AFG20D-H4543控制站AFG20D-H4543現場控制單元

AFS20D-H4513     AFG20D-H4513

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AFS20D-H4143     AFG20D-H4143

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5．FF（現場總線基金會）現場總線
         現場總線基金會（FF）是國際公認的唯一不附屬于某企業的公正非商業化的國際標準化組織，其宗旨是制定統一的現場總線國際標準，無專利許可要求，可供任何人使用?，F場總線標準參照B／OSI模型的第1、2、7層，即物理層、數據鏈路層和應用層，另外增加了用戶層。FF推行的現場總線標準以IEC／ISA SP-50標準為藍本。FF主席John Berra先生撰文從控制系統的性能、安全性、標準化、可互操性、成本等幾個方面對幾種總線進行綜合比較，如表10－3所示，并認為  FF總線標準具有較大的技術優越性。
10．3．3 FF現場總踐技術
        現場總線標準共有四層協議，即物理層、數據鏈路層、應用層和用戶層。下面簡單介紹該標準各層協議的主要技術內容。對用戶而言，物理層和用戶層比較重要，因為前者有關于系統安裝的若干規定，后者有關于組態的內容。
l.物理層（Physical Layer）
        物理層標準已通過多年。標準號是IECll58－2。目前已有7家公司生產出低速總線HI標準的專用芯片（ASIC），并可出售，它們是：Smar、 ShiPstar、 YOKOGAWA、Borst、Automation、Fuji、VSLI。物理層的任務是接收來自數據鏈路層數據經再加工變為電信號進行傳輸，或接受到信號后進行相反的處理并將數據送交數據鏈路層。
        物理層定義了傳送數據幀的結構，信號波形的幅度限制，以及傳輸介質、波特率。功耗和網絡拓撲結構。
 1）傳輸介質可以采用有線電纜。光纖和無線通信。目前采用有線電纜作為傳輸介質已給出標準，見ISA-SP50.02POrt。例如，使用屏蔽雙絞線：H1標準（31.25Kbps）為＃18AWG；H2標準（1MbpS）為＃22AWG；H2標準(2.5Mbps）為＃22AWG。

（2）通過有線電纜傳送信號的波特率定義了兩種速率標準：H1：31.25Kbps低速率網絡。采用H1標準，可以利用現有的有線電纜，能滿足本質安全要求和利用同一電纜向現場裝
置供電。采用H1標準在同一電纜上聯接2－6臺現場裝置，可以滿足本質安全要求。采用H1標準在同一電纜線上聯接2－12臺現場裝置，但不滿足本質安全要求。如果單獨用電纜
線供電，那么，在同一傳輸信號的電纜線上，可以聯接2－32臺的現場裝置，但不滿足本質安全要求。H2：1Mbps/2.5Mbps高速網絡。H2標準大大提高了傳輸波特率，但不能用信號線供電。
（3）H1標準最大傳輸距離為1900米（無需中繼器），最多串接四臺中繼器。H2標準在1Mbps波特率下，最大傳送距離750米；在25Mbps波特率下，最大傳送距離500米。
（4）現場總線協議支持總線型、樹型和點對點型三種拓撲結構。其中，樹形結構僅支持低速H1版本。
（5）編碼方式和報文結構。    控制設備的數據交換采用同步串行半雙工方式，設備可在同一媒體中發送和接收數據，但發送和接收過程不能同時進行。現場總線數據信號采用自時鐘Manchester編碼方式。由于數據傳輸過程是同步的，因此每幀數據無需使用起始位和停正位。在Manchester碼中，編碼時鐘和數據結
合在一起，所以上升沿代表邏輯0，下降沿代表邏輯l。每幀報文的格式由前同步符（Preamble）、首定界符（Star delimiter）、數據段和尾定界符。
（end delimiter）四部分組成（見圖 10－12）。前同步符相當于電話信號中的振鈴信號，用于喚醒接收設備，并使之與發送設備保持同步。每段報文中數據段的開頭和結尾部分由定界符標出。請注意，定界符不同于Manchester碼，它用非數據正N十和非數據負N一表示，這樣可以有效地標明數據段的范圍。前同步符和定界符由發送設備中的物理層自動加到報文中，并在接收設備的物理層中被自動去掉。
 2．數據鏈路層（Data Link Layer）
        這一層由上下兩部分組成：下層部分功能是對傳輸介質傳送的信號進行發送、接收控制；上層部分功能是對數據鏈路進行控制，保證數據傳送到指定的位置。
        在現場總線網絡中的裝置可以是主站，也可以是從站。主站有控制發送、接收數據的權力，從站僅有響應主動訪問的權力。
現場總線為實現對傳送的信號進行發送。接收控制，采用了令牌和查詢通信方式為一體的技術。在一個網絡中可以有幾個主站。初始化時，僅允許一個站處于講工作狀態。講工作狀態傳來后，主站查詢從站，并用特殊的幀結構把講工作狀態送給另一主站。
        在網絡中的裝置均要有不沖突的站地址。所有的幀中包含目標地址和源地址。
        為了滿足系統的可靠性，傳送的數據必須可靠，所以在發送站的每一幀中加了兩個字節的幀檢查序列碼（FCS）。在接收站進行解碼，可以判斷是否有錯。
         在現場總線系統有兩類信息：工作信息，背景信息。工作信息是指在裝置之間傳送的數據，例如，過程變量。背景信息是指在某裝置與操作臺之間傳送的數據，例如，組態和診斷。
總之，數據鏈路層的任務是保證數據的完整性和決定何時與誰進行對話，數據鏈路幀格式如下：
3.應用層（Application Layer）
         現場總線訪問子層FAS和現場總線報文規范FMS兩部分構成了應用層。
       現場總線訪問子層 FAS（Fieldbus Access Sublayer）提供 3類服務；發布／索?。≒ublisher subscriber），客戶機／服務器（Client /server），報告分發（Report Distribution），這 3類服務被稱為虛擬通信關系 VCR（Virtual Communication Relationships）。
       現場總線報文規范FMS（Fieldbus Messaging Specification）。FMS規定了訪問應用進程AP（Application Process）的報文格式及服務。
FMS與對象字典OD（Object Dichonny）配合，為現場設備規定了功能接口。FMS通過調用VCR，在現場設備之間傳遞報文。
 4．用戶層
        用戶層規定了標準的“功能塊”供用戶組態成為系統。利用功能塊數據結構執行數據采集、控制和輸出功能。每一個功能塊包含一種對數據進行處理的算法。用戶為每一個功能塊定義一個名稱，稱為塊標記。在同一網絡中名稱必須唯一。數據被分解成輸入、輸出和內部變量。
        利用句法、標記\參數名稱在整個現場總線網絡中尋找功能塊?，F場裝置對用戶在功能塊中讀寫的數據按預先的算法進行處理。并具有將改變了的特性下裝到整個現場總線網絡的應用層的能力。

FF規定了如下基本功能塊：模入AI；控制選擇CS；模出AO；開入DI； P、PD控制；開出DO；手動ML；PID、PI、I控制；偏置/增益BG；比率RA。它還規定了如下先進功能模塊；脈沖輸入、步進輸出PID、輸入選擇、復雜模出、裝置控制、信號特征、復雜開關出、設定值程序發生、定時、分離器、運算、模擬接口、超前滯后補償、積算、開關量接口、死區、模擬報.警、算術運算、開關量報.警等。
10.3.4 現場總線控制系統性性能分析
        在設計一個工業控制系統時，通常有4種選擇，如圖10一13所示。4種系統的部分性能對比如表10-4所示。
由表10一4可見，采用開放的軟件及網絡技術豐富。價格低廉的PC機加上現場總線技術構成的系統具有性能好而價格低的優點，將在今后的競爭中逐步取得更大的優勢?，F場總線控制系統的優越性是無可置疑的，它的核心是現場總線，現場總線技術的出現，將使傳統的自動控制系統產生革命性的變革。自動化領域這場變革的深度和廣度將超過歷史上任何一次變革，必將開創自動控制的新紀元，因此現場總線被稱為21世紀工業控制網絡標準。