（电路与系统专业论文）hse现场总线系统中功能块应用进程的研究与开发.pdf

摘要 1 少 9 3 5 0 7 l 厂现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节 点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络( i n f r a n e t ) 。其最大的特点 有两个，一是实现了现场仪表的数字通信和智能处理，二是它的全开放性。这些 特点都促进了三些莛鱼呸笙的发展。各种现场总线标准主要有：基金会现场总线 f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 、局部 操作网络l o n w o r k s ( l o c a l f l e l d b u s ) 和h a r t 协议 本论文主要是 线系统中功能块应 控制、互可操作的 从系统 o p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s s ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等。2 尸 协议的角度论述了f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) a s e 现场总 用进程( f b a p ) 子课题的实现。f 其中的功能块是实现分散式 核心技术和关键，也是f f 区别于其他现场总线、真正实现全 分散控制的关键。本文对该部分协议进行了深入剖析，分析了关键点、难点、提 出了解决方案，并对f b a p 的编程开发作了详尽的阐述。1 。一 论文第一章介绍了基金会现场总线的产生、发展，整个现场总线领域的现状、 当前流行的几种现场总线以及开发h s e 现场总线的意义。第二章在介绍了f f h s e 系统的体系结构之后，对其中的功能块应用进程部分作了详细分析。第三 章分析了功能块应用的复杂性和难点所在。第四章介绍了一种有效的复杂系统分 析模型功能块的着色p e t r i 网( c p n ) 模型，为后面的功能块实现中的参数 状态传播和模式切换部分做下技术准备。第五章具体阐述了f b a p 的编程开发。 第六章总结了开发成果并展望了现场总线在未来的发展趋势。 关键字：现场总线f 系统协哆功能块应用进程艇垂垂娶z 2 a b s t r a c t f i e l d b u si sad o u b l e d i r e c t i o n ，d i g i t a l ，m u l n o d ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c h i n t e r c o n n e c t st h ei n t e l l i g e n td e v i c e sa n da u t o m a t i z a t i o nc o n t r o ld e v i c e s ，i ti sa l s o c a l l e da si n f r a n e t0 n eo ft h et w om a i nc h a r a t e r i s t i c so ff i e l d b u si si t sr e a l i z a t i o n o fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n t h eo t h e ri si t s “lo p e n n e s st oa 1 1 t h e yh a v ep r o m o t e dt h e d e v e l o p m e n to f t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m sg r e a t l y t h er e p r e s e n t a t i v e so ff i e l d b u s s t a n d a r da r e ： f f ( f o u n d a t i o n f i e l d h n s ) ，c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k ) ，p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l d b u s ) ， a n d h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r ) e t c t h i st h e s i s p u t s f o r w a r dt h er e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o nb l o c ka p p l i c a t i o n p r o c e s so ft h ef fh s ef i e l d b u ss y s t e mi nt h ev i e wo ft h eg e n e r a ls y s t e mp r o t o c 0 1 t h ef u n c t i o nb l o c ki nf u n c t i o nb l o c k a p p l i c a t i o np r o c e s si st h ec o r et e c h n o l o g yo f r e a l i z i n gd i s t r i b u t e dc o n t r o la n dm u t u a lo p e r a t i o n i nt h i st h e s i s t h ek e yt e c h n o l o g y a n dd i f f i c u l t i e si nd e v e l o p m e n ta r ea n a l y z e d d e e p l ya n d t h er e s o l v e n ta r ea l s og i v e n i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h eh i s t o r yo ff i e l d b u s ，t h ea c t u a l 畸o ff i e l d b u st e c h n o l o g y ， s e v e r a l p o p u l a rf i e l d b u s a n dt h e s i g n i f i c a n c e o f d e v e l o p i n gh s ef i e l d b u s a r e i n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , a f t e rt l l ed i s c u s s i o no ft h ea r c h i t e c t u r eo ft h ef f h s ef i e l d b u ss y s t e m ，t h ef u n c t i o nb l o c ka p p l i c a t i o np r o c e s si sa n a l y z e di nd e t a i l i n t h et h i r dc h a p t e r ，t h ec o m p l e x i t yo ff u n c t i o nb l o c k a p p l i e a t i o na n d s o m ed i 筋c u r i e si n o u rw o r ka r eg i v e n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , c o l o r e dp e 仃in e t ( c p n ) m o d e l so ff b sa r e c o n s t r u c t e d ，a n dt h r o u g hw h i c h t h ei m e m a t p r o c e d u r eo ff b s a n dt h er e l a t i o n s h i po f m o d ea n d p a r a m e t e r s t a t u sb e t w e e nd i r e n tf b sa r ea n a l y z e df o rp r e p a r a t i o n i nt h e 矗甑c h a p t e r , w ed i s c u s st h ed e v e l o p m e n to f f u n c t i o n b i o c k a p p l i c a t i o n p r o c e s s a n d i nt h e1 a s tc h a p t e r t h ec o n c l u s i o ni ss u m m a r i z e da n d 也ep e r s p e c t i v eo ff i e l d b u s t e c h n o i o g yi sd e s c r i b e d k e y w o r d si ：f i e l d b u s ，s y s t e mp r o t o c o l ，f u n c t i o nb l o c ka p p l i c a t i o np r o c e s s ，c p n m o d e l 3 第一章绪论 1 1 基金会现场总线的简介 随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低。计算机与计算机网络系统得到迅速发展。 据统计，过去二十年中，计算机和通信的年增长率不低于2 5 ，使计算机集成制造系统的 实施具备了良好的物质基础。但处于企业生产过程底层的测控自动化系统，要与外界交换信 息。要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场 环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字 通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现 场总线就是在这种背景下产生的m 7 1 。 基金会总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有 良好发展前景的技术。其前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、 a b b 、西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r l df i p 协议。屈于用户的压力，这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了 现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 开放系统层上增 加了用户层。用户层主要针对自动化浏控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设 备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力， 因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性口q 。 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通 信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电防爆环境。h 2 的传输可为1 m b p s 和2 ，5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和 无线发射，协议符合i e c l l 5 8 - 2 标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 基金会现场总线的主要技术内容，包括f f 通信协议、用于完成开放互连模型中第2 - 7 层通信协议的通信栈( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) t 用于描述设备特征、参数、属性及操作功能 块：实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件以及构筑集成自动化系统、网络系统的系 统集成技术。1 9 9 6 年在芝加哥举行的i s a 9 6 展览会上，由现场总线基金组织实施，首次向 世界展示了来自4 0 多家厂商的7 0 多种符合f f 协议的产品并将这些分布在不同楼层展览大 厅不同展台上的f f 展品，用醒目的橙红色电缆，展现了基金会现场总线的基本概貌。 高速现场总线的发展较为缓慢，尚处于起步阶段。到目前为止，主流现场总线f f 的 h 2 高速总线部分原计划在1 9 9 8 年出台，但迄今尚未看到其产品。f f 的h 2 难产之后，2 0 0 0 年3 月宣布将用1 0 0 m b s 的e t h e m e t ( 以太网) 来增强h 2 的方案。f f 制定的h s e 计划( h i g h s p e e de t h e r n e tp r o g r a m ) ，用高速以太网作为h 2 的一种选择。f f 选择了基于；l 太网的现场 总线协议颇有些耐人寻味。 1 9 9 6 年提出的h 1 低速总线现已进入使用阶段，而2 0 0 0 年3 月提出的基于高速以太网 ( h s e ，h i g hs p e e de t h e m e t ) 的基金会现场总线则因采用了l o o m b s 的e t h e r n e t ( 以太网) 来增强其h 2 高速总线部分计划而非常具有仓意和意义。h s e 系统协议描述的第二版f s l 1 也于2 0 0 0 年1 1 月份颁布。现在有许多国家、地区都为致力于此项技术的开发而投入了大量 6 人力物力，但到目前为止，尚无成品。 应用f 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，使现场总线技术与计算机网络技术很好地 融合而形成相互促进的局面，从而打破垄断，完成高速现场总线领域的统一大业。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。 1 2 现场总线的业内动态 当代社会，技术创新是发展的灵魂，且机遇与挑战并存。控制领域的技术刨新主要体现 在控制系统的网络化与体系的开放性。现场总线正是顺应了这一趋势，成为当今自动化领域 技术发展的热点之一。它的出现，导致自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编程控制器 ( p l c ) 在产品体系结构、功能结构方面有较大变革，使相关的制造厂家面临产品更新换代 的又一次挑战，它标志着工业控制技术领域又一个时代的开始i 。 国外许多公司花巨资投入了现场总线的开发，率先顺应潮流、迎接挑战，获得了大发展， 赢得了主动权，在较大范围内形成了公认的标准或国际标准。发展慢的，被迫跟着别人的标 准走，发展空间大大受到压迫。或者只好将市场拱手相让。 我国现场总线的市场是巨大的，据估计近期可达2 3 亿美元，而其潜力更令国外开发 商垂涎。积极吸收和引进国外现场总线的先进技术和管理经验，加强同国外大公司的合作， 这在开始无疑是一条行之有效的捷径。我国相关的部门采取了积极的姿态，成立了国外主流 现场总线专委会p u l ： 中国仪器仪表行业协会已成立了中国现场总线专委会，简称c f c ： 中国机电一体化应用协会已成立了p r o f i b u s 专委会，简称c p 0 ； 建设部成立了中国智能l o n w o r k s 协议网； 上海电器科学研究所与0 d v a ( 开放式设备网络供货协会，d e v i c e n e t 总线的组织机 构) 签署了合作协议。共同筹建0 d v ac h i n a ： g o r l df i p 将在中国设立信息中心： p n e t 在中国设有联络处。 目前国内现场总线已经发展到推广应用阶段，现场总线技术在中国正在健康地发展，要 进一步促进现场总线的快速发展，最重要是推动企业对现场总线的应用。但是还有许多企业 对现场总线技术和产品是否成熟可靠持怀疑态度，对应用时能否得到必要的支撑没有把握。 我们认为现场总线技术在中国已经度过了启蒙宣传期，进入推广应用期，企业可以消除顾虑， 大胆使用。这是因为： ( 1 ) 中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要战场 一些世界主要的现场总线组织在中国设立分支机构，如：d e v i c e n e t 、f o u n d a t i o n f i e l d b u s 、l o n w o r k s 、p n e t 、p r o f i b u s 和w o r l d f i p 等其它现场总线在中国也由它的主要支 持企业积极地推进或打算建立分支机构。如：a r c n e t 、a s 【、c a n 、c c l i n k 、c o a t m | n e t 、 e t h e m e t 、h a r t 、i n t e r b u s 、m o d b u s 和s d s 等在一些专业领域，国内专家正在推广一引 起专用现场总线，如在航天领域，某些高校和研究单位正在积极推广m i l s t d 1 5 5 3 总线。 1 2 ) 一些现场总线在中国的推广已经取得骄人业绩 一些现场总线在国内的应用已经取得良好业绩，如f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、h a r t 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 和w o r l d f i p 等它们有的已经打入国内重点工程，有的已经在特定领 域获得广泛认同，几乎成为事实上的标准 2 0 0 1 年4 月在上海召开的一个会议上，s i e m e n s 公司p r o f i b u s 的专家说，p r o f l b u s 组织 p n o 在国内已有1 2 0 多个会员单位，有2 0 余家在从事p r o f i b u s 产品的开发，p r o f i b u s 产品 已经在国内2 0 0 多项工程中投入运行( 其中s 6 项是p r o f i b u s - p a 工程) ，投入运行的p r o f i b u s 设备超过2 0 0 0 台。部分现场总线在中国的推广面属于世界领先。2 0 0 1 年6 月在青岛召开的 中国f f 阁户组织会议上，f f 的专家说，f f 已在5 6 个国家的1 8 0 0 个系统中用了4 万多个 设备，其中中国约有1 0 0 个系统，4 0 0 0 多台设备( 包括淙系统和设备) ，这个应用规模在世 界上占第四位【1 ，2 】。 ( 3 ) 国内企业开发的产品开始投入使用 些国内企业在国家“九五”科技攻关项目或其它科技项目的支持下，完成了国产现场 总线产品的开发。其中生产系统产品的有：浙大中控公司、北京和利时公司、北京华控技术 有限责任公司、康泰克公司、冶金自动化研究院、沈阳自动化研究所和上海工业自动化仪表 研究所等。采用的现场总线有：c a n 、h a r t 、f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等。 生产智能现场检测仪表和执行器产品的有：上海自动化仪表股份有限公司、重庆四联集团有 限责任公司、西安仪表有限责任公司，北京华控技术有限责任公司、重庆自动化仪表研究所 和上海工业自动化仪表研究所等；另有一批民营企业从前述企业购买核心现场总线模块，自 行组装各种类型的现场总线仪表，这样的企业不少于3 0 家。采用的现场总线有：h a r t 、 f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、l o n w o r k s 等。产品包括变送器、执行器、分析仪表等4 0 余种基型产 品。生产电器设备的有：上海电器科学研究所及所联系的研究所、企业等。采用的现场总线 有：d e v i c e n e t 、p r o f i b u s 等p 。 1 3 发展现场总线的意义 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字计算和 数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等传输介质作为总线，把多个测量控制仪表连 接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间， 以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。 传统模拟控制系统采用一对一的物理连接( 位于控制室的控制器与位于现场的测量变送 器、执行器、开关、马达等均如此) ，按控制回路分别进行连接。现场总线系统打破了这种 结构形式，由于采用了智能现场设备，它能把原先d c s 系统中处于控制室的控制模块、输 入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等 执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在 现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于现场总线技术的一系列特点，使控制系统本身及其设计、安装、投运、生产运行和 检修维护都体现出很多优越性。 首先，提高了系统精度和可靠性； 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制 的糖确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部 功能加强，减少了信号的往返传输，数字通信及支持多种先进的传输介质使系统对现场环境 的适应能力大大提高而且采用全分散性控制的体系结构，提高了系统工作的可靠性。 其次，节省了硬件数量与投资； 由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而不再需 要单独的调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元( 换 而言之，可以降低对集中处理能力的要求) 及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站， 8 从而_ i 了省了一大笔硬件投资，井可减少控制室的占地面积。 再次，节省安装费用； 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电 缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要 增加现场控制设备时无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电线上，既节省了投资，也 减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用6 0 以上。 最后，节省维护开销。 现场殴备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送 往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排 除，缩短了维护停产时间，同时由于系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。 现场总线的出现使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本 的变革。这是因为现场总线不单单是一种通信技术，它的意义不仅仅在于用数字仪表代替模 拟仪表，更重要的是在于使得整个控制系统的结构产生了根本性的变革。现场总线技术的出 现，必将冲击现有过程控制系统的总体结构、设计思想、安装调试方法、人员培训以及产品 市场的格局。 现场总线技术最大的特点有两个，一是实现了现场仪表的数字通信和智能处理，二是它 的全开放性。在现场总线的国际标准逐渐统一后，将实现一个真正开放式的可互相连接的系 统结构。各厂家产品可交互操作和互换使用，给用户进行系统组织和选型提供了更多的选择， 也可以减少必需的备品、备件。 从长远来看，现场总线控制系统代替现有的控制系统是一种必然。并不是说，现场总线 技术就能决定一个企业的生死存亡，而是一个企业对现场总线技术的应对策略将直接影响其 竞争力。尤其是对仪表厂商，影响就更大。这将是国内控制设备和仪表厂商扩大市场的一次 良机。 1 4 当前流行的几类现场总线 目前国际上有4 0 多种各具特色的现场总线，没有任何一种现场总线能覆盖所有应用面。 围绕着现场总线的国际标准，各公司展开了一场技术、经济与政治上互不相让的激烈斗争。 因而i e c ( 国际电工委员会) 历时1 2 年于2 0 0 0 年1 月4 日公布通过的i e c 6 1 1 5 8 现场总线 标准，容纳了8 种互不兼容的协议1 。它们是： 类型l ：i e c 技术报告( 即f f i ) ： 类型2 ：c o n t r o l n e t ( r o c k w e l l 公司支持) ； 类型3 ：p r o f i b u s ( 德国西门子公司支持) ： 类型4 ：p n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) ： 类型5 ：f fh s e ( 即原来f fh 2 美国f i s h e r r o s e - m o u n t 公司支持) ； 类型6 ：s w i f fn e t ( 美国波音公司支持) ； 类型7 ：w o r l d f i p ( 法国a l s t h o m 公司支持) ： 类型8 ：i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 。 i 、基金会( f f ) 现场总线 类型1f f 现场总线是专门为过程自动化而设计的，基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 是它的一个子集。它参照i s o o s i 参考模型，采用了其中的物理层、数据链路层、 应用层，再加上用户层，形成四层结构。其特点是：在应用层上面，增加了一个内容广泛的 9 蹦户层，这在其它总线是没有的。用户层由两个部分组成，即功能块和设备描述语言。 功能块将控制功能进行了标准封装，如模拟输入、模拟输出、p i d 控制等，可根据需要 内置r 现场设备，以实现所希望的功能。设备描述( d e v i c ed e s c r i p t i o n ，简写为d d ) 以设 备描述语言写成用以描述设备通信所需的所有信息，并由设备供应商提供。一旦d d 上载 到主机系统后，系统及所有其它设备就能识别出该设备的所有性能。 7 由于有了用户层，就可以充分实现设备的互操作性，而且可以做到即插即用( p l u ga n d p l a y ) 。 2 、c o n t r o l n e t 现场总线 c o n t r o l n e t 最早由r o c k w e l l 公司于1 9 9 5 年1 0 月提出。它是一种用于对信息传送有时 间苛刻要求的、高度确定性的网络，同时允许传送对时间苛求的报文数据。 c o n t r o l n e t 采用一种新的通信模式，以生产者消费者( p r o d u c e r ，c o n s u m e r ) 模式取代传 统的源耳的模式。它允许网络上的所有节点同时从单个数据源存取相同的数据。这种模式 最主要的特点增强了系统的功能，提高了效率和并可实现精确的同步。 3 、p r o f i b u s 这是8 0 年代初德国制订的一种现场总线标准，分为三种类型：p r o f i b u s d p ( 分散外 围设备) ，适用于在加工制造自动化领域的应用，实现分散外设之间的高速数据传输； p r o f i b u s f m s ( 现场总线报文规范) ，适用于楼字自动化等领域；r o f i b u s p a ( 过程自 动化) ，适用于流程自动化领域。这3 种类型均使用单一的总线访问协议它只采用了o s i 模型的物理层、数据短路层、应用层，通过i s 0 0 s i 的第二层实现包括数据的可靠性以及 传输协议和报文的处理。d p 和f 惦用r s - - 4 8 5 传输，属于高速部分，传送速率在9 6 k b s 和1 2 i i b s 之间：p a 则采用i e c 6 1 1 5 8 - - 2 ，属于低速部分。 p r o f i b u s 支持主从模式、纯主站模式、多主多从模式等，主站对总线有控制权，可主动 发信息，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、 获取信息。 4 、p n e t 协议 p - n e t 的设计开始于1 9 8 3 年。p - n e t 采用i s o o s i 参考模型中的1 ，2 ，3 ，4 ，7 层， 是一种多主站主从式总线( 每段最多可容纳3 2 个主站) ，使用屏蔽双绞线电缆r s 4 8 5 ，每段 总线最长1 2 0 0 米，每段最多可连1 2 5 个设备，总线分段之间使用中继器。数据以n r z ( 不 归零位) 编码异步传输，传输速率7 6 8 k b i f f s 。 p n e t 总线访问采用一种“虚拟令牌传递”的方式，总线访问权通过虚拟令牌在主站 之间循环传递，即通过主站的访问计数器和空闲总线位周期计数器确定令牌的持有者和持有 令牌的时间。这种令牌传递方式是一种基于时间的循环机制，比报文传递令牌方式的传递效 率更高。p - n e t 对从站的通信程序仅需几千字节的编码，结构简单，不需采用专门芯片， 比其他总线更易于开发和转化“小系统、低成本”是p 栅的主要特征之一。 p - n e t 总线结构简单，系统开放，给用户留有了充分的扩张空间。它的总线管理系统 v i g o 是一种o l e 自动化服务器，可以很方便的于适应i d l e 标准的应用程序( 如e x c e l 、 a c c e s s ) 。此外，用户通过面向对象语言，如：v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、c + + 等设计扩展应用时， 可以将总线装置作为对象使用，并可将单独的外部测量象内部变量一样使用。同时它还允许 通过支持w i n d o w s 的任意网络在工作站、p c 和服务器之间传递面向对象的数据。这使 得总线数据可以在整个管理系统和i n t r a n e t 中实现数据共享。 5 、h s e 1 0 类型5 现场总线即为i e c 定义的h 2 总线，它由现场总线基金会f f 组织负责开发，并 于2 0 0 0 年3 月正式公布。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 完全支持类型l 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 1 设备连接。h s e 总线成功地采用c s m a 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。 6 、s w i f t n e t s w i t t n e t 是美国s h i ps t a r 公司应b o e i n gc o m m e r c i a la i r p l a n e ( 波音) 公司的要求制定 的，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性离的总线，协议仅包括物 理层和数据链路层，在协议中没有定义应用层。 物理层传输速率为5 m b p s ，总线使用t d m a ( s l o t t e d t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 方 式，提供专用高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。专用通道适用于自动状态数据的 分配或交换，按要求指定的通道则适用于非调度报文。 7 、w o r l d f i p 现场总线 1 9 9 4 年6 月，w o r l d f i p 北美部分与i s p 合并成为f f 以后，w o r l d f i p 的欧洲部分仍保 持独立，总部设在法国。w o r l d f | p 现场总线是一种用于自动化系统的现场总线网络协议。 它采用3 层通信结构：物理层、数据链路层和应用层，其目的是提供0 级设备( 传感器，执 行器) 和1 级设备( p l c f 控伟i j 器) 之间的连接。 w o r l d f i p 由一个集中化的链路活动调度器访问网络，保证对间临界的大容量循环数据 通信的确定性。它具有单一的总线，可用于过程控制及离散控制，而且没有任何网桥或网关， 低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决。 8 、i n t e r b u s i n t e r b u s 于1 9 8 4 年推出，其主要技术支持者为德国的p h o e n i x c o n t a c t 。它是一种串行总 线系统，适用于分散输入，输出。以及不同类型控制系统间的数据传输。协议包括物理层、 数据链路层和应用层。i n t e r b u s 总线网络可构成主，从式和环路拓扑结构，传输速率为 5 0 0 k b p s ，采用r s - 4 8 5 标准。它的数据链路层采用整体帧协议( t o t a lf r a m ep r o t o c 0 1 ) 方式传 输循环和非循环数据。应用层服务只对主站有效，用于实现实时数据交换、v f d 支持、变 量访问、程序调用和1 2 个相关的服务。i n t e r b u s 总线对单主机的远程i o 具有良好的诊断能 力。 综上所述，f f 现场总线增加了用户层，采用功能块技术，可以很好地实现互可操作。 h s e 现场总线完全支持f f 系统的用户层架构。 1 。5 现场总线存在的问题及开发h s e 系统的意义 现场总线技术的推广虽然取得了很大成绩，但还存在一些问题。 ( 1 ) 总体上的问题 “说”的人和“听”的人多，“用”的人少。 初步了解现场总线的人多，熟练掌握应用技术和开发技术的人才少 现场总线种类很多，不知道到底哪种好 ( 2 ) 工程应用方面的问题 工程开销比预料的大。 调试和运行维护比预料的难。 与传统控制系统比优点不明显。 在关键系统中不敢使用现场总线。 ( 3 ) 开发方面的问题 开发的j 睢度远比预料的大。 推广应用所要做的工作过于繁锁。 ( 4 ) 瓶颈问题 虽然现场总线技术的发展非常迟，但是从众多用户的反映中发现有三个瓶颈阻碍应用面 的扩大。 当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果。用户希望，这时系统的效能可以 降低但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证。 在本安防爆应用中，现有的防爆规定限制总线的长度和总线上所挂设备的数量。这 就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。 系统组态参数过分复杂。现场总线的组态参数很多，不容易掌握，但组态参数设定 得好坏，对系统性能影响很大。 尽管现场总线的应用还存在种种问题，但其开放的，独立的，全数字化的双向多变量通 信以及其他诸多优点决定了其趋好的发展前景。 开放系统的一个最重要特点就是可互操作性，可互操作性向用户保证了来自不同厂商的 设备可以相互通信，并且可以在多厂商产品的集成环境中共同工作。它一方面提高了系统的 质量，另一方面为用户提供了更大的市场选择机会。作为开放系统，要实现互可操作性的一 般步骤中首先要制定开放系统的标准。它包括通信标准和功能标准f f h s e 系统制定了标 准，使得从物理层到应用层的通信协议标准化，这是可互操作性的基础，同时f f - h s e 系统 使得用户层实现”基本设各”的机制标准化，使得各种功能块标准化，使得每种设备的资源块 和转换块标准化。 现在的热点是e t h e m e t 用户层之争【3 9 1 ，谁在e l h e r n e t 的用户层或e t h e m e t 的整合方式上 抢得先机，谁就将在今后的竞争中赢得主动，这就决定了h s e 现场总线系统具有无与伦比 的优势，研究开发这种基于高速以太网的f f h s e 现场总线是非常必要且十分有意义的。而 本文所要讲述的就是f f - h s e 系统中这个占据非常重要的位置，决定系统的互可操作性的系 统用户层一功能块应用进程的研究和开发。 1 6 本论文的任务和结构 本论文的任务是通过分析基金会现场总线h s e 协议，主要是其中的功能块应用进程部 分，阐述这部分协议的分析和实现。本论文主要从系统分析的角度去考虑问题。并不过分深 究与工业过程控制方面有关的问题。论文的结构如下： 前面主要是一些背景方面的知识，介绍了基金会现场总线的产生、概念、意义以及整个 现场总线领域现在的国内外状况、存在的问题、意义、当前流行的几类现场总线以及下一步 的应用热点等，进一步有： l 、在简要阐述了基金会现场总线( f f ) f f s e 协议之后，重点并比较具体的分析了本 论文工作核心一f fh s e 协议中的功能块应用进程部分。 2 、阐述了功能块应用的复杂性并介绍了种用于描述和分析复杂系统的有效图形数学 模型c p n ，基于该模型来分析功能块应用进程中的功能块参数状态传播以及模式处理。 3 、具体介绍了是如何实现这个功能块应用进程。同时也介绍了该部分和下层h s e 通信 栈以及系统管理部分的联调。 最后是现场总线发展趋势的分析。 第二章h s e 系统中的功能块应用进程 前面一章主要是概要性的介绍现场总线的概念、现状、意义，同时介绍了几种目前比较 流行的现场总线，进而引入基金会h s e 现场总线系统的优势及开发它的意义所在。这一章 首先分析h s e 现场总线系统的体系结构，接着详尽阐述h s e 系统中的功能块应用进程，包 括其总体架构、模块分割、以及各个模块的设计、关键技术等，为后面第五章阐述功能块应 用进程的实现作好准备。 2 1h s e 现场总线系统综述 基金会现场总线( f f ) 制定的h s e 计划( h i g hs p e e de t h e r a e tp r o g r a m ) ，是在f f 的 h 2 难产之后，于2 0 0 0 年3 月宣布将用1 0 0 n i b s 的e t h e r n e t ( 以太网) 来增强h 2 的方案， 该方案用高速以太网作为h 2 的一种选择。相对于h l 链路使用i e c 6 1 1 5 8 数据链路层的一个 子集，i t s e 网络使用标准的e t h e r n e t i p ，r e f u d p 协议1 。 f f 基于i s o 开放式系统互联网络( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r e o n n e c t i o n ) 作为参考模 型制订ah 1 采用了其中的第1 、2 、7 层，在七层外另外增加了用户层，而h s e 则是采用了 其1 、2 、3 、4 、7 层，蒋增加了用户层。具体如图2 1 所示： o s i h 1 图2 ii s o o s l7 层模型与f f 通信协议关系圈 h s e 系统结构图提供了h s e 系统的一个整体框架描述，这种描述的目标是用来标识系 统组件，描述它们之间的关系和互操作以及定义它们是如何被配置的，它就象是描述了一个 通过h s e 网络互连的物理设备的集合。图2 2 便是h s e 系统的系统结构图： 图2 2h s e 系统结构图 各部分意义及功能描述如下： 1 、n m a n m a 即网络管理代理( n e t w o r km 锄a g e m e n t a g e n t ) 0 2 1 ，n m a 的基本功能是管理网络 虚拟通信关系v c r ( v i r t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p ) 。n m a 提供了把一台设备里通信 栈各层中支持v c r 的所有操作综合起来的种方法。它支持配置管理、执行管理以及出错 管理。 通过n m a 的配置管理，各个层协议中的相关参数便被赋上了操作值以支持与其他设备 之间的v c r 通道。这个过程一般还包括定义设备之间的v c r 以及选择需要的通信参数来 支持该v c r 。作为配置信息中的一部分，n m a 也可以被配置成收集已选择的v c r 的执行 和出错信息。这些信息在运行期间可以被访问，以便分析设备的通信行为。一旦检测到问题， 便要对操作做进一步完善或改变设备的通信然后在设备仍然处于工作状态之下进行重配置。 h s e 系统的n m a 还要管理h s e 的具体s m i b 和n m i b 对象、以及使用这些对象与h s e s m k 和h s e 层管理实体进行互操作。 2 、v f d 与o d 现场总线系统结构使用了“虚拟现场设备( v i r t , j a lf i e l dd e v i c e ) ”的概念，即v f d 。 v f d 定义了个应用进程的网络可见对象在现场总线系统中，a p ( a p p l i c a t i o np r o c e s s ) 是参照自国际标准化组织( i s o ) 开放系统接口( o s i ) 参考模型( r m ) ，i s 0 7 4 9 8 的一个 概念用来描述存在于单一设备中的一个分布式应用的一个部分。现场总线环境中引用了这 个概念来描述设备里执行一系列相关功能的实体，如功能块处理、网管、系管。每个设备可 以通过一个或几个v f d 来标识其应用进程的网络可见部分。确切地说，v f d 是用于描述一 个自动化系统在它的通信伙伴眼中的数据和行为的抽象模型。每个设备都可以通过一个或多 个v f d 来展示本设备在网络交互中可能需要的数据，v f d 可以为f b a p 和网络管理代理 ( n m a ) 或其他应用用户( 若需要的话) 来展示数据。 1 4 v f d 模型的基础是v f d 对象。v f d 对象包含了所有的对象和对象描述，这个也许要被 其他的通信用户川到。v f d 把一个应用进程模型化为一系列网络可见对象，每一个都由 个或多个数据属性来描述。网络可见对象的个别描述包含在v f d 里的对象字典( o d ) 里。 o d 由一系列的入口组成，每一个都描述了一个对象和它的属性。o d 的入口是由索引定义 的，o d 索引被刚来从o d 中获取其相应的对象描述。o d 索引也被