发表于:2003-10-24 07:49:00
11楼
FF现场总线——专门为过程控制设计的现场总线
发表时间:2002-7-17
作者:王凯
摘要:
一、前言
从过程测量和控制的发展历史来看,每一次大的变革往往与信号传输方式的改变密切相关。早期的气动信号发展到4~20mA为主的模拟信号,产生了电动仪表及组装仪表。这以后,随着计算机、通信的等技术的发展,在70年代中期,出现了分散控制系统(DCS),真正把计算机技术运用到过程控制领域,实现了自控技术一次大的跨越。
80年代初期,基于HART协议的智能化仪表问世。HART协议采用FSK频移键控技术,其数字信号调制到4~20mA模拟信号上,在实现数字通信的同时,又不干扰模拟信号的传输。由于其独特的设备描述语言(DDL)和其他技术特色,在HART智能仪表得到了广泛的接受和应用。
在智能仪表出现以后,人们对数字通信技术在自控领域的应用,产生了极大的兴趣。这是因为智能仪表与传统仪表相比,增加了设备数据库、自诊断、故障预测等功能,使得仪表的面貌焕然一新。但形成一种能针对过程控制的特点,技术上先进,同时又能被各大仪表和控制厂家以及用户广泛接受的数字通信的标准,是一个极其复杂的过程。直到1994年6月,现场总线的两大国际组织ISP(Interoperable System Protocol)和北美WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol)组织正式合并,产生了现场总线基金会(Fieldbus Foundation)。
现场总线基金会是由国际上100多家主要的控制和检测仪表厂家和最终用户组成的非赢利性中立组织。其宗旨是开发适应于过程控制、开放、可相互操作、标准的现场总线。它同时符合制定中的IEC(国际电工委员会)标准及ISA(美国仪器仪表学会)的SP50标准,在国际上具有广泛的代表性。
FF现场总线是一种全数字、串行、双向通信协议,用于现场设备如变送器、控制阀和控制器等的互联。现场总线是存在于过程控制仪表间的一个局域网(LAN),以实现网内过程控制的分散化。
FF现场总线最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的,在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、危险场合、多变过程以及总线供电等方面,都有完善的措施。由于采用了标准功能块及DDL设备描述技术,确保不同厂家的产品有很好的可互操作性和互换性。概括的说,在自动化产品从设计、安装、运行到维护的完整生命周期内,FF现场总线都能给用户带来多方面的效益。
二、FF现场总线的模型及技术概貌
FF现场总线符合ISO(国际标准化组织)定义的OSI(开放系统互联)的模型。如图1所示,它主要包括3部分:物理层(Physical Layer)、通信"栈"(Stack)和用户应用层(User Layer)。
物理层对应OSI的第一层,它从通信栈接受报文,并将其转换成在现场总线通信介质上传输的物理信号,反之亦然。
通信栈对应OSI的第二和第七层。第七层,即应用层(AL),对用户层命令进行编码和解码。第二层,即数据链路层(Data Link Layer,DLL),控制通过第一层的信息传输。DDL还通过确定的集中总线调度器,即所谓的链路活动调
度器(Link Active Scheduler,LAS)来管理对现场总线的访问。LAS用来调度确定信息的传输和控制设备之间的数据交换。FF现场总线没有使
用OSI的第三、五和六层。用户应用层不由OSI模型定义,而是由FF自己定义。
FF现场总线的结构(见图2)提供了稳定的同步控制,并支持数据的非同步通信,后者用于诊断、生成报告、维护和故障查找。维护任务可在线进行并不干扰同步通信。
FF数据链接能力提供了一种增强了的对控制的访问方法,以及对所有现代数据模型的服务。包括客户/服务器(Client/Server)、 图2 现场总线结构
发布/接收(Publisher/Subscriber)和报告分发器(Report Distributor)。通过扩展寻址和安全数据传输的桥接,它同时支持多段网络。此外,它还提供了更准确的时间分配和多段系统的同步化,在线设备监测和组态,以及在线调度的修改和建立。
1. 物理层
物理层根据IEC和ISA批准的标准定义,符合ISAP50.02-1992、IEC1158-2(1993)物理层标准以及FF-816 31.25kb/s物理层行为规范。
FF现场总线采用曼彻斯特双向L(Manchester-Biphase-L)技术编码。
FF现场总线包括H1和H2两种(见图3),H1的技术规范已完全确定,H2采用100Mb/s高速以太网技术,预计在1999年发布其技术规范。
H1通信速率为31.25kb/s,它适合于温度、流量及物位测量应用。其设备直接由总线供电,也能在原有的4~20mA设备线路上运行。H1能以总线供电方式支持本质安全(IS),因此应在安全区域的电源和危险区域的本质安全设备之间加上本质安全栅。
H1的信号波形如图4所示,发送设备以31.25kb/s的速率将+10mA的电流信号传送给一个50Ω的等效负载,产生一个调制在直流电源电压上的1V的峰-峰(P-P)电压信号。直流电压的范围为9~32V,但在本安应用中,允许的电压范围由安全栅额定值而定。
H2的技术规范尚未完全确定,本文暂不涉及。
2. 通信栈
结合图2,下面概要分析通信栈各层的工作。
a. 数据链路层(DLL)
DLL位于第二层,主要控制报文在现场总线的传输,它通过LAS来管理对总线的访问。DLL是现有IEC/ISA DLL的一个子集。
DLL定义了3种设备类型,即不可成为LAS的基本设备、可成为LAS的主设备以及能将现场总线联成更大网络的网桥。
LAS将实时过程数据与后台MMI(人机界面)、下装等报文分开处理。在总线上,只有一个现行的LAS负责管理总线,它具有总线上所有设备的清单,设备在得到LAS的允许后,才能向总线上发送传输包。
总线上的通信分为两类:受调度/周期通信(Scheduled/Cyclic)和非调度/非周期(Unscheduled/Acyclic)通信。
对受调度通信来说,LAS有一份传输时间表,该表对所有需要周期性传输的设备中所有数据缓冲器起作用。当设备缓冲区的数据发送时刻到来时,LAS向该设备发送一个强制数据(Compel Data,CD)。一旦收到CD,该设备即向现场总线上所有设备发广播或"发布"数据。所有被组态为接收数据的设备称之为接收方(Subscriber)。
受调度通信常用于现场总线设备间,将控制回路的数据进行有规律、周期性的传输。
非调度通信使得现场总线上所有设备在调度报文传送之间都有机会发送非调度报文。LAS通过发布一个传输令牌(Pass Token,PT)给一设备。当该设备接收到PT时,它就允许使用现场总线并发送报文。非调度通信通常用来传输报警事件、维护/诊断信息、显示信息、趋势、组态等信息。
b. 现场总线访问子层(FAS)
FAS利用DLL的调度和非调度特点,为报文子层(FMS)提供服务。其服务类型包括3类:
(1)客户/服务器型:用于设备间排队、非调度、用户初始化、一对一的通信。它常用于操作员产生的请求,如定值修改、报警确认和设备的上载和下载等。
(2)报告分发型:用于队列化、非调度、用户初始化、一对多的通信。一般用于现场总线设备发送报警通知给操作员控制台。
(3)发布/接收型:用于缓冲式(即网络中只保留数据的最新版本)、一对多的通信。它常被用于周期性、用户功能块的输入和输出,如过程变量(PV)和原始输出(OUT)等。
c. 现场总线报文子层(FMS)
FMS通信服务为用户应用提供了一种标准的方法。借助它,各功能块就能通过该总线进行通信。它描述了通信服务,报文格式和用户建立报文所必需的协议行为。针对不同的对象类型,定义了相应的FMS通信服务。
3. 用户应用程序模块
FF模块分下述3类。
a. 资源块(Resource Block)
描述设备的特性,如名称、制造商与系列号等,每台设备只有一个资源块。
b. 功能块(Function Block)
它通过控制系统行为,其输入和输出可通过现场总线相连。每个功能块的执行被精确地调度。在一个用户应用中可有多个功能块。FF定义了标准的功能块集,如AI、AO、PID等。
在现场设备中,通过建立功能块,可以实现预计的功能。如一台压力变送器可包含一个AI,一台控制阀可包含一个PID和AO块。这样,由变送器和控制阀就可构成一个完整的控制回路。
c. 转换器块(Transducer Block)
它把功能块从读传感器和命令输出与硬件的本地输入/输出功能分开。它们还包含日期和传感器类型等信息。
4. 系统管理(System Management)
为了使控制系统正常工作,功能块必须按精确的时间间隔和正确的顺序执行。
系统管理使现场总线上的功能块的执行和功能块参数的通信同步起来;它还处理其他重要的系统特性,如对所有设备的日期时间发布,设备地址的自动分配,以及参数名或位号(Tag)的搜寻等。
5. 设备描述(Device Description)
为保证FF设备的可互操作性,除了保证功能块参数和行为定义外,还采用了设备描述技术。DD类似于PC机中用来与操作打印机联系的驱动程序。只要有设备的DD,任何与现场总线兼容的控制系统或主机就可操作该设备。
FF为所有标准功能块和转换器块提供DD。供应商通常根据标准的DD制定"加长"DD,从而向设备中加入供应商特定的特性,如标定和诊断程序等。
6. 系统组态(System Configuration)
它分为如下两个阶段。
a. 系统设计
它与目前的分散控制系统(DCS)设计很类似,但也有一些不同之处。
首先是物理接线,从4~20mA模拟点对点变为多台设备联到一根电缆的数字总线联线。每台FF的设备都必须有唯一的物理设备位号和一个相应的网络地址。
其次,FF系统能将一些控制和输入/输出子系统功能分散到现场总线设备中,从而可减少所需控制器和远程I/O的数量。
b. 系统组态
系统设计和仪表选择后,按照控制策略,连接设备功能块的输入和输出,即可实现组态,如图7所示。如果有一台设备是链路主设备,即可组态一个独立的控制回路,这使得在没有组态设备或中心控制台的情况下,回路也可连续运行。
三、FF现场总线拓扑结构及常用部件特性
1. FF现场总线拓扑结构
FF现场总线的拓扑结构较灵活,如图8所示,通常包括点到点型、带分支的总线型、菊花链型(Daisy Chain)和树型。同时,这几种结构还可组合在一起构成混合型结构。其中,带分支的总线型和树型在工程中使用较多。
a. 带分支的总线型(Bus with Spur)
在这种结构中,现场总线设备通过一段称为支线的电缆连接到总线段上。支线的长度从1m到120m之间,长度小于1m的支线被看作是一个接头(Splice)。它适应于设备物理分布比较分散、设备密度较低以及新安装等应用场合。分支上的设备拆装对其他设备无影响。
b. 树型(Tree)
在一个现场总线段上的设备都是以独立的双绞线连接到公共的接线盒、端子、仪表板或I/O卡。它适用于现场总线局部集中、密度高以及把现有设备升级到现场总线等应用场合。使用这种拓扑结构,必须考虑到支线的最长长度。
2. 常用部件特性
a. 电缆
多种类型的电缆可用于现场总线。
表1所列是IEC/ISA物理层标准中指定的电缆类型。其中A型电缆是符合IEC/ISA物理层一致性测试的首选电缆。替代A型电缆的是B型电缆,它通常用于工厂的新建和改造项目中,在那里,多条现场总线在同一个区域中运行。C型和D型电缆一般不推荐采用。
b. 终端器
它是安装在传输线的每个末端或附近的阻抗匹配模块,每个现场总线段需要安装两只。其作用是防止信号失真和衰减。
c. 电源
按照FF物理层行规规范,电源将被设计成以下3种类型:
(1)131型。非本安电源,是为本安防爆栅供电而设计的,其输出电压取决于防爆栅功率(额定值)。
(2)132型。非本安电源,不用于本安防爆栅供电。输出电压最大值为32V DC。
(3)133型。本安电源,符合推荐的本安参数。
为了保证现场总线的正常运行,电源的阻抗必须与网络匹配。无论是内置或外置的现场总线电源,这个网络都是电阻/电感网络。
四、FF在美国Monsato的现场试验
1995年11月,FF在Monsato Chocolate Bayou工厂进行了现场Beta试验。参加试验的厂家包括Fisher-Rosemount、Honeywell、Foxboro、Micro-Motion、Yokogawa、Smar、E+H等,试验的主机采用费希尔-罗斯蒙特的PROVOX系统。试验的主要内容包括通信调度、报警和在线功能块等。
如图9所示,它是一个锅炉冷却液回收系统,在该过程中安装了相应的现场总线测量和控制设备。
如图10所示,现场总线区域分为区域1和2两个部分,通过H1总线,相关的功能块链接成特定的测量和控制回路。
如图11所示,在这里,主机只承担组态和监控的任务,而基本的测量和控制功能由现场的设备完成。
这次现场测试验证了关键性技术,展示了不同厂家的产品在同一个系统中的互可操作性。当然,它只是一套测试系统,在试验完成不久便拆除了。
在这以后,1996年10月美国的ISA展览上,FF展示了业已完成和得到认 图11 现场总线应用的控制策略
证的现场总线技术,37家厂家的70多台FF设备和8个控制系统通过13段现场总线连接在一起运行。
五、费希尔-罗斯蒙特一体化现场总线方案
自FF现场总线问世以来,PlantWeb工厂管控网结构就给过程管理带来了一场深刻的变革,它融合了智能化现场设备、标准的和规模可变的平台技术以及集成的模块化软件,为提高过程性能提供了更有效、用户能承受的方法。在比传统的以DCS为中心的方案综合价格更低的基础上,PlantWeb提供了更多的功能。
费希尔-罗斯蒙特公司进一步推出了一体化的现场总线方案,即PlantWeb-Builder,如图12所示。它主要包括:
(1)FF测量和分析仪表。如3051压力变送器、3244MV温度变送器、5300质量流量计8800A涡街流量计、4081pH计等。
(2)带有数字控制器的FF阀门和执行器。如DVC5000F阀门控制器和ELQ系列阀门执行器等。
(3)具有一体化管理能力(内置AMS设备管理软件)、规模可变控制系统DeltaV。
(4)其他需要的设备,如电源、防护设备和接线盒。
(5)工程实施的技术支持。
PlantWeb Builder不仅兑现了FF现场总线的技术承诺,并且增加了一些新的功能,主要体现在:
a. 实现在任意地点的控制
采用FF技术,现场设备能够不依赖控制系统来执行控制算法,使得PID控制能够下装到现场设备中。
PlantWeb Builder独特的任意地点的控制能提供更多的
功能,这是因为在该方案中,在现场设备中采用的通用的功能块与DeltaV控制系统中的完全一致。基于设备的控制具有改进控制响应、减少死区时间等优点;它同时能减轻控制系统的负载,以使控制系统能执行像批处理和检测控制等高级功能。
b. 内置的AMS设备管理软件
在该方案中,内值得AMS管理软件使用户能方便地在一台PC机或工作站前检查接线和组态设备,在实际应用中,用户反映可节省安装费用达30%以上。同时,可以用AMS软件的诊断功能去检查设备,在问题尚未严重前发出报警信号,或在技术人员去现场检查前,在控制室就可确认故障,从而减少设备停运时间;并且使得现场变送器和阀门的工作状态始终保持最佳,提高了过程的一致性和可用率。
c. 一体化方案风险更小,灵活性更强
考虑到用户在最初应用FF现场总线技术时可能会遇到一些困难,因此一体化方案使得用户能更快地使用FF现场总线技术。该方案中德现场总线产品不仅在实验室得到过测试,并且在现场也接受过验证。
需要强调的是,尽管PlantWeb Builder地FF一体化方案是完整的,但它同时也是开放的,即所有获得了FF可互操作性测试标签的产品,以及符合OPC标准的应用软件都可集成到该方案中;并且,通过OPC、Modbus、4~20mA、HART以及离散的I/O还可以把用户现有的设备和系统集成在一起。
六、应用实例
1. 世界第一套投入商业运行的FF现场总线系统
1997年4月15日,在加拿大的Fort Saskatchewan的一家大型化工厂,第一套FF现场总线系统投入了商业运行。该系统包括96台FF3051压力变送器,分成6个现场总线区域,一套DeltaV控制系统,并且通过OPC技术与工厂现存DCS系统进行通信。据用户记录,与传统安装方式相比,整个项目节省投资约30%。4位仪表工程师仅用了5h就完成了所有变送器的安装和开车。在安装上采用了现场安装的控制器和I/O卡件。在系统顺利投运后,该用户在第二阶段将变送器增加到576台,并将部分控制下装到现场仪表完成,如图13所示。
2. 美国阿拉斯加WestSak ARCO油田
该油田位于美国石油资源丰富的北部地区,该地区自然条件十分恶劣,极端温度为-50oF~+70oF。在建设该油田时,受到了很大的资金限制。用户在参观了1996年ISA展览后决定采用FF现场总线技术,并选择了一体化的现场总线方案。
该项目包括29台油井,DeltaV控制系统采用了6块H1现场总线接口卡,配备了69台FF3051压力变送器,38台FF EI-O-MaticELQ800执行器以及内置的AMS管理软件。1997年11月开始安装,同年12月26日投产运行。取得了很好的经济效益。
据统计,与传统DCS方案相比,WestSak油田采用FF现场总线的初步节省情况如下:
(1)减少接线端子84%;
(2)减少I/O卡件数量93%;
(3)减少控制仪表面板空间70%;
(4)减少室内接线98%;
(5)由于远程诊断减少维护量50~80%;
(6)扩展油田所需组态时间减少90%;
(7)节省电缆费用69%。
除了这些效益明显的节省外,在维护管理方面,由于采用内置的AMS管理软件,使得技术人员在控制室就能对现场设备的状态及故障进行诊断,大大减少了不必要的现场巡检,这在冬季严寒的ARCO油田意义尤其重大。
3. FF现场总线系统在中国的最新发展
1998年8月,费希尔-罗斯蒙特公司与西安国家电力研究院以及西安交通大学签署了中国第一套电力行业FF现场总线应用合同。该项目用于火电厂大型轮机的高精度热力试验。包括DeltaV控制系统、AMS管理软件、120多台FF压力和温度变送器等。
配合机组检修,该系统从1999年4月23日到5月22日,对河北张家口电厂300MW汽轮机进行了热力试验。在20多天的试验过程种DeltaV现场总线控制系统没有出现任何故障和异常现象,而且在可靠性、高精度、安装和组态灵活简便、设备快速诊断等许多方面充分显示了它的优越性。
今年3月31日,费希尔-罗斯蒙特与清华大学自动化系合作建立的现场总线系统集成实验室正式开通。该系统是国内运行的第一套通过FF认证的仪表和系统,它包括一套DeltaV控制系统,AMS设备管理系统,FF3051压力变送器,FF3244MV多参数温度变送器以及FF DVC5000智能阀门等设备。清华大学现场总线集成实验室将费希尔-罗斯蒙特一体化的FF系统作为其重要组成部分,与其他现场总线网段、局域网、Internet等互联为一体,将现场实时运行的状态和数据送入综合数据网络,为开展企业网络信息集成以及远程控制技术的实验研究提供了良好的条件。
迄今为止,费希尔-罗斯蒙特公司已有数套FF控制系统在中国投入运行,同时已签订了数十套FF控制系统合同,其中包括宁夏大元炼油化工公司、苏州碳黑厂、唐山水泥厂、陕西兴平化工厂、广州石化炼油厂、吉林化纤、云南江川磷肥厂等用户。
七、结束语
在企业信息系统中,现场总线是连接现场智能设备的底层控制网络。传统仪表通信大多采用电流、电压的模拟信号进行,控制系统采用封闭的分散系统,现场设备之间以及系统与企业综合信息系统的信息交换十分困难。而现场总线一方面实现了在工厂现场自动化设备之间多点的数字通信,并可以完成部分传统上只能由控制系统执行的控制任务。另一方面,它作为现场底层开放的网络,沟通了现场设备与上层信息系统的联系,不仅能完成测量和控制任务,还能提供丰富的设备管理信息,从而提高企业自动化水平和管理水平。与传统的DCS结构比较,它具有明显的技术优势。
与其他现场总线相比,基金会现场总线的设计、开发都是围绕着过程工业的特点进行的,在开放性、可互操作性、系统结构的分散性、独特的功能块技术、通信执行的同步化以及对苛刻的现场环境的适应性(如本质安全,电缆安装和总线供电)等方面,都能更好地满足过程自动化的需要。
在国内,中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会(CFFC)是基金会现场总线的集团会员,负责FF现场总线技术的支持和推广。1998年12月在北京成功举办了FF现场总线的展览和技术交流,吸引了自动化行业大批专业人士的参与。1993年3月,在北京又成立了FF基金会现场总线最终用户协会,这标志着FF技术的应用在中国进入了一个全新的阶段。