（计算机应用技术专业论文）基于fieldbus技术的煤粉高压静电除尘控制系统.pdf

摘要 摘要 本文从f i e l d b u s ( 总线) 技术、煤粉高压静电除尘技术的基本原理出发，深入 探讨了基于f i e l d b u s 技术的煤粉高压静电除尘控制系统( c o n t r a ls y s t e mo fh i g h v o l t a g ce l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r - c o a la s hb a s e d o i lf i e l d b u st e c h n o l o g y ) 。 f i e l d b u s 技术是近些年随着智能传感器、计算机、网络技术，特别是大规模集 成电路技术的发展而新兴起的一门科学。由原集散控制系统c d c s ) 升级为f c s 系统，本文所讨论的系统有压力、温度、电流、电压、综合控制等各种传感器， 当一个传感器失灵或脱线后，其它有关传感器会自动担任指挥员或调度员，系统不 会因为某一节点的故障而影响整个系统的运行，这是基于现场总线控制系统( f c s ) 的优势。 本文创新性地将f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 基金会现场总线应用于煤输送线高 压静电除尘系统中。阐明了静电除尘和f f 相关技术理论；探讨了系统模型的建立； 讨论了高压发生器、高低压控制系统、除尘器本体、f f 控制系统等模型的设计与 实现。 关键词f i e l d b u s ；f f ；高压静电除尘；控制 c o n t r o ls y s t e mo fh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r c o a la s hb a s e do nf i e l d b u st e c h n o l o g y a b s t r a c t t h i sp a p e rp r o b e sd e e p l yi n t oc o n t r o ls y s t e mo fh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r - c o a la s hb a s e do nf i e l d b u st e c h n o l o g y , w h i c hb a s e do nt h et h e o r y o ff i e l d b u sa n dh 追hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t e f i e l d b u st e c h n o l o g yi sw i t hi n t e l l i g e n c es e n s o r , c o m p u t e r , n e t w o r kt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h el a r g e s c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i t i ti sar i s i n gn e ws c i e n c e t h ec o n t r o ls y s t e mi m p r o v e df r o m t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) t of i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) t h i s s y s t e mh a sv a r i o u sk i n d so fs e n s o r s ，s u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，e l e c t r i c c u r r e n t ，v o l t a g e ，c o n t r o l l i n gs y n t h e t i c a l l 弘e t c a f t e ras e n s o rd o e sn o tw o r ko r t a k e so f ft h el i n e ，o t h e rs e n s o ro fo n - t h e s p o t e q u i p m e n tw i l l s e r v ea st h e c o m m a n d e ro rt h ec o n t r o l l e r s ot h es y s t e md o e sn o tb ei n f l u e n c e dw i t hf o rs o m e s e n s o r st r o u b l e t h i si st h eb e s ta d v a n t a g eo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u s t h i ss u b j e c ta p p l i e si n n o v a t i v e l yf o u n d a t i o nf i e l d b u s ( f f ) t ot h ec o n t r o l s y s t e mo fh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rc o a la s h t h i sp a p e re x p l a i n e d t h et h e o r yo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ra n df ei td i s c u s s e dt h es e t t i n g - u po ft h e m o d e l s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed e s i g na n dt h er e a l i z i n go fh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r , c o n t r o ls y s t e mo fh i g ha n dl o wv o l t a g e ，t h eb o d yo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , a n d t h ef fc o n t r o is y s t e m k e yw o r d sf d i e l d b u s ；f o u n d a t i o nf i e l d b u s ；h i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r ；c o n t r o l 1 1课题来源 第1 章绪言 目前，不论是国内还是国外，随着世界工业化，现代化进程的加快，环境污染 越来越严重，世界各国对环保的重视与日俱增，其中高压静电除尘技术作为一项高 科技的大气污染治理技术，得到不断的发展和广泛的应用。它是一门集环保、机械、 电力、电子、计算机等多方面技术于一体的新兴学科。其广泛应用于电力、冶金、 建材、煤炭、化工、制药等各个行业。 煤粉高压静电除尘技术是近十几年发展起来的一门颏兴学科，随着电力、电子 技术的不断发展，其调压方式经历了自耦调压式、硒堆整流式、晶闸管式、数字调 压式；其控制技术也从电子管、晶体管、小规模集成电路、大规模集成电路、单板 机、单片机发展为计算机与网络技术控制。 目前，现场广泛运行的煤粉高压静电除尘控制系统多为集成电路控制，其为孤 立而零散的控制系统，操作人员多、环境恶劣、职业病多发、人工记录烦琐、自动 化程度低，很难及时发现和处理各种故障，易造成设备损失和人力、资金的大量浪 费。 随着计算机技术，特别是网络技术在工业控制领域应用范围的日益扩展以及集 散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 产品标准化进程的推进，使得现场 总线( f i e l d b u s ) 技术得以迅速发展，它较完整地实现了控制技术、计算机技术与 通信技术的集成，其特点是可靠性高、性能稳定、抗干扰能力强、维护及系统扩充 成本低，系统的性能价格比高，已在欧美各国得到广泛应用。 鉴于此，提出该课题，并通过河北省教育厅专家组的评审于2 0 0 1 年6 月正式 立项，本课题将f i e i d b u s 技术应用于煤粉高压静电除尘系统中，全面提高系统的 自动化水平、智能化程序、远程控制能力，节约人力、财力，提高经济效益与社会 效益。 1 2 国际国内现状 由于煤粉高压静电除尘装置，一般工作场所较分散，大规模、长距离皮带输送 煤炭装船出口或转口，在国内外发展的时间不长，加之煤粉高压静电除尘电源的防 爆研究也是近几年才有突破，所以长期以来，煤粉高压静电除尘装置均为单台独立 河北大学工学硕士学位论文 二! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = ! 操作运行。随着煤输送线高压静电除尘装置( 1 9 9 3 年河北大学研制成功并获省科 技进步奖) 研发、推广，因皮带长度有限( 一般为5 0 0 m 1 0 0 0 m ) ，每一个皮带落 差点( 即转运站) 都会产生大量的煤尘，所以每个落差点都需要台高压静电除尘 器。如何使多台除尘器协同操作就成了我们研究的客观命题。f i e l d b u s 技术是近来 国际上出现的新技术，目前国内仍处于研究、开发阶段。它集计算机技术、网络通 信技术和控制技术于一身。f c s 系统与趋于成熟的d c s 、p l c 相比，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优点。， 故本论文所讨论的系统就是要用f i e l d b u s 技术实现对多台煤粉高压静电除尘装置 的网络联动控制。目前，国内应用f i e l d b u s 技术，基本上是消化、吸收、推广国 外现成产品和设备以及培训国外各大公司的相应技术，其主要应用于汽车、发电、 石油、飞机制造、玻璃、化工建材、冶金等方面。不论是国内还是国外，将f i e l d b u s 技术应用到煤粉高压静电除尘系统中还未见报导。 1 3 论文结构 e 匠面匾 巫亟困 j r 互 图1 论文结构 本论文采用三层结构，其分5 章，第一层仅由第1 章绪论组成，第2 、3 、4 章 组成论文的核心即第二层，第三层即第5 章，结束语，各章主要内容如下： 第1 章介绍本课题的来源、国际国内现状。 第2 章阐述了高压静电除尘与f f 理论。 第3 章论述总体系统模型、高低压控制系统模型、f f 控制系统模型。 第4 章讨论高压静电发生器、高低压控制系统、除尘器本体、f f 控制系统 等模型的实现。 第5 章对本文工作总结，并对下一步工作提出设想。 笺2 要登皇墼尘兰坚墨辇 第2 章静电除尘与f f 理论 2 1 高压静电除尘机理【1 9 高压静电除尘是通过高压静电除尘器来完成，其是利用静电力( 库仑力) ，实 现粒子( 固体或液体粒子) 与气流分离的一种除尘装置。 高压静电除尘器一般由金属板做成的集尘极( 或叫收尘极) 与高压静电电源相 连的放电极( 或叫电晕极) 组成。一般集尘极要求可靠接地并作为阳极，而电晕极 一般为负极，与高压变压器的输出相连，阴阳极之间由高压电瓷瓶或特制高压绝缘 柱隔离。电晕极一般置于阳极板之间的中心位置，电晕线的上下两端一般由弹簧与 电晕架相连并张紧，目的是有利振打清灰，消除阴极灰尘( 即克服阴极肥大现象) 。 含尘气流从除尘器的下方进入除尘器本体，在引风机风力的作用下，在电场中向上 移动( 刘于卧式除尘器是向前运动) ，将清洁空气从上部排出。 高匿静电除尘器中的除尘过程由三个阶段组成，它们分别是粉尘荷电、粉尘沉 降和振打清灰。 l 、粉尘荷电：在电晕极与集尘极之间施加直流脉动高压。( 低级阶段为稳定直 流电压，或恒流电压) ，使放电电极产生电晕放电，使空气电离，并发生咝咝响声， 伴有蓝光，形成大量的自由电子和正离子。在放电极附近的所谓电晕区内正离子立 即被电晕极( 一般为阴极) 吸引过去而失去电荷。自由电子和随即形成的负离子则 因受电场力的驱使向集尘极( 正极、阳极) 移动，并充满两极之间的绝大部分空间。 含尘气流通过电场空间时，自由电子、负离子与粉尘碰撞并附着其上，便实现了粉 尘的荷电。 2 、粉尘沉积：荷电粉尘在电场中受库仑力作用被送往集尘极，经过一定时间 后达到集尘极表面，放出所带负电荷而沉集到阳极板上。 3 、清灰：集尘极表面上的粉尘沉集到一定厚度后，用机械振打等方法( 现代 一一般采用逻辑控制或微机控制电磁振打，如美国g e 公司的m i c r ot a p e r ) ，将其清 除掉，使之落入下部灰斗中。放电极也会附着少量粉尘，隔一定时间也需要进行清 灰。 翌苎茎兰三兰堡主主垒丝苎 2 2 高压静电除尘控制技术1 8 2 2 1 高压静电除尘器供电技术 1 9 0 7 年，美国加里福尼亚大学教授科特雷尔( e g c o t t r d l ) 博士研制出第一 台工业电除尘器，成功地用于回收硫酸雾。他取得成功的关键在于他的试验装置是 捕集比电阻较低的硫酸雾和采用新发明的同步机械整流器，这种整流器一直使用到 2 0 世纪的五十年代。 静电除尘器以其除尘效率高、阻力损失小、能处理大量的高温烟气、能捕集腐 蚀性很强的物质、运行维护费用低和对不同粒径的烟尘有分类收集作用等明显的优 点而被广泛采用和迅速发展。 随着科学技术的不断进步，电除尘器的机械本体和供电装置就像一对孪生兄 弟，即相互依存，又相互独立，都各自向着不同的领域在不断发展和提高。 电除尘器最早使用的高压整流装置是机械式整流器，其约1 9 0 6 年发明。1 9 2 8 年左右出现了c u o 整流器，1 9 5 8 年出现电子管整流器，从2 0 世纪2 0 年代到5 0 年代末这三种整流器都因各自致命的缺点而未能广泛应用。这一时期可称静电除尘 器的过渡期。 伴随着半导体工业的迅猛发展，1 9 6 0 年硅整流器的问世，使电除尘器的高压 整流装置进入了一个新的历史发展阶段，立即在电除尘器上获得广泛的应用并儿乎 取代了以前所有的整流器。它具备硒整流器的一切优点，此外，体积小，整流效率 高。近年来，国内研制成雪崩式硅堆，并制造出具有击穿恢复能力的高压硅整流器。 目前，电除尘器高压整流的调压都是在整流器的原边进行的，调压元件经历：r 从电阻调压器一感应调压器一饱和电抗器调压器一可控硅调压器的发展过程。 2 2 2 高压静电除尘控制技术 采用可控硅调压元件，实现电除尘器高压电源的自动控制，包含四种不同的控 制方式。 1 、“最佳火花率”控制式。其以电场的高压闪络信号为反馈指令。检测环节将 闪络信号取出，送到高压整流器的调压自动控制系统中去。通过调节电场上升速率 ( + d u d t ) 和闪络封锁时电压下降速率( - - d u d t ) 来控制每两次闪络时间间隔， 即闪络率或火花率，以获得尽可能高的除尘效率。一般为5 0 1 5 0 次分钟。 2 、“火花强度”控制式。如电场闪络不很强，无需每闪次都封锁可控硅一次。 只有当检测到较强的闪络信号时，才封锁可控硅。不过分强调土d u d t 的调节作厍， 而注重鉴别闪络信号大小。控制电场电压以“爬坡”方式分阶段上升，以施加的平 4 均电压值为反馈指令。因此，也叫“最佳平均电压”控制。 3 、“无火花跟踪”控制式。使高压输出总是处在电场击穿电压的临界值之下， 避免电场产生闪络放电。这种控制的先决条件是准确地检测出电场发生闪络前的 “预兆”信号，特别是易燃、易爆粉尘( 如本论文所讨论系统的“煤粉”) 易采用 此种控制策略。 4 、“火花积分”控制式。荷电电压在一定程度火花放电情况下除尘效率最高。 但是在这种情况下的火花放电是非常不稳定的，因火花放电的程度与频率不一定有 关系。在饱和电抗器控制情况下，火花放电即便很低，只要发生大的火花放电，电 流也会过渡到弧光放电。因此只对火花放电频率进行控制并不理想，可以采用火花 放电电流的大小与频率相乘的积分回路进行控制，使这一积分值保持一定来控制输 送电压。以往多采用饱和电抗器调压，现在已普遍采用可控硅调压，饱和电抗器调 压是调整电压幅度，可控硅是改变导通角的大小，以改变输送电压平均值的大小。 高压整流电源采用可控硅控制，具有反应速度快、基本不产生弧光放电、火花放电 消弧快、电压恢复快、能捕集高比电阻粉尘、整流装置体积小等优点。 2 2 3 本系统中的微型计算机及网络技术 随着微型计算机技术的发展，其在工业控制系统中的应用日益广泛。煤粉高压 静电除尘系统也不例外，很复杂的逻辑控制关系将不再依靠便件电路实现，而是通 过计算机软件来实现。这样，虽然所实现的控制功能比过去( 原来采用半导体分立 元件、小规模集成电路等) 复杂得多，但控制线路反而简单得多，而且目前微型计 算机特别是单片机价格低廉、集成度高、运算速率高、体积小、可靠性高。 近年来，随着网络技术的迅速发展，利用网络技术完成工业控制，日趋成熟， 特别是工控领域现场总线( f i e l d b u s ) 技术发展很快，为工控提供新的发展空间。 2 3f i e l d b u s 技术概览7 基于f i e l d b u s 技术的煤粉高压静电除尘控制系统，( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ， f c s ) 的核心是现场总线技术。现场总线技术是计算机技术，通信技术和控制技术 的综合与集成l “。f c s 系统可以看作一个由数字通信设备和监控设备组成的d c s 系统。主要完成工业生产过程中各种参数的测量、信号转换、控制显示、计算等功 能，以实现生产过程的自动检测、监视、调节、控制及自动保护等，保证工业生产 处于安全、稳定、经济的运动状态。 河北大学工学硕士学位论文 2 3 1f i e l d b u s 技术起源 5 0 多年前，在国际上过程控制是基于3 1 5 p s i 的气动信号标准，即第一代过 程控制体系结构( 直动式或p c s ) 。由于4 - - 2 0 m a 模拟信号的应用，使得模拟控 制延续2 5 年左右，即模拟式或a c s 称为第二代过程控制体系结构( 这种结构目前 还大量存在) 。 2 0 世纪7 0 年代，在p c s 、a c s 及逻辑控制领域率先使用了计算机，进而产 生了集中控制，从而形成了c c s 第三代过程控制体系结构。 2 0 世纪8 0 年代，随着微处理器技术特别是单片机技术出现和发展，产生了分 布式控制( d c s ) ，其成为第四代过程控制体系结构 2 0 世纪8 0 年代以后，由于智能传感器产品的开发和大量应用，致使数字通信 代替4 2 0 m a 模拟信号传输的需求膨胀，对各种微处理器基( m i c r o p r o c e s s o r b a s e d ) 的智能传感器的集成需求越发强烈，同时，许多用户看到了f i e l d b u s 网络的 优点。这些智能设备采用了微处理器低能量消耗的优点，为提高效率、增加收入， 世界各大厂商应广大用户的强烈要求共同开发标准的f i e l d b u s 产品。 2 3 2 i e c 国际f i e l d b u s 标准的现有子集1 1 2 2 3 、4 4 l 1i e c 6 1 1 5 8 ( 与f f h i 接近) f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，即基金会现场总线) h 1 是低速总线一传输速率 3 1 2 5 k b i t s ；分为物理层、数据链路层、应用层及用户层四层结构，其参考了i s o o s l 参考模型，并在此基础上根据过程自动化系统的特点进行了演变。f f h l 是 本论文的核心，将在后面的章节中做深入细致的探讨。 2 p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国的现场总线标准，但同时又有许多改进型而分别用于不同的场 合如p r o f i b u s - - f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用于一般的自动化：p r o f i b t t s d p 用于加工自动化；p r o f i b u s i s p 用于过程自动化等等。 3 h s e f f 的高速以太网 h s e 传输速率为1 0 0 m b i t ( 也许1 0 m b i t ，i g b i t ，及其它) 传输介质为电线和光 纤，采用标准以态网接口卡、标准以太网交换机、标准以太网配线惯例、并拥有链 接设备及设备冗余。 4 w o r l d f i p w o r l d f i p 以欧洲法国几个公司为基础，目前w o r l d f i p 协会有1 0 0 多个成员， 其产品广泛用于发电、输配电、铁路运输、地铁、过程自动化等领域。用单一的 w o r l d f i p 总线可以满足过程控制，工厂制造加工系统和各种驱动系统的需求。 w o r l d f i p 可以与f f 通讯连结。 一6 一 5 c o n t r o ln e t 其采用生产者使用者型通信模型，通过标识符辩认是否接受某个报文，多个 用户可同时使用某个节点产生的同一数据( 可减少网络通信的负荷) ，节点可产生 多个数据( 各自具有自己的标识符) 以减少通信流量，其数据可同时到达各节点等。 6p n e t p n e t 由丹麦的p r o c e s sd a t a 公司开发的一种开式总线，它具有规定的总体 结构，可使数据经过不同的总线极简便地通过。此技术目前主要在欧洲推广，而国 内很少应用。 7 s w i f t n e t 此总线由波音公司开发，主要用于飞机制造行业，国内很少应用。 8 i n t e r b u s s 它是p h e n i x c o n t a c t 公司建立的一个公司标准。i n t e r b u s s 俱乐部的1 0 0 个 成员都可利i n t e r b u s s 芯片和协议。i n t e r b u s 的推出明显地加速了开发能满足市场 要求的仪表的步伐。目前，用传感器施动器的具有证书和软件工具的各类仪表已 提供使用，特别是用在汽车工业中。 除以上i e c 国际标准f i e l d b u s 之外还有e t h e r n e t ，l o n w o r k s 、d e v i c e n e t 、 a s 。i n t e r f a e e 、c a n b u s 等f i e l d b u s 技术。 2 4f c s 与d c s 对比分析1 5 - 3 2 、3 8 传统的d c s 和f c s 之间显著的差异是将现场信息的4 - - 2 0 m a 的模拟信号传 输变为仝数字、双向、多站的数字传输，并因此而具有一系列优点。如8 0 的电 缆节省，6 0 的接线端子节省，5 0 的防爆栅节省，以及5 0 的i o 卡节省等等。 同时，系统的可维护性，可互操作性，开放性也进一步提高。 传统的d c s 为三层结构( 操作站、控制站、现场仪表) ，而f c s 为两层结构 ( 操作站、现场智能仪表) 通过f c s 系统所提供的各种工具软件和来自现场设备的有关信息可提高整个 系统性能，特别是现场装置的可维护性。用户可以在控制室内，将设备管理的视野 由传统的d c s 中的i o 卡，扩展到f c s 中的现场设备。可明显提高系统的维护 水平，节省维护系统所需的人力、物力、时间，提高系统的可用率。 2 5 基金会现场总线技术1 8 f f 总线的前身是i s p 和w o r l d f i p 。i s p 是可互操作系统协议( i n t e r o p e r a b l e 7 河北大学工学硕士学位论文 s y s t e mp r o t o c 0 1 ) 的简称，它基于德国的p r o f i b u s 标准。i s p 制定于1 9 9 2 年，由 美国的f i s h e r r o s e m o u n t 公司牵头，有8 0 多个公司参加，包括s m a r 、e + h 、 s i e m e n t s 、f o x b r o 、横河、a b b 等公司，成员以仪表制造厂家为多。w o r l d f i p 则 是世界工厂仪表协议( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 的简称，基于法 国的f i p 标准。w o r l d f i p 是由h o n e yw e l l 公司牵头，联合a l l e n b r a d l e y 、e l s a y b a i l e y 等多家欧洲著名公司于1 9 9 3 年制订而成，其成员也有1 5 0 多家，不少是p l c 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。迫于压力和市场的需求，1 9 9 4 年9 月，i s p 和w o r l d f i p 北美部分终于达成协议共识，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、d c s 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、d c s 和流量仪表占世界市场的9 0 ，对工业底层网络的功能需 求了解透彻，也具备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，国内些著名企业和科研机构 如北京华控、清华大学、浙江大学也成为f f 的重要成员。 f f 总线由低速( f f h 1 ) 和高速( f f h s e ) 两部分组成，其中f f h 1 ， 网络以i s o o s i 模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之 上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型。f f i ，主要用于过程工业( 连 续控制) 的自动化，传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ，( 与传输介质 有关，可加中继器延长) 。f f - - i t s e 则采用基于e t h e r n e tf i e e e s 0 2 3 ) + t c p i p 的 六层结构，其主要用于制造业( 离散控制) 自动化以及逻辑控制、批处理和高级控 制等场合。本论文涉及的系统只应用f f h 1 网络，下面将深入细致讨论。 f f h 1 具有适用于过程自动化以下特点： 支持总线供电。支持本质安全。令牌总线访问机制。 f f h 1 现场总线模型如下图2 1 所示： 。嘲磷遴圆 o s i 捶型没有定义用户应用 图2 1f f h 1 现场总线模型 8 亍一 陬避 l 圜盈豳 蒸i 差鲤鱼墼尘童銎逾 2 5 1现场总线的物理层( p l ) f f 现场总线技术作为一种d c s 控制系统的换代系统，其主要特点就是控制分 散和信息集中，并由单纯控制向管控一体化发展，其信息传输的一大进步是由 2 0 m a 电流环将数据集中到主控机变为由总线传输各分布设备的数据。因此f f 现 场总线的网络及物理层( p h y s i c a ll a y e r p l ) 通信规程是现场总线技术的基础。 f f 现场总线的网络拓扑结构如图2 2 所示： 早鬯。幽产lh e 山上竺j 圆 旦刿i ! 兰! 墼! 受圈匦巫 侬靠雨磊 丁 图2 2 现场总线的网络拓扑结构 从图中我们可以看出：f f 网络拓扑结构在物理上是一种扩展的总线型网络。 其中包括h 1 及h s e 两类总线，h i 为低速总线，其数据传输速率为3 1 2 5 k b i t s ， 主要用于连接工厂生产过程中用于过程控制的仪表传感器和执行器。h s e 为高速 总线，主要用于连接各主工控机及通过网桥( h s e 链接设备) 与各低速网络的桥 接，它还可以通e t h e r n e t 交换机和企业网或互联网连接。 在h t 低速总线上，不仅可以传送数据信号，f f 还允许它传送现场设备的供电 电源，因此数字信号是叠加在电源上的。 数字信号是由发送设备将i ( 1 0 m a ) 电流信号传送给现场总线，现场总线的 等效阻抗为5 0q ，由此可知数字信号的电压峰值为1 v p - - p 。 f f 的数字信号是基带传输的，为了能使接收设备方便地分离电源与数字信号， 则要求数字信号有稳定的统计频谱分布，显然直接用高低电平表示0 、1 不可行。 f f 规定数字信号采用曼切斯特双相一l ( m a n c h e s t e r b l p h a s e l ) 技术 进行编码，该信号为同步串行信号，在串行数据源中包含有同步信号。并在频谱上 远离电源。现场总线信号接收器把在1 个比特时间中间的正跳变作为逻辑0 ，负跳 变作为逻辑1 。 现场总线上的一个数据帧的组成如图2 3 所示： 震 1 三e & 一y蕊且睦 河北大学工学硕士学位论文 f m sp c f 望兰兰鉴! ：匿垂鬓显幽j 堕墼墅壁型 ，翼! 三= = 耋蠹! 兰一_ 兰。：= = 奇暑k 起始定器麓ld l lp d u e 皓辟靠 现场总线 协议拉制信龃 助，议数据- n 无 枷* 使用r 1 1 继器，筒同步信号可以足多于一个八，of 的 图23 现场总线数据帧结构 j 十要作川和规则如下： 前同步信号，如图2 4 所示 ”：厂l j 厂l 叫u _ 图24 前同步信号 它是一个一比特时间反转一次，反转时间为比特传送时的中问时刻，在比特传 送的( 前) 后时刻不反转。其e | 的是为了训练接收设备的时钟同步。一般前同步停 号为八位，但当总线中存在中继器时，则它需要根据中继器的个数加倍。 起始定界符，结束定界符。它具专用的n + 和n 一码。如图2 4 ，它们中有 一定的位在比特传输的中间时刻1 i 跳转。起始定界符的作刷是标识数据帧的开始， 结束定界符标识数据帧的结束。 d l l p d u 数据链路层协议数据单元，它是由数据链路层提交的数据，要求 物理层将其发送到总线上。 物理层向上层即数据链路层提供的月务是a 、将卜层提交的数据可靠地发布到 总线上。b 、接收总线上的数据流解包后将d l l p d u 提交给数据链路层。 一 兰一 2 5 2 数据链路层( d l l ) 1 3 、2 4 、4 7 “8 l 数据链路层( d a t al i n kl a y e r , d l l ) 在基金会现场总线中处于第二层，它是基 金会现场总线通信栈中的第一层，它的下层是物理层，其上与现场总线访问子层 r f i e l d b u sa c c e s ss u b l a y e r , f a s ) 相邻。 由于在工业过程中实时性的重要性，在现场总线中采用了集中式的管理方式。 在集中式管理下，物理通道可被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信 的延时。这种集中式管理采用的是一种令牌总线方式，每个总线段上都要求有一个 链路活动调度器( 1 i n ka c t i v es c h e d u l e r , l a s ) ，它是现场总线的介质访问控制中心， 总线上的各现场设备只有得到l a s 的允许，才能使用总线发送数据。因此，在物 理连接上，各设备是以总线方式相连，逻辑上它是一种环形结构的局域网。 d l l 通过l a s 上确定的集中式总线调度程序，控制报文在现场总线上的传输， 管弹对现场总线的访问。 在f f 巾，所有的链路上都要求有一个且仪有一个链路活动调度器( l a s ) 。该 i a s 在数据链路层被用作总线仲裁器。l a s 的功能如下： 1 、链踏润度。总线段上任何笈备只有得到l a s 的许可，才能进行通信活动。 在f f f 1 ，通信活动分为两类：受调度通信和非调度通信。对于这两种通信活动， l a s 采 j 了不川的调度方式。受调度通信是l a s 依据组态时预置调度时问表，利 用强制令牌( c o m p e l t o k e n ，c o ) 调度各个需要周期发送数据的设备，并使其有规律 地将缓冲区内数据发送到总线上。对于菲调度通信，l a s 在预定调度时间表之外的 时问，通过传送令牌( p a s st o k e n ，p t ) ，允许某个设备将数据发送到总线上。总线 上所有设备都有机会通过这一方式发送调度之外的信息。在工业现场中，传感器、 变送器等现场设备要周期性地上传一些测量值，如压力、流量、温度等，这类信息 适宜采用受调度通信；俯对于现场设备的控制参数调整、远程诊断、报警、历史数 据趋势等信息，则宜采用非调度通信。 2 、链路维护。l a s 拥有总线段上所有设备的清单活动表，并不断探测那 些不在活动表内的地址。当探测到有新设备加入时，l a s 将新设备补充到活动表 中。当发出p t 令牌给某个设备后，l a s 监视该设备的响应。若该设备未使用令 牌也不把令牌返还l a s ，经过三次试验，l a s 就从活动表中去掉该设备。每当一 台设备加入活动表，或从活动表中去掉时，l a s 要对所有设备广播这一变化，使 每台设备都保持一个正确的活动表的拷贝。 3 、数据链路时间同步。l a s 对总线段广播一个时间发布帧( t d ) ，使总线段上 所有设备都精确地具有相同的数据链路时间( d lt i m e ) 。所有受调度通信的调度时 间( l st i m e ) 、非调度通信和其它应用进程的执行时间，都以其对数据链路时间的 河北大学工学硕士学位论文 偏移量来计算。 4 、链路活动调度器的产生。当一个总线段存在多个( l i n km a s t e r ) l m 时。i 。a s 是通过一个竞争过程产生的。这里又可分为两种情况。第一种情况是系统启动时的 l a s 竞争过程。当一个总线段上电时，位于该总线段上的l m 如果未检测到有l a s 在工作，就立即进入竞争l a s 的过程。最先完成初始化的l m 将成为l a s 。第二二 种情况是现有的l a s 因某种原因出错失去l a s 作用，其它l m 竞争l a s ，竞争 过程将选择具有最低节点地址的l m 成为l a s 。 5 、链路活动调度器的运行机制。从介质访问的观点来看，数据链路层是以集 中令牌传送总线的补充集合运作的。其工作的核心内容就是l a s 对各设备的调度， 它的主要任务有发送c d 令牌的周期性调度，发送p t 令牌的非周期性调度，链路 维护活动及数据链路时间的同步。 25 ，3 现场总线访问子层( f a s ) i 、4 9 i i 、虚拟通信关系类型。f a s 处于现场总线通讯栈的中间层，按o s i ( o p e ns y s t e m i n t er c o n n e t i o n ) 体系结构，它属于应用层，它的上层是撤文规范层( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ，f m s ) ，它的下层是数据链路层( d l l ) 。f a s 利用数据链路层的刷期 调度通信和非周期调度通信，f m s 和应用进程提供服务，服务类型由虚拟通信关系 f v i l _ l u a lc o m m u n i c a t i o nv e l a t i o n s h i p ，v c r ) 来描述。 i ? f 使川事先组态好的通讯通道( 称为虚拟通讯关系，简称v c r ) 在设备之间传 送信息。i ? f 规范中定义了如下三种类型的v c r ： a ) 发布疗接收方( p u b l i s h e r s u b s cr i b e r ) v c r 当设备收到强制令牌( c d ) 厉，它向现场总线所有设备发布或广播它的数据 报文，那些希望收到它的报文的设备为接收方，接收方侦听网络上的数据广播并收 取相关信息。 该v c r 足缓冲的、网络触发的、单向的、一对多的通信。缓冲的即指它是通过 数据链路层的发送与接受缓冲区发送和接受消息的，网络中只保存数据的最新版 本，新数据完全覆盖旧数据：网络触发的即指它依照数据链路层的调度发送消息， 这个调度是由链路活动调度器( l a s ) 来维护和强制实现的：单向的即指它向一个或 多个接收者发送无须确认的消息，数据是单向传送的 触发此类通信的强制令牌( c d ) 一般由l a s 发出，从而实现周期调度，但特 殊情况f ，c d 也可由非周期调度向接收方发出，v c r 标明使用那一种方法。 发布方接收方v c r 类型，被现场总线设备用于周期性的、受调度的用户j 、女 用功能块在现场总线上的输入和输出，诸如过程变量和原始输出等。 b ) 客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) v c r 当设备收到传输令牌( p t ) 后，它可以向另一设备发送一报文请求，发出请求 者为客户，被请求的设备为服务器。当服务器得到p t 令牌时，发出相应的响应 在不同的v c r 中，某一个设备既可以是客户，也可以是服务器。 该v c r 用以实现总线设备问的通信，它是排队的、用户触发的、非调度的、 双向的、一对一的通信。排队的即指它是通过数据链路层的发送和接收队列按次序 发送和接收消息的，它亦按照其优先级，以不覆盖原有报文的方式进行；用户触发 的即指它在上层用户发出请求后，客户端才开始动作；并且它还是非调度的，即在调 度表规定的时间之外收到通行令牌( p t ) 时才把数据发送出去：双向的即指它在客户 和服务器之间进行有确认的请求和应答，仅有此类v c r 是双向的。 客户n 务器v c r 类型，用于操作员产生请求，诸如设定点改变、整定参数 的存敬和改变，报警确认和设备的上载和下载。 c ) 报告分发( r e p o r td i s t r i b u t i o n ) v c r 当设备有事件或趋势报告，且拥有传输令牌( p t ) 时，将报文发送给由该v c r 定义的个“组地址”。在该v c r 中被组态为接收的设备，将接收这个报文。 该v c r 是排队的、用户触发的、非调度的、单向的，一对多的通信。排队的即 指它是通过数据链路层的发送和接收排队发送和接收消息的；用，、触发的哪指它是 在i j 罢 hj 1 发出请求后，数据链路层才开始动作的，并且它是非稠度的，即是在调 度表规定的时问之外收到通行令牌( p t ) 时才把数据发送出去；单向的是指事件报告 只| 柚刚络上广播面不要求确认，收方只收不发。 报竹分发v c r 类型，般用于现场总线设备发送报警通知给操作员控制台。 2 、传送数据机制。为了实现以上三种虚拟通信关系，基金会现场总线提供三 种机制传送数据，一种无连接方式，两种面向连接方式。无连接方式用于支持报告 发布v c r 。一种面向连接的方式用于支持发布方接收方v c r ，另一种用于支持 客户服务器v c r 。 3 、差错控制与流量控制。在网络通信中，由于物理信道的噪音 二扰、接收和 发送处理速度不匹配、缓冲区数目有限等多种因素的影响，可能引起数据在传输过 程中的损坏或丢失。特别对于现场总线这样的工业控制总线，由于其工作环境特别 恶劣，这种情况更为突出。因此，为保证网络通信中数据传输的可靠性，必须采取 一定的技术措旅。差错控制和流量控制就是其中两个重要措施。差错控制是指检测 和纠正数据传输过程中的各种错误，保证发送方的数据有序、正确地到达接收方， 流量控制是指采用缓冲机制，协调发送方的数据发送能力和接收方的数据处理能 力。 基金会现场总线采用的是滑动窗口( s l i d ew i n d o w ) 技术，在f f 的三种v c r 中， 客户服务器类型v c r 采用了此技术，它通过请求设备和响应设备之间的有确认 一j j 河北大学工学硕士学位论文 ! = = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! 曼 的请求和应答来进行差错控制，通过设置一定数量和大小的发送和接收缓冲区窗 口，来进行流量控制。对于f f h i 总线，数据传输速率为3 1 2 5 k b p s ，帧的长度为 8 2 7 3 字节，总线通信距离为1 9 0 0 m ，采用滑动窗口协议，比采用停等协议信道的 利用率高。 其他两种类型的v c r ，由于他们的通信是不许确认的，因此没有使用滑动窗 口技术来进行流量控制。 2 5 4 现场总线报文规范子层：( f m s ) 1 5 0 1 f m s 是用户层的一部分，f m s 服务在v c r 端点提供应用进程，这种服务又 分为确认f m s 服务和非确认f m s 服务，确认服务用于操作或控制应用进程，非 确认服务用于发布数据和通报事件。 f m s 层一共可分为七个模块，即虚拟现场设备v f d 支持( v i r t u a lf i e l d d e v i c e ) ；对象字典管理( o b j e c t