基金会现场总线技术

基金会现场总线技术
摘要：现场总线是当今自动化领域技术发展的新兴技术和热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它主要解决现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场设备和高级控制系统乃至整个企业信息化管理系统之间的信息传递问题。

与传统控制系统，如 DCS、PLC等相比，现场总线控制系统具有全数字通信、可互操作、高度分散、开放性好、可靠性高、投资与维护成本低等独特的优点。

基金会现场总线是现场总线基金会为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的，基金会现场总线将在今后自动控制技术的发展中发挥重要作用。

1 发展概况
1.1 基金会现场总线历史
基金会现场总线（以下简称为FF）的前身是ISP和WorldFIP标准。

ISP标准是可互操作系统协议的简称，它基于德国的Profibus标准。

ISP制订于1992年，由美国Fisher—Rosemount公司牵头，有80多家公司参加，包括Smar、E+H、Siemens、Foxboro、横河、ABB等公司，成员以仪表制造厂家为多。

则是世界工厂仪表协议的简称，基于法国的FIP标准。

WorldFIP 是由Honeywell公司牵头，联合Allen-Bradley、Elsay、Bailey等多家欧洲著名公司于1993年制订而成，其成员也有150多家，不少是PLC制造厂家。

自此以后，这两大派别极力维护自身利益，现场总线长期得不到统一，因此受到广大用户的批评。

迫于用户压力和市场需求，1994年9月，ISP和WorldFIP北美部分终于达成共识，一起成立了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。

该基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备、DCS制造厂家、科研机构和最终用户。

由于这些公司是自动化领域自控设备的主要供应商，它们生产的变送器、执行器、DCS和流量仪表占世界市场的90%，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会新颁布的现场总线规范具有一定的权威性。

目前，国内一些著名企业和科研机构如浙大中控、北京华控、清华大学等也是FF的重要成员。

1.2 基金会现场总线的发展
基金会现场总线分低速Hl和高速H2两种通信速率。

Hl的传输速31．25kbps，通信距离可达1．9km，可支持总线供电和本征安全防爆环境。

H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离分别为750m和500m。

物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，其传输信号采用曼切斯特编码。

基金会现场总线以ISO／OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。

基金会现场总线的主要技术内容，包括FF通信协议、用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈(Communication Stack)、用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

2 技术特点
2.1 适用于过程自动化的低速部分FF-H1
FF总线的低速部分FF-H1是参考了ISO/OIS参考模型，并在此基础上根据
过程自动化系统的特点进行演变而得到的。

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以下特点：
支持总线供电
FF-H1采用了基于IEC1185-2的双线信号传输技术，并为现场设备提供两种供电方式：非总线供电和总线供电。

非总线供电的现场设备的工作电源直接来自外部电源。

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提供电源量按FF-H1的技术规范，携带协议信息的数字信号以31.25KHz的频率、0.75V~1V的峰峰电压被调制到9V~32V的直流供电电压上。

支持本质安全
FF-H1的现场设备按照设备是否为总线供电，是否可用于易燃、易爆环境以及功耗类别而区分的。

根据本质防爆要求，应用于易燃、易爆场合的设备，除了应保证能完成测量、控制、通信等的正常工作外，还应在任何情况（如断路、短
路故障以及在操作过程中的维护、接通、断开等情况）下，不致于产生火花和引发燃烧、爆炸等重大事故。

对此，FF-H1 技术规范规定的总线供电的本安型标准设备的推荐参数为最高输入电压大于24V，最大输入电流小于250mA，最大输入功小于1.2W，最大内部容抗小于5nF，最大内部电感小20uH。

3)令牌总线访问机制
FF-H1采用了令牌传递的总线控制方式。

这种方式从物理上看，它是一种总线结构的局域网，站点共享的传输介质为总线。

但从逻辑上，它是一种环型结构的局域网，连接到总线上的站点组成一个逻辑环，每个站点被赋予一个顺序的逻辑位置，站点只有取得令牌才能发送数据帧，该令牌在逻辑环上依次传递FF-H1中令牌传递是由链路活动调度器进行控制的。

FF-H1的通信活动被分为受调度通信和非调度通信。

FF采用的这种基于LAS的链路活动调度，确保了控制系统中的信息传输的及时性。

2.2 基于以太网的高速部分HSE
现场总线基金会放弃了其原来规划的H2（传输速率为1M和2.5Mbps）高速总线标准，并于2000年3月29日公布了基于Ethernet的高速总线技术规范，它迎合了控制和仪器仪表最终用户对可互操作的、节约成本的、高速的现场总线解决方案的要求。

HSE充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以100Mbit/s到1Gbit/s 或更高的速度运行。

HSE支持所有的FF总线低速部分31.25Kbit/s的功能，例如功能模块和设备描术语言，并支持 #$ 设备与基于以太网的设备通过链接设备接口。

与链接设备连接的 H1设备的点对点通信，无需主机系统的干涉。

而且，与一个链接设备相连的 #$ 设备可以直接和与另一个链接设备相连的 #$设备通信，也无需主机干涉。

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Al、AO 和 PID，也包括新的、具体应用于离散控制和 AQO子系统集成的“柔性功能模块”。

FFB使用标准的编程语言，例如IEC61131。

尽管FFB是HSE的一部分，它也能被用于H1。

链接设备和HSE现场设备可以结合进一个单一的、节约成本的和强大的物理设备，用于批处理、逻辑PLC和连续控制。

另外，所有或部分的HSE网络和设备可实现冗余，以适应应用中容错的需要。

3 使用规范
3.1 基金会现场总线挂接现场仪表数量和电缆长度的估算
各种总线协议对于总线电缆的长度都有不同的要求，根据不同的厂家所提供的不同产品型号，可以计算出总线所挂接的仪表数量和总线电缆的长度.现就以P+F公司KLD2-STR-1.24.40.IEC现场总线配电器为例加以说明。

配电电能力:24VDC/400mA
FF总线变送器耗电:9V/l7.5mA
FF总线阀门定位器电:9V/26mA
FF现场总线A型电缆分布电阻:44Ω/km
现场变送器可挂接数量为:400/17.5=22.8(台)
阀门定位器可挂接数量为:400/26=15.3(台)
通过上述计算可以看出，每根FF总线可以挂接22台变送器或巧台阀门定位器.在实践中，每段HI总线通常挂接16台现场仪表。

如果总线上挂接9台变送器和4台间门定位器，则现场仪表消耗总电流为: (9x17.5)+(4x26)=261.5(mA)
总线电缆的允许电压降为:24一9=15(V)
电缆总电阻允许为:15/0.2615=57.36(Ω).
则电缆长度为:5736+44=1.3036(km)
可以看出，如果FF总线上挂接9台变送器和4台间门定位器，则该电缆长度可以达到1303.6m，可以满足一般工业现场的实际要求。

4 主要用途
所有的FF产品必须经过现场总线基金会的认证,这包括通信栈(Stack)的一致性测试和设备的可互操作性的测试。

目前全世界有11个通信栈通过一致性测试,并注册。

这其中包括:smar公司、Fisher-Rosemount、National Instruments、Yamatake -Honeywell等。

4.1 FF产品的现状
所有的现场设备必须通过现场总线基金会的可互操作性的测试,在进行可互操作性的测试时必须包含一个注册的通信栈。

目前全世界已有多家公司的多个产品在现场总线基金会注册。

这其中包括:
主机系统: Fisher - Rosemount; Foxboro;Honeywell;smar公司等。

压力变送器:Rosemount的3051;Honeywell的ST3000FF;Foxboro的
LASPT10;smar公司的LD302;Yamatake的DSTJ3000等;Yokogawa的EJA。

温度变送器:Honeywell的STT35F;Rose-mount的3244;smar公司的TT302。

流量变送器和流量计: Rosemount的8800A;Yamatake的Magnew3000;Yokogawa的YF。

阀门定位器:Fisher的VDC5000f等。

分析仪: Rosemount的4000氧分析仪、4081pH计等。

组态工具: Fisher - Rosemount; Foxboro;smar公司;Yamatake;National Instruments等。

接口卡:Fisher-Rosemount;smar公司;Na-tional Instrument等。

控制器:Fieldbus公司的UCR-501
现场总线控制器;National Instruments的FP3000现场总线网络控制器等。

现场总线I/O接口:Fisher-Rosemount;smar公司等。

参考文献
[1]周勇基金会现场总线发展状况. 自动化与仪器仪表 1999年第6期
[2]冯冬芹施一明“基金会现场总线（FF）技术”讲座. 《自动化仪表》第22卷第6期 2001年6月
[3]许达荣先进控制技术在核电过程控制中的应用. 硕士学位论文 2007年6月5号
[4]李喜刚基金会现场总线的工程应用. 化工自动化及仪表 1999年第26期
[5]张金平浅析FF基金会现场总线及应用. 第八届工业仪表与自动化学术会议。