FF H1现场总线通信研究

2016-11-22陈朝东马世海李晓薇

化工自动化及仪表 2016年12期

关键词：畸变总线幅值

张博吴珂陈朝东马世海李晓薇

(中国核电工程有限公司电仪所，北京 100840)

FFH1现场总线通信研究

张博吴珂陈朝东马世海李晓薇

(中国核电工程有限公司电仪所，北京 100840)

为了研究基金会现场总线(FF H1)的底层通信，分析了理论编码波形和编码规则；基于DeltaV系统构建FF H1网段，研究网段的实际通信情况，给出并评价网段的不平衡度、噪声、畸变和信号幅值；比较了不同电缆长度下网段的通信情况。实验表明：FF H1总线在长距离传输的抗干扰能力较强，信号幅值随电缆长度增加而衰减；关于终端电阻对H1总线的影响，在拔出终端电阻后，信号幅值和波形畸变明显增大，信号幅值超出了允许的调制范围。

通信评价指标核燃料后处理 FF H1 曼彻斯特编码噪声畸变信号幅值

拟建的大型核燃料后处理厂规模巨大，预计测控点数将达到十万点。随着现代化工厂对管控一体化要求的不断提高，现场总线技术作为工控领域技术的重大变革，已在大型石化项目中成功应用，这种“信息集中、控制分散”的技术正符合现代大型核燃料后处理厂的要求。

基金会现场总线(Foundation Fieldbus，FF)是过程控制领域最具有代表性的总线类型，作为全分布式自动化系统，它具有全数字化、多点通信及开放性等多项特征[1]，完成对工业生产过程各个参数的测量、信号变送、控制、显示及计算等，实现对生产过程的检测、调节和监视。基金会现场总线分为高速(HSE)和低速(H1)两种类型，均被IEC 61158第4版现场总线标准所采纳[2]。其中H1总线工作在生产一线环境，可以工作在易燃易爆生产环境[3]，还能在传输通信数据的同时为总线上的所有现场设备提供工作电源。与过程控制领域占有率同样较高的Profibus PA总线相比，H1总线严格按照预定义的调度时间表执行周期性的通信活动，更适用于具有严格实时性要求的场合[4]。

为提出更合理的且适用于大型核燃料后处理厂的现场总线控制系统解决方案，在选定FF总线的基础上，针对FF H1现场总线底层的通信编码、通信评价指标、终端电阻及电缆长度等内容开展相关研究。

1 FF H1总线的编码波形①

FF H1的通信速率为31.25kbit/s，总线携带协议信息的数字信号以31.25kHz的频率、0.75～1.00V的电压幅值加载到9～32V的直流供电电压上，形成现场总线的信号波形。H1总线使用曼彻斯特编码技术，这种信号被称为同步串行信号，其优点是编码中隐含了同步时钟信号。图1给出了H1总线的几种理论编码波形，一个时钟周期中间时刻由高电平跳变为低电平表示1，由低电平跳变为高电平表示0，时钟周期内保持高电平为N+码，保持低电平为N-码。N+和N-码是特殊编码，仅出现在帧前定界码和帧结束码中。

图1 FF H1总线的几种理论编码波形

FF H1总线信号编码规则如图2所示。其中前导码(*表示前导码可多于1Byte)、帧前定界码和帧结束码都是由物理层电路生成并加载到物理信号上的。

图2 FF H1总线的信号编码规则

2 FF H1总线通信实际编码分析与评价

在实际的总线通信过程中，其编码波形不可能像理论波形那样平滑清晰。为了分析并评价FF H1总线的实际信号，建立一个包括一台链路活动调度器(LAS)和8台FF总线智能设备的H1总线，控制系统为DeltaV系统，其中LAS为控制系统的H1总线接口卡。LAS[5]的地址为16，其余8台设备地址分别为20、29、30、31、32、33、34和35。电缆为A类[6](AWG18，截面积为0.8mm2)，拓扑结构为树形，终端电阻分别集成于H1卡和总线接线盒中。

2.1编码波形分析

图3为实验中主干电缆为150m(各分支电缆长度均小于5m)的H1总线的LAS向总线发送数据的编码波形(起始部分)。可以看出，编码起始时带有2Byte前导码，1Byte帧前定界码，其值与理论编码完全一致。而后进入数据链路层DLL协议控制编码区域，表1为数据链路协议数据单元DLPDU的种类和帧控制信息格式，实验编码对应的帧控制字节为“11010011”，查表可得为数据帧1(DT1)。其中LFPP为“0011”，L为0表示数据地址是短地址，F为0指明H1卡不是令牌的最后用户，PP表明了DLPDU和传递令牌的优先级。类似地，可以通过查询总线访问子层FAS-PDU和现场总线报文规范层FMS-PDU得出实验编码对应的信息。

图3 某H1总线LAS编码波形起始部分表1 DLPDU的种类和帧控制信息格式(部分)

DLPDU类别符号帧控制字节目的地址源地址第2源地址建立连接EC11111LF004位二进制数4位二进制数4位二进制数数据帧1DT11101LFPP4位二进制数4位二进制数-返回令牌RT00111100---

2.2通信评价

针对FF H1底层的评价指标有不平衡度、噪声、畸变和信号幅值(表2)。其中不平衡度针对整条总线，是指总线上不同设备通信波形的不平衡性；其余3个指标针对具体某个设备。噪声指原信号中并不存在的无规则的额外信息，畸变指信号波形相对理论波形的失真程度，信号幅值指编码的峰值电压。

表2 总线底层信号评价参考值

针对图3的LAS在总线上发出的通信波形评价见表3。整条H1总线的通信波形评价见表4。可见，构建的H1网段的各项指标均在正常范围之内。

表3 LAS信号评价

表4 H1总线信号评价

2.3电缆长度对通信的影响

图4给出了电缆长度由150m增加至1km，地址为31的仪表LT-2005的通信波形。在不同电缆长度下的该仪表通信的各项指标见表5，整条网段的不平衡度指标均为-2%。

图4 电缆长度1km时LT-2005的波形表5 不同电缆长度下LT-2005的各项指标

评价指标电缆150m长电缆500m长电缆1km长最小值最大值最小值最大值最小值最大值噪声/mV101510151015畸变/μs0.91.20.91.20.91.3信号幅值/mV805807726730635641

随着电缆长度不断增加，整条网段的不平衡度以及LT-2005信号噪声、畸变并未发生明显变化。为进一步说明问题，在进行各种电缆长度实验时，持续施加电磁干扰(电钻)，不平衡度、噪声、畸变值均未因增加电磁干扰而变化；电缆越长，信号幅值越小，且波动增加，但1km长度时幅值依然处于表2规定的正常范围内。实验结果表明，H1总线在长距离传输的抗干扰能力强，信号幅值随电缆长度增加而衰减。

2.4终端电阻对通信的影响

终端电阻的作用是防止传输信号失真和总线两端产生信号波反射。选用地址为31的FF总线智能仪表实验，配置终端电阻与拔出终端电阻的波形对比如图5所示，信号评价对比列入表6。

图5 配置和拔出终端电阻的波形对比表6 配置终端电阻与拔出终端电阻的信号评价

评价指标配置终端电阻拔出终端电阻最小值最大值最小值最大值噪声/mV10152039畸变/μs0.91.21.31.6信号幅值/mV80580715881594

当拔掉末端(总线接线盒内)终端电阻后，信号噪声和波形畸变明显增大。但据表2数据，两值依然在可以接受的范围内；然而信号幅值已经由正常情况下的805～807mV，增大到了1 588～1 594mV，且出现明显抖动，幅值已经大幅超出基金会现场总线允许的信号调制范围，这显然是不能被接受的。因此，在FF H1总线的实际应用中，终端电阻(终端器)必须严格安装，否则将导致信号异常。

3 结束语

FF H1总线采用基于曼彻斯特编码的数字信号通信，其实际编码波形与理论波形相比，存在不平衡度、噪声、畸变及信号幅值变化等影响因素。笔者构建的150m长、8台FF设备的H1总线各项指标均在正常范围内，随着电缆长度的不断增加，信号幅值不断减小，不平衡度、噪声及畸变等指标未见明显变化。终端电阻必须在总线两端设置，否则各项指标将变差，信号幅值会严重偏离正常值。

[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.

[2] 缪学勤.20种类型现场总线进入IEC61158第四版国际标准[J].自动化仪表,2007,28(z1):25～29.

[3] 欧艳新,韩兵.FF现场总线安全技术在石化厂的应用[J].化工自动化及仪表,2011,38(11):1400～1402.

[4] 周悦,于海斌,王天然,等.Profibus和FF现场总线的性能分析与评价[J].吉林大学学报(信息科学版),2004,22(4):434～437.

[5] 柴占杰.基金会现场总线仪表与系统的调试[J].化工自动化及仪表,2015,42(7):832～834.

[6] 魏华.现场总线系统通信故障诊断及常见原因分析[J].石油化工自动化,2008,44(3):50～53.

(Continued on Page 1346)

StudyonFFH1CommunicationPerformance

ZHANG Bo, WU Ke, CHEN Chao-dong, MA Shi-hai, LI Xiao-wei

(ElectricalandInstrumentInstitute,ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China)

TH862+.7

1000-3932(2016)12-1306-05