在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，通信協(xié)議的穩(wěn)定與高效至關(guān)重要。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（Foundation Fieldbus，簡(jiǎn)稱 FF）作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制的通信協(xié)議，其物理層的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能起著基礎(chǔ)性的支撐作用。?
一、FF 協(xié)議物理層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范?
FF 協(xié)議物理層遵循 IEC1158 – 2 與 ISA – S50.02 中有關(guān)物理層的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)針對(duì)低速總線頒布了 31.25kb/s 的 FF – 816 物理層規(guī)范，也就是我們常說的 H1 標(biāo)準(zhǔn) 。這一標(biāo)準(zhǔn)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與通信傳輸媒體之間的連接提供了詳細(xì)的機(jī)械和電氣接口規(guī)范，確保了不同廠商的設(shè)備能夠在同一物理層標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。例如，在石油化工、電力等行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，眾多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接與通信。?
二、FF 協(xié)議物理層特性參數(shù)?
  1. 網(wǎng)絡(luò)電纜與阻抗：H1 網(wǎng)絡(luò)采用兩線（不接地）網(wǎng)絡(luò)電纜，其典型的特性阻抗為 100 歐姆 。這種電纜設(shè)計(jì)能夠有效減少信號(hào)傳輸過程中的干擾和損耗，保證信號(hào)的完整性。在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中，復(fù)雜的電磁干擾無處不在，兩線制不接地的設(shè)計(jì)以及合適的特性阻抗，使得 FF 協(xié)議物理層在面對(duì)干擾時(shí)具有更強(qiáng)的魯棒性。?
  1. 數(shù)據(jù)與電源傳輸：直流電源與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過同一兩根導(dǎo)線傳輸，這意味著每個(gè)設(shè)備僅需連接兩根導(dǎo)線即可在 H1 網(wǎng)絡(luò)段上正常工作 。這種設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布線，降低了安裝成本和維護(hù)難度。在一個(gè)大型工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，大量的現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備通過這種方式連接，減少了線纜的鋪設(shè)數(shù)量和復(fù)雜度。?
  1. 數(shù)據(jù)傳輸速率：選擇相對(duì)較慢的 31.25kbps 數(shù)據(jù)速率，這看似與高速通信的趨勢(shì)相悖，但實(shí)際上是經(jīng)過精心考量的。在工業(yè)環(huán)境中，電纜的質(zhì)量和安裝條件往往難以達(dá)到理想狀態(tài)，高速網(wǎng)絡(luò)容易受到這些因素的影響而出現(xiàn)信號(hào)衰減、誤碼等問題。而 31.25kbps 的數(shù)據(jù)速率能夠在一定程度上容忍不完美的電纜和終端連接，保證通信的穩(wěn)定性。?
  1. 信號(hào)傳輸方式：采用差分電壓信號(hào)傳輸，最小發(fā)送峰峰值為 0.75 伏，最小接收閾值峰峰值為 0.15 伏 。差分信號(hào)傳輸方式對(duì)共模干擾具有很強(qiáng)的抑制能力，能夠在惡劣的工業(yè)電磁環(huán)境中準(zhǔn)確地傳輸信號(hào)。同時(shí)，采用曼徹斯特編碼，將網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘脈沖與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)嵌入在一起，簡(jiǎn)化了設(shè)備之間的同步過程，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。?
三、FF 協(xié)議物理層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?
  1. 基本拓?fù)錁?gòu)成：一個(gè)最小的 FF H1 網(wǎng)段由直流電源、“功率調(diào)節(jié)器”、恰好兩個(gè)終端電阻（分別位于電纜的兩端）、屏蔽雙絞線電纜以及至少兩個(gè)能夠相互通信的 FF 儀表組成 。連接每個(gè)儀表與最近連接點(diǎn)的電纜稱為支線（spur，有時(shí)也稱為 stub 或 drop），而連接所有連接點(diǎn)與主電源（通常是主機(jī) DCS 所在位置）的電纜稱為干線（trunk，有時(shí)對(duì)于直接連接到主機(jī)系統(tǒng)的部分也稱為 home run）。功率調(diào)節(jié)器的實(shí)際功能是過濾掉數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)脈沖，防止其到達(dá)直流電源，市面上的現(xiàn)場(chǎng)總線功率調(diào)節(jié)器通常是復(fù)雜的電子電路而非簡(jiǎn)單的無源濾波網(wǎng)絡(luò)。?
  1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及影響：H1 網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是并行電路，所有現(xiàn)場(chǎng)儀表的兩個(gè)連接端子相互并聯(lián)。常見的設(shè)備連接方式有 “菊花鏈” 法，即每個(gè)儀表連接到兩段電纜長(zhǎng)度，形成從網(wǎng)段一端到另一端的不間斷 “鏈” 狀網(wǎng)絡(luò) 。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但存在明顯的缺點(diǎn)，在網(wǎng)段中任何設(shè)備的斷開都會(huì)中斷網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，導(dǎo)致所有 “下游” 設(shè)備暫時(shí)失去信號(hào)，這在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中是不可接受的，因?yàn)樗o單個(gè)儀表的維護(hù)和檢修帶來了極大的不便。實(shí)際應(yīng)用中，為了克服這一缺點(diǎn)，常常采用樹形、星形等其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或它們的復(fù)合形式。?
四、FF 協(xié)議物理層的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?
  1. 適應(yīng)工業(yè)環(huán)境：從物理層的設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，F(xiàn)F H1 網(wǎng)絡(luò)非常易于在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中構(gòu)建 。其物理層與 Profibus – PA 相同，這一特點(diǎn)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了安裝過程，因?yàn)榭梢允褂猛ㄓ玫木W(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證工具和連接硬件，降低了系統(tǒng)集成的難度和成本。在一些老舊工廠的自動(dòng)化改造項(xiàng)目中，由于可以利用現(xiàn)有的部分硬件和工具，大大縮短了改造周期和成本。?
  1. 支持總線供電：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以通過總線獲取電力，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 。這種總線供電的方式減少了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備額外電源線的鋪設(shè)，降低了布線成本和復(fù)雜度，特別適用于一些難以單獨(dú)提供電源的場(chǎng)合，如危險(xiǎn)區(qū)域或空間有限的場(chǎng)所。?
  1. 防爆性能支持：在一些對(duì)安全性要求極高的行業(yè)，如石油化工、煤礦等，F(xiàn)F 協(xié)議物理層支持本質(zhì)安全型防爆方法 。通過合理的電氣參數(shù)設(shè)計(jì)和物理層結(jié)構(gòu)，能夠有效防止在危險(xiǎn)環(huán)境中產(chǎn)生電火花等引發(fā)爆炸的因素，確保系統(tǒng)在危險(xiǎn)區(qū)域的安全運(yùn)行。?
FF 協(xié)議物理層以其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范、獨(dú)特的特性參數(shù)、多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。?