FF现场总线的技术介绍
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用以上功能块可以构筑几乎所有基本控制策略
FF总线电缆规格(IEC61158-2)
导线截面积 18AWG(A) 0.8 mm2 特性阻抗 100Ω ± 20% at 31.25 kHz 直流电阻(max) 22Ω/Km 电容(max) 150pF/m 衰减(max) 3db at 39kHz 屏蔽覆盖率 90% 钢丝铠装屏蔽电缆 外壳桔红色 导线 (+)黑色 (-)白色 导线(+) (-)必须对地隔离,屏蔽线应在控制机柜侧接 地,不允许在现场接地
现场总线的优点:
提高准确度 增强控制的实时性 取消I/O转换 节约信号电缆 双向通信增强了控制的灵活性 产生多变量变送器 减少通信负荷
现场总线控制系统（FCS）
FCS定义 现场总线控制系统FCS也可称为现场控制系统。 “它是诸多现场仪表通过现场总线互联与控 制事内人-机界面所组成的系统，是一个全 分散、全数字化、全开放和可互操作的新一 代生产过程控制系统。”
FF现场总线的技术简介
百度文库
数字通讯的优点
1、信息更多：能在一根电缆上传输大量的信息。 2、多挂接：能在一根电缆挂接多台设备。 3、坚实可靠。 4、互操作性。
概述
现场总线是一种实用技术，智能、开放、数字、多节点通信技术。现场设 备信息采集，PID控制与双向全数字化通信，监视和管理现场设备，降低 生命周期成本。 现场总线技术是计算机、通信、控制技术向现场扩展。在流程工业、制造 业及市政工程等已成功地应用，并取得一定经验。 现场总线技术还需要不断完善本身的功能，提高工程设计和应用水平，特 别是系统软件、应用软件、通信策略等。 现场总线技术目前处于多种总线技术共存，各自拓展其应用领域、强化竞 争力。以太网远程I/O及无线仪表将成新的热点。 FF基金会现场总线、Profibus现场总线适用于流程工业，已有相当规模 应用业绩。
FF现场总线电缆推荐选用18#AWG 0.8mm2 7股铜芯绞合，聚乙烯绝缘，聚 氯乙烯护套，铝聚酯膜屏蔽，钢丝铠装电缆。
FF现场总线系统应用中应注意的问题（一）
FF现场总线设备DD文件版本必须与DCS总线版本匹配，否则 会造成通信不正常，导致在H1网段上信息丢失或时好时坏。 FF总线电缆外皮在接线盒密封接头处被破坏，造成总线电缆屏 蔽线在现场接地，网段数字信号受干扰引起通信不正常。 FF现场设备发生供电断路（或短路）、端子松动、调换现场设 备没有重新调试，造成现场设备在网段上丢失。 FF现场设备或接线箱进水受潮等，FF总线对地绝缘不好或短路， 造成该台现场设备在H1网段上丢失，还影响本H1网段上其他 现场设备丢失。 由于组态及组态修改过程中在磁盘和数据库内形成许多“碎 片”，寻找分散数据花费更多时间，导致DCS组态或组态修改 速度慢。每天工作结束前应统一做数据库“碎片”清理和磁盘 清洁工作。
电容测试
电压测试
波形测试
使用波形测试仪123或124测量AC波形（AC200mV/格 10 μs/格）
FF现场总线H1网段电源
FF现场总线电源包括冗余主配电电源系统和冗余FF电源调整器。
主配电电源系统的输入电源来自冗余的UPS电源，稳压电源输出2035V.DC，不能直接为H1网段设备供电，由于24V.DC稳压电源的输 出电压负反馈功能将破坏FF现场总线H1网段通讯信号的波形。 冗余FF电源调整器设在主配电电源和FF现场总线H1网段之间，向H1 网段提供24V.DC电源，阻断FF现场总线H1网段通讯信号与主配电电 源联系，避免和抑制H1网段信号干扰和共振。
链路活动调度器（LAS）的算法
在发布下 一个CD前有时间做 其他工作吗？
等待直到发布CD 的时间到，等待期 间发布空闲报文。
发布CD
发布PT、TD、PN
链路活动调度器(LAS)设置
链路活动调度器（LAS）作用：按照预定的调度时间表发出通信 命令，对H1网段上的所有设备进行轮询，具有周期性，执行功 能块调度（如功能块运算、数据转换等）；在预定的调度时间 表之外特定时间段内，向H1网段上的所有设备发送令牌信息， 让其发送突发信息，如报警、改变设定值等非周期性信息；还 监视H1网段的设备。
FF现场总线仪表在DCS制造厂必须进行互操作性测试。
在DCS制造厂必须进行100%功能测试，每个H1网段应进行至少一台FF现场 总线仪表FAT测试。最多负载H1网段应进行12台FF现场总线仪表测试。 H1网段的主后援LAS功能应在DCS的FAT时进行测试。
FF现场总线电缆总长度为主电缆与分支电缆长度之和，通常小于1200米。分 支电缆长度尽量短。
主干电缆 分支电缆
主配电电源系统
电源调整器
FF现场总线电气原理图
电源调整器
近端 终端器 远端 终端器
FF现场设备 100 W 1 mF 100 W 1 mF
+ -
信号 隔离元件
1900米 Max.
去FF-H1接口卡
受调度通信与非调度通信
受调度通信: 强制数据（CD) 非调度通信 令牌传输（PT） 时间分配（TN） 探测节点（PN）
FF现场总线实施原则（二）
FF现场总线H1网段供电电源及电源调整器必须冗余配置。
FF现场总线电缆采用钢丝铠装电缆，仪表和接线箱接线必须采用防爆电缆密封接头。 每个H1网段应采用“Chicken Foot”鸡爪型配线方式。 每个H1网段应有二个终端器，一个在FF电源调整器，一个在FF接线箱。 所有FF现场总线电缆屏蔽应连接到端子柜侧接地。不允许在现场接线。 FF接线箱到现场FF仪表必须有独立的短路保护器（过压、过流），安装在接线箱内。保 护器的短路电流为60mA。 单回路控制的FF变送器和FF阀门定位器应分配在同一个H1网段。 一个H1网段带FF总线仪表不超过9台 每个H1网段带FF阀门定位器（控制阀）不超过2台
优越性-预见性维护
根据设备诊断安排维护
根据存储的设备校准数据安排校准 同时对几个设备进行维护和校准，以减少停车次数
有计划的安排停车进行维护和校准，而不是紧急停车
冗余FF电源调整器能“热插拔”不影响正常通信。带电源故障输出在 DCS中报警。
FF现场总线H1网段的现场设备操作电压为14V.DC
FF现场总线实施原则（一）
FF现场总线的变送器和阀门定位器，应由控制DCS制造厂提供。
FF现场总线的阀门定位器应由控制阀厂装配成套并提供全部测试数据。 安全仪表系统（SIS）选用4-20mA带HART的模拟信号。 FF变送器提供AI功能块，自诊断和LAS功能，必须通过ITK互操作性测试，应 与DCS软件版本一致。 FF阀门定位器提供PID、AO、DI功能块，自诊断和LAS功能，必须通过ITK 互操作性测试，应与DCS软件版本一致。 复杂控制PID功能或复杂计算功能，应由DCS完成。 FF现场总线系统应遵循IEC61158标准规范的规定。 FF现场总线系统仪表信号电缆必须对地隔离。
模拟输入AI ； 模拟输出AO；控制选择CS； P，PD控制PD； 手动ML； 开关输入DI； 开关输出DO；偏置增益BG； PID，PI，I控制PID； 比率RA
FF公布十九个先进功能块：
复杂摸出；复杂开出；脉冲输入；输入选择；运算； 积算； 分离器；算术运算；信号特征；装置控制； 摸拟报警； 死区；定时；超前滞后补偿；摸拟接口； 步进PID；SP发生器；开关报警；开关接口
对于精馏塔，塔底再沸器加热管与塔顶冷却器撒热管线上安装的仪表应分配在不同的H1 网段。 对于多点温度、多点压力测量的设备（如反应器），应将仪表分配在不同的H1网段。
FF现场总线实施原则（四）
每个H1网段的主LAS应在冗余配置H1（R）卡中，后援LAS应在某个现场总 线仪表中。
备用工艺设备测量用现场总线仪表应分配在不同的H1网段。 FF现场总线接线箱的支线长度尽可能短。
FF现场总线系统应用中应注意的问题（二）
许多人同时在打开组态环境（control studio）, 同时对服务 器数据库进行扫描，资源浪费大导致DCS组态速度慢。组态环 境用完应及时关闭，节省资源。 DCS组态人员在组态时往往搭建许多模块做实验，没有及时删 除，占用磁盘空间和扫描时间。应及时删除不用的模块。 DCS进行下载操作（down load）占用很多时间，组态人员应 减少下载操作次数。DCS管理员统一安排组态人员下载操作时 间。 简化模块功能和通信量，DSC控制器空闲时间（idle time） >50%，严格控制进入DCS信息量。
现场总线国际标准
2000年1月4日，IEC61158通过将8种类型 总线作为国际标准。
TYPE1 TYPE2 TYPE3 TYPE4 TYPE5 TYPE6 TYPE7 TYPE8 IEC技术报告（即FFH1，Foundation USA) Control-NET(Rockwell,USA) PROFIBUS(SIEMENS,DE) P-NET(Process Data,DM) FFHSE(Foundation,USA) Swift-Net(Boeing,USA) World Fip (Alstom,FR) Interbus(Phoenix Control,DE)
FF现场总线实施原则（三）
一级控制阀：当控制阀故障时，会造成整个装置的故障、停车或严重经济损失。
H1网段只能连接1台一级控制阀。 二级控制阀：当控制阀故障时，操作人员及时采取措施，可防止装置停车。 H1网段可连接1台二级控制阀和1台三级控制阀，不能连接其它一级或二级控制阀。 三级控制阀：当控制阀故障时，不会造成短时间内装置发生危险或停车，不需要操作人 员进行操作。 H1网段可连接 1台三级控制阀和1台二级控制阀，可连接2个三级控制阀。不能连接一 级控制阀。
用户程序模块(FB):
资源块:
主要描述现场总线设备的特性 , 如名称、制 造商及系列号等，每台设备只有一个资源块。 的过渡环节。
转换器块 : 各种设备硬件通道和标准输入输出功能块间
功能块:由基本功能块和附加算术功能块组成，不同的功
能块组合成用户所需的控制系统。
FF功能块
FF公布十个基本功能块：
FF现场总线回路测试
FF现场总线电缆的电阻、电容和绝缘测试
* 绝缘电阻测试 “+” “-”信号线间的电阻 > 50k Ω “+” “-”信号线与屏蔽线、信号线与接地线、屏蔽线与接地极间的 电阻 > 200MΩ “+” “-”信号线间的电容 > 1μF（0.8-1.2 μF ） “+” “-”信号线与屏蔽线、信号线与接地线、屏蔽线与接地极 间的电容 > 300μF 测量电源输出的“+”与“-”间直流输出电压应大于28V.DC
FF信号：曼彻斯特双相-L编码
A时钟
B数据10110010
曼彻斯特码A+B
前同步信号10101010
N+
N+
NNN+ N-
N-
N+
起始符1N+N-10N-N+0
结束符1N+N-N+N-101
FF信号波形图
0.75-1Vp-p
9-32Vdc
t
FF现场总线连线示意图
控制系统
交流电源
带有接线组件的现场接线箱
现场总线控制系统（FCS）的特点
实现了全数字化通讯 实现了不同厂家产品的互操作 实现了真正的分散控制 实现了控制策略组态简单一致的操作
HART协议
速度：1.2kb/s
FF-H1:
数据传输方式：数字化位同步
数据传输速度：31.25kbit/sec 编码形式：曼彻斯特编码 总线供电 驱动电压：9-32VDC 信号电压：0.75Vss--1Vss 电缆形式：屏蔽双绞线 拓扑结构：线型、树型、星型、复合型 电缆长度：小于1900M 每段挂接设备数量：最多32台
H1网段上必须有两个LAS，主LAS设置在H1冗余卡内，后备LAS设 置在H1网段现场某个设备中。
宏周期
链路调度开始绝对时间 设备1执行 总线调度通信
AI AI
重复执行
设备2执行
PID AO
PID AO
总线非调度 （背景通信）
0 20 40 60 80 100 120
（ms）
总线链路调度时间偏移量
FF总线电缆规格(IEC61158-2)
导线截面积 18AWG(A) 0.8 mm2 特性阻抗 100Ω ± 20% at 31.25 kHz 直流电阻(max) 22Ω/Km 电容(max) 150pF/m 衰减(max) 3db at 39kHz 屏蔽覆盖率 90% 钢丝铠装屏蔽电缆 外壳桔红色 导线 (+)黑色 (-)白色 导线(+) (-)必须对地隔离,屏蔽线应在控制机柜侧接 地,不允许在现场接地
现场总线的优点:
提高准确度 增强控制的实时性 取消I/O转换 节约信号电缆 双向通信增强了控制的灵活性 产生多变量变送器 减少通信负荷
现场总线控制系统（FCS）
FCS定义 现场总线控制系统FCS也可称为现场控制系统。 “它是诸多现场仪表通过现场总线互联与控 制事内人-机界面所组成的系统，是一个全 分散、全数字化、全开放和可互操作的新一 代生产过程控制系统。”
FF现场总线的技术简介
百度文库
数字通讯的优点
1、信息更多：能在一根电缆上传输大量的信息。 2、多挂接：能在一根电缆挂接多台设备。 3、坚实可靠。 4、互操作性。
概述
现场总线是一种实用技术，智能、开放、数字、多节点通信技术。现场设 备信息采集，PID控制与双向全数字化通信，监视和管理现场设备，降低 生命周期成本。 现场总线技术是计算机、通信、控制技术向现场扩展。在流程工业、制造 业及市政工程等已成功地应用，并取得一定经验。 现场总线技术还需要不断完善本身的功能，提高工程设计和应用水平，特 别是系统软件、应用软件、通信策略等。 现场总线技术目前处于多种总线技术共存，各自拓展其应用领域、强化竞 争力。以太网远程I/O及无线仪表将成新的热点。 FF基金会现场总线、Profibus现场总线适用于流程工业，已有相当规模 应用业绩。
FF现场总线电缆推荐选用18#AWG 0.8mm2 7股铜芯绞合，聚乙烯绝缘，聚 氯乙烯护套，铝聚酯膜屏蔽，钢丝铠装电缆。
FF现场总线系统应用中应注意的问题（一）
FF现场总线设备DD文件版本必须与DCS总线版本匹配，否则 会造成通信不正常，导致在H1网段上信息丢失或时好时坏。 FF总线电缆外皮在接线盒密封接头处被破坏，造成总线电缆屏 蔽线在现场接地，网段数字信号受干扰引起通信不正常。 FF现场设备发生供电断路（或短路）、端子松动、调换现场设 备没有重新调试，造成现场设备在网段上丢失。 FF现场设备或接线箱进水受潮等，FF总线对地绝缘不好或短路， 造成该台现场设备在H1网段上丢失，还影响本H1网段上其他 现场设备丢失。 由于组态及组态修改过程中在磁盘和数据库内形成许多“碎 片”，寻找分散数据花费更多时间，导致DCS组态或组态修改 速度慢。每天工作结束前应统一做数据库“碎片”清理和磁盘 清洁工作。
电容测试
电压测试
波形测试
使用波形测试仪123或124测量AC波形（AC200mV/格 10 μs/格）
FF现场总线H1网段电源
FF现场总线电源包括冗余主配电电源系统和冗余FF电源调整器。
主配电电源系统的输入电源来自冗余的UPS电源，稳压电源输出2035V.DC，不能直接为H1网段设备供电，由于24V.DC稳压电源的输 出电压负反馈功能将破坏FF现场总线H1网段通讯信号的波形。 冗余FF电源调整器设在主配电电源和FF现场总线H1网段之间，向H1 网段提供24V.DC电源，阻断FF现场总线H1网段通讯信号与主配电电 源联系，避免和抑制H1网段信号干扰和共振。
链路活动调度器（LAS）的算法
在发布下 一个CD前有时间做 其他工作吗？
等待直到发布CD 的时间到，等待期 间发布空闲报文。
发布CD
发布PT、TD、PN
链路活动调度器(LAS)设置
链路活动调度器（LAS）作用：按照预定的调度时间表发出通信 命令，对H1网段上的所有设备进行轮询，具有周期性，执行功 能块调度（如功能块运算、数据转换等）；在预定的调度时间 表之外特定时间段内，向H1网段上的所有设备发送令牌信息， 让其发送突发信息，如报警、改变设定值等非周期性信息；还 监视H1网段的设备。
FF现场总线仪表在DCS制造厂必须进行互操作性测试。
在DCS制造厂必须进行100%功能测试，每个H1网段应进行至少一台FF现场 总线仪表FAT测试。最多负载H1网段应进行12台FF现场总线仪表测试。 H1网段的主后援LAS功能应在DCS的FAT时进行测试。
FF现场总线电缆总长度为主电缆与分支电缆长度之和，通常小于1200米。分 支电缆长度尽量短。
主干电缆 分支电缆
主配电电源系统
电源调整器
FF现场总线电气原理图
电源调整器
近端 终端器 远端 终端器
FF现场设备 100 W 1 mF 100 W 1 mF
+ -
信号 隔离元件
1900米 Max.
去FF-H1接口卡
受调度通信与非调度通信
受调度通信: 强制数据（CD) 非调度通信 令牌传输（PT） 时间分配（TN） 探测节点（PN）
FF现场总线实施原则（二）
FF现场总线H1网段供电电源及电源调整器必须冗余配置。
FF现场总线电缆采用钢丝铠装电缆，仪表和接线箱接线必须采用防爆电缆密封接头。 每个H1网段应采用“Chicken Foot”鸡爪型配线方式。 每个H1网段应有二个终端器，一个在FF电源调整器，一个在FF接线箱。 所有FF现场总线电缆屏蔽应连接到端子柜侧接地。不允许在现场接线。 FF接线箱到现场FF仪表必须有独立的短路保护器（过压、过流），安装在接线箱内。保 护器的短路电流为60mA。 单回路控制的FF变送器和FF阀门定位器应分配在同一个H1网段。 一个H1网段带FF总线仪表不超过9台 每个H1网段带FF阀门定位器（控制阀）不超过2台
优越性-预见性维护
根据设备诊断安排维护
根据存储的设备校准数据安排校准 同时对几个设备进行维护和校准，以减少停车次数
有计划的安排停车进行维护和校准，而不是紧急停车
冗余FF电源调整器能“热插拔”不影响正常通信。带电源故障输出在 DCS中报警。
FF现场总线H1网段的现场设备操作电压为14V.DC
FF现场总线实施原则（一）
FF现场总线的变送器和阀门定位器，应由控制DCS制造厂提供。
FF现场总线的阀门定位器应由控制阀厂装配成套并提供全部测试数据。 安全仪表系统（SIS）选用4-20mA带HART的模拟信号。 FF变送器提供AI功能块，自诊断和LAS功能，必须通过ITK互操作性测试，应 与DCS软件版本一致。 FF阀门定位器提供PID、AO、DI功能块，自诊断和LAS功能，必须通过ITK 互操作性测试，应与DCS软件版本一致。 复杂控制PID功能或复杂计算功能，应由DCS完成。 FF现场总线系统应遵循IEC61158标准规范的规定。 FF现场总线系统仪表信号电缆必须对地隔离。
模拟输入AI ； 模拟输出AO；控制选择CS； P，PD控制PD； 手动ML； 开关输入DI； 开关输出DO；偏置增益BG； PID，PI，I控制PID； 比率RA
FF公布十九个先进功能块：
复杂摸出；复杂开出；脉冲输入；输入选择；运算； 积算； 分离器；算术运算；信号特征；装置控制； 摸拟报警； 死区；定时；超前滞后补偿；摸拟接口； 步进PID；SP发生器；开关报警；开关接口
对于精馏塔，塔底再沸器加热管与塔顶冷却器撒热管线上安装的仪表应分配在不同的H1 网段。 对于多点温度、多点压力测量的设备（如反应器），应将仪表分配在不同的H1网段。
FF现场总线实施原则（四）
每个H1网段的主LAS应在冗余配置H1（R）卡中，后援LAS应在某个现场总 线仪表中。
备用工艺设备测量用现场总线仪表应分配在不同的H1网段。 FF现场总线接线箱的支线长度尽可能短。
FF现场总线系统应用中应注意的问题（二）
许多人同时在打开组态环境（control studio）, 同时对服务 器数据库进行扫描，资源浪费大导致DCS组态速度慢。组态环 境用完应及时关闭，节省资源。 DCS组态人员在组态时往往搭建许多模块做实验，没有及时删 除，占用磁盘空间和扫描时间。应及时删除不用的模块。 DCS进行下载操作（down load）占用很多时间，组态人员应 减少下载操作次数。DCS管理员统一安排组态人员下载操作时 间。 简化模块功能和通信量，DSC控制器空闲时间（idle time） >50%，严格控制进入DCS信息量。
现场总线国际标准
2000年1月4日，IEC61158通过将8种类型 总线作为国际标准。
TYPE1 TYPE2 TYPE3 TYPE4 TYPE5 TYPE6 TYPE7 TYPE8 IEC技术报告（即FFH1，Foundation USA) Control-NET(Rockwell,USA) PROFIBUS(SIEMENS,DE) P-NET(Process Data,DM) FFHSE(Foundation,USA) Swift-Net(Boeing,USA) World Fip (Alstom,FR) Interbus(Phoenix Control,DE)
FF现场总线实施原则（三）
一级控制阀：当控制阀故障时，会造成整个装置的故障、停车或严重经济损失。
H1网段只能连接1台一级控制阀。 二级控制阀：当控制阀故障时，操作人员及时采取措施，可防止装置停车。 H1网段可连接1台二级控制阀和1台三级控制阀，不能连接其它一级或二级控制阀。 三级控制阀：当控制阀故障时，不会造成短时间内装置发生危险或停车，不需要操作人 员进行操作。 H1网段可连接 1台三级控制阀和1台二级控制阀，可连接2个三级控制阀。不能连接一 级控制阀。
用户程序模块(FB):
资源块:
主要描述现场总线设备的特性 , 如名称、制 造商及系列号等，每台设备只有一个资源块。 的过渡环节。
转换器块 : 各种设备硬件通道和标准输入输出功能块间
功能块:由基本功能块和附加算术功能块组成，不同的功
能块组合成用户所需的控制系统。
FF功能块
FF公布十个基本功能块：
FF现场总线回路测试
FF现场总线电缆的电阻、电容和绝缘测试
* 绝缘电阻测试 “+” “-”信号线间的电阻 > 50k Ω “+” “-”信号线与屏蔽线、信号线与接地线、屏蔽线与接地极间的 电阻 > 200MΩ “+” “-”信号线间的电容 > 1μF（0.8-1.2 μF ） “+” “-”信号线与屏蔽线、信号线与接地线、屏蔽线与接地极 间的电容 > 300μF 测量电源输出的“+”与“-”间直流输出电压应大于28V.DC
FF信号：曼彻斯特双相-L编码
A时钟
B数据10110010
曼彻斯特码A+B
前同步信号10101010
N+
N+
NNN+ N-
N-
N+
起始符1N+N-10N-N+0
结束符1N+N-N+N-101
FF信号波形图
0.75-1Vp-p
9-32Vdc
t
FF现场总线连线示意图
控制系统
交流电源
带有接线组件的现场接线箱
现场总线控制系统（FCS）的特点
实现了全数字化通讯 实现了不同厂家产品的互操作 实现了真正的分散控制 实现了控制策略组态简单一致的操作
HART协议
速度：1.2kb/s
FF-H1:
数据传输方式：数字化位同步
数据传输速度：31.25kbit/sec 编码形式：曼彻斯特编码 总线供电 驱动电压：9-32VDC 信号电压：0.75Vss--1Vss 电缆形式：屏蔽双绞线 拓扑结构：线型、树型、星型、复合型 电缆长度：小于1900M 每段挂接设备数量：最多32台
H1网段上必须有两个LAS，主LAS设置在H1冗余卡内，后备LAS设 置在H1网段现场某个设备中。
宏周期
链路调度开始绝对时间 设备1执行 总线调度通信
AI AI
重复执行
设备2执行
PID AO
PID AO
总线非调度 （背景通信）
0 20 40 60 80 100 120
（ms）
总线链路调度时间偏移量