第四章-FF总线讲解

2020/10/5第六章FF总线天津职业技术师范大学刘玉亮[e-mail]2020/10/5主要内容Ff总线基本概念Ff总线的优势Ff总线关键技术Ff总线应用系统2020/10/5现场总线基金会(FieldbusFoundation)1.成立于1994年2.北美的WorldFIP和ISP两大集团合并为FF3.非营利为目的组织4.约300多个著名仪表供应商和最终用户加盟5.开放互联，其技术成果由现场总线基金会拥有和控制6.1996年发布FF通信协议第一版H1（31.25kbps)7.2000年11月1日公布HSE（100Mbps高速以太网）2020/10/5基金会现场总线现场总线基金会(FIELDBUSFOUNDATION)组织开发的基金会现场总线标准Ff(FOUNDATIONfieldbus)成为IEC61158总线国际标准的类型1和类型5，是通信技术和DCS技术的综合。是针对自动化控制的现场总线。FOUNDATIONfieldbusFf基金会现场总线技术FIELDBUSFOUNDATIONFF现场总线基金会2020/10/5Ff总线控制系统示意图工作站变送器人机界面终端电阻供电接线盒H1Bus电缆以太网电缆电源调节器阀门定位器HSE链路设备终端电阻H1Bus2020/10/5•丰富的功能块模型•统一的数据格式•时间的同步•控制的精确性•信息的发布和预定模式•具有极高的可用性•采用国际标准的控制网络•可靠的网络管理功能现场总线基金会的技术涵盖了ARC定义的协作式过程自动化系统的各个关键方面.现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革2020/10/5现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革•现场总线基金会的技术采用功能块的结构，这使得在现场的控制变成可能。在现场的控制可以提高控制回路的完整性和可靠性。•现场总线基金会的网络管理功能和链路活动管理器的技术可以确保网络的连续运行。•现场总线基金会的安全仪表系统(SIS)的概念将给仪表安全系统和特殊控制系统带来革命性的变革。根据NIST(美国国家标准和技术学会)的统计,由于由于控制系统的失灵和操作人员对控制危机状况的解决不力而对美国经济造成的损失，每年高达200亿美元。过程完整性2020/10/5现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革•支持商业应用•生产管理•资产管理•企业上层应用•丰富的诊断信息•现场总线基金会技术还提供增强的跟踪、追溯、验证以及合规的能力基金会现场总线技术采用“客户机/服务器的技术，实现企业的各个层面商业智能的高度集成。商业智能化2020/10/5现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革•不论是HSE还是H1总线，基金会现场总线技术的功能块都是一样的•基金会现场总线的系统不需要停车，就可进行扩展。•设备可以在线增加，或进行“热”切换；•现场总线基金会技术支持在线软件下载和升级。基金会技术没有规模的限制，从最小的到最大的过程自动化系统都能适用。基金会技术的开放性，以及它不依赖于特定的操作系统或供应商平台的特点，使它能够很容易地采用新建立的标准。开放的、规模可变的集成2020/10/5已经认证的总线设备1998199920002001200220032004200520062007050100150200250300350400450500NumberofRegisteredDevices2020/10/5应用于各行各业68%的项目选择基金会现场总线技术超过10,500套总线系统2020/10/5Ff技术特色Ff不仅是一种总线，而且是一个系统，是网络系统，也是自动化系统。可以理解为是DCS+网络。，它使系统即具有自动控制能力，又具有网络化数字通信能力。其网络通信围绕自动化任务进行。Ff系统是全分布式自动化系统。Ff系统是通信网络，而各种自动化设备作为其网络节点，实现信息共享和自动化功能。节点具有通信能力、控制功能。Ff总线能够通过网关与管理信息系统对接，为管控一体化提供条件。2020/10/5Ff主要技术内容1.通信技术2.标准化功能块（FB）与功能块应用进程（FBAP）3.设备描述（DD）与设备描述语言（DDL）4.通信控制器与智能仪表或工控机之间的接口技术5.系统集成技术6.系统测试技术2020/10/5通信技术基金会现场总线的通信技术包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、网络与系统管理等内容。它涉及一系列与网络相关的硬软件，例如通信准软件、被称之为圆卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机的接口卡、各种网关、网桥叫继器等。它是现场总线的核心基础技术之一。2020/10/5标准化功能块（FB）与功能块应用进程（FBAP）FF提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化，规定它们各自的输人、输出、算法、事件、参数和块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。便于实现不同制造商产品的混合组某与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能上自动化功能的基础。2020/10/5设备描述(DD)与设备描述语言(DDL)为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操作，基金会现场总线采用了设备描述技术。设备描述是控制系统为理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，因而也可以将其看作控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编程器，把DDL编写的设备描述的源程序转化为机器可读的输出文件。控制系统正是凭借这些机器可读的输出文件来理解来自各制造商的设备的数据意义。现场总线基金会把基金会的标准DD和经基金会注册过的制造商附加DD写成CD-ROM，提供绍用户。2020/10/5通信控制器与智能仪表或工控机之间的接口技术在现场总线的产品开发中，常采用OEM集成方法构成新产品，即把FF集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等部件与完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备。2020/10/5系统测试技术系统测试技术包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术，总线监听分析技术，系统的功能、性能测试技术等。一致性和互可操作性是保证系统开放性而采取的重要措施。2020/10/5Ff总线分类及拓扑结构FF现场总线两种类型，即H1和HSEHSE--高速现场总线，通信速率为100Mbps，采用冗余技术，只有总线型拓扑结构.H1--用于过程自动化的低速总线,通信速率为31.25kbps,可以总线供电,并提供本质安全.H1的拓扑结构可采用总线型,树型和菊花链型拓扑结构,在同一网段可以是混合型拓扑结构.HSE和H1之间通过链路设备LD连接.2020/10/5基金会现场总线技术-FF(H1)通信模型FF(H1)通信模型符合国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI参考模型，采用7层参考模型中的3层，并增加了用户层，按层次分为四层，即：PhysicalLayer物理层DataLinkLayer数据链路层ApplicationLayer应用层UserLayer用户层2020/10/5基金会现场总线（FF）通信模型应用层7表示层6会话层5传输层4网络层3数据链路层2物理层1OSI参考模型FF通信模型用户层用户层现场总线报文规范子层（FMS）现场总线访问子层（FAS）FMS/FDA省略3-6层TCP/UDPIPH1数据链路层数据链路层H1物理层物理层H1HSE2020/10/52020/10/52020/10/5FF总线协议数据的构成层次2020/10/5物理层数据链路层现场总线访问子层（FAS）现场总线报文规范子层（FMS）通信栈用户层现场总线现场设备和连线通信管理:-调度-数据传送类型及目的设备-通信支持和管理功能块-资源块-转换块-功能块基金会现场总线H1通信模型H1总线物理信号波形与网络配置VoltageTimeDCbias9to32Volts0.75to1.0Vp-p现场总线信号DeviceCurrent+0ReceivingTransmitting现场设备15to20mAp-p100OhmPowerSupply100Ohm现场总线网络CC信号波形31.25Kbit/sH1网段拓扑构成主设备总线设备可以连接在支线上现场设备终端器终端器总线现场总线供电电源最长1900M电源调理器2020/10/5H1网络拓扑结构干线（Trunk):H1网段中通信主干线，作为其他线路（支线）主要传输源，是网络中任何两个设备间最长的电缆路径。支线（Spur):H1网络干线上的分支，每条支线上可接1-4台现场设备。网络：由介质，联结器及其关联的通信部件联接所组成的，它能把通信设备联接在一起。段：被它的特性阻抗（通过终端器）所终结的现场总线的一个部分（终端器连接到总线的H1卡）。ControlRoomEquipmentJunctionBoxSpursTrunkSplicesH1网络拓扑结构2020/10/5JunctionBox2020/10/5H1网络设备电源：为总线或现场设备供电。本质安全栅：H1的安全场所与危险场所的隔离器。终端器：用在传输电缆的两端的阻抗匹配器，每条总线段需要2个终端器。网桥：用于连接不同传输速率或不同传输介质的网络设备。中继器：用于扩展现场总线网络，H1网络上的任意2台设备之间最多可以使用4台中继器。（A型电缆，最大距离9500m)2020/10/5VirtualCommunicationRelationships(VCRs)FF网络通信中,现场设备的信息传送，是通过应用进程之间的逻辑上的连接进行的，这种通信连接称为虚拟通信关系VCR。FF的通信关系VCR2020/10/5数据传输的三种方式发布/预定定制•周期实时点对点由LAS管理客户/服务器非定制•用户发起非实时报告分发非定制•报警和事件非实时时间戳LAS2020/10/5数据通信(VCR)FCFT发布-预订客户-服务器报告分发Devicemustopencommunicationchannelstotalktoremotedevices.2020/10/52020/10/5FF通信设备类型按照设备的通信能力，Ff将通信设备分为三种类型：链路主设备（LinkMasterDevice）：有能力成为链路活动调度器LAS（LinkActiveScheduler）的设备，包括主机接口或某些基本设备。基本设备BasicDevice：具备基本通信能力，即只能接受总线命令作出响应的总线设备，不具备LAS能力。网桥Bridge：用于连接不同传输速率或不同传输介质的设备，比如将下游各个H1网段连接在一起的设备，同时也是H1和HSE接口设备，它必须成为链路主设备。2020/10/5FF的链路活动调度器LAS（LinkActiveScheduler）LAS是总线段上的调度中心,具有总线上所有设备的清单和链路活动调度表，控制通信介质上数据传输活动,任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态。LAS功能：向设备发送强制数据CD;向设备发送传递令牌PT;为新入网设备探测未用地址；定期对总线短发布数据链路时间和调度时间；监视设备对传递令牌PT的响应。FF的链路活动调度器FieldbusLASBASICDEVICELAS=LinkActiveSchedulerLINKMASTERDEVICELINKMASTERDEVICEBASICDEVICEBASICDEVICEBASICDEVICELASXFF的链路活动调度器H1设备标识现场设备标识：设备标识DeviceID由设备制造商提供的序列号serialnumber例如：003453ACME39483847设备位号DeviceName(TAG)由用户为操作设置例如:TT-101设备网络地址DeviceAddress在网段上的唯一地址例如:332020/10/5HSE特点100Mbit(允许10Mbit,1Gbit)Wirean