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工業通信課堂/ Knowledge

FF總線的通信技術


通信是基金會現場總線(FF)技術的主要組成部分。首先要強調和明確指出的是,基金會現場總線是定位于重要的(missioncritical)過程控制應用,因此要求時間的確定性(timecritical),這是對它性能要求的出發點。基     金會現場總線通信技術包括兩個部分,即H1和HSE。各種基金會現場總線控制系統有各自的特點,但H1總線都遵守同樣的規則。 
H1總線應用于現場設備,我們不打算羅列它所有條文,只列舉它的主要性能有: 
  通信速率:波特率31.25kbps(主要傳輸連續過程變量參數)。 
  傳輸距離:主干和分支合計1900米(滿足大部分過程工廠的現狀要求)。 
  總線供電:支持,9-32V電壓,電源應冗余配置(繼承原過程工廠中儀表的傳統連接習慣)。 
  本安防爆:支持,同時推出了FISCO、FNICO等新概念(過程工廠中經常有易燃易爆環境)。 
 應當特別指出,H1總線的通信速率31.25kbps是連續過程控制的最佳通信速率。速率的選擇要兼顧傳輸距離、被測參量變量周期長短、傳輸介質損耗、信息輻射和介質易受干擾的程度等綜合因素決定。從滿足需求上看,FF總線的通信周期為500mS,此速率足可以勝任通信的需求。 
  H1總線因為有了鏈路調度器功能的設置,保證了網段重要設備的冗余,因而在H1總線上不再設置線路冗余。初期人們對此總有擔心。事實上H1總線重要設備的使命,在很大程度上用設備冗余代替了。基金會工程規范說,一條H1網段可以掛接6到12臺設備,但對于I級關鍵的重要位置,一條H1總線只需掛3臺設備(例如一個串級控制回路的兩臺變送器和一臺閥門)。慶幸的是工業現場只有一小部分環節有這種高度風險性。既然有這種簡單的解決方法,為什么還要去追求成本更高的電纜冗余呢?當然,在特別重要的H1和設備,HSE高速總線可以設置H1的介質冗余,能更有效的保證了通訊的正常進行。 
  現在許多設備有總線極性不敏感的性能(即可不分正負),但總線供電設備是分正負極的。 
  H1總線長達百米以上就應該按“傳輸長線”對待,即在“兩端”連接阻抗匹配器。這樣可以防止傳輸波沿總線反射使波形畸變。而且注意,和主系統的連接點應該在一側匹配器距離120米以內。 
  應該說H1總線的布線的要求并沒有什么特別困難和怪異之處。正確和物理健康的布線是良好使用的必須條件。這一點是不容讓步的。不要指望存在進水、漏電、到處接地等問題,系統還是高度可靠。 


檢查H1總線布線除了傳統的萬用表外,還應該配備示波器和電纜電容測量儀。還有專門的H1總線測量儀表,如MTL的FBT-5/6等。用示波器直接觀察波形是方便和直觀的方法。  
圖2示波器上用兩種掃描速度顯示的H1總線波形。看來并不像理論上那樣“規矩”。當然波形也不可以任意的變差,當波形已近似正弦波時,曼徹斯特解碼就可能發生相位錯誤。另外要通過示波器Y軸注意波形幅值大小,通常應該在0.75-1Vp-p(峰-峰值)。雖然標準有很大的寬容度(信號不小于0.15Vp-p,同時噪聲不大于0.075Vp-p)但幅值不正常往往表示總線上少接了或多接了匹配器等故障的存在。如果是距離太遠了,可以用中繼器(最多4次)加以整形。對H1總線電纜的要求也不苛刻,國內外大多數類似美標AWG18#規格電纜都可用,當然不同規格電纜可能限制最遠傳輸距離,具體可以參考有關資料。  
H1總線防雷技術和傳統通信和儀表的防雷技術是一樣的  

 

H1總線信號和Profibus-PA總線信號的標準一樣,所以凡只用于物理層的設備都可以通用,如阻抗匹配器、電源調理器和安全柵等。.

H1總線通信關系不是簡單的“主-從”,它的機理是這樣設計的:

每條總線都必須有一個設備來管理這條總線上的通信,這個功能稱為鏈路活動調度器(LAS-Link Active Scheduler)。有LAS功能的設備稱為鏈路主設備,沒有此功能的稱為基本設備。鏈路主設備通常由主系統或接口來承擔。因為非常重要,鏈路主設備應冗余設置,許多設備都可以通過系統組態來指定它成為后備的鏈路主設備。

總線通信被分為受調度通信和不受調度通信兩大類。前者是嚴格周期定時的,用于重要過程控制信息。后者也稱背景通信,是插縫進行的,用于和人機界面等進行實時性不高的通信。兩者共同構成一個“宏周期”,它表征了總線控制速度的快慢。在宏周期中背景通信時間設置應占50%以上。可以推斷宏周期由總線所掛設備數量(背景通信量)和設備間鏈接通信次數(受調度通信量)來決定,根據過程要求通常選擇200-1000ms范圍。反過來說,希望總線控制速度快就要少掛設備和鏈接簡單。所以一條總線(H1網段)上所能掛設備的數量主要受制于控制速度和前面所說的風險度,要求高的可以只掛3臺,要求不高的可以掛8-12臺。

總線設備的通信也被用三種“虛擬通信關系VCR”來描述。發布方/接收方型VCR是和受調度通信相對應的,報告分發類型VCR與客戶/服務器型VCR則是和背景通信相對應。每臺掛在總線上的設備都需要5個基本的VCR,這還沒包括設備間的通信所需要另外的VCR。而總線上可用的虛擬通信關系資源是有限的。

HSE是在通用商用以太網的平臺上增加基金會現場總線“用戶層”協議,并進行了商標注冊。HSE和其他一些快速應用的以太網不同,主要是面對過程控制應用。它的實時性要求在100-1000毫秒,100兆以太網和智能交換機對此而言基本上可以認為是“實時”的。所以沒有必要再對以太網再進行額外的改造。在此就不再對以太網進行詳細的敘述了。

                                                   FF總線的通信技術:www.gawmhl.tw

 

   

 

 

 

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