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电子仪器仪表装调工 培训教程,FF现场总线基础知识,吉林吉化集团仪表有限责任公司,周明昌,电子仪器仪表装调工 培训教程,目 录,一、FF现场总线技术概况 3,四、FF-现场总线的本质安全防爆 102,二、H1和HSE结构体系与规范简介 44,三、FC S系统优势及常见疑问 59,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,工厂级优化要求把来自传感器执行器、自动化系统和应用软件的信息予以集成。FF现场总线包括设备级的网络和高速主干网，后者能快速地把上述信息予以集成。FF现场总线具有为信息集成所需的开放性结构体系。,工厂级优化要求把来自传感器执行器、自动化系统和应用软件的信息予以集成。FF现场总线包括设备级的网络和高速主干网，后者能快速地把上述信息予以集成。FF现场总线具有为信息集成所需的开放性结构体系。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,1、自动化通信网络,开放性MIS（管理信息系统）结构体系,自动化系统和控制网络,管理信息系统,应用软件包,数据库,网 关,网 关,设备和传感器网络，传感器接口,子系统集成,董事会决策层,传感器/执行器,管理信息系统,应用软件包,数据服务器,设备集成,传感器/执行器,开放性现场总线信息集成结构体系,董事会/决策层,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,上图用于信息集成的开放性结构体系通过减少网关、控制网络和传感器与数据服务器之间的设备网络的级数而把工厂的阶梯层级予以缩减。把控制和传感器/执行器集成纳入智能仪表化的设计省去了I/O接口而使上述信息集成进一步优化。,1、自动化通信网络,传感器至董事会（决策层）的信息集成框架是金字塔型结构体系的最低层，其内驻存有传感器和控制信息。为了减少金字塔的层次，各公司必需用现场总线和分散控制系统（FCS）取代其不兼容的网络和系统。这能够把传感器、设备、子系统和数据服务器予以集成，从而减少了对网关和接口设备的需求，简化了日常工程事务和复杂的集成。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,2、开放性的现场总线,开放性的现场总线结构体系,开放性MIS结构体系,标准的现场总线用户层,标准现场总线通讯网络,国际标准组织模型,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,2、开放性的现场总线,为了降低成本、提高效益，开放性的现场总线结构体系必须是基于广为接受的通信规约并支持标准的用户层。,开放性的结构体系必定采用标准的现场总线通信网络和标准的用户层，以确保现场设备和子系统可以互操作。借助于COTS（商业流行标准下同）信息技术和PC平台的数据服务器对用户层信息进行敞开访问是追求成本效益的工厂级优化所需求的。,这样的现场总线能够控制设备与网络连接并能对开放性系统互连（OSI）参考模型从物理层到应用层进行互操作。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,3、标准的用户层,对设备而言，仅只在网络级上具备互操作特性是不够的，因为网络仅只是把信息从A点送到B点。为解决控制问题，各设备也必须在用户层能进行互操作。开放性结构体系必须对用户层做出规范，定义设备怎样执行数据采集（DA）和控制功能，这些功能怎样在总线上进行互操作。,开放性总线结构体系必须容许实时数据服务器全程访问用户层信息。信息易于访问是企业管理的关键。为此，服务器为客户（端）提供一个共同的接口。应用（软件）包使用客户端访问现场总线的信息以建立企业资源计划和供销系统的数据库。借用诸如HTML（超文本标识语言）、XML（扩充的标识语言）以及浏览器等网络技术，数据服务器强化了信息能力。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,3、标准的用户层,什么是数据服务器,数据服务器是数据产生者（例如现场设备）和数据用户或客户（例如 HMI一人机接口和应用程序包）之间的标准接口。客户端要求COTS网上的信息服务。服务器处理网上的客户（端）要求并将结果返回之。服务器可以有就地贮存在数据库中所要求的信息，或它可以进入现场设备获取信息。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,4、分散控制,功能强大的低成本微处理器使得在现场设备级分散控制功能获得甚佳的成本效益。这意味着多个设备能共同完成控制策略。,例如，诸如流量变送器的模拟量输入（AI）或阀门的模拟信号输出（AO）都被封装入功能模块之内；而诸如PID控制也能编成功能模块并在现场设备上运行。这样的分散控制减少或省去了对I/O子系统以及控制器设备的需求，并因此降低了设备成本。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,5、互操作性,5.1 设备级集成,用户层为功能模块各参数提供标准的数据定义和特性。这就容许各制造厂商所生产的产品能够互相连接并在同一总线上互操作而无需用户编程（例如，来自多家制造厂商的设备可以即插即用）。,图中 FF现场总线允许诸如D/A和PID控制这样一些功能分散于智能化的现场设备。现场总线、用户层功能模块和设备描述和功能文件能使来自不同厂商的设备在同一网络上互操作而无须用户编程。此处，H1现场总线用以把各设备连成一个自动化子系统。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,标准现场总线通讯网络,就地操作站供应商A,设备中的功能模块,现场设备压力B液位C流量D阀E温度F,5.1 设备级集成,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,互操作性能对于工厂级优化是至关重要的，因为它保证有众多的设备供应商可以提供所需的设备。使用标准的功能模块极大地简化了系统设计、配置组态、开车和提交运行，进而极大地节减了工程成本。,5.1 设备级集成,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,5.2 子系统集成,下图所示，高速现场总线集成了各自动化子系统。,H1现场总线子系统,操作员站,工程师站,数据服务器,应用软件包,COTS交换器/防火墙,传感器总线,HSE PLG,批处理控制器,HSE,连接设备,网桥转换,双绞线100m,光 缆2000m,COTS交换器/防火墙,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,5.2 子系统集成,图中 HSE（高速以太网）使用了与H1同样的用户层功能模块、设备描述和功能文件，但它使这些功能适用于高性能的、100Mbps（兆位秒）COTS以太主干网。与 H1一样，来自不同制造厂商的HSE设备能在主干网上互操作而无须用户编程。柔性的功能模块为批处理控制、PLC应用等需求提供额外的支持，并对其他网络（例如传感器总线）提供接口。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,5.2 子系统集成,这些网络可用作主干控制网（“HSE主干网”）。与设备级集成一样，子系统集成无须用户进行软件编程，仅仅使用现场总线配置组态工具即可。,连至高速主干网的数据服务器为操作（员）站、工程师站和应用软件包提供对设备信息的访问。这种服务器接口常称之为“底座”，因为应用软件包能像硬件卡插入PC底板一样插进这种软件底座。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,5.2 子系统集成,HSE主干网：FF的H1和HSE、COTS以太网设备，冗余和范围广泛的介质选择的组合，让您能随心所欲地建立几乎任何配置、尺寸或拓扑结构的系统。,对整个企业一个单一的实际主干网的老理念已经由在每个厂或厂区的HSE控制主干网的理念所取代。因为HSE使用标准的以太网，您能用高性能、低成本的COTS以太网设备整合出HSE主干网。,已融合标准的防火墙技术的网络设备用以实施工厂保密和安全策略。远地工厂将使用各种标准的广域网络设备和服务器或用光缆连接与企业主干骨网整合。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6、一种选择,日前，有多种技术档次的现场总线可供你选择。一种选择是，FF的现场总线；其呈现了开放性结构体系。上述信息集成是其设计初衷。这种现场总线是由非盈利性的现场总线基金会（FF）开发的，该基金会设在美国得克萨斯州的奥斯顶市（ “谁支持现场总线基金会”）。其他的团体诸如设在美国佛罗里达州Boca Raton市的OPC基金会制定了开放性数据服务器规范。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6、一种选择,标准的FF用户层,基本功能模块,先进控制模块,柔性的功能模块,PID控制，比值控制手动加载，控制选择器离散I/O，模拟I/O,模拟量报警，首先运算死时，设备控制输入选择，积算设定值程序发生器，超前/滞后，计时器，信号分段函数处理。,8通道模拟量I/O 8通道开关量I/O,应用规范IEC661131,标准功能模块,柔性功能模块,基本和先进功能模块开控制,批处理离散、混合控制,标准的现场总线通信网络,31.25Kbps H1 现场总线,100Mbps HSE 现场总线,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6、一种选择,应用事例,单回路控制前馈控制串级开展超驰控制比值控制手动加载,超前/滞后补偿信号折线处理计时与积算先进报警马达控制数学运算,超前/滞后补偿信号折线处理计时与积算先进报警马达控制数学运算,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6、一种选择,FF现场总线的应用范围覆盖了从基本过程控制到高性能的批量、离散和混合控制。H1擅长于过程控制应用，而对高性能应用和子系统集成则采用HSE最为理想。,设备级网络（H1）以31.25 Kbps（千位秒）波特率运转，支持过程控制应用。高速网络HSE高速以太网以100 MbPs（兆位秒）波特率运行，其旨在进行高性能控制应用、子系统集成、高密度数据生成，并支持数据服务器。HSE做主干网。这两种网络遵循IEC（国际电工委员会）标准61158（用于测量和控制的（数字化）数据通信工业控制系统使用的现场总线）。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6、一种选择,FF现场总线规范了21种功能模块供基本的和先进的过程控制使用，而有更多的功能模块在开发之中。这些标准功能模块能驻留在连至H1或HSE网络的现场设备中，仅需组态配置并予以链接。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6.1 批处理、离散和混合控制,FF现场总线备有柔件的功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用。FFB由应用择定，它们旨在实施诸如监管数据采集（DA）、批处理步序、燃烧管理以及驱动协调等控制策略。用户使用基于IEC611313标准的编程工具产生FFB。FFB旦用编程工具建立之后，这些FFB就被配置组态并按控制方案予以链接。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6.1 批处理、离散和混合控制,您也能使用FFB把来自其他网络（例如传感器总线）的信息映射（变换）入现场总线的开放性结构体系。这种映象在IO多路切换器（多路开关）或PLC（可编程程序控制器）中使用最为典型。从长远观点来看，这种传感器网络将人多由FF现场总线所取代。减小必须支持的不同网络的类别，把结构体系拉平至管理级等将使工厂更趋优化。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6.2 现场设备,H1子系统包含有其内运行着功能模块的现场设备。因为H1和HSE这两类网络有一个共同用户层，故功能模块能够在H1和HSE二者网络上运行。具有功能模块的现场设备的另一个例子是在HSE上运行的高性能分析器。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6.3 链接设备,多接口的链接设备（LD）用以把H1网络连至HSE网络。LD履行网桥功能，它容许就地连在H1网络上的各现场设备进行点对点的对等通信而勿须烦及主机系统。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6.4 网络设备,HSE遵循标准以太网/IEEE 802.3规范，这就容许使用COTS商业流行标准的以太网设备，诸如交换器（开关）和防火墙等。100兆位抄波特率以太网拓扑是以交换器（开关）作星形辐射的。这种交换器能够具备防火墙功能，以阻止特殊类型的信息出入网络。防火墙阻断传入交换器的信息以阻止向局部（本地）网络蔓延。H1不要求任何网络设备。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6.5 冗余,HSE支持冗余通信线路。如果一条线路断路，则数据流将立即移至后备线路传送。为此，所有的HSE设备都周期地把网络诊断信息传送至所有以太网端口上。每个设备使用这种诊断信息产生一张其所处网络的状态表，让HSE设备独白挑选通信端口，以剔除以太网上有缺陷的通信线路。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,6.5 冗余,冗余的以太网交换器是容错网络的一个实例。如果仅关心电缆损害事故，则能够简单地在同一交换器的两个不同的端口上实施冗余的介质链接即可。也支持其他的网络容错举措，例如使用光缆环形配置。,某些关键的监测和控制应用也需要设备冗余。一种冗余配置的链接设备（LD）确保不中断HSE网络对H1子系统的访问。如果一个LD失败，则同一H1子系统的通信通过第二个LD予以继续。不仅仅是LD能予以冗余配置，HSE上的任何设备都能作冗余配置。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7、统一的系统结构,FF的现场总线是从顶向下，即首先考虑用户应用要求予以设计的（见下图）。,设备描述/功能文件,测试,+,测试,+,测试,+,测试,设备登记标记,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7、统一的系统结构,图中 H1和 HSE使用同样的用户层；用户依据解决应用问题的需求选用H1和HSE设备。为确保设备具有互操作特性，H1和HSE的设备均由FF进行测试后登记认证。,统一的系统结构是基于OSI参考模型（OSI开放性系统互连）。现场总线规约把2-7层称为通信栈。 OSI的 1层定义物理连接，l层下方是实际媒体。由IEC 61158 Typel所规定，H1使用层 l、2和7。HSE使用层14和7。HSE的l4层由现有的以太网和IEEE标准所定义，而HSE的第7层由IEC 61158Types所定义。（二者的）用户层相同，由FF（现场总线基金会）所定义。,7层-应用层；6层-表示层；5层-会话层；4层-传输层；3层-网络层；2层-数据链路层。统称为通讯栈,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.1 物理层,物理层旨在确保设备能正确地发送和接收在媒体上传输的数据位。H1的物理层支持双绞线，并且您能在每个网段内用多至4个中继器扩充缆线的跨度。传输是半双工的，这就允许同一媒体由数个设备共享。媒体上所挂的设备数取决于每个设备的功耗。缆线类别以及使用中继器的个数。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.1 物理层,H1设备能从现场总线的双绞线电缆上获得供电，而且这些设备能像以前使用420mA那样在缆线上操作。当传输时，每个设备把10mA电流注入50欧姆等效负荷产生1V峰一峰电压，该1V峰一峰电压在直流（DC）供电顶部以31.25千位秒的波特率被调制。供电电压范围从9到32伏均可，但在信号频率处供电电源应呈现高阻抗。,H1支持总线供电设备的本安（本质安全一下同）应用。为此，用户在位于安全区的供电电源与位于危险区的总线设备之间放置安全栅。为本安应用的供电电压取决于安全栅的额定功率值。H1支持FISCO（Fieldbus Intrinsically Safe ConcePt）模型和 entity（实体）模型。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.1 物理层,光缆可用以代替双绞线电缆（光缆也可以对31.25Kbps的波特率运行）。使用光缆时，设备通过星形耦合器连至总线。由设备连至星形耦合器的距离范围从1.2到1.66公里，取决于光缆的尺寸、波长和预算的光波功率。,HSE使用标准的IEEE 802.3信号（设备）和媒体介质选择。这种网络在波特率 100MbPs下进行测试；当需要时，可以达到1Gbps甚至更高。设备与交换器之间的距离，使用标准的双绞线时可达100米，使用全双工光缆则可达2000米。交换器常与光缆互连使之有较长距离。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.2 通讯栈,通信栈控制对物理介质的访问，把用户层信息进行编码打包和解码拆包，并按照所要求的通信关系（特点）控制包的传送。各设备必须遵循统一的栈规约，否则它们在网上不能互操作。,执行链路主站（LM）功能的设备控制对H1介质的访问。活动的LM实施链路活动调度（LAS）。H1让LM作冗余配置。如果一个活动LM失败，则其他LM之一将竞争上岗履行LAS职责。LM/LAS规约由H1数据链路层（H1 DLL）所确定。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.2 通讯栈,HSE没有链路主站（LM）；反之，它使用标准的以太网IEEE 802.3多路访问DLL规约。H1和HSE对网络提供确定性访问。H1通过LAS在某一时刻只允许一个设备访问介质。 HSE使用早先描述的以太网交换器（开关）进行确定性访问：交换器（开关）内部进行编址，而且以太网规约校正任何多路访问引起的碰撞。,H1不使用OSI3-6层，因为它不需要包路由或包拆分。HSE需要这些功能并对这些层使用以太网互联网规约（IP）、TCP(传输控制规约)和 UDP（用户数据程序规约）。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.2 通讯栈,H1和HSE对用户层提供同样的服务。FMS（现场总线信息规范）在H1中定义了服务接口；而FDA（现场设备访问代理）为 HSE提供接口。,现场总线规约规定了3种通信关系。Clientserver（客户端服务器）一般用于主机（或HMI一人机接口）与现场设备之间的通信。PublisherSubscriber（发行订户）用于在不同设备内的功能模块之间传送数据，以及用于主机或监督设备进行DA（数据采集）。事件通告用于传送报警和历史趋势数据。在H1中，这些（通信）关系由FAS（现场总线访问子层）所规定；而在HSE中，由FDA所规范。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.3 用户层,这一层为设备控制级提供互操作性（ “它们符合规范吗？”）。为此，它（用户层）规定功能模块、设备描述功能文件（DDCF）以及系统管理（SM）。但是，仅规定设备内的功能模块是不够的；DDCF也提供一些驱动程序，以容许主机系统组态和操作设备而无须用户编程。产品供应商为他们的设备编制驱动程序；FF收集这些驱动程序并通过网址（WW.fieldbus.org）和 CDROM可以得到。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.3 用户层,不同厂家的产品符合规范吗？ 为证实产品符合规范，FF维持测试、登记认证制度。测试程序认证功能模块、设备描述功能文件（DD/CF）、通信规约和物理层。当产品通过测试，基金会就允许制造厂商在其产品上印上FF认证标志。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.3 用户层,SM（系统管理）实施由组态设备下装的功能模块调度。在H1中，组态设备也为功能模块通信建立LAS（链路活动调度）。LAS针对时间严格的通信考虑H1带宽的分配。对于HSE，勿须通信调度，因为其数据传输速率甚高，而且时间严格的通信立即发送。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,7.3 用户层,调度包含从绝对链路调度启动时间开始的启动时间的偏移。在现场总线上的所有设备都知道绝对链路调度启动时间。一个宏周期是一个设备调度的一次重复。例如，在变送器内的SM（系统管理）在时间偏移 A时调用 AI功能模块执行，在时间偏移 B时 LAS将发出一个专门的信息给变送器内的 AI功能模块缓冲寄存器，并令存在其中的数据发行到现场总线上。在时间偏移C处，在阀门内的SM将调用PID功能模块执行并随之在时间偏移D处执行AO功能模块。这种运行模式精确地自行重复就确保控制回路动态完整性。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,8 小结,FF现场总线针对工厂级优化的信息集成提供一种开放性结构体系。FF现场总线组合了H1分散控制技术和HSE 100Mbps COTS以太网。H1的31.25Kbps运行和物理层提供过程自动化和现场级接口，而HSE提供厂级主干网和高速数据传送。,HSE主干网能集成所有自动化子系统，后者包括有厂级优化应用软件包和供销系统所需的数据服务器。,电子仪器仪表装调工 培训教程,一、FF现场总线技术概况,8 小结,使用基于标准功能模块的共同的用户层，就能确保在控制网络各级上的数据有统一表示。用户层功能模块、设备描述和具有IEC 61158兼容的通信和标准的物理层组合成的系统管理允许由不同厂商制造的设备在H1和HSE二者网络上进行互操作。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,1 H1现场总线的结构体系,1.1仪表智能化途径,把DCS控制站按I/O点或通道逐一将采样、AD（模拟量数字量）转换移至装在现场的变送器，把控制运算、DA等移至同样装在现场的执行器。,PID,AI,A0,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,1 H1现场总线的结构体系,用一根通信总线把成为节点的变送器、执行器及人机接口（HMI）等连成一个数字化、多节点、串行的双向通信系统H1现场总线。,该总线各现场设备内均有用户层功能模块能用以构成现场总线控制系统FCS，而不仅仅局限于远程IO。为此，它使用了前述的三种通信关系：,其中发行订户的通信是强制通信，用以把变送器的AI功能模块的输出及时送至执行器的PID的输入端以进行控制运算，而另二种通信关系则是以令牌传递方式由各节点获得通信权后进行通信的。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,1 H1现场总线的结构体系,强制性通信与令牌传递均系链路活动，由链路的LM（链路主站）进行LAS（链路活动调度）予以安排。为确保LAS不间断，则任一组态为主站者在活动LM一旦故障时均有资格参与竞争上岗获得LAS权。,按仪表智能化途径制定的H1规范对分散IO而言是相当完备的，其能在防爆场所构成FCS系统是其独有的优势。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,1 H1现场总线的结构体系,1.2把现有的DCS控制站整体搬至现场的局部集中途径,把DCS的控制站整体搬至现场，实现局部集中控制。这是按工业网络从系统角度提出的开发思路。,在这种结构体系中，通信模件集通信、AD、DA、输入输出及控制等功能于一身，其所连的IO模件直接与现场常现仪表相连接。,在这种结构体系中，其通信模件注入什么样的通信协议软件，就成为什么样的现场总线设备。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,1 H1现场总线的结构体系,当通信模件注入H1通信协议软件时，它就成为H1现场总线的设备，它具有如下9个特点：,1可使现行的常现变送器、执行器等跳过智能化的中间途径直接成为 FCS的部件。,2分散采样输入输出，局部集中控制，内部高速总线把多至9个IO模件组成一个节点，可靠性高。,3用现场模拟信号连接线代替现场数字通信支线的拓扑连接，在通信速率为31.25kbs的约定下与主机连接的距离可实际达1900米，极大地方便了工程设计。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,1 H1现场总线的结构体系,4规模可大可小；冗余灵活，既可在I/O模件内作通道冗余，也可作模件之间葚或整个节点的冗余，并为将来的系统扩展留出空问。,5每一节点至少可以包括72点I/O进行局部集中控制，这就可以把一个生产装置内由于工艺耦合而互相关联、参照的工艺检测参数由内部高速总线通信授引并予以处理，无须通过速率31.25kb/s的数字通信件相互参照、援引，这无疑极大地降低下H1通信负菏，对一个低速的H1通信是十分适宜的弥补。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,1 H1现场总线的结构体系,6性能价格比高于单个变送器、执行器的FC S。,7该FCS的一个点就当于DCS的一个小型控制站，具备现行DCS控制站的所有功能；其中，节点内部的高速总线与CPU等完全可以自行旅行所有快速的PLC功能以及连锁保护功能，这就从功能上扩展了H1现场总线的应用范国。,8该FCS一个节点本身的最大工耗为14瓦，现在难以达到IS （本安）标准，但可以把它搁置在现场安全区并配以安全栅，仍可安全地运用到石化生产现场。,9该节点可与本安的FF变送器在一个H1链路段，容本安与非本安于一体，并能作后者的LAS。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,2 HSE现场总统结构体系,2.1 系统结构如下图,NMAVFD,OD,HSESMK,HSELRE,H11,桥,H1N,FBAP1,FBAPN,OD,OD,现场设备访问管理代理,DHCP,DHCP,DHCP,HSE管理信息库,TCP（传输控制协议）,UDP（用户数据报文协议）,IP（网际互联协议）,IEEE802.3介质访问控制和物理层,HSE管理代理,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,它的物理层与链路层采用以太网协议，网络层为IP协议，传输层为TCP或UDP。,、DHCP一动态主机配置协议、SNTP简单网络定时协议、SNMP简单网络管理协议、FBAP功能模块应用处理， VFD 虚拟现场设备 OD 对象词典,2 HSE现场总统结构体系,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,、H1接口、HSE局域网冗余实体、HSE系统管理内核、网络管理代理 虚拟现场设备,2 HSE现场总统结构体系,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,2 HSE现场总统结构体系,2.1 它适应于高性能控制：,l在100Mbps主干网上进计分散控制。 2有与H1同样的用户层，使用同样的功能模块和设备描述技术。 3在上干网上功能模块同步执行。 4系统时钟同步，HSE和H1均有同一主时钟（例如GPS一全球定位系统）。 5有新的柔性功能模块适应混合/批处理PLC远程 IO应用。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,2 HSE现场总统结构体系,6使用标准互联网DHCP地址释放再使用，减小了启动时间； 7支持高速数据产生/用户（例如分析器、控制器）； 8能把短信息打包以减少对接收CPU的中断； 9提供冗余的网络接口和冗余设备。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,2 HSE现场总统结构体系,2.2 它适应未来的变化,1它取用近代微处理器（机）和网络结构体系的全部优点；2使用平台独立于互联网标准（例如非 DCOM ）；3HSE不受旧式软件包设计的制约；4字定位和平直的数据结构极大地减小了CPU周期；53 2位对象地址、64位存贮地址和3 2位数据长度；6与网络技术有一致的接口；7旨在集成的网络服务器；8易于扩充标准的监测显示器。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,3 FF现场总线的H1和HSE设备均具有互操作性,（1）FF的测试程序确保所登记认证的H1和H S E设备都有互操作性能。 （2）设备描述（DD）和功能文件（CF）是登记认证的一个部分，这就保证H1和H S E的设备和软件能即插即用用。 （3）互操作性能使最终用户选用现场总线产品的“精品”。,电子仪器仪表装调工 培训教程,二、H1和HSE结构体系与规范简介,（4）设备互操作H1和HSE用户层有同样的功能模块： 在H1段上的各H1设备与在链接设备（LD）各段之间的各H1设备均可互操作； 在标准以太同互联网上的HSE与HSE的互操作； 通过LD由H1到HSE各设备的互操作； 一个H1到穿过HSE经由LD的H1之间设备的互操作。 （5）版本更动的控制策略确保现场设备向后兼容。,3 FF现场总线的H1和HSE设备均具有互操作性,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,1简介,现场总线不仅仅是一个个通讯协议，而且是一个完整的控制系统框架，通常被称为现场总线控制系统（FC S）。,因此，现场总线不应该仅仅是与其它网络式总线相提并论，而应与其它系统框架相比较。将现场总线理解为“数字的4mA20mA”就如同认为计算机是高级打字机一样错误。集散控制系统（DCS）自七十年代中期首次推出后，就一直是占主导地位的控制系统框架，因而对DCS将来会怎祥，以及现场总线同DCS如何比对，必然存在某些争议。这里，现场总统是指基于国际标准IEC1158ISA S50.02的基金会现场总线规范。,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,1.1 系统特点,1简介,DCS是过程控制系统（PCS）中的一种形式，是从直接数字控制（DDC）发展而来的。见下图。,DDC,DCS,PLC可编程控制器,FCS,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,1简介,之所以称其为DCS，并不只是因为DCS可以执行控制功能和拥有操作站，（这一点DDC、FCS系统同样可以做到），而是因为 DCS包括“单元控制器”，即多个控制卡和IO子系统模板。,而在FCS系统中，大部分这样的硬件设备都不存在，采用数字技术的现场仪表集结成网并直接连入操作站。现场仪表可进行控制和计算，取代了控制卡。,DCS系统之所以成功的取代DDC系统，是因为它同DDC相比，更分散、更数字化。FCS则进一步延伸此概念，比DCS更分散、更数字化。,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,1简介,企业自动化（PAS）不仅仅包括过程自动化（PCS），它还包括企业资源管理（ERP），紧急停车系统（ESD）和先进控制。也就是说，PAS至少由以上四个部分组成，DCS不是全部的PAS，而只是其基本的控制部分之一。,过程控制系统PCS（DDC、DCS、FCS),企业资源管理系统ERP,紧急停车系统ESD,高级控制AC,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,1简介,因而，FCS并不是要取代企业资源管理ERP、高级控制AC或紧急停车系统ESD，而仅仅是取代DCS。,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,2现场总线与DCS的比较,现场总线的发展始于80年代中期，当时作为4mA20mA的替代物，它脱胎于DCS，保留了DCS设计思想中的精华部分，因此现场总线与DCS并没有本质方面的冲突。,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,2.1 DCS能否迁移到现场总线？,增加适当的接口或网关，某些DCS可与现场总线接口。当然，DCS中的CPU卡以及操作站的硬件。,软件也必须升级，以便能够支持现场总线新增的功能和处理现场仪表所发山的大大增加的信息量。,日前，每个DCS制造商都提出了向现场总线迁移的解决方案（至少在其最新的系统中）。,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,如果你拥有一套DCS系统，那么现在就应该去求证它是否能迁移。当然，这样的迁移是昂贵的，而且象计算机升级一样，难以保证升级后系统的性能可与新系统相比。因此，在控制技术不断发展的前提下，现有DCS用户应考虑升级的系统能持续多久以及何时应采用现场总线技术。用户正处于一个十字路口，单纯的保护昨天的投资，也许会在明天损失今天的投资。,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,2.2 FCS会威胁到 DCS吗 ？,用户要求标准委员会制定较为简单而且完全可互操作的方案，以减少系统维护、扩展和升级的费用。因此标准委员会不得不设计一个比“4mA20mA替代物”内容更多的技术。采用教子通讯使得I/O卡件及电缆大大减少。现场设备自带微处理器，采用标准功能模块，将控制的实施完全分散至现场，从而消除了控制器。为实现预见性维护，设计了数据状态指示，故障诊断以及故障提示功能。所有这些，使现场总线不仅是一种通讯协议，而且成为DCS的完全取代物，或者说迫使DCS转向FCS。,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,2.3 怎样实现现场总线的优势？,尽管现场总线的一些特点使得它易与现有DCS系统相集成，但这样会使现场总线许多优势不能发挥。采用现场总线技术，现场设备的管理信息大大增加，包括诸如功能模块组态，参数状态，诊断和验证数据，设备材质以及过程条件等，而DCS无法容纳如此巨大的数据量。而且，如此集成的混合系统，多数硬件难以减少，会较纯粹的现场总线系统昂贵。因此，现场总线与DCS共存，可能但不可行。许多人认为现场总线仅仅减少了电缆费用，不完全正确。实际上，真正的节省在于现场总线几乎省掉了整个DCS的系统硬件费用以及相应的维护费用。,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,2.4 什么是域内控制、功能强大的系统？,一条现场总线通常只包含8个回路，因而它基本上局限于工厂的一个或几个单元内。实际上，工厂需要在一个操作站上监控几个工段（对应几个单元或几条现场总线）。这个工段内变送器的测量值也许会被其他工段的回路所使用。现有的FCS系统中，采用桥接功能（bridge）可以实现这一点，而且该功能完全由现场总线链路设备自身透明的完成。这样，就实现了整个工段的控制和管理，见下图。,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,企业,工厂,车间,工段,装置,设备,控制单元,现场总线系统范围内,一个现场总线网络范围内, 厂群, 厂, 如：罐或反应塔, 如：回路, 如：过滤装置,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,如果这些年没有密切关注现场仪表设备和网络通讯的发展，那么就很难理解小小的变送器如何可以取代整个控制器，甚至控制一个炼油厂。其中的奥秘就在于网络聚合了分布在上千个变送器中的微处理器。控制任务被分割成许多部分，分散且并行于现场设备中，每个变送器负责自身的回路，就仿佛一个真正的多任务系统，能够完成许多单个处理器无法完成的功能。这必然形成了非常好的控制性能。,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,2.5 会有显著变化发生吗？,到目前为止，DCS在控制领域口碑不错，得到很多用户的肯定。正因为如此，FCS没有完全另起炉灶，而是继承了DCS很多成功之处，诸如数字技术和分散控制，并将它们进一步发展以实现更多功能。用户没有必要害怕新技术，它们不过是相关技术的自然发展和原有优势的进一步提高。而且，无论是FCS，还是DCS，甚至DDC，它们的基本点是相同的：通过中央控制室的操作站和现场的设备来完成工厂的运行控制。,2现场总线与DCS的比较,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,3 现场总线的优势,现场总线技术，特别是FCS控制系统结构，给工厂带来了巨大的好处。前面已经提到，采用现场总线可以减少硬件投入。相应的，由设计绘图及布线安装等工程的简化带来的系统费用也大大降低。总的说来，整体系统成本可节省30。,电子仪器仪表装调工 培训教程,三、FC S系统优势及常见疑问,3.1 互可操作性,3 现场总线的优势,现场总线是国际标准，来自世界各地不同厂家的产品可以连接在一起协同工作。不久的将来，陆续面市的各式各样的现场总线设备将涵盖所有可能的测量控制需求，满足所有可能的应用。无缝的现场总线系统可以轻松的集成，而不必使用特殊的驱动程序或象在专有系统中那样采用模拟信号来弥合。用户可以选用来自不同厂商的最好的设备，而不必担心兼容性。这样，由于选样范围很大，用户可以得到性能价格比最好的产品，而不必束缚于某一个厂商。,电子仪器仪表装调工 培训教程,3 现场总线的优势,3.2 更好的数据有效性和完整性,现场总线采用数