总线专题：第三讲 基金会现场总线（下）

FF物理层支持双绞线、电缆、光缆、无线等多种传输介质。目前应用较为广泛的是双胶线和电缆二种。FFH1的拓补结构见图8。

H1支持单点型、总线型、菊花链型和树型4种结构。其中总线型采用一根主干电缆，再分出多根分支电缆，每根分支上接一台现场设备；菊花链型只有主干电缆，即现场设备都接在主干电缆上；树型是主干电缆上一个端点分出多个分支。在实际应用中，上述4种类型都可混合使用。

H1总线段的主要特性参数参见表1。

表1 FFH1的特性参数

显然，在不同传输速率下，传输信号的幅度和波形与传输导线的类型、屏蔽、长度等密切相关。为了使挂接在传输导线上的所有设备都能满足工作电源，信号幅度，信号波形等方面的要求，必须对传输导线的横截面，允许的最大传输距离等做出规定。表2列出了H1传输导线的性能参数。

表2 FFH1传输导线的性能参数

3.网络设备

网络设备的类型有现场设备、电源、本质安全栅、终端器、现场总线接口及网桥等。

（1）现场设备

现场设备是连接到现场总线上并与之通信的物理实体。现场设备通常有各种工业自动化仪表的变送器（温度、压力、差压、流量等）及执行器等等。按照FF规范，现场设备按照是否用于防暴环境、是否总线供电及功耗来分类，表3列出H1现场设备的类型及编号。

表3 H1现场设备类型及编号

对于总线供电型的设备，由于受传输导线性能参数、传输电流及传输电压降等因素的影响，使得接在总线不同位置上设备从总线上得到的供电电压有所不同。按照FF规范，任何一台现场设备可接在总线的任何位置上并能正常工作，因而必须对满足设备正常工作的电压、电流范围和功耗等参数做出明确规定。表4列出了111类型现场设备的推荐参数。按照IEC61158-2的规范要求，现场设备电路开路时最大输出电压的推荐值为35V。

表4 FF111类现场设备的推荐参数

（2）电源

FF的电源分为3类

1）131型非本质安全电源，可为本质安全栅供电，输出电压取决于安全栅额定值。

2）132型非本质安全电源，不为本质安全栅供电，输出电压最大值32VDC。

3）133型本质安全电源，符合本质安全参数。

（3）本质安全栅

本质安全栅是H1的安全场所与危险场所的隔离器，符合本质安全防爆标准。

注：所谓本质安全（Intrinsic Safety）防暴标准，亦称安全火花防暴标准，是指在危险场合，虽然会产生火花，但由于能量限制在一定范围内，不足以引爆发生危险。

（4）终端器

终端器是用在传输电缆的首端和末端的阻抗匹配器，每段总线必须有2个终端器。终端器的作用是用以防止传输信号失真和总线二端产生信号波反射。终端器有外置式和内置式（即预置于设备内部）2种。

（5）中继器

中继器用于扩展现场总线网段，H1网段上的任意2台设备间最多可以使用4台中继器。也就是说，H1网段上2台设备间的最大距离是9500m（A型屏蔽双绞线）。中继器是一台有源的总线供电设备或非总线供电设备。[page]

（6）现场总线接口用于下接H1，上接局域网（Local Area Network，LAN）和操作站（见图8）。

图8 H1网络拓补结构

（7）网桥（Birdge）

网桥用于连接不同传输速率或不同传输介质的网段。网桥具有多个接口，每个接口有一个物理层实体。网桥是一台有源的总线供电设备或非总线供电设备。

4.链路活动调度器

FF的数据链路层（DLL）执行链路活动调度，提供数据传输服务和链路时间同步服务，从而保证各台现场总线设备适时地有条不紊地共享总线。其中链路活动调度器（Link Active Scheduler，LAS）是起到一条总线段调度中心的作用，是一个非常重要的设备。

（1）FF的通信设备有三类，即链路主设备（Link Master Device，LMD），基本设备（Basic Device,BD）和网桥。其中只有LMD和网桥才有可能成为LAS。

一条总线段上可以连接多种通信设备，也可以挂接多台LMD，但同时只能由一台LMD方可成为LAS，没有成为LAS的LMD将起着后备LAS的作用。图9表示了现场总线通信设备类型及构成。

图9 H1总线通信设备的类型及构成

（2）LAS的基本功能

LAS是一条H1总线段的调度中心，拥有总线上所有设备的清单及链路活动调度表。总线段上的设备只有得到LAS的许可，才能向总线上传输数据。按FF的规范规定，LAS应具有以下二种基本功能。

1）受调度通信。LAS按预定调度时间表同期性地依次发起的通信活动，称为受调度通信或周期性通信。LAS内有一张预订调度时间表，一旦到了某台设备要发送的时间，LAS就发送一个强制数据（Compel data，CD）给这台设备。基本设备收到了这个CD后，就可以向总线上发送他的信息。如图10所示，LAS发出CD（x,a），设备x收到后，设备x再发出数据链路包（Data Link Packet）DL(a)，此时设备x作为P发行者（Publisher）(见图10中的P),使设备y和z接收到报文a，此时设备y和z作为预订者S(Subscriber)见图10中的S。受调度通信一般用于设备间周期性地传送控制数据，如现场各种变送器（温度、压力、差压等）和执行器之间传送测量及控制信号。

图10受调度通信的传输方式

2）非调度通信。在预订调度时间表之外的时间，LAS向总线发出一个传递令牌（Pass Token,PT），得到这个令牌的设备才能发送信息。这样的通信方式，称为非调度通信或非周期性通信。如图11所时，LAS发出PT（z），设备z收到后，z再发出DL(M)，使设备x收到报文M。非调度通信的内容为报警/事件、维护/诊断信息、程序激活、显示信息、趋势信息和组态等。

图11非调度通信的通信方式

在生产过程控制中，报警是十分重要的，而且是随机发生的，一旦某个重要工艺参数超出正常范围，将导致事故时，必须及时采取措施以保证生产安全。这些重要的信号可根据轻重缓急事先按优先权的次序排定，以便将最重要的信号先行发出。

在过程控制中，一般将100ms作为一个基本时间段，在这一时间段中就含有调度通信及非调度通信。

5.FF目前的应用情况

到2005年3月份为止，全世界加入FF组织成员共计有338家已注册的产品有227种。在国际上共完成了50万台现场仪表和8000套系统的应用。而且近日FF也宣称TUV（在德国的全球独立的质量认证机构）通过了其安全仪表系统（Safety Instramen ted System,FF-SIS）

在中国，与英国石油（BP）公司合资在上海金山的Secco公司（90万t乙烯项目）与英国壳牌石油（shell）合资的在南海惠州的CSPC(80万t乙烯项目)均居世界级的大型项目，均采用了FF，前者已经投产；后者也将在2005年底投产。这2个项目的现场总线仪表均在1万台以上，现场总线段H1也都在3000条左右。这位FF在我国的大型项目的应用积累了经验。

6.今后的发展方向

工业以太网将深入到现场仪表层，正向着实时以太网（Real Tinie Ethernet,RTE）的方向发展。由于企业中的e网到底将可能实现，所以目前企业中呈金字塔式的信号（垂直式）的传递方式，也将向这完全扁平化（横向方式）的方向发展。