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工业通信课堂/ Knowledge

FF总线的通信技术


通信是基金会现场总线(FF)技术的主要组成部分。首先要强调和明确指出的是,基金会现场总线是定位于重要的(missioncritical)过程控制应用,因此要求时间的确定性(timecritical),这是对它性能要求的出发点。基     金会现场总线通信技术包括两个部分,即H1和HSE。各种基金会现场总线控制系统有各自的特点,但H1总线都遵守同样的规则。 
H1总线应用于现场设备,我们不打算罗列它所有条文,只列举它的主要性能有: 
  通信速率:波特率31.25kbps(主要传输连续过程变量参数)。 
  传输距离:主干和分支合计1900米(满足大部分过程工厂的现状要求)。 
  总线供电:支持,9-32V电压,电源应冗余配置(继承原过程工厂中仪表的传统连接习惯)。 
  本安防爆:支持,同时推出了FISCO、FNICO等新概念(过程工厂中经常有易燃易爆环境)。 
 应当特别指出,H1总线的通信速率31.25kbps是连续过程控制的最佳通信速率。速率的选择要兼顾传输距离、被测参量变量周期长短、传输介质损耗、信息辐射和介质易受干扰的程度等综合因素决定。从满足需求上看,FF总线的通信周期为500mS,此速率足可以胜任通信的需求。 
  H1总线因为有了链路调度器功能的设置,保证了网段重要设备的冗余,因而在H1总线上不再设置线路冗余。初期人们对此总有担心。事实上H1总线重要设备的使命,在很大程度上用设备冗余代替了。基金会工程规范说,一条H1网段可以挂接6到12台设备,但对于I级关键的重要位置,一条H1总线只需挂3台设备(例如一个串级控制回路的两台变送器和一台阀门)。庆幸的是工业现场只有一小部分环节有这种高度风险性。既然有这种简单的解决方法,为什么还要去追求成本更高的电缆冗余呢?当然,在特别重要的H1和设备,HSE高速总线可以设置H1的介质冗余,能更有效的保证了通讯的正常进行。 
  现在许多设备有总线极性不敏感的性能(即可不分正负),但总线供电设备是分正负极的。 
  H1总线长达百米以上就应该按“传输长线”对待,即在“两端”连接阻抗匹配器。这样可以防止传输波沿总线反射使波形畸变。而且注意,和主系统的连接点应该在一侧匹配器距离120米以内。 
  应该说H1总线的布线的要求并没有什么特别困难和怪异之处。正确和物理健康的布线是良好使用的必须条件。这一点是不容让步的。不要指望存在进水、漏电、到处接地等问题,系统还是高度可靠。 


检查H1总线布线除了传统的万用表外,还应该配备示波器和电缆电容测量仪。还有专门的H1总线测量仪表,如MTL的FBT-5/6等。用示波器直接观察波形是方便和直观的方法。  
图2示波器上用两种扫描速度显示的H1总线波形。看来并不像理论上那样“规矩”。当然波形也不可以任意的变差,当波形已近似正弦波时,曼彻斯特解码就可能发生相位错误。另外要通过示波器Y轴注意波形幅值大小,通常应该在0.75-1Vp-p(峰-峰值)。虽然标准有很大的宽容度(信号不小于0.15Vp-p,同时噪声不大于0.075Vp-p)但幅值不正常往往表示总线上少接了或多接了匹配器等故障的存在。如果是距离太远了,可以用中继器(最多4次)加以整形。对H1总线电缆的要求也不苛刻,国内外大多数类似美标AWG18#规格电缆都可用,当然不同规格电缆可能限制最远传输距离,具体可以参考有关资料。  
H1总线防雷技术和传统通信和仪表的防雷技术是一样的  

 

H1总线信号和Profibus-PA总线信号的标准一样,所以凡只用于物理层的设备都可以通用,如阻抗匹配器、电源调理器和安全栅等。.

H1总线通信关系不是简单的“主-从”,它的机理是这样设计的:

每条总线都必须有一个设备来管理这条总线上的通信,这个功能称为链路活动调度器(LAS-Link Active Scheduler)。有LAS功能的设备称为链路主设备,没有此功能的称为基本设备。链路主设备通常由主系统或接口来承担。因为非常重要,链路主设备应冗余设置,许多设备都可以通过系统组态来指定它成为后备的链路主设备。

总线通信被分为受调度通信和不受调度通信两大类。前者是严格周期定时的,用于重要过程控制信息。后者也称背景通信,是插缝进行的,用于和人机界面等进行实时性不高的通信。两者共同构成一个“宏周期”,它表征了总线控制速度的快慢。在宏周期中背景通信时间设置应占50%以上。可以推断宏周期由总线所挂设备数量(背景通信量)和设备间链接通信次数(受调度通信量)来决定,根据过程要求通常选择200-1000ms范围。反过来说,希望总线控制速度快就要少挂设备和链接简单。所以一条总线(H1网段)上所能挂设备的数量主要受制于控制速度和前面所说的风险度,要求高的可以只挂3台,要求不高的可以挂8-12台。

总线设备的通信也被用三种“虚拟通信关系VCR”来描述。发布方/接收方型VCR是和受调度通信相对应的,报告分发类型VCR与客户/服务器型VCR则是和背景通信相对应。每台挂在总线上的设备都需要5个基本的VCR,这还没包括设备间的通信所需要另外的VCR。而总线上可用的虚拟通信关系资源是有限的。

HSE是在通用商用以太网的平台上增加基金会现场总线“用户层”协议,并进行了商标注册。HSE和其他一些快速应用的以太网不同,主要是面对过程控制应用。它的实时性要求在100-1000毫秒,100兆以太网和智能交换机对此而言基本上可以认为是“实时”的。所以没有必要再对以太网再进行额外的改造。在此就不再对以太网进行详细的叙述了。

                                                   FF总线的通信技术:www.microcyber.cn

 

   

 

 

 

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