FF的体系结构与FF系统的实际应用(ppt 77页).ppt

现场总线技术第三章 一 FF概述与现场总线基金会二 FF的体系结构三 FF的物理层四 FF的数据链路层五 FF的应用层六 FF的用户层七 FF系统的实际应用 基金会现场总线 FoundationFieldbus 基金会现场总线 FF概述 基金会现场总线系统是为适应自动化系统 特别是过程自动化系统在功能 环境与技术上的需要而专门设计的 基金会现场总线的最大特色就在于 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 基金会现场总线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功能 基金会现场总线系统 为全分布式自动化系统 基金会现场总线 基金会现场总线系统主要完成的功能 对工业生产过程各个参数进行测量 信号变送 控制 显示 计算等 实现对生产过程的自动目标检测 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 适用于各种复杂工业生产环境 满足本质安全防爆要求 可以为现场设备提供工作电源 基金会现场总线 DCS集散控制系统 它把整个生产过程分解为多个子系统 由多台计算机共同协作完成自控系统功能 每台计算机或微处理机独立承担其中某一部分功能 这种系统的优点是 针对集中控制的模式中危险集中的弊端 但在其物理结构上 仍然为数字控制器与模拟变送器组成的模拟 数字混合系统 模拟变送器位于工艺设备的生产现场 而控制器一般位于集中控制室 这样其信号的必经路径也将会较长 因而会引发许多弊端和隐患 基金会现场总线 FF现场总线系统 把具备通信能力 同时具有的控制 测量等功能的现场设备作为网络节点 由现场总线把它们互连为网络 通过网络上各节点间的操作参数与数据调用 实现信息共享与系统的各项自动化功能 各网络节点的现场设备内具备通信接收 发送与通信控制能力 它们的各项功能是通过网络节点间的信息传输 连接 各部分的功能集成而共同完成 因而称之为网络集成自动化系统 基金会现场总线 网络集成自动化系统的目的 1 实现人与人 机器与人 人与机器 生产现场的运行控制信息与办公室的管理指挥信息的沟通和一体化 2 借助网络信息传输与数据共享 组成多种复杂的测量 控制 计算功能 实现生产过程的安全 稳定 经济运行 并实现管控一体化 基金会现场总线 FF的主要技术内容有 1 FF控制网络的通信技术包括通信模型 通信协议 通信控制器芯片 通信网络与系统管理等内容 具体实现 通信栈软件 圆卡 仪表和现场设备所用的通讯接口卡 计算机接口卡 网关 网桥 中继器等技术 是FF控制网络的核心基础技术之一 基金会现场总线 FF的主要技术内容有 2 标准化功能块 functionblock FB 和功能块应用进程 functionblockapplicationprocess FBAP 实现自动控制系统的软件技术 标准化功能块 通过采用一种通用结构 将实现控制系统所需的各种控制功能 划分为标准化的功能模块 编写成软件模块 每个功能块具有输入 输出 算法 事件 参数与块控制图等属性 功能块的通用结构是实现开放系统架构的基础 基金会现场总线 FF的主要技术内容有功能块应用进程 将功能块在现场设备中进行组合 成为可执行的应用进程 实现具体控制功能 进程 是指程序的动态执行 包括程序以及所处理数据 程序是静态代码 用户层内容 基金会现场总线 FF的主要技术内容有 3 设备描述 devicedescription DD 和设备描述语言 devicedescriptionlanguage DDL 目的 实现现场设备互操作 支持标准的功能块操作 设备描述用于控制系统中现场设备之间可以相互理解的数据含义 即设备描述是设备驱动的基础 设备描述语言是用于设备描述的标准语言 通过设备描述编译器 将DDL源程序编译为机器可读的输出文件 用户层内容 基金会现场总线 FF的主要技术内容有 4 系统集成技术包括通信系统与控制系统的集成 控制系统的设计与组态 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 5 系统测试技术包括通信系统的一致性与可互操作性测试技术 总线监听分析技术 系统的功能 性能测试技术 基金会现场总线 现场总线基金会 一 FF的形成 目标 成员 原则 二 现场总线基金会技术 三 现场总线基金会的组织形式 四 FF工作进展及计划 五 FF现场总线技术规范1 0版 基金会现场总线 一 FF的形成 目标 成员 原则FF的形成与目标 由ISP基金会和北美WorldFIP在94年合并后成立 制定开发符合IEC ISA标准的唯一国际现场总线 加速现场总线的实用化 为世界范围内的现场总线产品提供技术支持 基金会现场总线 一 FF的形成 目标 成员 原则FF的成员 FF在全球范围内有350多个成员单位 包括最终用户和国际上几乎所有主要的过程控制产品供应商 分布 1 3在欧洲 1 3在北美洲 1 4在亚太地区 基金会现场总线 现场总线基金会成员 现场总线基金会成员已超过350家世界领先的控制和设备供货商及最终用户 基金会现场总线 一 FF的形成 目标 成员 原则FF的原则 现场总线技术是一个可授权的技术 而不是一个引起大家相互竞争的技术 没有一个公司可以操纵现场总线基金会的技术 现场总线基金会技术符合制定中的IEC ISA标准 并且该技术已得到证实 适用于工业自动化应用领域 基金会现场总线具有可互操作性 基金会现场总线 二 现场总线基金会技术 技术规范 软件 通信栈 DDL 功能块 硬件 芯片 评估板 工具 仿真器 分析仪 测试仪 培训 内容 技术实施 设备原型 应用 最终用户信息技术研讨会 信函 用户组织 一致性测试 互操作性测试 现场试验 技术支持 设备注册 基金会现场总线 二 现场总线基金会技术设备测试和注册现场总线基金会有一致性和互操作性测试以及设备注册的程序 可以确保基金会现场总线设备的互操作性 基金会现场总线 三 现场总线基金会的组织形式 基金会现场总线 四 FF工作进展及计划 1996年8月成功地公布了现场总线规范1 0版 进行高速以太网HSE highspeedEthernet 计划 HSE的规范于2000年3月29日发布 属于工业以太网 在世界主要区域进行现场试验以验证现场总线产品及现场总线技术的完整性 基金会现场总线 五 FF现场总线技术规范1 0版 基于制订中的IEC ISA国际标准 物理层IEC1158 2 ISAS50 02 数据链路层SubsetofIECSC65C ISASP50 应用层SubsetofIECSC65C ISASP50 功能块BasedonISASP50andIECwork 支持31 25kbit s 1 0Mbit s 和2 5Mbit s通信速率 基金会现场总线 FF现场总线的参考模型具有四层 具有ISO OSI开放系统互连七层模型中的三层 物理层 数据链路层 应用层 省去了中间的3 6层 在第七层应用层之上增加了新的一层 用户层 物理层 规定信号如何发送 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 又分为 总线访问子层FAS与总线报文规范子层FMS 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 用于组成用户所需要的应用程序 如规定标准功能块 设备描述 实现网络管理 系统管理等 功能块应用与设备描述 总线报文规范子层总线访问子层 1 在FF系统软硬件开发的过程中 往往又把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后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简单地视为三层 基金会现场总线 2 针对工业过程的特点 FF总线体系结构比ISO OSI模型结构简单 层次减少 省略了网络层 传输层 会话层和表示层 3 层数减少后 数据在网络流动中尽量减少中间环节 加快数据传输速度 提高网络通信及数据处理的实时性 通信栈 基金会现场总线 现场总线的结构模型定义遵循如下原则 1 不同设备上的相同层称为等层实体 等层实体之间的通信由该层的协议管理 2 相邻层间的接口定义原语操作和低层向上层提供的服务 3 所提供公共服务是面向连接的或无连接的数据服务 4 直接的数据传送仅在最低层 物理层 实现 5 每层完成所定义的功能 修改本层的功能并不影响其他层 基金会现场总线 FF现场总线结构将软硬件功能分为四层 按以下两种原理工作 1 等层通信 即在模型的每一层上 任何进程 实体 都按照通信协议与另一设备上的对等层进程进行通信 而不涉及那一设备上的其他层 2 每一层都通过接口与其上一层发生关系 提供服务 基金会现场总线 FF现场总线的通信协议 就是等层通信的进程之间为实现通信所进行的约定和所作的对话规则 内容包括 通信数据元素的类型 格式和事件发生的顺序等 通信双方对等层之间的会话必须遵照那一层协议 协议是通过数据封装处理来实现的 不同设备的对等层之间可以进行会话 它们之间会话的规则是依据该层的协议 等层通信实际上是虚拟通信 数据流并不在两个对等层之间直接流动 而是在同一设备上相邻两层之间流动 相邻层之间的界面称为接口 FF的报文结构 用户数据 0 251 4 1 4 255 5 15 5 256 2 1 12 273 1 1 现场总线报文信息形成过程 当采用中继器时前导码可多于1个字节 基金会现场总线 FF层发送数据的过程 例 当A设备的用户层有数据要发送到B设备的用户层时 A的用户层将原始数据送到其相邻的下一层 应用层 应用层根据应用层协议将这些数据加以处理 将一个标题 或称控制信息 添加在数据上 这是第一次数据封装 原始数据加上应用层的标题作为一个单元又传送到下一层 数据链路层 在数据链路层进行第二次封装 同时加上标题和标尾 标尾包括用于差错检测的帧检验序列 数据链路层构成的数据单元称为数据帧 数据帧被物理层添加同步 起始界和终止界标志进行编码形成一比特流 经物理传输介质发送到目的设备 目的设备接到这些数据时 进行相反的处理过程 即 解封 当每一层数据向上一层传送时 都将其最外面的标题剥去 并根据标题中包含的该协议信息进行处理 将其余部分传递给相邻的上一层 这种处理过程一直持续到用户层 最终到达用户层的就是发送设备要发的原始数据 基金会现场总线 3 2FF的体系结构 FF的层次结构图与邮局收 发信件的对比 基金会现场总线 FF总线与简单的I O总线的关键区别 由于FF总线引入了FB功能块 使得用户可以脱离复杂的编程工作 而直接地使用功能块对系统及其中每台设备进行组态 这使得FF标准不简单是信号标准和通信标准 而是一个系统标准 对用户而言 物理层和用户层是重要的 因为物理层是关系到系统的物理安装要求 用户层是有关系统的组态 基金会现场总线 FF的体系结构应用层与用户层细化图 各应用之间通过虚拟通信 VCR 关系传递信息 VCR是各应用之间的逻辑通信通道 是FAS提供的服务 系统管理的信息 组织成对象 组态 运行 故障信息 由对象字典描述 组态 运行 故障管理 生成报文和提供报文传送服务 实现用户所需的各种控制功能 实现网络系统管理任务 设备信息存入 分配设备永久地址 启动设备 提供时钟参考 基金会现场总线 FF的体系结构 系统管理 FAS 基金会现场总线 FF设备的功能组成部分 基金会现场总线 通信实体 任务 生成报文 提供报文传送服务 组成 1 各层协议 2 网络管理代理 构成虚拟通信关系 基金会现场总线 系统管理内核 SMK 任务 负责与网络系统相关的管理 如 确立本设备在网段中的位置 配置系统信息 为设备分配固定的数据链接地址 使设备进入运行状态 提供应用时钟参考 协调与网上其它设备的动作和功能块执行时间等 组成 占据应用层和用户层的部分位置 1 系统管理内核协议 SMKP 与远程SMK通信的协议 2 对象字典 OD 用于说明总线上传输的数据格式和意义的对象描述的集合 3 系统管理信息库 SMIB 存放用于控制系统管理操作的各种信息 这些信息都被组织成对象 4 系统管理内核程序 基金会现场总线 功能块应用进程 FBAP 1 功能块 FB 可实现某种应用功能或算法 并可按某种方式反复执行的函数模块 2 应用进程 AP ISO7498的名词 驻留在设备内的分布式应用的描述 现场总线系统中 设备内部实现一组相关功能的整体 3 组成功能块对象 对象字典 OD 设备描述 DD 基金会现场总线 虚拟通信关系 VCR 1 定义VCR是现场总线网络中各个应用进程之间的逻辑通信通道 2 任务为通信实体 系统管理内核 和功能块应用进程三大部分中的各种应用之间建立通信的通道 3 类型客户 服务器型 报告分发型 发布 预定接收型 4 组成实现物理层 数据链路层和应用层共同而构成 基金会现场总线 虚拟通信关系 VCR 基金会现场总线 FF的物理层 一 物理层任务 二 物理层结构 三 物理层协议 物理层 用于实现现场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 基金会现场总线 一 物理层任务负责物理传输线路的建立 维持和拆除 在发送方 物理层从数据链路层接收数据单元 添加同步和起始 结束标志字符 并进行编码形成一个物理帧 然后在物理传输介质上发送出去 接收方在收到这个物理帧后 依据物理层协议解码并剥掉同步和起始 结束标志字符 将所得到的数据单元向上传递给数据链路层 二 物理层结构 现场总线基金会先采用导线作为通信介质 并将进一步扩展其能力 物理层规定了三种传输介质 导线 光纤和射频 二 物理层结构 数据链路层 导线DCE 光纤DCE 射频DCE MDS介质相关子层 MAU介质访问单元31 25kbps 电压模式 MIS介质无关子层 介质 媒体 无关层 MIS 与传输媒体无关 负责处理物理层与数据链路层的接口 有关信号编码 增加或去除前导码 定界码的工作均在物理层的介质 媒体 无关层完成 介质 媒体 相关层 MDS 负责处理导线 光纤等不同传输介质 媒体 定义了信号的编码方式和物理帧格式 对应于三种介质 媒体 分别规定了三种MDS 介质 媒体 访问单元 MAU 负责传送和接收经过MDS处理的物理帧信号 对应于每一种传输速率和信号类型分别定义了相应的MAU 负责此种模式下的通信 在导线MDS下定义了四种介质 媒体 访问单元 MAU MediumAttachmentUnit 31 25kbps电压模式1Mbps电压模式1Mbps电流模式2 5Mbps电压模式 二 物理层结构 MAU 介质访问单元 基金会现场总线 二 物理层结构 导线媒体接口 射频滤波器 隔离电路 带通滤波器 比较器 线路驱动 缓冲驱动电压 电压限幅 驱动许可 现场数据输出 来自通信控制器 现场数据输入 去通信控制器 现场总线网络 基金会现场总线 三 物理层协议 物理层的协议具体规定了信号波形 编码方式 物理帧格式 传输介质和传输速率 设备供电以及连接技术等内容 物理层是现场总线四层结构中唯一不能完全由软件实现的层次 物理层遵循IEC1158 2 1993年 和ISA S50 02中有关物理层的标准 现场总线基金会为低速总线颁布了FF 81631 25Kbps物理层规范 也称低速现场总线的H1标准 传输速率为1Mbps 2 5Mbps的被称为H2标准 高速现场总线标准 已被淘汰 取而代之的是HSE HighSpeedEtherNet 基金会现场总线 三 物理层协议供电方式基金会现场总线为现场设备提供两种供电方式 总线供电方式 直接从总线上获取工作能源 非总线供电方式 工作电源来自外部 而不取自总线 对总线供电的场合 总线上既要传送数字信号 又要由总线为现场设备供电 基金会现场总线 三 物理层协议按H1 31 25Kbps 的技术规范 电压模式的现场总线信号波形如下图 携带协议信息的数字信号 以31 25kHz的频率 峰 峰电压为0 75 1V的幅值加载到9 32V的直流电压上 形成现场总线的信号波形 图c为现场总线上对现场设备的网络配置 基金会现场总线 三 物理层协议FF数据编码协议报文编码 这里的协议报文编码是指携带了现场总线要传输的数据报文 这些数据报文由上层的协议数据单元生成 基金会现场总线采用曼彻斯特编码技术将数据编码直接加载到直流电压或电流上形成物理信号 在曼彻斯特编码过程中 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脉冲正跳变来表示 0 前半周期为高电平 后半周期为低电平形成脉冲负跳变来表示 1 基金会现场总线 三 物理层协议FF数据编码 基金会现场总线 三 物理层协议每帧报文格式由前导码 帧前定界码 数据段和帧结束码四部分组成 基金会现场总线信号的编码序列 编码有四种可能 1 正跳变表示逻辑 0 2 负跳变表示为逻辑 1 3 正电平表示非数据N 4 负电平表示非数据N 基金会现场总线 三 物理层协议 前导码 相当于电话信号中的振玲信号 用语唤醒接收设备 并使之与发送设备保持同步 前导码置于通信信号最前端 特别规定的8位数字信号 10101010一个字节 如果采用中继器的话 前导码可多于一个字节 帧前定界码 它标明了现场总线信息的起点 其长度为8个时钟周期 也就是一个8位字节 帧前定界码由特殊的N 码 N 码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成 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 即它们在时钟周期的中间不存在电平的跳变 帧结束码 帧结束码标志着现场总线信息的终止 其长度也为8个时钟周期 或称一个字节 也是由N 码 N 码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成 其组合顺序不同于起始码 1 0 N N 1 1 N N 帧结束码 基金会现场总线 三 物理层协议 帧前定界码 帧结束码不是Manchester码 它用非数据正N 和非数据N 表示的 这样可以有效地标明数据段的范围 前导码 帧前定界码 帧结束码由发送设备中物理层自动加到报文中 并在接收设备的物理层中被自动去掉 前导码 帧前定界码 帧结束码都是由物理层的硬件电路生成并加载到物理信号上的 形成的编码序列如下图 基金会现场总线 三 物理层协议现场总线本安应用 现场总线设备的通信电路部分 即媒体连接单元 MAU 必须采用隔地措施 防止产生接地环流干扰 基金会现场总线 三 物理层协议 低速现场总线 H1标准 传输率31 25kbps31 25kbps31 25kbps 传输模式电压电压电压 拓扑类型总线 树型总线 树型总线 树型 供电方式非总线供电总线供电总线供电 本质安全不支持支持不支持 设备数量32个 最多使用4台中继器 可挂接156个设备 通信距离1900米1900米1900米 分支长度120米120米120米 基金会现场总线 三 物理层协议 高速现场总线 H2标准 传输率1 0Mbps1 0Mbps2 5Mbps 传输模式电压电流电压 拓扑类型总线总线总线 供电方式非总线供电总线交流供电非总线供电 本质安全不支持支持不支持 设备数量32个 最多使用4台中继器 可挂接156个设备 通信距离750米750米500米 分支长度无无无 现场设备中 数据的传输使用带屏蔽的双绞线 数据传输距离 取决于1 导线的物理特性 2 数据传输率 数据传输速率是 31 25Kbps 通信距离1900米 1Mbps 通信距离750米 2 5Mbps 通信距离500米 基金会现场总线 三 物理层协议 导线媒体 电缆型号及长度尺寸电缆类型电缆型号最大传输距离A 屏蔽双绞线H1 31 25kbps 18AWG1900米H2 1Mbps 22AWG750米H2 2 5Mbps 22AWG500米B 屏蔽多股双绞线H1 31 25kbps 22AWG1200米C 无屏蔽多股双绞线H1 31 25kbps 22AWG400米D 外层屏蔽 多芯非双绞线电缆H1 31 25kbps 16AWG200米 基金会现场总线 基金会现场总线 三 物理层协议现场总线H1标准布线方法 基金会现场总线 三 物理层协议现场总线H1标准信号传输特性 基金会现场总线 三 物理层协议现场总线H2标准信号传输特性 基金会现场总线 相同之处 采用双绞线传输信号和供电 可复用4 20mA信号线 并能保证传输质量 用于相同的设备 变送器 调节阀等 无需精通通信技术 更易被仪表技工使用 不同之处 可在同一对双绞线上连接多台设备 设备的连接是并联的 而不是串接的 设备中的电路不同 要求在每个通信段使用终端端子 RC电路 一个现场总线网络可以由用中继器连接的多个通信段组成 现场总线H1标准同4 20mA比较 基金会现场总线 三 物理层协议现场总线拓扑结构 支持树型 点对点型和总线型三种拓扑结构 树型结构仅支持低速版本 基金会现场总线 三 物理层协议现场总线拓