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1、1,第2章 基金会现场总线,中国矿业大学信电学院 胡青松,2,第2章 基金会现场总线,2.1 概述 2.2 基金会现场总线网络设备与安装 2.3 基金会现场总线组态基础 2.4 基金会现场总线仪表及应用,3,第2章 基金会现场总线,基金会现场总线自问世以来，正以磅礴之势在连续工业过程控制中掀起了应用高潮。 在中国，据不完全统计，几百个大中项目遍及大江南北，其中不乏世界级大项目，如上海赛科工程、广东惠州中海壳牌石化工程和正在建设中的福建炼油乙烯工程，其规模之大让世人震惊。 其实，基金会现场总线不仅仅在规模上可以适应大中小规模上的变化，在控制类型上也正在把高速总线HSE扩展到连续过程控制以外的断续
2、和批量控制中。 应用领域包括石油天然气、炼油、石化、化工、冶金、制药、电力等 现场总线基金会对用户的承诺正在变成现实。,4,2.1.1 基金会现场总线发展背景、特点及应用情况 2.1.2 一个典型的工程实例 2.1.3 技术分析,2.1 概述,5,FF总线由低速(FF-H1)和高速(FF-HSE)两部分组成。 其中FF-H1网络以ISO/OSI模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型。 FF-H1传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1 900m（与传输介质有关，可加中继器延长），支持总线供电/本质安全防爆环境。 FF-H1主要用于过
3、程工业（连续控制）的自动化。 FF-HSE则采用基于Ethernet (IEEE802.3) +TCP/IP的六层结构，其通信距离为750m和500m。 物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC61158-2标准。 FF-HSE主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。,2.1 概述,6,FF总线的前身是ISP和WordFIP标准，ISP协议是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的；WordFIP协议是以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的。 FF的最大特色
4、在于它不仅是一种总线，而是一个系统。它既是网络系统也是自动化系统。 FF总线的低速部分除了实现现场总线信号的数字通信外，FF-H1具有适用于过程自动化的一些特点：支持总线供电、支持本质安全、采用令牌总线访问机制等。,2.1.1 基金会现场总线发展背景、特点及应用情况,7,2.1.1 基金会现场总线发展背景、特点及应用情况(续),基于以太网的高速部分HSE充分利用低成本和商业可用的以太网技术； HSE现场总线技术的另一个关键特点是，HSE现场设备支持标准的FOUNDATION功能模块，例如AI、AO和PID，也包括新的、具体应用于离散控制和I/O子系统集成的“柔性功能模块”； 所有或部分的HSE
5、网络和设备可实现冗余，以适应应用中容错的需要。 基金会现场总线在大、中、小系统中都有应用，但大部分的应用在中、小系统中。在过程控制领域，FF已成为公认的第一流技术。,8,2.1.2一个典型的工程实例,项目概况：上海拜耳漕泾园区(Bayer Material Science)下属的涂料厂、公用工程厂和聚酯厂已于2006年建成投产。该项目选用了FF基金会现场总线，特别是聚酯厂，使用的FF现场总线仪表较多。 1.设备的选用和总量该项目已使用了6套艾默生的DeltaV系统，其中涂料厂、公用工程厂、聚脂厂近期使用了DeltaV7.4版本和大量的FF设备；涂料厂为600台(全部模拟量设备)；公用工程厂为3
6、00台(另外有HART设备在单元包中)；聚脂厂为2200台。 2.网段设计塑料厂网段布局中，在1个H1例段上接两个子网段，聚酯厂网段布局为FF设备最大安装数量为8台，每个网段的最大阀门安装数为2台(阀门定位器为2个)，每个网段的备用的分支数为2个，每个分支上的FF设备为1台，也就是8：2：2：1模式。,9,3.辅助设备及电缆 （1）接线箱： 涂料厂：接线箱使用刀式开关终端 公用工程厂：Relcom的Mega-block接线箱 聚脂厂：带有P+F网段保护和现场隔离的接线箱 （2）现场总线辅助部件，包括电源模块和诊断模块、网段保护器和保护现场设备短路的现场安全栅由P+F Powerhubs提供。在
7、某些场合，浪涌保护也可以用在保护网段非闪电直接击中的浪涌破坏. （3）每个网段主干电缆：单根双绞线电缆,2.1.2一个典型的工程实例,10,4.现场仪表选型 （1）流量仪表：科里奥利流量计：E+H Promass；艾默生Micromotion；涡街流量计：艾默生8800系列，E+H Prowirl；电磁流量计：E+H Promag；超声波流量计：E+H Prosonic Flow； （2）压力仪表：E+H CerabarDeltabar；艾默生3051；Siemens Sitrans P； （3）温度仪表： 艾默生3244系列、848系列；Wika 5350； （4）料位仪表： 雷达： E+H
8、 FMR240、E+H FMR230；超声波 E+H Prosonic Level；（5）分析仪表： PH计：艾默生TR200；电导计艾默生400VP（6）控制阀门： Samson3787定位器；,2.1.2一个典型的工程实例,11,图2.1 FF网段布局图(聚酯厂，2个接线箱),2.1.2一个典型的工程实例,12,图2.2 FF网段布局图(聚酯厂，1个接线箱),2.1.2一个典型的工程实例,13,2.1.3技术分析,1基金会现场总线的主要技术基金会现场总线围绕工厂底层网络和全分布自动化系统这两个方面形成了它的技术特色。(1)基金会现场总线的通信技术它包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通
9、信控制器芯片、通信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，如通信栈软件，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、中继器等。它是现场总线的核心基础技术之一；无论对于现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。,14,(2)标准化功能块FB与功能块应用进程FBAP它提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特性标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，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态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统
10、构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。,2.1.3技术分析,15,2.1.3技术分析,(3)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。设备描述为控制系统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进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述器，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。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，提供给用户。,16,(4)现场总线通信
11、控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术。常采用OEM集成方法构成新产品。把这些部件与其他供应商开发的、或自行开发的、完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备的新产品。要通过FF的PC接口卡将总线上的数据信息与上位的各种MMI(即人机接口)软件、高级控制算法融为一体，尚有许多智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发要做。如与MMI软件连接中的OPC技术，它是实现数据开放式传输的基础。,2.1.3技术分析,17,(5)系统集成技术它包括通信系统与控制系统的集成，如网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等。 (6)系统测试技术包括通信系统的
12、一致性与互可操作性测试技术、总线监听分析技术、系统的功能和性能测试技术。一致性与互可操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，以便于通信系统的调试、诊断与评价。 功能、性能测试技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统综合指标的评价。,2.1.3技术分析,18,2通信系统的主要组成部分及其相互关系,基金会现场总线的参考模型只具备ISOOSI参考模型七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层-总线访问子层与总线报文规范子层。省
13、去了中间的36层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层。 FF在ISOOSI参考模型第七层应用层之上增加了新的一层-用户层。 物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备管理，实现网络管理、系统管理等。 在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可看作三层。,19,图2.3 基金会现场总线（FF）通信模型和OSI参考模型,2通信系统的主要组
14、成部分及其相互关系,20,图2.4 通信模型的主要组成部分及其相互关系,2通信系统的主要组成部分及其相互关系,21,图2.4从物理设备构成的角度表明了通信模型的主要组成部分及其相互关系。它在分层模型的基础上更详细地表明了通信的主要组成部分。 从图中可以看到，通信参考模型所对应的四个分层，即物理层、数据链路层、应用层、用户层，并按各部分在物理设备中要完成的功能，被分为三大部分：通信实体、系统管理内核和功能块应用进程。 各部分之间通过虚拟通信关系VCR来沟通信息。VCR表明了两个或多个应用进程之间的关联，或者说，虚拟通信关系是各应用之间的逻辑通信通道，它是总线访问子层所提供的服务。,2通信系统的主
15、要组成部分及其相互关系,22,通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层。由各层协议与网络管理代理共同组成。 通信实体的任务是生成报文与提供报文传送服务，是实现现场总线信号数字通信的核心部分。 层协议的基本目标是要构成虚拟通信关系。 网络管理代理则是要借助各层及其层管理实体，支持组态管理、运行管理、出错管理的功能。 各种组态、运行、故障信息保持在网络管理信息库NMIB中，并由对象字典DD来描述。对象字典为设备的网络可视对象提供定义与描述。,2通信系统的主要组成部分及其相互关系,23,系统管理内核SMK在模型分层结构中只占有应用层和用户层的位置，主要负责与网络系统相关的管理任务，如确立本设备在网段中
16、的位置，协调与网络上其他设备的动作和功能块执行时间。 用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，存储在系统管理信息库SMIB中。 系统管理内核包含有现场总线系统的关键结构和可操作参数，它在设备运行之前将基本的系统信息置入SMIB，然后根据系统专用名，分配给该设备一个永久(固定)的数据链接地址，并在不影响网络上其他设备运行的前提下，把该设备带入到运行状态。 系统管理内核采用系统管理内核协议与远程SMK通信。,2通信系统的主要组成部分及其相互关系,24,当设备加入到网络之后，可以按需要设置远程设备和功能块。为协调与网络上其他设备的动作和功能块同步，系统管理还为应用时钟同步提供一个通用的应用时钟参考。 功能块应用进程FBAP位于应用层和用户层,主要用于实现用户所需要的各种功能。 每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功能块及其相互连接，集成为功能块应用。 在功能块应用进程这部分，除了功能块对象之外，还包括对象字典OD和设备描述DD。采用OD和DD来简化设备的互操作，因而也可以把OD和DD看作支持功能块应用的标准化工具。,
