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1、合肥工业大学计算机与信息学学院计算机系20008级方向综合设计报报告方 向：分布式控制制与嵌入式系系统课题题目：现场场总线FF在在分布式控制制系统中的应应用姓 名：专业班级：学 号：指导教师：一、设计目的和和内容：设计目的：了解解分布式控制制系统和FFF总线，并掌掌握其通信规规程；设计内容：掌握握和了解分布布式控制系统统的结构以及及组成，现场场总线FF在在分布 式控制制系统中的作作用，尝试编编写一个符合合规约的通信信软件。二、背景知识：FF（Fielldbus Founddationn）现场总线线简介 FF总线系统体体系结构FF现场总总线基金会是是由WORLLDFIP NA（北美美部分，不包包
2、括欧洲）和和ISP FFoundaation于于1994年年6月联合成成立的，它是是一个国际性性的组织，其其目标是建立立单一的、开开放的、可互互操作的现场场总线国际标标准。这个组组织给予了IIEC现场总总线标准起草草工作组以强强大的支持。这这个组织目前前有l00多多成员单位，包包括了全世界界主要的过程程控制产品及及系统的生产产公司。19997年4月月这个组织在在中国成立了了中国仪协现现场总线专业业委员会（CCFC）。致致力于这项技技术在中国的的推广应用。FFF成立的时时间比较晚，在在推出自己的的产品和把这这项技术完整整地应用到工工程上相对于于Profiibus和WWORLDFFIP要晚。但但是
3、正由于FFF是19992年9月成成立的，是以以Fisheer Rossemounnt公司为核核心的ISPP（可互操作作系统协议）与与WORLDDFIP NNA两大组织织合并而成的的，因此这个个组织具有相相当实力：目目前FF在IIEC现场总总线标准的制制订过程中起起着举足轻重重的作用。FF(HHSE) 现现场总线即为为IEC定义义的H2总线线，它由Fiieldbuus Fouundatiion(FFF)组织负责责开发，并于于1998年年决定全面采采用已广泛应应用于IT产产业的高速以以太网（hiighspeeed ettherneet HSEE）标准。该该总线使用框框架式以太网网（Shellf E
4、thhernett）技术，传传输速率从1100Mbpps到1Gbbps或更高高。HSE完完全支持IEEC 611158现场总总线的各项功功能，诸如功功能块和装置置描述语言等等，并允许基基于以太网的的装置通过一一种连接装置置与H1装置置相连接。连连接到一个连连接装置上的的H1装置无无须主系统的的干予就可以以进行对等层层通信。连接接到一个连接接装置上的HH1装置同样样无须主系统统的干预也可可以与另一个个连接装置上上的H1装置置直接进行通通信。 HSE总线线成功地采用用CSMA/CD链路控控制协议和TTCP/IPP传输协议，并并使用了高速速以太网IEEEE8022.3标准的最新新技术。 现场总线基基
5、金会自19984年成立立以来，经过过十年的发展展，已经形成成了一个开放放的、全数字字化的工业通通信系统，并并在上世纪末末开始进入中中国市场，推推动了中国的的工业自动化化技术进步，并并开始了大型型全区域系统统集成的应用用。一个开放放式的总线协协议，很重要要的一点就是是有多少设备备支持这个协协议。否则，这这个协议的开开放性就没有有意义了。从从2001年年起，支持FFF总线的产产品越来越多多。据统计，22002年通通过FF基金金会认证注册册的产品增长长了24%，累累计达到1337种。其中中，压力仪表表32种，温温度仪表122种，流量仪仪表19种，物物位仪表122种，分析仪仪表16种，阀阀门类仪表33
6、0种，高速速以太网联接接设备5种，调调节仪表1中中，其他仪表表10种。有有10个公司司的控制系统统能够联接FFF总线的HH1网段。它它们是ABBB，Emerrson（DDelta-V）；Hooneyweell（Pllantsccape，EExperiion PKKS）；Innvensyys，Smaar（Sysstem3002）；Yaamatakke（Inddustriial DEEO），Yookogawwa（Cenntum，SStardoom）。在具体工程程方面，截至至2002年年6月，全球球已经安装的的FF总线仪仪表达到2005，0000台，已经安安装的系统达达到40000个。石油、天天然气
7、、石油油化工、化工工领域的项目目数占FF总总线全部项目目数的44.9%，说明明石化领域目目前是FF总总线最主要的的应用领域。 但实际际上，现场总总线系统已经经逐步在大型型和超大型规规模系统中得得到采用。据据报道，目前前已经在使用用的FF总线线系统的最大大规模已经达达到120000台仪表。我我国广西惠州州新建的大型型石化装置约约采用数千台台FF总线仪仪表，自动化化的总投资达达到50000万美元。上上海SECCCO新建的石石化装置也全全部采用FFF总线技术和和仪表，合同同金额达到33000万美美元。 现在在我国国已经安装的的FF总线系系统已经超过过100个，当当然大部分是是中小系统。最最近报道厦门
8、门湘鲁石化有有限公司，一一期投资为66亿美元。生生产纯净对苯苯二酸，是世世界上第一个个在本安区域域使用FF总总线的PTAA工厂。该系系统在本安区区域，有1661个网段，挂挂接742台台FF总线设设备。另外自自备锅炉还有有38个网段段，挂接1773台FF总总线设备。平平均一个网段段挂接4台设设备。采用的的系统是Emmersonn公司的产品品随着现现场总线技术术的发展，制制造商和用户户将越来越加加深对它的理理解。据预测测，到20005年，我国国的几个采用用FF总线系系统的大型石石化工程都将将投产。届时时，我国安装装的FF仪表表将达到数万万台。人们对对如何进行FFF总线系统统的设计、调调试、组态、维
9、维护以及现场场总线为用户户带来的实际际利益都会更更加明朗。因因此，随时掌掌握各种总线线的发展状况况是十分重要要的。1.1 FFF总线H1总总线电路和信信号形式H1网段下，总总线电路如图图2所示。现场设备静态供供电电流10015mA，信信号恒流方式式l520mAppp，多个设设备可以并联联，接收信号号在0.751Vpp电压范围围，最小不低低于150mmVpp，信号负负载的作用是是将1520mAppp电流方波波信号转化为为0.751Vpp的电压信信号。所以，匹匹配阻抗器既既不能多，也也不能少，否否则信号电压压将不正常，特特别是长线传传输的时候，如如果终端阻抗抗不匹配，经经常会产生反反射而使波形形失
10、真。电缆缆的特征阻抗抗是100欧姆，长长线要安装在在两端。1.2 物理理层FFH1、HHSE是高可靠性要要求的热工过过程控制的首首选，在当前前工业现场应应用极其广泛泛，它们的传传输距离可根根据实际情况况而定，不同同的传输介质质和传输介质质质量的好坏坏对信号的传传输距离有很很大的影响，就就拿FFH1低速总线线来说，如果果采用#188AWG屏蔽蔽双绞线的传传输介质，传传输距离可达达1900米，但但若采用#222AWG屏屏蔽双绞线，传传输距离则只只有12000米，且此传传输距离包含含主干与分支支的和，分支支最长不能超超过120米。另另外，传输介介质的质量对对传输距离也也有影响，但但据有关部门门考证，
11、目前前，国内很多多厂家生产的的电缆在要求求不是很严格格的情况下是是能够满足FFF总线的现现场需要的。所所以，在我们们设计FF总线网络络时，要根据据FF总线特性性、技术参数数来选择适当当的传输介质质，这样就能能起到事半功功倍的效果。FF总线技术参数表如表1所示。1.3 链路路层FF总线的链路路层是总线上上信息正确传传递的重要保保障，每条总总线上有且只只有一台现行行链路活动调调度器（LAAS），在FF总线网络络上任何一个个智能总线仪仪表都可以作作为该条线路路的LAS，LAS中有总总线上所有的的设备清单，它它负责管理总总线，管理其其它设备是否否占用总线。LAS将“时间重要”的实时过程数据与后台MM1
12、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。1.4 应用用层FF现场总线应应用层遵循开开放式系统互互联模式OSSI的基本架架构，FF现现场总线的应应用层服务由由FMS（FFieldbbus Meessagee Speccificaation）来来定义该层层定义了用户户进行通信所所需要的通信信服务、信息息格式、行为为状态等。在在应用层中定定义了网络可可视对象（NNetworrk Vissible Objeccts)、虚虚拟现场设备备（Virttual FField Devicce，简称VVFD）、虚虚拟通信关系系（Virttual CCommunnicatiion Reelatioo
13、nshipp，简称VCCR）几个概概念。在FF现场总线线规范中现现场设备之间间进行信息传传输所使用的的预组态的信信道称为虚拟拟通信关系相当于计算算机网络中的的虚电路。在在现场总线网网络系统中，设设备中的不同同的应用进程程进行通信时时通过使用不不同的VCRR可以进行互互不干扰的通通信。FMS在VCRR的端点向应应用进程提供供服务，FMMS提供的服服务分为有确确认的服务和和无确认服务务，其中有确确认的服务用用于操作和控控制应用对象象，如读，写写变量的值、访访问对象字典典OD等。使使用Clieent/Seerver VCR；无无确认的服务务用于发布数数据或通报事事件，发布数数据使用Puublishh
14、er/Suubscriiber VVCR；通报报事件使用RReportt Disttributtton VVCR。1.5 用户户层基金会现场总线线以ISO/OSI开放系系统互连模型型为基础，取取其物理层、数数据链路层、应应用层为FFF通信模型的的相应层次，并并在应用层上上增加了用户户层，用户层层主要针对自自动化测控应应用的需要，定定义了信息存存取的统一规规则，采用设设备描述语言言规定了通用用的功能块集集，FF总线利用用这些嵌入到到系统内部的的功能块实现现工业控制上上的各种控制制功能。FF公布十个基基本功能块：摸拟输入AAI；摸拟输输出AO；控制选选择CS；P，PD控制PD；手动ML；开关输输入
15、DI；开关输输出DO；偏置增增益BG；PID，PI，I控制PID；比率率RA。FF公布十九九个先进功能能块：复杂摸摸出；复杂开开出；脉冲输输入；输入选选择；运算；积算；分离离器；算术运运算；信号特特征；装置控控制；摸拟报报警；死区；定时；超前前滞后补偿；摸拟接口；步进PIDD；SP发生器；开关报警；开关接口。用用以上功能块块可以构筑几几乎所有基本本的控制策略略，功能相强强大。1.6 协议数据的构成成与层次图3表明了现场场总线协议数数据的内容和和模型中每层层应该附加的的信息。他也也从一个角度度反映了现场场总线保温信信息的形成过过程如某个用用户要将数据据通过现场总总线发往其他他设备，首先先在用户层形形成用户数据据，并把它们们送往总线报报文规范层处处理，每帧最最多可发送2251个8位位字节的用户户数据信息；用户数据信信息在FASS，FMS，DDLL各层分分别加上各层层的协议控制制信息，在数数据链路层还还加上帧校验验信息后，送送往物理层将将数据打包，即即加上帧前、帧帧后定界码，也也就是开头码码、帧结束码码，并在开头头码之前再加加上用于时钟钟同步的前导导码（或称之之为同步码）。该该图还表明了了各层所附的的协议信息的的字节数。信信息帧形成之之后，还要通通过物理层转转换为符合规规范的物理信信号，在网络络系统的管理理控制下，发发送到现场总总线网段上。图3 现场场总
