（检测技术与自动化装置专业论文）hse功能块应用进程的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文h s e 功能块应用进程研究 y 6 8 9 1 6 3 摘要 现场总线是目前自动化控制技术发展的趋势。由现场总线基金会组织 ( f i e l d b u s f o u n d a t io n )制定的基于高速以太网的基金会现场总线 ( h s e ) 把商 用以太网引入过程控制领域，为过程控制提供了一个低成本， 高速、高带宽、 时 钟同步、支持多种协议的通信网络。h s e功能块应用进程则是h s e成为技术上 最先进、最完备、具有互操作性的现场总线而必不可少的重要组成部分。 本论文选择h s e功能块应用进程为研究对象， 结合 h s e协议开发项目的开 展，对h s e功能块应用进程的内部组件、数据读写过程、警报处理过程、 算法 实现等方面进行了深入研究; 给出了h s e功能块应用进程的具体设计， 并在h s e 系统中对所开发的h s e功能块应用进程进行了测试。 对 h s e功能块应用进程的 研究有助于开发面向仪器、 仪表等控制设备的应用， 促进我国自 控技术的数字化、 智能化进程。对控制设备制造商和h s e系统用户更具有非常重要的意义。 本论文首先介绍了h s e 现场总线的体系结构， 接着在介绍h s e功能块应用 进程的内部组成，剖析其各个组件的作用和原理的基础上，分析了h s e功能块 应用进程的数据读写过程。 然后文中介绍了功能块的主要参数， 包括模式和状态 以及它们之间的关系，并在介绍警报参数的基础上对 h s e功能块的警报处理过 程做了详细描述。接下来分别以a i , p i d , a o三个典型的功能块为例，着重阐 述了h s e功能块内部算法的机理和实现。 再以协议为蓝本， 对实现的h s e功能 块应用进程的读写服务、 算法功能进行了软件测试， 得到了满意的结果。 论文的 最后对项日的 ! _ 作进行了总结，并对后期工作进行了展望。 【 关键字】:现场总线，高速以太网，功能块应用进程，模式，参数状态 浙江大学硕士学位论文h s e功能块应用进程研究 ab s t r a c t f i e l d b u s i s t h e t r e n d o f a u t o m a t i c c o n t r o l . h i 沙 s p e e d e t h e rne t ( h s 助 r e l e a s e d b y f i e l d b u s f o u n d a t i o n p r o v i d e s s p e c i f i c a t i o n s f o r a c o s t - e ff e c t i v e , h i g h - s p e e d , p l a n t - w i d e n e t w o r k f o r p r o c e s s c o n t r o l u s i n g c o m m e r c i a l o ff t h e s h e l f ( c o t s ) e t h e r n e t h a r d w a r e a n d s o ft w a r e . h s e f u c t i o n b l o c k a p p l i c a t i o n ( f b a p ) i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p a r t s f o r t h e h s e t o b e a n a d v a n c e d a n d i n t e r o p e r a b l e f i e l d b u s . i n t h i s th e s i s , t h e h s e f b a p i s s e l e c t e d a s th e s t u d y o b j e c t . c o m b i n i n g th e w h o l e h s e p r o j e c t , t h e t h e s i s d e e p l y s t u d i e d t h e a r c h i t e c t u r e , c o m p o n e n t m o d u l e s , a c c e s s s e r v i c e s , a l e r t p r o c e s s a n d c o n t r o l a r i t h m e t i c o f t h e h s e f b a p . i m p l e m e n t a t i o n o f t h e h s e f b a p i s u s e f u l t o t h e d e v e lo p m e n t o f t h e n a t i o n a l c o n t r o l t e c h n o l o g y . a r c h i t e c t u r e o f h s e p r o t o c o l a n d s tr u c t u r e o f e a c h m o d u l e i s i n t r o d u c e d f i r s t l y . t h e n b a s e d o n i n t r o d u c i n g t h e f b a p s a r c h i t e c t u r e , t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e fu n c t i o n o f e a c h c o m p o n e n t m o d u l e o f t h e f b a p o n e b y o n e , a n d d e s c r i b e s t h e p r o c e s s o f t h e p a r a m e t e r s r e a d a n d w r i t e s e r v i c e s o f f b a p . i n s u c c e s s i o n , t h e t h e s i s i n t r o d u c e s t h e f b a p s m a i n p a r a m e t e r s w i t h e m p h a s i s o n th e p a r a m e t e r s t a t u s a n d w o r k i n g m o d e a n d t h e i r r e l a t i o n s h i p . a n d t h e n t h e th e s i s g i v e s a d e t a i l e d a n a l y s i s o n t h e f b a p s a le r t p r o c e s s t h r o u g h i n t r o d u c in g t h e p a r a m e t e r s a s s o c i a t e d w i t h t h e a l e r t . a f t e r t h a t t h i s t h e s i s u s e s t h e a i , p i d , a o f u n c t i o n b l o c k s a s e x a m p l e s , b r in g s f o r w a r d t h e m e c h a n i s m a n d t h e i m p l e m e n t o f t h e a r i t h m e t i c o f th e f u n c t i o n b l o c k . a t l a s t , t h i s t h e s i s g i v e s a w a y t o t e s t t h e f b a p a n d s u m m a r i z e s t h e w h o l e w o r k a n d p r o s p e c t s t h e l a t e r wo r k t k e y wo r d : f i e l d b u s , h s e , f u n c t i o n b l o c k , f b a p , s t a t u s , m o d e , a l e r t p r o c e s s 1 1 第一章绪 论 h s e 现场总线技术是现场总线基金会组织根据目 前现场总线的发展趋势和 工业以 太网在工业现场的应用潜力， 制定出的一套基于e t h e rn e t 和t c p / i p 协议 又融合现场总线技术的工业通信规范。它不仅拥有现场总线用于工业过程控制 的优点而且还体现了以太网应用于工业领域的优势。它借用了国际标准化组织 ( i s o ) 的开放系统互联( o s i ) 的模型，但另外增加了“ 用户层”。而本论文所介 绍的功能块应用进程则是用户层的主要内容。 1 . 1本课题的 研究背景 h s e现场总线技术融合了传统的现场总线技术和现代工业以太网技术，本 节首先给出本课题的研究背景，主要包括现场总线和工业以太网技术的研究和 应用情况， 引出对h s e 现场总线协议及其协议结构的介绍， 最后回到本论文所 研究的h s e功能块应用进程对于整个h s e项目 的意义及其研究现状。 1 . 1 . 1现场总线技术和l业以 太网技术的发展 现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现 场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现 场控制设备和高 级控制系统之间的信息传递问 题d 1 。 较之传统的控制系统， 现 场总线有非常多的优点，主要包括:可靠性高、互换性和互可操作性好、功能 完各、 全数字通讯、 多分支结构、 系统的开放性等等2 1 目 前国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的现场总线国际标准 尚未建立，且没有任何一种现场总线能覆盖所有应用领域。较著名的现场总线 有: 基金会现场总线( f f ) , h a r t , p r o f i b u s , c a n , l o n wo r k s , mo d b u s , i n t e r b u s , c o n t r o l n e t , s w i ft n e t 等等。 在现场总线技术发展的同时，基于 c s ma / c d机制的以太网技术已经发展 成i n t e rne t 网络世界中应用最广泛的网络技术。 伴随着以太网交换技术和全双工 通信技术的发展，以太网的不确定性由于冲突避免而变得确定。这使得基于以 太网的现场总线技术在工业自 动化领域呈现出强劲的生命力。p r o fi b u s国际组 织将p r o f i b u s 与以太网结合开发出了p r o fi n e t ; 法国施耐德公司将以太网应用于 信息管理层、监控层、现场设备层，用商用领域成熟的互联网技术，推出了基 于嵌入式w e b 的 “ 透明工厂” ;德国h i r s c h m a n n , j e tt e r a g等公司己开发出基 于以太网的控制系统产品和设备。国内如浙江大学、浙大中控联合推出的基于 e p a ( e t h e rn e t f o r p r o c e s s c o n t r o l ) 的 分布式网 络控制系统中，也将以 太网 直接 浙江大学硕 t 学位论文h s e功能块应用进程研究 应用于变送器、 执行机构、 现场控制器等现场设备间的 通信4 1 国际上的一些组织也正在研究以太网应用于工业控制现场的相关技术和标 准，t 匕 较有名的工业以太网协会 ( i n d u s t ri a l e t h e rn e t a s s o c i a t i o n ) , 业自 动化 开放网 络联合会i a o n a ( i n d u s t ri a l a u t o m a t io n o p e n n e t w o r k i n g a l l i a n c e ) , i d a ( i n t e r f a c e f o r d i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ) 小 组等。 在2 0 0 2 年4 月 在北 京召开的 i e c / t c 6 5 全体会议上， i e c s c 6 5 c / w g l 己 将与工业以 太网有关的 标准明确地 列为其未来工作内 容， 在i e c 6 1 7 8 4 p a r t - 2 中 加入基于工业以 太网 媒体的行规， 同时对工业以太网传输媒体、本质安全、总线供电、通信安全性等几方面进行 研究，以适用工业控制网络未来发展需要。 在上述背景下，现场总线基金会推出了融合传统的现场总线技术和现代工 业以 太网技术的高 速以 太网( h s e , h i g h s p e e d e t h e m e t ) 作为其高速通信标准。 1 . 1 .2 h s e现场总线简介及其研究现状 如图1 - 1 所示高速以 太网现场总线h s e的体系结构2 5 1 h 1 intertace1 b r i d g e 一: 。一 f bap vf d n n f bap vf d n n f i e l d d e v i c e a c c e s s a g e n t ，图 hs e nm i b t c pu d p i p 图1 - 1 h s e 协议体系结构 该总线使 用以 太网 技术， 传输 速率 从1 0 0 m b p s 到1 g b p s 或更高。 h s e 完 全 支持 h 1现场总线的各项功能，如功能块和设备描述等，并允许基于以太网的 装置通过一种连接器与h i 设备连接。h s e总线成功地采用 c s ma / c d链路控 制协议和t c p / i p 传输协议， 并使用了高速以太网i e e e 8 0 2 . 3 u 标准的最新技术。 它的通信模型与i s o开放式系统互联网络模型的七层结构的对比如图1 - 2 所示: h s e 现场总线协议通信模型根据工业现场通信信息短，实时性要求高的 特 点使用了第一、二、三、四、七层，而放弃了会话层和表示层，但是在应用层 之上增加了用户层。通常在软件开发过程中将除去物理层和用户层后的其余部 分称为通信栈， 这样用户层协议的实现就是在通信栈基础上的设计和开发过程。 因为本课题研究的对象重点在h s e 现场总线协议的软件部分， 物理层在这里就 不作详细的叙述，下面是对 h s e协议通信软件模型各个模块结构和功能的介 浙江大学硕士学位论文h s e 功能块应用进程研究 绍。 l a y e r 7 : 应用层 l a y e r 6 : 表示层 l a y e r s : 会话 层 l a y e r 4 : 传输层 l a y e r 3 : 网 络层 l a y e r 2 : 数据链路层 l a y e r l物理层 用户层 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 i s o os i hs e 图1 - 2 h s e协议与i s o o s i 模型的对比 1 ) h s e 现场总线通信栈 h s e现场总线通信栈是实现软件通信的关键， 它主要包括五个部分: t c p / i p 协议栈、 现场设备访问 代理( f d a ) 2 8 、 系统管理( s m) 2 6 、 网 络管理 ( n m) 2 9 和h s e 管理代理 ( h m a ) o 2 ) t c p / i p 协议栈 t c p / i p是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议。 t c p / i p 协议组的准确名称应该是i n t e m e t 协议族， t c p 和 i p 是其中两个协议。 而in t e m e t 协议族t c p / i p 还包含了 与这两个协议有关的其它协议及网络应用， 如用户数据报协议 ( u d p ) 、地址转化协议 ( a r p )和互连网控制报文协议 ( i c m p ) 。 由 于t c p / i p 是i n t e m e t 采用的 协议组， 所以 将t c p / i p 体系结构 称作 i n t e m e t 体系结构。 因为t c p / i p 协议已 是既定的标准， 不是本课题研究的重点。 3 )现场设备访问 代理 ( f d a ) (2 1 1 现场设备访问 代理 ( f d a ) 位于t c p / u d p 层之上，负责把t c p / u d p 消息 传送到网络管理 ( n m) 、 系统管理 ( s m) 和用户层的功能块应用进程 ( f b a p ) e 相对来说，f d a完成的功能较多，内部结构比较复杂。 f d a的基本功能如下: 1在u d p / t c p 上传输s m和f m s 服务。 允许h s e 和h 1 现场设备、 传统 i / o设备及非f f 1 / o设备与h s e 相连， 通过连接设备或网 关; 2 .连接设备 ( 不支持h 1 桥接) 重复发送数据; 3 .通过发送和接收l a n冗余消息来支持设备中h s e接口的冗余。 总的来说，f d a部分主要工作包括它的内 部实现以 及它和其它实体的交互。 浙江大学硕士学位论文h s e功能块应用进程研究 f d a的内部结构可以用图1 - 3 表示: 如图中 所示，s o c k e t 映射协议机制是t c p / u d p 层同f d a的接口， 应用关 系协议机制指f d a中的会话 ( s e s s i o n ) . f d a服务协议机制表示会话和虚拟通 信关系 ( v c r ) 的连接， h s e v c r协议机制指f d a中的v c r实现。 有三种类 型的v c r ;客户机/ 服务器、公布者/ 预定者、报告分发。 f da f d a用户 v c r状态机 f d a服务协议机 应用关系协议机 套接字映射协议机 tcp / udp 图1 - 3 f d a的内 部结构 实际上， f d a在t c p / u d p 层和f d a用户之间 提供了一 个通信通道， 完成 了 通信通道的建立， f d a就可以 在此基础_ l 向 上层用户层提供它的服务。 4 )网络管理 ( n m) 12 9 1 网络管理处于h s e协议的最高层，是f d a的用户。在一个h s e网络系统 中，必须至少有一个网络管理者，由它授权网络管理代理进行网络管理。它们 的关系可由图 1 - 4 表示: 错误 ! 图1 - 4网络管理示意图 网络管理在h s e系统中的功能是: 1 . 对h 1 网 桥组态， h 1 网桥在h 1 接口 之间 执行数据转发和发 布任务。 2 . 在h s e 会话列表中装载列表或简单条目 ， 一个h s e 会话端点代表在两个或 多个h s e 设备的逻辑通信通道。 3 . 在h s e 虚拟通信关系列表中装入列表或简单条目， 一个h s e v c r是一种通 过h s e访问虚拟现场设备 ( v f d )的通信关系。 4 .执行监视操作，收集会话端点h s e 虚拟通信关系和h 1 网桥的数据。 浙江大学硕士学位论文h s e 功能块应用进程研究 5 . 在读取h s e n m a参数时 监视出 错检测。 网络管理的工作主要是建立网络管理在网络上的可视对象，即网络管理代 理虚拟现场设备 ( n ma v f d ) 。进而通过f ms 消息访问和操作这个v f d 。每 个n ma v f d中， 都包含一个系统管理信息库 ( s mi b ) 和一个网络管理信息库 ( n m i b ) o s mi b属于系统管理范畴， 在系统管理中定义。 n mi b在网 络管理 中定义，它是网络管理的重要组成部分之一，是被管理变量的集合，包含了设 备通信系统中组态、运行、差错管理的相关信息。 5 )系统管理 ( s m) i l l 系统管理是用来协调h s e现场总线系统中各种设备的操作。它是f d a的 用户，采用两种通信协议:s mk采用s mk p协议;s m i b采用f ms 协议。其 中， s mk p 协议， 包括s m消息的处理和s mk的状态转换， 是系统管理部分的 工作。 另外， s m i b是系统管理的基础， 包含着系统管理所需要的 全部信息。 系统管理信息库集中了控制系统管理操作的信息。每个系统管理信息库对应于 一个系统管理内核。它主要包含了h s e系统的主要组态和操作参数， 系统管理的主要功能有: 1 .保证每个设备都有一个唯一的身份，故进行身份鉴别，提供版本控制。 2 .实现时钟同步。 3 .进行功能块调度。 4 从现有的网络上增/ 减设备而不影响网络工作，允许系统管理者通过h s e管 理 h 1 网络。 h s e管理代理 ( h m a ) h s e管理代理主要是为h s e设备提供标准的i p协议以接口和管理功能。 它包括 h s e管理信息库 ( h s e m i b ) 和三个管理协议:简单网络时间协议 ( s n t p ) 、 动态主机配置协议 ( d h c p ) 、 简单网络管理协议 ( s n mp ) o h s e管 理信息库存放 h s e管理代理的管理信息。简单网络时间协议是用于实现 h s e 控制系统设备间的时间同步， 动态主机配置协议是用于现场设备i p 地址的自 动 分配。而简单网络管理协议则是用于对h s e网络信息的控制。 6 ) h s e 现场总 线用户层 以功能块应用进程和设备描述为基础的 h s e现场总线用户层是现场总线 基金会组织在h s e通信栈之上又加入的一层。它是f d a的用户，其功能包括 对工业生产过程进行测量、信号变送、控制等，实现对生产过程的自 动检侧、 监视、自 动调节、顺序控制和自 动保护，保障工业生产处于安全、稳定、 经济 的 运行状态。 用户 层是h s e 现场总线为实 现不同 系统控制功能而设计的， 是实 现互可操作性不可缺少的重要组成部分。 浙江大学硕十学位论文h s e 功能块应用进程研究 木论文所研究的功能块应用进程就处在h s e 现场总线的用户层， 从下一节 开始，将详细介绍功能块应用进程的研究情况。 综 卜 ， 高速以太网现场总线协议h s e不仅仅是一种通信协议， 它还包括对 设备的管理、通信的调度等一系列功能，是一套功能完善的现场总线控制系统 规范。 目 前，国内 外多家公司都在开发基于 h s e的 现场总线设备， s m a r , a b b 以及e m e r s o n 等公司的基于h s e的链接设备己经通过f f 一致性测试。国内， 北京华控、 中 科院沈阳自 动化研究所等单位在h s e 链接设备的开发上已 经取得 许多成果。研究和开发基于高速以太网的现场总线协议不仅能够让我们紧跟着 目 前现场总线的发展趋势，也能够让我们在现场总线技术上面不落后甚至领先 于其他公司。 同时， 研究h s e 现场总线协议也为我们制定具有自 主知识 产权的 现场总线国家标准提供思路和技术支持。 应用于控制领域的现场总线的关键特点在于它的数字式互联网络、互操作 性、开放性和网络性能，开放性是所有因素中十分重要的一个。应用广泛是开 放性最重要的衡量指标，而以太网是计算机应用最广泛的网络技术。以以 太网 作为高速现场总线框架的主体，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术 的发展之外， 使现场总线技术与以太网技术很好地融合而形成相互促进的局面 这也正是研发现场总线中的高速以太网h s e的意义所在。 目 前只有浙江大学先 进控制研究所和中科院沈阳自 动化研究所完成了h s e协议的开发工作。 1 . 2 h s e功能块应用进程的 研究现状和研究意义 前面己经介绍，h s e的最上层用户层是 h s e的一大特色，是整个 h s e系 统的重要组成部分之一， 而用户层最主要的部分就是h s e功能块应用进程。 在 h s e功能块应用进程的研究方面， 浙江大学先进控制研究所已经有了很多积累。 特别是在对h s e 功能块应用进程所在的h s e 用户层协议的研究和h s e功能块 应用进程的内部组成方面，取得了阶段性进展。功能块应用进程的雏形己经建 立。但是在功能块应用进程的通信服务的实现方面还有许多需要完善的工作。 而功能块的内部算法方面的研究，则基本没有展开。 本论文的 任务是详细地讲解整个h s e 功能块应用进程的实现以 及该软件 的 测试， 主要包括h s e 功能块应用进程的内部架构， 功能块应用进程的读写服 务的实现，警报的处理，功能块的内部算法及其实现，h s e功能块应用进程的 软件测试。 本论文的结构如下: 第一章介绍了本课题的研究背景，主要包括现场总线技术的 发展、工业以 浙江人学硕士学位论义h s e 功能块应用进程研究 太网 技术的应用和研究以 及h s e协议的 研究 现状，并 简要给出了h s e现场总 线通信协议的结构和各个模块的组成和功能以 及它们之间的关系， 突出了 木课 题研究的意义。 第二章在介绍h s e功能块应用进程的内部组成，剖析其各个模块组件的作 用和原理的基础上， 分析了h s e 功能块应用进程的数据读写过程。 第三章重点介绍了功能块的主要参数， 包括模式和状态以 及它们之间的转 换关系。分析了 模式和状态在功能块的通信和算法中的关键作用。 第四章并在介绍警报参数的基础上对h s e 功能块的警报处理过程做了详细 描述。 第五章分别以a l , p i d , a o三个典型的功能块为例，着重阐述了h s e功 能块内部算法的机理和实现。 第六章以协议为蓝本，对实现的h s e 功能块应用进程的读写服务、 算法功 能进行了软件测试，得到了满意的结果。 论文的最后对项目的工作进行了总结，并对后期工作进行了展望。 1 .3本章小结 本章主要介绍了本课题的 研究背景， 包括h s e 现场总线系统的研究现状和 协议架构，并说明了功能块应用进程的研究意义和本论文的内容和结构。 浙们大学硕斗学位论文h s e功能块应用进程研究 第二章h s e功能块应用进程的内部架构 基金会现场总线的功能块应用进程采用了模块化的定义，包含很多应用对 象，本章介绍了其中的功能块，资源块，转换块，链接对象，视图对象，趋势 对象，警报对象，行为对象，域对象，程序调用对象，对象字典。正是这些对 象模块的分工和协同r . 作，构成了整个功能块应用进程。 2 . 1功能块应用进程组成 在h s e规范中，功能块应用进程位于通信栈之上的用户层， 每个设备中可 以允许有多个功能块应用进程，其作用主要是用来完成用户所需的自 动化应用 功能。它是基于功能块模型的，每一功能块都是一独立的软件模块，完成某一 特定功能。根据具体的应用需求，可将多个功能块集成在一起，从而完成所需 的应用功能。它采用的是一种分布式的应用程序框架，允许功能块分散在不同 的设备之中，通过通信及集成技术来组成完整的应用程序。 在具体结构上，功能块应用进程是由功能块应用对象，对象字典和设备描 述三部分组成(2 3 1 。 功能 块应用对象义包括: 三个块对象和七个普通对象。 普通 对象包括链接对象，警报对象，趋势对象，视图对象，程序调用对象，域对象 和行为对象，其中，块对象是最重要的，以块对象为骨架，配合其它所需的应 用对象，才构成完整的应用程序。而块对象又可分为资源块，转换块和功能块 三种。功能块是构建用户应用进程的基础，资源块和转换块则用于将功能块同 设备硬件特性隔离开来，为功能块提供一通用的设备硬件访问方式。资源块着 重于提供设备的硬件特征， 包括设备类型、制造商i d 、设备内存等，以及提供 一些可影响功能块应用进程运行的选项。而变送器块则着重于从设备硬件获得 或输出数据，并经过必要的处理，如线性化、改变量程等，再将数据传给输入 或输出类功能块，从而将功能块同具体硬件隔离开来，简化了功能块的设计开 发。对象字典和设备描述主要用于对各种功能块应用对象以及它们的子对象进 行数据定义和描述，保证外界程序能真正理解各类对象数据格式和意义。正是 通过对象字典和设备描述，功能块应用对象才做到完全自 描述，才能进行相互 操作，从而能组成分布式的用户应用程序。但对象字典和设备描述侧重点有所 不同。 对象字典侧重于描述对象通信所需的信息， 包括对象的数据类型， 长度， 值地址，读写方式等;而设备描述则侧重于描述对象的表现形式，对象之间的 关系等一些有助于主机程序实际上是人对对象理解的信息。 标准化功能块与功能块应用进程是基金会现场总线有别于其他总线的一项 技术内容。 浙江大学硕十学位论文“ s e功能块应用进程研究 2 . 1 . 1功能块应用对象 现场总线基金会设计技术规范确定了支持现场总线过程测量和控制系统所 必须的框架。这样一个系统由一些互连的、利用现场总线通信网络相互进行通 信的设备集合构成。每个设备都是一个独立的物理实体，在特定情况下能够执 行一个或多个指定功能，并由它的接口限定。由该系统执行的每个重要功能， 都被模型化为一个应用， 这个应用可留驻在单个设备或可以分布在几个设备中。 功能块应用是由驻留在一个公共现场总线通信网络中集成的一组功能块应用进 程组成的。它的体系结构如下图3 - 1 所示2 3 1 . 处理 1 / o资 源硬 件 t,ll tt?.:ftt fu# 1 i to 3r*- j g, u 与其他资 源交互 + 资源块 功能块 1 rji1f1 1 视图对象 鳌报对象 域对象 蒸 孟 连接对象连接对象 图3 - 1 功能块应用对象的体系结构 h s e 现场总线功能块应用对象包括:块对象和普通对象。其中块对象包括 资 源块、 功能块和转换块。 普通对象共包含: 链接对象 ( l i n k、 视图 对 象 ( v i e w o b j e c t ) 、 趋势 对象 ( t r e n d o b j e c t ) , 警报对象 ( a l e r t o b j e c t ) , 程序 调 用对象 ( p r o g r a m i n v o c a t i o n o b j e c t ) 、 域 对象( d o m a i n o b j e c t ) 和行为 对 象 ( a c ti o n o b j e c t ) 。 所 有的 对 象 都 是 为了 配 合 功 能 块 应 用 进 程中 功 能 块的 正 常 执 行和支持网 络监控设备和显示设备的有效工作而设置的。所有对象的描述信息 都存 放在功能 块应用 进 程的 对象字典( o b j e c t d i c t i o n a r y ) 之中 ， 可 通过网 络 对 其中的相关设置进行读取、 修改操作。 下面就这些对象进行详细的分析， 为h s e 功能块应用进程的实现打下基础。其中警报对象暂时不作介绍，留到警报处理 一 章在作详细分析。 2 . 1 .2资源块 功能块应用进程把它的虚拟现场设备v f d模块化为一个个资源。 一个资源 浙江大学硕士学位论文h s e 功能块1 划日 进程研究 等同于一个功能块应用进程，每个资源中 都有一个资源块。资源块通过定义一 些内部参数来描述现场设备的物理特性和一些硬件特性，如设备名、制造者、 系列号、 存储器状态等，为了 使资源块表达这些特性， 规定了 一组参数。资源 块没有输入或输出参数。它将功能块与设备硬件特性隔离，可以通过资源块在 网络上访问与资源块相关设备的硬件特性。 资源块也有其算法，用以监控和控制物理设备硬件的一般操作。其算法的 执行取决于物理设备的特性，由制造商规定。该算法可能引起事件的发生。一 个 设 备 中 只 有 唯 一 的 一 个 资 源 块 【2 4 1 资源块数据被分为两组。 操作数在资源内影响或反映着功能块应用进程的执 行情况， 其他数据则不。 各组数据都分为静态数据和动态数据。 四组数据放在四 组观测对象中，其中观测对象i 和观测对象3 相同。 模式用来控制资源的主状态，o / s 模式迫使所有功能块的执行停止。功能块 的实际模式可以 被改变为o / s ， 而目 标模式不能被设为o / s 。 自 动模式允许资源的 正常操作。i ma n 表示资源正在初始化或正在接受一个软件下载。参数 m a n u f a c _ i d , d e v t y p e , d e v es r e v , d d _ r e v 和 d d r e s o u r c e 用来标识 d d 和查找d d 的位置，这样设备描述服务可以为资源选择正确的d d 来使用。 d d 一e v 参数提供最老 ( 数字最小) 的d d 的 版本， 这个参数描述了 这一 版本的 这个设备。 一个主机希望给设备使用最新的d d 。 参数h a r d t y p e s 是一个只读 位串，表示本资源可用的硬件的类型。如果组态一个输入/ 输出块时要求的一个 硬件类型不可用， 那么结果是一 个组态错误的块报警。 枚举参数r e s t a r t ( 允许 重启 状态) 表示资源初始化的 等级。它们是1 运行、 2 重启资源、 3 以 默认值重启、 4 处理 器重启。 选项1 是参数的不活动状态。 选项 2 用于象g a r b a g e c o l l e c t i o n 那 样清 除问 题。选项3 用于把所有可组态的功能块应用进程对象r e s e t 为它们的原始值， 即它们在被用户的任何组态前的值。选项4 则提供了一个方法来操纵与资源相关 的处理器的r e s e t 按钮。 此值不会出现在观测对象中， 因为它在被写入后很快就回 到了 t o c y c l e es t y p e 参数是一个位串，定义了 此资源可以作的 循环类型。 c y c l e s e l 允许组态表示设备使用的一个或多 个执行类型。 m i n c y c l e t 是 厂商规定的执行一个循环的最小时间。它给资源的调度设置了一个下限。 m e m o r y es s i z e 定义了用于功能块组态资源的大小，以千字节为单位。 n v c y c l e _ t 允许厂商定义从n v 类数据到n v 内存的拷贝的最小时间间隔。 ( n v 表示n o n - v o l a t il e ) n v 内 存只在当动态值出 现了 一个重要变化时作更新。 最后存储到n v 内 存中的值对于重启过程是可用的。 如果值为0 ， 它将不可能被自 动拷贝。参数f r e e s p a c e 表示仍然可用的组态内存所占的比例。而参数 f r e ej i m e 表示资源块留出 来用于处理新的 功能块的时间所占 的大约比 例，应 浙江人学硕 上 学位论文h s e 功能 块应用进程研究 当被组态。 s h e d r c a s和s h e d r o u t 设置跟一个远程设备失去通信的时间限 制。 这些常数被各个功能块使用。 时间溢出 的影响 在 p a r t i 的 模式计算中 有了 描述。 参数m a x es n o t i f y 是 对应着用于警报报文的缓冲器的空间的大小的一个量， 表 示该资源块在没有得到一个确认的情况下能够发出去的最多警报报告数 用户可 以 调整l i mn o t i f y 参数的 值， 来设置一 个低于 m a x n o t i f y 的数值，控制警 报泛滥。 如果l i m n o t i f y 被设置为 。 ， 那么不报告警报。 参数c o n f i r m t i m e 为资源块等待一个对接收到报告进行确认的时间。 位串 f e a t u r e s 和f e a t u r e s e l 定 义了 资 源块 的 可 选行为。 前 者定义了 可 用的特性， 是只读的。 后者则用于由组态来开启一个可用的特性。 资源中的所有 组态串变量，除了 t a g 名称外都是八位位串。无论是a s c i i ( i s o拉丁1 ) 或者 u n i c o d e ( 定义于d d l ) 均可以 使用 ( 见2 . 1 5 ) 。 如果组 态设备正 在生成 u n i c o d e八 位位串， 它必须设置u n i c o d e 选择权位。组态设备必须使资源的串 变量保持一致。 如果资源块支持报警报告， 报告选择权将被设置进特性位串。 如果支持 缺省 状态， 那么如果定 义了 f a u l t s t a t e i : c l e a r ; 2 : a c t iv e 的话， 此参数将导致所有此资源块中定义了的输出块立即走向由缺省状态类型输 入/ 输出选项选定的条件。它可以是由物理输入出于此目的设置给该设备的，也 可以 是由 参数s e t es f s t a t e 通过一个报文从总线上设置的。 如果物理输入被重新 启动了， 可以 通过设 置参 数c l r 一 f s t a t e 来 清除 它。 物理 输入 重新启 动时 它 不 会 自己 清除。设置和清除参数不会出现在观测对象中，因为它们是瞬间值。 如果资 源块支持 软写 保 护或硬写 保护， 参数 w r i t e es l o c k ， 如 果设置了 的 话， 将制止任何对基于资源中的功能块应用进程的静态或非易变的数据进行外部 变化。 块的连接和计算结果将正常处理， 但是组态将被锁死。 如f e a t u r e s 位串 里所示， 一个硬写保护可以由设备里的一个跳线来实现。 当不支持硬写保护或不 能够通过参数f e a t u r e es s e l 来激活这一特性， 那么可以通过在软写保护在 f e a t u r e s e l 中 处于能 动状态时 对w r i t e l o c k 进行写 入操作来设置或 清除 w r i t e 一o c k。清除wr i t e l o c k将产生离散警报wr i t e a l m，以 w r i t e p r i 的 优先 级。 而 设 w wr i t e es l o c k 将 清楚 此 警 报 ( 如 果 存在的 话) 。 当设备支持硬写保护并且f e a t u r e s e l 中的相关属性被激活了，参数 w r i t e _ l o c k 将仅 仅是一 个写 保护的 状 态的 指示 值。 对 w r i t e _ l o c k 的 写 操 作 将被设备拒绝。 为了激活写保护， 写保护跳线必须处在正确的位置， 如厂商所决 定的 那 样， 且必须 设置 f e a t u r e es s e l 中的 支持 硬写 保 护的 相应 位。 当 设备 探 测 到此， w r i t e _ l o c k 将 被设 置 为2 。 在 这种状 态下， 所 有 对静态 和非 易 变参 数的 写 操作将被设 备拒 绝。 当 f e a t u r e _ s e l 中 的 硬写 保 护 被激活时， 软 写 保 护的 组 态值将对设备操作毫无影响。由于在写保护的状态下f e a t u r e s e l 是不可写 浙江人学顽士学位论文h s e 功能块应川进程研究 的， 要使得写保护无效， 必须改变跳线。 一旦设备探测到跳线的位置改变了， 写 保护失 效， 月 一 设 置 w r i t e _ l o c k 为1 。 对 跳线的 探 测有 厂商决定。 一些 厂 商可能 要求设备再次启动来探测跳线，而另一些厂商可能在设备的正常操作下探测跳 线。 这两种情况都是可行的。 如果支持直接写给输出硬件，即使资源已 死， 通信 栈还能够写一或多个硬件值。 使用方法则是各个厂商自 定义的， 因为没有标准的 对这种特性的支持方式。 功能块应用源的全局状态将由资源块的 源状态参数来表示。这个参数将被 包含在一个制造商具体算法中。 在所有的状态下，设备将为确保操作的正确可 靠性进行周期性地检查存储器和其他硬件。 2 . 1 .3 功能块 功能块是实现现场智能仪表互操作、自 诊断和自 适应功能的基础。功能块 被集成到现场设备中以获取所需要的控制功能，同时也定义了一系列的工作在 使设备实现互操作的标准方式下的属性和行为。 功能块封装了控制功能( 如p i d 控制， 模拟输入等) ， 更进一步， 功能块还定义了参数的状态传播机制和模式切 换规则，通过这些，功能块就能够适应自 动诊断和自 适应的环境。例如， 传感 器失败或通信失败时，功能块能根据机制自 动初始化出错安全状态，而无须任 何操作者的干涉。事实上，功能块是可自 调节的智能软件块。 h s e 的功能块模型提供了 一种通用结构来定义功能 块的 输入、 输出、 算法 和控制参数以及将多个功能块组合成一应用进程。这种结构简化了功能块公共 特征的识别和标准化。 图3 - 2 显示了 功能块的内 部结构2 3 1 图3 - 2功能 块内 部结构图 功能块是参数、 算法和事件的完整组成; 功能块之间的 信息及数据交换 浙江大学硕十学位论文h s e 功能块应用进程研究 是通过输入参数和输出 参数来传递: 功能块的 执行调度是由 外部输入事件来 控 制，实际上是由 系统管理内 核来管理的;功能块算法是功能块特有的，与外界 无关，但受到内 含参数的控制;功能块接受输入参数，根据内含参数及算法运 行， 产生输出参数以及输出事件， 从而实现某一控制功能。 采用这种通用结构， 功能块就成为已 封装好的软 件构件。它的内 部算法是外界无法也无需改变的， 对外接口则通过功能块参数的访问及标准事件提供。这样做的好处在于:对开 发商来说， 能专注于功能块本身的开发和维护而无需顾及不同的用户应用情况; 对用户来说，能专注于应用情况，可以使用最恰当的功能块来组成最佳的 应用