基金会现场总线技术概述.ppt

1、总线技术及应用,承德石油高等专科学校电气与电子系,基金会现场总线技术,FF主要技术,FF通信模型,FF物理层,FF通信栈,FF现场仪表的功能模块,FF网络管理与系统管理,FF设备描述,1,2,3,4,5,FF总线通信技术,标准化功能块与功能块应用进程,设备描述与设备描述语言,现场总线通信接口技术,系统集成技术,FF主要技术,1、FF主要技术,6,系统测试技术,基金会现场总线技术,基金会现场总线技术,目前，在八种国际现场总线通信协议标准（IEC 61158）中，基金会现场总线就占有两个标准，即低速现场总线“FF H1”及高速现场总线“FF HSE”。其中，前者于1996年发表，是专为过程控制开发

2、的，用于取代420mA模拟信号传输标准，支持总线供电和本质安全，符合IEC物理层国际标准（IEC61158-2）。FF-HSE标准于2000年发布，是与FF H1配套的，主要用于工业实时网络中的主设备间通信数据量较大或对响应时间有苛刻要求的场合，如断续生产的制造业，以及上位监控一级。FF H1与FF HSE统称为“基金会现场总线”。,基金会现场总线技术,基金会现场总线（简称“FF总线”）是目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一，它的前身是以Fisher-Rosemount公司为首，联合80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制定的WorldFIP协议，

3、两大集团于1994年合并，成立“现场总线基金会（Fieldbus Foundation）”，并致力于开发统一的现场总线标准。截止目前，现场总线基金会已拥有一百多个成员，这包括世界上最主要的自动化设备供应商，如AB、ABB、Yokogawa、Honeywell、Smar、FUJI Electric等等。,基金会现场总线技术,基金会现场总线的最大特色就在于它不仅是一种总线技术，而且是一个自动化系统。它作为最新的自动化系统，区别于传统的自动化系统的特征在于它所具有的开放型数字通信能力，使自动化系统具备了网络化特征。,基金会现场总线作为全分布的自动化系统，主要功能是对工业过程参数进行测量、变送、控制、

4、显示、计算等，实现对生产过程的自动监测、自动调节和自动保护。,基金会现场总线把控制功能完全下放到现场，仅由现场仪表即可构成完整的控制功能。,基金会现场总线技术,基金会现场总线自问世以来，正以磅礴之势在连续工业过程控制中掀起了应用高潮。在中国，据不完全统计，几百个大中项目遍及大江南北，其中不乏世界级大项目，如上海赛科工程、广东惠州中海壳牌石化工程和正在建设中的福建炼油乙烯工程，其规模之大让世人震惊。其实，基金会现场总线不仅仅在规模上可以适应大中小规模上的变化，在控制类型上也正在把高速总线HSE扩展到连续过程控制以外的断续和批量控制中。应用领域包括石油天然气、炼油、石化、化工、冶金、制药、电力等现

5、场总线基金会对用户的承诺正在变成现实。,技术概述,FF总线由低速(FF-H1)和高速(FF-HSE)两部分组成。其中FF-H1网络以ISO/OSI模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型。FF-H1传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1 900m（与传输介质有关，可加中继器延长），支持总线供电/本质安全防爆环境。 FF-H1主要用于过程工业（连续控制）的自动化。FF-HSE则采用基于Ethernet (IEEE802.3) +TCP/IP的六层结构，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合I

6、EC61158-2标准。FF-HSE主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。,一个典型的工程实例,项目概况： 上海拜耳漕泾园区(Bayer Material Science)下属的涂料厂、公用工程厂和聚酯厂已于2006年建成投产。该项目选用了FF基金会现场总线，特别是聚酯厂，使用的FF现场总线仪表较多。1.设备的选用和总量 该项目已使用了6套艾默生的DeltaV系统，其中涂料厂、公用工程厂、聚脂厂近期使用了DeltaV7.4版本和大量的FF设备；涂料厂为600台(全部模拟量设备)；公用工程厂为300台(另外有HART设备在单元包中)；聚脂厂为2200台。2.网段设

7、计 塑料厂网段布局中，在1个H1例段上接两个子网段，聚酯厂网段布局为FF设备最大安装数量为8台，每个网段的最大阀门安装数为2台(阀门定位器为2个)，每个网段的备用的分支数为2个，每个分支上的FF设备为1台，也就是8：2：2：1模式。,3.辅助设备及电缆（1）接线箱：涂料厂：接线箱使用刀式开关终端公用工程厂：Relcom的Mega-block接线箱聚脂厂：带有P+F网段保护和现场隔离的接线箱（2）现场总线辅助部件，包括电源模块和诊断模块、网段保护器和保护现场设备短路的现场安全栅由P+F Powerhubs提供。 在某些场合，浪涌保护也可以用在保护网段非闪电直接击中的浪涌破坏. （3）每个网段主干

8、电缆：双绞线电缆,一个典型的工程实例,4.现场仪表选型（1）流量仪表： 科里奥利流量计：E+H Promass；艾默生Micromotion； 涡街流量计：艾默生8800系列，E+H Prowirl； 电磁流量计：E+H Promag； 超声波流量计：E+H Prosonic Flow；（2）压力仪表： E+H CerabarDeltabar；艾默生3051；Siemens Sitrans P；（3）温度仪表： 艾默生3244系列、848系列；Wika 5350；（4）料位仪表： 雷达： E+H FMR240、E+H FMR230；超声波 E+H Prosonic Level； （5）分析仪表

9、： PH计：艾默生TR200；电导计艾默生400VP （6）控制阀门： Samson3787定位器；,一个典型的工程实例,FF网段布局图(聚酯厂，2个接线箱),一个典型的工程实例,FF网段布局图(聚酯厂，1个接线箱),一个典型的工程实例,FF总线通信技术包括通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与管理等内容。 它涉及一系列与网络有关的硬软件，如通信栈软件、被称之为圆卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机接口卡、各种网关、网桥、中继器等。它是现场总线的核心基础技术之一。,基金会现场总线的主要技术内容如下：,1,FF总线通信技术,它包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络

10、与系统管理等内容。 它涉及一系列与网络相关的硬、软件，如通信栈软件，被称之为圆卡的仪表用通信接口卡，FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、中继器等。 它是现场总线的核心基础技术之一；无论对于现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。,(1)基金会现场总线的通信技术,2,标准化功能块与功能块应用进程,(2)标准化功能块FB与功能块应用进程FBAP 它提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特性标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。 便于实现不同制造商产品的

11、混合组态与调用。 功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。,3,设备描述与设备描述语言,为实现现场设备的互操作性，支持标准的块功能操作，FF总线采用了设备描述技术。 设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必须的信息，因而也可以看做控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编译器，把用DDL编写的设备描述源程序转换为机器可读的输出文件。,(3)设备描述DD与设备描述语言DDL,4,现场总线通信接口技术,现在，已有多家供应商向市场提供FF集成通信控制芯片、通信协议

12、栈软件、圆卡等。把这些部件与其他供应商开发的完成测量功能的部件集成起来，组成现场总线智能仪表。,要将现场通信圆卡与实现变送、执行功能的部件构成一个统一的整体，要通过FF的PC接口卡将总线上的数据信息与上位的各种人机接口软件、高级控制算法融为一体，尚有很多工作要做。如OPC技术，是指用于过程控制的对象连接嵌入技术（OLE），OLE是微软公司在PC中采用的PC组件技术。把此技术引入过程控制系统，使现场总线控制系统很容易与现有的计算机平台结合起来，使信息共享成为可能。,(4)现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术。,5,系统集成技术,(5)系统集成技术 它包括通信系统与控制系统的

13、集成，如网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等。,6,系统测试技术,(6)系统测试技术,包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术、总线监听分析技术、系统的功能和性能测试技术。 一致性与互可操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，以便于通信系统的调试、诊断与评价。 功能、性能测试技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统综合指标的评价。,1,2,FF通信模型,协议数据的构成与层次,FF的通信模型,2、FF的通信模型,基金会现场

14、总线的参考模型只具备ISOOSI参考模型七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层-总线访问子层与总线报文规范子层。省去了中间的36层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层。FF在ISOOSI参考模型第七层应用层之上增加了新的一层-用户层。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；应用层则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。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备管理，实现网络管理、系统管理等。在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后

15、的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可看作三层。,1,FF通信模型,基金会现场总线同样采用了简化的ISO/OSI参考模型，具有典型的三层结构，即物理层（PHL）、数据链路层（DLL）以及应用层（APL），后两者统称为“通信栈”。此外，与ISO/OSI参考模型不同的是，基金会现场总线不仅指定了通信标准，而且还对使用总线通信的用户应用进行了规范，形成了独有的用户应用层（User Application Layer），简称用户层。虽然这会使协议规范内容变得复杂，但却为不同厂商设备间的可相互操作性带来了方便，并使各厂产品的独有功能在用户层上更易于实现。,2,协议数据的构成

16、与层次,如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层（FMS）处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息；然后依次送往现场总线访问子层（FAS）和数据链路层（DLL）；用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为CRC校验码）后，送往物理层将数据打包；信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。,2,协议数据的构成与层次,一个现场总线设备拥有许多虚拟通信关系VCR，这样它可以在同一时间与多个设备或应用进行通信，不同VC

17、R根据在应用层中指定的“索引号（Index）”来识别。其它设备则依据在数据链路层中指定的数据链路地址（DL_地址）来区分VCR。,2,协议数据的构成与层次,1,2,物理层的功能,物理层的信号传输,FF物理层,3、FF物理层,1,物理层的功能,物理层接收来自通信栈的由“0”和“1”组成的数据信息，将其转换为电的或光的物理信号（信号编码），并传送到现场总线的传输媒体上（线路驱动）；反之，把来自总线传输媒体的物理电或光信号转换为数据信息（信号解码），送往数据链路层转换工作包括添加或去除前导码、帧前定界码及帧结束码.,2,物理层的信号传输,前导码为置于通信信号最前端而特别规定的8位单字节数字信号：10

18、101010，用于接收方内部时钟与接收到的现场总线信号的同步。当采用中继器时，前导码可以多于一个字节。帧前定界码和帧结束码用作帧边界标志，这两个字段内使用的是模拟编码而非0和1，其中使用了特殊的N+（Non-Data Plus）和N-（Non-Data Minus）码，它们在每个时钟周期的中间不会发生跳变，因而它们不会偶然出现在数据当中，仅供接收器用来识别物理层服务数据单元（PHL SDU）即数据链路层协议数据单元（DL PDU）的开始和结束标志，以使物理层可以发送DL PDU中任意“0”和“1”的组合。,2,物理层的信号传输,现场总线信号采用熟知的曼彻斯特编码技术，其在一个bit时间段的中间

19、时刻将数据编码为电压的变化，换句话说，每个时钟周期被分成两半，用前半周期为低电平、后半周期为高电平形成的脉冲正跳变来表示0；用前半周期为高电平、后半周期为低电平形成的脉冲负跳变来表示1。 这样处理，其优点是编码信号中将同时包含数据与时钟信息，使接收端可从所接收到的信号中提取时钟信号；另外，信号无直流分量，因而可用变压器进行电气隔离。由于此种数据编码产生的串行数据流中隐含了同步时钟信号，因而属于“同步串行通信”，传输效率高。,基金会现场总线网络设备与安装,1 网络拓扑结构2 主要连接件和接口设备3 电缆、布线和电源（安装调试）4 基金会现场总线设备的本质安全,一个现场总线网络是由一个或者多个网段

20、组成，每个网段一般包含几个运行仪表、连接件、接口设备、电缆、安全栅，另外还需要一个电源和设在每个网段末端的终端器。现场总线的安装与布线规则自然不同于传统的4mA20mA布线。要遵循一定的拓扑结构进行布线。1.网络拓扑结构 FF现场总线的拓扑结构较灵活，通常包括点到点型、带分支的总线型、菊花链型和树型。带分支的总线型和树型在工程中使用较多。FF总线网络可以包含1个或多个互连的H1链路。1条H1链路可连接1个或几个H1设备，2个或多个H1设备之间可通过H1网桥实现互连。,基金会现场总线网络设备与安装,图 FF总线拓扑结构,3.1 网络拓扑结构,FF总线系统中，主站可以通过一个接口直接和现场级网络相

21、连，也以通过一个链路设备经过主站级网络后再和现场级网络连接。不管是接口还是链路设备都是通过端口和现场级网络相连的一块接口卡或者一台链路设备往往有不止一个端口，因此可以接几个现场级网络。若干台链路设备又可以通过主站级网络连成一个大系统。接口也可以设计成可插入一个计算机或IO子系统的若干块卡或模板 。接口的每一个端口能支持的设备数量是有限的。,3.2 主要连接件和接口设备,接口卡用于连接计算机和FF现场仪表等设备，是计算机与FF现场设备间的信息通道和通信指挥调度中心。接口可以是一个通信模板，插在传统系统中常规I/O子系统的背板上;也可以是插在计算机里的一块卡。,1接口卡,PCI卡与现场总线的接口全

22、部通过卡后端的DB37 公头接口来完成，它是用SC71电缆制成的，连接与断开非常方便。图2.8为SC71 电缆图。,图 SC71 电缆图,1接口卡,链路设备通过高速主站级网络把现场级网络直接和主站连接起来，或者通过远程I/O网络的方式连接场级网络直接和主站，这样就不需要I/O子系统的接口模板了。图为DFI302现场总线(FF)/以太网(Ethernet)通用网桥。链路设备作为信息的缓冲器以照顾两个级别网络之间传输速度的差别。,图 DFI302现场总线(FF)/以太网(Ethernet)通用网桥,2链路设备,链路设备、现场总线设备电源、阻抗和终端器可以集成为一台设备。一台链路设备可以具有多个端口

23、，也可以执行辅助功能，例如起传统的调节器的作用。,图 链路设备连接现场级和主站级,2链路设备,终端器是安装在传输电缆的首端和末端的阻抗匹配器。每段总线必须有2个，而且只能有2个终端器。 终端器可以避免总线信号在长线传输时于电缆两端产生信号波反射和信号失真。 终端器有外置式和内置式两类。 在安装前要了解清楚某台设备或附件是否有内置终端器，避免重复使用，影响总线的数据传输。,图 终端器BT302,3终端器,中继器用来扩展H1网段。中继器是双向电隔离的，它被用来把若干网段接在一起形成一个较大的网络，最多可以把32个同样的网段接在一起。网络上的两个设备之间最多不能超过4个中继器，也就是说，两个设备之间

24、最多只能有5个网段。4个中继器串联时，如果采用A型电缆，其总长度可达到1.9km的5倍，即9.5km。中继器不能向网段提供电源，所以接有总线供电设备的网段必须另外提供电源。必须在中继器的另外两个端子上加电源。可以使用中继器向新网段上添加新设备。当一条网段上的设备多于32台时，就要使用中继器。一个新网段中，除了中继器这台设备外还可再增加31台现场设备。,4.中继器,使用4台中继器时，5条网段中总设备数为160台，除去4台中继器，实际可扩展到156台现场设备或现场仪表。,图 任两个设备之间最多可有4个中继器,图 smar中继器DF48,4中继器,网桥把数据从一个网络传送到另一个网络，使得处于两个不

25、同网络的设备可以互相通话。在一个网络上的所有设备都有不同的节点地址。即使它们处在同一网络的不同网段，也不会有地址重复。但是，在不同网络上的两个设备就有可能有同样的节点地址。网桥可以保证设备不会被混淆。网桥具有极强的软件功能。在实际使用中并不是把网桥本身作为一个设备，而是把它作为多端口链路设备或接口卡的一个组成部分。,5网桥,图 网桥使两个不同网络的设备可以互相通话,5网桥,FF并没有规定在现场总线仪表中使用的电缆的型号或性能指标，但还是推荐使用那些经过一致性测试的电缆。为了简化现有仪表向现场总线仪表的过度，标准的制定专门考虑了可以和仪表中常用的电缆型号兼容。电缆的型号和性能是决定总线长度和总线

26、上可挂仪表数量的主要因素。布线的原则和电源的选取同样重要。,3.3 电缆、布线和电源（安装调试）,1多种类型的电缆可用于现场总线,A型电缆是符合IEC/ISA物理层一致性测试的首选电缆，为新安装系统中推荐使用的电缆。替代A型电缆的是B型电缆，它通常用于工厂的新建和改造项目中，在那里，多条现场总线在同一个区域中运行。另一种推荐使用的电缆是未加屏蔽的单对或多双绞线的电缆，即C型电缆。最后一种是没有双绞的，但外层全屏蔽的多芯电缆，即D型电缆。 C、D两种电缆主要应用于改造，一般不推荐采用。,3.3.1 基金会现场总线电缆类型,表 现场总线电缆类型和最大长度,基金会现场总线支持多种传输介质：双绞线、电

27、缆、光缆、无线介质。目前应用较为广泛的是前两种。H1标准采用的电缆类型可分为无屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、屏蔽多对双绞线、多芯屏蔽电缆几种类型。在不同传输速率下，信号的幅度、波形与传输介质的种类、导线屏蔽、传输距离等密切相关。由于要使挂接在总线上的所有设备都满足在工作电源、信号幅度、波形等方面的要求，必须对在不同工作环境下作为传输介质的导线横截面、允许的最大传输距离等做出规定。,2.传输介质,表 导线媒体的允许传输距离,2.传输介质,由于现场总线控制系统的数字化通信特征，使得现场总线控制系统的布线与安装与传统的模拟控制系统有很大区别。一条双绞线上挂接着多个现场设备，传送着温度、压力、流量等多种类、

28、多测点的过程变量、控制信息以及其他信息，因而对布线和安装有许多新的要求与特点。,3.3.2 现场总线控制系统的网络布线与安装,图 基金会现场总线网段的基本构成,(1)现场总线网段的基本构成部件作为链路主管、组态器和人机界面的PC机；符合FF通信规范要求的PC接口卡；网段上挂接的现场设备；总线供电电源；连接在网段两端的终端器；电缆或双绞线以及连接端子。如果现场设备间距离较长，超出规范要求的1900米时，可采用中继器延长网段长度；也可使用中继器增加网段上的连接设备数。还可采用网桥或网关与不同速度、不同协议的网段连接在有本质安全防爆要求的危险场所，现场总线网段还应该配有本质安全防爆栅。,3.3.2

29、现场总线网段的基本构成部件,网段上连接的现场设备有两种：一种是总线供电式现场设备，它需要从总线上获取工作电源。总线供电电源就是为这种设备准备的。另一种是单独供电的现场设备，它不需要从总线上获取其工作电源。,3.3.2 现场总线网段的基本构成部件,(2)FF总线网络的扩充扩充设备工程中，相对A、B型电缆而言，C、D型在使用长度上要短。在某些特定场合中，要避免使用C、D两种电缆。 中继器是总线供电或非总线供电的设备，用来扩展现场总线网络。在现场总线网络任何两个设备之间最多可以使用4个中继器。使用4个中继器时，网络中两个设备间的最大距离可达9500m。网桥是总线供电的或非总线供电的设备，用于连接不同

30、速度或不同物理层，如金属线、光导纤维等的现场总线网段。网关是总线供电的或非总线供电的设备，用于将现场总线的网段连向其他通信协议的网段，如以太网，LonWorks网段，RS485等。,3.3.2 现场总线网段的基本构成部件,长度包括一些安全因素，以确保在这个长度之内不会引起通信问题。段长度要根据电缆类型、规格、网络的拓扑结构、现场设备的种类和个数而有所区别。,（3）网络扩充中分支线长度的取值 分支线应该越短越好。分支线的总长度要根据分支的数目和每个分支上的设备个数加以限制。,3.3.2 现场总线网段的基本构成部件,（5）关于现场总线的接地、屏蔽与极性 接地 不能在网络中任何一点把信号传输导体即双

31、绞线接地。任何一根导线接地或两线接在一起，会导致通信中断. 屏蔽 现场总线电缆最好有屏蔽。现场总线电缆的屏蔽沿着电缆的整个长度仅在一点接地，对于大多数网络来说，接地点的位置是任意的。对于要达到本质安全性要求的安装，接地点还需要按特殊规定选择 . 极性 现场总线所使用的Manchester信号是一个每位改为一次或两次极性的交变电压信号。现场设备必须接线正确，才能按正确的极性得到正确的信号。,3.3.2 现场总线网段的基本构成部件,3.3.3 FF电源类型,(1)电源设计类型 按照FF物理层行规规范，电源将被设计成以下3种类型： 1)131型。非本安电源，是为本安防爆栅供电而设计的，其输出电压取决

32、于防爆栅功率(额定值)。 2)132型。非本安电源，不用于本安防爆栅供电。输出电压最大值为32 V。 3)133型。本安电源，符合推荐的本安参数。 为了保证现场总线的正常运行，电源的阻抗必须与网络匹配。,表 H1现场设备的分类与编号,(2)FF总线供电与网络配置 在网络上如果有两线制的总线供电现场设备，应该确保有足够的电压可以驱动它。每个设备至少需要9V，为了确保这一点，在配置现场总线网段时需要知道以下情况： (1)当前每个设备的功耗情况； (2)设备在网络中的位置； (3)电源在网络的位置； (4)每段电缆的阻抗； (5)电源电压。,3.3.3 FF电源类型,3.4 基金会现场总线设备的本质

33、安全,本质安全技术是指保证电气设备在易燃、易爆环境下安全使用的一种技术。它的基本思路是限制在上述危险场所中工作的电气设备中的能量，使得在任何故障的状态下所产生的电火花都不足以引爆危险场所中的易燃、易爆物质。对于本质安全系统中的设备、电缆、电源及导线的限定参数：电压电流功率电容电感 例如，在工业领域中常用的现场总线网络中，每一条现场总线上所连接的设备数量和电缆的长度都有十分严格的限制。,在有本质安全防爆要求的危险场所，现场总线网段应该配有本质安全防爆栅。如图所示的齐纳安全栅将向危险区送入的电压限制在一定的范围之内。另外，还有一种单独供电式隔离型安全栅。,图 基金会现场总线的本安网段,3.4 基金

34、会现场总线设备的本质安全,图 安全栅将安全区和危险区隔开,1,2,数据链路层,现场总线访问子层（FAS）,FF通信栈,4、FF通信栈,3,现场总线报文规范子层（FMS）,1,数据链路层,数据链路层（DLL）位于物理层与总线访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务。 在数据链路层上所生成的协议控制信息就是为完成对总线上各类链路传输活动进行控制而设置的。 每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为“链路活动调度器”（Link Active Scheduler，简称：LAS），所谓“链路活动调度器”是指现场总线网段内对链路活动进行集中调度管理的现场设备。,1,数据链路层,依据现场

35、设备在基金会现场总线内可能承担的角色不同，可将现场设备分为三类，即基本设备、链路主设备(Link Master，简称“LM”)以及网桥。凡有能力成为LAS的设备均称为链路主设备,均有机会充当LAS。网桥属于网络链接设备，除具有LM的功能外，主要用于网段链接。凡没有能力成为LAS的设备称作基本设备.,通信设备类型,1,数据链路层,链路活动调度器,链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的信息，由它来掌管总线段上的各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到LAS的许可，才能向总线上发送数据。,基金会现场总线的通信活动被分为两类：受调度通信和非调度通信

36、。,1,数据链路层,链路活动调度器应具有以下五种基本功能： (1)向设备发送强制数据CD。调度表内只保存要发送CD的请求，其余功能函数都分散在各调度实体之间。 (2)向设备发送传递令牌PT，使设备得到发送非周期数据的权力。 (3)为新入网的设备探测未被采用过的地址。当为新设备找好地址后，把它们加入到活动表中。 (4)定期对总线段发布数据链路时间和调度时间。 (5)监视设备对传递令牌PT的响应，当设备既不能随着PT顺序进入使用，也不能将令牌返还时，就从活动表中去掉这些设备。,2,现场总线访问子层（FAS）,现场总线应用层（FAL）为用户程序访问现场总线通信环境提供必要的手段，从这一点来看，FAL

37、可看作是相关应用程序之间的一个“窗口”。 基金会现场总线应用层包含现场总线访问子层(FAS)及现场总线报文规范子层(FMS)，前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码与解码。,3,现场总线报文规范子层（FMS）,现场总线报文规范层(FMS)是通信参考模型应用层中的另一个子层，该层为上层用户应用使用现场总线服务提供接口，使其能够采用一组标准报文格式在现场总线上相互发送报文FMS描述了用户应用所需要的通信服务、报文格式及协议行为等,3,现场总线报文规范子层（FMS）,虚拟现场设备VFD是一个现场总线设备内部数据和行为的抽象化模型，被用来远程查看对象字典中定义过的本地设备的数据。一个典型设备

38、至少有两个VFDs,一个是网络与系统管理（NM SM）VFD，该VFD提供了访问网络管理信息库（NMIB）与系统管理信息库（SMIB）的手段。 另一个是功能块VFD，一个现场总线设备可能有两个或更多的功能块VFD.,3,现场总线报文规范子层（FMS）,FMS为访问FMS对象提供服务，换句话说，FMS服务为包括功能块在内的用户应用提供了一套在现场总线上通信的标准方法。针对不同的FMS对象类型，规定了特定的FMS通信服务。FMS主要通信功能如下： 1变量和数据访问（读，写）；2. 事件管理；3. 域的上载/下载；4. 程序调用服务；5. VFD支持服务；6. 链路关系（VCR）管理； 7. 对象字

39、典服务。 上述FMS服务大都使用客户/服务器型VCR，部分使用报告分发型VCR及发布/预定接收型VCR。 以上简要介绍了基金会现场总线的物理层与通信栈部分，它们为下面将要介绍的分布式过程控制用户层提供了必要的通信技术支持。,1,2,FF现场总线的应用,FF功能块介绍,5、FF现场仪表的功能模块,3,FF常用块介绍,4,功能块应用介绍,1,FF现场总线的应用,鉴于基金会现场总线与其它现场总线最大的不同点之一就是其拥有用户层，换句话说，FF现场总线不仅仅是一个总线标准，更成为一个现代过程控制系统的体系结构。,1,FF现场总线的应用,基金会现场总线是为工业自动化领域现场仪表实现网络互连而建立起来的一

40、个国际标准，其典型应用领域是工业过程控制，借鉴以往集散控制系统的设计经验，现场总线基金会将来自过程控制领域的用户需求模型化为用户层，即定义功能块模型结构，从而为分布式过程控制应用提供了一个更高层次的接口。而上节讲述的应用层则为用户层提供一般的通信服务，并为满足特定需求提供扩展功能服务。,1,FF现场总线的应用,电线介质,在此传递数据,在此进行控制、数据趋势分析、报警与事件,在此接线,通信栈保证安全通信,现场总线设备,现场总线设备,物理层,通信栈,用户层,传感器（变送器）,物理层,通信栈,用户层,传感器（变送器）, 最终控制单元, 或主机,2,FF功能块介绍,1. 用户应用 功能块,用户层的核心

41、是功能块，功能块是数据采集、控制及输出等应用当中通用功能的一般化模型，是传统现场仪表与控制系统中，诸如模拟输入（AI）处理、模拟输出(AO)处理以及PID控制运算等基本功能的进一步推广。通过功能块模型及其参数，可以组态、维护以及定制用户应用，易于实现基本的分布式控制功能。 一个功能块的行为决定于其参数值，而功能块参数在现场总线上是可视的，并可借助网络通信服务进行访问。 功能块VFD包含三类块，即资源块、功能块以及变换块。简要介绍如下：,2,FF功能块介绍,传 感 器, 测量过程变量,物理层,通信栈,用户层,传感器（变送器）,2,FF功能块介绍,2,FF功能块介绍,2,FF功能块介绍,2,FF功

42、能块介绍,功能块采用“时间” 触发或外部“事件”驱动机制，根据最新输入数据，使用其内部算法，计算并更新输出数据；而算法可从其数据库中获取组态信息及静态数据，同时也将外部可访问的内部动态数据存储在自己的数据库当中。 数据库当中，允许通过总线通信访问的部分称之为“属性（Attributes）”或参数（Parameter）。 每一个功能块都有一个用户定义的名字，称为功能块“位号（Tag）”，该位号必须是唯一的。功能块参数在现场总线上通过“ Tag.Parameter ”来识别。,2,FF功能块介绍,基本功能块,基本控制的十个标准功能块由FF-891.Part2定义，列表如下： 功能块名称 符号 模拟

43、输入 AI 模拟输出 AO 偏置/增益 BG 控制选择 CS 离散输入 DI 离散输出 DO 手动装入 ML 比例微分 PD 比例积分微分 PID 比率系数 RA 注：用于先进控制的19个附加标准功能块由FF-892 Part 3 定义,2,FF功能块介绍,功 能 块 小 结,总之，制造自动化与过程控制领域内的现场设备的基本功能，如模拟输入、模拟输出及PID控制等由功能块实现，而与硬件密切相关的功能则由变换块实现，以解除功能块与传感器、变送器特定硬件之间的耦合，使功能块成为独立于硬件的标准运算模块而资源块则描述现场设备所拥有的资源状况。,2,FF功能块介绍,功能块参数,一个功能块参数可分为三类

44、：输入参数、输出参数及内含参数。内含参数既不是输入，也不是输出参数，只能够根据要求，采用Read或Write申请来对其访问，访问可根据FMS索引号来进行，功能块参数具有连续的索引号，其数据类型可以是基金会现场总线定义的任意数据类型。资源块与变换块只具有内含参数。 功能块参数又可划分为动态参数与静态参数，其中动态参数值在功能块执行时会发生改变；在断电时，其值会丢失。而静态参数在功能块执行时不会改变，但可要求对其进行写操作，静态参数的数值上电后是可恢复的。,3,FF常用块介绍,3,FF常用块介绍,3,FF常用块介绍,3,FF常用块介绍,PID功能块的主要参数,PID块是PID控制器的标准化模型，过

45、程测量值来自于输入端子IN ，滤波后为变量PV，而其控制输出为输出OUT。同时，还有其它的一些输入/输出参数用来实现不同的控制策略，如串级控制等。主要参数如下： 比例增益： GAIN（无量纲数）、积分时间常数：RESET（秒）、微分时间常数： RATE（秒）。 正/反作用方式（Direct/Reverse Acting）：在参数CONTROL_OPTS中选择。,3,FF常用块介绍,PID块参数定义,4,功能块应用介绍,功 能 块 应 用,4,功能块应用介绍,功能块:包含基本的自动控制功能位于设备或中央处理器中可以组态连接并实现确定的控制,FC,HMI,Process,H1 Fieldbus,F

46、T,1,2,FF网络管理,FF系统管理,6、FF网络管理与系统管理,1系统管理 （1）系统管理概述 每个设备中都有系统管理实体，它由用户应用和系统管理内核SMK组成。系统管理是通过集成多层的协议与功能而完成的，用以协调分布式现场总线系统中各设备的运行。基金会现场总线采用管理员代理者模式(SMgrSMK)，每个设备的系统管理内核(SMK)承担代理者角色，对从系统管理者(SMgr)实体收到的指示做出响应。,图 系统管理与其他部分的关系,（2）系统管理的作用 系统管理可完成现场设备的地址分配、寻找应用位号、实现应用时钟的同步、功能块列表、设备识别以及对系统管理信息库SMIB的访问等功能。 现场设备地

47、址分配现场设备地址分配应保证现场总线网络上的每个设备只对应唯一的一个节点地址。首先给未初始化设备离线地分配一个物理设备位号，然后使设备进入初始化状态。设备在初始化状态下并没有被分配节点地址，但能附属于网络。一旦处于网络之上，组态设备就会发现该新设备并根据它的物理设备位号给它分配节点地址。,寻找应用位号 以位号标识的对象有物理设备(PD)、虚拟现场设备(VFD)、功能块(FB)和功能块参数。 应用时钟同步由时间发布者的SMK负责应用时钟时间与存在于数据链路层中的链路调度时间之间的联系，以实现应用时钟同步。每个设备都将应用时钟作为独立于现场总线数据链路时钟而运行的单个时钟，或者说，应用时钟时间可按需要，由数据链路时钟计算而得到。,