張 博 吳 珂 陳朝東 馬世海 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

FFH1現(xiàn)場(chǎng)總線通信研究

張 博 吳 珂 陳朝東 馬世海 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

為了研究基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF H1)的底層通信，分析了理論編碼波形和編碼規(guī)則；基于DeltaV系統(tǒng)構(gòu)建FF H1網(wǎng)段，研究網(wǎng)段的實(shí)際通信情況，給出并評(píng)價(jià)網(wǎng)段的不平衡度、噪聲、畸變和信號(hào)幅值；比較了不同電纜長度下網(wǎng)段的通信情況。實(shí)驗(yàn)表明：FF H1總線在長距離傳輸?shù)目垢蓴_能力較強(qiáng)，信號(hào)幅值隨電纜長度增加而衰減；關(guān)于終端電阻對(duì)H1總線的影響，在拔出終端電阻后，信號(hào)幅值和波形畸變明顯增大，信號(hào)幅值超出了允許的調(diào)制范圍。

通信評(píng)價(jià)指標(biāo) 核燃料后處理 FF H1 曼徹斯特編碼 噪聲 畸變 信號(hào)幅值

擬建的大型核燃料后處理廠規(guī)模巨大，預(yù)計(jì)測(cè)控點(diǎn)數(shù)將達(dá)到十萬點(diǎn)。隨著現(xiàn)代化工廠對(duì)管控一體化要求的不斷提高，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為工控領(lǐng)域技術(shù)的重大變革，已在大型石化項(xiàng)目中成功應(yīng)用，這種“信息集中、控制分散”的技術(shù)正符合現(xiàn)代大型核燃料后處理廠的要求。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(Foundation Fieldbus，F(xiàn)F)是過程控制領(lǐng)域最具有代表性的總線類型，作為全分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，它具有全數(shù)字化、多點(diǎn)通信及開放性等多項(xiàng)特征[1]，完成對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程各個(gè)參數(shù)的測(cè)量、信號(hào)變送、控制、顯示及計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的檢測(cè)、調(diào)節(jié)和監(jiān)視?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分為高速(HSE)和低速(H1)兩種類型，均被IEC 61158第4版現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)所采納[2]。其中H1總線工作在生產(chǎn)一線環(huán)境，可以工作在易燃易爆生產(chǎn)環(huán)境[3]，還能在傳輸通信數(shù)據(jù)的同時(shí)為總線上的所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。與過程控制領(lǐng)域占有率同樣較高的Profibus PA總線相比，H1總線嚴(yán)格按照預(yù)定義的調(diào)度時(shí)間表執(zhí)行周期性的通信活動(dòng)，更適用于具有嚴(yán)格實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)合[4]。

為提出更合理的且適用于大型核燃料后處理廠的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)解決方案，在選定FF總線的基礎(chǔ)上，針對(duì)FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線底層的通信編碼、通信評(píng)價(jià)指標(biāo)、終端電阻及電纜長度等內(nèi)容開展相關(guān)研究。

1 FF H1總線的編碼波形①

FF H1的通信速率為31.25kbit/s，總線攜帶協(xié)議信息的數(shù)字信號(hào)以31.25kHz的頻率、0.75～1.00V的電壓幅值加載到9～32V的直流供電電壓上，形成現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)波形。H1總線使用曼徹斯特編碼技術(shù)，這種信號(hào)被稱為同步串行信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是編碼中隱含了同步時(shí)鐘信號(hào)。圖1給出了H1總線的幾種理論編碼波形，一個(gè)時(shí)鐘周期中間時(shí)刻由高電平跳變?yōu)榈碗娖奖硎?，由低電平跳變?yōu)楦唠娖奖硎?，時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平為N+碼，保持低電平為N-碼。N+和N-碼是特殊編碼，僅出現(xiàn)在幀前定界碼和幀結(jié)束碼中。

圖1 FF H1總線的幾種理論編碼波形

FF H1總線信號(hào)編碼規(guī)則如圖2所示。其中前導(dǎo)碼(*表示前導(dǎo)碼可多于1Byte)、幀前定界碼和幀結(jié)束碼都是由物理層電路生成并加載到物理信號(hào)上的。

圖2 FF H1總線的信號(hào)編碼規(guī)則

2 FF H1總線通信實(shí)際編碼分析與評(píng)價(jià)

在實(shí)際的總線通信過程中，其編碼波形不可能像理論波形那樣平滑清晰。為了分析并評(píng)價(jià)FF H1總線的實(shí)際信號(hào)，建立一個(gè)包括一臺(tái)鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS)和8臺(tái)FF總線智能設(shè)備的H1總線，控制系統(tǒng)為DeltaV系統(tǒng)，其中LAS為控制系統(tǒng)的H1總線接口卡。LAS[5]的地址為16，其余8臺(tái)設(shè)備地址分別為20、29、30、31、32、33、34和35。電纜為A類[6](AWG18，截面積為0.8mm2)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹形，終端電阻分別集成于H1卡和總線接線盒中。

2.1編碼波形分析

圖3為實(shí)驗(yàn)中主干電纜為150m(各分支電纜長度均小于5m)的H1總線的LAS向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼波形(起始部分)。可以看出，編碼起始時(shí)帶有2Byte前導(dǎo)碼，1Byte幀前定界碼，其值與理論編碼完全一致。而后進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈路層DLL協(xié)議控制編碼區(qū)域，表1為數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元DLPDU的種類和幀控制信息格式，實(shí)驗(yàn)編碼對(duì)應(yīng)的幀控制字節(jié)為“11010011”，查表可得為數(shù)據(jù)幀1(DT1)。其中LFPP為“0011”，L為0表示數(shù)據(jù)地址是短地址，F(xiàn)為0指明H1卡不是令牌的最后用戶，PP表明了DLPDU和傳遞令牌的優(yōu)先級(jí)。類似地，可以通過查詢總線訪問子層FAS-PDU和現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范層FMS-PDU得出實(shí)驗(yàn)編碼對(duì)應(yīng)的信息。

圖3 某H1總線LAS編碼波形起始部分表1 DLPDU的種類和幀控制信息格式(部分)

DLPDU類別符號(hào)幀控制字節(jié)目的地址源地址第2源地址建立連接EC11111LF004位二進(jìn)制數(shù)4位二進(jìn)制數(shù)4位二進(jìn)制數(shù)數(shù)據(jù)幀1DT11101LFPP4位二進(jìn)制數(shù)4位二進(jìn)制數(shù)-返回令牌RT00111100---

2.2通信評(píng)價(jià)

針對(duì)FF H1底層的評(píng)價(jià)指標(biāo)有不平衡度、噪聲、畸變和信號(hào)幅值(表2)。其中不平衡度針對(duì)整條總線，是指總線上不同設(shè)備通信波形的不平衡性；其余3個(gè)指標(biāo)針對(duì)具體某個(gè)設(shè)備。噪聲指原信號(hào)中并不存在的無規(guī)則的額外信息，畸變指信號(hào)波形相對(duì)理論波形的失真程度，信號(hào)幅值指編碼的峰值電壓。

表2 總線底層信號(hào)評(píng)價(jià)參考值

針對(duì)圖3的LAS在總線上發(fā)出的通信波形評(píng)價(jià)見表3。整條H1總線的通信波形評(píng)價(jià)見表4?？梢?，構(gòu)建的H1網(wǎng)段的各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍之內(nèi)。

表3 LAS信號(hào)評(píng)價(jià)

表4 H1總線信號(hào)評(píng)價(jià)

2.3電纜長度對(duì)通信的影響

圖4給出了電纜長度由150m增加至1km，地址為31的儀表LT-2005的通信波形。在不同電纜長度下的該儀表通信的各項(xiàng)指標(biāo)見表5，整條網(wǎng)段的不平衡度指標(biāo)均為-2%。

圖4 電纜長度1km時(shí)LT-2005的波形表5 不同電纜長度下LT-2005的各項(xiàng)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)電纜150m長電纜500m長電纜1km長最小值最大值最小值最大值最小值最大值噪聲/mV101510151015畸變/μs0.91.20.91.20.91.3信號(hào)幅值/mV805807726730635641

隨著電纜長度不斷增加，整條網(wǎng)段的不平衡度以及LT-2005信號(hào)噪聲、畸變并未發(fā)生明顯變化。為進(jìn)一步說明問題，在進(jìn)行各種電纜長度實(shí)驗(yàn)時(shí)，持續(xù)施加電磁干擾(電鉆)，不平衡度、噪聲、畸變值均未因增加電磁干擾而變化；電纜越長，信號(hào)幅值越小，且波動(dòng)增加，但1km長度時(shí)幅值依然處于表2規(guī)定的正常范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H1總線在長距離傳輸?shù)目垢蓴_能力強(qiáng)，信號(hào)幅值隨電纜長度增加而衰減。

2.4終端電阻對(duì)通信的影響

終端電阻的作用是防止傳輸信號(hào)失真和總線兩端產(chǎn)生信號(hào)波反射。選用地址為31的FF總線智能儀表實(shí)驗(yàn)，配置終端電阻與拔出終端電阻的波形對(duì)比如圖5所示，信號(hào)評(píng)價(jià)對(duì)比列入表6。

圖5 配置和拔出終端電阻的波形對(duì)比表6 配置終端電阻與拔出終端電阻的信號(hào)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)指標(biāo)配置終端電阻拔出終端電阻最小值最大值最小值最大值噪聲/mV10152039畸變/μs0.91.21.31.6信號(hào)幅值/mV80580715881594

當(dāng)拔掉末端(總線接線盒內(nèi))終端電阻后，信號(hào)噪聲和波形畸變明顯增大。但據(jù)表2數(shù)據(jù)，兩值依然在可以接受的范圍內(nèi)；然而信號(hào)幅值已經(jīng)由正常情況下的805～807mV，增大到了1 588～1 594mV，且出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，幅值已經(jīng)大幅超出基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線允許的信號(hào)調(diào)制范圍，這顯然是不能被接受的。因此，在FF H1總線的實(shí)際應(yīng)用中，終端電阻(終端器)必須嚴(yán)格安裝，否則將導(dǎo)致信號(hào)異常。

3 結(jié)束語

FF H1總線采用基于曼徹斯特編碼的數(shù)字信號(hào)通信，其實(shí)際編碼波形與理論波形相比，存在不平衡度、噪聲、畸變及信號(hào)幅值變化等影響因素。筆者構(gòu)建的150m長、8臺(tái)FF設(shè)備的H1總線各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，隨著電纜長度的不斷增加，信號(hào)幅值不斷減小，不平衡度、噪聲及畸變等指標(biāo)未見明顯變化。終端電阻必須在總線兩端設(shè)置，否則各項(xiàng)指標(biāo)將變差，信號(hào)幅值會(huì)嚴(yán)重偏離正常值。

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[2] 繆學(xué)勤.20種類型現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)入IEC61158第四版國際標(biāo)準(zhǔn)[J].自動(dòng)化儀表,2007,28(z1):25～29.

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StudyonFFH1CommunicationPerformance

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

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

TH862+.7

A

1000-3932(2016)12-1306-05

2016-09-12(修改稿)

國家科技重大專項(xiàng)——大型核燃料后處理廠關(guān)鍵工程技術(shù)方案研究(2010ZX06201-01)