FF通信模型各層的結(jié)構(gòu)
在FF現(xiàn)場(chǎng)總線中，通信模型中引用了OSI參考模型。
FF的通信模型只具備了OSI參考模型七層中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)際要求，把應(yīng)用層劃分為總線訪問(wèn)、總線報(bào)文規(guī)范兩個(gè)子層；省去了第3層到第6層，即不具備網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層與表示層；此外，F(xiàn)F為了實(shí)現(xiàn)多終端環(huán)境下的交互，特別設(shè)置了OSI中未定義的第8層(用戶(hù)層)；這樣FF通信模型為四層結(jié)構(gòu)。其中，物理層規(guī)定了信號(hào)如何發(fā)送；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信；應(yīng)用層規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請(qǐng)求應(yīng)答中的信息格式；用戶(hù)層用于組成用戶(hù)所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、設(shè)備描述，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。OSI參考模型和現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖所示。
物理層的技術(shù)特性
FF現(xiàn)場(chǎng)總線是以H1為基礎(chǔ)的低帶寬通信網(wǎng)絡(luò)，分為低速通信(H1，傳輸速率為31.25kibit/s)和高速通信(HSE，傳輸速率為10~100Mbps)兩種規(guī)格。
在H1公布時(shí)對(duì)高速通信(H2，傳輸速率為1Mibit/s和2.5Mibit/s)也做了構(gòu)想，后隨著技術(shù)的快速發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)的滲透，H2未正式推出就已顯得不適應(yīng)應(yīng)用需求而被淘汰。
H1是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、監(jiān)視管理系統(tǒng)之間的數(shù)字雙向多址通信網(wǎng)絡(luò)?；緲?gòu)成部件有現(xiàn)場(chǎng)總線接口、終端器、總線電源、本質(zhì)安全柵、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、中繼器、網(wǎng)橋、傳輸介質(zhì)等。
①H1的技術(shù)指標(biāo)
H1的基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表。表中所示的連接設(shè)備的數(shù)量為最大的數(shù)量，在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電纜長(zhǎng)度、耗電量、防爆方式等因素來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
②終端器
與傳統(tǒng)的直流電流信號(hào)不同，F(xiàn)F中的傳輸信號(hào)變成了交變的通信信號(hào)，因此在傳輸線(段)的兩端需要安裝終端器以匹配阻抗，在主電纜的每一端都連接一個(gè)終端器，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段的終端器只能為2個(gè)，回路的結(jié)構(gòu)如圖所示。建議現(xiàn)場(chǎng)的所有終端器都安裝在接線盒中，終端器不得安裝在FF設(shè)備中。現(xiàn)場(chǎng)總線終端器包括一個(gè)與100Ω電阻串聯(lián)的1μF電容。需要注意的是，若部分FFI設(shè)備內(nèi)置了終端器，則無(wú)須在主機(jī)端再安裝終端器。
說(shuō)明：當(dāng)信號(hào)沿電纜傳輸遇到斷續(xù)時(shí)，將產(chǎn)生反射；反射是一種噪聲，并引起信號(hào)失真。
③H1電纜種類(lèi)和長(zhǎng)度
現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)會(huì)推薦的H1電纜的種類(lèi)和最大電纜長(zhǎng)度見(jiàn)表。
上表中的最大電纜長(zhǎng)度為H1網(wǎng)段的總電纜長(zhǎng)度，電纜長(zhǎng)度由主干電纜和分支電纜長(zhǎng)度來(lái)決定。主干電纜是指總線網(wǎng)段上掛接設(shè)備的最長(zhǎng)電纜路徑，其他與之相連的電纜都稱(chēng)為分支電纜，主干電纜與分支電纜架構(gòu)如圖所示，主干電纜為A，分支電纜為B1、B2、B3、B4，則電纜長(zhǎng)度
④連接設(shè)備數(shù)量與分支電纜長(zhǎng)度的關(guān)系
連接設(shè)備數(shù)量與分支電纜長(zhǎng)度的關(guān)系見(jiàn)表。每一段分支電纜的長(zhǎng)度最長(zhǎng)為120m，網(wǎng)段上的主干電纜長(zhǎng)度和分支電纜的長(zhǎng)度總和是受到限制的。
⑤中繼器
如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間距離較長(zhǎng)，超出規(guī)范要求的1900m時(shí)，可采用中繼器延長(zhǎng)網(wǎng)段長(zhǎng)度。中繼器相當(dāng)于一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，添加中繼器后，也意味著開(kāi)始了一個(gè)新的網(wǎng)段，也即新增加了一條1900m的電纜。最多可連續(xù)使用4個(gè)中繼器，使網(wǎng)段的連接長(zhǎng)度達(dá)到9500m。中繼器可以是總線供電，也可以是非總線供電的設(shè)備。使用中繼器的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段如圖所示。
⑥混合使用電纜類(lèi)型時(shí)允許的電纜長(zhǎng)度?？梢栽谕宦窂骄€上使用兩種以上的電纜類(lèi)型。在這種情況下，總電纜長(zhǎng)度應(yīng)按照公式Lx/Lxmax+Ly/Lymax＜1計(jì)算來(lái)確定。公式Lx/Lxmax+Ly/Lymax＜1中Lx為電纜X的長(zhǎng)度；Ly為電纜Y的長(zhǎng)度；Lxmax為電纜X單獨(dú)使用時(shí)的最大允許長(zhǎng)度；Lymax為電纜Y單獨(dú)使用時(shí)的最大允許長(zhǎng)度。
使用兩種類(lèi)型電纜的總線網(wǎng)段如圖所示。
圖中：L=1200m，Ly=170m，Lxmax=1900m，Lymax=200m。
將圖中的電纜長(zhǎng)度數(shù)值代入公式Lx/Lxmax+Ly/Lymax＜1計(jì)算，可以得出：1200/1900+170/200=1.48，計(jì)算結(jié)果大于1，需重新考慮到儀表安裝位置，使其計(jì)算結(jié)果必須小于1。
⑦供電
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備類(lèi)型，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可從網(wǎng)段(總線)供電，或者外部供電(如四線制)。盡可能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均采用總線供電。電源可以像現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一樣連接到總線上，但電源不能被計(jì)算在外圍總線設(shè)備的數(shù)量中。由外部電源供電的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備應(yīng)具備外部電源和現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)輸入之間隔離的功能。
在規(guī)劃供電設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾因素：各設(shè)備的電源消耗量，設(shè)備在總線上的位置，電源在總線上的位置，各電纜的電阻值，供電電壓。
⑧H1總線的本質(zhì)安全防爆
H1在采用本質(zhì)安全防爆和總線供電的情況下，由于電流的限制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接臺(tái)數(shù)與不采用防爆的情況相比變少。
FF現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
FF現(xiàn)場(chǎng)總線安裝時(shí)應(yīng)采用樹(shù)型、分支或組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不推薦采用其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，避免采用菊花拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各類(lèi)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。
組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。
基于LAS的通信周期管理
H1上的數(shù)據(jù)交換由LAS(LinkActiveScheduler)來(lái)管理，數(shù)據(jù)的交換分為周期性(周期通信)進(jìn)行和非周期性(非周期通信)進(jìn)行兩種。
下圖表示了針對(duì)由變送器和控制閥構(gòu)成的H1現(xiàn)場(chǎng)總線的LAS控制周期的示例。
現(xiàn)場(chǎng)總線功能塊類(lèi)型
各種類(lèi)型的功能塊如下所列。
①標(biāo)準(zhǔn)功能塊：FF-891:FunctionBlocksPart2
AI-Analog Input模擬輸入
AO-Analog Output模擬輸出
B-Bias偏差
CS-Control Selector控制選擇器
DI-Discrete Input離散輸入
DO-Discrete Output離散輸出
ML-Manual Loader手動(dòng)裝載
PD-Proportional/Derivative Control比例/微分控制
PID-Proportional/Integral/Derivative Control比例/積分/微分控制
RA-Ratio比值
②先進(jìn)功能塊：FF-892:FunctionBlocksPart3
Device Control設(shè)備控制
SetPoint Ramp給定值斜率
Splitter分線器
Input Selector輸入選擇器
Signal Characterizer信號(hào)表征器
Dead Time死區(qū)
Calculate計(jì)算
Lead/Lag超前/滯后
Arithmetic算法
Integrator積分器
Timer定時(shí)器
Analog Alarm模擬報(bào)警
③附加功能塊：FF- 893:FunctionBlocksPart4
Multiple Analog Input多路模擬輸入
Multiple Analog Output多路模擬輸出
Multiple Discrete Input多路離散輸入
Multiple Discrete Output多路離散輸出
④柔性功能塊(FlexibleFunctionBlocks,FFBs):FF-894(IEC1131Logic)
⑤SIF功能塊：FF-895
SIF Analog Input SIF模擬輸入
SIF Digital Output SIF數(shù)字輸出
由標(biāo)準(zhǔn)功能塊組成的幾種控制系統(tǒng)如圖所示，典型應(yīng)用形式包括：輸入、輸出、手動(dòng)控制、反饋控制、前饋控制、超馳控制、比值控制、串級(jí)控制、分程控制等。
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的串級(jí)控制系統(tǒng)的示例如圖所示。
FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)
FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)參見(jiàn)《Foundation Fieldbus system engineering guidelines》version3.2.1,AG-181相關(guān)內(nèi)容。
