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现场基金会总线FF的通信模型、拓扑结构及工程设计

2026年03月03日 09:53:52 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：2

本文介绍现场基金会总线FF的通信模型、物理层的技术特性、拓扑结构、基于LAS的通信周期管理及现场基金会总线FF工程设计。

FF通信模型各层的结构
在FF现场总线中，通信模型中引用了OSI参考模型。

FF的通信模型只具备了OSI参考模型七层中的物理层、数据链路层和应用层三层，并根据现场总线的实际要求，把应用层划分为总线访问、总线报文规范两个子层；省去了第3层到第6层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层；此外，FF为了实现多终端环境下的交互，特别设置了OSI中未定义的第8层(用户层)；这样FF通信模型为四层结构。其中，物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。OSI参考模型和现场总线通信模型的层级结构如图所示。

物理层的技术特性
FF现场总线是以H1为基础的低带宽通信网络，分为低速通信(H1，传输速率为31.25kibit/s)和高速通信(HSE，传输速率为10~100Mbps)两种规格。

在H1公布时对高速通信(H2，传输速率为1Mibit/s和2.5Mibit/s)也做了构想，后随着技术的快速发展及互联网技术在控制网络的渗透，H2未正式推出就已显得不适应应用需求而被淘汰。

H1是现场设备、自动化系统、监视管理系统之间的数字双向多址通信网络。基本构成部件有现场总线接口、终端器、总线电源、本质安全栅、现场设备、中继器、网桥、传输介质等。

①H1的技术指标
H1的基本技术指标见表。表中所示的连接设备的数量为的数量，在工程应用中，应根据电缆长度、耗电量、防爆方式等因素来进行调整。

②终端器
与传统的直流电流信号不同，FF中的传输信号变成了交变的通信信号，因此在传输线(段)的两端需要安装终端器以匹配阻抗，在主电缆的每一端都连接一个终端器，每个现场总线网段的终端器只能为2个，回路的结构如图所示。建议现场的所有终端器都安装在接线盒中，终端器不得安装在FF设备中。现场总线终端器包括一个与100Ω电阻串联的1μF电容。需要注意的是，若部分FFI设备内置了终端器，则无须在主机端再安装终端器。
说明：当信号沿电缆传输遇到断续时，将产生反射；反射是一种噪声，并引起信号失真。

现场造成网段回路结构

③H1电缆种类和长度
现场总线协会推荐的H1电缆的种类和电缆长度见表。

上表中的电缆长度为H1网段的总电缆长度，电缆长度由主干电缆和分支电缆长度来决定。主干电缆是指总线网段上挂接设备的最长电缆路径，其他与之相连的电缆都称为分支电缆，主干电缆与分支电缆架构如图所示，主干电缆为A，分支电缆为B1、B2、B3、B4，则电缆长度

④连接设备数量与分支电缆长度的关系
连接设备数量与分支电缆长度的关系见表。每一段分支电缆的长度最长为120m，网段上的主干电缆长度和分支电缆的长度总和是受到限制的。

⑤中继器
如果现场设备间距离较长，超出规范要求的1900m时，可采用中继器延长网段长度。中继器相当于一个现场设备，添加中继器后，也意味着开始了一个新的网段，也即新增加了一条1900m的电缆。最多可连续使用4个中继器，使网段的连接长度达到9500m。中继器可以是总线供电，也可以是非总线供电的设备。使用中继器的现场总线网段如图所示。

⑥混合使用电缆类型时允许的电缆长度。可以在同一路径线上使用两种以上的电缆类型。在这种情况下，总电缆长度应按照公式Lx/Lxmax+Ly/Lymax＜1计算来确定。公式Lx/Lxmax+Ly/Lymax＜1中Lx为电缆X的长度；Ly为电缆Y的长度；Lxmax为电缆X单独使用时的允许长度；Lymax为电缆Y单独使用时的允许长度。

使用两种类型电缆的总线网段如图所示。

图中：L=1200m，Ly=170m，Lxmax=1900m，Lymax=200m。

将图中的电缆长度数值代入公式Lx/Lxmax+Ly/Lymax＜1计算，可以得出：1200/1900+170/200=1.48，计算结果大于1，需重新考虑到仪表安装位置，使其计算结果必须小于1。

⑦供电
根据现场设备类型，现场设备可从网段(总线)供电，或者外部供电(如四线制)。尽可能对现场设备均采用总线供电。电源可以像现场设备一样连接到总线上，但电源不能被计算在外围总线设备的数量中。由外部电源供电的现场总线设备应具备外部电源和现场总线信号输入之间隔离的功能。

在规划供电设计时，应考虑以下几因素：各设备的电源消耗量，设备在总线上的位置，电源在总线上的位置，各电缆的电阻值，供电电压。

⑧H1总线的本质安全防爆
H1在采用本质安全防爆和总线供电的情况下，由于电流的限制，现场设备的连接台数与不采用防爆的情况相比变少。

FF现场总线拓扑结构
FF现场总线安装时应采用树型、分支或组合拓扑结构，不推荐采用其他拓扑结构，避免采用菊花拓扑结构。各类型拓扑结构如图所示。

组合拓扑结构如图所示。

基于LAS的通信周期管理
H1上的数据交换由LAS(LinkActiveScheduler)来管理，数据的交换分为周期性(周期通信)进行和非周期性(非周期通信)进行两种。

下图表示了针对由变送器和控制阀构成的H1现场总线的LAS控制周期的示例。

现场总线功能块类型
各种类型的功能块如下所列。
①标准功能块：FF-891:FunctionBlocksPart2
AI-Analog Input模拟输入
AO-Analog Output模拟输出
B-Bias偏差
CS-Control Selector控制选择器
DI-Discrete Input离散输入
DO-Discrete Output离散输出
ML-Manual Loader手动装载
PD-Proportional/Derivative Control比例/微分控制
PID-Proportional/Integral/Derivative Control比例/积分/微分控制
RA-Ratio比值

②功能块：FF-892:FunctionBlocksPart3
Device Control设备控制
SetPoint Ramp给定值斜率
Splitter分线器
Input Selector输入选择器
Signal Characterizer信号表征器
Dead Time死区
Calculate计算
Lead/Lag超前/滞后
Arithmetic算法
Integrator积分器
Timer定时器
Analog Alarm模拟报警

③附加功能块：FF- 893:FunctionBlocksPart4
Multiple Analog Input多路模拟输入
Multiple Analog Output多路模拟输出
Multiple Discrete Input多路离散输入
Multiple Discrete Output多路离散输出
④柔性功能块(FlexibleFunctionBlocks,FFBs):FF-894(IEC1131Logic)
⑤SIF功能块：FF-895
SIF Analog Input SIF模拟输入
SIF Digital Output SIF数字输出

由标准功能块组成的几种控制系统如图所示，典型应用形式包括：输入、输出、手动控制、反馈控制、前馈控制、超驰控制、比值控制、串级控制、分程控制等。

基于现场总线的串级控制系统的示例如图所示。

FF现场总线系统工程设计
FF现场总线系统工程设计参见《Foundation Fieldbus system engineering guidelines》version3.2.1,AG-181相关内容。

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