基金会现场总线技术简述及最新发展-FFTechnica课件

基金会现场总线技术简述

ABB(中国)有限公司

曾硕巍

控制系统亚太区中国部经理

william-shuowei.zeng@

基金会现场总线技术简述FF技术概述FF技术概述FF通信技术FF功能块技术FF设备描述FF互操作性FF技术特点FF技术的最新发展FF技术概述国际电工委员会IEC61158(测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线,由IEC/TC65/SC65C/WG6制定)标准的定义现场总线是安装在制造或过程区域的现场设备（FieldDevice)与控制室内的自动化控制装置之间的进行数字式、多节点、串行通讯的数据总线开放性互操作性降低初始投入(CAPEX)，如节省布线，文档，调试费用新一代自动化系统的必备技术作为一个使能技术，它支持高端应用解决方案的开发资产管理或资产优化进一步降低资产生命周期的运行成本（OPEX)现场总线Fieldbus国际电工委员会IEC61158(测量和控制数字数据通信APPLICATION应用层7PERSENTION表示层6SESSION会话层5TRANSPORT传输层4NETWORK网络层3DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1APPLICATION应用层7PERSENTION表示层6SESSION会话层5TRANSPORT传输层4NETWORK网络层3DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1物理介质用户用户ISOOSI-RM数据通讯参考模型现场总线通讯协议模型APPLICATIONPERSENTIONSESSIONTR基金会现场总线基金会现场总线现场总线基金会(FieldbusFoundation)现场总线基金会(FF)历史FF成立于1994年由北美的WorldFIP和ISP两大集团合并而成约350多个著名控制及仪表供应商和最终用户加盟开放互联基金会现场总线标准Ff(FOUNDATIONfieldbus)由现场总线基金会(FF)拥有和控制1996年发布FF通信协议第一版H1（31.25Kbps)IEC61158总线国际标准的类型12000年11月1日公布HSE（100Mbps高速以太网）IEC61158总线国际标准的类型5IEC61158：测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线

10种技术类型总线

由IEC/TC65/SC65C/WG6制定现场总线基金会(FieldbusFoundation)FF总线分类及拓扑结构FF现场总线网络结构包括两种类型FFH1，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.FFHSE，高速现场总线（基于以太网），通信速率为100Mbps，支持冗余技术，只有总线型拓扑结构HSE和H1之间通过链路设备（LinkingDevice)连接FF总线分类及拓扑结构FF现场总线网络结构包括两种类型基金会现场总线（FF）通信模型用户层基于IEC61804基金会现场总线（FF）通信模型用户层基于IEC6180FFHI网络概览物理层组成部分:Transmitter接线盒ActuatorDCS控制器e.g.OperatorStationEthernetCable电源配电器/电源调节器DIOTC/RTDFieldbus

ProcessInterfaceDIO

H1通讯卡总线电源配电器/电源调节器电缆终端电阻接线盒

-段保护器-现场总线安全栅

浪涌保护器终端电阻电缆H1BusEthernet以太网FFHI网络概览物理层组成部分:Transmitter接ControlRoomEquipmentJunctionBox接线盒Spurs分支Trunk主干线Splices

FFH1网络拓扑结构及线缆将设备连接至主干线的电缆线缆现场总线网络上两个相距最远的设备之间的电缆路径，即主要的现场总线通讯电缆ControlRoomJunctionBoxSpursH1网段H1网段不同网断上的设备FFHSEFFH1+HSE网络概览OPCServer链接设备LinkingDevice链接设备LinkingDevice操作员站工程师站AMS/AODCS控制器基于Ethernet的控制网络H1网段H1网段H1网段不同网断上的设备FFHSEFFH1FF数据传输的三种方式发布/预订(Publisher-Subscriber)定制周期性实时点对点由LAS管理客户/服务器(Client-Server)非定制用户发起非实时报告分发(ReportDistribution)非定制报警和事件非实时时间标签LASFF数据传输的三种方式发布/预订(PublishVirtualCommunicationRelationships(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的虚拟通信关系VCRFCFT发布-预订VCR客户-服务器VCR报告分发VCRDevicemustopencommunicationchannelstotalktoremotedevicesVirtualCommunicationRelationFF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其它设备。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。FF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链路活动调度器LAS(LinkActiveScheduler）LAS是总线段的调度中心,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功能包括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链路活动调度器(LAS)FOUNDATIONFieldbus(FF)LAS基本设备链路主设备链路主设备基本设备基本设备基本设备LASX链路活动调度器LAS(LinkActiveSchedFFH1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:33FFH1设备标识现场设备标识：FFH1网段概览

HI网段特征物理层遵循

IEC61158-2标准

2线，多台仪表，位同步、双向、数字化通讯

波特率

31.25Kbps

网段驱动电压

9-32VDC。

通讯信号电流

9mA。

屏蔽双绞线

树型(鸡爪型)、分支型和混合型拓朴结构

电缆总长度：1900m。

分支电缆长度：30-120m。

挂接设备数量：32台。

防爆方法：本质安全防爆，等。FFH1网段概览HI网段特征FFHSE特点100Mbps(允许10Mbps,1Gbps)双绞线和光缆标准以太网接口标准以太网集线器标准以太网接线规则链接设备(LinkingDevices,网关和网桥）冗余FFHSE高速以太网FFHSE特点FFHSE高速以太网TransducerBlockFunctionBlock(s)ResourceBlockfieldbus资源块设备特性:

-设备名称

-制造厂商

-设备序列号-允许特性功能块定义控制算法特性:

-AI,AO,DI,DO,PID,etc.-多于30个以上类型

转换块传感器接口

-校验信息-组态信息典型用户层应用块用户层提供过程接口及实现通讯系统与用户的互操作用户层是FF与其它现场总线的显著区别FF不仅仅是一个总线技术，而是一个控制系统TransducerBlockFunctionBlock(s资源块描述设备的一般信息，包括：ManufacturerName

制造厂商ModelNumber

模件系列号MaterialsofConstruction

设备材质DeviceOptions

设备可选项，取决于所选设备一个设备的资源块是唯一的ResourceBlock资源块

资源块描述设备的一般信息，包括：ResourceBlockTransducerBlock转换块用于变送器和传感器的接口，读取传感器数据，包括设备调校和其它数据设备标定信息（量程、线性化）传感器数据（类型，组态）单一设备的可以有多个转换块转换块的模式可以组态，在对设备进行标定时，模快必须设置为OOS状态SensorTransducerAnalogInputBlockActuatorTransducerAnalogOutputBlockTransducerBlock转换块用于变送器和传感器的FunctionBlocks功能块功能块是参数、算法和事件的完整组合，由外部事件驱动功能块的执行，通过算法将输入参数转换为输出参数，不同的功能块组合成用户所需的控制策略，实现应用系统的控制功能，功能块的输入输出参数可以跨网段实现连接。设备中的功能块取决于所选设备的类型单一设备可以有多个功能块，如AI,AO,PID等控制在现场（ControlInField）FF定义10个标准功能块(Part2)11个先进功能块(Part3)8个高级功能块(Part3)4个多输入/多输出功能块(Part4)柔性功能块(Part5)FF功能块驻留在实际设备中制造商可以增强功能块制造商可以创建用户化功能块FunctionBlocks功能块功能块是参数、功能块应用进程应用AO

MLManualControlAOFeedbackControlAIAIPIDPDAIDIAODOInputOutputAOOverrideControlAIAIPIDPIDSSAORatioControlAIRAAIPIDAOCascadeControlAIPIDAIPIDSplitRangeControlAOAOAIBGBGPIDAOTrack,FeedforwardCapabilityinControlAIPIDAOAIDI功能块应用进程应用AOMLManualContro变送器定位器tAI(50ms)VCR(30ms)PID(200ms)AO(200ms)宏周期:500ms

VCR类型:

Publisher/SubscriberLAS用于功能块的控制和通信的规划调度功能块的执行在时间上是确定性的功能块调度

分布化的智能–确定的时序安排变送器定位器tAI(50ms)VCR(30ms)PID设备描述(DD)技术

设备描述(DD，DeviceDescriptions)是基金会现场总线为实现可互操作性而提供的一个重要工具由称为设备描述语言(DDL)的标准编程语言编写实现--EDDLDD包括参数标签、工程单位、要显示的十进制数、参数关系、量程与诊断菜单。DD由两个部分组成由基金会提供的为所有标准的功能块和转换块的设备描述，它包括由DDL描述的一组标准块及参数定义。由设备制造商提供的包括由DDL描述的设备功能的特殊部分，如设备的量程、诊断程序等。以上两部分结合在一起，完整地描述了设备的特性。设备描述(DD)技术设备描述(DD，DeviceD有关名词DeviceDescription(DD直到2003) =ElectronicDeviceDescriptionEDD“E”in“EDD”=“Electronic”EnhancedEDD=ImprovedvisualizationinEDD有关名词DeviceDescription(DD直到2EDDL?EDDL是电子设备描述语言基于文本的语言基于IEC61804标准（3及4部份）由两部分组成一个描述设备信息的文件（CD，因特网）一个主机应用服务，通过此服务主机从现场设备中取信息EDDL?EDDL是电子设备描述语言InteractionsWithFieldDevicesContentsuppliedbyISA,Copyright2008OperationsEngineeringInteractionsWithFieldDevice互操作性一个制造商的设备与另一个制造商设备通过现场总线网络进行互动而无功能损失的能力H1ITK,H1CTK,HSECTK,HSEITK，HIST等取得成功的关键因素之一互操作性(Interoperability)互操作性互操作性(Interoperability)测试及注册ContentsuppliedbyISA,Copyright2008测试及注册ContentsuppliedbyISA,传统4-20mA一个变量一个方向数字信号多变量双向ControllerControlSystemNetworkFieldbusInput/OutputSubsystemControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点实现数字化、双向通信

支持多变量传输取消数字/模拟转换传统4-20mA数字信号ControllerControl传统现场总线将控制和I/O移到现场仪表ControllerControlSystemNetworkFieldbus4-20mAInput/OutputSubsystemPIDPIDAI

AIAOAOControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统的特点实现分布式控制功能控制在现场（ControlInField）传统现场总线ControllerControlSystem传统的4-20mA信号配线每个设备需要一个安全栅和一个根电缆现场总线配线多个设备需要一个安全栅和一个根电缆ControllerControlSystemNetworkFieldbus4-20mAInput/OutputSubsystemI.S.I.S.I.S.I.S.ControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点降低安装成本传统的4-20mA信号配线现场总线配线Controller传统4-20mA视野止于I/O子系统现场总线视野扩展到现场仪表ControllerControlSystemNetworkFieldbusRemoteInput/OutputSubsystemControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点控制设备信息扩展（过程信息，质量信息，诊断信息，等）支持资产管理及优化应用OK!BAD!故障报告块不在服务状态组态错误内存错误仪表需要维护未定义错误对执行机构的回读检查etc诊断信息源资源块转换块传统4-20mA现场总线ControllerControl多站：一条现场总线挂接多台现场设备FieldbusControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点互操作性（Interoperability）A厂商设备B厂商设备C厂商设备任何制造商的设备，只要其遵循总线标准，即可进行互操作互换性（Interoperability）实现即插即用多站：一条现场总线FieldbusControllerCon内容FF技术概述FF技术的最新发展SIF-安全仪表功能WIO-无线与远程输入输出FFHSERemoteI/OEDDL&FDI–现场设备一体化结合EDDL与FDT/DTM技术的优势旨在开发一个开放且唯一的国际规范标准Client-ServerandOPCUA(IEC62541)诊断技术-与德国化工测量与调节技术标准化委员会（NAMUR/WG2.6）合作将诊断信息的整合标准化确保用户获得最有价值的信息内容MarketsServed>1,000,000devicesOver12,000Systems经实际应用验证的成熟的技术

Note:DatatobeupdatedMarketsServed>1,000,000devi问题问题演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！

基金会现场总线技术简述

ABB(中国)有限公司

曾硕巍

控制系统亚太区中国部经理

william-shuowei.zeng@

基金会现场总线技术简述FF技术概述FF技术概述FF通信技术FF功能块技术FF设备描述FF互操作性FF技术特点FF技术的最新发展FF技术概述国际电工委员会IEC61158(测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线,由IEC/TC65/SC65C/WG6制定)标准的定义现场总线是安装在制造或过程区域的现场设备（FieldDevice)与控制室内的自动化控制装置之间的进行数字式、多节点、串行通讯的数据总线开放性互操作性降低初始投入(CAPEX)，如节省布线，文档，调试费用新一代自动化系统的必备技术作为一个使能技术，它支持高端应用解决方案的开发资产管理或资产优化进一步降低资产生命周期的运行成本（OPEX)现场总线Fieldbus国际电工委员会IEC61158(测量和控制数字数据通信APPLICATION应用层7PERSENTION表示层6SESSION会话层5TRANSPORT传输层4NETWORK网络层3DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1APPLICATION应用层7PERSENTION表示层6SESSION会话层5TRANSPORT传输层4NETWORK网络层3DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1物理介质用户用户ISOOSI-RM数据通讯参考模型现场总线通讯协议模型APPLICATIONPERSENTIONSESSIONTR基金会现场总线基金会现场总线现场总线基金会(FieldbusFoundation)现场总线基金会(FF)历史FF成立于1994年由北美的WorldFIP和ISP两大集团合并而成约350多个著名控制及仪表供应商和最终用户加盟开放互联基金会现场总线标准Ff(FOUNDATIONfieldbus)由现场总线基金会(FF)拥有和控制1996年发布FF通信协议第一版H1（31.25Kbps)IEC61158总线国际标准的类型12000年11月1日公布HSE（100Mbps高速以太网）IEC61158总线国际标准的类型5IEC61158：测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线

10种技术类型总线

由IEC/TC65/SC65C/WG6制定现场总线基金会(FieldbusFoundation)FF总线分类及拓扑结构FF现场总线网络结构包括两种类型FFH1，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.FFHSE，高速现场总线（基于以太网），通信速率为100Mbps，支持冗余技术，只有总线型拓扑结构HSE和H1之间通过链路设备（LinkingDevice)连接FF总线分类及拓扑结构FF现场总线网络结构包括两种类型基金会现场总线（FF）通信模型用户层基于IEC61804基金会现场总线（FF）通信模型用户层基于IEC6180FFHI网络概览物理层组成部分:Transmitter接线盒ActuatorDCS控制器e.g.OperatorStationEthernetCable电源配电器/电源调节器DIOTC/RTDFieldbus

ProcessInterfaceDIO

H1通讯卡总线电源配电器/电源调节器电缆终端电阻接线盒

-段保护器-现场总线安全栅

浪涌保护器终端电阻电缆H1BusEthernet以太网FFHI网络概览物理层组成部分:Transmitter接ControlRoomEquipmentJunctionBox接线盒Spurs分支Trunk主干线Splices

FFH1网络拓扑结构及线缆将设备连接至主干线的电缆线缆现场总线网络上两个相距最远的设备之间的电缆路径，即主要的现场总线通讯电缆ControlRoomJunctionBoxSpursH1网段H1网段不同网断上的设备FFHSEFFH1+HSE网络概览OPCServer链接设备LinkingDevice链接设备LinkingDevice操作员站工程师站AMS/AODCS控制器基于Ethernet的控制网络H1网段H1网段H1网段不同网断上的设备FFHSEFFH1FF数据传输的三种方式发布/预订(Publisher-Subscriber)定制周期性实时点对点由LAS管理客户/服务器(Client-Server)非定制用户发起非实时报告分发(ReportDistribution)非定制报警和事件非实时时间标签LASFF数据传输的三种方式发布/预订(PublishVirtualCommunicationRelationships(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的虚拟通信关系VCRFCFT发布-预订VCR客户-服务器VCR报告分发VCRDevicemustopencommunicationchannelstotalktoremotedevicesVirtualCommunicationRelationFF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其它设备。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。FF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链路活动调度器LAS(LinkActiveScheduler）LAS是总线段的调度中心,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功能包括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链路活动调度器(LAS)FOUNDATIONFieldbus(FF)LAS基本设备链路主设备链路主设备基本设备基本设备基本设备LASX链路活动调度器LAS(LinkActiveSchedFFH1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:33FFH1设备标识现场设备标识：FFH1网段概览

HI网段特征物理层遵循

IEC61158-2标准

2线，多台仪表，位同步、双向、数字化通讯

波特率

31.25Kbps

网段驱动电压

9-32VDC。

通讯信号电流

9mA。

屏蔽双绞线

树型(鸡爪型)、分支型和混合型拓朴结构

电缆总长度：1900m。

分支电缆长度：30-120m。

挂接设备数量：32台。

防爆方法：本质安全防爆，等。FFH1网段概览HI网段特征FFHSE特点100Mbps(允许10Mbps,1Gbps)双绞线和光缆标准以太网接口标准以太网集线器标准以太网接线规则链接设备(LinkingDevices,网关和网桥）冗余FFHSE高速以太网FFHSE特点FFHSE高速以太网TransducerBlockFunctionBlock(s)ResourceBlockfieldbus资源块设备特性:

-设备名称

-制造厂商

-设备序列号-允许特性功能块定义控制算法特性:

-AI,AO,DI,DO,PID,etc.-多于30个以上类型

转换块传感器接口

-校验信息-组态信息典型用户层应用块用户层提供过程接口及实现通讯系统与用户的互操作用户层是FF与其它现场总线的显著区别FF不仅仅是一个总线技术，而是一个控制系统TransducerBlockFunctionBlock(s资源块描述设备的一般信息，包括：ManufacturerName

制造厂商ModelNumber

模件系列号MaterialsofConstruction

设备材质DeviceOptions

设备可选项，取决于所选设备一个设备的资源块是唯一的ResourceBlock资源块

资源块描述设备的一般信息，包括：ResourceBlockTransducerBlock转换块用于变送器和传感器的接口，读取传感器数据，包括设备调校和其它数据设备标定信息（量程、线性化）传感器数据（类型，组态）单一设备的可以有多个转换块转换块的模式可以组态，在对设备进行标定时，模快必须设置为OOS状态SensorTransducerAnalogInputBlockActuatorTransducerAnalogOutputBlockTransducerBlock转换块用于变送器和传感器的FunctionBlocks功能块功能块是参数、算法和事件的完整组合，由外部事件驱动功能块的执行，通过算法将输入参数转换为输出参数，不同的功能块组合成用户所需的控制策略，实现应用系统的控制功能，功能块的输入输出参数可以跨网段实现连接。设备中的功能块取决于所选设备的类型单一设备可以有多个功能块，如AI,AO,PID等控制在现场（ControlInField）FF定义10个标准功能块(Part2)11个先进功能块(Part3)8个高级功能块(Part3)4个多输入/多输出功能块(Part4)柔性功能块(Part5)FF功能块驻留在实际设备中制造商可以增强功能块制造商可以创建用户化功能块FunctionBlocks功能块功能块是参数、功能块应用进程应用AO

MLManualControlAOFeedbackControlAIAIPIDPDAIDIAODOInputOutputAOOverrideControlAIAIPIDPIDSSAORatioControlAIRAAIPIDAOCascadeControlAIPIDAIPIDSplitRangeControlAOAOAIBGBGPIDAOTrack,FeedforwardCapabilityinControlAIPIDAOAIDI功能块应用进程应用AOMLManualContro变送器定位器tAI(50ms)VCR(30ms)PID(200ms)AO(200ms)宏周期:500ms

VCR类型:

Publisher/SubscriberLAS用于功能块的控制和通信的规划调度功能块的执行在时间上是确定性的功能块调度

分布化的智能–确定的时序安排变送器定位器tAI(50ms)VCR(30ms)PID设备描述(DD)技术

设备描述(DD，DeviceDescriptions)是基金会现场总线为实现可互操作性而提供的一个重要工具由称为设备描述语言(DDL)的标准编程语言编写实现--EDDLDD包括参数标签、工程单位、要显示的十进制数、参数关系、量程与诊断菜单。DD由两个部分组成由基金会提供的为所有标准的功能块和转换块的设备描述，它包括由DDL描述的一组标准块及参数定义。由设备制造商提供的包括由DDL描述的设备功能的特殊部分，如设备的量程、诊断程序等。以上两部分结合在一起，完整地描述了设备的特性。设备描述(DD)技术设备描述(DD，DeviceD有关名词DeviceDescription(DD直到2003) =ElectronicDeviceDescriptionEDD“E”in“EDD”=“Electronic”EnhancedEDD=ImprovedvisualizationinEDD有关名词DeviceDescription(DD直到2EDDL?EDDL是电子设备描述语言基于文本的语言基于IEC61804标准（3及4部份）由两部分组成一个描述设备信息的文件（CD，因特网）一个主机应用服务，通过此服务主机从现场设备中取信息EDDL?EDDL是电子设备描述语言InteractionsWithFieldDevicesContentsuppliedbyISA,Copyright2008OperationsEngineeringInteractionsWithFieldDevice互操作性一个制造商的设备与另一个制造商设备通过现场总线网络进行互动而无功能损失的能力H1ITK,H1CTK,HSECTK,HSEITK，HIST等取得成功的关键因素之一互操作性(Interoperability)互操作性互操作性(Interoperabi