财务管理财务知识现场总线在分布式控制系统中的运用一、设计目的和内容：设计目的：了解分布式控制系统和FF总线，并掌握其通信规程；设计内容：掌握和了解分布式控制系统的结构以及组成，现场总线FF在分布式控制系统中的作用，尝试编写一个符合规约的通信软件。二、背景知识：FF（FieldbusFoundation）现场总线简介FF总线系统体系结构FF现场总线基金会是由WORLDFIPNA（北美部分，不包括欧洲）和ISPFoundation于1994年6月联合成立的，它是一个国际性的组织，其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。这个组织给予了IEC现场总线标准起草工作组以强大的支持。这个组织目前有l00多成员单位，包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司。1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会（CFC）。致力于这项技术在中国的推广应用。FF成立的时间比较晚，在推出自己的产品和把这项技术完整地应用到工程上相对于Profibus和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是1992年9月成立的，是以FisherRosemount公司为核心的ISP（可互操作系统协议）与WORLDFIPNA两大组织合并而成的，因此这个组织具有相当实力：目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。FF(HSE)现场总线即为IEC定义的H2总线，它由FieldbusFoundation(FF)组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网（highspeedethernetHSE）标准。该总线使用框架式以太网（ShelfEthernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持IEC61158现场总线的各项功能，诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干予就可以进行对等层通信。连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。HSE总线成功地采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网IEEE802.3标准的最新技术。现场总线基金会自1984年成立以来，经过十年的发展，已经形成了一个开放的、全数字化的工业通信系统，并在上世纪末开始进入中国市场，推动了中国的工业自动化技术进步，并开始了大型全区域系统集成的应用。一个开放式的总线协议，很重要的一点就是有多少设备支持这个协议。否则，这个协议的开放性就没有意义了。从2001年起，支持FF总线的产品越来越多。据统计，2002年通过FF基金会认证注册的产品增长了24%，累计达到137种。其中，压力仪表32种，温度仪表12种，流量仪表19种，物位仪表12种，分析仪表16种，阀门类仪表30种，高速以太网联接设备5种，调节仪表1中，其他仪表10种。有10个公司的控制系统能够联接FF总线的H1网段。它们是ABB，Emerson（Delta-V）；Honeywell（Plantscape，ExperionPKS）；Invensys，Smar（System302）；Yamatake（IndustrialDEO），Yokogawa（Centum，Stardom）。在具体工程方面，截至2002年6月，全球已经安装的FF总线仪表达到205，000台，已经安装的系统达到4000个。石油、天然气、石油化工、化工领域的项目数占FF总线全部项目数的44.9%，说明石化领域目前是FF总线最主要的应用领域。但实际上，现场总线系统已经逐步在大型和超大型规模系统中得到采用。据报道，目前已经在使用的FF总线系统的最大规模已经达到12000台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采用数千台FF总线仪表，自动化的总投资达到5000万美元。上海SECCO新建的石化装置也全部采用FF总线技术和仪表，合同金额达到3000万美元。现在在我国已经安装的FF总线系统已经超过100个，当然大部分是中小系统。最近报道厦门湘鲁石化有限公司，一期投资为6亿美元。生产纯净对苯二酸，是世界上第一个在本安区域使用FF总线的PTA工厂。该系统在本安区域，有161个网段，挂接742台FF总线设备。另外自备锅炉还有38个网段，挂接173台FF总线设备。平均一个网段挂接4台设备。采用的系统是Emerson公司的产品随着现场总线技术的发展，制造商和用户将越来越加深对它的理解。据预测，到2005年，我国的几个采用FF总线系统的大型石化工程都将投产。届时，我国安装的FF仪表将达到数万台。人们对如何进行FF总线系统的设计、调试、组态、维护以及现场总线为用户带来的实际利益都会更加明朗。因此，随时掌握各种总线的发展状况是十分重要的。1.1FF总线H1总线电路和信号形式H1网段下，总线电路如图2所示。现场设备静态供电电流1015mA，信号恒流方式l520mApp，多个设备可以并联，接收信号在0.751Vpp电压范围，最小不低于150mVpp，信号负载的作用是将1520mApp电流方波信号转化为0.751Vpp的电压信号。所以，匹配阻抗器既不能多，也不能少，否则信号电压将不正常，特别是长线传输的时候，如果终端阻抗不匹配，经常会产生反射而使波形失真。电缆的特征阻抗是100欧姆，长线要安装在两端。1.2物理层FFH1、HSE是高可靠性要求的热工过程控制的首选，在当前工业现场应用极其广泛，它们的传输距离可根据实际情况而定，不同的传输介质和传输介质质量的好坏对信号的传输距离有很大的影响，就拿FFH1低速总线来说，如果采用#18AWG屏蔽双绞线的传输介质，传输距离可达1900米，但若采用#22AWG屏蔽双绞线，传输距离则只有1200米，且此传输距离包含主干与分支的和，分支最长不能超过120米。另外，传输介质的质量对传输距离也有影响，但据有关部门考证，目前，国内很多厂家生产的电缆在要求不是很严格的情况下是能够满足FF总线的现场需要的。所以，在我们设计FF总线网络时，要根据FF总线特性、技术参数来选择适当的传输介质，这样就能起到事半功倍的效果。FF总线技术参数表如表1所示。1.3链路层FF总线的链路层是总线上信息正确传递的重要保障，每条总线上有且只有一台现行链路活动调度器（LAS），在FF总线网络上任何一个智能总线仪表都可以作为该条线路的LAS，LAS中有总线上所有的设备清单，它负责管理总线，管理其它设备是否占用总线。LAS将“时间重要”的实时过程数据与后台MM1及组态下装数据分别处理即周期受调度和非周期不受调度通信。1.4应用层FF现场总线应用层遵循开放式系统互联模式OSI的基本架构，FF现场总线的应用层服务由FMS（FieldbusMessageSpecification）来定义该层定义了用户进行通信所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。在应用层中定义了网络可视对象（NetworkVisibleObjects)、虚拟现场设备（VirtualFieldDevice，简称VFD）、虚拟通信关系（VirtualCommunicationRelationship，简称VCR）几个概念。在FF现场总线规范中现场设备之间进行信息传输所使用的预组态的信道称为虚拟通信关系相当于计算机网络中的虚电路。在现场总线网络系统中，设备中的不同的应用进程进行通信时通过使用不同的VCR可以进行互不干扰的通信。FMS在VCR的端点向应用进程提供服务，FMS提供的服务分为有确认的服务和无确认服务，其中有确认的服务用于操作和控制应用对象，如读，写变量的值、访问对象字典OD等。使用Client/ServerVCR；无确认的服务用于发布数据或通报事件，发布数据使用Publisher/SubscriberVCR；通报事件使用ReportDistributtonVCR。1.5用户层基金会现场总线以ISO/OSI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FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层，用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集，FF总线利用这些嵌入到系统内部的功能块实现工业控制上的各种控制功能。FF公布十个基本功能块：摸拟输入AI；摸拟输出AO；控制选择CS；P，PD控制PD；手动ML；开关输入DI；开关输出DO；偏置增益BG；PID，PI，I控制PID；比率RA。FF公布十九个先进功能块：复杂摸出；复杂开出；脉冲输入；输入选择；运算；积算；分离器；算术运算；信号特征；装置控制；摸拟报警；死区；定时；超前滞后补偿；摸拟接口；步进PID；SP发生器；开关报警；开关接口。用以上功能块可以构筑几乎所有基本的控制策略，功能相强大。1.6 协议数据的构成与层次图3表明了现场总线协议数据的内容和模型中每层应该附加的信息。他也从一个角度反映了现场总线保温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，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息；用户数据信息在FAS，FMS，DLL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前导码（或称之为同步码）。该图还表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，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。图3现场总线协议数据的生成2FF现场总线的拓扑结构基金会现场总线一般会采用以下几种网络拓扑结构，为清楚并简单起见，图中省略了电源和终端器。在实际应用往往会是几种方式的组合，下面详细论述每种拓扑结构的特性。2.1点对点拓扑结构这类拓扑结构是只有由两台设备的段组成，段可以完全在现场（一台从设备和一台主设备独立运行，如变送器和阀此外不再带其它设备），或者也可以由一台现场设备（变送器）连接到一个主系统（作为控制或监视），如图4所示点对点总线联接。图4简单点到点拓扑结构简单的点对点（主机和每个总线的一个设备）不会常用，因为它每段只有一个测量或者控制设备，如同在传统控制420mA时那样，同每个具有多个设备的总线段相比没有优点。2.2带支线拓扑结构这类拓扑结构方式，现场总线设备通过一段支线的电缆联接到总线段上。支线的长度可以从lm到l20m，长度小于1m的支线看作是一个接头，如图5所示，带支线总线联接。图5带支线总线拓扑结构2.3菊花链拓扑结构这种联接方式，在一个段中现场总线电缆从一台设备走到另一台设备，在每个现场设备的端子上互连。使用这种拓扑安装应该使用联接器或一种接线方式，使得一台设备的接线断了不会影响整个段的工作，如图6所示菊花链联接。图6菊花链拓扑结构2.4树形拓扑结构树形拓扑结构就是在一台现场总线段上的设备都是以独立的双绞线联接到公共的端子盒、端子、仪表板或I/O卡。这种布局可以用于通向主机电缆的一个端上，实际上同一段上的设备是相互分开的，但是一般是在同一个接线盒的区域内。如图7所示，树形联接。使用这种布局方式，必须考虑到支线电缆的最大长度。图7树形拓扑结构三、系统方案和实现VCR由包含FMS，FAS，DLL及物理层的通信栈共同维护，是应用进程之间的通信通道。在FAS子层中，提供了主要的报文传送服务，而在FMS的Contex模块中，则包含了有关VCR的总的约定，共提供了三条联络关系管理服务：Initiate，Abort及Reject，可用来建立一条新的VCR连接或释放一条已存在的VCR连接，亦可拒绝不合理的建立VCR连接请求。1.VCR在报文规范子层的约定VCR包含有静态VCR信息和动态VCR信息这两