基于FF-H1协议的核电站现场总线控制器设计与实现

俞冠中，田青旺，田 钢，臧韵菲，靳子洋

(1.国核自仪系统工程有限公司,上海 200241;2.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233)

0 引言

智慧化、智能化是核电站仪控系统的重要发展方向。提高设备的智能化程度是实现智慧核电站仪控系统的基础。智慧核电站需要大量的现场实时数据。总线型现场设备的应用，提供了状态信息、诊断信息以及历史统计数据[1-2]，便于开展核电站设备维护、性能优化、寿命评估和健康管理等工作，从而提高核电站的信息化和智能化水平。

FF-H1除了实现数字化通信外，还具有总线供电[3]、本质安全[3]、令牌总线访问机制[3]、分布式控制等特点。因此，基金会现场总线(fieldbus foundation,FF)现场设备是1种安全、可靠、实时性较强的智能设备。

目前，FF现场设备应用于核电站还存在以下技术问题：①FF现场设备与核电站控制系统存在兼容性问题[1]；②FF协议栈主要依赖国外公司(如美国的ChipStar、巴西的SMAR、日本的横河和富士等[4])的协议栈芯片或模块，自主性较差；③FF设备的使用需要专用的组态配置工具。

针对上述问题，本文提出1种使用软件方法实现FF协议栈的FF-H1控制器，并配合使用图形化的FF系统组态配置软件的方法实现基于FF-H1的核电站现场总线控制系统。FF现场设备通过FF-H1控制器接入核电站控制系统的优势在于：核电站控制系统只需增加或者更换1种输入/输出(input/utput,I/O)模块就能使用FF现场设备。本文方案具有较高的灵活性，可用于旧设施升级。使用软件实现FF协议栈的方法可以避免对专用芯片的依赖，提高自主性，降低元器件成本。

1 FF-H1概述

1994年9月，80多家厂商参与的因特网服务提供商(nternet service porider,ISP)互操作协议[4]和150多家厂商参与的世界工厂仪表协议(world factory instrumention protocol,WorldFIP)合并成立了FF,推出了1种统一的现场总线协议，即FF协议。

FF协议包括总线型FF-H1和以太网型FF-HSE 2类[5]，均被IEC 61158标准第4版所采纳[6-7]。FF-H1协议网络参考国际标准化组织/系统互联(international organization for standardization/open system connetction,ISO/OSI)通信模型。FF-H1从底至顶分为4层，分别为物理层、数据链路层、应用层以及FF协议特有的用户层。FF-H1主要用于过程控制及其自动化，传输速率为31 250 bit/s[8]。

FF-H1采用了遵循 IEC 61158-2标准的两线信号传输方式，允许采用2种现场总线设备供电方式，即外部电源供电和总线供电。总线供电方式要求总线传输数字信号，并提供现场总线设备的电源[9]。

FF-H1是1种令牌型通信总线。FF-H1上的节点只有获取到令牌，才能将数据发送到总线上。令牌的传递由链路活动调度器(link action scheduler,LAS)按预定义的调度周期进行控制。

与其他现场总线相比，FF-H1的显著特征是在应用层之上还设置有用户层。FF协议规定的功能块(function block，FB)和设备描述/设备描述语言(device description/device description language，DD/DDL)是用户层的核心内容。

FF协议规定将分散在控制系统或现场的各种功能封装成通用结构——FB。各功能包括模拟输入(analog input,AI)、模拟输出(analog output,AO)、比例积分微分(proportional integral differetial,PID)控制、离散输入(discrete input,DI)、离散输出(discrete output,DO)、偏置、增益等。公共特征标准化的FB规定各自的输入、输出、算法、参数等控制逻辑。FB组成了FF设备中执行的功能块应用进程(function block application process，FBAP)。FF设备通过FB的机制实现运算控制的去中心化和运算的边缘化。

DD/DDL是FF总线设备互操作性的实现基础。DD为FF总线设备提供了设备描述，包括标签、参数、工程量、单位、参数关系、诊断菜单等所有FF设备信息。部署在上位机的FF组态配置工具通过DD/DDL，可方便地对FF总线进行设备管理以及对FB进行组态配置。

2 系统设计与方案

2.1 系统架构设计

大型先进非能动压水堆核电站的控制系统——和睿NuCON控制系统[10]分为3层结构。系统框架如图1所示。最上层为人机界面层(Level 2)，包括工程师站、操作员站等。人机界面层的工控机部署有核电站控制系统的逻辑组态软件和FF系统组态配置软件。

电站控制层(Level 1)由NuCON控制器和FF-H1控制器模块组成。Level 1与Level 2通过双冗余千兆(实时)网连接。Level 2内部又分为控制器层和I/O层，通过双冗余百兆(控制)以太网连接。FF-H1控制器模块设计支持2路FF-H1链路通信。

最底层为现场设备层(Level 0)，由图1所示的FF设备组成，包括FF传感器/仪表、FF执行器等不同类型的FF现场设备。基于FF-H1的核电站现场总线控制系统通过FF-H1控制器模块嵌入已有的NuCON控制系统中。FF-H1控制器模块作为NuCON控制系统的1个I/O模块[11]接入NuCON控制系统。其允许NuCON控制系统采集来自FF设备的实时数据，也可控制FF从站设备的信号输出。

图1 系统框架图

基于FF-H1协议的核电站现场总线控制系统最大的特点在于运算控制的去中心化和运算的边缘化。FF系统组态工具软件将FF功能块逻辑组态(包括控制算法、输入量输出量关系等)下载到FF-H1控制器。FF控制器遵循FF协议，将各FF从站功能块的逻辑组态发送给FF现场设备。FF从站设备本地保存功能块的逻辑组态或者功能块的组态关系，实现分布式组态运算，无需通过NuCON 控制器参与FF从站设备组态运算和控制。因此，基于FF-H1协议的现场总线控制系统可以不依赖NuCON控制系统而独立使用。

FF-H1控制器模块可以将FF现场设备的AI数据、DI数据发送给NuCON控制器，以参与控制运算。NuCON控制器通过FF-H1控制器模块发送AO数据和DO数据给FF现场设备，以实现输出控制。因此，基于FF-H1协议的核电站现场总线控制系统允许其作为核电站控制系统的1个子系统，将其输入和输出数据传送到NuCON控制器中进行集中控制。这样的应用方法和其他非FF协议的总线型现场设备在核电站控制系统中的应用方法相同。

2.2 系统数据流设计

基于FF-H1协议的核电站现场总线控制系统的数据流设计为2类，分别为本系统内数据和NuCON系统内数据。

NuCON系统内数据主要由FF系统配置数据、FF设备实时数据和FF设备非实时数据组成。FF系统配置数据包括功能块组态配置、设备标签配置、设备地址配置等组态配置相关的数据。FF设备实时数据包括AI、AO、DI、DO等功能块数据。FF设备非实时数据包括诊断信息、设备状态、设备ID、厂商信息和设备类型等数据。

系统内数据流如图2所示。

图2 系统内数据流图

系统内数据的通信采取1种异步通信体制，由FF组态配置软件发起请求，经过NuCON控制器透明传输到FF-H1控制器模块本地或转发到FF设备上。FF设备或FF-H1控制器模块的响应消息也经NuCON控制器透明传输到FF组态配置软件。

NuCON系统内数据主要包括FF设备的周期性数据和非周期性数据。周期性数据包括FF设备AI数据、AO数据、DI数据以及DO数据和FF设备在线状态数据、故障字数据。非周期性数据包括FF设备的地址、设备ID等静态信息。NuCON系统内数据更新通过FF-H1控制器模块内的FF协议栈获取，并写入总线控制器模块内双端口内存(dual-port randon access menory,DPRAM)的约定地址。总线控制器内的网关/透传站按固定周期读写DPRAM约定地址内的NuCON系统数据，按NuCON控制器的帧周期，通过NuCON以太网协议发送给NuCON控制器。这些数据可以在NuCON的逻辑组态软件中得到显示和引用。

3 FF-H1控制器的设计

3.1 硬件设计

FF-H1控制器模块核心硬件由2个32位微控制(microcontrollerunit,MCU)和1个DPRAM构成。

FF-H1控制模块核心硬件结构如图3所示。

图3 FF-H1控制模块核心硬件结构图

网关/透传站软件的透传程序逻辑如图4所示。

图4 透传程序逻辑图

MCU0作为网关/透传站，通过双冗余以太网接口A、B与核电站控制系统的双冗余NuCON控制器进行通信。MCU0的作用是读取DPRAM内FF设备的AI数据、AO数据、DI数据、DO数据、FF设备在线状态、故障字、FF设备地址、设备ID等信息，并按NuCON控制器的帧周期将这些信息发送到NuCON控制器。这体现了MCU0的网关作用。

MCU0接收FF组态配置工具软件产生且通过NuCON控制器透明传输的请求消息，并由异步收发传输器(universal asynchronous,UART)接口发送给FF协议栈(MCU1)。这体现了MCU0的透传作用。

MCU0支持板级BIT功能、冗余切换等其他核电站控制系统I/O的通用功能。

MCU1是FF协议栈，支持2路FF通信功能。

3.2 软件设计

3.2.1 网关/透传站软件设计

网关/透传站软件运行在32位MCU上(即图3的MCU0)。在功能设计上，除了NuCON控制系统I/O的一般功能外，还能按规定的周期将DPRAM中FF设备的周期性数据(例如AI、DI数据等)和非周期性数据(包括FF设备、地址、ID等)发送到NuCON控制器。在规定周期内接收控制器发来的输出数据。若这些数据与前一次数据比较发生变化，则将变化的数据写入DPRAM。

FF系统组态配置工具软件的请求消息采用异步通信的体制。其请求发送成功后，在规定的超时时限内会多次发送响应确认消息，直到获取FF协议栈的响应确认消息。

3.2.2 协议栈软件设计

FF-H1协议栈软件串口处理逻辑如图5所示。

图5 FF-H1协议栈软件串口处理逻辑图

FF-H1协议栈软件运行在32位MCU上(即图3的MCU1)。其按照FF协议规范和实际使用情况，可划分为中断处理任务和运行任务2类。中断处理为物理层总线驱动程序，包括FF定时器中断、发送完成中断、接收报文头中断和接收报文尾中断等。运行任务包括数据链路层任务、应用层任务、系统管理任务和链路活动调度任务以及其他辅助任务。

协议栈执行时，一方面从串口中获得数据并进行处理，并将请求消息发布到FF-H1链路；另一方面从FF-H1获得消息报文，并由协议栈进行解包处理。如果是需要发送回上位机的响应消息，则调用中断处理。FF-H1协议栈软件总线数据处理逻辑如图6所示。

图6 FF-H1协议栈软件总线数据处理逻辑图

4 FF系统组态软件设计

FF系统组态配置软件是1种部署在桌面计算机的应用软件。该软件实现FF系统(FF协议栈和FF现场设备)所需要的4类功能，即系统管理、逻辑和硬件组态、数据读写、设备诊断。考虑用户友好性和人机功效。这4类功能的用户接口均以图形界面形式提供人机交互。

软件主界面设计为工具栏、工程模块、逻辑组态模块、DD库模块以及输出信息模块。工具栏提供新建、保存/另存、打开组态文件、更改工程全局默认选项、配置、界面视图隐藏/显示、组态下装/上装等功能。工程模块以节点树的形式显示，可以连接/断开NuCON控制器，读取NuCON控制系统中配置注册的FF-H1控制器模块，并显示模块的在线状态。选中模块则可以监视其FF链路上的所有FF设备，并可以获取设备的数据信息。逻辑组态模块支持图形化编辑FF设备功能块的逻辑组态。DD库模块为信息树结构显示。输出块可以显示程序操作信息、出错信息、调试信息等已定义信息。

FF系统组态配置工具软件操作逻辑为：首先，新建工程；然后，添加FF虚拟设备(FF-H1控制器)，并查看在线FF从站(FF现场设备)；最后，在完成设备映射后，图形化编辑组态，并下装组态到FF-H1控制器和FF现场设备。

5 测试验证

5.1 验证环境设计

测试环境包括软件环境和硬件环境。硬件环境包括NuCON控制器、FF-H1控制器、DSIII压力变送器、E+H TMT162温度变送器和EJA压力变送器。验证测试所需的软件有NuCON逻辑组态软件、美国国家仪器有限公司(National Instruments，NI)的NI-FBUS Monitor 4.0.3以及FF系统组态软件。

FF-H1控制器在NuCON控制系统中是1种类型为nFBA的I/O模块。网关/透传站软件获取一般I/O模块的通用信息，包括模块温度、模块同步状态等。

5.2 NI工具软件测试

NI-FBUS Monitor是1种FF监视和测试工具软件。该软件能够监测总线上的通信,捕获现场设备间发送的数据包，统计分析总线数据包的错误。

观察总线报文监视界面，可以发现FF-H1控制器内的FF协议栈(即FF主站)的地址为0x10。DSIII压力变送器和TMT162温度变送器为FF从站，地址分别为0x11和0x12。

5.3 FF系统组态软件测试

FF系统组态软件可以扫描在线设备列表，能够准确识别DSIII压力变送器、TMT162温度变送器和EJA压力变送器，并获取设备ID、设备标签、厂商编号、设备类型。在线设备列表如表1所示。

表1 在线设备列表

FF系统组态软件除支持功能块组态和FF现场设备管理外，还提供总线调度信息。调度信息显示设备AI功能块数据包、PID功能块数据包等。FF接入3个FF-H1从站设备后，功能块数据包的总线调度时间在80 ms以内。

6 结论

本文基于FF-H1协议的核电站现场总线控制器设计与开发工作，完成了FF-H1控制器的研制，以及FF协议栈软件和FF系统组态配置软件的开发应用。

目前，基于FF-H1协议的核电站现场总线控制器已经在专业检测机构完成了核电标准相关的环境试验和FF-H1兼容性检测试验。FF-H1协议的核电站现场总线控制系统具有安全性高、智能化程度高、实时性强的特点，满足百万千瓦级先进三代压水堆核电站SRTF设施的应用要求。FF-H1协议的核电站现场总线控制系统在其他高端过程控制领域也有广泛的应用潜力。