现场总线概要.ppt

工业数据通信与控制网络基金会现场总线FF 阳宪惠清华大学自动化系100084 基金会现场总线的特点 FF属于IEC61158国际现场总线标准子集 其开发初衷是希望形成统一的现场总线标准FF分低速总线H1和高速总线HSE两部分分别属于IEC标准中两个不同的子集低速总线H1的通信速率为31 25Kbps高速总线HSE的通信速率为10M 100Mbps为适应过程自动化系统在功能 环境与技术上的需要而设计是一项较为完整的控制网络协议除具有适应信号传输需要的物理层 数据链路层外 还具有适应控制应用需要的应用层与用户层规范了功能块等 为实现开放性控制系统创造了基本条件 能适应总线供电的要求 可利用总线为现场设备提供工作电源 能适应本质安全防爆的要求H1网段的最大长度4 1900m一个网段可以挂接的节点数按应用场合不同有32 16 8 4多种不同规定考虑是否为本安网段系统所处网段的安全等级 物理层 数据链路层 现场总线访问子层 现场总线报文规范子层 用户层 传输层 会话层 表示层 应用层 物理层 数据链路层 网络层 OSI模型 现场总线模型 1 2 3 4 5 6 7 H1的通信参考模型 物理设备的通信模型构成 标准化功能块FB FunctionBlock 是开放式控制应用的基础功能块采用通用结构规范了功能块种类 输入 输出 算法 事件等功能块方便重复调用 构成功能块进程的对象 块对象 链接对象 趋势对象 观测对象 程序调用对象等对象字典由一系列描述对象及其数据类型的条目组成 对象字典开头的第一个静态条目 目录0 指向索引 索引收集了所采用对象的对象描述在对象字典中的起始目录号 该对象描述的连贯条目数都收集在一起 形成应用进程索引 索引中对象描述的起始目录号成为在对象字典中寻找相应对象描述的指针 根据指针寻找到相应的对象描述对象字典查阅示意图 对象字典 0 OD对象描述 1 100 数据类型 Boolean etc nnn 数组 目录对象 FunctionBlockReference ppp RecordDS 32 ppp 1 ppp 2 ppp 3 ST REV TAG DESC STRATEGY 参数 紧跟块记录的参数 ST REV 功能块特征 设备描述DD DeviceDescription DD为系统理解现场设备的数据意义提供信息在控制系统中为现场设备 主机 人机接口理解现场设备内的数据意义提供所需要的信息设备描述是设备驱动的基础主机通过设备描述实现对某个设备的驱动 类似于设备的驱动程序DD内包括参数位号 工程单位 要显示的十进制点数 参数关系 量程与诊断菜单等 设备描述库的组成及其工作过程 物理层及其网络连接 物理层为实现设备与总线之间的连接提供符合规范的物理信号提供符合规范的机械和电气接口物理层把来自数据链路层的信息转换为物理信号 发送到现场总线传输媒体上 起转换 驱动 发送的作用 把自总线上接收到的物理信号转换为信息送往数据链路层 起转换 接收的作用 物理层的信号处理 对来自数据链路层的数据信息实行数据编码 曼彻斯特编码 加上前导码 定界码 结束码 经信号驱动 把所产生的物理信号传送到总线上 对从总线上接收到的物理信号 去除前导码 定界码 结束码 实行数据解码后 把数据信息送往数据链路层 现场设备的物理连接 可配备标有 号的醒目标签 以清楚地表明接口处的极性 容许具有自动极性判别能力的现场设备不配备这种标签 H1的数据帧结构 数据帧的协议数据分层生成数据采用双向 L曼彻斯特编码ManchesterBiphase Lcode在物理层添加前导码帧前定界码帧结束码 协议数据的生成 前导码置于帧的最前端 标志通信帧的信号开始 接收端利用前导码信号同步其内部时钟前导码长度一般为8位的一个字节前导码字节的内容为10101010帧前定界码标明信息起点其长度为8位的一个字节帧前定界码由特殊的N 码 N 码和1 0的双向 L曼彻斯特编码按规定的顺序组成 关于N 码和N 码N 码在整个时钟周期都保持高电平N 码在整个时钟周期都保持低电平N 码和N 码在时钟周期的中间不存在电平的跳变 以区别于数据所采用的双向 L曼彻斯特编码 帧结束码标志着通信帧的终止其长度也为8位的一个字节由特殊的N 码 N 码和1 0的双向 L曼彻斯特编码按规定的顺序组成 其组合不同于起始码前导码 帧前定界符 帧结束码都由物理层的硬件电路生成并加载到总线上 形成物理传输信号 H1的几种编码波形 通信信号频率31 25KHz幅值峰 峰0 75至1V加载到9至32伏的直流供电电压上终端器由100 电阻和一个1 f的电容串联组成 H1网段的实测信号 数据链路层与链路活动调度器 数据链路层DLL DataLinkLayer 的作用为系统管理和通信活动提供服务为数据的接收发送提供链路连接与链路活动调度提供节点活动状态的探测 响应为总线上各设备间的链路时间同步提供服务 具备链路活动调度能力的设备 其DLL负责形成链路活动调度表 并按照调度表的内容形成各类协议数据单元 对没有链路活动调度能力的设备 其DLL负责来自总线的链路数据作出响应 控制本设备对总线的活动 数据链路层还要对所传输的信息实行帧校验 FF通信活动的类型 周期 预定 通信 由LAS按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动根据预定的调度时间表 一旦到了某个设备要发送的时间 链路活动调度器就发送一个强制数据 CDCompelData 帧给这个设备 收到了这个强制数据信息 就可以向总线上发送它的信息 非周期 非预定 通信 在预定周期时间表之外的时间 LAS通过传递令牌 PTPassToken 开展的通信活动得到PT令牌的设备可向总线发送信息总线上的所有设备都有机会通过这种方式发送信息 周期通信与非周期通信都由LAS掌管 链路活动调度器LAS LinkActiveScheduler LAS是总线段上的媒体访问控制中心 由它来掌管总线段上各设备对总线的操作LAS拥有总线上所有设备的清单总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许可 才能向总线上传输数据任何时刻每个总线段上只能有一个LAS处于工作状态 LAS的活动 按照链路活动调度器的调度表 向网络上的设备发送强制数据CD 提供发送周期数据的机会发送传递令牌PT 使设备得到发送非周期数据的机会监视设备对传递令牌PT的响应 去掉某些不使用 不返还令牌的设备为新入网的设备探测未被采用过的地址 并把它们加入到活动表定期对总线段发布链路时间 链路活动调度权的竞争与LAS转交 总线段上的链路主设备通过竞争争夺LAS权竞争发生在系统启动现有LAS出错失去LAS作用具有最低节点地址的链路主设备会成为LAS低节点地址的链路主设备加入到已运行的网络网段上已有一个执行LAS 在新的竞争之前之前 新加入的主设备不可能成为LAS 可在设备的网络管理信息库中置入希望某设备成为LAS的信息 活动表及其维护 一个设备只要能响应链路活动调度器发出的传递令牌 它就会一直保持在活动表内 LAS对不在活动表内的地址发送节点探测信息PN如果节点对PN作出响应 LAS就把这个设备列入活动表 并发给该设备一个节点确认信息 LAS对活动表执行一个周期之后 会对至少一个非活动地址发出探测 设备既不使用令牌 也不把令牌返还给LAS 经3次后LAS就把它从活动表中去掉每个设备都保持有一个活动表的拷贝LAS在活动表有节点增减变化时对所有设备广播 数据链路的时间同步总线上的周期性通信和功能块执行都按照数据链路层提供的时间工作LAS提供精确的控制时序由周期性广播的时间发布帧TD TimeDistribution 来决定链路调度的绝对开始时间各设备以绝对开始时间为基准 按规定的时间偏移量执行其周期通信 非周期通信 功能块调度以及其它应用进程 链路活动的调度过程 应用层与虚拟通信关系 应用层构成现场总线访问子层FAS FieldbusAccessSublayer 总线报文规范子层FMS FieldbusMessageSpecification 总线访问子层FAS为FMS和应用进程提供报文传送服务现场总线报文规范子层FMS为用户应用提供通信服务 标准的报文格式等 虚拟通信关系VCR VirtualCommunicationRelationships 现场设备应用进程之间的逻辑连接称为虚拟通信关系基金会现场总线提供三种虚拟通信关系 客户 服务器型 报告分发型 发布 预订接收型 客户 服务器型虚拟通信关系 基于传递令牌的通信设备得到传递令牌时向总线上的另一设备发送数据通信请求 请求者被称为客户被请求提供数据者称为服务器 服务器收到请求 并得到传递令牌时 对客户请求作出响应 特点 在客户与服务者之间的通信一对一请求 响应式数据交换非周期性通信 在周期性通信以外的间隙中进行用于设置参数 如改变给定值 调整调节器参数 报警确认 设备参数的上载与下载等 报告分发型虚拟通信关系 通过报告分发型VCR 把报文分发给由该VCR所规定的一组地址 即有一组设备为该报文的接收者通信特点 一对多排队式单向 非确认 无请求响应式 非周期 典型应用 将报警状态 趋势数据等通知操作台 发布 预订接收型虚拟通信关系 按调度表进行的周期性通信特点 一对多当数据发布设备收到CD令牌时 对总线上的所有设备广播它的报文 发布者预定接收该发表报文的一组设备称为预订者周期性缓冲式 只有最近发布的数据保留在缓冲器内 新的数据会覆盖先前的数据典型应用 为功能块的输入输出刷新数据 如刷新过程测量值 操作输出等 应用层提供的服务类型与作用 通信关系管理服务建立 释放通信连接 拒绝不合适的通信服务 读取设备状态等对象字典服务读取对象字典 装载或终止装载对象字典 变量访问服务读 写变量 定义 删除变量 事件管理服务负责事件报告 事件确认 上 下载服务负责请求上 下载 打开上 下载 停止上 下载 对设备发送 读取数据程序调用服务建立 删除程序对象 启动 停止 恢复程序执行等 用户层与功能块应用 用户层是在ISO OSI参考模型七层结构上添加的一层 用于完成控制应用功能 功能块一种使功能的公共特征标准化的模块结构功能块可按周期 或按事件的发生重复作用把实现控制应用所需的各种功能划分为功能模块规定了输入 输出 算法 事件 参数与块控制的模块化函数算法 功能块的结构 模块 功能块 资源块 变换块 功能块的模块类型 实现基本自控制功能跨越总线网络链接按照时间表准确调度 设备的一般信息与资源相关的定时器 输入 输出的特定信息调校组态 资源块 用于描述现场总线设备的特征 如设备名 制造者 系列号 规定一组参数来表达资源块特性 资源块没有输入 输出参数 其参数内含 无连接 通过资源块 可在网络上访问与资源块相关的设备的特性设备类型 版本 制作商 存储器大小 硬件类型 状态 写保护等 一个设备中只有唯一的一个资源块 变换块按所要求的频率读取传感器硬件中的数据可使数据的读取 写入过程与专有物理I O特性分离 为功能块提供设备入口变换块包含有量程数据 传感器类型 线性化 I O数据表示等信息 每个输入或输出功能块内都会有一个变换块 功能块功能块提供控制系统功能由参数 算法和事件组成由外部事件驱动功能块的执行功能块中包含有标准的块参数通过算法把输入参数转换为输出参数功能块的执行按周期性调度或按事件驱动可跨越现场总线实现功能块的输入输出参数连接用户应用中可包含多个功能块 功能块连接 把一个功能块的输入连接到另一个功能块的输出 以实现功能块间的参数传递与功能集成功能块之间的连接可存在于功能块应用内部 也存在于功能块应用之间 功能块种类10个基本功能块19个先进功能块4个多输入 多输出功能块1个柔性功能块 功能块应用进程完整的功能块应用进程由功能块应用对象 对象字典 设备描述几部分组成 功能块应用进程模块及其与对象的连接 功能块的分布与连接 FF的网络系统与控制系统 H1网段的基本构成部件基本网段 作为网段节点的现场设备 应有主设备 总线供电电源 电源耦合 调理 器 连接在网段两端的终端器 电缆或双绞线 连接端子工作主机 可以作为链路主管 通信与控制系统组态器 人机界面