F F现场总线控侧系统 谁霭奢 F F现场总线控制系统 轰匆已卜r盛r偏、 戴蓉重 庆 工 业 自 动 化 仪 表 研 究 所 ( 4 0 0 7 0 8 ) A b s t r a c t T h e p a p e r in t r o d u c e t h e F ie ld b u s N e t w o r k T o p o l o g y , S y s t e m A r c h i t e c t u r e w h ic h i n c l u d e s F i e l d b u a D e v i c e s , s y s - t e m c o n f i g u r a t i o n , p r o t o c o l e l a y e r s , F i e l d b u s p r o d u c t s a n d i t s d e v e l o p m e n t . K e y w o r d s ; F o u n d a t io n F ie l d b u s ， a r c h i t e c t u r e , s y s t e m, p r o d u c t s 摘要 本丈阅述了 基金会现场总残撞制系 统的网络拓扑结构。 针对砚场总线控制系统体系结构的特点， 对现场设备、 系 统结构及协议各层作了具体的分析， 同时还对F F产品及开发步赚作了简要介绍。 关.词: P F， 现场总线， 体系结构， 系统， 产品 一、 引盲 F F现场总线是一种全数字、 串行、 双向通信网 络， 用于现场设备如变送器、 控制阀和控制器等互联， 实现网内过程控制的分散化。 F F现场总线系统是由现场设备和控制/ 监视设 备组成的集成于工厂物理环境的分布式系统。 作为全 分布式自动化系统， 主要完成工业生产过程中各种参 数的测量、 信号转换、 控制、 显示、 计算等功能， 以实现 对生产过程的自 动检测、 监视、 调节、 控制及自 动保护 等， 保证工业生产处于安全、 稳定、 经济的运行状态。 F F现场总线是专门针对工业过程 白动化而开 发， 它能满足对时间要求苛刻的使用环境， 在本质安 全、 多变过程以及总线供电等方面， 都有完善的措施。 同时由于采用了标准功能块及 D D L设备描述技术， 确保 了不同厂家的产品有很好的可互操作性和互换 性。概括起来， F F现场总线具有以下特点: 基金会现场总线不仅仅是一种总线， 而且是 一个自动化网络系统。 现场总线系统实现了自动化仪表技术从模 拟、 模拟数字混合到全数字技术的转化; 各种设备挂 在总线上， 易于现场的布线、 安装和维护; 容易构成 C I MS系统， 有利于企业实施综合自 动化策略。 。控制、 报警、 趋势分析等功能分布在现场仪表 设备中; 实现了真正的分散控制， 并消除了集中控制 局部故障影响整体的隐患。 F F产品具有可互操作性。 不同厂家的产品严 格按照F F协议制作， 月 . 必须通过 F F的可互操作测 试， 从而各厂家的产品可以互换和互操作， 给用户带 来极大的方便。 二、 基金会现场总线的网络拓扑结构 F F现场总线包括低速现场总线H1 和高速现场 总线 H2 . 低速现场总线H 1 支持点对点连接、 总线型、 菊 花链型、 树型扑拓结构等。而高速现场总线H 2 只支 持总线型拓扑结构。 图1 示出低速现场总线H1 的拓 扑结构示意图。 低速现场总线H1 . 对于支持本质安全的总线供 电系统， 每个网段的设备数不超过6 个; 而不支持本 质安全的总线供电系统中， 每个网段的设备数不超过 1 2个 ; 不支持本质安全的非总线供电系统中， 每个网 段的设备数不超过 3 2 个。 H 2 高速现场总线上， 对于支持本质安全的总线 交流供电系统、 支持本质安全的非总线供电系统和不 支持本质安全的非总线供电系 统， 每个网段的设备数 均不超过 3 2 个。 点对 点总 线型劲花 桩里树旦 图1 现场总线网络拓扑结构 点对点拓扑结构: 这种拓扑结构由只有两台 设备的网段组成， 该网段可以完全在现场。 总线型拓扑结构: 现场总线设备通过一段称 为支线的电缆连接到总线上。 支线的长度可以从1 米 J 工业控制计算机 1 9 9 9 年 1 2 卷第 5 期 到1 2 0 米。 菊花链型拓扑结构: 在一个网段中， 每个现场 设备的端子上， 通过某种特定的连接方法将设备一台 台的连接起来， 使得即使设备接线断了， 也不会影响 整个网段的工作。 树型拓扑结构: 树型拓扑结构就是在该网段 上的每一台现场设备都是以独立的双绞线连接到公 共的接线盒、 端子、 仪表板或1 / O卡上 三、 F F现场总线控制系统体系结构 现场总线控制系统也就是以现场总线为基础的 开放式全数字控制系统 。适合石化、 化工、 钢铁、 电站 等联合生产过程及部分批量生产过程 现从以下儿个 方面来对现场总线系统进行描述: 1 , 现场总线设备分类 现场总线系统由实现不同功能的不同设备组成。 从设备通信能力的角度来划分， 现场总线链路上的设 备可分为如图2 所示的链路主设备( L i n k m a s t e r s ) , 基本设备( b a s i c d e v i c e s ) 和网桥( b r i d g e s ) 三种类型 其中， 链路主设备就是指那些有能力成为链路活动调 度器( L A S ) 的设备， 链路主设备对本链路上的通信进 行控制， 阻止多个设备同时在网络上通信。每个链路 上可以有多个链路主设备， 但有一个而且只有一个链 路活动调度器( L A S ) , L A S作为一个链路总线仲裁 器运行在数据链路层， 且在链路上分配数据链路时间 和链路调度时间、 在受调度的发送之间按优先级为设 备分配令牌、 在调度发送时查询设备缓冲区的数据以 及在链路上探测新的节点等 而链路上不具备能成为L A S能力的设备称为基 木设备， 基本设备只能接收令牌作出响应。 这是最基 本的通信功能。 网桥设备可将不同速度、 不同媒体类型的链路连 接在一起， 形成多链路网络或桥接网络。在所有基金 会桥接网络中， 任何两台设备之间只有一条数据传送 路径。 络。 在现场总线网络上设备是由字符串名或标记来识 别的。 设备标记( d e v i c e t a g ) 是设备的组态属性， 通常 用来描述设备的类型和位置， 在现场总线网络上设备 标记是唯 一 的。另外一个设备标识符就是设备 I D ( d e v i c e工 D) ， 它包括设备的唯一的序列号， 由制造商 确定 2 、 现场总线控制系统结构图 图 3 为现场总线控制系统的体系结构框图 图 3 现场总线控制系统 图中， 低速现场总线H1 =3 1 . 2 5 K b p s ， 可用于温 度、 液位及流最等控制场合、 信号类型为电压信号 高 速现场总线H 2 =1 Mb p ， 或2 . 5 Mb p s ， 一般用于高级 控制、 远程输人/ 输出和高速工厂自动化等场合， 信号 类型为电流和电压信号。 3 、 协议层次 基金会现场总线协议在通用的 I S O O S I 七层结 构的基础上作了进一步的优化， 略去了中间的几层， ( 略去的几层通常为 一 般用途或对时间要求不苛刻的 应用， 如文件传输和电子邮件等) 。 它们间的对应关系 如图 4所示。 右1 百 Y巡 场 总践傲式 花用层 友小是 会话层 传活 层 P l 络$ 们祀M路层 卿A F 2R G e S g n r 图2 现场总线网络设备 现场总线网络可以是由网桥连接起来的一个或 多个链路的组合， 也可 以是一个简单的唯一链路网 图 4 基金会现场总线和 I S O开放系统互连 ( O S I ) 的通信参考模式对照 ( 1 ) 物理层: 物理层用于实现现场物理设备与总 线之问的连接， 为现场设备与通信传输媒体的连接提 供机械和电气接门。 为现场设备对总线的发送或接收 F F 现场总线控制系统 提供合符规范的物理信号。 ( 2 ) 通信栈: 由用户层和物理层之间的数据链路 层( D L L ) 、 现场总线报文子层( F MS ) 、 现场总线访问 子层( F A S ) 构成。 D L L : 为系统管理内核和总线访问子层访问总线 媒体提供服务。 F A S : 将D L L和F MS分隔开来， 利用D L L的受 调度和不受调度的通信作用， 为 F MS提供服务， 对 F MS和功能块应用提供 V C R( 虚拟通信关系) 的报 文传送服务 F MS : 提供一组服务和标准的报文格式。如对象 字典的服务( 如 G E T服务， P UT服务) 、 变最访问服 务( 如读、 写、 信息报告) 、 事件服务、 发布事件及报警 的通知 事件通知， 修改事件监控状态， 确认事件) 等 另外， 每个设备都有系统管理实体和网络管理代 理， 分别具有以下功能: 系统管A ( S M) : 分配设备地址、 识别物理设备标 记、 寻找设备或变量位号、 进行功能块调度、 发布应用 时间。 网络管理( NM) : 包含通信栈 D L L , F A S , F MS 使用的对象。 可通过F MS读写服务访问S M, NM 对 象 ( 3 ) 用户层: 定义了现场设备中的块和对象， 表 示设备可用的功能和数据。典型的用户应用块有: 资源块( R e s o u r c e ) : 描述设备总的特性和硬件信 息， 如制造商和设备名等。 转换块( T r a n s d u c e r ) : 转换块与具体的硬件接 口， 读取传感器硬件， 并写人到相应的要接受这一数 据的硬件中， 完成数字化、 滤波和数据转换等功能。 它 将功能块与具体的设备隔离开来， 用定义的通道来进 行与功能块之间的数据交换。 功能块( F u n c t i o n ) : 功能块是控制系统的核心组 成部分， 是参数、 算法和事件的完整组合 现场总线基 金会规定了如下所示的一 组标准功能块: 4 、 功能块应用进程 功能块应用进程作为用户层的重要组成部分， 用 于完成基金会现场总线中的自动化系统功能。 现场总 线系统是协同工作的应用进程AP的集合。 应用进程 A P是现场总线系统活动的基本组成部分， 是最基本 的对象。 每个应用进程表述了存在于一个设备内的分 别包装组成的功能块 功能块应用进程是由功能块组 成的应用进程。对象是构成功能块应用的基本元素。 功能块名 模拟量输人 模拟量输出 偏置/ 增益 控制选择 离散输人 离散输出 手动装载 比例/ 微分 比例/ 积分/ 微分 比率系数 符号 AI AO BG 一 CS DI 1 M L PD PI D RA 器污月馆诵习荞. 一一一一一一一一一一一一 基金会现场总线控制系统的用户应用中采用了 以下对象 : 连接对象: 连接对象规定了功能块之间的连接关 系， 包括设备内各个块之间的连接关系， 也包括跨越 现场总线的不同设备间的输人与输出之间的连接关 系。 趋势对象: 趋势对象允许将功能块参数局部化， 可以被主机或其他设备所访问。 趋势对象收集短期历 史数据并存储于一个设备中， 它提供了回顾其特征的 历史信息。 报警对象: 报警对象允许对报警状态和现场总线 上的事件进行报告。当判断出有报警或事件时， 报警 对象生成通告信息， 通过接口 设备可访问该信息。 视图对象: 视图对象支持功能块的管理和控制， 提供 了对