FF H1現(xiàn)場總線通信研究

張 博 吳 珂 陳朝東 馬世海 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

FFH1現(xiàn)場總線通信研究

張 博 吳 珂 陳朝東 馬世海 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

為了研究基金會現(xiàn)場總線(FF H1)的底層通信，分析了理論編碼波形和編碼規(guī)則；基于DeltaV系統(tǒng)構(gòu)建FF H1網(wǎng)段，研究網(wǎng)段的實際通信情況，給出并評價網(wǎng)段的不平衡度、噪聲、畸變和信號幅值；比較了不同電纜長度下網(wǎng)段的通信情況。實驗表明：FF H1總線在長距離傳輸?shù)目垢蓴_能力較強，信號幅值隨電纜長度增加而衰減；關于終端電阻對H1總線的影響，在拔出終端電阻后，信號幅值和波形畸變明顯增大，信號幅值超出了允許的調(diào)制范圍。

通信評價指標 核燃料后處理 FF H1 曼徹斯特編碼 噪聲 畸變 信號幅值

擬建的大型核燃料后處理廠規(guī)模巨大，預計測控點數(shù)將達到十萬點。隨著現(xiàn)代化工廠對管控一體化要求的不斷提高，現(xiàn)場總線技術(shù)作為工控領域技術(shù)的重大變革，已在大型石化項目中成功應用，這種“信息集中、控制分散”的技術(shù)正符合現(xiàn)代大型核燃料后處理廠的要求。

基金會現(xiàn)場總線(Foundation Fieldbus，F(xiàn)F)是過程控制領域最具有代表性的總線類型，作為全分布式自動化系統(tǒng)，它具有全數(shù)字化、多點通信及開放性等多項特征[1]，完成對工業(yè)生產(chǎn)過程各個參數(shù)的測量、信號變送、控制、顯示及計算等，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的檢測、調(diào)節(jié)和監(jiān)視?；饡F(xiàn)場總線分為高速(HSE)和低速(H1)兩種類型，均被IEC 61158第4版現(xiàn)場總線標準所采納[2]。其中H1總線工作在生產(chǎn)一線環(huán)境，可以工作在易燃易爆生產(chǎn)環(huán)境[3]，還能在傳輸通信數(shù)據(jù)的同時為總線上的所有現(xiàn)場設備提供工作電源。與過程控制領域占有率同樣較高的Profibus PA總線相比，H1總線嚴格按照預定義的調(diào)度時間表執(zhí)行周期性的通信活動，更適用于具有嚴格實時性要求的場合[4]。

為提出更合理的且適用于大型核燃料后處理廠的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)解決方案，在選定FF總線的基礎上，針對FF H1現(xiàn)場總線底層的通信編碼、通信評價指標、終端電阻及電纜長度等內(nèi)容開展相關研究。

1 FF H1總線的編碼波形①

FF H1的通信速率為31.25kbit/s，總線攜帶協(xié)議信息的數(shù)字信號以31.25kHz的頻率、0.75～1.00V的電壓幅值加載到9～32V的直流供電電壓上，形成現(xiàn)場總線的信號波形。H1總線使用曼徹斯特編碼技術(shù)，這種信號被稱為同步串行信號，其優(yōu)點是編碼中隱含了同步時鐘信號。圖1給出了H1總線的幾種理論編碼波形，一個時鐘周期中間時刻由高電平跳變?yōu)榈碗娖奖硎?，由低電平跳變?yōu)楦唠娖奖硎?，時鐘周期內(nèi)保持高電平為N+碼，保持低電平為N-碼。N+和N-碼是特殊編碼，僅出現(xiàn)在幀前定界碼和幀結(jié)束碼中。

圖1 FF H1總線的幾種理論編碼波形

FF H1總線信號編碼規(guī)則如圖2所示。其中前導碼(*表示前導碼可多于1Byte)、幀前定界碼和幀結(jié)束碼都是由物理層電路生成并加載到物理信號上的。

圖2 FF H1總線的信號編碼規(guī)則

2 FF H1總線通信實際編碼分析與評價

在實際的總線通信過程中，其編碼波形不可能像理論波形那樣平滑清晰。為了分析并評價FF H1總線的實際信號，建立一個包括一臺鏈路活動調(diào)度器(LAS)和8臺FF總線智能設備的H1總線，控制系統(tǒng)為DeltaV系統(tǒng)，其中LAS為控制系統(tǒng)的H1總線接口卡。LAS[5]的地址為16，其余8臺設備地址分別為20、29、30、31、32、33、34和35。電纜為A類[6](AWG18，截面積為0.8mm2)，拓撲結(jié)構(gòu)為樹形，終端電阻分別集成于H1卡和總線接線盒中。

2.1編碼波形分析

圖3為實驗中主干電纜為150m(各分支電纜長度均小于5m)的H1總線的LAS向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼波形(起始部分)。可以看出，編碼起始時帶有2Byte前導碼，1Byte幀前定界碼，其值與理論編碼完全一致。而后進入數(shù)據(jù)鏈路層DLL協(xié)議控制編碼區(qū)域，表1為數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元DLPDU的種類和幀控制信息格式，實驗編碼對應的幀控制字節(jié)為“11010011”，查表可得為數(shù)據(jù)幀1(DT1)。其中LFPP為“0011”，L為0表示數(shù)據(jù)地址是短地址，F(xiàn)為0指明H1卡不是令牌的最后用戶，PP表明了DLPDU和傳遞令牌的優(yōu)先級。類似地，可以通過查詢總線訪問子層FAS-PDU和現(xiàn)場總線報文規(guī)范層FMS-PDU得出實驗編碼對應的信息。

圖3 某H1總線LAS編碼波形起始部分表1 DLPDU的種類和幀控制信息格式(部分)

DLPDU類別符號幀控制字節(jié)目的地址源地址第2源地址建立連接EC11111LF004位二進制數(shù)4位二進制數(shù)4位二進制數(shù)數(shù)據(jù)幀1DT11101LFPP4位二進制數(shù)4位二進制數(shù)-返回令牌RT00111100---

2.2通信評價

針對FF H1底層的評價指標有不平衡度、噪聲、畸變和信號幅值(表2)。其中不平衡度針對整條總線，是指總線上不同設備通信波形的不平衡性；其余3個指標針對具體某個設備。噪聲指原信號中并不存在的無規(guī)則的額外信息，畸變指信號波形相對理論波形的失真程度，信號幅值指編碼的峰值電壓。

表2 總線底層信號評價參考值

針對圖3的LAS在總線上發(fā)出的通信波形評價見表3。整條H1總線的通信波形評價見表4?？梢?，構(gòu)建的H1網(wǎng)段的各項指標均在正常范圍之內(nèi)。

表3 LAS信號評價

表4 H1總線信號評價

2.3電纜長度對通信的影響

圖4給出了電纜長度由150m增加至1km，地址為31的儀表LT-2005的通信波形。在不同電纜長度下的該儀表通信的各項指標見表5，整條網(wǎng)段的不平衡度指標均為-2%。

圖4 電纜長度1km時LT-2005的波形表5 不同電纜長度下LT-2005的各項指標

評價指標電纜150m長電纜500m長電纜1km長最小值最大值最小值最大值最小值最大值噪聲/mV101510151015畸變/μs0.91.20.91.20.91.3信號幅值/mV805807726730635641

隨著電纜長度不斷增加，整條網(wǎng)段的不平衡度以及LT-2005信號噪聲、畸變并未發(fā)生明顯變化。為進一步說明問題，在進行各種電纜長度實驗時，持續(xù)施加電磁干擾(電鉆)，不平衡度、噪聲、畸變值均未因增加電磁干擾而變化；電纜越長，信號幅值越小，且波動增加，但1km長度時幅值依然處于表2規(guī)定的正常范圍內(nèi)。實驗結(jié)果表明，H1總線在長距離傳輸?shù)目垢蓴_能力強，信號幅值隨電纜長度增加而衰減。

2.4終端電阻對通信的影響

終端電阻的作用是防止傳輸信號失真和總線兩端產(chǎn)生信號波反射。選用地址為31的FF總線智能儀表實驗，配置終端電阻與拔出終端電阻的波形對比如圖5所示，信號評價對比列入表6。

圖5 配置和拔出終端電阻的波形對比表6 配置終端電阻與拔出終端電阻的信號評價

評價指標配置終端電阻拔出終端電阻最小值最大值最小值最大值噪聲/mV10152039畸變/μs0.91.21.31.6信號幅值/mV80580715881594

當拔掉末端(總線接線盒內(nèi))終端電阻后，信號噪聲和波形畸變明顯增大。但據(jù)表2數(shù)據(jù)，兩值依然在可以接受的范圍內(nèi)；然而信號幅值已經(jīng)由正常情況下的805～807mV，增大到了1 588～1 594mV，且出現(xiàn)明顯抖動，幅值已經(jīng)大幅超出基金會現(xiàn)場總線允許的信號調(diào)制范圍，這顯然是不能被接受的。因此，在FF H1總線的實際應用中，終端電阻(終端器)必須嚴格安裝，否則將導致信號異常。

3 結(jié)束語

FF H1總線采用基于曼徹斯特編碼的數(shù)字信號通信，其實際編碼波形與理論波形相比，存在不平衡度、噪聲、畸變及信號幅值變化等影響因素。筆者構(gòu)建的150m長、8臺FF設備的H1總線各項指標均在正常范圍內(nèi)，隨著電纜長度的不斷增加，信號幅值不斷減小，不平衡度、噪聲及畸變等指標未見明顯變化。終端電阻必須在總線兩端設置，否則各項指標將變差，信號幅值會嚴重偏離正常值。

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用[M].北京:清華大學出版社,1999.

[2] 繆學勤.20種類型現(xiàn)場總線進入IEC61158第四版國際標準[J].自動化儀表,2007,28(z1):25～29.

[3] 歐艷新,韓兵.FF現(xiàn)場總線安全技術(shù)在石化廠的應用[J].化工自動化及儀表,2011,38(11):1400～1402.

[4] 周悅,于海斌,王天然,等.Profibus和FF現(xiàn)場總線的性能分析與評價[J].吉林大學學報(信息科學版),2004,22(4):434～437.

[5] 柴占杰.基金會現(xiàn)場總線儀表與系統(tǒng)的調(diào)試[J].化工自動化及儀表,2015,42(7):832～834.

[6] 魏華.現(xiàn)場總線系統(tǒng)通信故障診斷及常見原因分析[J].石油化工自動化,2008,44(3):50～53.

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StudyonFFH1CommunicationPerformance

ZHANG Bo, WU Ke, CHEN Chao-dong, MA Shi-hai, LI Xiao-wei

(ElectricalandInstrumentInstitute,ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China)

TH862+.7

A

1000-3932(2016)12-1306-05

2016-09-12(修改稿)

國家科技重大專項——大型核燃料后處理廠關鍵工程技術(shù)方案研究(2010ZX06201-01)