基金会现场总线FF 修改版 2

基金会现场总线FF

机自11-2吴柏龙许鸿飞潘云龙几种流行的现场总线1.基金会现场总线2.Profibus现场总线3.LonWorks4.CAN总线5.DeviceNet6.ControlNet几种流行现场总线的比较基金会现场总线1概述2物理层3数据链路层4用户层及功能块5设备描述DD与DDL6通信控制器1.概述基金会现场总线FF（FieldbusFoundation）是为了适应自动化系统，特别是过程自动化系统，在功能、适应条件与技术上的需要而专门设计的。新闻数据基金会现场总线通过20多年的发展，现在已经成为世界上工业自动控制的主要技术手段之一，特别是在大型石油、化工方面的成就更是世界瞩目，FF总线的业务随着经济复苏也在恢复它的魅力，目前，基金会现场总线技术已占据了全球最大的一些工厂和炼油厂，很多大型重工业基础性项目也采用了总线技术。当今世界上最大的石油化工项目，有印度的RelianceJamnagarExportRefinery(JERP)炼油厂、中国上海的赛科石油化工项目、中海壳牌石油化工有限公司惠州炼油项目，三个项目的控制系统中的基金会会现场设备分别达到了32,000台、23,000台和16,000台，其生产规模也都是世界上排名前几位的大型石化项目，其应用均获得满意的效果。

其中世界上最大的炼油厂，印度的RelianceJamnagarExportRefinery(JERP)每天的炼油能力为124万桶(扩展现有的每天66万桶能力,额外的每天增加58万桶的产能)，采用的基金会现场总线控制系统的网段超过了3600个,其控制能力和复杂程度可以想见。在英国最大煤发电厂Drax改造项目；荷兰天然气生产NAMGroningen气田；在能源优化领域应用FFMolsonCoors；在核能领域的DukePower项目；以及在生命科学多个领域应用FFNovoNordisk项目，都选择了基金会现场总线作为控制系统。现场总线基金会的目标不仅仅是陆地上的巨型炼油厂，而且也瞄准了海上的巨无霸，一种叫做FPSO的“浮式生产储存装卸”平台，这种体积庞大的移动生产和储运装置，总吨位在30万吨以上，所需的控制系统极其复杂。它集生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体，其油气生产装置系统，复杂程度和价格远远高出同吨位油船，FPSO装置作为海洋油气开发系统的组成部分，一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是目前海洋工程船舶中的高技术产品。同时它还具有高投资、高风险、高回报的海洋工程特点。从技术特点看，基金会现场总线技术是这种平台的最佳配偶。，

目前，世界上正在开发近海或远洋的海上石油和天然气，这种大型的工程急需要一种全面检测和控制管理系统，基金会现场总线也是最佳选择。最近，国际BP公司在安哥拉海上31区块油田开发的PSVM(Plutao,Saturno,VenusandMarte)油田，共有31个采集区块，总面积达到5349平方公里，水深1500-2500米，该项目2011年已开始投产，预计2012年产能可达到每天15万桶的能力截止2011年底，全世界在现场总线基金会注册的产品已达到675个；有来自9个公司的11个自动化系统，9个公司是ABB、Azbil、Emerson、GE、Honeywell、Invensys、Siemens、Supcon、Yokogawa；在世界有6,000个基金会现场总线的控制系统正在运行；大约有1,200,000台的现场总线设备正在运行。据统计，总线产品与服务的市场总额超过了20亿美元,并且基金会现场总线的总体增长速度高于整体过程自动化市场的增长速度。在过程自动化行业，现场总线的硬件产品占据市场的一半份额，而基金会现场占据总线市场的70%份额。根据ARC综合调研报导，在工业生产过程中，达到使用寿命的过程自动化系统设备价值高达650亿美元，其中大部分设备有20年或者以上使用历史，急需要更新改造。用户不希望把这些设备推倒重来，而希望采用就地更新的方式。FounditionFieldbus被更多的最终用户选择用以更新他们的设备。现场总线的优点减少接线与安装；易于集成；简化操作和维护；灵活的拓朴结构；实现与地点无关的控制；对等实体间高速通信；真正的可互操作性；完善的售后服务与技术支持。通信模型每个具有通信能力的现场总线物理设备都应具有通信模型。基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。数字通信,作为通信行业中的后起之秀,相对于传统的模拟通信,有抗干扰能力强,通信质量不受距离影响,信号易于调制、保密性高，可自动发现与控制差错，可与计算机相连接，支持多种通信业务，对应用设备要求低等一系列优势特点。协议数据的生成物理层物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接，为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理信号。数据链路层1加上前导码、定界码2数据编码1去除前导码、定界码2数据解码物理层作为电气接口，一方而接受来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用。物理层FF现场总线H1区域通信模型的主要组成部分从物理设备构成角度:物理信号波形基金会现场总线为现场设备提供两种供电方式:1）总线供电

2）非总线式单独供电总线供电的场合，总线上既要传送数字信号，又要由总线为现场设备供电。物理层信号编码用户数据协议高层数据链路层物理层数据链路层协议数据单元前导码、帧前定界码、帧结束码都是在发送端，由硬件生成并加载到物理信号上：发送驱动器传输介质相关名词解释前导码：其作用是使目的主机接收器时钟与源主机发送器时钟同步。紧接着是帧开始分界符字节“10101011”，用于指示帧的开始。

帧定界：常用的通信方式异步通信中以帧作为发送单位，接收端必须随时做好接收帧的准备。这时，帧的首部必须设有一些特殊的比特组合，使得接收端能够找出一帧的开始，这种方式称为帧定界。也就是所谓的异步通信中的“帧同步”。链路层的数据传输单元是帧,协议不同，帧的长短和界面也有差别,但无论任何必须对帧进行定界。传输介质、最大传输距离电缆类型电缆型号传输速率最大传输距离A屏蔽双绞线#18AWGH131.25Kbps1900米#22AWG

H21Mbps750米#22AWGH22.5Mbps500米B屏蔽多对双绞线#22AWGH131.25Kbps1200米C无屏蔽双绞线#22AWGH131.25Kbps400米D多芯屏蔽电缆#16AWGH131.25Kbps200米FF现场总线支持多种传输介质：双绞线、电缆、光缆、无线介质。导线媒体的允许传输距离网络拓扑结构同一条总线上的所有设备必须采用同一种传输介质，并具有相同的传输速率。对于总线供电的网段，可同时使用总线供电和非总线供电的设备。总线型一、总线带分支结构采用这种结构是一根总线（主干）穿过过程区域并且设备连接到总线上。总线到设备之间的电缆称为分支。这种结构适用于区域内设备密度较低的情况，它常用于新安装。树型二、树形或分支或鸡爪形结构它适用于在特定范围内现场总线设备密度较高的情况。它常用于升级情况，即电缆已与接线盒和设备安装就位。在这种情况下，它为现场总线安装提供了一种低成本增加新电缆的方法。IEC推荐的现场总线控制系统体系结构国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，简称IEC）数据链路层

数据链路层（DataLinkLayer,DLL）在基金会现场总线中处于第二层，它在物理层上传输“位”信息的基础上，在相邻节点间传送帧数据信息，DLL也可能在传输中出现差错，也需要进行检错、纠错而向上层提供无错的透明传送。

总线通信中的链路活动调度，数据的发送和接收，活动状态的检测、相应，总线上各台设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层来完成的。2023/2/429每个总线段上有一个链路活动调度器（LAS）它具备链路活动调度能力，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。对没有链路活动调度能力的设备来说，其数据链路层要对来自总线的链路数据做出响应。

2023/2/431链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。

现场总线仪表与LAS2023/2/432FF协议数据链路层

FF通信采用多主站令牌传递的主从结构

数据的存取分调度传输(Scheduletransfer)和非调度传输(Unscheduledtransfer)

由LAS按照预定的调度时间表周期性地发起的通信活动，称为受调度通信。

链路活动调度器内有一个预定调度时间表。一旦到了某个设备要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据(CD，compeldata)给这个设备。基本设备收到这个强制数据信息，就可以向总线上发送它的信息。受调度通信一般用于在设备间周期性地传送控制数据。如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。

在预定的调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式称为非调度通信。由此可以看到，FF通信采用的是令牌总线工作方式。2023/2/434数据链路层数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问(数据链路层低层功能)；另一个是在数据链路使用者之间控制数据传输(数据链路层高层功能)。DLL低层（媒体访问）功能：基本设备BD(BasicDevice)不能主动发起通信，只能接收查询；链路主设备LMD(LinkMasterDevice)在得到令牌时可以发起一次通信；链路活动调度器LAS(LinkActiveScheduler)发起周期和非周期通信。网桥DLL高层（数据传输）功能：FF提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方式。无连接方式用于支持报告分发VCR；一种面向连接方式用于支持发布/订阅VCR，另一种面向连接方式用于支持客户/服务器VCR。用于发布数据的面向连接的数据传输：发布数据的传送主要是来自于发布者的数据链路数据帧（DLPDU）通过缓冲区进行发送。2023/2/435数据传送帧只包含一个地址，即发布者的地址。

用于进行请求/响应交换的面向连接的数据传输：请求/响应数据传输主要用于客户/服务器之间的通过队列进行数据传输。

无连接数据传输：无连接数据传输主要用于在数据链路服务访问点（DLSAP）之间通过队列进行独立的DLPDU的传送。数据链路协议数据单元

DL-PDU帧DL-PDU提供数据链路的协议控制信息。协议控制信息由三部分组成:DLPDU类型符号帧控制字节建立连接1EC11111LF00断开连接1DC10111LF00强制数据1CD11111LEPP数据帧1DT11101LFPP状态响应SR00010F11传递令牌PT00110FPP空闲帧Idle00010F10DLPDU的种类和帧控制信息格式（部分）数据链路层LAS每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS

。LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。受调度通信：非调度通信：基金会现场总线的通信活动分为两类：预定调度时间表，到时就由LAS发CD给基本设备。适于现场设备之间周期性通信；LAS在调度时间表之外，发令牌到总线，适于现场设备之间非周期通信，是令牌总线方式。LAS基本功能：1)向设备发送强制数据CD；2)向设备发送传递令牌PT；3)为新入网的设备探测未被采用过的地址；4)定期对总线段发布数据链路时间和调度时间；5)监视设备对传递令牌PT的响应LAS工作过程链路活动调度器LAS调度权的竞争过程与转交；链路活动的调度算法；活动表及其维护FF基本标准功能块名称符号名称符号模拟量输入AI离散输出DO模拟量输出AO手动装载ML偏置B比例微分PD控制选择CS比例积分微分PID离散输入DI比率系数RA功能块应用进程FBAPFBAP位于基金会现场总线通信模型的最高层—用户层。FBAP作为用户层的重要组成部分，用于完成基金会现场总线中的自动化系统功能。现场总线系统是协同工作的应用进程AP的集合。应用进程AP是现场总线系统活动的基本组成部分，是最基本的对象。每个应用进程AP表述了存在于一个设备内的分别包装成组的功能块FB。自动化系统FBAPsFBs功能块的内部结构功能块应用进程提供一个通用结构，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，规定它们各自的输入、输出算法、事件、参数与块控制图，把按时间反复执行的函数模块为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。3244MW温度变送器基金会现场总线的3244MW型多变量温度变送器功能方框图功能块服务

功能块服务描述了在接口设备、临时性设备中含有功能块应用的现场设备之间，运用FMS所进行的相互作用。功能块服务表功能块服务服务说明支持对象FB_ReadI/T设备读取现场设备OD中的参数及其它对象的相关值块、参数、链接、趋势、观测FB_WriteI/T设备向现场设备OD中块参数及其它对象写入值块、参数、链接、趋势、观测FB_Alert_Notify现场设备向接口设备报告警报或事件报警FB_Alert_Ack接口设备在处理报警后清除警报/事件的未确认属性报警FB_TagI/T设备更改块（FB，TB，BR）的位号（Tag)块FB_Action

使一个块或对象的一个实例被创建或删除块、链接、趋势功能块应用进程FBAP的组成完整的功能块应用进程由功能块应用对象、对象字典、设备描述组成。5设备描述DD与DDL

设备描述为主机系统提供了一种自动识别和作用现场设备的方式。设备描述是设备功能的一种表示。每台设备都有特定的设备描述，它描述了其资源和功能块功能。设备描述可从供应商或现场总线基金会得到。设备描述装载到主机就像打印机驱动程序装载到PC机一样。设备描述语言DDL设备描述语言是一种特别的编程语言用来开发现场设备的描述。设备描述语言仅仅适用于FF现场总线或HART技术，它是一种类似于C语言的编程语言，一旦设备描述开发好，它们将在现场总线基金会注册。然后现场总线基金会发布这些设备描述使现在主机能支持新设备。

设备描述DD分层配置设备描述服务DDS

通信控制器1．总线上的信号驱动和信号接收5．帧校验序列的产生和验证4．