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1、2022/11/13,第六章 FF总线,天津职业技术师范大学,刘玉亮,2022/11/13,主要内容,Ff总线基本概念Ff总线的优势Ff总线关键技术Ff总线应用系统,2022/11/13,现场总线基金会(Fieldbus Foundation ),成立于1994年北美的WorldFIP和ISP两大集团合并为FF非营利为目的组织约300多个著名仪表供应商和最终用户加盟开放互联，其技术成果由现场总线基金会拥有和控制1996年发布FF通信协议第一版H1（31.25kbps)2000年11月1日公布 HSE（100Mbps高速以太网）,2022/11/13,基金会现场总线,现场总线基金会 (FIELD
2、BUS FOUNDATION) 组织开发的基金会现场总线标准 Ff ( FOUNDATION fieldbus) 成为IEC61158总线国际标准的类型1和类型5，是通信技术和DCS技术的综合。是针对自动化控制的现场总线。FOUNDATION fieldbus Ff 基金会现场总线技术FIELDBUS FOUNDATION FF 现场总线基金会,2022/11/13,Ff总线控制系统示意图,工作站,变送器,人机界面,终端电阻,供电,接线盒,H1 Bus 电缆,以太网电缆,电源调节器,阀门定位器,HSE 链路设备,终端电阻,H1 Bus,2022/11/13,丰富的功能块模型统一的数据格式时间的
3、同步控制的精确性信息的发布和预定模式具有极高的可用性 采用国际标准的控制网络可靠的网络管理功能,现场总线基金会的技术涵盖了ARC定义的协作式过程自动化系统的各个关键方面.,现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革,2022/11/13,现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革,现场总线基金会的技术采用功能块的结构，这使得在现场的控制变成可能。在现场的控制可以提高控制回路的完整性和可靠性。现场总线基金会的网络管理功能和链路活动管理器的技术可以确保网络的连续运行。现场总线基金会的安全仪表系统 (SIS)的概念将给仪表安全系统和特殊控制系统带来革命性的变革。,根据NIST (美国国家标准和技术学会)的统计,
4、 由于由于控制系统的失灵和操作人员对控制危机状况的解决不力而对美国经济造成的损失，每年高达200亿美元。,过程完整性,2022/11/13,现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革,支持商业应用 生产管理 资产管理 企业上层应用丰富的诊断信息现场总线基金会技术还提供增强的跟踪、追溯、验证以及合规的能力,基金会现场总线技术采用“客户机/服务器的技术，实现企业的各个层面商业智能的高度集成。,商业智能化,2022/11/13,现场总线Ff带来自动化技术的深刻变革,不论是HSE还是H1总线，基金会现场总线技术的功能块都是一样的基金会现场总线的系统不需要停车，就可进行扩展。设备可以在线增加，或进行“热”切换
5、；现场总线基金会技术支持在线软件下载和升级。,基金会技术没有规模的限制，从最小的到最大的过程自动化系统都能适用。基金会技术的开放性，以及它不依赖于特定的操作系统或供应商平台的特点， 使它能够很容易地采用新建立的标准。,开放的、规模可变的集成,2022/11/13,已经认证的总线设备,2022/11/13,应用于各行各业,68% 的项目选择基金会现场总线技术,超过 10,500 套总线系统,2022/11/13,Ff技术特色,Ff不仅是一种总线，而且是一个系统，是网络系统，也是自动化系统。可以理解为是DCS+网络。，它使系统即具有自动控制能力，又具有网络化数字通信能力。其网络通信围绕自动化任务进
6、行。Ff系统是全分布式自动化系统。Ff系统是通信网络，而各种自动化设备作为其网络节点，实现信息共享和自动化功能。节点具有通信能力、控制功能。Ff总线能够通过网关与管理信息系统对接，为管控一体化提供条件。,2022/11/13,Ff主要技术内容,通信技术标准化功能块（FB）与功能块应用进程（FBAP）设备描述（DD）与设备描述语言（DDL）通信控制器与智能仪表或工控机之间的接口技术系统集成技术系统测试技术,2022/11/13,通信技术,基金会现场总线的通信技术包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、网络与系统管理等内容。它涉及一系列与网络相关的硬软件，例如通信准软件、被称之为圆
7、卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机的接口卡、各种网关、网桥叫继器等。它是现场总线的核心基础技术之一。,2022/11/13,标准化功能块（FB）与功能块应用进程（FBAP）,FF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，规定它们各自的输人、输出、算法、事件、参数和块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。便于实现不同制造商产品的混合组某与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能上自动化功能的基础。,2022/11/13,设备描述(DD)与设备描述语言(DDL),为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操作
8、，基金会现场总线采用了设备描述技术。设备描述是控制系统为理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，因而也可以将其看作控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编程器，把DDL编写的设备描述的源程序转化为机器可读的输出文件。控制系统正是凭借这些机器可读的输出文件来理解来自各制造商的设备的数据意义。现场总线基金会把基金会的标准DD和经基金会注册过的制造商附加DD写成CD-ROM，提供绍用户。,2022/11/13,通信控制器与智能仪表或工控机之间的接口技术,在现场总线的产品开发中，常采用OEM集成方法构成新产品，即
9、把FF集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等部件与完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备。,2022/11/13,系统测试技术,系统测试技术包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术，总线监听分析技术，系统的功能、性能测试技术等。一致性和互可操作性是保证系统开放性而采取的重要措施。,2022/11/13,Ff总线分类及拓扑结构,FF现场总线两种类型，即H1和HSEHSE-高速现场总线，通信速率为100Mbps， 采用冗余技术，只有总线型拓扑结构.H1-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,
10、在同一网段可以是混合型拓扑结构.HSE和H1之间通过链路设备LD连接.,2022/11/13,基金会现场总线技术-FF(H1)通信模型,FF(H1)通信模型符合国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI参考模型，采用7层参考模型中的3层，并增加了用户层，按层次分为四层，即：Physical Layer 物理层Data Link Layer 数据链路层Application Layer 应用层User Layer 用户层,2022/11/13,基金会现场总线（FF）通信模型,OSI参考模型,FF通信模型,H1,HSE,2022/11/13,2022/11/13,2022/11/13,FF总线协
11、议数据的构成层次,2022/11/13,基金会现场总线H1通信模型,H1 总线物理信号波形与网络配置,信号波形31.25 Kbit/s,H1网段拓扑构成,主设备,总线,设备可以连接在支线上,现场设备,终端器,终端器,总线,现场总线供电电源,最长1900M,电源调理器,2022/11/13,H1网络拓扑结构,干线（ Trunk): H1网段中通信主干线，作为其他线路（支线）主要传输源，是网络中任何两个设备间最长的电缆路径。支线（Spur): H1网络干线上的分支，每条支线上可接1-4台现场设备。网络：由介质，联结器及其关联的通信部件联接所组成的 ，它能把通信设备联接在一起。段：被它的特性阻抗（通
12、过终端器）所终结的现场总线的一个部分（终端器连接到总线的H1卡）。,H1网络拓扑结构,2022/11/13,Junction Box,2022/11/13,H1网络设备,电源：为总线或现场设备供电。本质安全栅：H1的安全场所与危险场所的隔离器。终端器：用在传输电缆的两端的阻抗匹配器，每条总线段需要2个终端器。网桥：用于连接不同传输速率或不同传输介质的网络设备。中继器：用于扩展现场总线网络，H1网络上的任意2台设备之间最多可以使用4台中继器。（A型电缆，最大距离9500m),2022/11/13,Virtual Communication Relationships (VCRs) FF网络通信中
13、,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的通信关系VCR,2022/11/13,数据传输的三种方式,发布/预定定制周期实时点对点由LAS管理,客户/服务器非定制用户发起非实时,报告分发非定制报警和事件非实时时间戳,2022/11/13,数据通信 (VCR),FC,FT,发布-预订,客户-服务器,报告分发,Device must open communication channels to talk to remote devices.,2022/11/13,2022/11/13,FF通信设备类型,按照设备的通信能力，Ff将通信设备
14、分为三种类型：链路主设备（Link Master Device）：有能力成为链路活动调度器LAS（Link Active Scheduler）的设备，包括主机接口或某些基本设备。基本设备Basic Device：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。,2022/11/13,FF的链路活动调度器LAS（Link Active Scheduler）LAS 是总线段上的调度中心,具有总线上所有设备的清单和链路活动调
15、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：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的链路活动调度器,Fieldbus,BASIC DEVICE,LAS = Link Active Scheduler,BASIC DEVICE,BASIC DEVICE,BASIC DEVICE,X,FF的链路活动调度器,H1 设备标识,现场设备标识：设备标识Device ID由设备制造商提供的序列号 serial number例如： 003453AC
16、ME39483847设备位号Device Name (TAG)由用户为操作设置例如: TT-101设备网络地址Device Address在网段上的唯一地址例如: 33,2022/11/13,HSE特点100 Mbit (允许 10Mbit, 1Gbit)Wire and Fiber Optic 双绞线和光缆Standard Ethernet Interfaces 标准以太网接口Standard Ethernet Switches标准以太网集线器Standard Ethernet wiring practices标准以太网接线规则Linking Devices 链接设备(网关和网桥）Redun
17、dancy 冗余,高速以太网HSE,2022/11/13,FF现场总线主要技术,FF通信技术功能块技术设备描述技术系统测试技术,2022/11/13,功能块应用进程,功能块应用进程，提供通用结构，将控制系统所需功能划分为功能模块，使其公共特征标准化。功能块的应用进程构成自动控制回路，完成自动化系统任务，达到基金会现场总线的目的，这是FF与一般通信总线的区别。,2022/11/13,BLOCK 模块,Function功能块,Resource资源块,Transducer转换块,典型用户应用块,FF规定了基于模块的用户应用，总线设备包含三种类型的用户应用块，即资源块，转换块和功能块。,2022/11
18、/13,典型用户应用块,2022/11/13,描述设备的一般信息，包括：Manufacturer Name 制造厂商Model Number 模件系列号Materials of Construction 设备材质Device Options 设备可选项，取决于所选设备单一设备的资源块是唯一的,Resource Block 资源块,2022/11/13,Transducer Block 转换块,用于变送器和传感器的接口，读取传感器数据，包括设备调校和其他数据。Device calibration information 设备标定信息（量程、线性化）Sensor data 传感器数据（类型，组态）
19、线性化处理、I/O数据表示转换块不含运用数据的功能块通常输入输出功能块内会有一个转换块单一设备的转换块可以有多个。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。,传感器通过转换块相连,AnalogOutputBlock,执行器通过转换块相连,转换块,A/D,RE-RANGE,CALIB,转换块,Function,Block,Channel 序号,和现场变送器/执行器相关的其他功能,2,3,1,Channel 2,ProcessedSignals orTargetPosition,功能块通过“Channels”从转换快获得数据,2022/11/13,Function Blo
20、cks 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。单一设备可以有多个功能块。设备中的功能块取决于所选设备的类型，以3051为例，包含2个AI功能块，1个PID块。,2022/11/13,2022/11/13,功能块应用进程中模块及其与对象的连接,2022/11/13,说明,(1)连接对象连接对象规定了功能块之间的连接关系，它包括一个设备内部各块之间的连接关系，也包括跨越现场总线的不同设备间的输人与输出之间的连接关系。为了组成系统，
21、在AP之间和AP内部用连接对象把不同功能块连接在一起，用来记录这类信息的对象称为连接对象。运用连接对象来定义输人输出参数之间的连接关系，定义从外部访问观测对象、趋势对象和报警对象时的连接关系。连接对象要识别被连接的参数或对象，识别用于传输数据的FMS服务，识别用于传输数据的虚拟通信关系VCR。对跨越现场总线的不同设备间的输人输出参数连接，还要远程识别其参数或对象。,2022/11/13,说明,(2)趋势对象 趋势对象允许将功能块参数局部趋势化，它可以被主机或其他设备访问。趋势对象收集短期历史数据并存储在一个设备中，它提供了回顾其特征的历史信息。(3)报警对象 报警对象用于通知报警状态和控制网络
22、中发生的事件。当判断出有报警或事件发生时，报警对象生成通知报文。报警对象监测块状态。它在报警和事件发生时，发出事件通知，并在一个特定的响应时间内等待响应。如果在预定时间内没有收到响应，将重发事件通知，以确保报警信息不会丢失。为功能块、事件报告规定了两类报警。当功能块偏离了一个特定的状态时，例如当一个参数越过了规定的门限时，采用事件报道状态变化。不仅是在功能块变为特殊状态时，对其特殊状态采用报警，而且当它返回到正常状态时也使用报警，以表明状态发生了变化。,2022/11/13,说明,(4)观测对象 观测对象支持功能块的管理和控制，提供对状态与操作的可视性，观测对象将操作数据转换成组并做相应处理，
23、使参数可被一个通信请求成组地访问。通过预先定义观测对象，把人机接口采用的块参数组分成儿类。功能块规范中为每种功能块规定了4个观测对象。表620表示了如何把一般功能块参数按观测对象分组的情况。它只给出功能块参数的部分列表。1#观测对象 过程运行的动态信息，工厂操作人员监控生产过程所需要的信息。2 #观测对象 过程运行的静态信息，可能需要读取一次，然后与动态数据一起显示的信息。3 #观测对象一一正在变化的动态信息，在细目显示中可能需要参照这些动态信息。4 #观测对象一一其他静态信息，如组态与维护信息。,关键概念：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10个标准功能块(
24、Part 2)11个先进功能块 (Part 3)8个高级功能块 (Part 3)4个多输入/多输出功能块 (Part 4)柔性功能块 (Part 5),功能块,2022/11/13,基本模块,2022/11/13,2022/11/13,高级模块（先进+高级）,2022/11/13,利用功能块可以实现多种复杂应用,2022/11/13,2022/11/13,现场控制实例,2022/11/13,利用功能块的监控系统,2022/11/13,2022/11/13,2022/11/13,AI模块内部结构图,2022/11/13,2022/11/13,2022/11/13,2022/11/13,单回路PI
25、D控制配置,2022/11/13,2022/11/13,控制回路配置,2022/11/13,柔性功能块,任何应用可在现场总线（黑匣子）中实现,AI,AI,DI,DI,DI,DO,DO,AO,IN,IN,IN_D,应用算法用下列书写：阶梯逻辑，C+Basic，FB，其他,IN_D,IN_D,OUT_D,OUT_D,OUT,包含的参数,2022/11/13,功能块应用进程应用,AO,ML,Manual Control,AO,Feedback Control,AI,AI,PID,PD,AI,DI,AO,DO,Input,Output,AO,Override Control,AI,AI,PID,PID
26、,SS,AO,Ratio Control,AI,RA,AI,PID,AO,Cascade Control,AI,PID,AI,PID,Split Range Control,AO,AO,AI,BG,BG,PID,AO,Track, FeedforwardCapability in Control,AI,PID,AO,AI,DI,2022/11/13,2022/11/13,出版方/预定者,在控制器中执行PID3 CD VCRs,PID 在控制器中,2022/11/13,出版方/预定者,在变送器中执行PID2 CD VCRs,PID 在变送器中,2022/11/13,出版方/预定者,在阀门定位器中
27、执行PID1 CD VCR,PID 在阀门中,功能块调度,AI,OUT,AO,PID,BKCAL_OUT,CAS_IN,BKCAL_IN,OUT,IN,Transmitter,Positioner,Fieldbus,Bus Communication,Internal Communication,功能块调度,时间,预定的周期性通信,非周期通信,AI,PID,AO,执行预定的周期性通信,宏周期,宏周期,2022/11/13,现场总线基金会支持主要技术,FF通信技术功能块技术设备描述技术系统测试技术,2022/11/13,设备描述DD,设备描述(DD，Device Descriptions)：设备
28、描述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。 DD内包括参数标签、工程单位、要显示的十进制数、参数关系、量程与诊断菜单。,2022/11/13,DDs 和互操作性,EDDL,2022/11/13,设备描述DD,设备描述DD由称为设备描述语言(DDL)的标准编程语言编写实现。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。,2022/11/13,设备描述分层图示,2022/11/13,有关名
29、词,Device Description (DD until 2003) = Electronic Device Description (EDD) “E” in “EDD” = “Electronic”Enhanced EDD = Improved visualization in EDD,什么是EDDL?,EDDL是电子设备描述语言EDDL是基于文本的语言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,2022/11/13,现场总线基金会支持主要技术,FF通信技术功能块技术设备描述技术系统测试技术,2022/11/13,互操作性 所有主系
30、统都应通过主机互操性测试(HIST)，该测试由现场总线基金会人员监督，并按照HIST技术规范FF-569执行。 在2008年底前，现场总线基金会将继续提供当前的主机系统互操作性测试。自2009年开始，现有的主机系统测试将由新的主机系统注册程序取代。,主系统互操作性能测试(HIST),传统,现场总线将控制和I/O移到现场仪表,Controller,Control System Network,Fieldbus,4-20 mA,Input/Output,Subsystem,Controller,Control System Network,现场总线控制系统的特点,实现分布式控制功能,传统4-20
31、mA一个变量一个方向,数字信号多变量双向,Controller,Control System Network,Fieldbus,Input/Output,Subsystem,Controller,Control System Network,现场总线控制系统特点,实现数字化、双向通信,取消数字/模拟转换,传统4-20 mA视野止于I/O子系统,现场总线视野扩展到现场仪表,Controller,Control System Network,Fieldbus,Remote Input/Output,Subsystem,Controller,Control System Network,现场总线控制
32、系统特点,控制设备信息扩展,传统的4-20 mA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,Controller,Control System Network,Fieldbus,4-20 mA,Input/Output,Subsystem,I.S.,I.S.,I.S.,I.S.,Controller,Control System Network,现场总线控制系统特点,降低安装成本,多站：一条现场总线挂接多台现场设备,Fieldbus,Controller,Control System Network,现场总线控制系统特点,互操作性（Interop
33、erability）,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,2022/11/13,Simple Devices,Intelligent Devices,Fieldbus,位,字节,数据块,过程变量,逻辑控制,过程控制和诊断,Devicebus,AS-iSeriplexFIP I/O,Sensorbus,CANDeviceNetSDSLonWorksInterbus SP-NetWorldFIPProfibus DP & FMS,Profibus PA,总线标准选择,FOUNDATION H1,2022/11/13,2022/11/13,作业,FF总线有何特点？FF总线有那些基本功能块？FF总线有哪几种通信方式？,2022/11/13,Thank You !,
