第8章-基金会现场总线-FF.ppt

第八章基金会现场总线,主要内容,8.1概述8.2物理层8.3数据链路层8.4用户层及功能块8.5设备描述DD与DDL8.6通信控制器,主要内容,8.1概述8.2物理层8.3数据链路层8.4用户层及功能块8.5设备描述DD与DDL8.6通信控制器,8.1FF概述,FF系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统专门设计的:1)它可以工作在工厂生产的现场环境下，2)能适应本质安全防爆的要求，3)还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。,基金会现场总线作为工厂的底层网络，相对一般广域网、局域网而言，它是低速网段，其传输速率的典型值为:31.25kbps，1Mbps和2.5Mbps,基金会现场总线(FoundationFieldbus,FF):由现场总线基金会开发。1996颁布低速总线标准H1。,FF现场总线的优点,FF主要技术内容,(1)基金会现场总线的通信技术,(2)标准化功能块(FB，FunctionBlock)功能块应用进程(FBAP，FunctionBlockApplicationProcess),(3)设备描述(DD，DeviceDescription)设备描述语言(DDL，DeviceDescriptionLanguage）,(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,(5)系统集成技术,(6)系统测试技术,FF通信模型,基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。,功能块应用与设备描述,总线报文子层总线访问子层,每个具有通信能力的现场总线物理设备都应具有通信模型。,FF通信模型,物理层：信号如何发送；数据链路层：设备间如何共享网络和调度通信；应用层：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：组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述、实现网络管理和系统管理。,通信模型的主要组成部分,从物理设备构成角度:,FF协议数据的生成,12,FF网络通信中的VCR,在基金会现场总线网络中，设备之间传送信息是通过预先组态好了的通信通道进行的。这种在现场总线网络各应用之间的通信通道称之为虚拟通信关系(VCR，VirtualCommunicationRelationships)。现场设备应用进程之间的连接是一种逻辑上的连接,一种软连接。,虚拟通信关系的类型与应用,主要内容,8.1概述8.2物理层8.3数据链路层8.4用户层及功能块8.5设备描述DD与DDL8.6通信控制器,8.2物理层及其网络连接,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。,数据链路层,物理层作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，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。,物理层,FF现场总线H1区域,FF物理信号波形,基金会现场总线为现场设备提供两种供电方式:1）总线供电2）非总线式单独供电,物理信号波形如下所示:,31.25KbpsH1总线电压模式的信号波形,(a),(b),(c),1MbpsH2总线电压模式的信号波形,(a),(b),(c),1Mbps的H2总线规范还支持一种特殊的电流模式，用于本安型总线供电的应用场合。1Mbps的现场总线信号是加载在l6kHz的交流电源信号上的。,12,FF物理层信号编码,用户数据协议高层数据链路层,物理层,数据链路层协议数据单元,前导码、帧前定界码、帧结束码都是在发送端，由硬件生成并加载到物理信号上：发送驱动器,传输介质,曼彻斯特编码,中,中,中,现场设备,按照基金会现场总线的相关规范，现场设备按使用环境分类。,对总线供电类的设备其参数参照推荐标准,FF压力、流量、液位变送器,传输介质、最大传输距离,FF现场总线支持多种传输介质：双绞线、电缆、光缆、无线介质。,导线媒体的允许传输距离,网络拓扑结构,总线型,一、总线带分支结构采用这种结构是一根总线（主干）穿过过程区域并且设备连接到总线上。总线到设备之间的电缆称为分支。这种结构适用于区域内设备密度较低的情况，它常用于新安装。,线,树型,二、树形或分支或鸡爪形结构它适用于在特定范围内现场总线设备密度较高的情况。它常用于升级情况，即电缆已与接线盒和设备安装就位。在这种情况下，它为现场总线安装提供了一种低成本增加新电缆的方法。,菊花链型,三、雏菊链拓朴结构雏菊链拓朴看上去很吸引人，但实际不是。它似乎能降低总的电缆长度元件连接费用，但花费很大。其成本主要是其下游的维护性和可靠性。若采用雏菊链拓朴结构，当一台设备要从区域取下来，该设备后面区域上的所有设备都将失去连接，产生故障，这将导致许多设备失效和潜在的边程停运。,雏,FF现场总线类型,/H2,IEC推荐的现场总线控制系统体系结构,主要内容,8.1概述8.2物理层8.3数据链路层8.4用户层及功能块8.5设备描述DD与DDL8.6通信控制器,8.3数据链路层DLL,在数据链路层上所生成的协议控制信息就是为完成对总线上的各类链路传输活动进行控制而设置的。,数据链路层位于物理层PHY与总线访问子层FAS之间，为系统管理内核和总线访问子层FAS访问总线媒体提供服务。,数据链路协议数据单元DL-PDU,DL-PDU提供数据链路的协议控制信息。协议控制信息由三部分组成:,12,DLPDU的种类和帧控制信息格式（部分）,数据链路层LAS,每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS。LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。,受调度通信：非调度通信：,基金会现场总线的通信活动分为两类：,预定调度时间表，到时就由LAS发CD给基本设备。适于现场设备之间周期性通信；,LAS在调度时间表之外，发令牌到总线，适于现场设备之间非周期通信，是令牌总线方式。,LAS基本功能：,1)向设备发送强制数据CD；2)向设备发送传递令牌PT；3)为新入网的设备探测未被采用过的地址；4)定期对总线段发布数据链路时间和调度时间；5)监视设备对传递令牌PT的响应,LAS工作过程,1链路活动调度器LAS调度权的竞争过程与转交；2链路活动的调度算法；,3活动表及其维护,通信设备类型,按照设备的通信能力，基金会现场总线把通信设备分为三类：链路主设备、基本设备、网桥。,现场总线的通信设备与LAS,主要内容,8.1概述8.2物理层8.3数据链路层8.4用户层及功能块8.5设备描述DD与DDL8.6通信控制器,8.4用户层及功能块,报文访问子层FAS数据链路层DLL,用户层通信栈的最后一层是本质上新的类型层，称为用户层，用户层包括三个主要部件：功能块、变换块、资源块。用户层提供了功能块和设备描述，无需特别编程，主机系统即可与设备通信。,典型用户应用块,它是过程控制或I/O功能块。它们用来执行过程控制策略。功能块与转换器块接口以访问过程控制信息；与FF现场总线高速通信，使信息能被其它设备所用。10个标准功能块，19个标准的附加功能块。,资源块,转换器块,功能块,FF现场总线,资源块完整定义了设备与外界的连接。采用资源块，主机知道设备的属性和功能。资源块包含整个资源通用的信息，包括设备识别、硬件、设备特点、内存和CPU可用率、写保护、故障安全和报警管理。,转换器块完整定义了有关设备传感器或执行器的信息。它是物理世界和信息世界的连接。转换器块与模拟输入或输出功能块通信。AI和AO模块与外部通信。这种模块负责信息和特定的功能，例如一个特定物理属性的测量，如压力或温度，或一种特别的测量技术，如超声波或科立奥利。,FF基本标准功能块,功能块应用进程FBAP,FBAP位于基金会现场总线通信模型的最高层用户层。FBAP作为用户层的重要组成部分，用于完成基金会现场总线中的自动化系统功能。,现场总线系统是协同工作的应用进程AP的集合。应用进程AP是现场总线系统活动的基本组成部分，是最基本的对象。每个应用进程AP表述了存在于一个设备内的分别包装成组的功能块FB。,功能块的内部结构,功能块应用进程提供一个通用结构，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、参数与块控制图，把按时间反复执行的函数模块为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。,3244MW温度变送器,基金会现场总线的3244MW型多变量温度变送器功能方框图,功能块服务,功能块服务描述了在接口设备、临时性设备中含有功能块应用的现场设备之间，运用FMS所进行的相互作用。功能块服务表,功能块应用进程FBAP的组成,完整的功能块应用进程由功能块应用对象、对象字典、设备描述组成。,主要内容,8.1概述8.2物理层8.3数据链路层8.4用户层及功能块8.5设备描述DD与DDL8.6通信控制器,8.5设备描述DD与DDL,设备描述为主机系统提供了一种自动识别和作用现场设备的方式。设备描述是设备功能的一种表示。每台设备都有特定的设备描述，它描述了其资源和功能块功能。设备描述可从供应商或现场总线基金会得到。设备描述装载到主机就像打印机驱动程序装载到PC机一样。,设备描述语言DDL设备描述语言是一种特别的编程语言用来开发现场设备的描述。设备描述语言仅仅适用于FF现场总线或HART技术，它是一种类似于C语言的编程语言，一旦设备描述开发好，它们将在现场总线基金会注册。然后现场总线基金会发布这些设备描述使现在主机能支持新设备。,设备描述DD分层,设备描述DD开发步骤,(1)、采用设备描述语言DDL编写DD源文件,(3)、经互操作测试，配置基金会DD库，制成CD-ROM发给用户(4)、配置设备描述服务DDS:在主机一侧，通过DDS的库函数来读取设备描述,(2)、编译，生成DD目标文件。,DLL源文件VARIABLEProcessVariableLABEL”MEASURED_VALUE”;TYPEFLOATDISPLAY_FORMAT”3.1F”;MAX_VALUE110.0;MIN_VALUE0.0,设备描述输出文件009101002”MEASURED_VALUE”001010061“3.1f”021066220000000020000000000000,配置设备描述服务DDS,主要内容,8.1概述8.2物理层8.3数据链路层8.4用户层及功能块8.5设备描述DD与DDL8.6通信控制器,8.6通信控制器,1总线上的信号驱动和信号接收,5帧校验序列的产生和验证,4信息帧的打包和解包,主要功能：,3串行数据的编码和解码,2传输数据的串、并行转换,通信控制器芯片FB3050,FF的网络布线,LAS组态器HMI,现场总线网络的基本构件,布线影响因素,电源电压、电压位置；电缆阻抗;设备功耗、位置;,电源与网段配置,FF的网络扩充,网络扩充遵循一定的规则，或应受到某些限制。如网段上的主干长度和分支线长度的总线是受到限制的。不同类型的电缆对应不同的最大长度，长度应包括主干线缆和分支线的总和，其最大长度的参数参见表：,每个分支上最大长度的建议值(m),FF接地、屏蔽与极性,接地不能在网络中任何一点把信号传输导体即双绞线接地。现场总线信号在全网络中都要被特殊保护，将任何信号传输导体接地会引起这条总线上的所有设备失去通信能力。