakness)

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

6總結(jié)(Summary)

現(xiàn)場總線是過程自動(dòng)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(shù)和市場前景。開發(fā)商(Manufacturer)可依據(jù)自身的實(shí)力和專長,對市場進(jìn)行準(zhǔn)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(rèn)證的總線產(chǎn)品。這樣既縮短了我國自動(dòng)化儀表與國際的差距、也提高我國的自動(dòng)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(xiàn)

[1] 現(xiàn)場總線技術(shù)的最新發(fā)展.自動(dòng)化儀表,2000.

[2] 現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 現(xiàn)場總線儀表的選型設(shè)計(jì).石油化工自動(dòng)化,2005.

[4] 上海賽科(SECOO)26萬噸/年丙烯晴裝置自控施工圖.