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摘 要：利用MATLAB/Sinulink软件中的Stateflow工具箱，搭建基金会现场总线控制系统的仿真平台。通过此仿真平台，对FF总线系统性能进行分析，分析结果与FF总线通信特征相一致，验证了仿真模型的可行性，此模型可以为协议的改进提供理论基础，更为实际工程应用提供指导。
关键词：控制系统 仿真 分析
Simulation and Analysis of FF Bus Control System
Zhu Tianze，Cao Jianxin，Sun Haiyang
Abstract：The article uses the Stateflow toolbox in MATLAB/Sinulink software to build a simulation platform for the foundation fieldbus control system. Through this simulation platform， the performance of the FF bus system is analyzed， and the analysis results are consistent with the communication characteristics of the FF bus， verifying the feasibility of the simulation model. This model can provide a theoretical basis for the improvement of the protocol and provide guidance for practical engineering applications.
Key words：control system， emulation， analysis
1 引言
基金会现场总线（Foundation Fieldbus），简称 FF，是一种双向的、多站点式、串行的总线系统。
本文在分析FF总线协议工作机制的基础上，搭建FF总线系统仿真平台。基于此仿真平台，对FF总线系统中负载的变化对网络吞吐量和数据传输平均延迟的影响进行了分析。
2 FF总线协议工作机制
FF总线采用的是令牌传递的总线控制方式。
进行周期性通信时，当监测到某个设备发布信息的时间到来时，链路活动调度器LAS就会向该设备发送强制数据CD，接收到此强制数据帧的设备会立刻使用此令牌向链路上发布数据帧。
在周期性通信的时间间隔内，通过链路活动调度器LAS向设备发送令牌PT的方式，给予设备发送非周期信息的机会。
3 FF总线控制系统的仿真平台
仿真平台中搭建的通信部分模块如图1所示，调度部分模块如图2所示。
本文中假定具有变送器功能的现场设备具备LAS功能。
在图1中，三个“buffer”用来分别存放三种优先级的非周期性数据。 “Communication”状态中，“start”状态代表节点此时没有数据需要接收，当总线上有信息需要发送时，Busstate会被置为1，此条件会触发节点状态转移至“Receive-frame”状态，节点开始接收数据帧。接下来，节点会对接收到的此数据帧进行过滤，若检测为预定的数据则接收，只接收自己预定的数据并告知节点，否则将此数据帧丢弃。“Com-send”状态中，“Send_CDdata”状态代表节点接收到来自LAS的令牌CD，开始组装数据帧并进行发送，“Send_PTdata” 状态代表有非周期行数据需要发送时，节点接收到来自LAS的令牌PT，开始组装数据帧并进行发送，“Return_PT”状态代表将令牌PT返回给LAS。
圖2中，“CD”中有调度表，负责完成周期性数据的发送，本文中调度表依据时间“CDtime”对周期性数据进行发送。若监测到有非周期数据需要发送，这时PT部分开始工作，LAS将向设备发送令牌PT，接下来需要判断剩余时间是否够发起一次非周期数据的传输时间，如果判断结果为不够发起一次非周期性数据传输，则再转入“CD”部分。
choose函数模块负责对时间进行判断;computeP函数用来完成优先级的动态调整。
4 FF总线系统性能分析
本文中设定每个节点的优先级由高到低依次为l、2、3。
通过仿真，得出FF总线的吞吐量与负载的关系，如图4所示。
通过仿真，得出FF总线的传输平均时延与负载的关系，如图4所示。
由图3可见，当负载较小时，吞吐量会随着负载的增加而快速增加，但当负载增加到一定程度时，吞吐量基本趋于饱和。这与FF总线协议的通信机制相符合，当负载较小时，不会受限于带宽，但是当负载增大到一定值时，带宽达到饱和状态，吞吐量趋于不变。
由图4可见，随着负载的增加，信息发送平均延迟会随之增大;同时，节点的优先级越低，信息发送平均延迟越大。这种情况同样是由于可用带宽的有限性产生的，依然与FF总线协议工作机制相符。
5 结语
运用MATLAB软件中Stateflow工具箱来对FF总线通信系统建模仿真切实可行。是现场总线协议分析与研究的又一途径，也为研究其他现场总线提供了切实可行的建模方法。
项目名称：FF现场总线建模及仿真;院校：陕西国际商贸学院。项目编号：S202013123003。
参考文献：
[1]汤旻安编著.现场总线及工业控制网络[M].北京：机械工业出版社，2018.
[2]张婷，黄永林，杨继华.中控FF现场总线技术在大型炼厂的应用[J].仪器仪表标准化与计量，2020（03）：16-18.
[3]Yong Jin Yang.A Decentralized Control in Microgrid： An Autonomous
Control Strategy Derived from CSMA/CD Mechanism[J].Transmission and
Distribution Engineering and Technology，2018，7（1）：7-20.
[4]张浩龙，刘威，孔德伟，杨明望，崔灿.FF与Profibus现场总线在火电厂应用中的故障诊断及处理[J].自动化仪表，2020，41（07）：102-106.
[5]邓细平，吴小根.FF现场总线在工业过程控制系统中的应用[J].有色冶金设计与研究，2019，40（05）：29-33.
[6]曹艳红，张一晓，贾玉明.FF现场总线技术在酸性水汽提装置中的应用[J].石油化工自动化，2018，54（05）：29-32.
关键词：控制系统 仿真 分析
Simulation and Analysis of FF Bus Control System
Zhu Tianze，Cao Jianxin，Sun Haiyang
Abstract：The article uses the Stateflow toolbox in MATLAB/Sinulink software to build a simulation platform for the foundation fieldbus control system. Through this simulation platform， the performance of the FF bus system is analyzed， and the analysis results are consistent with the communication characteristics of the FF bus， verifying the feasibility of the simulation model. This model can provide a theoretical basis for the improvement of the protocol and provide guidance for practical engineering applications.
Key words：control system， emulation， analysis
1 引言
基金会现场总线（Foundation Fieldbus），简称 FF，是一种双向的、多站点式、串行的总线系统。
本文在分析FF总线协议工作机制的基础上，搭建FF总线系统仿真平台。基于此仿真平台，对FF总线系统中负载的变化对网络吞吐量和数据传输平均延迟的影响进行了分析。
2 FF总线协议工作机制
FF总线采用的是令牌传递的总线控制方式。
进行周期性通信时，当监测到某个设备发布信息的时间到来时，链路活动调度器LAS就会向该设备发送强制数据CD，接收到此强制数据帧的设备会立刻使用此令牌向链路上发布数据帧。
在周期性通信的时间间隔内，通过链路活动调度器LAS向设备发送令牌PT的方式，给予设备发送非周期信息的机会。
3 FF总线控制系统的仿真平台
仿真平台中搭建的通信部分模块如图1所示，调度部分模块如图2所示。
本文中假定具有变送器功能的现场设备具备LAS功能。
在图1中，三个“buffer”用来分别存放三种优先级的非周期性数据。 “Communication”状态中，“start”状态代表节点此时没有数据需要接收，当总线上有信息需要发送时，Busstate会被置为1，此条件会触发节点状态转移至“Receive-frame”状态，节点开始接收数据帧。接下来，节点会对接收到的此数据帧进行过滤，若检测为预定的数据则接收，只接收自己预定的数据并告知节点，否则将此数据帧丢弃。“Com-send”状态中，“Send_CDdata”状态代表节点接收到来自LAS的令牌CD，开始组装数据帧并进行发送，“Send_PTdata” 状态代表有非周期行数据需要发送时，节点接收到来自LAS的令牌PT，开始组装数据帧并进行发送，“Return_PT”状态代表将令牌PT返回给LAS。
圖2中，“CD”中有调度表，负责完成周期性数据的发送，本文中调度表依据时间“CDtime”对周期性数据进行发送。若监测到有非周期数据需要发送，这时PT部分开始工作，LAS将向设备发送令牌PT，接下来需要判断剩余时间是否够发起一次非周期数据的传输时间，如果判断结果为不够发起一次非周期性数据传输，则再转入“CD”部分。
choose函数模块负责对时间进行判断;computeP函数用来完成优先级的动态调整。
4 FF总线系统性能分析
本文中设定每个节点的优先级由高到低依次为l、2、3。
通过仿真，得出FF总线的吞吐量与负载的关系，如图4所示。
通过仿真，得出FF总线的传输平均时延与负载的关系，如图4所示。
由图3可见，当负载较小时，吞吐量会随着负载的增加而快速增加，但当负载增加到一定程度时，吞吐量基本趋于饱和。这与FF总线协议的通信机制相符合，当负载较小时，不会受限于带宽，但是当负载增大到一定值时，带宽达到饱和状态，吞吐量趋于不变。
由图4可见，随着负载的增加，信息发送平均延迟会随之增大;同时，节点的优先级越低，信息发送平均延迟越大。这种情况同样是由于可用带宽的有限性产生的，依然与FF总线协议工作机制相符。
5 结语
运用MATLAB软件中Stateflow工具箱来对FF总线通信系统建模仿真切实可行。是现场总线协议分析与研究的又一途径，也为研究其他现场总线提供了切实可行的建模方法。
项目名称：FF现场总线建模及仿真;院校：陕西国际商贸学院。项目编号：S202013123003。
参考文献：
[1]汤旻安编著.现场总线及工业控制网络[M].北京：机械工业出版社，2018.
[2]张婷，黄永林，杨继华.中控FF现场总线技术在大型炼厂的应用[J].仪器仪表标准化与计量，2020（03）：16-18.
[3]Yong Jin Yang.A Decentralized Control in Microgrid： An Autonomous
Control Strategy Derived from CSMA/CD Mechanism[J].Transmission and
Distribution Engineering and Technology，2018，7（1）：7-20.
[4]张浩龙，刘威，孔德伟，杨明望，崔灿.FF与Profibus现场总线在火电厂应用中的故障诊断及处理[J].自动化仪表，2020，41（07）：102-106.
[5]邓细平，吴小根.FF现场总线在工业过程控制系统中的应用[J].有色冶金设计与研究，2019，40（05）：29-33.
[6]曹艳红，张一晓，贾玉明.FF现场总线技术在酸性水汽提装置中的应用[J].石油化工自动化，2018，54（05）：29-32.