控制网络与通信大作业
题 目：
作 者： 陈 荣
学 号： ZB0213104
班 级： ZB02131
指导老师： 王 小 英
日 期： 2014.6.10
目录
摘 要 ................................................................................................................. 3
一、 发展历史 ......................................................................................................... 4
二、工作原理 ........................................................................................................... 7
2.1 FF总线H1总线电路和信号形式 ................................................................ 7
2.2 物理层 .......................................................................................................... 7
2.3 链路层 .......................................................................................................... 8
2.4 应用层 .......................................................................................................... 8
2.5 用户层 .......................................................................................................... 9
2.6 协议数据的构成与层次 .............................................................................. 9
三、FF现场总线的拓扑结构 ............................................................................... 11
3.1 点对点拓扑结构 ........................................................................................ 11
3.2 树形拓扑结构 ............................................................................................ 11
3.3 菊花链拓扑结构 ........................................................................................ 12
3.4 带支线拓扑结构 ........................................................................................ 13
3.5电缆及通信距离 ........................................................................................... 13
四、主要产品 ......................................................................................................... 15
五、FF基金会现场总线的应用 ........................................................................... 17
5.1 FF总线在汽轮机轴封系统上的应用 ......................................................... 17
5.2 FF总线在温度测点上的应用 .................................................................. 18
六、个人思考 ......................................................................................................... 19
6.1基金会现场总线的十大技术特点 ............................................................... 19
6.2基金会现场总线用户获益的十大源泉 ....................................................... 19
6.3基金会现场总线的五大关键技术 ............................................................... 20
6.4基金会现场总线的五大保障体系 ............................................................... 20
参考文献 ................................................................................................................. 21
FF基金会现场总线
摘 要
随着计算机硬件、软件技术及网络技术的迅速发展，自动化技术也迅猛发展起来，许多控制功能已经被下放到现场级设备中，这使得现场设备间的数据通讯量加大，这种趋势推动了现场总线技术的发展。现场总线是八十年代末在国际上发展起来的用于制造业自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。目前不同国家和厂家已纷纷组成集团发表了各自的现场总线协议标准，市场上出现的现场总线有：FF、Proflbus、LonWorks、CAN、HART、Interbus、ISPFIP、SDS、Devlcenet等等。
在众多的现场总线技术当中，由现场总线基金会组织(Fieldbus Foundation，FF)开发的基金会现场总线在过程自动化领域中得到了广泛的应用。以基金会现场总线FF为信息通道构成了一种全分布式的自动化系统，其主要功能是对工业生产过程进行测量、信号变送、控制等。FF于1996年颁布了低速总线Hl标准。随着以太网技术的成熟，FF又制定了FF HSE(High Speed Ethemet)规范，该规范定义了一种基于高速以太网的现场总线技术。为实现自动控制系统的控制功能，在H1和HSE应用层之上增加了用户层。用户层包括了FF所定义的标准化的功能块和功能块应用进程，构成了自动化控制系统中实现控制功能的主要部分。
FF基金会现场总线由于其优良的性能、较高的可靠性和控制功能、诊断功能、管理功能，特别适合于工业过程监控设备的互连，因而越来越受到工业界的重视，并已被公认为应用于过程自动化系统中最具有前途的现场总线之一。
关键字：基金会现场总线 协议 网络结构 应用领域 主要产品
FF基金会现场总线
一、 发展历史
基金会总线（FF，Foundation Fieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的World FIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年 9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。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。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。
FF（Fieldbus Foundation）现场总线简介
FF总线系统体系结构
FF现场总线基金会是由WORLDFIP NA（北美部分，不包括欧洲）和ISP Foundation于1994年6月联合成立的，它是一个国际性的组织，其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。这个组织给予了IEC现场总线标准起草工作组以强大的支持。这个组织目前有l00多成员单位，包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司。1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会（CFC）。致力于这项技术在中国的推广应用。FF成立的时间比较晚，在推出自己的产品和把这项技术完整地应用到工程上相对于Profibus和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是1992年9月成立
的，是以Fisher Rosemount公司为核心的ISP（可互操作系统协议）与WORLDFIP NA两大组织合并而成的，因此这个组织具有相当实力：目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。 FF(HSE) 现场总线即为IEC定义的H2总线，它由Fieldbus Foundation(FF)组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网（highspeed ethernet HSE）标准。该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持IEC 61158现场总线的各项功能，诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干予就可以进行对等层通信。连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。
HSE总线成功地采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网IEEE802.3μ标准的最新技术。
现场总线基金会自1984年成立以来，经过十年的发展，已经形成了一个开放的、全数字化的工业通信系统，并在上世纪末开始进入中国市场，推动了中国的工业自动化技术进步，并开始了大型全区域系统集成的应用。一个开放式的总线协议，很重要的一点就是有多少设备支持这个协议。否则，这个协议的开放性就没有意义了。从2001年起，支持FF总线的产品越来越多。据统计，2002年通过FF基金会认证注册的产品增长了24%，累计达到137种。其中，压力仪表32种，温度仪表12种，流量仪表19种，物位仪表12种，分析仪表16种，阀门类仪表30种，高速以太网联接设备5种，调节仪表1中，其他仪表10种。有10个公司的控制系统能够联接FF总线的H1网段。它们是ABB，Emerson（Delta-V）；Honeywell（Plantscape，Experion PKS）；Invensys，Smar（System302）；Yamatake（Industrial DEO），Yokogawa（Centum，Stardom）。
在具体工程方面，截至2002年6月，全球已经安装的FF总线仪表达到205，000台，已经安装的系统达到4000个。石油、天然气、石油化工、化工领域的项目数占FF总线全部项目数的44.9%，说明石化领域目前是FF总线最主要的应用领域。
但实际上，现场总线系统已经逐步在大型和超大型规模系统中得到采用。据报道，目前已经在使用的FF总线系统的最大规模已经达到12000台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采用数千台FF总线仪表，自动化的总投资达到5000万美元。上海SECCO新建的石化装置也全部采用FF总线技术和仪表，合同金额达到3000万美元。
现在在我国已经安装的FF总线系统已经超过100个，当然大部分是中小系统。最近报道厦门湘鲁石化有限公司，一期投资为6亿美元。生产纯净对苯二酸，是世界上第一个在本安区域使用FF总线的PTA工厂。该系统在本安区域，有161个网段，挂接742台FF总线设备。另外自备锅炉还有38个网段，挂接173台FF总线设备。平均一个网段挂接4台设备。采用的系统是Emerson公司的产品
随着现场总线技术的发展，制造商和用户将越来越加深对它的理解。据预测，到2005年，我国的几个采用FF总线系统的大型石化工程都将投产。届时，我国安装的FF仪表将达到数万台。人们对如何
进行FF总线系统的设计、调试、组态、维护以及现场总线为用户带来的实际利益都会更加明朗。因此，随时掌握各种总线的发展状况是十分重要的。
现场总线的发展与计算机通信技术的关系。 随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网(ethernet)垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统。进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCP／IP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。例如日本MAZRK公司的数控机床的售后维护已有30％可以通过因特网实施。但所有这些仅限于故障诊断，维护等实时性要求很低的工作。工业过程的现场总线控制不会被计算机通信技术取代，因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同．从功能上讲，计算机通信的基本功能是可靠地传递信息；现场总线的功能有：一是经济、安全、可靠地传递信息；二是正确使用所传信息；三是及时处理所传信息。从要求上讲，对计算机通信的主要要求是快；对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应时间短，即实时性要求高，以及巡回时间短，过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。从结构上讲，计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的；而大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。然而在实时性要求低、被控信息简单的现场环境，例如建筑物自动化等方面，新动向的发展确实值得关注，计算机通信技术正逐步深入到现场控制。
所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC61158的定义，是指安装在翩造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统(FCS)．现场总线与传统的控制方式的显著区别在于其通讯方式的不同。现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程。是互相操作以及数据共享的公共协议。可以认为，现场总线是通信总线在现场设备中的延伸。允许将各种现场设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。
基金会现场总线FF包括低速总线（H1总线）和高速总线（H2总线）两种。目前H1总线已逐渐成熟，并且已经步入实用阶段，H2总线的应用还有待时日。本文主要讲的是H1现场总线。
二、工作原理
2.1 FF总线H1总线电路和信号形式
H1网段下，总线电路如图2所示。
现场设备静态供电电流10~15mA，信号恒流方式l5~20mAp—p，多个设备可以并联，接收信号在0.75~1Vp—p电压范围，最小不低于150mVp—p，信号负载的作用是将15~20mAp—p电流方波信号转化为0.75~1Vp—p的电压信号。所以，匹配阻抗器既不能多，也不能少，否则信号电压将不正常，特别是长线传输的时候，如果终端阻抗不匹配，经常会产生反射而使波形失真。电缆的特征阻抗是100欧姆，长线要安装在两端。
2.2 物理层
FF—H1、HSE是高可靠性要求的热工过程控制的首选，在当前工业现场应用极其广泛，它们的传输距离可根据实际情况而定，不同的传输介质和传输介质质量的好坏对信号的传输距离有很大的影响，就拿FF—H1低速总线来说，如果采用#18AWG屏蔽双绞线的传输介质，传输距离可达1900米，但若采用#22AWG屏蔽双绞线，传输距离则只有1200米，且此传输距离包含主干与分支的和，分支最长不能超过120米。另外，传输介质的质量对传输距离也有影响，但据有关部门考证，目前，国内很多厂家生产的电缆在要求不是很严格的情况下是能够满足FF总线的现场需要的。所以，在我们设计FF总线网络时，要根据FF总线特性、技术参数来选择适当的传输介质，这样就能起到事半功倍的效果。FF总线技术参数表如表1所示。
表1：FF现场总线基本技术参数表
2.3 链路层 FF总线的链路层是总线上信息正确传递的重要保障，每条总线上有且只有一台现行链路活动调度器（LAS），在FF总线网络上任何一个智能总线仪表都可以作为该条线路的LAS，LAS中有总线上所有的设备清单，它负责管理总线，管理其它设备是否占用总线。LAS将“时间重要”的实时过程数据与后台MM1及组态下装数据分别处理即周期受调度和非周期不受调度通信。
2.4 应用层
FF现场总线应用层遵循开放式系统互联模式OSI的基本架构，FF现场总线的应用层服务由FMS
（Fieldbus Message Specification）来定义．该层定义了用户进行通信所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。在应用层中定义了网络可视对象（Network Visible Objects)、虚拟现场设备（Virtual Field Device，简称VFD）、虚拟通信关系（Virtual Communication Relationship，简称VCR）几个概
念。
在FF现场总线规范中．现场设备之间进行信息传输所使用的预组态的信道称为虚拟通信关系．相当于计算机网络中的虚电路。在现场总线网络系统中，设备中的不同的应用进程进行通信时通过使用不同的VCR可以进行互不干扰的通信。
FMS在VCR的端点向应用进程提供服务，FMS提供的服务分为有确认的服务和无确认服务，其中有确认的服务用于操作和控制应用对象，如读，写变量的值、访问对象字典OD等。使用Client/Server VCR；无确认的服务用于发布数据或通报事件，发布数据使用Publisher/Subscriber VCR；通报事件使用Report Distributton VCR。
2.5 用户层
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，FF总线利用这些嵌入到系统内部的功能块实现工业控制上的各种控制功能。
FF公布十个基本功能块：摸拟输入AI；摸拟输出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。用以上功能块可以构筑几乎所有基本的控制策略，功能相强大。
2.6 协议数据的构成与层次
图1表明了现场总线协议数据的内容和模型中每层应该附加的信息。他也从一个角度反映了现场总线保温信息的形成过程如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息；用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息后，送往物理层将数据打包，即加上帧前、帧后定界码，也就是开头码、帧结束码，并在开头码之前再加上用于时钟同步的前导码（或称之为同步码）。该图还表明了各层所附的协议信息的字节数。信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。
图1 现场总线协议数据的生成
三、FF现场总线的拓扑结构
基金会现场总线一般会采用以下几种网络拓扑结构，为清楚并简单起见，图中省略了电源和终端器。在实际应用往往会是几种方式的组合，下面详细论述每种拓扑结构的特性。
3.1 点对点拓扑结构
这类拓扑结构是只有由两台设备的段组成，段可以完全在现场（一台从设备和一台主设备独立运行，如变送器和阀此外不再带其它设备），或者也可以由一台现场设备（变送器）连接到一个主系统（作为控制或监视），如图1所示点对点总线联接。
终端端子 图1 简单点到点拓扑结构
简单的点对点（主机和每个总线的一个设备）不会常用，因为它每段只有一个测量或者控制设备，如同在传统控制4~20mA时那样，同每个具有多个设备的总线段相比没有优点。
3.2 树形拓扑结构
树形拓扑结构就是在一台现场总线段上的设备都是以独立的双绞线联接到公共的端子盒、端子、仪表板或I/O卡。这种布局可以用于通向主机电缆的一个端上，实际上同一段上的设备是相互分开的，但是一般是在同一个接线盒的区域内。如图2所示，树形联接。使用这种布局方式，必须考虑到支线电缆的最大长度。
终端端子
图2 树形总线拓扑结构
3.3 菊花链拓扑结构
这种联接方式，在一个段中现场总线电缆从一台设备走到另一台设备，在每个现场设备的端子上互连。使用这种拓扑安装应该使用联接器或一种接线方式，使得一台设备的接线断了不会影响整个段的工作，如图3所示菊花链联接。
基金会现场总线接口（FFI）
T
FD
FD
终端端子 T
FD
图3 菊花链拓扑结构
3.4 带支线拓扑结构
这类拓扑结构方式，现场总线设备通过一段支线的电缆联接到总线段上。支线的长度可以从lm到l20m，长度小于1m的支线看作是一个接头，如图4所示，带支线总线联接。
终端端子
图4 支线拓扑结构
3.5电缆及通信距离
可以使用多种电缆作为总线电缆，IEC/ISA物理层标准中规定的几种型号的电缆及相应的通信距离表。
表：电缆类型及最大通信距离
可以在同一网络中使用多种导线，但有一定的约束条件。以使用两种导线为例，应符合以下公式：
LX/LX,maxLY/LY,max1
其中：Lx为X导线的长度；Lx，max为单独用X导线时的最大长度；Ly为Y导线的长度；Ly，max为单独用Y导线的最大长度。
如果使用四种导线，则应遵守以下公式：
Lv/Lv,maxLw/Lw,maxLx/Lx,maxLy/Ly,max1
由于FF现场总线供电型设备的供电电压范围为直流0~32V，故在现场应用时应根据总线里的电流和导
线电阻按照欧姆定律计算总线上的压降，以确认是否所以设备的供电电源都不低于直流9V，如果不能保证，则可以使用输出电压更高的电源，或者使用中继器。每个网段最多可接32台设备；如果有本安要求，一条网段上总线供电型本安设备最多只能接6台。网络中各支线的长度越短越好，支线的最大允许长度与网络中的设备总数及支线中的设备数量有关，具体额情况如下表。
表：支线最大长度（m）与设备数量对应表
四、主要产品
现场总线不仅仅是一个总线，而是一个系统。要构成这样一个新型系统需要开发出一系列符合标
准规范、具有通信能力的开放式产品。目前国际上流行采用OEM产品集成开发方式。FF现场总线设备不同于传统自动化仪表的最大特色是通信，因而围绕FF协议的通信栈软件、通信控制芯片等将形成一系列的OME产品、最终用户产品以及相应的配件、附件，以
便构成完整的自动化系统。从产品集成与系统集成应用的角度，大致由以下种类的软、硬件可形成产品系列的组成部分： 1）通用控制器IC芯片； 2）符合FF协议的通信栈软件；
3）构成智能仪表、符合FF协议的通信圆卡； 4）符合FF协议的智能仪表类； 5）总线与计算机的接口； 6）网络设备；
7）主机运行管理软件、组态软件、人机接口软件；
8）现场总线供电电源； 9）本安防爆栅； 10）附件类； 11）工具类。
但每个开发商不必要形成全系列的产品，关键是产品要有自己的特色，有了特色，就可在竞争中找到自己的一席之地。现场总线控制系统FCS从大的方面来讲可包括现场仪表（L0级）和控制系统（L1级），根据我国国情，目前我们一开始要在L1级上搞出象Delta V那样的控制系统是不现实的，但在L0级上却大有文章可做。现场总线仪表使用量大，所以极具意义。根据我国的国情，我们首先应集中财力物力开发以下两类FF产品：
1）开发构成智能仪表、符合FF协议的通信圆卡通过这种智能I/O，可将我们目前生产的数字智能变送器、执行器连入现场总线。使我们自己生产的现场仪表不再被排除于现场总线系统之外。国外的现场智能化变送器是非常贵的，如FF的变送器要1.8万元，有的要1.9万美元。而智能通信圆卡几百元，加上国产的变送器4000~5000元，从价格上很有优势，而且在大部分的场合能满足要求，增强了同国外产品的竞争能力。
2）开发符合FF协议的智能仪表类
具备通信功能的、传输信号全数字化的现场智能仪表，是现场总线的基础。国外的公司亦非常重视与自己现场总线控制系统配套的现场总线仪表。如Fisher-Rosemount公司推出的FF总线标准的3051C差压变送器、3051T压力变送器、3051L液位变送器、3244MV温度变送器等。我国经过多年的引进、消化、吸收，现场仪表的生产已有良好的基础，智能化的工作也进行得比较充分，有势力冲刺这一领域，而且现场总线仪表搞好了，将为我国现场总线技术的发展打下良好的基础。3.3FF产品开发的步骤为了这是保证系统开放性，对现场总线产品开发必须遵循的一些约束。一个符合基金会现场总线协 议的设备开发，大致经过以下步骤：
1）软件开发者开发符合FF协议的通信栈软件；
2）将通信栈软件提交授权测试代理（如德国的Fraunhofer）作以一致性测试； 3）将测试报告送交基金会注册登记，取得FF Stack认证标志；
4）设备开发制造商购买已取得认证的通信栈软件、通信控制芯片，开发相应的软、硬件，形成OME产品或最终产品，包括智能现场设备与网络产品；
5）在形成产品的过程中，要为开发的现场设备创建设备描述（DD），将DD送交基金会注册登记，并由基金会颁发DD光盘，发行已注册的产品目录；
6）将设备提交FF或其他测试代理作可互操作性测试，取得可互操作性合格证书。
五、FF基金会现场总线的应用
5.1 FF总线在汽轮机轴封系统上的应用
由于FF现场总线控制技术在高参数、大容量机组上还没有应用先例，为保证机组投产后的安全稳定运行，在汽轮机轴封系统上设计了2套控制方案：一套为FF总线控制方案，另一套为常规硬接线控制方案。在机组调试运行阶段，采用了FF总线控制方案，常规硬接线控制方案为后备方案，如果FF总线方案运行不正常，只需把阀门定位器和压力变送器更换为常规设备即可，常规控制电缆已敷设到就地设备。为使用FF总线控制技术，在轴封系统上，轴封系统气动调门定位器，轴封母管压力变送器采用了FF总线接口设备，带有FF总线接口的气动调门定位器分别为辅汽至轴封母管压力调节阀定位器，主蒸汽至轴封母管压力调节阀定位器，轴封溢流调节阀定位器，轴封用汽温度调节阀定位器，气动调节阀定位器选用了西门子产品，型号为SIPARTPS2 FF POSITIONER，轴封母管上安装了3台带有FF总线的ROSEMOUNT3051变送器。
为实现FF总线控制，在设备现场安装现场仪表配线盒，气动调门定位器及母管压力变送器通过现场仪表配线盒与DCS控制柜内的POWER3模块端子相连，实现就地设备与DCS控制器的通讯。DCS控制器根据轴封母管压力变送器传输过来的母管压力数据，对轴封系统调门进行调节，PID调节回路在DCS控制器中实现，从而实现DCS控制系统对现场设备的控制，控制原理如图8所示。
从
5.2 FF总线在温度测点上的应用
邹县电厂在锅炉水冷壁、包墙、过热器、再热器壁温测点及发电机定子线圈、定子铁心、定子线圈出水温度测点采用了FF总线技术。温度测点选用常规的T，K分度热电偶和Ptl00热电阻，在设备现场安装848T温度变送器，就地温度测点信号与848T相连接，温度测点信号通过848T转换为FF总线信号，传输至DCS控制柜，进而在DCS操作员站上显示温度数值。848T温度变送器为ROSEMOUNT公司产品，每个848T有8个独立的输入通道，它能接收RTD、热电偶、毫伏等信号，848T的最大特点支持FF总线协议。DCS控制柜内的每个H1可带16个848T设备，其控制原理示意图如图9所示，邹县电厂在设备现场安装了848T控制柜，1个848T控制柜最多安装16块848T设备。
图9 DCS控制柜原理图
六、个人思考
个人认为现场总线是过程自动化的发展趋势，而基金会总线在其中将扮演重要的角色。因此，开
发基金会总线产品将具有广阔的技术和市场前景。开发商可依据自身的实力和专长，进行准确的市场定位，选择合适的开发方式和开发工具，开发出符合FF规范要求，并能通过FF认证的总线产品。这对于缩短我国自动化仪表与国际的差距，提高我国的自动化水平和地位。振兴仪表工业也将具有重要意义 自基金会现场总线面世以来，以他特有的技术优势斐声海内外，成为过程控制无可争议的主打系统，受到了用户的好评，纵观其特点，可归结于以下几方面.
6.1基金会现场总线的十大技术特点
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。 9）H1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。
6.2基金会现场总线用户获益的十大源泉
1）系统总体维护时间减少20～78%，生产成本大幅度降低。
2）现场设备事故前期信号自动显示，出现在操作平台上，设备故障寻查时间减少90% 3）系统开车前，组态工作用EDDL语言和图示化编程完成，组态时间减少66%以上。 4）设备的调试时间比模拟仪表减少50%以上。
5）系统正常运行时的无效和重复工作量减少60%以上，维护工作量少而有效。
6）节约工程费用，工程硬件设备的电缆、接线端子、控制柜、控制间面积等大量减少。 7）设备运行平稳，事故停车和非事故停车大大减少，生产效率提高。
8）采用先进控制使受控系统耗能减少，次品率减低。
9）可以配置更先进的工业在线分析仪器、实时监测系统，减少废物排放量，乃至提高可回收物资数量。 10）工厂或车间安装系统资源管理，提高底层信息使用量，快速形成高层网络管理决策。
6.3基金会现场总线的五大关键技术
1）先进的数字曼彻斯特编码技术，可与地球时钟同步，完美的系统实时性。 2）网络传输信号保真技术，提供完善的网络连接方式。
3）功能块功能调度网络组态技术，确保系统的安全运行，不停车、控制不间断。 4）设备信息上传，提供设备自诊断功能和前置故障处理等技术。 5）高速总线HSE网络跨接技术，受控对象可扩展到非连续控制领域。
6.4基金会现场总线的五大保障体系
1）采用统一标准的芯片内核，软件一致性经过严格的测试。
2）现场设备和控制系统经过严格的可互操作性测试，确保不同公司的产品具有互换性和可互操作性。 3）资源互享，全世界80%以上的设备制造商，以及多达350个重要成员参加到现场总线基金会。 4）服务体系遍布主要发达国家和地区，完善的培训系统和演示系统便于用户尽快进入角色。 5）基金会总线与全世界自动化标准组织的协调一致动作，保证后续开发的技术延续性和可借用性。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4] 邬宽明 现场总线技术应用编选（1） 北京航空航天大学出版社 2004.6 邬宽明 现场总线技术应用编选（2） 北京航空航天大学出版社 2004.6 白焰 现场总线控制系统及其应用 中国电力出版社 2011.9 李正军 现场总线与工业以太网及其应用技术 机械工业出版社 2011.3
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题 目：
作 者： 陈 荣
学 号： ZB0213104
班 级： ZB02131
指导老师： 王 小 英
日 期： 2014.6.10
目录
摘 要 ................................................................................................................. 3
一、 发展历史 ......................................................................................................... 4
二、工作原理 ........................................................................................................... 7
2.1 FF总线H1总线电路和信号形式 ................................................................ 7
2.2 物理层 .......................................................................................................... 7
2.3 链路层 .......................................................................................................... 8
2.4 应用层 .......................................................................................................... 8
2.5 用户层 .......................................................................................................... 9
2.6 协议数据的构成与层次 .............................................................................. 9
三、FF现场总线的拓扑结构 ............................................................................... 11
3.1 点对点拓扑结构 ........................................................................................ 11
3.2 树形拓扑结构 ............................................................................................ 11
3.3 菊花链拓扑结构 ........................................................................................ 12
3.4 带支线拓扑结构 ........................................................................................ 13
3.5电缆及通信距离 ........................................................................................... 13
四、主要产品 ......................................................................................................... 15
五、FF基金会现场总线的应用 ........................................................................... 17
5.1 FF总线在汽轮机轴封系统上的应用 ......................................................... 17
5.2 FF总线在温度测点上的应用 .................................................................. 18
六、个人思考 ......................................................................................................... 19
6.1基金会现场总线的十大技术特点 ............................................................... 19
6.2基金会现场总线用户获益的十大源泉 ....................................................... 19
6.3基金会现场总线的五大关键技术 ............................................................... 20
6.4基金会现场总线的五大保障体系 ............................................................... 20
参考文献 ................................................................................................................. 21
FF基金会现场总线
摘 要
随着计算机硬件、软件技术及网络技术的迅速发展，自动化技术也迅猛发展起来，许多控制功能已经被下放到现场级设备中，这使得现场设备间的数据通讯量加大，这种趋势推动了现场总线技术的发展。现场总线是八十年代末在国际上发展起来的用于制造业自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。目前不同国家和厂家已纷纷组成集团发表了各自的现场总线协议标准，市场上出现的现场总线有：FF、Proflbus、LonWorks、CAN、HART、Interbus、ISPFIP、SDS、Devlcenet等等。
在众多的现场总线技术当中，由现场总线基金会组织(Fieldbus Foundation，FF)开发的基金会现场总线在过程自动化领域中得到了广泛的应用。以基金会现场总线FF为信息通道构成了一种全分布式的自动化系统，其主要功能是对工业生产过程进行测量、信号变送、控制等。FF于1996年颁布了低速总线Hl标准。随着以太网技术的成熟，FF又制定了FF HSE(High Speed Ethemet)规范，该规范定义了一种基于高速以太网的现场总线技术。为实现自动控制系统的控制功能，在H1和HSE应用层之上增加了用户层。用户层包括了FF所定义的标准化的功能块和功能块应用进程，构成了自动化控制系统中实现控制功能的主要部分。
FF基金会现场总线由于其优良的性能、较高的可靠性和控制功能、诊断功能、管理功能，特别适合于工业过程监控设备的互连，因而越来越受到工业界的重视，并已被公认为应用于过程自动化系统中最具有前途的现场总线之一。
关键字：基金会现场总线 协议 网络结构 应用领域 主要产品
FF基金会现场总线
一、 发展历史
基金会总线（FF，Foundation Fieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的World FIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年 9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。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。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。
FF（Fieldbus Foundation）现场总线简介
FF总线系统体系结构
FF现场总线基金会是由WORLDFIP NA（北美部分，不包括欧洲）和ISP Foundation于1994年6月联合成立的，它是一个国际性的组织，其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。这个组织给予了IEC现场总线标准起草工作组以强大的支持。这个组织目前有l00多成员单位，包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司。1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会（CFC）。致力于这项技术在中国的推广应用。FF成立的时间比较晚，在推出自己的产品和把这项技术完整地应用到工程上相对于Profibus和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是1992年9月成立
的，是以Fisher Rosemount公司为核心的ISP（可互操作系统协议）与WORLDFIP NA两大组织合并而成的，因此这个组织具有相当实力：目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。 FF(HSE) 现场总线即为IEC定义的H2总线，它由Fieldbus Foundation(FF)组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网（highspeed ethernet HSE）标准。该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持IEC 61158现场总线的各项功能，诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干予就可以进行对等层通信。连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。
HSE总线成功地采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网IEEE802.3μ标准的最新技术。
现场总线基金会自1984年成立以来，经过十年的发展，已经形成了一个开放的、全数字化的工业通信系统，并在上世纪末开始进入中国市场，推动了中国的工业自动化技术进步，并开始了大型全区域系统集成的应用。一个开放式的总线协议，很重要的一点就是有多少设备支持这个协议。否则，这个协议的开放性就没有意义了。从2001年起，支持FF总线的产品越来越多。据统计，2002年通过FF基金会认证注册的产品增长了24%，累计达到137种。其中，压力仪表32种，温度仪表12种，流量仪表19种，物位仪表12种，分析仪表16种，阀门类仪表30种，高速以太网联接设备5种，调节仪表1中，其他仪表10种。有10个公司的控制系统能够联接FF总线的H1网段。它们是ABB，Emerson（Delta-V）；Honeywell（Plantscape，Experion PKS）；Invensys，Smar（System302）；Yamatake（Industrial DEO），Yokogawa（Centum，Stardom）。
在具体工程方面，截至2002年6月，全球已经安装的FF总线仪表达到205，000台，已经安装的系统达到4000个。石油、天然气、石油化工、化工领域的项目数占FF总线全部项目数的44.9%，说明石化领域目前是FF总线最主要的应用领域。
但实际上，现场总线系统已经逐步在大型和超大型规模系统中得到采用。据报道，目前已经在使用的FF总线系统的最大规模已经达到12000台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采用数千台FF总线仪表，自动化的总投资达到5000万美元。上海SECCO新建的石化装置也全部采用FF总线技术和仪表，合同金额达到3000万美元。
现在在我国已经安装的FF总线系统已经超过100个，当然大部分是中小系统。最近报道厦门湘鲁石化有限公司，一期投资为6亿美元。生产纯净对苯二酸，是世界上第一个在本安区域使用FF总线的PTA工厂。该系统在本安区域，有161个网段，挂接742台FF总线设备。另外自备锅炉还有38个网段，挂接173台FF总线设备。平均一个网段挂接4台设备。采用的系统是Emerson公司的产品
随着现场总线技术的发展，制造商和用户将越来越加深对它的理解。据预测，到2005年，我国的几个采用FF总线系统的大型石化工程都将投产。届时，我国安装的FF仪表将达到数万台。人们对如何
进行FF总线系统的设计、调试、组态、维护以及现场总线为用户带来的实际利益都会更加明朗。因此，随时掌握各种总线的发展状况是十分重要的。
现场总线的发展与计算机通信技术的关系。 随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网(ethernet)垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统。进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCP／IP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。例如日本MAZRK公司的数控机床的售后维护已有30％可以通过因特网实施。但所有这些仅限于故障诊断，维护等实时性要求很低的工作。工业过程的现场总线控制不会被计算机通信技术取代，因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同．从功能上讲，计算机通信的基本功能是可靠地传递信息；现场总线的功能有：一是经济、安全、可靠地传递信息；二是正确使用所传信息；三是及时处理所传信息。从要求上讲，对计算机通信的主要要求是快；对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应时间短，即实时性要求高，以及巡回时间短，过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。从结构上讲，计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的；而大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。然而在实时性要求低、被控信息简单的现场环境，例如建筑物自动化等方面，新动向的发展确实值得关注，计算机通信技术正逐步深入到现场控制。
所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC61158的定义，是指安装在翩造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统(FCS)．现场总线与传统的控制方式的显著区别在于其通讯方式的不同。现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程。是互相操作以及数据共享的公共协议。可以认为，现场总线是通信总线在现场设备中的延伸。允许将各种现场设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。
基金会现场总线FF包括低速总线（H1总线）和高速总线（H2总线）两种。目前H1总线已逐渐成熟，并且已经步入实用阶段，H2总线的应用还有待时日。本文主要讲的是H1现场总线。
二、工作原理
2.1 FF总线H1总线电路和信号形式
H1网段下，总线电路如图2所示。
现场设备静态供电电流10~15mA，信号恒流方式l5~20mAp—p，多个设备可以并联，接收信号在0.75~1Vp—p电压范围，最小不低于150mVp—p，信号负载的作用是将15~20mAp—p电流方波信号转化为0.75~1Vp—p的电压信号。所以，匹配阻抗器既不能多，也不能少，否则信号电压将不正常，特别是长线传输的时候，如果终端阻抗不匹配，经常会产生反射而使波形失真。电缆的特征阻抗是100欧姆，长线要安装在两端。
2.2 物理层
FF—H1、HSE是高可靠性要求的热工过程控制的首选，在当前工业现场应用极其广泛，它们的传输距离可根据实际情况而定，不同的传输介质和传输介质质量的好坏对信号的传输距离有很大的影响，就拿FF—H1低速总线来说，如果采用#18AWG屏蔽双绞线的传输介质，传输距离可达1900米，但若采用#22AWG屏蔽双绞线，传输距离则只有1200米，且此传输距离包含主干与分支的和，分支最长不能超过120米。另外，传输介质的质量对传输距离也有影响，但据有关部门考证，目前，国内很多厂家生产的电缆在要求不是很严格的情况下是能够满足FF总线的现场需要的。所以，在我们设计FF总线网络时，要根据FF总线特性、技术参数来选择适当的传输介质，这样就能起到事半功倍的效果。FF总线技术参数表如表1所示。
表1：FF现场总线基本技术参数表
2.3 链路层 FF总线的链路层是总线上信息正确传递的重要保障，每条总线上有且只有一台现行链路活动调度器（LAS），在FF总线网络上任何一个智能总线仪表都可以作为该条线路的LAS，LAS中有总线上所有的设备清单，它负责管理总线，管理其它设备是否占用总线。LAS将“时间重要”的实时过程数据与后台MM1及组态下装数据分别处理即周期受调度和非周期不受调度通信。
2.4 应用层
FF现场总线应用层遵循开放式系统互联模式OSI的基本架构，FF现场总线的应用层服务由FMS
（Fieldbus Message Specification）来定义．该层定义了用户进行通信所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。在应用层中定义了网络可视对象（Network Visible Objects)、虚拟现场设备（Virtual Field Device，简称VFD）、虚拟通信关系（Virtual Communication Relationship，简称VCR）几个概
念。
在FF现场总线规范中．现场设备之间进行信息传输所使用的预组态的信道称为虚拟通信关系．相当于计算机网络中的虚电路。在现场总线网络系统中，设备中的不同的应用进程进行通信时通过使用不同的VCR可以进行互不干扰的通信。
FMS在VCR的端点向应用进程提供服务，FMS提供的服务分为有确认的服务和无确认服务，其中有确认的服务用于操作和控制应用对象，如读，写变量的值、访问对象字典OD等。使用Client/Server VCR；无确认的服务用于发布数据或通报事件，发布数据使用Publisher/Subscriber VCR；通报事件使用Report Distributton VCR。
2.5 用户层
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，FF总线利用这些嵌入到系统内部的功能块实现工业控制上的各种控制功能。
FF公布十个基本功能块：摸拟输入AI；摸拟输出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。用以上功能块可以构筑几乎所有基本的控制策略，功能相强大。
2.6 协议数据的构成与层次
图1表明了现场总线协议数据的内容和模型中每层应该附加的信息。他也从一个角度反映了现场总线保温信息的形成过程如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息；用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息后，送往物理层将数据打包，即加上帧前、帧后定界码，也就是开头码、帧结束码，并在开头码之前再加上用于时钟同步的前导码（或称之为同步码）。该图还表明了各层所附的协议信息的字节数。信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。
图1 现场总线协议数据的生成
三、FF现场总线的拓扑结构
基金会现场总线一般会采用以下几种网络拓扑结构，为清楚并简单起见，图中省略了电源和终端器。在实际应用往往会是几种方式的组合，下面详细论述每种拓扑结构的特性。
3.1 点对点拓扑结构
这类拓扑结构是只有由两台设备的段组成，段可以完全在现场（一台从设备和一台主设备独立运行，如变送器和阀此外不再带其它设备），或者也可以由一台现场设备（变送器）连接到一个主系统（作为控制或监视），如图1所示点对点总线联接。
终端端子 图1 简单点到点拓扑结构
简单的点对点（主机和每个总线的一个设备）不会常用，因为它每段只有一个测量或者控制设备，如同在传统控制4~20mA时那样，同每个具有多个设备的总线段相比没有优点。
3.2 树形拓扑结构
树形拓扑结构就是在一台现场总线段上的设备都是以独立的双绞线联接到公共的端子盒、端子、仪表板或I/O卡。这种布局可以用于通向主机电缆的一个端上，实际上同一段上的设备是相互分开的，但是一般是在同一个接线盒的区域内。如图2所示，树形联接。使用这种布局方式，必须考虑到支线电缆的最大长度。
终端端子
图2 树形总线拓扑结构
3.3 菊花链拓扑结构
这种联接方式，在一个段中现场总线电缆从一台设备走到另一台设备，在每个现场设备的端子上互连。使用这种拓扑安装应该使用联接器或一种接线方式，使得一台设备的接线断了不会影响整个段的工作，如图3所示菊花链联接。
基金会现场总线接口（FFI）
T
FD
FD
终端端子 T
FD
图3 菊花链拓扑结构
3.4 带支线拓扑结构
这类拓扑结构方式，现场总线设备通过一段支线的电缆联接到总线段上。支线的长度可以从lm到l20m，长度小于1m的支线看作是一个接头，如图4所示，带支线总线联接。
终端端子
图4 支线拓扑结构
3.5电缆及通信距离
可以使用多种电缆作为总线电缆，IEC/ISA物理层标准中规定的几种型号的电缆及相应的通信距离表。
表：电缆类型及最大通信距离
可以在同一网络中使用多种导线，但有一定的约束条件。以使用两种导线为例，应符合以下公式：
LX/LX,maxLY/LY,max1
其中：Lx为X导线的长度；Lx，max为单独用X导线时的最大长度；Ly为Y导线的长度；Ly，max为单独用Y导线的最大长度。
如果使用四种导线，则应遵守以下公式：
Lv/Lv,maxLw/Lw,maxLx/Lx,maxLy/Ly,max1
由于FF现场总线供电型设备的供电电压范围为直流0~32V，故在现场应用时应根据总线里的电流和导
线电阻按照欧姆定律计算总线上的压降，以确认是否所以设备的供电电源都不低于直流9V，如果不能保证，则可以使用输出电压更高的电源，或者使用中继器。每个网段最多可接32台设备；如果有本安要求，一条网段上总线供电型本安设备最多只能接6台。网络中各支线的长度越短越好，支线的最大允许长度与网络中的设备总数及支线中的设备数量有关，具体额情况如下表。
表：支线最大长度（m）与设备数量对应表
四、主要产品
现场总线不仅仅是一个总线，而是一个系统。要构成这样一个新型系统需要开发出一系列符合标
准规范、具有通信能力的开放式产品。目前国际上流行采用OEM产品集成开发方式。FF现场总线设备不同于传统自动化仪表的最大特色是通信，因而围绕FF协议的通信栈软件、通信控制芯片等将形成一系列的OME产品、最终用户产品以及相应的配件、附件，以
便构成完整的自动化系统。从产品集成与系统集成应用的角度，大致由以下种类的软、硬件可形成产品系列的组成部分： 1）通用控制器IC芯片； 2）符合FF协议的通信栈软件；
3）构成智能仪表、符合FF协议的通信圆卡； 4）符合FF协议的智能仪表类； 5）总线与计算机的接口； 6）网络设备；
7）主机运行管理软件、组态软件、人机接口软件；
8）现场总线供电电源； 9）本安防爆栅； 10）附件类； 11）工具类。
但每个开发商不必要形成全系列的产品，关键是产品要有自己的特色，有了特色，就可在竞争中找到自己的一席之地。现场总线控制系统FCS从大的方面来讲可包括现场仪表（L0级）和控制系统（L1级），根据我国国情，目前我们一开始要在L1级上搞出象Delta V那样的控制系统是不现实的，但在L0级上却大有文章可做。现场总线仪表使用量大，所以极具意义。根据我国的国情，我们首先应集中财力物力开发以下两类FF产品：
1）开发构成智能仪表、符合FF协议的通信圆卡通过这种智能I/O，可将我们目前生产的数字智能变送器、执行器连入现场总线。使我们自己生产的现场仪表不再被排除于现场总线系统之外。国外的现场智能化变送器是非常贵的，如FF的变送器要1.8万元，有的要1.9万美元。而智能通信圆卡几百元，加上国产的变送器4000~5000元，从价格上很有优势，而且在大部分的场合能满足要求，增强了同国外产品的竞争能力。
2）开发符合FF协议的智能仪表类
具备通信功能的、传输信号全数字化的现场智能仪表，是现场总线的基础。国外的公司亦非常重视与自己现场总线控制系统配套的现场总线仪表。如Fisher-Rosemount公司推出的FF总线标准的3051C差压变送器、3051T压力变送器、3051L液位变送器、3244MV温度变送器等。我国经过多年的引进、消化、吸收，现场仪表的生产已有良好的基础，智能化的工作也进行得比较充分，有势力冲刺这一领域，而且现场总线仪表搞好了，将为我国现场总线技术的发展打下良好的基础。3.3FF产品开发的步骤为了这是保证系统开放性，对现场总线产品开发必须遵循的一些约束。一个符合基金会现场总线协 议的设备开发，大致经过以下步骤：
1）软件开发者开发符合FF协议的通信栈软件；
2）将通信栈软件提交授权测试代理（如德国的Fraunhofer）作以一致性测试； 3）将测试报告送交基金会注册登记，取得FF Stack认证标志；
4）设备开发制造商购买已取得认证的通信栈软件、通信控制芯片，开发相应的软、硬件，形成OME产品或最终产品，包括智能现场设备与网络产品；
5）在形成产品的过程中，要为开发的现场设备创建设备描述（DD），将DD送交基金会注册登记，并由基金会颁发DD光盘，发行已注册的产品目录；
6）将设备提交FF或其他测试代理作可互操作性测试，取得可互操作性合格证书。
五、FF基金会现场总线的应用
5.1 FF总线在汽轮机轴封系统上的应用
由于FF现场总线控制技术在高参数、大容量机组上还没有应用先例，为保证机组投产后的安全稳定运行，在汽轮机轴封系统上设计了2套控制方案：一套为FF总线控制方案，另一套为常规硬接线控制方案。在机组调试运行阶段，采用了FF总线控制方案，常规硬接线控制方案为后备方案，如果FF总线方案运行不正常，只需把阀门定位器和压力变送器更换为常规设备即可，常规控制电缆已敷设到就地设备。为使用FF总线控制技术，在轴封系统上，轴封系统气动调门定位器，轴封母管压力变送器采用了FF总线接口设备，带有FF总线接口的气动调门定位器分别为辅汽至轴封母管压力调节阀定位器，主蒸汽至轴封母管压力调节阀定位器，轴封溢流调节阀定位器，轴封用汽温度调节阀定位器，气动调节阀定位器选用了西门子产品，型号为SIPARTPS2 FF POSITIONER，轴封母管上安装了3台带有FF总线的ROSEMOUNT3051变送器。
为实现FF总线控制，在设备现场安装现场仪表配线盒，气动调门定位器及母管压力变送器通过现场仪表配线盒与DCS控制柜内的POWER3模块端子相连，实现就地设备与DCS控制器的通讯。DCS控制器根据轴封母管压力变送器传输过来的母管压力数据，对轴封系统调门进行调节，PID调节回路在DCS控制器中实现，从而实现DCS控制系统对现场设备的控制，控制原理如图8所示。
从
5.2 FF总线在温度测点上的应用
邹县电厂在锅炉水冷壁、包墙、过热器、再热器壁温测点及发电机定子线圈、定子铁心、定子线圈出水温度测点采用了FF总线技术。温度测点选用常规的T，K分度热电偶和Ptl00热电阻，在设备现场安装848T温度变送器，就地温度测点信号与848T相连接，温度测点信号通过848T转换为FF总线信号，传输至DCS控制柜，进而在DCS操作员站上显示温度数值。848T温度变送器为ROSEMOUNT公司产品，每个848T有8个独立的输入通道，它能接收RTD、热电偶、毫伏等信号，848T的最大特点支持FF总线协议。DCS控制柜内的每个H1可带16个848T设备，其控制原理示意图如图9所示，邹县电厂在设备现场安装了848T控制柜，1个848T控制柜最多安装16块848T设备。
图9 DCS控制柜原理图
六、个人思考
个人认为现场总线是过程自动化的发展趋势，而基金会总线在其中将扮演重要的角色。因此，开
发基金会总线产品将具有广阔的技术和市场前景。开发商可依据自身的实力和专长，进行准确的市场定位，选择合适的开发方式和开发工具，开发出符合FF规范要求，并能通过FF认证的总线产品。这对于缩短我国自动化仪表与国际的差距，提高我国的自动化水平和地位。振兴仪表工业也将具有重要意义 自基金会现场总线面世以来，以他特有的技术优势斐声海内外，成为过程控制无可争议的主打系统，受到了用户的好评，纵观其特点，可归结于以下几方面.
6.1基金会现场总线的十大技术特点
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。 9）H1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。
6.2基金会现场总线用户获益的十大源泉
1）系统总体维护时间减少20～78%，生产成本大幅度降低。
2）现场设备事故前期信号自动显示，出现在操作平台上，设备故障寻查时间减少90% 3）系统开车前，组态工作用EDDL语言和图示化编程完成，组态时间减少66%以上。 4）设备的调试时间比模拟仪表减少50%以上。
5）系统正常运行时的无效和重复工作量减少60%以上，维护工作量少而有效。
6）节约工程费用，工程硬件设备的电缆、接线端子、控制柜、控制间面积等大量减少。 7）设备运行平稳，事故停车和非事故停车大大减少，生产效率提高。
8）采用先进控制使受控系统耗能减少，次品率减低。
9）可以配置更先进的工业在线分析仪器、实时监测系统，减少废物排放量，乃至提高可回收物资数量。 10）工厂或车间安装系统资源管理，提高底层信息使用量，快速形成高层网络管理决策。
6.3基金会现场总线的五大关键技术
1）先进的数字曼彻斯特编码技术，可与地球时钟同步，完美的系统实时性。 2）网络传输信号保真技术，提供完善的网络连接方式。
3）功能块功能调度网络组态技术，确保系统的安全运行，不停车、控制不间断。 4）设备信息上传，提供设备自诊断功能和前置故障处理等技术。 5）高速总线HSE网络跨接技术，受控对象可扩展到非连续控制领域。
6.4基金会现场总线的五大保障体系
1）采用统一标准的芯片内核，软件一致性经过严格的测试。
2）现场设备和控制系统经过严格的可互操作性测试，确保不同公司的产品具有互换性和可互操作性。 3）资源互享，全世界80%以上的设备制造商，以及多达350个重要成员参加到现场总线基金会。 4）服务体系遍布主要发达国家和地区，完善的培训系统和演示系统便于用户尽快进入角色。 5）基金会总线与全世界自动化标准组织的协调一致动作，保证后续开发的技术延续性和可借用性。
参考文献
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