现场总线技术之基金会现场总线

南京理工大学紫金学院工业自动化网络技术及应用课程论文课题名称：现场总线技术之基金会现场总线班级：11自动化姓名：曹峰学号：110603123指导教师：李艳实验学期：大四上现场总线技术之基金会现场总线1 现场总线技术现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

他的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要的影响 。

1.1 现场总线概述现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。

其中，"生产过程"包括断续生产过程和连续生产过程两类。

或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。

它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。

控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。

1.2 现场总线分类自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的领域显示了自己的优势。

他们具有各自的优点，显示了较强的生命力。

对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作用。

目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP 等，其中最具有影响力的有5种，分别是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART。

1.3 现场总线的特点和优点系统的开放性：开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。

这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。

一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。

一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。

用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

互可操作性与互用性：这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。

而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

系统结构的高度分散性：由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。

从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等②。

由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

①节省硬件数量与投资②节省安装费用③节省维护开销④系统集成主动权⑤准确性与可靠性1.4 现场总线发展趋势总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。

既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。

大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。

几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。

加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。

有理由认为：在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。

在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。

这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。

2 基金会现场总线2.1 基金会现场总线概述基金会现场总线FF（Fieldbus Foundation）以ISO/OSI开放系统互联模式为基础，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、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、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。

2.2 基金会现场总线特点①有底层的H1现场总线，通信速率为31.25kbps, 适用于连续过程自动化的控制。

也有高层的数据通信以太网络HSE，满足断续控制、批量控制和信息集成。

系统采用总线供电模式,并具有本质安和非本质安全型，适于不同安全等级选用。

②信息传输的物理层要求参数可变，适于老系统旧设备的改造。

③系统规模可变，从一个回路的三台设备到上万个回路数十万台现场设备皆可组成现场总线系统。

④控制功能的彻底分散，减少系统相互之间影响以及增强了防御系统崩溃的危险性。

⑤设备管理有序，设备有设备制造商提供的序列号（位号）、用户设置的操作代号和网段地址代码，为设备管理和组态提供了方面。

⑥有高速HSE可形成若干个H1的子系统集成，并提供网络介质网段和设备冗余。

⑦具有完善的基本功能块、先进功能模块和柔性功能模块，满足各种控制算法要求，以及不同控制模式对不同宏周期的时间要求。

⑧具有先进的设备描述语言EDDL，用户可根据需要编制用户应用程序。

⑨H1设备和HSE系统的具有相互兼容的可互操作性。

⑩系统可实现虚拟设备设置和模拟状态开车。

③2.3 基金会现场总线与计算机网络组网技术区别组网技术就是网络组建技术，分为以太网组网技术和ATM局域网组网技术。

以太网组网非常灵活和简便，可使用多种物理介质，以不同拓扑结构组网，是目前国内外应用最为广泛的一种网络，已成为网络技术的主流。

以太网按其传输速率又分成10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。

细缆以太网10 BASE-2 10 BASE-2以太网是采用IEEE802.3标准，它是一种典型的总线型结构。

采用细缆为传输介质，通过T型接头与网卡上的BNC接口相连的总线型网络。

与组网技术相比较，基金会现场总线的通信速率比较低，且控制功能较分散，功能模块更先进，能满足各种控制算法要求。

3 基金会现场总线在海洋工程中的应用3.1 FF系统与海洋工程现用的自控系统比较3.1.1 系统结构目前海洋工程平台的自控系统多数采用DCS系统和广义的集散系统。

如近几年建造的歧口17-2、歧口17- 3等油田采用的是DCS系统。

由于DCS系统采用的是点对点的接线方式,PLC、I/O柜和中控柜等都放在中控室,现场的仪表电源电缆和控制电缆都须引到中控室。

其最大特点就是电缆用量大。

而曹妃甸11、渤南28-1油气田等的自控系统大多使用广义的集散式控制系统,这种系统仍然是信号采用一对一的物理连接方式,但接线箱放置在现场,中控室与现场接线箱之间采用多芯电缆。

尽管这种方式从一定程度上比传统DCS电缆用量减少一些,但是电缆用量仍很大。

其结构图如图1所示。

④在使用基金会现场总线系统中,许多设备可以在一对双绞线上实现挂接,电缆可大量减少。

与传统的系统结构相比,电缆的节省主要体现在从现场接线盒到 I/O分线盘的多芯电缆上。

如图2所示。

⑤同样,现场总线采用了数字通讯后,原传统系统的模拟I/O模板就不需要了。

其相应的机柜、I/O网络和其他安装硬件都可以取消了,系统结构也简化了。

相应系统环节减少,故障率也就减少,系统也就更可靠了。

系统结构的简单化也使安装工作量减小了,施工周期也能相应缩短了。

3.1.2 系统的互操作性互操作性是指一台设备能与其他设备一起工作的能力。

互操作性能够使自不同制造商的设备在集成时更容易和更紧密,还能在一定程度上允许一家厂商的产品来代替另一家厂商的产品。

传统的DC系统的通讯协议虽然遵循了OSI开放互联模型,但在数据链路公用层以上的句法、语法和时标不尽统一。

不同的系统有专用的驱动软件和数据映射, 他们之间不兼容的, 因此传统 DCS系统均采用单一厂家设备。

平台系统改造设备为保证系统的操作性只能选择同一厂商。

FF系统是开放式互联网络,实现网络数据共享,通过网络对现场设备和功能模块统一组态,即用一个组态工具就可进行组态,构成了最底层的控制网络。

对于不同的厂家设备只要符合现场总线标准就可集成在一起,从而现场设备可以实现互换或互用。

这样,在选择设备时,就可在不同厂商的同类设备中选择价格性能比好的,而不必局限在一家设备上。

3.1.3 远程管理和维护传统DCS和广义集散控制系统的中控系统控制只能做到对模拟设备I/O控制, 而对现场设备无法进行访问。

对现场设备参数的修改只能到现场下位机上修改。

在蓬莱19-3平台上,它的自控系统是目前比较先进的控制系统,它是主控机通过MODLEBUS协议将现场的PLC连接起来,现场的设备连接到各撬块的PLC上。

主机只能与现场PLC通讯,如果要修改现场设备参数,需要在现场PLC上进行操作。

如图3所示。

在传统DCS系统和广义集散控制系统调试过程中,需要确认电缆上的物理连接正确,才能保证调试工作的顺利进行,因而电缆的检验工作需要很多人在现场，配以仿真器,通过无线电和控制室保持联系来验证接线是否正确。