基金会现场总线技术简述及最新发展-FFTechnica.ppt

1、基金会现场总线技术简述 ABB (中国) william-,FF技术概述,FF技术概述 FF 通信技术 FF 功能块技术 FF 设备描述 FF 互操作性 FF 技术特点 FF技术的最新发展,国际电工委员会 IEC 61158 (测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线, 由IEC/TC65/SC65C/WG6制定)标准的定义 现场总线是安装在制造或过程区域的现场设备（Field Device)与控制室内的自动化控制装置之间的进行 数字式、多节点、串行通讯的数据总线 开放性 互操作性 降低初始投入 (CAPEX)， 如节省布线，文档，调试费用 新一代自动化系统的必备技术 作为一个使能技术，它

2、支持高端应用解决方案的开发 资产管理 或 资产优化 进一步降低资产生命周期的运行成本（OPEX),现场总线 Fieldbus,物理介质,用户,用户,ISO OSI-RM 数据通讯参考模型,现场总线通讯协议模型,现场总线基金会 (FIELDBUS FOUNDATION) 组织开发基金会现场总线标准 Ff(FOUNDATION fieldbus),并使之成为IEC 61158总线国际标准之一，是通讯技术和DCS技术的结合 现任主席 Rich Timoney 官方网站 FOUNDATION fieldbus Ff 基金会现场总线技术 FIELDBUS FOUNDAT

3、ION FF 现场总线基金会,基金会现场总线,现场总线基金会 (Fieldbus Foundation ),现场总线基金会 (FF) 历史 FF 成立于1994年 由北美的WorldFIP和ISP两大集团合并而成 约350多个著名控制及仪表供应商和最终用户加盟 开放互联 基金会现场总线标准 Ff ( FOUNDATION fieldbus)由现场总线基金会 (FF)拥有和控制 1996年发布FF通信协议第一版H1（31.25 Kbps) IEC 61158总线国际标准的 类型1 2000年11月1日公布 HSE（100 Mbps 高速以太网） IEC 61158总线国际标准的 类型5,IEC

4、61158：测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线 10种技术类型总线 由IEC/TC65/SC65C/WG6制定,FF总线分类及拓扑结构,FF现场总线网络结构包括两种类型 FF H1，用于过程自动化的低速总线,通信速率为31.25 Kbps,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,在同一网段可以是混合型拓扑结构. FF HSE， 高速现场总线 （基于以太网），通信速率为100 Mbps， 支持冗余技术，只有总线型拓扑结构 HSE和H1之间通过链路设备 （Linking Device)连接,基金会现场总线（FF）通信模型,用户层 基于 IEC 6

5、1804,FF HI 网络概览,Transmitter,接线盒,Actuator,DCS控制器,e.g. Operator Station,Ethernet Cable,电源配电器/电源调节器,DIO,TC / RTD,Fieldbus Process Interface,DIO,H1通讯卡 总线电源配电器/电源调节器 电缆 终端电阻 接线盒- 段保护器 - 现场总线安全栅 浪涌保护器,终端电阻,电缆,H1 Bus,Ethernet 以太网,Control Room Equipment,Junction Box 接线盒,Spurs 分支,Trunk 主干线,Splices,FF H1网络拓扑结

6、构及线缆,H1 网段,H1 网段,FF HSE,FF H1 + HSE 网络概览,链接设备 Linking Device,链接设备 Linking Device,操作员站,DCS 控制器,基于Ethernet 的控制网络,H1 网段,FF 数据传输的三种方式,发布/预订 (Publisher-Subscriber) 定制 周期性 实时 点对点 由LAS管理,客户/服务器 (Client-Server) 非定制 用户发起 非实时,报告分发 (Report Distribution) 非定制 报警和事件 非实时 时间标签,Virtual Communication Relationships (V

7、CRs) FF网络通信中,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的虚拟通信关系 VCR,Device must open communication channels to talk to remote devices,FF通信设备类型,按照设备的通信能力，Ff将通信设备分为三种类型 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其它设备。 基本设备 (Basic Device)：具备基本通信能力，即只能接受总线命令作

8、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。,链路活动调度器 LAS (Link Active Scheduler） LAS是总线段的调度中心,具有总线上所有设备的清单和链路活动调度表，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功能包括 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链路活动调度器 (L

9、AS),FOUNDATION Fieldbus (FF),基本设备,链路主设备,基本设备,基本设备,基本设备,X,FF 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： 003453ACME39483847 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,FF H1网段概览,HI 网段特征 物理层遵循 IEC 61158-2 标准 2 线，多台仪表，位同步、双向、数字化通讯 波特率 31.25

10、Kbps 网段驱动电压 9-32VDC。 通讯信号电流 9mA。 屏蔽双绞线 树型(鸡爪型)、分支型和混合型拓朴结构 电缆总长度： 1900m。 分支电缆长度：30-120m。 挂接设备数量： 32台。 防爆方法：本质安全防爆，等。,FF HSE 特点 100 Mbps (允许 10 Mbps, 1Gbps) 双绞线和光缆 标准以太网接口 标准以太网集线器 标准以太网接线规则 链接设备 (Linking Devices, 网关和网桥） 冗余,FF HSE 高速以太网,Transducer,Block,Function,Block(s),Resource,Block,fieldbus,资源块,设

11、备特性:,- 设备名称,- 制造厂商,- 设备序列号,- 允许特性,功能块,定义控制算法特性:,- AI, AO, DI, DO, PID, etc.,- 多于30个以上类型,转换块,传感器接口,- 校验信息,- 组态信息,典型用户层应用块,用户层提供过程接口及实现通讯系统与用户的互操作,用户层是FF与其它现场总线的显著区别 FF不仅仅是一个总线技术，而是一个控制系统,资源块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

12、所选设备 一个设备的资源块是唯一的,Resource Block 资源块,Transducer Block 转换块,用于变送器和传感器的接口，读取传感器数据，包括设备调校和其它数据 设备标定信息（量程、线性化） 传感器数据（类型，组态） 单一设备的可以有多个转换块 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,Function Blocks 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。 设备中的功能块取决于所

13、选设备的类型 单一设备可以有多个功能块，如 AI, AO, PID 等 控制在现场 （Control In Field）,FF 定义 10个标准功能块(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),FF 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,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 Co

14、ntrol,AI,AI,PID,PID,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, Feedforward Capability in Control,AI,PID,AO,AI,DI,AI (50ms),VCR (30ms),PID (200ms),AO (200ms),LAS用于功能块的控制和通信的规划调度 功能块的执行在时间上是确定性的,功能块调度分布化的智能 确定的时序安排,设备描述(DD)技术,设备描述

15、(DD，Device Descriptions)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 由称为设备描述语言(DDL)的标准编程语言编写实现 - EDDL DD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。 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。,有关名词,Device Description (DD 直到2003) = Electronic Device

16、 Description EDD “E” in “EDD” = “Electronic” Enhanced EDD = Improved visualization in EDD,EDDL ?,EDDL 是电子设备描述语言 基于文本的语言 基于 IEC 61804 标准 （3及4 部份） 由两部分组成 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,Interactions With Field Devices,Content supplied by ISA, Copyright 2008,互操作性 一个制造商的设备与另一个制造商设备通过现场总线网络

17、进行互动而无功能损失的能力 H1 ITK, H1 CTK, HSE CTK, HSE ITK ，HIST 等 取得成功的关键因素之一,互操作性(Interoperability),主机互操性测试 Host Registration Program Host Profile Registration Process 取代之前的 HIST （Host Interoperability Support Test） 所有主机系统互操性测试 必须按照 技术规范 FF-569 Rev. 2.0 （Host Interoperability Support Test and Procedures Revis

18、ion 2.0）执行 自2009年一月一号开始，现有的主机系统测试将由新的主机系统注册程序取代 Yokogawa & ABB, Emerson主机系统在4月通过注册流程 Class 61a (Integrated Host) 通过新版注册流程的主机系统见 ,测试及注册,Content supplied by ISA, Copyright 2008,传统4-20 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,

19、Control System Network,现场总线控制系统特点,实现数字化、双向通信 支持多变量传输,取消数字/模拟转换,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 控制在现场 （Control In Field）,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,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/Outp