基金會現(xiàn)場總線FF 修改版 2

基金會現(xiàn)場總線FF

機(jī)自11-2吳柏龍許鴻飛潘云龍幾種流行的現(xiàn)場總線1.基金會現(xiàn)場總線2.Profibus現(xiàn)場總線3.LonWorks4.CAN總線5.DeviceNet6.ControlNet幾種流行現(xiàn)場總線的比較基金會現(xiàn)場總線1概述2物理層3數(shù)據(jù)鏈路層4用戶層及功能塊5設(shè)備描述DD與DDL6通信控制器1.概述基金會現(xiàn)場總線FF（FieldbusFoundation）是為了適應(yīng)自動化系統(tǒng)，特別是過程自動化系統(tǒng)，在功能、適應(yīng)條件與技術(shù)上的需要而專門設(shè)計的。新聞數(shù)據(jù)基金會現(xiàn)場總線通過20多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上工業(yè)自動控制的主要技術(shù)手段之一，特別是在大型石油、化工方面的成就更是世界矚目，F(xiàn)F總線的業(yè)務(wù)隨著經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇也在恢復(fù)它的魅力，目前，基金會現(xiàn)場總線技術(shù)已占據(jù)了全球最大的一些工廠和煉油廠，很多大型重工業(yè)基礎(chǔ)性項目也采用了總線技術(shù)。當(dāng)今世界上最大的石油化工項目，有印度的RelianceJamnagarExportRefinery(JERP)煉油廠、中國上海的賽科石油化工項目、中海殼牌石油化工有限公司惠州煉油項目，三個項目的控制系統(tǒng)中的基金會會現(xiàn)場設(shè)備分別達(dá)到了32,000臺、23,000臺和16,000臺，其生產(chǎn)規(guī)模也都是世界上排名前幾位的大型石化項目，其應(yīng)用均獲得滿意的效果。

其中世界上最大的煉油廠，印度的RelianceJamnagarExportRefinery(JERP)每天的煉油能力為124萬桶(擴(kuò)展現(xiàn)有的每天66萬桶能力,額外的每天增加58萬桶的產(chǎn)能)，采用的基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)段超過了3600個,其控制能力和復(fù)雜程度可以想見。在英國最大煤發(fā)電廠Drax改造項目；荷蘭天然氣生產(chǎn)NAMGroningen氣田；在能源優(yōu)化領(lǐng)域應(yīng)用FFMolsonCoors；在核能領(lǐng)域的DukePower項目；以及在生命科學(xué)多個領(lǐng)域應(yīng)用FFNovoNordisk項目，都選擇了基金會現(xiàn)場總線作為控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線基金會的目標(biāo)不僅僅是陸地上的巨型煉油廠，而且也瞄準(zhǔn)了海上的巨無霸，一種叫做FPSO的“浮式生產(chǎn)儲存裝卸”平臺，這種體積龐大的移動生產(chǎn)和儲運裝置，總噸位在30萬噸以上，所需的控制系統(tǒng)極其復(fù)雜。它集生產(chǎn)處理、儲存外輸及生活、動力供應(yīng)于一體，其油氣生產(chǎn)裝置系統(tǒng)，復(fù)雜程度和價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出同噸位油船，F(xiàn)PSO裝置作為海洋油氣開發(fā)系統(tǒng)的組成部分，一般與水下采油裝置和穿梭油船組成一套完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，是目前海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。同時它還具有高投資、高風(fēng)險、高回報的海洋工程特點。從技術(shù)特點看，基金會現(xiàn)場總線技術(shù)是這種平臺的最佳配偶。，

目前，世界上正在開發(fā)近?；蜻h(yuǎn)洋的海上石油和天然氣，這種大型的工程急需要一種全面檢測和控制管理系統(tǒng)，基金會現(xiàn)場總線也是最佳選擇。最近，國際BP公司在安哥拉海上31區(qū)塊油田開發(fā)的PSVM(Plutao,Saturno,VenusandMarte)油田，共有31個采集區(qū)塊，總面積達(dá)到5349平方公里，水深1500-2500米，該項目2011年已開始投產(chǎn)，預(yù)計2012年產(chǎn)能可達(dá)到每天15萬桶的能力截止2011年底，全世界在現(xiàn)場總線基金會注冊的產(chǎn)品已達(dá)到675個；有來自9個公司的11個自動化系統(tǒng)，9個公司是ABB、Azbil、Emerson、GE、Honeywell、Invensys、Siemens、Supcon、Yokogawa；在世界有6,000個基金會現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)正在運行；大約有1,200,000臺的現(xiàn)場總線設(shè)備正在運行。據(jù)統(tǒng)計，總線產(chǎn)品與服務(wù)的市場總額超過了20億美元,并且基金會現(xiàn)場總線的總體增長速度高于整體過程自動化市場的增長速度。在過程自動化行業(yè)，現(xiàn)場總線的硬件產(chǎn)品占據(jù)市場的一半份額，而基金會現(xiàn)場占據(jù)總線市場的70%份額。根據(jù)ARC綜合調(diào)研報導(dǎo)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，達(dá)到使用壽命的過程自動化系統(tǒng)設(shè)備價值高達(dá)650億美元，其中大部分設(shè)備有20年或者以上使用歷史，急需要更新改造。用戶不希望把這些設(shè)備推倒重來，而希望采用就地更新的方式。FounditionFieldbus被更多的最終用戶選擇用以更新他們的設(shè)備?，F(xiàn)場總線的優(yōu)點減少接線與安裝；易于集成；簡化操作和維護(hù)；靈活的拓樸結(jié)構(gòu)；實現(xiàn)與地點無關(guān)的控制；對等實體間高速通信；真正的可互操作性；完善的售后服務(wù)與技術(shù)支持。通信模型每個具有通信能力的現(xiàn)場總線物理設(shè)備都應(yīng)具有通信模型?；饡F(xiàn)場總線的核心部分之一是實現(xiàn)現(xiàn)場總線信號的數(shù)字通信。數(shù)字通信,作為通信行業(yè)中的后起之秀,相對于傳統(tǒng)的模擬通信,有抗干擾能力強(qiáng),通信質(zhì)量不受距離影響,信號易于調(diào)制、保密性高，可自動發(fā)現(xiàn)與控制差錯，可與計算機(jī)相連接，支持多種通信業(yè)務(wù)，對應(yīng)用設(shè)備要求低等一系列優(yōu)勢特點。協(xié)議數(shù)據(jù)的生成物理層物理層用于實現(xiàn)現(xiàn)場物理設(shè)備與總線之間的連接，為現(xiàn)場設(shè)備與通信傳輸媒體的連接提供機(jī)械和電氣接口，為現(xiàn)場設(shè)備對總線的發(fā)送或接收提供合乎規(guī)范的物理信號。數(shù)據(jù)鏈路層1加上前導(dǎo)碼、定界碼2數(shù)據(jù)編碼1去除前導(dǎo)碼、定界碼2數(shù)據(jù)解碼物理層作為電氣接口，一方而接受來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，把它轉(zhuǎn)換為物理信號，并傳送到現(xiàn)場總線的傳輸媒體上，起到發(fā)送驅(qū)動器的作用；另一方面把來自總線傳輸媒體的物理信號轉(zhuǎn)換為信息送往數(shù)據(jù)鏈路層，起到接收器的作用。物理層FF現(xiàn)場總線H1區(qū)域通信模型的主要組成部分從物理設(shè)備構(gòu)成角度:物理信號波形基金會現(xiàn)場總線為現(xiàn)場設(shè)備提供兩種供電方式:1）總線供電

2）非總線式單獨供電總線供電的場合，總線上既要傳送數(shù)字信號，又要由總線為現(xiàn)場設(shè)備供電。物理層信號編碼用戶數(shù)據(jù)協(xié)議高層數(shù)據(jù)鏈路層物理層數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元前導(dǎo)碼、幀前定界碼、幀結(jié)束碼都是在發(fā)送端，由硬件生成并加載到物理信號上：發(fā)送驅(qū)動器傳輸介質(zhì)相關(guān)名詞解釋前導(dǎo)碼：其作用是使目的主機(jī)接收器時鐘與源主機(jī)發(fā)送器時鐘同步。緊接著是幀開始分界符字節(jié)“10101011”，用于指示幀的開始。

幀定界：常用的通信方式異步通信中以幀作為發(fā)送單位，接收端必須隨時做好接收幀的準(zhǔn)備。這時，幀的首部必須設(shè)有一些特殊的比特組合，使得接收端能夠找出一幀的開始，這種方式稱為幀定界。也就是所謂的異步通信中的“幀同步”。鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸單元是幀,協(xié)議不同，幀的長短和界面也有差別,但無論任何必須對幀進(jìn)行定界。傳輸介質(zhì)、最大傳輸距離電纜類型電纜型號傳輸速率最大傳輸距離A屏蔽雙絞線#18AWGH131.25Kbps1900米#22AWG

H21Mbps750米#22AWGH22.5Mbps500米B屏蔽多對雙絞線#22AWGH131.25Kbps1200米C無屏蔽雙絞線#22AWGH131.25Kbps400米D多芯屏蔽電纜#16AWGH131.25Kbps200米FF現(xiàn)場總線支持多種傳輸介質(zhì)：雙絞線、電纜、光纜、無線介質(zhì)。導(dǎo)線媒體的允許傳輸距離網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同一條總線上的所有設(shè)備必須采用同一種傳輸介質(zhì)，并具有相同的傳輸速率。對于總線供電的網(wǎng)段，可同時使用總線供電和非總線供電的設(shè)備?？偩€型一、總線帶分支結(jié)構(gòu)采用這種結(jié)構(gòu)是一根總線（主干）穿過過程區(qū)域并且設(shè)備連接到總線上?？偩€到設(shè)備之間的電纜稱為分支。這種結(jié)構(gòu)適用于區(qū)域內(nèi)設(shè)備密度較低的情況，它常用于新安裝。樹型二、樹形或分支或雞爪形結(jié)構(gòu)它適用于在特定范圍內(nèi)現(xiàn)場總線設(shè)備密度較高的情況。它常用于升級情況，即電纜已與接線盒和設(shè)備安裝就位。在這種情況下，它為現(xiàn)場總線安裝提供了一種低成本增加新電纜的方法。IEC推薦的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，簡稱IEC）數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer,DLL）在基金會現(xiàn)場總線中處于第二層，它在物理層上傳輸“位”信息的基礎(chǔ)上，在相鄰節(jié)點間傳送幀數(shù)據(jù)信息，DLL也可能在傳輸中出現(xiàn)差錯，也需要進(jìn)行檢錯、糾錯而向上層提供無錯的透明傳送。

總線通信中的鏈路活動調(diào)度，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，活動狀態(tài)的檢測、相應(yīng)，總線上各臺設(shè)備間的鏈路時間同步，都是通過數(shù)據(jù)鏈路層來完成的。2023/2/429每個總線段上有一個鏈路活動調(diào)度器（LAS）它具備鏈路活動調(diào)度能力，能形成鏈路活動調(diào)度表，并按照調(diào)度表的內(nèi)容形成各類鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)，鏈路活動調(diào)度是該設(shè)備中數(shù)據(jù)鏈路層的重要任務(wù)。對沒有鏈路活動調(diào)度能力的設(shè)備來說，其數(shù)據(jù)鏈路層要對來自總線的鏈路數(shù)據(jù)做出響應(yīng)。

2023/2/431鏈路活動調(diào)度器LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它來掌管總線段上各設(shè)備對總線的操作。任何時刻每個總線段上都只有一個LAS處于工作狀態(tài)，總線段上的設(shè)備只有得到鏈路活動調(diào)度器LAS的許可，才能向總線上傳輸數(shù)據(jù)。因此LAS是總線的通信活動中心。

現(xiàn)場總線儀表與LAS2023/2/432FF協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層

FF通信采用多主站令牌傳遞的主從結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)的存取分調(diào)度傳輸(Scheduletransfer)和非調(diào)度傳輸(Unscheduledtransfer)

由LAS按照預(yù)定的調(diào)度時間表周期性地發(fā)起的通信活動，稱為受調(diào)度通信。

鏈路活動調(diào)度器內(nèi)有一個預(yù)定調(diào)度時間表。一旦到了某個設(shè)備要發(fā)送的時間，鏈路活動調(diào)度器就發(fā)送一個強(qiáng)制數(shù)據(jù)(CD，compeldata)給這個設(shè)備?；驹O(shè)備收到這個強(qiáng)制數(shù)據(jù)信息，就可以向總線上發(fā)送它的信息。受調(diào)度通信一般用于在設(shè)備間周期性地傳送控制數(shù)據(jù)。如在現(xiàn)場變送器與執(zhí)行器之間傳送測量或控制器輸出信號。

在預(yù)定的調(diào)度時間表之外的時間，通過得到令牌的機(jī)會發(fā)送信息的通信方式稱為非調(diào)度通信。由此可以看到，F(xiàn)F通信采用的是令牌總線工作方式。2023/2/434數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層被分為兩個工作層：一個提供對總線的訪問(數(shù)據(jù)鏈路層低層功能)；另一個是在數(shù)據(jù)鏈路使用者之間控制數(shù)據(jù)傳輸(數(shù)據(jù)鏈路層高層功能)。DLL低層（媒體訪問）功能：基本設(shè)備BD(BasicDevice)不能主動發(fā)起通信，只能接收查詢；鏈路主設(shè)備LMD(LinkMasterDevice)在得到令牌時可以發(fā)起一次通信；鏈路活動調(diào)度器LAS(LinkActiveScheduler)發(fā)起周期和非周期通信。網(wǎng)橋DLL高層（數(shù)據(jù)傳輸）功能：FF提供三種傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制：一種無連接方式；兩種面向連接方式。無連接方式用于支持報告分發(fā)VCR；一種面向連接方式用于支持發(fā)布/訂閱VCR，另一種面向連接方式用于支持客戶/服務(wù)器VCR。用于發(fā)布數(shù)據(jù)的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸：發(fā)布數(shù)據(jù)的傳送主要是來自于發(fā)布者的數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)幀（DLPDU）通過緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送。2023/2/435數(shù)據(jù)傳送幀只包含一個地址，即發(fā)布者的地址。

用于進(jìn)行請求/響應(yīng)交換的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸：請求/響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸主要用于客戶/服務(wù)器之間的通過隊列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

無連接數(shù)據(jù)傳輸：無連接數(shù)據(jù)傳輸主要用于在數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)訪問點（DLSAP）之間通過隊列進(jìn)行獨立的DLPDU的傳送。數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元

DL-PDU幀DL-PDU提供數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議控制信息。協(xié)議控制信息由三部分組成:DLPDU類型符號幀控制字節(jié)建立連接1EC11111LF00斷開連接1DC10111LF00強(qiáng)制數(shù)據(jù)1CD11111LEPP數(shù)據(jù)幀1DT11101LFPP狀態(tài)響應(yīng)SR00010F11傳遞令牌PT00110FPP空閑幀Idle00010F10DLPDU的種類和幀控制信息格式（部分）數(shù)據(jù)鏈路層LAS每個總線段上有一個媒體訪問控制中心，稱為鏈路活動調(diào)度器LAS

。LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它來掌管總線段上各設(shè)備對總線的操作。受調(diào)度通信：非調(diào)度通信：基金會現(xiàn)場總線的通信活動分為兩類：預(yù)定調(diào)度時間表，到時就由LAS發(fā)CD給基本設(shè)備。適于現(xiàn)場設(shè)備之間周期性通信；LAS在調(diào)度時間表之外，發(fā)令牌到總線，適于現(xiàn)場設(shè)備之間非周期通信，是令牌總線方式。LAS基本功能：1)向設(shè)備發(fā)送強(qiáng)制數(shù)據(jù)CD；2)向設(shè)備發(fā)送傳遞令牌PT；3)為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址；4)定期對總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時間和調(diào)度時間；5)監(jiān)視設(shè)備對傳遞令牌PT的響應(yīng)LAS工作過程鏈路活動調(diào)度器LAS調(diào)度權(quán)的競爭過程與轉(zhuǎn)交；鏈路活動的調(diào)度算法；活動表及其維護(hù)FF基本標(biāo)準(zhǔn)功能塊名稱符號名稱符號模擬量輸入AI離散輸出DO模擬量輸出AO手動裝載ML偏置B比例微分PD控制選擇CS比例積分微分PID離散輸入DI比率系數(shù)RA功能塊應(yīng)用進(jìn)程FBAPFBAP位于基金會現(xiàn)場總線通信模型的最高層—用戶層。FBAP作為用戶層的重要組成部分，用于完成基金會現(xiàn)場總線中的自動化系統(tǒng)功能?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)是協(xié)同工作的應(yīng)用進(jìn)程AP的集合。應(yīng)用進(jìn)程AP是現(xiàn)場總線系統(tǒng)活動的基本組成部分，是最基本的對象。每個應(yīng)用進(jìn)程AP表述了存在于一個設(shè)備內(nèi)的分別包裝成組的功能塊FB。自動化系統(tǒng)FBAPsFBs功能塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能塊應(yīng)用進(jìn)程提供一個通用結(jié)構(gòu)，把實現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)定它們各自的輸入、輸出算法、事件、參數(shù)與塊控制圖，把按時間反復(fù)執(zhí)行的函數(shù)模塊為算法，把輸入?yún)?shù)按功能塊算法轉(zhuǎn)換成輸出參數(shù)。3244MW溫度變送器基金會現(xiàn)場總線的3244MW型多變量溫度變送器功能方框圖功能塊服務(wù)

功能塊服務(wù)描述了在接口設(shè)備、臨時性設(shè)備中含有功能塊應(yīng)用的現(xiàn)場設(shè)備之間，運用FMS所進(jìn)行的相互作用。功能塊服務(wù)表功能塊服務(wù)服務(wù)說明支持對象FB_ReadI/T設(shè)備讀取現(xiàn)場設(shè)備OD中的參數(shù)及其它對象的相關(guān)值塊、參數(shù)、鏈接、趨勢、觀測FB_WriteI/T設(shè)備向現(xiàn)場設(shè)備OD中塊參數(shù)及其它對象寫入值塊、參數(shù)、鏈接、趨勢、觀測FB_Alert_Notify現(xiàn)場設(shè)備向接口設(shè)備報告警報或事件報警FB_Alert_Ack接口設(shè)備在處理報警后清除警報/事件的未確認(rèn)屬性報警FB_TagI/T設(shè)備更改塊（FB，TB，BR）的位號（Tag)塊FB_Action

使一個塊或?qū)ο蟮囊粋€實例被創(chuàng)建或刪除塊、鏈接、趨勢功能塊應(yīng)用進(jìn)程FBAP的組成完整的功能塊應(yīng)用進(jìn)程由功能塊應(yīng)用對象、對象字典、設(shè)備描述組成。5設(shè)備描述DD與DDL

設(shè)備描述為主機(jī)系統(tǒng)提供了一種自動識別和作用現(xiàn)場設(shè)備的方式。設(shè)備描述是設(shè)備功能的一種表示。每臺設(shè)備都有特定的設(shè)備描述，它描述了其資源和功能塊功能。設(shè)備描述可從供應(yīng)商或現(xiàn)場總線基金會得到。設(shè)備描述裝載到主機(jī)就像打印機(jī)驅(qū)動程序裝載到PC機(jī)一樣。設(shè)備描述語言DDL設(shè)備描述語言是一種特別的編程語言用來開發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的描述。設(shè)備描述語言僅僅適用于FF現(xiàn)場總線或HART技術(shù)，它是一種類似于C語言的編程語言，一旦設(shè)備描述開發(fā)好，它們將在現(xiàn)場總線基金會注冊。然后現(xiàn)場總線基金會發(fā)布這些設(shè)備描述使現(xiàn)在主機(jī)能支持新設(shè)備。

設(shè)備描述DD分層配置設(shè)備描述服務(wù)DDS

通信控制器1．總線上的信號驅(qū)動和信號接收5．幀校驗序列的產(chǎn)生和驗證4．