现场总线与工业以太网基金会现场总线

第第2 2章章 基金会现场总线基金会现场总线2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 基金会现场总线网络设备与安装基金会现场总线网络设备与安装2.3 2.3 基金会现场总线组态基础基金会现场总线组态基础2.4 2.4 基金会现场总线仪表及应用基金会现场总线仪表及应用第第2 2章章 基金会现场总线基金会现场总线 基金会现场总线（基金会现场总线（FF）从自控系统的设计、安装、开车从自控系统的设计、安装、开车运行和维护的整个过程中都体现了优越性。运行和维护的整个过程中都体现了优越性。FF系统结构简化，系统结构简化，节省了控制设备。节省了控制设备。FF高度分散性与现场设备的自治性，使系高度分散性与现场设备的自治性，使系统运行性能提高，对现场设备的诊断可随时进行，使系统可靠统运行性能提高，对现场设备的诊断可随时进行，使系统可靠性大大改善。性大大改善。FF系统的开放性与互操作性系统的开放性与互操作性，把从多个厂商处，把从多个厂商处购买部件而集成系统的权利交给用户。购买部件而集成系统的权利交给用户。FF是仪表和过程控制向数字化通讯方向发展而形成的技是仪表和过程控制向数字化通讯方向发展而形成的技术。它不同于其他通讯协议，仅仅实现数据的数字化传输，而术。它不同于其他通讯协议，仅仅实现数据的数字化传输，而是用来完成整个过程控制系统的设计。本书介绍现场总线技术，是用来完成整个过程控制系统的设计。本书介绍现场总线技术，使您了解它的优势和长处，并进而将这种杰出而可靠的技术应使您了解它的优势和长处，并进而将这种杰出而可靠的技术应用到您的控制系统中去。用到您的控制系统中去。FF目前已经应用在石化、炼油、化工、石油天然气、热目前已经应用在石化、炼油、化工、石油天然气、热电厂、冶金矿山、水处理、造纸、公用（含电站）、食品饮电厂、冶金矿山、水处理、造纸、公用（含电站）、食品饮料、制药、电力、钢铁和水泥等领域，料、制药、电力、钢铁和水泥等领域，FF技术已经运用得非技术已经运用得非常成熟。常成熟。据报道，目前已经在使用的据报道，目前已经在使用的FF总线系统的最大规模已经总线系统的最大规模已经达到达到12000台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采用数千台用数千台FF总线仪表，自动化的总投资达到总线仪表，自动化的总投资达到5000万美元。上万美元。上海海SECCO新建的石化装置也全部采用新建的石化装置也全部采用FF总线技术和仪表，总线技术和仪表，合同金额达到合同金额达到3000万美元。万美元。2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 基金会现场总线发展背景、特基金会现场总线发展背景、特点及应用情况点及应用情况2.1.2 2.1.2 一个典型的工程实例一个典型的工程实例2.1.3 2.1.3 技术分析技术分析2.1 2.1 概述概述 基金会现场总线基金会现场总线FF（Foudation Fieldbus）在过程自动）在过程自动化领域得到广泛支持和应用，并具有良好发展前景。化领域得到广泛支持和应用，并具有良好发展前景。FF总线由低速总线由低速(FF-H1)和高速和高速(FF-HSE)两部分组成，其两部分组成，其中中FF-H1网络以网络以ISO/OSI模型为基础，取其物理层、数据链模型为基础，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。结构的通信模型。FF-H1传输速率为传输速率为31.25Kbps，通信距离可，通信距离可达达1 900m（与传输介质有关，可加中继器延长），可支持总（与传输介质有关，可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。线供电，支持本质安全防爆环境。FF-H1主要用于过程工业（连续控制）的自动化。主要用于过程工业（连续控制）的自动化。FF-HSE则采用基于则采用基于Ethernet(IEEE802.3)+TCP/IP的六层结构，的六层结构，其通信距离为其通信距离为750m和和500m。物理传输介质可支持双绞线、。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合光缆和无线发射，协议符合IEC61158-2标准。标准。FF-HSE主要主要用于制造业用于制造业(离散控制离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高级自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。控制等场合。2.1.1 2.1.1 基金会现场总线发展背景、特点及应用情况基金会现场总线发展背景、特点及应用情况 1FF总线的前身是总线的前身是ISP和和WordFIP标准，标准，ISP协议是以美国协议是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合公司为首，联合Foxboro、横河、横河、ABB、西门子等西门子等80家公司制订的；家公司制订的；WordFIP协议是以协议是以Honeywell公公司为首，联合欧洲等地的司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的。迫于用户压力家公司制订的。迫于用户压力和市场需求，和市场需求，1994年年9月两大集团合并，成立了现场总线基月两大集团合并，成立了现场总线基金会。现场总线基金会致力于开发出国际上统一的现场总线金会。现场总线基金会致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。层上增加了用户层。2FF的最大特色在于它不仅是一种总线，而是一个系统。的最大特色在于它不仅是一种总线，而是一个系统。它既是网络系统也是自动化系统。作为新型自动化系统，区它既是网络系统也是自动化系统。作为新型自动化系统，区别于以前各种自动化系统的特征在于它所具有的开放型数字别于以前各种自动化系统的特征在于它所具有的开放型数字通信能力，使自动化系统具备了网络化特征；而作为一种通通信能力，使自动化系统具备了网络化特征；而作为一种通讯网络，有别于其它网络系统的特征则在于它位于工业现场，讯网络，有别于其它网络系统的特征则在于它位于工业现场，其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。FF总线的低速部分总线的低速部分FF-H1是参考了是参考了ISO/OSI参考模型参考模型,并并在此基础上根据过程自动化系统的特点进行演变而得到的。在此基础上根据过程自动化系统的特点进行演变而得到的。除了实现现场总线信号的数字通信外，除了实现现场总线信号的数字通信外，FF-H1具有适用于过具有适用于过程自动化的一些特点：支持总线供电、支持本质安全、采用程自动化的一些特点：支持总线供电、支持本质安全、采用令牌总线访问机制等。令牌总线访问机制等。基于以太网的高速部分基于以太网的高速部分HSE充分利用低成本和商业可用的充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以以太网技术，并以100Mbit/s到到1Gbit/s或更高的速度运行。或更高的速度运行。HSE支持所有的支持所有的FF总线低速部分总线低速部分31.25kbit/s的功能，并支持的功能，并支持H1设备设备与基于以太网的设备通过链接设备接口。与基于以太网的设备通过链接设备接口。HSE现场总线技术的另一个关键特点是，现场总线技术的另一个关键特点是，HSE现场设备支现场设备支持标准的持标准的FOUNDATION功能模块，例如功能模块，例如AI、AO和和PID，也包，也包括新的、具体应用于离散控制和括新的、具体应用于离散控制和I/O子系统集成的子系统集成的“柔性功能模柔性功能模块块”(flexible function block,FFB)等。链接设备和等。链接设备和HSE现场设备现场设备可以结合进一个单一的、节约成本的和强大的物理设备，用于可以结合进一个单一的、节约成本的和强大的物理设备，用于批处理、逻辑批处理、逻辑PLC和连续控制。所有或部分的和连续控制。所有或部分的HSE网络和设备网络和设备可实现冗余，以适应应用中容错的需要。可实现冗余，以适应应用中容错的需要。3基金会现场总线这一开放、可互操作的技术已经成为全球基金会现场总线这一开放、可互操作的技术已经成为全球范围内领先的数字化控制系统解决方案。近年来，越来越多的范围内领先的数字化控制系统解决方案。近年来，越来越多的最终用户采纳了基金会现场总线技术。该技术已广泛应用在石最终用户采纳了基金会现场总线技术。该技术已广泛应用在石油、天然气、石油化工、化工食品、制药、电力、水处理、钢油、天然气、石油化工、化工食品、制药、电力、水处理、钢铁矿山、造纸、水泥等行业有着广泛应用，其中石化领域目前铁矿山、造纸、水泥等行业有着广泛应用，其中石化领域目前是是FF总线最主要的应用领域。总线最主要的应用领域。基金会现场总线在大、中、小系统中都有应用，但大部分基金会现场总线在大、中、小系统中都有应用，但大部分的应用在中、小系统中。在过程控制领域，的应用在中、小系统中。在过程控制领域，FF已成为公认的第已成为公认的第一流技术。从全球范围内看，一流技术。从全球范围内看，FF现场总线技术的应用量一直在现场总线技术的应用量一直在增长，亚太地区的应用也日趋活跃，尤其是中国，已成为主要增长，亚太地区的应用也日趋活跃，尤其是中国，已成为主要FF总线技术应用项目的关键市场。现场总线具有很强的性能优总线技术应用项目的关键市场。现场总线具有很强的性能优势，它能节约支出并改善运行条件等。为此国内一些旧的系统势，它能节约支出并改善运行条件等。为此国内一些旧的系统被先进的基于现场总线控制平台的自动化系统所取代。目前中被先进的基于现场总线控制平台的自动化系统所取代。目前中国已有上百个国已有上百个FF总线应用项目，广泛应用在石油、冶金、油气总线应用项目，广泛应用在石油、冶金、油气、食品和饮料以及生物制药等诸多行业。、食品和饮料以及生物制药等诸多行业。2.1.22.1.2一个典型的工程实例一个典型的工程实例FF总线在拜耳漕泾工厂的应用总线在拜耳漕泾工厂的应用 上海拜耳漕泾园区上海拜耳漕泾园区(Bayer Material Science)下属工厂的下属工厂的涂料厂、公用工程厂和聚酯厂已于涂料厂、公用工程厂和聚酯厂已于2006年建成投产，该项年建成投产，该项目选用了目选用了FF基金会现场总线，在仪表选型和安装调试方面基金会现场总线，在仪表选型和安装调试方面有自己的特色，特别是聚酯厂，使用的有自己的特色，特别是聚酯厂，使用的FF现场总线仪表较现场总线仪表较多，系统设置明朗、可靠、经济、实用。在多，系统设置明朗、可靠、经济、实用。在2006年上海年上海FF年会上，该项目工程设计人员提供了专题报告，反映很热年会上，该项目工程设计人员提供了专题报告，反映很热烈。烈。1.设备的选用和总量设备的选用和总量 该项目已使用了该项目已使用了6套艾默生的套艾默生的DeltaV系统，其中涂料厂、系统，其中涂料厂、公用工程厂、聚脂厂近期使用了公用工程厂、聚脂厂近期使用了DeltaV74版本和大量的版本和大量的FF设备；涂料厂为设备；涂料厂为600台台(全部模拟量设备全部模拟量设备)；公用工程厂为；公用工程厂为300台台(另外有另外有HART设备在单元包中设备在单元包中)；聚脂厂为；聚脂厂为2200台。台。2.2.网段设计网段设计塑料厂网段布局中，在塑料厂网段布局中，在1个个H1例段上接两个子网段，聚例段上接两个子网段，聚酯厂网段布局为酯厂网段布局为FF设备最大安装数量为设备最大安装数量为8台，每个网段的最台，每个网段的最大阀门安装数为大阀门安装数为2台台(阀门定位器为阀门定位器为2个个)，每个网段的备用的，每个网段的备用的分支数为分支数为2个，每个分支上的个，每个分支上的FF设备为设备为1台，也就是台，也就是8：2：2：1模式。具体见图模式。具体见图2.1所示，采用了两个网段保护器，图所示，采用了两个网段保护器，图2.2仅采用一个网段保护器。仅采用一个网段保护器。3.3.辅助设备及电缆辅助设备及电缆（1）接线箱：）接线箱：涂料厂：接线箱使用刀式开关终端涂料厂：接线箱使用刀式开关终端公用工程厂：公用工程厂：Relcom的的Mega-block接线箱接线箱聚脂厂：带有聚脂厂：带有P+F网段保护和现场隔离的接线箱网段保护和现场隔离的接线箱（2）现场总线辅助部件，包括电源模块和诊断模块、）现场总线辅助部件，包括电源模块和诊断模块、网段保护器和保护现场设备短路的现场安全栅由网段保护器和保护现场设备短路的现场安全栅由P+F Powerhubs提供。提供。在某些场合，浪涌保护也可以用在保护网段非闪电直接击在某些场合，浪涌保护也可以用在保护网段非闪电直接击中的浪涌破坏中的浪涌破坏.（3）每个网段主干电缆：单根双绞线电缆）每个网段主干电缆：单根双绞线电缆4.4.现场仪表选型现场仪表选型（1）流量仪表：）流量仪表：科里奥利流量计：科里奥利流量计：E+H Promass；艾默生；艾默生Micromotion；涡街流量计：艾默生涡街流量计：艾默生8800系列，系列，E+H Prowirl；电磁流量计：电磁流量计：E+H Promag；超声波流量计：超声波流量计：E+H Prosonic Flow；（2）压力仪表：）压力仪表：E+H CerabarDeltabar；艾默生；艾默生3051；Siemens Sitrans P；（3）温度仪表：）温度仪表：艾默生艾默生3244系列、系列、848系列；系列；Wika 5350；（4）料位仪表：）料位仪表：雷达：雷达：E+H FMR240、E+H FMR230；超声；超声波波 E+H Prosonic Level；图图2.1 FF2.1 FF网段布局图网段布局图(聚酯厂，聚酯厂，2 2个接线箱个接线箱)（5）分析仪表：）分析仪表：PH计：艾默生计：艾默生TR200；电导计艾默生；电导计艾默生400VP（6）控制阀门：）控制阀门：Samson3787定位器；定位器；图图2.2 FF2.2 FF网段布局图网段布局图(聚酯厂，聚酯厂，1 1个接线箱个接线箱)2.1.32.1.3技术分析技术分析1 1基金会现场总线的主要技术基金会现场总线的主要技术 基金会现场总线围绕工厂底层网络和全分布自动化系统基金会现场总线围绕工厂底层网络和全分布自动化系统这两个方面形成了它的技术特色。其主要技术内容有：这两个方面形成了它的技术特色。其主要技术内容有：(1)(1)基金会现场总线的通信技术。基金会现场总线的通信技术。它包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控它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用络相关的硬、软件，如通信栈软件，被称之为圆卡的仪表用通信接口卡，通信接口卡，FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、中继与计算机的接口卡，各种网关、网桥、中继器等。它是现场总线的核心基础技术之一；无论对于现场总器等。它是现场总线的核心基础技术之一；无论对于现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。至用户，都具有重要作用。(2)(2)标准化功能块标准化功能块(FB(FB，Function Block)Function Block)与功能块应用进程与功能块应用进程(FBAP(FBAP，Function Block Application Process)Function Block Application Process)。它提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能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，使其公共特性标准化，规定它们各自的输划分为功能模块，使其公共特性标准化，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。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)(3)设备描述设备描述(DD(DD，Device Description)Device Description)与设备描述语言与设备描述语言(DDL(DDL，Device Description Language)Device Description Language)。为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操作，基金会现场总线采用了设备描述技术。设备描述为控制作，基金会现场总线采用了设备描述技术。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。述的标准编程语言。采用设备描述器，把采用设备描述器，把DDL编写的设备描述的源程序转化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文件来理解各制造商的设备的数据意义。现场总线基金输出文件来理解各制造商的设备的数据意义。现场总线基金会把基金会的标准会把基金会的标准DD和经基金会注册过的制造商附加和经基金会注册过的制造商附加DD写写成成CD-ROM，提供给用户。，提供给用户。(4)(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。的接口技术。在现场总线的产品开发中，常采用在现场总线的产品开发中，常采用OEM集成方法构成新集成方法构成新产品。已有多家供应商向市场提供产品。已有多家供应商向市场提供FF集成通信控制芯片、通集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等。把这些部件与其他供应商开发的、或自信栈软件、圆卡等。把这些部件与其他供应商开发的、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。能设备的新产品。要将总线通信圆卡与实现变送、执行功能的部件构成一个要将总线通信圆卡与实现变送、执行功能的部件构成一个有机的整体，要通过有机的整体，要通过FF的的PC接口卡将总线上的数据信息与上接口卡将总线上的数据信息与上位的各种位的各种MMI(即人机接口即人机接口)软件、高级控制算法融为一体，软件、高级控制算法融为一体，尚有许多智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发要做。尚有许多智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发要做。如与如与MMI软件连接中的软件连接中的OPC技术。技术。OPC技术是指用于过技术是指用于过程控制的对象链接嵌入程控制的对象链接嵌入(OLE，Object Linking and Embedding)技术，即技术，即OLE in Process Control技术。技术。OLE是是Microsoft公司公司在在PC机中采用的机中采用的PC组件组件(PC Component)技术，把这一技术引技术，把这一技术引入到过程控制系统，使现场总线控制系统较容易地与现有的计入到过程控制系统，使现场总线控制系统较容易地与现有的计算机平台结合起来，使工厂网络的各个层次可以在网络上共享算机平台结合起来，使工厂网络的各个层次可以在网络上共享数据与信息。可以认为，数据与信息。可以认为，OPC技术是实现数据开放式传输的基技术是实现数据开放式传输的基础。础。(5)(5)系统集成技术。系统集成技术。它包括通信系统与控制系统的集成，如网络通信系统组态、它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、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。它在现场总线技方面的知识，集软硬件于一体的综合性技术。它在现场总线技术开发初期，在技术规范、通信软硬件尚不十分成熟之时，具术开发初期，在技术规范、通信软硬件尚不十分成熟之时，具有其特殊的意义。对系统设计单位、用户、系统集成商更是具有其特殊的意义。对系统设计单位、用户、系统集成商更是具有重要作用。有重要作用。(6)(6)系统测试技术。系统测试技术。它包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术、总线监它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、系统的功能和性能测试技术。一致性与互可操作听分析技术、系统的功能和性能测试技术。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。一般要经授性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。一般要经授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，授予后，将测试结果交基金会登记注册，授予FF标志。只有具备标志。只有具备了了FF标志的现场总线产品，才是真正的标志的现场总线产品，才是真正的FF产品，其通信的一产品，其通信的一致性与系统的开放性才有相应保障。有时，对由具有致性与系统的开放性才有相应保障。有时，对由具有FF标志标志的现场设备所组成的实际系统，还需进一步进行互可操作性测的现场设备所组成的实际系统，还需进一步进行互可操作性测试和功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的试和功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的性能指标。总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通性能指标。总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，以便于通信系统的调试、诊断与评价。状态，以便于通信系统的调试、诊断与评价。对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统测试。并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统综合指标的评价。综合指标的评价。2 2通信系统的主要组成部分及其相互关系通信系统的主要组成部分及其相互关系 基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数基金会现场总线的核心部分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，其通信模型参考了字通信。为了实现通信系统的开放性，其通信模型参考了ISOOSI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。基金会现场总线的参考模型只具备得到的。基金会现场总线的参考模型只具备ISOOSI参考模型参考模型七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层总线的实际要求，把应用层划分为两个子层-总线访问子层与总总线访问子层与总线报文规范子层。省去了中间的线报文规范子层。省去了中间的36层，即不具备网络层、传层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层。输层、会话层与表示层。另外，另外，FF在原有在原有ISOOSI参考模型第七层应用层之上增加参考模型第七层应用层之上增加了新的一层了新的一层-用户层。这样可以将通信模型共有四层，图用户层。这样可以将通信模型共有四层，图2.3为基为基金会现场总线（金会现场总线（FF）通信模型和）通信模型和OSI参考模型。其中，物理层参考模型。其中，物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件和调度通信；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。用户层则用于组成用户所需信息以及请求应答中的信息格式。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备管理，实现网络管要的应用程序，如规定标准的功能块、设备管理，实现网络管理、系统管理等。理、系统管理等。实际上，在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端实际上，在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可看作三层。称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可看作三层。OSIOSI参考模型参考模型 FFFF通信模型通信模型应用层应用层 7 7表示层表示层 6 6会话层会话层 5 5传输层传输层 4 4网络层网络层 3 3数据链路层数据链路层 2 2物理层物理层 1 1现场总线报文规范子层（现场总线报文规范子层（FMSFMS）现场总线访问子层现场总线访问子层 （FASFAS）省略省略3636层层数据链路层数据链路层 （DLLDLL）物理层物理层 （PHYPHY）用户层用户层图图2.3 2.3 基金会现场总线（基金会现场总线（FFFF）通信模型和）通信模型和OSIOSI参考模型参考模型 变送器、执行器等都属于现场总线物理设备。每个具有通变送器、执行器等都属于现场总线物理设备。每个具有通信能力的现场总线物理设备都应具有通信模型。信能力的现场总线物理设备都应具有通信模型。图图2.4从物理设从物理设备构成的角度表明了通信模型的主要组成部分及其相互关系。备构成的角度表明了通信模型的主要组成部分及其相互关系。它在分层模型的基础上更详细地表明了通信的主要组成部分。它在分层模型的基础上更详细地表明了通信的主要组成部分。从图中可以看到，通信参考模型所对应的四个分层，即物理层、从图中可以看到，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，并按各部分在物理设备中要完数据链路层、应用层、用户层，并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、系统管理内核和功能成的功能，被分为三大部分：通信实体、系统管理内核和功能块应用进程。块应用进程。各 部 分 之 间 通 过 虚 拟 通 信 关 系各 部 分 之 间 通 过 虚 拟 通 信 关 系 V C R，v i r t u a l communication relationship)来沟通信息。来沟通信息。VCR表明了两个或多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之间个应用进程之间的关联，或者说，虚拟通信关系是各应用之间的逻辑通信通道，它是总线访问子层所提供的服务。的逻辑通信通道，它是总线访问子层所提供的服务。图图2.4 2.4 通信模型的主要组成部分及其相互关系通信模型的主要组成部分及其相互关系 通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层。由各层协议通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层。由各层协议与网络管理代理共同组成。通信实体的任务是生成报文与提供与网络管理代理共同组成。通信实体的任务是生成报文与提供报文传送服务，是实现现场总线信号数字通信的核心部分。层报文传送服务，是实现现场总线信号数字通信的核心部分。层协议的基本目标是要构成虚拟通信关系。网络管理代理则是要协议的基本目标是要构成虚拟通信关系。网络管理代理则是要借助各层及其层管理实体，支持组态管理、运行管理、出错管借助各层及其层管理实体，支持组态管理、运行管理、出错管理的功能。理的功能。各种组态、运行、故障信息保持在网络管理信息库各种组态、运行、故障信息保持在网络管理信息库(NMIB，network management information base)中，并由对象字典中，并由对象字典（DD，Object Dictionary)来描述。对象字典为设备的网络可来描述。对象字典为设备的网络可视对象提供定义与描述。视对象提供定义与描述。为了明确定义、理解对象，把有如数据类型、长度一类的为了明确定义、理解对象，把有如数据类型、长度一类的描述信息保留在对象字典中。可以通过网络得到这些保留在描述信息保留在对象字典中。可以通过网络得到这些保留在OD中的网络可视对象的描述信息。系统管理内核中的网络可视对象的描述信息。系统管理内核(SMK，system management kernel)在模型分层结构中只占有应用层和在模型分层结构中只占有应用层和用户层的位置。用户层的位置。系统内核主要负责与网络系统相关的管理任务，如确立系统内核主要负责与网络系统相关的管理任务，如确立本设备在网段中的位置，协调与网络上其他设备的动作和功本设备在网段中的位置，协调与网络上其他设备的动作和功能块执行时间。能块执行时间。用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，存储在系用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，存储在系统管理信息库统管理信息库(SMIB，system management information base)中。系统管理内核包含有现场总线系统的关键结构和可操作中。系统管理内核包含有现场总线系统的关键结构和可操作参数，它的任务是在设备运行之前将基本的系统信息置入参数，它的任务是在设备运行之前将基本的系统信息置入SMIB，然后根据系统专用名，分配给该设备一个永久，然后根据系统专用名，分配给该设备一个永久(固定固定)的数据链接地址，并在不影响网络上其他设备运行的前提下的数据链接地址，并在不影响网络上其他设备运行的前提下，把该设备带入到运行状态。系统管理内核采用系统管理内，把该设备带入到运行状态。系统管理内核采用系统管理内核协议与远程核协议与远程SMK通信。通信。当设备加入到网络之后，可以按需要设置远程设备和功当设备加入到网络之后，可以按需要设置远程设备和功能块。由能块。由SMK提供对象字典服务。如在网络上对所有设备广提供对象字典服务。如在网络上对所有设备广播对象名，等待包含这一对象的设备的响应，而后获取网络播对象名，等待包含这一对象的设备的响应，而后获取网络中有关对象的信息。中有关对象的信息。为协调与网络上其他设备的动作和功能块同步，系统管理为协调与网络上其他设备的动作和功能块同步，系统管理还为应用时钟同步提供一个通用的应用时钟参考，使每个设备还为应用时钟同步提供一个通用的应用时钟参考，使每个设备能共享共同的时间基准，并可通过调度来控制功能块执行时间。能共享共同的时间基准，并可通过调度来控制功能块执行时间。功能块应用进程功能块应用进程(FBAP，function block application process)在模型分层结构中位于应用层和用户层。功能块应用进程主要在模型分层结构中位于应用层和用户层。功能块应用进程主要用于实现用户所需要的各种功能。用于实现用户所需要的各种功能。每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功能块及其相互连接，集成为功能块应用。在功能块应用进程这能块及其相互连接，集成为功能块应用。在功能块应用进程这部分，除了功能块对象之外，还包括对象字典部分，除了功能块对象之外，还包括对象字典OD和设备描述和设备描述DD。采用。采用OD和和DD来简化设备的互操作，因而也可以把来简化设备的互操作，因而也可以把OD和和DD看作支持功能块应用的标准化工具。看作支持功能块应用的标准化工具。3 3协议数据的构成与层次协议数据的构成与层次 图图2.5表明了表明了现场总线协议数据的生成过程，而且动态表明现场总线协议数据的生成过程，而且动态表明了现场总线协议数据内容和模型中每层所附加的信息。它也从了现场总线协议数据内容和模型中每层所附加的信息。它也从一个角度反映了现场总线报文信息的形成过程。一个角度反映了现场总线报文信息的形成过程。如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层（用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层（FMS）处理，每帧最多可发送处理，每帧最多可发送251个个8位字节的用户数据信息；然后依位字节的用户数据信息；然后依次送往现场总线访问子层（次送往现场总线访问子层（FAS）和数据链路层（）和数据链路层（DLL）；用）；用户数据信息在户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为信息，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为CRC校验码）校验码）后，送往物理层将数据打包，即加上帧前、帧后定界码，也就后，送往物理层将数据打包，即加上帧前、帧后定界码，也就是开头码、帧结束码，并在开头码之前再加上用于时钟同步的是开头码、帧结束码，并在开头码之前再加上用于时钟同步的前导码前导码(或称之为同步码或称之为同步码)。该图还标明了各层所附的协议信息的字节数。信息帧形成该图还标明了各层所附的协议信息的字节数。信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。统的管理控制下，发送到现场总线网段上。2.2 2.2 基金会基金会现场总线现场总线网络设备与安装网络设备与安装2.2.1 2.2.1 网络拓扑结构网络拓扑结构2.2.2 2.2.2 主要连接件和接口设备主要连接件和接口设备2.2.3 2.2.3 电缆、布线和电源（安装调试）电缆、布线和电源（安装调试）2.2.4 2.2.4 基金会现场总线设备的本质安全基金会现场总线设备的本质安全2.2 2.2 基金会现场总线网络设备与安装基金会现场总线网络设备与安装 一个现场总线网络是由一个或者多个网段组成，每个一个现场总线网络是由一个或者多个网段组成，每个网段一般包含几个运行仪表、连接件、接口设备、电缆、网段一般包含几个运行仪表、连接件、接口设备、电缆、安全栅，另外还需要一个电源和设在每个网段末端的终端安全栅，另外还需要一个电源和设在每个网段末端的终端器。现场总线的安装与布线规则自然不同于传统的器。现场总线的安装与布线规则自然不同于传统的4mA20mA布线。要遵循一定的拓扑结构进行布线。布线。要遵循一定的拓扑结构进行布线。2.2.12.2.1网络拓扑结构网络拓扑结构 FF现场总线的拓扑结构较灵活，现场总线的拓扑结构较灵活，如图如图2.6所示，所示，通常包通常包括点到点型、带分支的总线型、菊花链型和树型。同时，括点到点型、带分支的总线型、菊花链型和树型。同时，这几种结构还可组合在一起构成混合性结构。其中，带分这几种结构还可组合在一起构成混合性结构。其中，带分支的总线型和树型在工程中使用较多。支的总线型和树型在工程中使用较多。图图2.5 2.5 现场总线协议数据的生成现场总线协议数据的生成 FF总线网络可以包含总线网络可以包含1个或多个互连的个或多个互连的H1链路。链路。1条条H1链链路可连接路可连接1个或几个个或几个H1设备，设备，2个或多个个或多个H1设备之间可通过设备之间可通过H1网桥实现互连。网桥实现互连。H1总线网段的主要特性参数见表总线网段的主要特性参数见表2.1。不包含。不包含H1网桥的链接设备也可以实现网桥的链接设备也可以实现H1报文的重发功能。报文的重发功能。图图2.6 FF2.6 FF总线拓扑结构总线拓扑结构2.2.2 2.2.2 主要连接件和接口设备主要连接件和接口设备 FF总线系统中，主站可以通过一个接口直接和现场级网络总线系统中，主站可以通过一个接口直接和现场级网络相连，也可以通过一个链路设备经过主站级网络后再和现场级相连，也可以通过一个链路设备经过主站级网络后再和现场级网络连接。像笔记本电脑那样的手持设备则是通过接口和现场网络连接。像笔记本电脑那样的手持设备则是通过接口和现场级网络连接。不管是接口还是链路设备都是通过端口和现场级级网络连接。不管是接口还是链路设备都是通过端口和现场级网络相连的。一块接口卡或者一台链路设备往往有不止一个端网络相连的。一块接口卡或者一台链路设备往往有不止一个端口，因此可以接几个现场级网络。若干台链路设备又可以通过口，因此可以接几个现场级网络。若干台链路设备又可以通过主站级网络连成一个大系统。同样，接口也可以设计成可插入主站级网络连成一个大系统。同样，接口也可以设计成可插入一个计算机或一个计算机或IO子系统的若干块卡或模板子系统的若干块卡或模板。接口的每一个端口能支持的设备数量是有限的。由于线路接口的每一个端口能支持的设备数量是有限的。由于线路电阻和设备的功耗等带来的电气限制，大部分的装置只支持约电阻和设备的功耗等带来的电气限制，大部分的装置只支持约16台设备，所以市场上的接口通常也就支持这么多设备。台设备，所以市场上的接口通常也就支持这么多设备。表2.1 H1总线网段的主要特性参数 传输速率传输速率31.25Kbps31.25Kbps31.25Kbps信号类型信号类型电压电压电压电压电压电压拓扑结构拓扑结构总线总线/菊花链菊花链/树树型型总线总线/菊花链菊花链/树树型型总线总线/菊花链菊花链/树型树型通信距离通信距离1900m1900m1900m分支长度分支长度120m120m120m供电方式供电方式非总线供电非总线供电总线供电总线供电总线供电总线供电本质安全本质安全不支持不支持不支持不支持支持支持设备数段设备数段232112261 1接口卡接口卡 基金会现场总线接口卡是基金会现场总线接口卡是FF现场总线控制系统的关键设备现场总线控制系统的关键设备之一，用于连接计算机和之一，用于连接计算机和FF现场仪表等设备，是计算机与现场仪表等设备，是计算机与FF现场设备间的信息通道和通信指挥调度中心。现场设备间的信息通道和通信指挥调度中心。接口可以是一个通信模板，插在传统系统中常规接口可以是一个通信模板，插在传统系统中常规I/O子系子系统的背板上。接口也可以是插在计算机里的一块卡。计算机接统的背板上。接口也可以是插在计算机里的一块卡。计算机接口有许多不同的形式，有插在计算机背板的插槽里的内置式的口有许多不同的形式，有插在计算机背板的插槽里的内置式的，也有与计算机，也有与计算机USB端口连接的，或者像端口连接的，或者像PCMCIA(PC卡卡)一样一样插入的。插入的。PC-H1接口卡就是插于接口卡就是插于PC机内的接口卡，它符合机内的接口卡，它符合PC标准和标准和FF规范，用来将规范，用来将PC机和机和H1网段连接起来，使网段连接起来，使PC机成为机成为H1网络的操作监控设备。网络的操作监控设备。图图2.7为为PCI302现场总线接口卡，现场总线接口卡，PCI卡可以直接插在计算卡可以直接插在计算机内置的机内置的16位位ISA总线上，从而使监控系统很容易获得现场总总线上，从而使监控系统很容易获得现场总线数据。线数据。图图2.7 PCI302现场总线接口卡现场总线接口卡 功能强大的结构设计，功能强大的结构设计，PCI卡大小为卡大小为PC机机AT卡的卡的3/4，在安装到工业用计算机上时，可以进行热插在安装到工业用计算机上时，可以进行热插/拔。它携带拔。它携带4个个smar的调制解调器芯片，的调制解调器芯片，1个双通道存储器的个双通道存储器的32MIPS RISC指令指令CPU，所有这些特点都保证了它的强大功能及获得数据，所有这些特点都保证了它的强大功能及获得数据的完整性。的完整性。PCI卡与现场总线的接口全部通过卡后端的卡与现场总线的接口全部通过卡后端的DB37 公头接口公头接口来完成，它是用来完成，它是用SC71电缆制成的，连接与断开非常方便。电缆制成的，连接与断开非常方便。图图2.8为为SC71 电缆图。电缆图。图图2.8 SC71 2.8 SC71 电缆图电缆图2 2链路设备链路设备 链路设备通过高速主站级网络把现场级网络直接和主站连链路设备通过高速主站级网络把现场级网络直接和主站连接起来，或者通过远程接起来，或者通过远程I/O网络的方式连接场级网络直接和主网络的方式连接场级网络直接和主站，这样就不需要站，这样就不需要I/O子系统的接口模板了，图子系统的接口模板了，图2.9为为DFI302现现场总线场总线(FF)/以太网以太网(Ethernet)通用网桥。链路设备作为信息的通用网桥。链路设备作为信息的缓冲器以照顾两个级别网络之间传输速度的差别。链路设备连缓冲器以照顾两个级别网络之间传输速度的差别。链路设备连接现场级和主站级的结构图见接现场级和主站级的结构图见图图2.10。图图2.9 DFI3022.9 DFI302现场总线现场总线(FF)/(FF)/以太网以太网(Ethernet)(Ethernet)通用网桥通用网桥 把把FF-H1和和HSE网络连接起来时都要使用链路设备。链路网络连接起来时都要使用链路设备。链路设备、现场总线设备电源、阻抗和终端器可以集成为一台设备。设备、现场总线设备电源、阻抗和终端器可以集成为一台设备。一台链路设备可以具有多个端口，也可以执行辅助功能，例如一台链路设备可以具有多个端口，也可以执行辅助功能，例如起传统的调节器的作用。起传统的调节器的作用。图图2.10 2.10 链路设备连接现场级和主站级链路设备连接现场级和主站级 在有效性要求较高的情况，可以采用冗余的链路设备，即在有效性要求较高的情况，可以采用冗余的链路设备，即有一个备用的链路设备。有一个备用的链路设备。图图2.11就是就是采用两个独立的链路设备采用两个独立的链路设备同时连接到现场级网络上。使得两个全程独立的数据通道与主同时连接到现场级网络上。使得两个全程独立的数据通道与主站相连。当有一个接口发生故障时，作为备用的链路设备立刻站相连。当有一个接口发生故障时，作为备用的链路设备立刻起作用，这就保证了仍能有一个过程窗口，确保现场数据送达起作用，这就保证了仍能有一个过程窗口，确保现场数据送达操作员。操作员。图图2.11 2.11 冗余的链路设备冗余的链路设备3 3终端器终端器 终端器是安装在传输电缆的首端和末端的阻抗匹配器，终端器是安装在传输电缆的首端和末端的阻抗匹配器，图图2.12为为终端器终端器BT302。每段总线必须有。每段总线必须有2个，而且只能有个，而且只能有2个终端个终端器。器。H1网段终端器的连接网段终端器的连接见图见图2.13。终端器可以避免总线信号终端器可以避免总线信号在长线传输时于电缆两端产生信号波反射和信号失真。终端器在长线传输时于电缆两端产生信号波反射和信号失真。终端器有外置式和内置式两类，其中外置式是独立产品，供用户选购有外置式和内置式两类，其中外置式是独立产品，供用户选购并安装于总线首、末端；内置式已安装在现场设备、电源、本并安装于总线首、末端；内置式已安装在现场设备、电源、本质安全栅、质安全栅、PC-H1接口卡、端子排内。在安装前要了解清楚某接口卡、端子排内。在安装前要了解清楚某台设备或附件是否有内置终端器，避免重复使用，影响总线的台设备或附件是否有内置终端器，避免重复使用，影响总线的数据传输。数据传输。图图2.12 2.12 终端器终端器BT302BT302 Smar公司现场总线终端器公司现场总线终端器BT302如图如图2-11，用来防止现场用来防止现场总线网络中的信号反射和噪声。尺寸小，特殊的形状，使用两总线网络中的信号反射和噪声。尺寸小，特殊的形状，使用两个螺钉就可以方便的直接安装在接线盒中。个螺钉就可以方便的直接安装在接线盒中。BT302采用工业级采用工业级包装，内部电路层层密封，消除潮湿和环境其他因素的影响。包装，内部电路层层密封，消除潮湿和环境其他因素的影响。BT302 取得本安认证。取得本安认证。图图2.13 H12.13 H1网段的基本构成网段的基本构成4 4中继器中继器 中继器用来扩展中继器用来扩展H1网段。由于信号沿着信号线逐步衰减，网段。由于信号沿着信号线逐步衰减，所以网段的长度是有限制的。中继器包含一个芯片，芯片能对所以网段的长度是有限制的。中继器包含一个芯片，芯片能对从一端接收到的信号进行同步刷新并放大其电平，中继器恢复从一端接收到的信号进行同步刷新并放大其电平，中继器恢复了原信号的对称性和振幅，克服了衰减。中继器是双向电隔离了原信号的对称性和振幅，克服了衰减。中继器是双向电隔离的，它被用来把若干网段接在一起形成一个较大的网络，最多的，它被用来把若干网段接在一起形成一个较大的网络，最多可以把可以把32个同样的网段接在一起。但是，网络上的两个设备之个同样的网段接在一起。但是，网络上的两个设备之间最多不能超过间最多不能超过4个中继器，也就是说，两个设备之间最多只个中继器，也就是说，两个设备之间最多只能有能有5个网段个网段(图图2.14)。4个中继器串联时，如果采用个中继器串联时，如果采用A型电缆，型电缆，其总长度可达到其总长度可达到1.9km的的5倍，即倍，即9.5km。中继器不能向网段提。中继器不能向网段提供电源，所以接有总线供电设备的网段必须另外提供电源。必供电源，所以接有总线供电设备的网段必须另外提供电源。必须在中继器的另外两个端子上加电源。须在中继器的另外两个端子上加电源。另外，还可以使用中继器向新网段上添加新设备。当一条另外，还可以使用中继器向新网段上添加新设备。当一条网段上的设备多于网段上的设备多于32台时，就要使用中继器。一个新网段中，台时，就要使用中继器。一个新网段中，除了中继器这台设备外还可再增加除了中继器这台设备外还可再增加31台现场设备。台现场设备。所以使用所以使用4台中继器时，台中继器时，5条网段中总设备数为条网段中总设备数为160台，除去台，除去4台中继器，实际可扩展到台中继器，实际可扩展到156台现场设备或现场仪表。台现场设备或现场仪表。图2.14 任两个设备之间最多可有4个中继器 图图2.15 smar2.15 smar中继器中继器DF48DF48 另外，还可以使用中继器向新网段上添加新设备。当一条另外，还可以使用中继器向新网段上添加新设备。当一条网段上的设备多于网段上的设备多于32台时，就要使用中继器。一个新网段中，台时，就要使用中继器。一个新网段中，除了中继器这台设备外还可再增加除了中继器这台设备外还可再增加31台现场设备。所以使用台现场设备。所以使用4台台中继器时，中继器时，5条网段中总设备数为条网段中总设备数为160台，除去台，除去4台中继器，实际台中继器，实际可扩展到可扩展到156台现场设备或现场仪表。台现场设备或现场仪表。5 5网桥网桥 网桥把数据从一个网络传送到另一个网络，使得处于两个网桥把数据从一个网络传送到另一个网络，使得处于两个不同网络的设备可以互相通话不同网络的设备可以互相通话(图图2.16)。在一个网络上的所有设。在一个网络上的所有设备都有不同的节点地址。即使它们处在同一网络的不同网段，备都有不同的节点地址。即使它们处在同一网络的不同网段，也不会有地址重复。但是，在不同网络上的两个设备就有可能也不会有地址重复。但是，在不同网络上的两个设备就有可能有同样的节点地址。网桥可以保证设备不会被混淆。网桥具有有同样的节点地址。网桥可以保证设备不会被混淆。网桥具有极强的软件功能。在实际使用中并不是把网桥本身作为一个设极强的软件功能。在实际使用中并不是把网桥本身作为一个设备，而是把它作为多端口链路设备或接口卡的一个组成部分。备，而是把它作为多端口链路设备或接口卡的一个组成部分。图图2.9为为DFI302现场总线现场总线(FF)/以太网以太网(Ethernet)通用网桥。通用网桥。图图2.16 2.16 网桥使两个不同网络的设备可以互相通话网桥使两个不同网络的设备可以互相通话 2.2.3 2.2.3 电缆、布线和电源（安装调试）电缆、布线和电源（安装调试）FF并没有规定在现场总线仪表中使用的电缆的型号