现场总线与工业以太网-基金会现场总线课件.ppt

第2章 基金会现场总线2.1 概述2.2 基金会现场总线网络设备与安装2.3 基金会现场总线组态基础2.4 基金会现场总线仪表及应用第2章 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，节省了控制设备FF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，使系统可靠性大大改善FF系统的开放性与互操作性，把从多个厂商处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，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FF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）、食品饮料、制药、电力、钢铁和水泥等领域，FF技术已经运用得非常成熟据报道，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。

2.1 概述2.1.1 基金会现场总线发展背景、特点及应用情况2.1.2 一个典型的工程实例2.1.3 技术分析2.1 概述基金会现场总线FF（FoudationFieldbus）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FF总线由低速(FF-H1)和高速(FF-HSE)两部分组成，其中FF-H1网络以ISO/OSI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，构成了四层结构的通信模型FF-H1传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1900m（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FF-H1主要用于过程工业（连续控制）的自动化FF-HSE则采用基于Ethernet(IEEE802.3)+TCP/IP的六层结构，其通信距离为750m和500m物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC61158-2标准FF-HSE主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合2.1.1 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ISP和WordFIP标准，ISP协议是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的；WordFIP协议是以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的。

迫于用户压力和市场需求，1994年9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协议它以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2FF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FF总线的低速部分FF-H1是参考了ISO/OSI参考模型,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除了实现现场总线信号的数字通信外，FF-H1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、采用令牌总线访问机制等 基于以太网的高速部分HSE充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以100Mbit/s到1Gbit/s或更高的速度运行HSE支持所有的FF总线低速部分31.25kbit/s的功能，并支持H1设备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，HSE现场设备支持标准的FOUNDATION功能模块，例如AI、AO和PID，也包括新的、具体应用于离散控制和I/O子系统集成的“柔性功能模块”(flexiblefunctionblock,FFB)等链接设备和HSE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，用于批处理、逻辑PLC和连续控制所有或部分的HSE网络和设备可实现冗余，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，其中石化领域目前是FF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，但大部分的应用在中、小系统中在过程控制领域，FF已成为公认的第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。

目前中国已有上百个FF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 一个典型的工程实例FF总线在拜耳漕泾工厂的应用上海拜耳漕泾园区(BayerMaterialScience)下属工厂的涂料厂、公用工程厂和聚酯厂已于2006年建成投产，该项目选用了FF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FF现场总线仪表较多，系统设置明朗、可靠、经济、实用在2006年上海FF年会上，该项目工程设计人员提供了专题报告，反映很热烈1.设备设备 的选选用和总总量该项目已使用了6套艾默生的DeltaV系统，其中涂料厂、公用工程厂、聚脂厂近期使用了DeltaV74版本和大量的FF设备；涂料厂为600台(全部模拟量设备)；公用工程厂为300台(另外有HART设备在单元包中)；聚脂厂为2200台2.网段设计塑料厂网段布局中，在1个H1例段上接两个子网段，聚酯厂网段布局为FF设备最大安装数量为8台，每个网段的最大阀门安装数为2台(阀门定位器为2个)，每个网段的备用的分支数为2个，每个分支上的FF设备为1台，也就是8：2：2：1模式具体见图2.1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。

3.辅助设备及电缆（1）接线箱：涂料厂：接线箱使用刀式开关终端公用工程厂：Relcom的Mega-block接线箱聚脂厂：带有P+F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、网段保护器和保护现场设备短路的现场安全栅由P+FPowerhubs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中的浪涌破坏.（3）每个网段主干电缆：单根双绞线电缆4.现场仪表选型（1）流量仪仪表：科里奥利流量计计：E+HPromass；艾默生Micromotion；涡涡街流量计计：艾默生8800系列，E+HProwirl；电电磁流量计计：E+HPromag；超声波流量计计：E+HProsonicFlow；（2）压压力仪仪表：E+HCerabarDeltabar；艾默生3051；SiemensSitransP；（3）温度仪仪表：艾默生3244系列、848系列；Wika5350；（4）料位仪仪表：雷达：E+HFMR240、E+HFMR230；超声波E+HProsonicLevel；图2.1 FF网段布局图(聚酯厂，2个接线箱)（5）分析仪表：PH计：艾默生TR200；电导计艾默生400VP（6）控制阀门：Samson3787定位器；图2.2 FF网段布局图(聚酯厂，1个接线箱)技术分析1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，FF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 (2)标准化功能块(FB，Function Block)与功能块应用进程(FBAP，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，Device Description)与设备描述语言(DDL，Device Description Language)为实现现场总线设备为实现现场总线设备的互操作性，支持标标准的功能块块操作，基金会现场总线现场总线 采用了设备设备 描述技术术。

设备设备 描述为为控制系统统理解来自现场设备现场设备 的数据意义义提供必需的信息，因而也可以看作控制系统统或主机对对某个设备设备 的驱动驱动 程序，即设备设备 描述是设备驱动设备驱动 的基础础设备设备 描述语语言是一种用以进进行设备设备 描述的标标准编编程语语言采用设备描述器，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DD和经基金会注册过的制造商附加DD写成CD-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有机的整体，要通过FF的PC接口卡将总线上的数据信息与上位的各种MMI(即人机接口)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 如与MMI软件连接中的OPC技术。

OPC技术是指用于过程控制的对象链接嵌入(OLE，ObjectLinkingandEmbedding)技术，即OLEinProcessControl技术OLE是Microsoft公司在PC机中采用的PC组件(PCComponent)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，OPC技术是实现数据开放式传输的基础 (5)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、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6)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。

只有具备了FF标志的现场总线产品，才是真正的FF产品，其通信的一致性与系统的开放性才有相应保障。