FF现场总线使用说明书.docx

1、FF现场总线使用说明书 FF现场总线使用说明书1 引言FF是基于WorldFip North American (FIP)和InterOperable System Project(ISP)的共同利益 ,而在1994年合并而成的。1995年 ,WorldFip欧洲部分也加入了FF。FF总线由低速(H1)和高速(HSE，High Speed Ethernet)两部分组成。低速H1部分将ISO/OSI七层参考模型结构简化为物理层、数据链路层、应用层，再加上用户层 ,形成四层结构。同时，为了适应以太网技术的发展，现场总线基金会放弃了其原来规划的H2高速总线标准 ,并于2000年3月29日公布了基于E

2、thernet的高速总线技术规范(HSE1.0版)。HSE充分利用低成本的以太网技术，以 100M bit/s到1G bit/s或更高的速度运行，它主要用于制造业 (离散控制 )自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等高速的现场总线网段的互连。本手册是组态实验室现场总线系统组态的使用说明书，内容包括了使用组态软件，组态一个典型的DEMO现场总线的详细过程。2 实验室包含的现场总线设备本现场总线实验室是一个典型现场总线控制系统的配置，设备清单如表1所示： 表1 实验室现场总线设备No产品名称型号数量分布式现场总线接口DFI3021背板DF112背板终端DF213背板电源DF5014CPUDF511

3、5现场总线电源DF5216现场总线电源阻抗匹配器DF4917现场总线终端器BT30228现场总线重复器DF4819现场总线安全栅DF47110现场总线(FF)压力变送器LD302-D21I-BU10-00/3Y/I1111现场总线(FF)温度变送器TT302-10-A/3Y/I1112电流到现场总线(FF)转换器IF302-10-A/3Y/I1113现场总线(FF)到电流转换器FI302-10-A/3Y/I1114现场总线阀门定位器FY302-11-043/2Y/J1(BFY302-22C)115人机界面软件Genesis116系统组态软件SYSCON302-2117总线组态软件DFI302-

4、SVR-2118压力、温度装置(含调节阀、开关、压力仪表及自制费用等)现场总线网络主要由现场总线设备、总线供电电源、终端器、电缆、中继器、网关、网桥、现场总线接口和端子块等部件构成。现场总线网络上连接的现场总线设备有两种:一种是总线供电式现场设备，它需要从总线上获取工作电源，总线供电电源就是为这种设备准备的；另一种是单独供电的现场设备，它不需要从总线上获取其工作电源。常用的现场总线设备有温度变送器、压力(差压)变送器、流量变送器、液位变送器和调节阀等。这些现场设备不仅有信号变换功能，而且还有组态运算及控制功能。 终端器是连接在总线末端或末端附近的阻抗匹配元件。每个总线段上需要两个，而且只能有两

5、个终端器。终端器采用反射波原理使信号变形最小，它所起到的作用是保护信号，使它少受衰减与畸变。有时，将终端器电路内置在电源、安全栅、PC接口卡和端子排内。在安装前要了解清楚是否某个设备已有终端器，避免重复使用，影响总线的数据传输。低速现场总线电缆的通信速率为31.25KB/s，传输介质为双绞线，传输距离与传输电缆类型的关系如表2所示。 表2 传输电缆类型及最大传输距离电缆类型电缆说明规格(mm2)最大距离(m)A单对双绞线屏蔽0.801900B多对双绞线屏蔽0.321200C多对双绞线不屏蔽0.13400D多芯非双绞线屏蔽1.25200由表5-1可知，首选的现场总线电缆是A型，一般用于新的装置；

6、替代首选的现场总线电缆是B型，一般用于新的或改造的装置；不推荐使用的现场总线电缆是C和D型。其他类型的电缆也可以在FCS中使用，如对于改造的系统或装置，也可使用已敷设的电缆替代。 总线电源为总线供电的现场总线设备提供电源 ,总线电源分为131型 (为给安全栅供电的非本安电源 )、132型(为普通非本安电源 ,输出电压最大值为直流32V)和133型(本安电源)。 中继器是一台总线供电或非总线供电设备 ,它用于扩展现场总线网络。现场总线网络上任意两台设备之间最多可以使用4台中继器 ,使用4台中继器时 ,网络中两个设备间的最大距离可达9500m(A型电缆)。网桥是一台总线供电设备或非总线供电设备 ,

7、用于连接不同速率的现场总线段或不同物理层 ,如金属线、光纤等现场总线网段 ,以便形成更大的网络。网关是总线供电或非总线供电设备 ,用于将现场总线的网段连向其他通信协议的网段。现场总线接口用于现场总线与操作站(PC机)的连接。端子块通常提供多台总线设备的连接 ,所以一个设备可以接到任何一组总线端子上。有了专为现场总线设计的端子块 ,使网络布线容易多了。本系统由两个部分组成，其中，两个LD302压力变送器和FY302构成压力控制系统，两个TT302温度变送器和FI302构成温度控制系统,这两个系统构成现场总线的H1网段。H1系统通过DF51网关与上位机相连。3 知识准备为了更好、更快的完成组态，建

8、议使用者首先准备并深入理解以下基础知识：3.1 现场总线的基础知识。现场总线控制系统(FCS,Fieldbus Control System)是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后，产生的新一带全分布式网络控制系统。现场总线控制系统是控制学科吸收网络、通信、信息技术的优点，在DCS基础上发展起来的。 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。现场总线系统由于采用了智

9、能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，同时又为多个设备提供电源；现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。3.2 组态的基础知识。“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（distribut

10、ed control system,DCS的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。由于每一套DCS都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中，为了使用户在不需要编代码程序的情况下，便可生成适合自己需要的应用系统，每个DCS厂商在 DCS中都预装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实际上就是组态软件，但一直没有人给出明确定义，只是将使用这种应用软件设计生成目标应用系统的过程称为“组态（configure）”组态的概念最早来自英文configuretion，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的

11、。监控组态软件是面向监控与数据采集（supervisory control and data acquisition,SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方法灵活，功能强大。监控软件最早出现时，HMI（human machine interface）或MMI(man machine interface)是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组软件的主要目的是使使用者

12、在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本要求，并加以总结提炼，重点、集中解决共性问题。下面是组态软件主要解决的问题:如何与采集、控制设备间进行数据交换；使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；处理数据报警及系统报警；存储历史数据并支持历史数据的查询； 各类报表的生成和打印输出；为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；最终生成的应用系统运行稳定可靠；具有与第三方程序的接口，方便数据共享。自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象（如发应罐、温度计、

13、锅炉、趋势曲线、报表等）形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的I/O设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化。若要对应用系统进行修改，也十分简单，这就是组态软件的方便性。3.3 控制系统的基本知识。3.4 FF现场总线的两个个重要概念：设备描述(Device Description, DD)和功能块(Function Block)。DD是属于FF的报文规范层(FMS ,Fieldbus Message Speciafication)的一个内容。在每次组态设备之前，必须确认是否安装该设备的设备描

14、述语言。SYSTEM 302系统可以很方便的安装新设备的DD。在安装目录的Device Support下建立该设备的活页夹，按照厂家提供的手册，添加该设备的Manufacturer ID、Device Type、EJA Device Type信息，同时Standart.inr文件的Manufacturer By ID部分添加给设备的ID即可。DD由设备生产厂家或者现场总线基金会提供，现场总线基金会将标准DD做在CD-ROM中，用户可以从现场总线基金会得到DD的光盘。用户还可以从设备供应商处得到扩充的DD，或者在供应商将扩充的DD向现场总线基金会登记后，从现场总线基金会得到扩充的DD。由于本系统

15、的设备是Smar公司通过基金会现场总线一致性测试的设备，DD都已经安装，不需要重复这项工作。功能模块(FUNCTION BLOCK,FB)。功能快应用进程位于FF总线通信模型的最高层用户层。FF用户层协议将实现控制系统所需的各种功能封装为通用的模块结构，并定义它们的输入、输出、算法、事件及控制图等内容，从而形成了功能模块FB。功能块FB技术是FF现场总线实现分布式控制的一项重要手段。在传统的DCS中，控制功能主要在工作站实现，不能真正实现分散控制。在FF现场总线中，FCS废弃了DCS的输入/输出单元和工作站，把DCS的工作站的功能块分配给现场仪表，构成虚拟工作站。FF的功能块可以供用户自由选择

16、，可统一组态，构成所需的的控制系统，并且实现了彻底的分散控制。另外，基金会现场总线使用标准功能块完成控制策略。功能块是标准的自动化函数。许多控制系统功能块，诸如模拟输入、模拟输出、PID控制等功能都可以通过使用功能块由现场设备完成。例如，一台简单的温度变送器可包含一个AI功能块，一台控制阀可包含一个PID功能块和预期的AO块。这样，一个完整的控制回路可以仅用一台简单的变送器和一台控制阀来构成。以模块为基础，设计一致的功能块，还可使来自不同厂家的设备可以无缝的集成在一起。现场总线基金会把功能块FB主要分成了三类：资源块(Resource Block)、转换块(Transducer Block)、

17、功能块FB(Function Block)。资源块描述了诸如设备名、生产厂家和序号等的现场总线设备特征。一台设备只有一个资源块。转换块把功能块从读传感器和命令输出硬件的本地输入/输出的功能分开。它们还包含标定日期和传感器类型等信息。每个输入或输出功能块通常就是一个转换块。功能块提供了控制系统行为。功能块的输入和输出可通过现场总线相连接。每个功能块的执行被精确地调度。在一个用户应用中可以有多个功能块。现场总线基金会定义了十个标准化的基本控制用功能块和19个附加的先进控制用标准功能块。4 现场总线系统的组态现场总线的组态由策略组态、界面组态、系统调试几部分组成。完成这几个步骤就可以进行服务器端现场

18、总线计算机监控。为了更深层次应用，还可以进行进行C/S模式的监控程序设计，这就需要设计DDE接口及现场总线组态软件与其它组态软件的通信软件设计。系统的组态使用Smar公司推出的SYSTEM 302系统。SYSTEM 302是一套完整的现场总线控制方案，采用现场总线、Windows 和OPC 等先进技术，真正基于现场设备，系统可以处理各种信号，进行连续控制，离散逻辑控制和批处理控制，支持通过了基金会验证设的备互操作性，真正的实现了分布式控制。 SYSTEM302控制系统软件分为两个层次：(1)Syscon：它是经过FF认证的组态软件，能够对不同公司符合FF标准的现场总线设备进行组态，以实现控制策

19、略的现场总线组态软件，可以通过PC机对现场总线设备进行控制策略的组态、维护和操作。可在线分配工位号及调整参数，可队现场设备进行进行预见性维护(在线诊断、量程修改及零点校正等工作)。(2)AIMAX：它是用来进行人机界面组态。该软件功能强大，组态简单。所有检测参数在这些流程图的工艺设备图框上动态显示，控制方案也在流程图上体现，提供给操作员比较直观方便的操作界面。同时提供历史趋势、多种打印报表。操作员通过防水专用薄膜操作键盘和鼠标，可以对画面和控制回路进行操作。4.1 策略组态策略组态的步骤如下：(1)新建工程。在文件菜单中选择“New”或在工具条中点击“New”按钮来创建一个新工程(New/Pr

20、ojects) ，出现图1文件对话框。 在文件框中输入工程名，然后点击保存。一个以工程名为名称以“.ffp”为扩展名的新文件将被建立。一个包含一个“Area 1”（逻辑工作区）和一个“Fieldbus Network”（物理工作区）图标的窗口将显示出来，如图2所示。 (2)建立物理设备工程。在主窗口，用右键点击“Fieldbus Network”图标。选择“New Fieldbus”选项，即创建了一个新物理总线，如图3所示，命名为DFI 263。(3)添加现场总线设备。用鼠标右键点击“DFI 263”图标，选择“Expand”选项。将显示一个新的窗口。现在可以加入工程中将用到的设备。首先必须加

21、入网桥DFI302。在DFI 263窗口中，用鼠标右键点击DFI 263图标。选择New Bridge项，如图4所示，同时出现图5所示对话框。按照图5选择合适的生产厂家(Manufacture,此处是Smar公司)、设备类型(Device Type,此处是DFI 302网关)，位号(Device Tag,笔者设为DFI 263)及Upstream Port(该参数与DF51网关使用的H1总线的网段有关，由于本总线系统的总线是利用DF51的H1-1网段，所以Upstream Port的值选“1”)。接着，添加一些现场总线仪表。此处以压力变送器（LD302）为例子说明。在“DFI 263”窗口中，

22、用鼠标右键点击DFI 263，选择“New Device”，如图6 所示，随后会出现图7所示对话框，按图7设置生产厂家、设备类型、设备位号。然后、为设备添加功能块。点击仪表左侧的+号，然后用鼠标右键选择“FB VFD”， 再选择“New Block”项，如图8所示，此处是添加资源功能块，所以Resource Type选“Resource Block” 位号为LD302_F7122_RES。添加其它功能快操作步骤一样，不过要注意合理选择功能块类型及位号，例如，添加转换块时，功能块类型要选“Transducer”；添加AI功能块时，功能块类型选“Analog Input”；按需要为为LD302添加

23、资源块(Resource)、转换块(Transducer)、模拟输入功能块(Analog Input)。在SYSTEM 302中，资源块RES、转换块TRS、显示块DSP是每个设备都必须的功能块。 功能块添加完毕以后要为每个功能块设置组态参数。此处以LD302_F7122_RES功能块为例子说明方法。双击需要设置参数的功能块，出现图9所示的界面。 选定需设置的参数，此处选定了“MODE_BLK的TARGET”参数，单击“Edit”按钮， 此时出现图10所示的界面，选定或填写设定的控制参数，按“End Edit”，完成该参数的设置。按照同样的办法，设定其它参数。 至此，一个现场总线设备添加完毕。

24、按照上述过程添加其它设备，为每个设备添加相应的功能块，设置相应的参数，本DEMO系统中功能块及参数设置详见附录，详细的功能块的功能及参数含义请参见各仪表的使用手册Configuration节及FUNCTION BLOCKS INSTRUCTION MANUAL相应的功能块的说明。(4)创建新的Areas（逻辑工作区）。选定Areas，单击右键，“New Process Cell”，如图11所示，出现图12，此时，在图12中双击“Process Cell”，出现图13所示的界面，然后，在按照图14，“New Control Module”,新的Control Module就是我们将要组态的控制策

25、略。打开新的Control及已经添加的功能块如图15所示，把图15左端的功能块按照需要用鼠标拖动到右边的Control Module中，例如，笔者首先是要组态一个单回路温度PID控制，就只需要拖动FI302_E1757_AO、FI302_E1757_PID、TT302_B4311_AI。然后，使Link工具栏处于选定状态，点击需要连线的起始功能块，出现图16所示界面，用鼠标点击“out”，完成策略连线的出发点设置。继续用鼠标点击该连线的目标功能块，也会出现如图16所示的界面，按照选择起点的办法，选择该连接线的终点，完成控制策略的第一条连线。按照同样的办法，连接其它功能块，直到控制策略如图17所

26、示。此时，我们已经完成了一个PID控制策略的离线组态。按照上述步骤，我们还可以组态如串级等各种控制策略。详细内容请参见FUNCTION BLOCKS INSTRUCTION MANUAL。(5) 软件通信、下载及在线监控。选定Fieldbus Networks中的一个网段，也就是图19中Demo窗口的“Fieldbus”网段图标,双击，出现图19的Fieldbus窗口，在该窗口中显示当前网段的所有设备列表。点击工具栏中的按钮，完成上位机与现场设备之间的通信。通信完成后点击Communication菜单中的Download选项，把软件下载到现场总线仪表中。下载完成后，仪表即开始工作。断电后软件仍

27、然保留在仪表中。特别注意，必须要等到所有设备与上位机完成通信后才能下载控制策略。在现场调试过程中通常会出现不能找到现场设备的情况，也就是图19的Fieldbus窗口的设备上会出现红色的“”符号，Fieldbus窗口快捷键的“Live List” 菜单会显示现场已经找到的设备列表。如果，不能找到现场设备，按照下述方法进行：A 再次，点击工具栏中的按钮，进行重新通信，一般在5分钟左右，现场总线的各设备会被Syscon软件找到。B 如果不成功，检查硬件线路，具体接法参加USERS MANUAL DFI 302及各仪表的接线方法使用说明书。检查设备。运行Syscon，在线观察各现场设备通讯状态是否良好

28、(设备图标是实、虚还是没有)，相应检查设备的外部连线及现场总线终端电阻BT的位置(必须在每条总线的最远端)及连接状况，如果问题还没有得到解决，则检查现场设备的表头，若显示错误，则用供应商提供的两把磁性螺丝刀插入该设备的两个调节小孔，通断电一次，重新分配位号，并对其所在的总线进行重新下装。C 如果依然不成功，利用SYSTEM302 的FBTOOLS Wizard，对网关的固件重新下载。注意，如果要重新下载固件必须要先使DF51处于HOLD状态，由于按照图20所示，网关处于RUN状态，单击HOLD按钮，DF51便会进入HOLD状态，DF51的HOLD指示灯变蓝，RUN指示灯变灰(黄色)。再次进入该

29、界面的时候，点击BUOUSE选择需要下载的固件版本，按要求操作下载固件。 一般情况下，重新下载固件与磁性螺丝刀插入该设备的两个调节小孔初始化设备两种方法配合，能够找到网络设备。D 如果还不能成功，只能采取把各设备从现场总线上卸下来，按由近到远的原则，逐步接入现场设备，逐个寻找。在实际操作过程中，必须注意以上各个方法的配合使用。E 检查位号与量程。在人机界面上检查各点位号与现场是否一致，如不一致，则作出相应的修改，在Syscon中检查个设备饿量程是否符合实际要求。检查PID的作用方式和调节阀的动作方向。根据实际情况设置PID的作用方式和调节阀的动作方向，如不符合要求及时更正，并将每一控制回路的输

30、入设为手操，连续设置一定值，以检测该回路能否正确动作。(6) 首先完成通信，然后使控制策略组态图窗口为当前窗口，点击“On Line Monitoring”工具栏，即可看到数据显示,如21所示。即进入在线修改对话框，选择所需修改的参数进行修改，修改完后点击Edit或按回车键。见下图：如要实现参数在线修改，进入CANAL_00窗口，右键点击所需修改模块，选择“On Line Characterization”，见图22：即进入在线修改对话框，选择所需修改的参数进行修改，修改完后点击Edit或按回车键。见图23：4.2 AIMAX FOR WINDOWS V4.1 软件设计4.2.1 流程图及数据

31、库组态4.2.1.1流程图形绘制 在AIMAX的Graphic Builder窗口中Draw菜单下有4种简单图形对象：线、填充体、文本、按钮等。其中线又包括多种类型，如垂直水平线、多折线等等；填充体也包括多种类型，如矩形，多边形等等。这些简单图形对象具有各种影响其外观的属性。这些属性包括线色、填充色、高度、宽度、方向等等。属性可以是动态的或静态的。静态属性在图形界面运行程序View运行期间不能更改。而动态属性则可以将属性值与变量或表达式相连，在View运行期间动态改变。比如一个填充体的填充颜色就可以与一个表达式相连。完成的流程图24，以两种文件名“Main.wdf”和“Main.cfg”保存。4.2.1.2 创建新点。 首先进入AIMAX的Database Configuration Manager窗口，设置硬件连接关系图，由于现场总线系统网络是“总线型”的，所以6块表都必须与OPC口相连，如下图25： 双击一块表（以Unit 2 为例