现场总线技术 第五章 基金会现场总线FFppt课件

现场总线技术第五章,.,一、HART的基本特点二、HART协议物理层技术规范三、HART数据链路层技术规范四、HART命令简介五、HART协议的应用六、HART智能变送器的开发,第四章内容回顾,.,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,.,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,HoneyWellTPS系统,.,基金会现场总线,FoxboroI/As系统,.,基金会现场总线,SUPCONJX300浙大中控系统,.,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(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:,a,携带协议信息的数字信号,以31.25kHz的频率、峰-峰电压为0.751V的幅值加载到932V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，2.5Mbps：通信距离500米。数据的传输使用带屏蔽的双绞线。数据传输距离：取决与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。,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,.,国内FFH1总线电缆,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。,JunctionBox,“Daisy-Chain”,“BuswithSpurs”,“Point-to-Point”,“Tree”,NotRecommended,Topology,LowDensity,HighDensity,.,基金会现场总线,三、物理层协议31.25Kbps现场总线网络中的节点数,.,基金会现场总线,三、物理层协议影响网络设备数量的因素(1)带宽:一条现场总线每秒可传输30条报文；(2)通信段:一条现场总线可以有一个或多个通信段，每个通信段长度可达1900米并可连接32台设备(理论上)，实际上一般8-16台。如使用中继器，最多4台，可连接达156台设备(理论上)；(3)供电:每个网段必须有足够的供电能力，在本安场合，安全栅必须与终端端子相距在100米之内,并且通过安全栅的功率在600毫瓦之内；(4)通信线的尺寸:较高阻抗的电缆将减少通信段的长度。,.,基金会现场总线,三、物理层协议FF总线标准IEC1158对总线安装的主要规定现场总线节省了电缆,但电缆风险集中，因电缆故障减少,所以电缆总风险并没有增加。为了避免电缆风险集中：(1)可以使用双根电缆冗余来减少开路风险;(2)在各个支路上串联一定电阻以防止短路风险。,.,基金会现场总线,三、物理层协议IEC1158-2对总线安装的主要规定,注:总线长度指主干与分支长度之和,总线可经重复器再次延长,但不超过四次;本安条件下电缆长度计算同前。,.,基金会现场总线,三、物理层协议,屏蔽接地十分重要，现场90%以上通信问题来自于不正确的屏蔽接地。最常用的就是单端接地！,屏蔽接地,.,基金会现场总线,三、物理层协议,现场总线网络概览,Transmitter,接线盒,Actuator,DCS,e.g.Operatorstation,EthernetCable,电源配电器/电源调节器,DIO,TC/RTD,FieldbusProcessInterface,DIO,H1通讯卡总线电源配电器/电源调节器电缆终端电阻接线盒-段保护器-现场总线安全栅浪涌保护器,终端电阻,电缆,H1Bus,Ethernet,.,H1网段,H1网段,FFHSE,FFH1+HSE网络概览,链接设备LinkingDevice,链接设备LinkingDevice,操作员站,DCS控制器,基于Ethernet的控制网络,H1网段,.,基金会现场总线,三、物理层协议,本质安全情况下FF接线示意图,.,基金会现场总线,FF的数据链路层一、数据链路层的任务二、数据链路层的数据帧格式三、FF的介质访问方式及设备类型四、数据发送方式五、链路活动调度的操作,.,基金会现场总线,一、数据链路层的任务数据链路层是较重要的一层:所有连接在物理信道上的设备的应用进程实际上都是通过数据链路层的管理来协调的,数据链路层为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务。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。总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。,.,基金会现场总线,一、数据链路层的任务(1)保证数据的完整性；(2)提供对共享介质的各个设备的通信调度；即：决定何时与谁进行对话，向上为应用层提供可靠且透明的数据传送服务，定义了一系列服务于应用层的原语服务及相关事件，向下与物理层接口，使用物理层提供的服务；(3)完成两条总线通信的桥路管理。,.,基金会现场总线,二、数据链路层的数据帧格式,数据链路协议数据单元DLPDU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：(1)帧控制信息：只有8位，指明了DLPDU的种类、地址长度、优先权等。(2)数据链路地址，包括目的地址和源地址。(3)指明了该类DLPDU的参数。,.,基金会现场总线,二、数据链路层的数据帧格式,DLPDU(数据链路协议数据单元)的结构,其中：帧控制字节中的第五位为1，则数据链路层地址为四个8位字节的长地址。第五位为0，则数据链路地址为短地址。,.,基金会现场总线,二、数据链路层的数据帧格式,DLPDU(数据链路协议数据单元)的种类建立连接EC断开连接DC强制数据CD数据帧DT状态响应SR强制时间CT时间分配TD探测节点的数据链路地址PN探测响应PR传递令牌PT返回令牌RT申请成为LASCL转交LASTL空闲帧Idle等等.,.,基金会现场总线,三、FF的介质访问方式及设备类型,FF的介质访问方式令牌加主从的介质访问方式，这种集中式的管理方式有效地减少或避免实时通信的延时。链路活动调度器(LAS):在每一个网络段中,规定一个主设备来调度本网络的通信活动,称为链路活动调度器。设备只有在得到链路活动调度器的准许时才能向总线上发送传输包。,.,基金会现场总线,三、FF的介质访问方式及设备类型,LAS是总线段的调度中心,具有总线上所有设备的清单和链路活动调度表，控制通信介质上数据传输活动,任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态。,FOUNDATIONFieldbus,基本设备,链路主设备,基本设备,基本设备,基本设备,X,.,基金会现场总线,三、FF的介质访问方式及设备类型,链路层将连接在现场总线上的设备分为三种：链路主设备(LM)：有能力成为链路活动调度器(LinkActiveScheduler,LAS)的设备。即可以发起一次通信。基本设备：不具备链路活动调度能力的设备。只能接收令牌并做出响应。基本设备不能主动发起通信，只能接收和查询。网桥：用于两个总线段之间的连接设备称为网桥。有时需要几个总线段进行扩展连接，则需要网桥。注意：网桥属于链路主设备，它担负着在它下游的各总线段的系统管理时间的发布任务，因而它必须成为链路活动调度器LAS。,.,一个总线上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备，但一个总线段上某一时刻只能有一个链路主设备成为链路活动调度器LAS，没有成为LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。,LM:链路主设备,LAS:链路活动调度器。,LAS（备用）,三、FF的介质访问方式及设备类型,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,工业现场数据通信的特点及要求工业现场环境复杂，工业网络在数据类型、数据包的大小及其响应紧迫性方面与办公自动化用的网络环境大不相同。(1)周期性产生、周期性通信的数据：此类数据通信是由某些周期性执行的监控过程以某种固定频率执行一些重复性运动而产生的，比如周期性的数据采集和控制回路的执行等。,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,(2)非周期的数据通信：在工业过程中许多的事件是不可预知的随机发生的事件，无固定规律。这一类数据通信对时间要求的苛刻程度又是不一样的，报警等信息往往要求其必须在一段时间之内被正确地传送至相关的进程并立即被响应，另外一些操作对响应时间要求一般，如操作员对数据库的查询等，可以容忍在一个较宽的时限之内得到响应。,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,工业现场数据通信的特点及要求数据链路层必须对上述两种周期性产生、周期性通信的数据和非周期的数据通信具有不同实时要求的数据进行处理。对于周期性数据通信：应保证周期性发生的事件在规定的周期内发送出去，这就要求预先对周期变量的采样、处理和发送进行安排和设定，以保证该变量的时序特性得以满足。,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,工业现场数据通信的特点及要求对于非周期数据通信：应尽量缩短数据传送的等待时间。那些对时间的紧迫性要求不高的数据可以等待到信道空闲时再发送，而对于某些实时性要求高的数据，则数据链路层必须提供在线裁决处理策略,对信道进行分配。,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,LAS完成的功能在LAS中拥有总线上所有设备的清单，它掌管总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，它将需要周期性传输且实时性要求强的实时过程数据与随机的非周期性后台MMI（Man-Machineinterface,人机界面)、下装式报文分开处理。采用“受调度的通信”和“非调度的通信”两种方式发送数据。,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,受调度的通信LAS按调度表在通信周期的特定时刻发出称为一个特殊帧强制数据帧（CD，compeldate），授权某主设备发送数据。这些数据只能是本地发送缓冲区中的数据，以数据帧的格式广播给总线上所有设备与之相关设备侦听并接收这些广播数据。这种受调度通信用在设备间周期性地传达控制数据。如现场变送器与执行器之间传送测量量或控制器输出信号。,.,基金会现场总线,受调度的通信,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,非调度的通信LAS在调度表所规定的时间之外依据令牌循环表循环地向主设备发布令牌(passtoken,PT)，当设备收到令牌后可以将报文队列中的数据发送出去，数据可以发给单个目标，也可以给多个目标。令牌规定了其可用的最大时限，过期则被LAS收回。这种传输方式用于报警事件、维护及诊断信息、显示信息、趋势信息以及组态等非周期性的数据通信。,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,非调度的通信,.,基金会现场总线,四、数据发送方式,LAS链路活动调度器掌管受控调度通信与非调度通信。LAS具有以下五种基本功能：(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。当为新设备找好地址后，把它们加入到活动表中;(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的响应。令牌规定了其可用的最大时限,过期则被LAS收回。,.,基金会现场总线,五、链路活动调度的操作,链路活动调度器可以发两种令牌：强制数据：强制数据的协议数据单元CDDLPDU用于分配强制数据令牌。LAS按照调度表周期地向现场设备循环发送CD。LAS把CD数据发布者的缓冲区得到CD后，数据发布者便开始传输缓冲器内容。传递令牌：如在发布下一个CD令牌之前还有时间，可发布传递令牌PT或发布时间发布信息TD(timedistribution)，或发布节点探测信息PN(probenode)。,.,基金会现场总线,五、链路活动调度的操作,链路活动调度算法,到下一个CD的发布时间吗?,有其他工作要做吗?,发布CD,发布PTPN或TD,发布空闲报文,是,是,否,否,CD:强制数据,PT:传输令牌,PN:节点探测包,TD:时间分配包,.,基金会现场总线,五、链路活动调度的操作,数据传输方式(1)无连接数据传输不需创建连接,不需接收方应答;用于发送广播数据,目的地址组态确定;在数据链路服务访问点(DLSAP)排队传输DLPDU,传输优先权可规定。特点：不需要数据缓冲器（数据传输之前不需要单独为数据传输发送创建连接的报文，也不需要数据接受者应答信息）。,.,基金会现场总线,五、链路活动调度的操作,数据传输方式(2)有连接数据传输要求在数据传输之前发布某种信息来建立连接关系,请求/响应方式,依据发方DLPDU的方式,发方发出ECDLPDU（带目、源地址）收方发出响应同意连接建立，传送数据拆除连接,发方发出ECDLPDU（只带源地址）接收者知道发布者地址，收方不用响应，根据源地址接收数据拆除连接,.,基金会现场总线,五、链路活动调度的操作,数据链路时间的同步(1)LAS周期性地广播TD，用于同步网上所有设备的数据链路调度的绝对开始时间；(2)所有链路活动，包括：受调度通信、非调度通信和其它应用进程的执行时间，都以其对链路调度绝对时间的偏移量来计算。,.,基金会现场总线,五、链路活动调度的操作,数据链路层提供的服务(1)为数据链路服务访问点(DLSAP)的地址、排队、缓冲器提供管理服务；(2)面向连接的传输服务；建立点对点、一点对多点的连接，采用排队或缓冲器方式传送数据，拆除所建立的连接。(3)无连接数据传输服务；在无须建立连接的条件下，按排队方式传输数据。(4)时间同步服务；(5)为数据发布者的发布缓冲器提供强制发布服务。,.,基金会现场总线,应用进程(AP)在ISO7498中,驻留在设备内的分布式应用的描述。在现场总线中,设备内部实现一组相关功能的整体。或分布式应用中的信息及其处理过程。特性:可被赋予地址,可通过网络被访问,可访问的部分称网络可视部分。一个AP-基本对象多个AP-复合对象多个复合对象-复合列表对象AP可以被下载或固化在设备中。,基本概念,.,基金会现场总线,应用进程的结构,对象字典,AP索引,应用进程,网络可视对象OD目录号,网络可视对象描述,网络可视对象值,应用层接口,.,基金会现场总线,现场总线的应用层位于通信协议栈的最高层，它借助应用实体(AE)、应用协议和表示服务，给用户层的应用进程(AP)访问通信服务提供手段，实现不同设备用户层上的应用进程之间的通信。现场总线的应用层设计采用了面向对象的设计方法(Object-OrientedDesign，OOD)。FF总线的应用进程通过应用层接口访问其通信实体。,.,基金会现场总线,FF的应用层一、总线访问子层FAS二、报文规范子层FMS三、对象字典四、网络管理功能五、系统管理功能,不仅仅是在应用层,用户层功能块进程、网络管理、系统管理均用到,.,基金会现场总线,一、总线访问子层FAS现场总线访问子层FAS位于总线报文规范子层FMS与数据链路层之间，把FMS与数据链路层DLL分隔开来，利用数据链路层的受调度通信与非调度通信作用，为总线报文规范层提供服务，对FMS和AP提供VCR的报文传送服务。,.,基金会现场总线,一、总线访问子层FAS总线访问子层的协议机制总线访问子层的协议机制分为三层：FAS服务协议机制FSPM应用关系协议机制ARPM数据链路层协议机制DMPM,.,服务协议机制FSPM：是FAS用户和应用关系之间的接口，FAS用户是指总线报文规范层和功能块应用进程。数据链路层的影射协议机制DMPM：与FSPM类似，它是对下层（数据链路层）的接口。应用关系机制ARPM：是FAS的中心。它描述了应用关系的创建和撤消，以及与远程ARPM之间交换协议数据单元FAS-PDU。它负责接收来自FSPM或DMPM的内部信息，生成FAS协议信息，并把它发送给DMPM或FSPM。,总线访问子层：由三层协议机制集成在一起,FAS用户,FAS服务协议机制FSPM,DLL映射协议机制DMPM,数据链路层,FAS,.,基金会现场总线,一、总线访问子层FASFAS提供三种通信服务模式客户/服务器型（Client/Server）报告分发型（ReportDistribution）发布/预定接收型（Publisher/Subscriber）这些服务又被称为虚拟通信关系VCR。,.,基金会现场总线,一、总线访问子层FAS客户/服务器型用于没有预先调度的非周期性数据交换；由客户端发出请求，服务器做出响应。在不同的VCR中，一个设备既可以作为服务器也可以作为客户，或者既是客户又是服务器；这种VCR是由LAS在调度表所规定的时间之外循环发送令牌来实现的，是双向、有确认的服务；用于操作员报文的传输，如设定点的调整、模式改变、远程诊断和组态下装等。,PT令牌,.,基金会现场总线,一、总线访问子层FAS客户/服务器型,FieldbusHostDevice,客户-服务器通信,LinkActiveScheduler（LAS）,Server,AI,PIDAO,Client,DataTransferConfirmedReadRequest(DT),.,基金会现场总线,一、总线访问子层FAS报告分发型由源设备广播事件报告，接收设备侦听广播并将其放入内部队列。这种VCR是单向的，在事件发生以后设备收到令牌时才能将事件报告发送到网络上。用于事件通知和趋势报告，如向操作员平台发送过程报警信息、将趋势报告发送给历史数据库等。,.,基金会现场总线,一、总线访问子层FAS报告分发型,FieldbusHostDevice,报告分发通信,Sink,LinkActiveScheduler(LAS),AI,Source,PIDAO,.,基金会现场总线,一、总线访问子层FAS发布/预定接收型用于预先调度的周期性数据交换；数据由发布者广播到网络上，预订者侦听广播并把其放入内部缓冲区；这种VCR是单向的，无确认的；由链路活动调度器（LAS）通过调度表发送强制数据帧（CD）来维护和强制实现的；用于实现实时过程数据的传输，比如将变送器来的PV值发送给PID控制模块和操作员工作平台。,.,基金会现场总线,虚拟通信关系类型和应用对比,.,基金会现场总线,二、报文规范子层FMS报文规范子层（FMS）定义了用于向AP对象提供的服务和报文格式。设备间的报文传递在VCR的应用层通信通道上进行。一个VCR代表两个或多个AP之间的关联，客户/服务器模式的VCR只涉及两个AP，其他两种VCR涉及两个或两个以上的AP。,.,基金会现场总线,二、报文规范子层FMS子层提供的服务有两种：(1)确认服务：用于操作和控制应用进程对象。如读/写及修改对象描述（访问对象字典），使用了客户/服务器方的VCR。(2)非确认服务：用于发布数据或通报事件。发布数据使用发布方/预定接收方VCR，而通报事件使用报告分发型VCR。,.,基金会现场总线,二、报文规范子层总线报文规范层由以下几个模块组成：（1）虚拟现场设备VFD（2）对象字典（OD）管理（3）联络关系（上下文）管理（4）域管理（5）程序调用管理（6）变参访问（7）事件管理,.,基金会现场总线,二、报文规范子层虚拟现场设备VFD虚拟现场设备：是自动化系统的数据和行为的抽象模型。用于远距离查看对象字典中定义过的本地设备的数据。虚拟现场设备VFD至少有两个：一个用于网络与系统管理，另一个作为功能块应用。VFD提供对网络管理信息库NIMB和系统管理信息库SMIB的访问。(1)网络管理信息库NIMB：包括虚拟通信关系、动态变量、统计。(2)系统管理信息库SIMB：包括设备标签、地址信息和功能块执行的调度。,.,基金会现场总线,二、报文规范子层虚拟现场设备VFD虚拟现场设备VFD支持的服务有三种：(1)Status为读取设备/用户状态服务;(2)UnsolicitedStatus设备状态的自发传送服务，发送一个未经请求的状态，包括逻辑状态、物理状态及指明本地应用状态的LocalDetail;(3)Identify读VFD识别信息服务。读取制造商，类型，版本。,.,基金会现场总线,三、对象字典对象描述：负责描述在现场总线上传输的数据格式。对象描述说明通信中跨越现场总线的数据内容。对象字典（OD）：所有对象描述都放在一个被称作为“对象字典”的结构中。对象字典包含以下对象描述：数据类型、数据类型结构描述、域、程序调用、简单变量、矩阵、记录、变量事件。,.,基金会现场总线,三、对象字典通过“索引”可以访问对象字典中每一个对象描述。头字典：字典的条目0提供了字典本身的说明。称为头字典。用户应用的对象描述从255以上的任何条目开始。数据类型的定义：从255及其以下条目。,.,基金会现场总线,四、网络管理功能FF采用了网络管理代理（NMA），网络管理者（NMgr)模式，主要是为了把数据链路层至应用层的通信协议集成起来，并监督其运行。网络管理者（NMgr,NetworkManager）：按照系统管理者的规定，负责维护网络运行；网络管理代理（NMA,NetworkManagerAgent）：负责管理其通信栈，通过网络代理支持组态管理、运行管理、监视判断通信差错。,.,基金会现场总线,四、网络管理功能网络管理的主要功能(1)下载虚拟通信关系表或表中某个单一条目；(2)对通信栈组态；(3)下载链路活动调度表;(4)运行性能的监测;(5)通信异常的监测：差错判断监视。,.,基金会现场总线,四、网络管理功能NMA网络管理代理是一个设备的应用进程。NMAVFD(网络管理代理的虚拟现场设备)是网络上可以看到的网络管理代理。NMAVFD运用FMS服务，使得NMA可以穿越网络进行访问。网络管理信息库NMIB是网络管理的重要组成部分之一，它是被管理变量的集合，包含了设备通信系统中组态、运行、差错管理的相关信息。NMIB与系统管理信息库SMIB结合在一起，成为设备内部访问管理信息的中心。,.,基金会现场总线,五、系统管理功能系统管理实体：由用户应用和系统管理内核（SMK）组成。系统管理内核SMK可看成是一种特殊的应用进程AP。系统管理用以协调分布式现场总线系统中各设备的运行。FF总线采用管理员（SMgr）/代理者（SMK）模式。系统管理内核（SMK）：是一个设备管理实体，承担代理者角色。它负责网络协调和执行功能的同步。SMK承担代理者角色，对从系统管理者（SMgr）实体收到的指示做出响应。,系统管理内核（SMK）采用两种通信协议：,FMS协议：用于访问系统管理信息库SMIB；系统管理内核SMK协议(SMKP)：用于实现SMK的其他功能。,.,系统管理信息库,SMIB访问,SMK功能,系统管理内核,SMKP,FMS/FAS,DLSAPs数据链路层,物理层,DLME数据链路层管理实体,系统管理服务接口,SMK用户AP,SMK用户AP,系统管理信息库与其他部分的关系,.,基金会现场总线,五、系统管理功能系统管理的作用完成现场设备地址分配。(2)寻找应用位号：以位号标识的对象有物理设备（PD）、虚拟现场设备（VFD）、功能块（FB）和功能块参数。(3)实现应用时钟同步：SMK提供网络应用时钟的同步机制。(4)功能块调度。(5)设备识别：设备识别通过物理设备号和设备ID来进行。系统管理还可以通过FMS服务访问SMIB，实现设备的组态与故障诊断。,.,基金会现场总线,五、系统管理功能SMK状态现场设备中的系统管理内核(SMK)在网上可充分运行之前要经过三个状态：(1)未初始化状态（Uninitialized）在这种情况下，设备既没有物理设备位号又没有组态主管分配的节点地址，只能通过系统管理来访问设备。(2)初始化状态（Initialized）此情况下，设备有正确的物理设备位号，但未被分配节点地址。采用缺省的系统管理节点地址使设备挂接到网络上。(3)系统管理工作状态（SM-Operational）此状态下，设备既有正确的物理设备位号，又有了已分配给它的节点地址。一旦进入这一状态，设备的网络管理代理便启动应用层协议。,.,基金会现场总线,一、FF的功能块二、设备描述与设备描述语言现场总线用户层提供功能模块，系统管理和设备描述服务；,.,基金会现场总线,一、FF的功能块现场总线基金会用“块”的概念，定义了标准用户应用程序；块包括：资源块、变送块（转换块）和功能块。,.,基金会现场总线,资源块包含现场总线设备中的物理及状态信息。变送块模块负责接收传感器的物理信号。并将其规范化为功能块输入。功能模块采用面对对象的设计方法（OOD），将诸如模拟输入，模拟输出和PID控制等功能标准化地封装为模块，嵌入现场仪表中。,现场总线的功能块是由参数、算法和事件响应三大要素组成。,一、FF的功能块,.,基金会现场总线,十个标准功能块功能块名称符号功能块名称符号模拟输入AI模拟输出AO偏置/增益BG控制选择器CS离散输入DI离散输出DO手动载入器ML比例/微分PD比例/积分/微分PID比率RA,一、FF的功能块,.,基金会现场总线,现场总线设备简图,块,.,基金会现场总线,现场总线设备功能对象模块对象(功能块，变送块和资源块)。连接对象定义了设备内部与现场总线网络之上的功能块输入与输出之间的连接。趋势对象允许主机和其它设备访问功能块参数的局部趋势。报警对象允许在现场总线上报告警报与事件。观测对象为预定义的参数群，可由人/机界面使用。,一、FF的功能块,.,基金会现场总线,功能块及其与对象的连接,.,基金会现场总线,功能块组合（范例）,分程控制,比值控制,.,AI(50ms),VCR(30ms),PID(200ms),AO(200ms),LAS用于功能块的控制和通信的规划调度。功能块的执行在时间上是确定性的。,功能块调度分布化的智能确定的时序安排,.,基金会现场总线,.,基金会现场总线,二、设备描述与设备描述语言,设备描述(DD，DeviceDescriptions)是基金会现场总线为实现可互操作性而提供的一个重要工具。由称为设备描述语言(DDL)的标准编程语言编写实现-EDDL。DD包括参数标签、工程单位、要显示的十进制数、参数关系、量程与诊断菜单。DD由两个部分组成：1.由基金会提供的为所有标准的功能块和转换块的设备描述，它包括由DDL描述的一组标准块及参数定义。2.由设备制造商提供的包括由DDL描述的设备功能的特殊部分，如设备的量程、诊断程序等。以上两部分结合在一起，完整地描述了设备的特性。,.,基金会现场总线,二、设备描述与设备描述语言,EDDL是电子设备描述语言；EDDL是基于文本的语言；基于IEC61804标准。由两部分组成一个描述设备信息的文件。一个主机应用服务，通过此服务主机从现场设备中取信息。,.,基金会现场总线,基金会现场总线(FF，FoundationFieldbus)是目前最具发展前景、最具竞争力的现场总线之一。FF目前拥有350多个成员，包括世界上最主要的自动化设备供应商：A-B、ABB、Foxboro、Honeywell、Smar、FUJIElectric等。FF是专门为过程自动化(ProcessAutomation)即连续控制的过程而设计的，吸收了DCS及HART行之有效的技术，如功能块及DDL(设备描述语言)等技术，所以熟悉DCS的用户使用比较方便，但由于设想十分周到，技术比较复杂。,.,基金会现场总线,艾默生FF产品大全,工程师站,操作员站,应用站,DeltaV/Ovation控制系统,AMS智能设备管理系统,设备状态预警监测各种附加应用软件AMSValveLink校验助手多变量工程助手快速回路检测故障根源诊断预报跟踪,集成各种总线技术FFHARTProfibusDPDeviceNetAS-IModbus/RTUWi