FF协议原理.doc

5.1基金会现场总线技术概要5.1.1基金会现场总线主要技术现场总线将向着开放系统、统一的标准方向发展这是必然的趋势，现场总线基金会（Fieldbus Foundation）于1996年第一季度颁布了低速总线H1标准，安装了示范系统，这一系统将不同厂商的符合FF协议的仪表互连为控制系统和通信系统，使H1标准开始进入实用阶段。因此本论文将对基金会现场总线这一在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术做重点介绍。基金会现场总线的最大特色就在于它不仅仅是一种总线，而且是一个系统。是网络系统，也是自动化系统。它作为新型自动化系统，区别于以前各种自动化系统的特征就在于它所具有的开放型数字通信能力，它使自动化系统具备了网络化特征，而它作为一种通信网络，有别于其它网络系统的特征则在于它位于工业生产现场，其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。基金会现场总线围绕工厂底层网络和全分布自动化系统这两个方面形成了它的技术特色。其主要技术内容有：（1） 基金会现场总线的通信技术。它包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制芯片、通信网络与系统管理等内容。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。（2） 标准化功能模块（FB, Function Block）与功能块应用进程（FBAP, Function Block Application Process）。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，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与控制图，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（DD, Device Description）与设备描述语言（DDL, Device Description Language）。为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操作，基金会现场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需的信息，因而也可以看作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语言。（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。在现场总线的产品开中，常采用OEM集成方法构成新产品。已有多家供应商向市场提供FF集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等。把这些部件与其他供应商开发的、或自行开发的、完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备的新产品。（5） 系统集成技术。它包括通信系统与控制系统的集成，如通信系统的组态、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。这是一项集控制、通信、计算机、网络等多方面的知识，集软硬件于一体的综合性技术。（6） 系统测试技术。系统测试技术包括通信系统的一致性与互操作性测试技术、总线监听分析技术、系统的功能和性能测试技术。一致性与互操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。一般要经授权过的第三方认证机构作专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果交基金会登记注册，授予FF标志。只有具备了FF标志的现场总线产品，才是真正的FF产品，其通信的一致性与系统的开放性才有保障。有时，对由具有FF标志的现场设备所组成的实际系统，还需进一步进行互操作性测试和功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的性能指标。5.1.2通信系统的主要组成部分及其相互关系ISO的开放系统互连OSI参考模型是为开放系统互连定义的通用的七层通信结构。基金会现场总线将通用的结构优化，去掉中间的各层如：和通常使用的、非实时的应用程序相关的文件传输和电子邮件的各层等。基金会现场总线的三层体系结构和ISO的OSI参考模型的七层结构的对应关系如图1-1所示。基金会现场总线包括物理层、通信协议栈和用户应用层。通信协议栈包含OSI中的第二层数据链路层和第七层应用层，FF没有使用OSI中的第三、四、五和六层。FF中的数据链路层和物理层的定义和OSI中的相应层的定义是一致的。FF的应用层由两个子层组成：总线报文子层FMS( Fieldbus Message Specification )和总线访问子层FAS( Fieldbus Access Sublayer )。总线报文子层FMS为总线AP、系统管理AP和网络管理AP提供通信服务。FAS将FMS映射到数据链路层（DLL，Data Link Layer）。用户应用层在OSI参考模型中未定义，而FF定义了一个用户应用层。通信系统中的每一层都产生总线上传送的消息的一部分。 物理层物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接，为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理信号。物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层总线报文子层总线访问子层数据链路层物理层图-FF通信模型和ISO的OSI参考模型的关系物理层作为电气接口，一方面接收来自数据链路层消息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用。当它接收到来自数据链路层的数据信息时，需按基金会现场总线的技术规范，对数据帧加上前导码与定界码，并对其实行数据编码（即曼彻斯特编码），再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上。另一方面，它从总线上接收来自其它设备的物理信号，对其去除前导码、定界码，并进行解码后，把数据信息送往数据链路层。考虑到现场设备的安全稳定运行，物理层作为电气接口，还应该具备电气隔离、信号滤波等功能，有些还需处理总线向现场设备供电等问题。数据链路层DLL数据链路层控制消息向总线上的传输。DLL通过一个叫做链路活动调度者( LAS, Link Active Scheduler )的设备来管理总线的访问。数据链路层位于物理层和总线访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层提供服务。总线通信中的链路活动调度，数据的接收和发送，链路活动的监视，总线上各设备的链路时间的同步，都是通过数据链路层来实现的。LAS是通过调度通信和非调度通信两种方式来控制各设备对总线的访问。总线访问子层FAS总线访问子层是基金会现场总线通信参考模型中应用层的一个子层，它与FMS一起构成应用层。FAS利用DLL的调度通信和非调度通信为FMS提供服务， FAS提供的服务可通过虚拟通信关系( VCR, Virtual Communication Relationships )来描述，FAS提供不同类型的VCR。建立两个现场设备应用进程间的通信连接，有点像建立在两个电话之间的线路连接那样，但它并不完全像电话那样有真正的物理线路上的连接。现场设备应用进程之间的连接是一种逻辑上的连接，或可看作一种软连接。总线报文规范层FMS总线报文规范层是通信参考模型应用层中的另一个子层。该层描述了应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。FMS提供了一组服务和标准的报文格式。用户应用可采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过FMS服务，访问AP对象以及它们的对象描述。用户应用层( User Application )FF还定义了一个基于“模块”的标准的用户应用层。模块是不同应用功能的表示。模块的类型有：资源模块，功能模块，转换器模块。5.1.3现场总线应用进程及其网络可视部分1. 应用进程AP图3-2 AP结构现场总线 AP结构支持实时的和非实时的功能在现场总线系统中的分布。每个AP代表分给一个设备的一个单独的功能包。一个设备所包含的AP的数目在实现时确定的，FF对一个设备所能包含的AP的数目没有限制。一个AP在设备组态时还是在网络操作时将其装载到设备里是依赖于设备的物理能力和AP的实现方式。一些物理设备例如PC机或PLC是通过软件下载的方式装载AP的，而其它一些简单的设备如传送器或执行器是在ASIC（Application Specific Integrated Circuits）中实现其AP的。ISO的OSI参考模型中AP的定义是：在网络上可被寻址的并且可以被访问的分布式系统的信息和处理部件。从这个意义上讲，现场总线系统可看作相互协作的AP的集合。现场总线 AP的网络可见部分包括：一个AP目录（AP Directory），一个AP对象字典( OD, Object Dictionary )，一组网络可见对象集（Network Visible Objects）和一个同应用层通信服务的接口。图3-2描述了它们之间的关系。1. 对象字典2. 网络可视对象3. 应用层接口5.1.4基金会现场总线网络通信中的虚拟通信关系基金会现场总线使用事先组态好的通讯通道（称为虚拟通讯关系，简称VCR）在设备之间传送信息。基金会现场总线规定中定义了如下三种类型的VCR：A）发布/订阅（Publisher/Subscriber）VCR：数据由发布者广播到网络上，订阅者侦听网络上的数据广播并收取相关信息。该VCR是缓冲的、网络触发的、单向的(BNU)，缓冲的即指它是通过数据链路层的发送与接受缓冲区，发送和接受消息的；网络触发的即指它依照数据链路层的调度发送消息，这个调度是由链路活动调度器（LAS）来维护和强制实现的；单向的即指它向一个或多个接收者发送无须确认的消息，数据是单向传送的。B）客户/服务器（Client/Server）VCR：由客户发出一个请求，服务器作出响应。在不同的VCR中，某一个设备既可以是客户，也可以是服务器。该VCR是排队的、用户触发的、双向的(QUB)，排队的即指它是通过数据链路层的发送和接收队列，发送和接收消息的；用户触发的即指它在上层用户发出请求后，客户端才开始动作，并且它还是非调度的，即是在调度表规定的时间之外收到通行令牌（PT）时才把数据发送出去；双向的即指它在客户和服务器之间进行有确认的请求和应答，仅有此类VCR是双向的。C）报告分发（Report Distribution）VCR：事件报告由源设备广播到网络上，并由收集设备侦听并接收。该VCR是排队的、用户触发的、单向的(QUU)，排队的即指它是通过数据链路层的发送和接收队列发送和接收消息的；用户触发的即指它是在上层用户发出请求后，数据链路层才开始动作的，并且它是非调度的，即是在调度表规定的时间之外收到通行令牌（PT）时才把数据发送出去；单向的指事件报告只向网络上广播而不要求确认，收方只收不发。5.2基金会现场总线通信协议现场总线通信实体的结构和ISO的OSI参考模型中的指定的概念是一致的，但是其中有很重要的一点差别，此处定义的结构只包括三层，而不是ISO的OSI参考模型中的七层。此体系结构的说明和描述如下。各层协议的基本目标是提供虚拟通信关系（VCRs, Virtual Communication Relationships）。FMS提供VCR应用消息服务，例如读和写变量。一些设备AP不使用FMS，而是直接访问FAS。SMK除了使用FMS服务，当同它的SMKP通信时直接访问数据链路层。FAS为FMS和AP提供了消息传输服务。通信实体的协议是由网络管理代理NMA来管理的。从概念上讲，NMA通过和各层相关层管理实体来管理协议内的对象。从互操作的角度看，NMA是如何访问信息从网络上看是不可见的。1. 网络管理代理NMA提供了对协议栈的组态和统计信息的访问。这些信息在网络管理信息库（NMIB, Network Management Information Base）中表示。一些信息由网络管理规范文件定义为可写的，一些定义为只读的。网络可见的，只读的信息是从网络上只读的。NMA提供了对三种信息的访问：通信栈实体的整体信息 VCR的信息各协议层的信息2. 总线报文规范层FMSFF中的应用层服务是由FMS定义的，该层描述了应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。FMS提供了一组服务和标准的报文格式。用户应用可采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过FMS 服务，访问AP对象以及它们的对象描述。FMS服务指明了访问AP对象和这些对象的OD描述的服务和消息格式。一个AP的网络可见实体和它们的相应OD描述在FMS中表示为虚拟现场设备（VFD, Virtual Field Device）。FMS服务是在VCR端点处提供给AP。 3. 总线访问子层FAS FAS提供了VCR端点对DLL的访问。VCR的类型有三类：客户/服务器( Client/Server )型VCR、报告分发( Report Distribution )型VCR、发布者/订阅者( Publisher/Subscriber)型VCR。客户/服务器型VCR是一种排队式、非调度通信的、用户触发的、一对一的设备间的通信方式, 此类VCR常用于设置参数或实现某些操作，如改变给定值，对调节器参数的访问与调整，对报警的确认，设备的上载与下载；调度报告分发型VCR是一种排队式、非调度通信的、用户触发的、一对多的设备间的通信方式, 此类VCR常用于将报警状态、趋势数据等通知操作台；发布者/订阅者型VCR是一种缓冲区式的、一对多的通信方式，此类VCR常用于按周期性的调度方式，为用户应用模块的输入输出刷新数据，如刷新过程变量、操作输出等。4. 数据链路层DLL现场总线数据链路层是IEC定义中的子集。选用此子集来支持所定义的VCR类型。为在应用之间传送消息，DLL为SMKP和FAS提供了对总线介质的访问。访问是由一个叫做LAS的特定数据链路层实体来控制，它提供两种对总线的访问：调度通信和非调度通信。DLL分为两级操作，一是提供对总线的访问，一是控制数据在数据链路用户间传输。这两级操作为提高性能而集成在一起，因此不能看作是独立的子层。a) DLL介质访问功能每个总线有一个集中的介质访问控制点，即LAS，和一个或多个令牌持有设备，即基本设备。网上的每个总线就是一条链路。当网络包括多于一条的链路时，就称为扩展链路（Extended Link）。扩展链路网络中的链路由网桥来连接。因此，扩展链路网络有时被称为桥接网络。基本设备是那些能够接收令牌并能对其作出响应的设备。所有设备包括LAS和网桥都有基本设备的能力，也就是说，它们都有权力接收令牌（发起数据传输）。令牌授权给设备在总线上发送的权力。在某一时刻只有一个设备持有令牌。LAS可以将两种令牌授权给设备。设备接收到第一种令牌时必须立即返回带地址的数据，这种令牌是由CD（Compel Data）发出的。第二种令牌授权设备以三种优先级中的一种优先级在指定的时间段对总线进行访问。这种令牌是由PT（Pass Token）发布的。 CD DLPDU在FF中用来支持发布者/订阅者VCR。每个发布者VCR端点通过DL-BUFFER发布其数据。缓冲区中的内容是作为CD DLPDU的响应发出的。通常CD由LAS发给发布者的缓冲区的数据链路层地址。在这种情况下，CD是由LAS根据其调度周期地发出。CD也可由订阅者VCR端点发出，在这种情况下，只有当设备收到PT DLPDU 时才能发送CD。PT DLPDU用来发送设备中的所有其它数据。当设备收到PT DLPDU时，它就被授权向链路上发送一段时间的数据。这个时间段在PT DLPDU中指定。设备浏览FAS和SMK向其DL服务访问点（DL-SAPs, DL Service Access Points）和其DL连接端点（DLCEPs）发出的传送请求选择要发送的DLPDU的类型。DL-SAPs用来使用无连接DLL服务来发送所有的SMKP消息和所有的报文发布VCR消息。DL-SAPs也用来传送为发布者/订阅者VCRs和客户/服务器VCRs服务的连接建立消息。DLCEPs是用来传送所有其它的发布者/订阅者VCRs和客户/服务器VCRs消息。所选择的要发送的请求是最早的，优先级最高的（大于等于PT DLPDU中指定优先级）能在令牌剩余持有时间内发出的的请求。当设备没有数据可发，它显式地将令牌返回给LAS；如果它还有请求要发送，它将向LAS请求更多的令牌持有时间。链路主设备是能够成为LAS的设备。每条链路有多于一个的链路主设备。桥设备将链路连接成树状网络。桥设备总是链路主设备且必须是LAS，它包括每条其下游链路的系统管理时间发布者。当桥设备不是这些角色时，数据链路时间和应用时钟时间不能被再发布。b) DLL高级功能（数据传输功能）FF提供了三种传送数据的DLL机制：无连接的数据传输和两种面向连接的数据传输。无连接的数据传输支持报文发布VCRs。一种类型面向连接的数据传输支持发布者/订阅者 VCRs,一种类型面向连接的数据传输支持客户/服务器VCRs。无连接的数据传输是在DL-SAP地址间的互相独立的DLPDU的排队式的传输。在DLL中不用保留上下文来控制数据传输。这种类型的数据传输用来进行报文发布是因为其目的地址可以配置为一个组（多个）DLSAP地址，允许多个报文源发送到同一组地址。这也同样允许报文接收者对报文源的标识和位置不敏感。因为所有的无连接的数据传输是独立的，每个DLPDU的优先级是分别指定的，所有对每个VCR，只指定一种优先级。面向连接的发布数据传输是从发布者发出的缓冲区式的数据传输。发布者不用知道订阅者的标识，并且要发送的DT DLPDU只包含一个地址，即发布者的地址。订阅者知道发布者的地址，侦听发布者发送的数据。当一个发布者开始启动时，它向本地链路上的所有订阅者广播一个建立连接EC（Establish Connection）DLPDU。这个EC DLPDU不需要响应。订阅者进行相似的操作，它们发送一个带地址的EC DLPDU给发布者以请求一个响应。当发布者收到从一个订阅者发出的EC DLPDU时，它向本地链路上再发布一个EC DLPDU。订阅者使用它发出完成开放其连接的请求后所收到的第一个EC DLPDU。它使用的EC DLPDU可能是发布者一开始发出的，也有可能是发布者作为订阅者的EC DLPDU的响应所发出。连接建立后，订阅者开始侦听由发布者发送的数据，并且忽略由发布者后来发送的EC DLPDU。发布数据传输是在由发布者收到一个带有发布者DLCEP地址的CD DLPDU并发送DT DLPDU作为其响应时开始的。如果此DLCEP还未开放，或者相关的缓冲区还未更新，此时就不会有DT DLPDU发出。发布数据传输可能是调度的（由LAS发CD DLPDU触发的），也可能是非调度的（由订阅者发CD DLPDU触发的）。对于某一个连接而言，所有的DT DLPDU以同一优先级传送。此传送可能是有次序的，使得数据重复的现象能被监测到。当一个发布者在传送数据期间不能更新其缓冲区时就会发生数据重复的现象。调度发布数据传输只是在本链路上发送。当发布者和订阅者位于不同的链路上时，在发布者和桥之间以及桥和订阅者之间都要分别建立相关的连接。因此，当它们位于同一条链路上时，由订阅者发出的EC DLPDU必须发给发布者DLCEP，或者当它们不在同一条链路上时，由订阅者发出的EC DLPDU必须发给网桥的再发布者DLCEP。非调度的发布是不同的。在这种情况下，网桥配置成在发布者和订阅者之间转发EC，CD和DT DLPDU。因此，此时就不会有再发布了。面向连接的请求/响应数据传输是在客户与服务器之间的排队式的数据传输。客户端的VCR端点或者对等VCR端点做为发起者，发送EC DLPDU请求和服务器的连接，服务器响应指示服务器AP是否接收这个连接请求。一旦在这个连接上开始数据传输，所有的DT DLPDU将用同一优先级进行传输。5. 物理层现场总线物理层由物理媒体和用于传送数据的信号协议组成。所有的设备至少包括一个物理层实体。物理层协议为数据链路层提供了发送和接收数据独立于物理层媒体类型的能力。一个设备所支持的物理层媒体的类型可以是IEC物理层规范文件中定义的任何一种。在FF网络中，使用三种传输速率：31.25kbps、1Mbps、2.5Mbps。1.5.3基金会现场总线网络与系统管理系统管理（System ManagementSM）是FF协议栈的重要组成部分。SM用来协调分布式现场总线系统中各种设备之间的操作。SM在整个协议栈中所处的地位如图3所示。每个设备中都有系统管理实体。该实体由用户应用和系统管理内核（System Management KernelSMK）组成。系统管理内核SMK可看作一种特殊的应用进程。从它在通信模型中的位置可以看出，系统管理是通过集成多层的协议与功能而完成的。系统管理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（SMK Manager/SMK Agent）模式，每个设备的系统管理内核承担代理者角色，对从系统管理者实体收到的指示作出响应。系统管理可以全部包含在一个设备中，也可以分布在多个设备之间。系统管理内核使该设备具备了与网络上其它设备进行互操作的基础。在一个设备内部，SMK与网络管理代理和设备应用进程之间的相互作用属于本地作用。5.3.1系统管理的功能l 对设备节点地址的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。首先给未初始化的设备离线地分配一个物理设备标识，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，组态设备就会发现新设备并根据它的物理设备标识给它分配节点地址。这包括一系列由定时器控制的步骤，以使系统管理代理定时地执行他们的动作和响应管理员请求。在错误情况下，代理必须有效的返回到操作开始时的状态。它也必须拒绝与它当时所处状态不相容的请求。l 应用时钟同步系统管理核心（SMK）提供网络应用时钟的同步机制。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。基金会现场总线支持存在冗余的时间发布者。为了避免冲突，它利用协议规定状态机制来决定哪个时间发布者起作用。SMK没有采用应用时钟来支持它的任何功能。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。l 功能块的分布应用调度系统管理核心的功能块调度功能是运用存储于SMIB中的功能块调度表，告知用户在什么时间执行相应的功能块，或其它可调度的应用任务。这种调度按定义的宏周期重复执行。宏周期用链路调度时间值0作为其开始时间基准。所定义的功能块起始时间是相对于宏周期起始时间的时间偏移量。通过这条信息和当前网络调度时间，SMK就能决定何时向用户应用发出执行功能块的命令。l 支持应用标识的设置系统管理部分涉及物理设备、虚拟现场设备、功能块的标识及设备ID位号。系统管理允许查询这些标识对象，包含此对象的设备将返回响应值，其中包括有对象字典目录和此对象的虚拟通讯关系表。现场总线网络的设备标识是通过物理设备标识号和虚拟现场设备标识号来进行的。系统管理还可以通过FMS访问SMIB，实现设备的组态与故障的诊断。以上功能可以方便地把网段上的新设备设为可操作状态并对整个系统的操作进行控制。5.3.2系统管理的组成及其与其它部分的关系图系统管理体系结构详述及其与其它部分的关系SM使用FMS去访问远端设备的管理信息。SM也通过DLL所提供的无连接的数据传输服务直接访问数据链路层来实施SM的其它功能。其具体实现是通过DLL给SM保留的绑定到数据链路层服务访问点的地址进行的。任一SM实体包括用户应用和SMK两大部分。SMK负责网络的协调和功能的同步设置。为加强网络的协调和同步功能，FF采用了管理员/代理（manager/agent）模型。在这种模型中，任何设备的SMK假设为代理角色并响应从SM实体收到的指示。在规范中定义的系统管理核心协议（SMK protocolSMKP）就是用作管理和代理间通讯的协议。用来控制SM操作的信息被组织成对象存储在系统管理信息库（SM Information BaseSMIB）中。从网络的角度看SMIB属于管理类虚拟现场设备（Virtual Field DeviceVFD），这就允许SMIB的对象通过FMS应用层服务（如读、写）被访问。这一VFD同时为设备的NMA所共享，因此也提供对NMA对象的访问。系统管理体系结构及其与用户应用、数据链路层模块的接口在图5中都有详细的描述。5.3.3系统管理信息库（SMIB）把控制系统管理操作的信息组织成对象存储起来，形成系统管理信息库。每个系统管理内核中只有一个系统管理信息库。SMIB包含了现场总线系统的主要组态和操作参数。按目录项条目（Directory Entry）的索引，SMIB的对象可分为如下几类：l SM Agent Starting OD IndexSMIB对象说明数据类型索引FMS访问权限SMK应用SM_SUPPORTSMK支持的服务14（Bit String）读读T1SM单步定时器7 （Unsigned32）读/写读T2设地址序列定时器7 （Unsigned32）读/写读T3设地址等待定时器7 （Unsigned32）读/写读l Sync and Scheduling Starting OD IndexSMIB对象说明数据类型索引FMS访问权限SMK应用CURRENT_TIME当前应用时钟时间21（Time Value）读读/写LOCAL_TIME_DIFF本地时间与当前时钟差4 （Integer32）读/写读AP_CLOCK_SYNC_INTERVAL链路时间报文间隔5 （Unsigned8）读/写读/写TIME_LAST_RCVD上一时钟报文应用时钟21（Time Value）读读/写PRIMARY_AP_TIME_PUBLISHER本链路主时间发布者节点地址5 （Unsigned8）读/写读/写TIME_PUBLISHER_ADDR发送上一时钟报文的设备节点地址5 （Unsigned8）读读/写MACROCYCLE_DURATION宏周期时间长度7 （Unsigned32）读/写读l Address Assignment Starting OD IndexSMIB对象说明数据类型索引FMS访问权限SMK应用DEV_ID设备的唯一标识号9（Visible String）读读PD_TAG物理设备标签9（Visible String）读读/写OPERATIONAL_POWERUP控制SMK上电状态1（Boolean）读/写读l VFD List Starting OD IndexSMIB对象说明数据类型索引FMS访问权限SMK应用VFD REF ENTRY OBJECTS虚拟现场设备参考项目对象90（VFD_REF_ENTRY）读/写读l FB Schedule Starting OD IndexSMIB对象说 明数据类型索引FMS访问权限SMK应用VERSION_OF_SCHEDULE调度表版本号6 （Unsigned16）读/写读FB STARTENTRY OBJECTS功能模块起始项目对象91（FB_START_ENTRY）读/写读5.3.4系统管理服务的设计与实现系统管理服务的设计必须严格按照FF的协议规范进行，以确保总线上各设备功能的一致性和集成环境中各厂商产品的可互操作性。在确定与协议栈其它部分的接口后，具体设计中采用的方法和实现的手段可以是多种多样的。1. 系统管理进程应用进程是现场总线系统活动的主要组成部分，或者说，可以把现场总线系统看作为协同工作的应用进程的集合。应用进程也可以看作在分布系统或分布应用中的信息及其处理过程。用于把现场总线网络上的设备设置到可操作状态的SM进程包括一系列步骤。每一步都包括一个或多个SM的功能。但并不是每一步都必须有的，因为设备也可通过事先的组态而取得同样的结果。这一进程包括通讯的初始化、通讯的组态、应用的组态和操作。此外，在进程中任意一步还可初始化其统计和诊断功能。SM进程的关键是设备的节点地址的分配。2. 标识的分类系统管理支持对其应用和组成采用分级结构命名。应用的名称被称为标识。标识的定义和应用范围如图6所示。l 物理设备标识（Physical Device Tag ，简称PD_TAG）是用户分配的用来分辨物理设备的名字。系统管理过程允许在物理设备标识和节点地址之间建立联系，例如物理设备标识为“TIC101”的节点地址为23。物理设备标识在现场总线网络上必须是唯一的，系统管理提供相应机制保证其在每个链路上的唯一性。l 虚拟现场设备标识（Virtual Field Device Tag，简称DEV_ID）是用来区分与一个物理设备相连的多个虚拟现场设备实体的名字，任一虚拟现场设备标识在一个物理设备上是唯一的，其应用范围只在物理设备中。例如一个多路转接器（multiplexor）可被视为是多个虚拟现场设备的汇集，每路处理一个信息通道。每一个这样的实体都要用一个虚拟现场设备标识来命名。l 功能块标识（Function Block Tag，简称FB_TAG）是用户给虚拟现场设备上的对象或对象组分配的名字，其值可能与物理设备标识或虚拟现场设备标识相同。功能块标识在现场总线网络上也必须是唯一的，但系统管理并不提供机制来确保其唯一性。3. 关于地址与地址分配与地址分配有关的设备首三类：现场设备、临时设备和组台主设备。设备启动时经历的状态和执行的动作取决于它的类型和系统管理的功能，也取决于网络中使用的系统管理功能。1) 现场设备（fieldbus device）2) 临时设备（temporary device）被用在可操作的网络或离线组态现场设备。它必须先侦听网络以决定哪一状态存在，然后选择一个数据链路层定义的访问地址并或假设其已控制网络或等待LAS将其加入网络。连接到网络后它仍保持在访问者地址而并不转移到分配的地址。3) 主组态设备（master configuration device）已确定链路上的所有设备的地址。加入网络时它使用自身预先配置的节点地址并负责给现场设备分配地址。现场总线设备按功能还可分为基本设备（Basic Device）和链路主控设备（Link Maser Device），先上线的链路主控设备将成为链路活动调度器（LAS），如果同时多个链路主控设备上线，那么地址低的成为链路活动调度器。一个链路上只能有一个链路活动调度器。具体可参考图7的示意。图7现场总线设备种类示意图为了避免与运行设备的冲突，现场设备以被动的方式加入到网络。具体情况是数据链路层从四个缺省的地址（0xF8 0xFB）中选择一个未被占用的地址，然后等待链路活动调度器将它加入到网络。然后此设备等待一个主组态设备或用于离线组态的临时设备给其SMK分配一个数据链路层节点地址。被分配到节点地址后，SMK通过接口将此地址提供给数据链路层管理实体（data link management entity，简称DLME）。DLME得到这一地址，也就成为数据链路实体使用的节点地址。临时设备，或手持设备（handheld device），能用于已运行的网络上或离线进行现场设备组态时。它首先必须对网络进行监听以确定现行的状况。然后它将选择一个由数据链路层定义的访问地址（0xFC 0xFF），并且要么承担网络控制任务，要么等链路活动调度器将它送入网络。当与网络连接的时候，临时设备一直保留在这个访问地址上，并不转移到某个被分配的地址。主组态设备了解其所在链路上的所有设备的节点地址。当进入网络的时候，它使用自己的预组态节点地址，并响应为现场设备分配地址的请求。如果有一个以上的主组态设备，那么每一个都应具有相同的网络组态信息，但这一条件系统管理并不进行检查。系统管理使用的是由数据链路层定义的DLSAP（data link service access points，数据链路层服务访问点）地址。使用这些地址数据链路层协议可以精确确定数据链路层协议数据单元的发送者和接收者。下列是系统管理使用的地址：l 访问地址（Vistor Address）l 缺省地址（Default Address）l 分配地址（Assigned Address）l 系统管理实体单地址（Individual SM Entity Address）l 系统管理实体组地址（Group SM Entity Address）以上地址的范围和形式在数据链路层中有详细的说明。下面我们逐一介绍这些地址在系统管理中如何被应用。访问地址是保留给网络上不经常持续存在的设备使用的节点地址。在FF的现场总线网络中，它们主要是提供给临时设备使用的，例如手持终端、组态工具或诊断设备。访问地址的范围值在数据链路层说明中加以定义和保存。缺省地址是保留给正等待节点地址分配的数据链路层实体使用的非访问节点地址。它们被那些处于未初始化或初始化状态的现场设备和那些还没有被主组态设备分配地址的设备使用。缺省地址的范围值在数据链路层说明中加以定义和保存。除了临时设备外，网络中每个设备在它的通讯栈进入到可操作状态之前必须给它分配一个节点地址。该节点地址是数据链路层地址。用这唯一地址来标识的现场设备便可以与网络中的其它处于可操作状态的设备进行通讯了。系统管理实体单地址是由分配给含有SMK的设备的节点地址和DLSAP口地址（DLSAP-selector）共同组成的。DLSAP口地址在数据链路层的说明中被定义为“节点中SMAE（System-management-application-entity，系统管理应用实体）的数据链路层服务访问点地址（DLSAP-address）”，其在系统管理核心的数据链路层地址中是唯一的，具体对应值为0x02。系统管理实体组地址是用来给网络中一系列系统管理核心发布多路消息的。特别是应用时钟同步协议需要给本地数据链路网段上的所有系统管理实体地址发布时间报文时要使用系统管理实体组地址。数据链路层为这一目的而预留了地址。此外，其它SMK组地址保存在通讯子协议中，并可在初始化后支持应用标识的设置与取消功能。4. 系统管理服务分类系统管理的服务主要分为如下五类。l 现场设备地址分配，如SET_PD_TAG、SET_ADDRESS、CLEAR_ADDRESS服务。l 设备识别，如SM_IDENTIFY服务。l 应用标签定位，如FIND_TAG_QUERY、FIND_TAG_REPLY等服务。l 功能模块调度，如FB_START服务。l 应用时钟同步。下面逐一介绍这五种服务。1. 现场设备地址分配现场设备地址分配功能确保现场总线网络上的现场设备都能收到唯一的节点地址，这样现场总线才可能对它们进行区分并实施操作。这一过程中现场设备要经过几个状态。未初始化的设备首先被离线设置物理设备标识，这将把该设备转入到初始化状态。设备到初始化状态还依然没有被分配节点地址，但已可以被连接到网络上了。一旦进入网络，链路上的组态设备将探测新设备并基于它的物理设备标识为其分配节点地址。现场设备地址分配过程包括一系列由定时器监视的步骤来完成，这保证系统管理代理按时去执行其动作并对管理员进行响应。如果出现错误的情形，那么代理必须回到其操作没有开始前的状态。同时它也要拒绝那些与当前状态不相符的请求。系统管理自动实现网络的地址分配就避免了在仪表中设置地址开关。下面列出为一个新设备分配网络地址的具体步骤。l 通过其所在链路的组态设备给新设备设置物理设备标识。这一工作可离线进行，也可以通过为其临时分配的网络缺省地址而在线实现。物理设备标识的设置和清除是由组态设备使用SET_PD_TAG服务来实现的。现场设备收到SET_PD_TAG.reqPD_Tag，Node Address，Dev-ID，Clear的请求后，若其参数布尔值Clear为真，则清除物理设备标识；若为假，则设置物理设备标识。该服务通过SET_PD_TAG.cnf (+)和SET_PD_TAG.cnf (-)Reason Code两种响应来说明该服务请求是成功还是失败。如果失败，返回的参数Reason Code说明失败的具体原因。l 系统管理采用缺省网络地址询问该设备的物理设备标识，并用该物理设备标识在组态表内为其寻找新的网络地址。然后，系统管理给该设备发设地址请求，使设备从缺省地址转到新的网络地址上。节点地址的设定采用SET_ADDRESS服务。主组态设备发出SET_ADDRESS.reqPD_Tag，Node Address，Config Obj请求，其中Config Obj是设地址中用到的组态对象，包括该服务请求原语中的应用时钟同步间隔值（AP Clock Sync Interval）和主应用时间发布者（Primary AP Time Publisher）。该服务的响应与设物理标识请求相同。节点地址的清除采用CLEAR_ADDRESS服务，主组态设备发出的请求为CLEAR_ADDRESS.reqPD_Tag，Node Address，Dev_ID，该服务响应同上。l 对进入网络的所有新设备进行监视，并按上两步进行重复。2. 设备识别系统管理核心的识别服务允许应用进程从远程设备的系统管理核心得到该设备的物理标识（PD_Tag）和设备ID号（Dev_ID）。设备ID号是一个与系统无关的识别标志，它由设备的生产者提供。主组态设备只要知道远程设备在链路上的节点地址就可以得到其物理标识和设备ID 号，并且该服务在系统管理的任意状态下均可进行。设备识别使用的是SM_IDENTIFY服务。该服务请求为SM_IDENTIFY.regNode Address，其响应同上。3. 应用标签定位系统管理允许用户应用对网络上的设备进行查询，其通过对标识进行识别来确定网络对象。被查询对象的设备返回响应，其中包括被查询对象的对象字典索引（object dictionary index）和虚拟通讯关系列表（list of Virtual Communication Relationship）。用于区别对象的标识有物理设备标识（PD_Tag）、虚拟现场设备标识（VFD_Tag）、功能模块标识（FB_Tag）以及功能模块的参量。具体过程是系统管理对所有的现场总线设备广播相应标识的查询信息，一旦信息送达，每个设备都将搜索它的虚拟现场设备，看是否符合该查询标识。如果发现相应的标识就返回完整的路径信息、网络地址、虚拟现场设备编号、虚拟通讯关系目录及对象字典目录。主机或维护设备一旦知道了这个路径，就能访问该标识的信息。系统管理通过应用标签定位服务，为主机系统和便携式维护设备提供了极大的方便。标签查询的请求为FIND_TAG_QUERY.reqArgs，标签查询的响应请求为FIND_TAG_REPLYArgs。这两个服务都是从设备的用户层发起，通过链路传输后最终到达远端设备的用户层。但其中物理设备标识的查询并不用传向远端设备的用户层，因为远端设备的系统管理核心独立的就能完成查询的任务。4. 功能模块调度功能模块调度用来指示用户应用现在已经是执行某个功能块或其它可执行任务的时间了。SMK使用SMIB中的调度对象和由数据链路层保留的链路调度时间来决定何时何时向它的用户应用发布指令。功能模块是重复执行的，每次重复被称为一个宏周期（MACROCYCLE_DURATION），宏周期通过使用值为零的链路调度时间作为其起始时间的基准而实现链路时间同步。也就是说，如果一个特定的宏周期的生命周期是1000，那么它将以0，1000，2000等时间点作为起始点。每个设备都将在它自己的宏周期期间执行其功能模块调度。如数据转换和功能块执行时间通过它们相对各自宏周期起点的时间偏移量来进行同步。设备中的功能块执行则在SMIB中的FB Start Entry Objects进行定义。在一个控制过程中，发生在固定时间间隔上的监控和输出改变是十分重要的。其与固定时间间隔的偏差称为抖动，其值必须很小。根据为每个设备组态的SMIB中的FB Start Entry Objects，功能模块精确在固定的时间间隔上执行。合适的功能块调度和它的宏周期必须下载到执行功能块的设备的SMIB中。设备利用这些对象和当前LS时间来决定何时执行它的功能模块。采用调度组建工具来生成功能模块和链路活动调度器。假设链路组建工具已经为某个控制回路组建了如下表所示的调度表。调度表中的开始时间是指它偏离绝对链路调度开始时间起点的值。绝对链路调度开始时间是为总线上所有设备共知的。我们假设某控制回路的调度表如表2所示。受调度的功能模块与绝对链路调度开始时间的偏移量受调度的AI功能模块执行0受调度的AI通讯20受调度的PID功能模块执行30受调度的AO功能模块执行50表某控制回路调度表在偏移量为0的