基金会现场总线_FF_第一讲基金会现场总线技术简介

基金会现场总线

讲 座

化工自动化及仪表,1998,25(4):57~62ControlandInstrumentsinChemicalIndustry

基金会现场总线(FF)

第一讲 基金会现场总线技术简介

阳宪惠

(清华大学自动化系,北京,100084)

现场总线是当今自动化领域的热门话题之一。鉴于已有多篇文章介绍和讨论了现场总线的概貌、特点、优点等,本文仅简要介绍在过程自动化系统领域有重要影响且有着良好发展前景的基金会现场总线技术。

这种现场总线标准是由现场总线基金会(FieldbusFoundation)组织开发的。基金会的前身是由Rocemount,ABB,Foxboro,Siemens,Yokogawa等80多家公司联合成立的ISP(InteroperableSystemProtocol),以及由Honeywell、Bailey等120多个公司组成的WorldFIP(FactoryInstrumentationProto col)。ISP和worldFIP两大集团于1994年合并,成立了现场总线基金会,致力于开发出统一标准的现场总线。它得到了世界上主要自控设备供应商的广泛支持,在北美、亚太、欧洲等地区具有较强的影响力。

1 基金会现场总线与新型的网络集成自动化系统

基金会现场总线被称之为用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、多节点的通信技术。

基金会现场总线系统作为一种低带宽的通信网络,由具备通信能力、同时能完成控制、测量等功能的现场自控设备作为网络节点,通过现场总线把它们互连为网络。由于它所采用的是串行数据通信,仅由两根导线组成的网段上可挂接多个现场仪表,从根本在节约费用的同时,还给设计、安装、维护带来许多方便。它通过网络节点间操作参数与数据的调用,实现信息共享与系统的各项自动化功能。作为网络接点的智能仪表具备通信接收、发送与通信控制能力。它们的各项

自动化功能是通过网络节点间的信息传输、联接,各分布节点的功能集成而共同完成的。从这个意义上讲,可以把它们称之为网络集成自动化系统。网络集成自动化系统的目的是实现人与人、机器与机器、人与机器、生产现场的运行控制信息与办公室的管理指挥信息的沟通和一体化。借助网络的信息传输与数据共享,组成多种复杂的测量、控制、计算功能,更有效、方便地实现生产过程的安全、稳定、经济运行,并进一步实现管控一体化。

基金会现场总线作为工厂的底层网络,相对一般广域网、局域网而言,它是低速网段,其传输速率的典型值为31.25kpbs、1Mpbs和2.5Mpbs。它可以由单一总线段或多总线段构成,也可以由网桥把不同传输速度、不同传输介质的总线段互连而构成。网桥在不同总线段之间透明地转换传送信息。还可以通过网桥或网关,将其与工厂管理层的以太网段挂接,彻底打破了多年来未曾解决的自动化信息孤岛的格局,形成了完整的工厂信息网络,为实现管控一体化提供了工作基础。

基金会现场总线系统又是全分布式自动

基金会现场总线

化工自动化及仪表 第25卷 58

化系统。它作为自动化系统,其主要功能是对工业生产过程各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等,实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自动保护,保障工业生产处于安全、稳定、经济的运行状态。它以现场总线为纽带,把挂接在总线上的相关的网络节点组成为自动化系统,实现综合自动化功能。2 基金会现场总线的主要技术

正因为基金会现场总线是工厂底层网络和全分布自动化系统,围绕这两个方面形成了它的技术特色。其主要技术内容有:

(1)基金会现场总线的通信技术:包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。它涉及一系列与网络相关的硬软件,如通信栈软件,被称之为圆卡的仪表内置通信接口卡,FF总线与计算机的接口卡,各种网关、网桥、中继器等,它是现场总线的核心技术之一。

(2)标准化功能块(FB FunctionBlock):它提供一个通用结构,把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块,使其公共特征标准化,规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图,并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础,也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。

(3)设备描述(DD DeviceDescription)与设备描述语言(DDL DeviceDescriptionLan guage):设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息,因而也可以看作控制系统或主机对某个设备的驱动程序,即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编译器,把DDL编写的设备描述的源程序转化为机器可读的输出文件。控制系统正是凭借这些机器可读的输出ROM,提供给用户。

(4)现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术。在现场总线的产品开发中,常采用OEM集成方法构成新产品。已有多家供应商向市场提供FF集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等。把这些部件与其它供应商开发的或自行开发的完成测量控制功能的部件集成起来,组成现场智能设备的新产品。

(5)系统集成技术:包括通信系统与控制系统的集成。如网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理;控制系统组态;人机接口、系统管理维护等。这是一项集控制、通信计算机、网络等多方面的知识,集软硬件于一体的综合性技术。

(6)系统测试技术:包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术;总线监听分析技术;系统的功能、性能测试技术。一致性与互可操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。一般要经受权过的第三方认证机构作专门测试,验证符合统一的技术规范后,将测试结果交基金会登记注册,授予FF标志。

3 FF通信模型的主要组成部分及其相互关系

基金会现场总线的核心之一是实现现场总线信号的数字通信。为了实现通信系统的开放性,其通信模型参考了ISO/OSI参考模型,并在此基础上根据自动化系统的特点进行演变后得到的。

OSI(OpenSystenInterconnection)参考模型是国际标准化组织ISO/TC的 开放系统互连 技术委员会,为实现开放系统互连所建立的分层模型,简称OSI参考模型。目的是为异种计算机互连通信提供一个共同的基础和标准框架,并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。这个模型把开放系统的通信功能划分为七个层次。从邻接物,!

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的顺序编号,相应地称之为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。OSI参考模型如图1所示。

FF现场总线模型

ISO/OSI模型应用层表达层会话层传输层网络层数据链路层物理层

用户层(程序)现场总线访问子层FAS654321

信栈物理层用户层通

7现场总线信息规范子层FMS

到,在通信参考模型所对应的四个分层,即物理层、数据链路层、应用层、用户层的基础上,按各部分在物理设备中要完成的功能,被分为三大部分:通信实体、系统管理内核、功能块应用进程。各部分之间通过虚拟通信关系VCR(VirtualCommunicationRelationship)来沟通信息。VCR表明了两个或多个应用进程之间的关联,或者说,虚拟通信关系是各应用层之间的通信通道,它是总线访问子层所提供的服务。

数据链路层物理层

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