基金会现场总线PPT课件

1、2021-10-301 基金会现场总线，即Foundation Fieldbus，简称FF 在过程自动化领域得到广泛应用。 由ISP北美分会和World FIP合并成立了现场总线基金会（Fieldbus Foundation） FF基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备和DCS制造厂商，研究机构和最终用户。 FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总线标准。第2页/共39页第1页/共39页2021-10-302 1996年颁布用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接的H1（31.25K）标准 支持总线供电 支持本质安全 内容广泛的用户层 2000年制定用于高速，制造业自动化或者车间自动化

2、的以快速以太网为基础的FF-HSE标准 可实现冗余 支持标准的基本功能模块 第3页/共39页第2页/共39页2021-10-3037.1基金会现场总线概述基金会现场总线概述 不仅是一种总线，而且是一个系统，一个全分布式自动化系统 主要技术内容包括： 通信技术（通信模型，通信协议，控制芯片） 标准化功能块 设备描述（设备驱动的基础） 通信控制器（现场总线产品开发） 系统集成技术（通信系统和控制系统） 系统测试技术（一致性与互操作性测试等）第4页/共39页第3页/共39页2021-10-3047.1.2 基金会现场总线网络拓扑1. 单网段拓扑 2.桥接网络拓扑PID（链路主设备）模拟量输入（基本设

3、备）模拟量输出（基本设备）单网段拓扑图单网段拓扑图第5页/共39页第4页/共39页2021-10-305FFFF总线拓扑结构总线拓扑结构第6页/共39页第5页/共39页2021-10-306LAN操 作 站服 务 器现 场 总 线AI 110PID 110 AO 110模 拟 量 输 出 功 能 块PID 控 制 功 能 块FC 调 节 阀FT差 压 变 送 器 模 拟 量 输 入 功 能 块现场总线的分散控制模块FFFF总线总线简单应用简单应用第7页/共39页第6页/共39页2021-10-307网桥的功能 转发（Forwarding） 置于转发表中，按优先级排队 重发（Republishi

4、ng） 置于重发表中，缓冲型 重发以转发代替，以支持非调度式的传输DLL系统管理第8页/共39页第7页/共39页2021-10-3087.1.3 基金会现场总线通信模型 FF参考模型包括OSI的物理层、数据链路层和应用层，另外增加用户层； 应用层分为总线访问层（FAS）和总线报文规范层（FMS）。 FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式； FMS的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据；第9页/共39页第8页/共39页2021-10-309 应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户层（程序）现场总线信息规范子层FMS现场总线访

5、问子层FAS数据链路层物理层物理层用户层通信栈OSI模型FF现场总线模型第10页/共39页第9页/共39页现场总线协议数据的生成现场总线协议数据的生成第11页/共39页第10页/共39页2021-10-30117.1.4 物理层 低速标准H1遵循IEC1158-2 高速标准HSE遵循高速以太网 物理层主要功能（接口，物理信号） H1支持多种传输介质：双绞线、电缆、光纤和无线第12页/共39页第11页/共39页2021-10-3012FF协议物理层H1标准 低速总线H1 31.25Kbps已完成标准制定(IEC1158-2) 用于过程自动化 直流电压供电范围为9-32VDC，信号电压0.75-1

6、V，H1的物理信号波形如图7-4所示 不考虑本安时一条总线上可以连接32台仪表 两线制传输，最远传输距离1900米 最多可以加四个中继器 拓扑结构：总线型或树型第13页/共39页第12页/共39页2021-10-3013每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS，它的功能是：认知新设备，并将新设备加入到链路中去；从链路中除去没有响应的设备；在链路上发布数据链路时间和调度时间；在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备；在调度时间之间，发送优先级驱动的令牌给某设备。7.1.5 数据链路层第14页/共39页第13页/共39页2021-10-3014链路活动调度器LAS拥有总线上

7、所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。 第15页/共39页第14页/共39页2021-10-3015数据链路层DLL可以分成两层 介质访问功能：l 基本设备BD(Basic Device)不能主动发起通信，只能接收查询；l 链路主设备LMD(Link Master Device)在得到令牌时可以发起一次通信；l 链路活动调度器LAS(Link Active Scheduler)发起周期和非周期通信。 数据传输功能：l 无连接数

8、据传输；l 面向连接的分布数据传输第16页/共39页第15页/共39页2021-10-3016FF协议应用层 下层是现场总线访问子层FAS (Fieldbus Access Sublayer )，利用数据链路层的调度和非调度服务来为现场总线报文规范子层服务。 上层是报文规范层FMS (Fieldbus Messaging Specification) ，描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。第17页/共39页第16页/共39页2021-10-3017FF协议用户层 功能块 设备描述 (Device Description) 对象字典（Object Dictionary)第18页

9、/共39页第17页/共39页2021-10-30187.1.10 FF通信控制器 FF通信控制器的功能 通信信号的发送和接收 传输数据的串并转换 串行数据的编码和解码 信息帧的打包和解包 CRC校验码的产生和验证 FB3050通信控制器 巴西SMAR公司 TQFP100封装 数据宽度8位，16位地址总线第19页/共39页第18页/共39页2021-10-3019功能块及参数概述功能块概念：功能块通过位号（Tag）和数字索引识别参数包括：控制参数，输入参数，输出参数块模式参数决定块运行的状态有8种模式类型量程标定参数概念和目的7.2 FF功能块参数第20页/共39页第19页/共39页2021-1

10、0-3020 FF协议将仪表的功能以功能块、资源块、转换块等标准结构来实现。 传感器或执行器 转换块 功能块 资源块 通讯栈 物理层 用户层 7.3 FF功能块库第21页/共39页第20页/共39页2021-10-3021（1）资源块 资源块描述现场总线的设备特征，表达了现场设备的本地硬件对象及其相关运行参数，如设备类型、设备版本、制造商等。 每台设备仅有一个资源块。第22页/共39页第21页/共39页2021-10-3022（2）转换块描述了现场设备的I/O特性，如传感器和执行器的特性。提供功能块的设备入口。7类标准的转换块：带标定的标准压力变换块、带标定的标准温度变换块、带标定的标准液位变

11、换块、带标定的标准流量变换块、标准的基本阀门定位块、标准的先进阀门定位块、标准的离散阀门定位块。第23页/共39页第22页/共39页2021-10-3023（3）功能块 是参数、算法和事件的完整组合。通过对功能块的连接和组态，构成控制回路，实现控制策略，完成自动化系统的任务。 FF定义了29个标准的“功能块”(Function BlockFB)基本功能块10个先进功能块7个计算功能块7个辅助功能块5个第24页/共39页第23页/共39页2021-10-3024 功能块的内部结构功能块的内部结构 第25页/共39页第24页/共39页2021-10-3025从输出参数到输入参数，功能块彼此链接。一

12、个输出参数可以链接到任何数目的输入。不同设备间功能块的链接通过网络通信实现。同一设备上功能块的链接不需通过总线进行通信，因而会立刻完成并且不占用网络带宽。资源块和转换块不是控制策略的一部分，它们所有的参数都是内含参数，不可以进行链接。功能块链接第26页/共39页第25页/共39页2021-10-3026功能块链接功能块链接第27页/共39页第26页/共39页2021-10-3027 模拟输入功能块AI 图7-12 CHANNEL XD_SCALE OUT_SCALE OUT7.4 FF的典型功能块第28页/共39页第27页/共39页2021-10-3028 模拟输出功能块AO 图7-13 CA

13、S_IN PV_SCALE XD_SCALE（百分比到工程量）第29页/共39页第28页/共39页2021-10-3029 开关量输入功能块DI 图7-14 OUT_D 开关量输出功能块DO 图7-15 CAS_IN_D第30页/共39页第29页/共39页2021-10-3030 PID算法功能块 图7-16 CAS_IN，IN，PV_SCALE FF_VAL，FF_SCALE OUT，OUT_SCALE PID参数第31页/共39页第30页/共39页2021-10-30317.5 功能块在串级控制设计中的应用串级控制的优点串级控制的概念7.5.1 炉温控制系统图7-18炉温串级控制系统控制目

14、标：使炉温保持稳定如果煤气压力恒定，一定的阀门开度对应一定的流量，不需要串级控制。实际中煤气压力不可能恒定，煤气压力改变会引起流量的变化，随之引起炉温的变化，炉温变化较慢，时间滞后很大，很难控制稳定。压力变化会立刻改变流量，通过阀门开度可以立刻调节流量，温度控制通过调节流量间接实现。第32页/共39页第31页/共39页2021-10-30327.5.2串级控制功能块连接图7-19，温度为主回路，流量为副回路。温度变送器TT302，流量变送器LD302，阀门控制器FY3027.5.3功能块参数设置AI功能块（WD），PID功能块（WD），AI功能块（LL），PID功能块（LL），AO功能块（FM

15、）第33页/共39页第32页/共39页2021-10-3033以锅炉汽包水位控制作为典型范例进行分析。 锅炉汽包水位三冲量控制P&I图7.5.4 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制第34页/共39页第33页/共39页2021-10-3034保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过高造成饱和蒸汽带水过多、汽水分离差，使过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，当用于蒸汽透平( (汽轮机) )的动力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运动的安全与经济性；水位过低造成汽包水量太少，负荷有较大变动时，水的汽化速度过快，而汽包内水的全部汽化将导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉

16、爆炸。 第35页/共39页第34页/共39页2021-10-3035单冲量水位控制系统是最简单和基本的控制系统。单冲量指只有一个被控变量，即汽包水位。锅炉汽包水位控制系统的操纵变量总是选用给水阀门开度。由于蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此会造成控制不及时。考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控( (因为蒸汽负荷由用户决定) )，因此，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈- -反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。 第36页/共39页第35页/共39页2021-10-3036考虑到给水流量的扰动影响( (例如给水压力变动等) )及由于迟延等因素，将给水流量引入到双冲量控制系统中，由此组成了三冲量水位控制系统。三冲量汽包水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制，加上蒸汽流量作为前馈信号的前馈- -串级反馈控制系统。第37页/共39页第36页/共3