摘 要:本文着重介绍了Foundation Field bus总线技术的基础和发展,介绍了FF总线技术的核心技术和结构发展历程,并对FF总线技术的优缺点做了分析和比较,同时探讨了FF总线技术的实际意义和对其应用做了展望。
关键词:Foundation Field bus 拓扑结构总线应用
中图分类号:TE9文献标识码:A文章编号: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
随着计算机硬件、软件技术及网络技术的迅速发展,自动化技术也迅猛发展起来,许多控制功能已经被下放到现场及设备中,这使得现场设备间的数据通讯量加大,这种趋势推动了现场总线技术的发展。现场总线是20世纪80年代末在国际上发展起来的用于过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化等现场智能设备互连通信。目前不同国家和厂家已纷纷组成集团发表了各自的现场总线协议标准,市场上出现的现场总线有:FF、Proflbus、Lon Works、CAN、HART、Interfuse、ISPFIP、SDS、Devlcenet等等。
在现场总线技术中,由现场总线基金会组织(Field bus Foundation,FF)开发的基金会现场总线在过程自动化领域中得到了广泛的应用。以基金会现场总线FF为信息通道构成了一种全分布式的自动化系统,其主要功能是对工业生产过程进行测量、控制、信号变送等。FF于1996年颁布了低速总线Hl标准。随着以太网技术的成熟,FF又制定了FF HSE(High Speed Ethemet)规范,该规范定义了一种基于高速以太网的现场总线技术。为实现自动控制系统的控制功能,在H1和HSE应用层之上增加了用户层。用户层包括了FF所定义的标准化的功能块和功能块应用进程,构成了自动化控制系统中实现控制功能的主要部分。
FF基金会现场总线由于其优良的性能、较高的可靠性和控制功能、诊断功能、管理功能,特别适合于工业过程监控设备的互连,因而越来越受到工业界的重视,并已被公认为应用于过程自动化系统中最具有前途的现场总线之一。
2 FF总线简介
FF现场总线基金会是由WORLDFIP NA(北美部分,不包括欧洲)和ISP Foundation于1994年6月联合成立的,它是一个国际性组织,目标是建立单一的、开放的、可相互操作的现场总线国际标准。这个组织目前有l00多成员单位,包括了全世界主要的产品过程控制及系统的生产公司。
1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会(CFC)。FF成立的时间较晚,在推出自己的产品并把这项技术完整地应用到工程上相对于Profibus和WORLDFIP要晚。但正由于FF是1992年9月成立的,是以Fisher Rosemount公司为核心的ISP(可互操作系统协议)与WORLDFIP NA两大组织合并而成,So,这个组织具有很强的实力:目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。FF(HSE)现场总线即为IEC定义的H2总线,它由Foundation Field bus(FF)组织负责开发,并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网(high-speed Ethernet HSE)标准。该总线使用框架式以太网(Shelf Ethernet)技术,传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持IEC 61158现场总线的各项功能,For example,功能块和装置描述语言等,并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干预就可以进行对等层通信。连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。HSE总线成功地采用TCP/IP传输协议和CSMA/CD链路控制协议,并使用了高速以太网IEEE802.3μ标准的最新技术。
2.1 FF总线H1总线电路和信号形式
在H1网段下,总线电路如图1所示。
现场设备静态供电电流10～15mA,信号恒流方式l5～20mAp—p,多个设备可以并联,接收信号在0.75～1Vp—p电压范围,最小不低于150mVp—p,信号负载的作用是将15～20mAp—p电流方波信号转化为0.75～1Vp—p的电压信号。所以,匹配阻抗器既不能多,也不能少,否则信号电压将不正常,特别是长线传输的时候,如果终端阻抗不匹配,经常会产生反射而使波形失真。电缆的特征阻抗是100π,长线要安装在两端。
2.2 FF总线物理层
FF—H1、HSE是高可靠性要求的热工过程控制的首选,在当前工业现场应用极其广泛,它们的传输距离可根据实际情况而定,不同的传输介质和传输介质质量的好坏对信号的传输距离有很大的影响,就拿FF-H1低速总线来说,如果采用#18AWG屏蔽双绞线的传输介质,传输距离可达1900m,但若采用#22AWG屏蔽双绞线,传输距离则只有1200m,且此传输距离包含主干与分支的和,分支最长不能超过120m。另外,传输介质的质量对传输距离也有影响,但据有关部门考证,目前,国内很多厂家生产的电缆在要求不是很严格的情况下是能够满足FF总线的现场需要的。所以,在我们设计FF总线网络时,要根据FF总线特性、技术参数来选择适当的传输介质,这样就能起到事半功倍的效果。FF总线技术参数表如表1所示。
2.3 FF总线链路层
FF总线的链路层是总线上信息正确传递的重要保障,每条总线上有且只有一台现行链路活动调度器(LAS),在FF总线网络上任何一个智能总线仪表都可以作为该条线路的LAS,LAS中有总线上所有的设备清单,它负责管理总线,管理其它设备是否占用总线。LAS将“时间重要”的实时过程数据与后台MM1及组态下装数据分别处理即周期受调度和非周期不受调度通信。
2.4 FF总线应用层
FF现场总线应用层遵循开放式系统互联模式OSI的基本架构,FF现场总线的应用层服务由FMS(Field bus Message Specification)来定义．该层定义了用户进行通信所需要的信息格式、行为状态、通信服务等。在应用层中定义了网络可视对象(Network Visible Objects)、虚拟现场设备(Virtual Field Device,简称VFD)、虚拟通信关系(Virtual Communication Relationship,简称VCR)几个概念。
在FF现场总线规范中。现场设备之间进行信息传输所使用的预组态的信道称为虚拟通信关系。相当于计算机网络中的虚电路。在现场总线网络系统中,设备中的不同的应用进程进行通信时通过使用不同的VCR可以进行互不干扰的通信。
FMS在VCR的端点向应用进程提供服务,FMS提供的服务分为有确认的服务(Have a confirmation service)和无确认服务(No confirmation service),其中有确认的服务用于操作和控制应用对象,如读,写变量的值、访问对象字典OD等。使用Client/Server VCR;无确认的服务用于发布通报事件或数据,发布通报事件使用Report Distribution VCR;数据使用Publisher/Subscriber VCR。
2.5 FF总线用户层
基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取数据链路层、其物理层、应用层为FF通信模型的相应层次,并增加了用户层,用户层主要针对自动化测控应用,定义了信息存取的统一规则,采用设备描述规定了通用的功能,FF总线利用嵌入到系统内部的功能块实现工业控制上的各种控制功能。
FF公布十个基本功能块:摸拟输入AI;摸拟输出AO;控制选择CS;P,PD控制PD;手动ML;开关输入DI;开关输出DO;偏置增益BG;PID,PI,I控制PID;比率RA。FF公布十九个先进功能块:复杂摸出;复杂开出;脉冲输入;输入选择;运算;积算;分离器;算术运算;信号特征;装置控制;摸拟报警;死区;定时;超前滞后补偿;摸拟接口;步进PID;SP发生器;开关报警;开关接口。用以上功能块可以构筑几乎所有基本的控制策略,功能相强大。
2.6 协议数据的构成与层次
图2表明了现场总线协议数据的内容和模型中每层应该附加的信息。它是从一个角度反映了现场总线保温信息的形成过程,例如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备,首先在用户层形成用户数据,并把它们送往总线报文规范层处理,每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息;用户数据信息在FAS,FMS,DLL各层分别加上各层的协议控制信息,在数据链路层还加上帧校验信息后,送往物理层将数据打包,即加上帧前、帧后定界码、帧结束码,并在开头码之前再加上用于时钟同步的前导码。该图还表明了各层所附的协议信息的字节数。信息帧形成后,还要通过物理层转换为规范的物理信号,在网络系统的控制下,发送到现场总线网段上。
3 FF现场总线的拓扑结构
基金会现场总线一般会采用点树形拓扑结构、带支线拓扑结构、菊花链拓扑结构、点对点拓扑结构。在实际应用中通常有几种方式,下面详细介绍每种拓扑结构的特性(Characteristic)。
3.1 树形拓扑结构
这种拓扑结构是在一台现场总线段上的设备都是以独立的双绞线联接到公共的端子盒、端子、仪表板或I/O卡。这种布局可以通向主机电缆的一个端上,事实上同一段上的设备是相互分开的,但一般是在同一个接线盒的区域内。要使用这种布局方式,就要考虑到支线电缆的最大长度。
3.2 带支线拓扑结构
这种拓扑结构,现场总线设备通过一段支线的电缆联接到总线段上。支线的长度可以从lm到l20m,长度小于1m的支线看作是一个接头。
3.3 菊花链拓扑结构
这种拓扑结构,在一个段中现场总线电缆从一台设备走到另一台设备,在每个现场设备的端子上互连。使用这种拓扑安装应该使用联接器或一种接线方式,从而一台设备的接线断了不会影响整个段的工作。
3.4 点对点拓扑结构
点对点拓扑结构是只由两台设备的段组成,然而段可以完全在现场(一台从设备和一台主设备独立运行,如变送器和阀此外不再带其他设备),或者也可以由一台现场设备(变送器)连接到一个主系统(作为控制或监视)。简单的点对点(主机和每个总线的一个设备)不会常用,由于它每段只有一个测量或者控制设备,如同在传统控制4～20mA时那样,同每个都有多个设备的总线段相比没有优点。
4 FF现场总线的实际应用
现场总线系统已经逐步在大型和超大型规模系统中得到采用。据报道,目前已经在使用的FF总线系统的最大规模已经达到12000台仪表。上海SECCO新建的石化装置也全部采用FF总线技术和仪表,合同金额达到3000万美元。现在在我国已经安装的FF总线系统已经超过100个,当然大部分是中小系统。最近报道厦门湘鲁石化有限公司,一期投资为6亿美元。生产纯净对苯二酸,是世界上第一个在本安区域使用FF总线的PTA工厂。该系统在本安区域,有161个网段,挂接742台FF总线设备。另外自备锅炉还有38个网段,挂接173台FF总线设备。平均一个网段挂接4台设备。采用的系统是Emerson公司的产品。随着现场总线技术的发展,制造商(Manufacturer)和用户(User)将对它的理解越来越深。人们对如何进行FF总线系统的设计、组态、调试、维护以及现场总线为用户带来的实际利益就会更加的明显。
5 FF现场总线的优缺点总结
5.1 优点(Advantage)
有较高的精确性。在DCS系统进行FAT测试时,通过对848T卡件加模拟量输入信号,DCS数值显示精度达到了0.01％。常规的模拟量信号在DCS的AI,AO卡件中转换时,容易产生转换误差,而FF总线采用的是数字信号传输,克服了A/D,D/A转换误差,提高了控制精度和设备测量。
可靠性较高。现场信号采用数字传输,提高了系统的抗干扰能力;另外,因I/O模件、热控电缆和接线端子的减少,设备故障率也大大减少。
具有分散性。它有现场设备组成自治的控制回路,现场设备具有高度智能化与功能自主性,可完成大多数控制功能,并可随时诊断设备运行的情况。
节省了DCS控制系统I/O卡件。现场智能设备与DCS系统通讯不需要通过I/O卡件,两者直接进行数据通讯。
机组节省了大量的热电偶补偿电缆和控制电缆,从而降低了工程造价。
5.2 缺点(Weakness)
使用FF总线控制技术,必须采用带有FF总线接口的智能设备,但智能现场设备价格一般比常规仪表价格要高。近年来,随着科学技术的发展,现场智能设备的价格已有一定的降低。
6 总结(Summary)
现场总线是过程自动化的发展趋势,而基金会总线是其中重要的部分。So,开发基金会总线产品将具有广阔的技术和市场前景。开发商(Manufacturer)可依据自身的实力和专长,对市场进行准确的定位并选择合适的开发工具和开发方式,开发出符合FF规范的要求,并能通过FF认证的总线产品。这样既缩短了我国自动化仪表与国际的差距、也提高我国的自动化水平和地位,从而振兴仪表工业也将有很大的发展和意义。
参考文献
[1]现场总线技术的最新发展.自动化仪表,2000.
[2]现场总线及其应用技术.机械工业出版社,2006.
[3]现场总线仪表的选型设计.石油化工自动化,2005.
[4]上海赛科(SECOO)26万吨/年丙烯晴装置自控施工图.
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