05_基金会现场总线核心技术节选解读.doc

基金会现场总线核心技术节选解读 基金会现场总线是21世纪的工业数字通信技术，其本身包含了众多的计算机、网络、信息、工业分析、无线等先进技术，然而它也是从以往工业过程控制技术基础之上发展起来的工业实用技术。其本身的核心技术主要是：FF总线的通信技术；标准化功能块与功能块应用进程技术；设备描述与设备描述语言技术；现场总线高速以太网HSE与控制系统集成技术；系统测试与诊断技术。知晓这些技术后，就能自如的进入基金会现场总线了。 一、 FF总线的通信技术 通信是基金会现场总线（FF）技术的主要组成部分。首先要强调和明确指出的是，基金会现场总线是定位于重要的（mission critical）过程控制应用，因此要求时间的确定性（time critical），这是对它性能要求的出发点。基金会现场总线通信技术包括两个部分，即H1和HSE。各种基金会现场总线控制系统有各自的特点，但H1总线都遵守同样的规则。 H1总线应用于现场设备，我们不打算罗列它所有条文，只列举它的主要性能有： ? 通信速率：波特率31.25kbps（主要传输连续过程变量参数）。 ? 传输距离：主干和分支合计1900米（满足大部分过程工厂的现状要求）。 ? 总线供电：支持，9-32V电压，电源应冗余配置（继承原过程工厂中仪表的传统连接习惯）。 ? 本安防爆：支持，同时推出了FISCO、FNICO等新概念（过程工厂中经常有易燃易爆环境）。 应当特别指出，H1总线的通信速率31.25kbps是连续过程控制的最佳通信速率。速率的选择要兼顾传输距离、被测参量变量周期长短、传输介质损耗、信息辐射和介质易受干扰的程度等综合因素决定。从满足需求上看，FF总线的通信周期为500mS，此速率足可以胜任通信的需求。 H1总线因为有了链路调度器功能的设置，保证了网段重要设备的冗余，因而在H1总线上不再设置线路冗余。初期人们对此总有担心。事实上H1总线重要设备的使命，在很大程度上用设备冗余代替了。基金会工程规范说，一条H1网段可以挂接6到12台设备，但对于I级关键的重要位置，一条H1总线只需挂3台设备（例如一个串级控制回路的两台变送器和一台阀门）。庆幸的是工业现场只有一小部分环节有这种高度风险性。既然有这种简单的解决方法，为什么还要去追求成本更高的电缆冗余呢？当然，在特别重要的H1和设备，HSE高速总线可以设置H1的介质冗余，能更有效的保证了通讯的正常进行。 现在许多设备有总线极性不敏感的性能（即可不分正负），但总线供电设备是分正负极的。 H1总线长达百米以上就应该按“传输长线”对待，即在“两端”连接阻抗匹配器。这样可以防止传输波沿总线反射使波形畸变。而且注意，和主系统的连接点应该在一侧匹配器距离120米以内。 应该说H1总线的布线的要求并没有什么特别困难和怪异之处。正确和物理健康的布线是良好使用的必须条件。这一点是不容让步的。不要指望存在进水、漏电、到处接地等问题，系统还是高度可靠的。 1 图1：典型的非本安的H1总线（网段）连接图 检查H1总线布线除了传统的万用表外，还应该配备示波器和电缆电容测量仪。还有专门的H1总线测量仪表，如MTL的FBT-5/6等。用示波器直接观察波形是方便和直观的方法。 图2示波器上用两种扫描速度显示的H1总线波形。看来并不像理论上那样“规矩”。当然波形也不可以任意的变差，当波形已近似正弦波时，曼彻斯特解码就可能发生相位错误。另外要通过示波器Y轴注意波形幅值大小，通常应该在0.75-1Vp-p（峰-峰值）。虽然标准有很大的宽容度（信号不小于0.15 Vp-p，同时噪声不大于0.075 Vp-p）但幅值不正常往往表示总线上少接了或多接了匹配器等故障的存在。如果是距离太远了，可以用中继器（最多4次）加以整形。对H1总线电缆的要求也不苛刻，国内外大多数类似美标AWG18#规格电缆都可用，当然不同规格电缆可能限制最远传输距离，具体可以参考有关资料。 H1总线防雷技术和传统通信和仪表的防雷技术是一样的。 图2：H1总线信号波形 H1总线信号和Profibus-PA 总线信号的标准一样，所以凡只用于物理层的设备都可以通用，如阻抗匹配器、电源调理器和安全栅等。. 2 H1总线通信关系不是简单的“主-从”，它的机理是这样设计的： 每条总线都必须有一个设备来管理这条总线上的通信，这个功能称为链路活动调度器（LAS-Link Active Scheduler）。有LAS功能的设备称为链路主设备，没有此功能的称为基本设备。链路主设备通常由主系统或接口来承担。因为非常重要，链路主设备应冗余设置，许多设备都可以通过系统组态来指定它成为后备的链路主设备。 总线通信被分为受调度通信和不受调度通信两大类。前者是严格周期定时的，用于重要过程控制信息。后者也称背景通信，是插缝