第7章基金会现场总线FF.ppt

1、第7章 基金会现场总线FF1一、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27.1 基金会现场总线FF概述基金会现场总线 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。37.

2、1 FF概述与现场总线基金会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。47.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线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

3、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。55.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线LCN网络GUS01LP02LP01GUS02GUS03PIN网络HMNIMHPMI/O LinkField BusI/O UCN网络HoneyWell TPS系统65.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线Foxboro I/As系统75.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线SUPCON JX300浙大中控系统87.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线FF现场总线系统

4、：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。97.1 FF概述与现场总线基金会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、

5、稳定、经济运行，并实现管控一体化。107.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线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。117.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线FF的主要技术内容有(2) 标准化功能块(function block, FB)和功能块应用进程(function block application process, FBAP)实现自动控制系统的软件技术。

6、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。127.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线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137.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线FF的主要技术内容有(3) 设备描述(device description, DD)和设备描述语言(de

7、vice description language, 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147.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线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

8、性测试技术；总线监听分析技术；系统的功能、性能测试技术。157.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线 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167.1 FF概述与现场总线基金会基金会现场总线一、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。17基金会现场总线一、FF的形成、目标、成员、原则 FF的成员

9、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。7.1 FF概述与现场总线基金会18基金会现场总线5.1 FF概述与现场总线基金会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。19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；

10、 基金会现场总线具有可互操作性。7.1 FF概述与现场总线基金会20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7.1 FF概述与现场总线基金会21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。7.1 FF概述与现场总线基金会FOUNDATION测试地点BP 德国盖尔森基兴 -

11、 Honeywell 逻辑处理器Chevron 德克萨斯州休斯敦 Emerson逻辑处理器沙特阿美Aramco 沙特阿拉拍达兰 Triconex 及Yokogawa 逻辑处理器壳牌Shell 阿姆斯特丹具- HIMA逻辑处理器22基金会现场总线三、现场总线基金会的组织形式7.1 FF概述与现场总线基金会23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 (high speed Ethernet)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。7

12、.1 FF概述与现场总线基金会24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 IEC 1158-2 / ISA S50.02 数据链路层 Subset of IEC SC65C / ISA SP50 应用层 Subset of IEC SC65C / ISA SP50 功能块 Based on ISA SP50 and IEC work 支持31.25kbit/s,1.0Mbit/s,和2.5Mbit/s通信速率7.1 FF概述与现场总线基金会2526277.2 FF体系结构基金会现场总线FF现场总线的参考模型具有四层：具有ISO/OSI开放系统

13、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36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。287.2 FF体系结构基金会现场总线(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

14、为三层。(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。应用层用户层FAS总线访问层DLL数据链路层PHY物理层FMS总线报文规范现场总线通信栈297.2 FF体系结构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

15、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。307.2 FF体系结构基金会现场总线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。317.2 FF体系结构基金会现场总线 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

16、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。32FF的报文结构应用层用户层FAS总线访问子层DLL数据链路层PHY物理层FMS总线报文规范子层现场总线FAS协议控制FMS协议数据DLL协议控制帧校验FAS协议数据帧前定界码帧结束DLL协议数据前导码用户数据用户数据编码FMS协议控制02514142555155256211227311*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33基金会现场总线F

17、F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

18、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。345.2 FF的体系结构基金会现场总线 7.2 FF的体系结构.网络管理应用层用户层DLL数据链路层物理层FF的层次结构图与邮局收/发信件的对比邮车：*运送信件FB：在通信媒体上的信号信封：*保存信封*编址与标识100029李丽 收信封内容：*收发信人地址*邮票*信件内容包在里面*FB：报文何时送出，送给哪个设备你好邮件内容：*收发信件人*信件内容*FB：数据参数邮件内容：*通用语言*读与理解*FB：功能块357.2 FF体系结构基金会现场总线 FF总线

19、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。365.2 FF体系结构基金会现场总线用户层应用层数据链路层物理层数据链路层物理层总线访问子层FAS报文规范子层FMS层管理管理层层管理管理层网络管理信息库网络管理代理对象字典OD系统管理内核协议对象字典系统管理内核系统管理信息库VCR设备描述DD对象字典功能块对象功能块应用进程物理设备通信实体FF

20、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；37基金会现场总线FF的体系结构系统管理FAS387.2 FF体系结构基金会现场总线FF设备的功能组成部分397.2 FF体系结构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407.2 FF

21、体系结构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。417.2 FF体系结构基金会现场总线功能块应用进程(

22、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)427.2 FF体系结构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

23、链路层和应用层共同而构成。437.2 FF体系结构基金会现场总线虚拟通信关系(VCR)FCFT发布 - 预订 VCR客户 - 服务器 VCR报告分发 VCR447.3 FF的物理层基金会现场总线 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。457.3 FF的物理层基金会现场总线一、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

24、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。帧前定界码帧结束DLL协议数据前导码467.3 FF的物理层 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。数据链路层MDS介质相关子层MIS介质无关子层MAU媒体访问单元31.25bps/电压模式MAU媒体访问单元31.25bps/电压模式MAU介质访问单元31.25kbps/电压模式导线介质导线介质导线介质导线DCE光纤DCE射频DCE475.3 FF的物理层 二、物理层结构数据链路层导线

25、介质导线介质导线介质导线DCE光纤DCE射频DCEMDS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

26、MDS下定义了四种介质(媒体)访问单元（MAU，Medium Attachment Unit）： 31.25k bps 电压模式 1M bps 电压模式 1M bps 电流模式 2.5M bps 电压模式485.3 FF的物理层 二、物理层结构介质(媒体)无关层MISMDS（介质(媒体)相关子层）导线 /光纤MDS射频MAU导线电压模式1MbpsMAU导线电压模式2.5MbpsMAU导线电流模式1MbpsMAU光纤1MbpsMAU光纤2.5MbpsMAU射频1.0MbpsMAU射频4800 bpsMAU光纤31.25Mbps1FiberMAU光纤31.25Mbps2FiberMAU导线电压模式

27、31.25kbps低功耗MAU导线电压模式31.25kbps传输介质(媒体)MAU:介质访问单元介质相关子层介质访问模式497.3 FF的物理层基金会现场总线二、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507.3 FF的物理层基金会现场总线三、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

28、)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-816 31.25Kbps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(High Speed EtherNet)517.3 FF的物理层基金会现场总线三、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。 527.3 FF的物理层基金会现场总线三、物

29、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:1520mAtIa932V0.751.0VtVb电源现场设备100终端器c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。537.3 FF的物理层基金会现场总线三、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

30、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”。“0”“1”547.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议FF数据编码 时钟数据10010101曼彻斯特编码557.3 FF的物理层基金会现场总线三、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。前导码帧前定界码数据段帧结束码11122731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-“0”“1”N+N

31、-567.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议前导码帧前定界码数据段帧结束码11122731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。时钟10010101前导码57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。时钟1

32、0010101前导码10N+N-10N-N+帧前定界码前导码帧前定界码数据段帧结束码1112273158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。 时钟10010101前导码10N+N-10N-N+帧前定界码10N+N-11N-N+帧结束码前导码帧前定界码数据段帧结束码11122731597.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议前导码帧前定界码数据段帧结束码11122731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

33、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。607.3 FF的物理层基金会现场总线三、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。617.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议低速现场总线(H1标准)传输率 31.25kbps 31.25kbps 31.25kbps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

34、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627.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议 高速现场总线(H2标准)传输率 1.0Mbps 1.0Mbps 2.5Mbps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63现场设备中，数据

35、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。 2.5Mbps：通信距离500米。基金会现场总线三、物理层协议64 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) #18AWG 1900米 H2(1Mbps) #22AWG 750米 H2(2.5Mbps) #22AWG 500米B:屏蔽多股双绞线 H1(31.25kbps) #22AWG 1200米C:无屏蔽多股双绞线 H1(31.25kbps) #22AW

36、G 400米D:外层屏蔽、多芯非双绞线电缆 H1(31.25kbps) #16AWG 200米基金会现场总线65国内FF H1总线电缆基金会现场总线667.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议 现场总线H1标准布线方法677.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议 现场总线H1标准信号传输特性687.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议 现场总线H2标准信号传输特性697.3 FF的物理层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

37、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707.3 FF的物理层基金会现场总线三、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。715.3 FF的物理层基金会现场总线三、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。Junction Box“Daisy-Chain”“Bus with Spurs”“Point-to-Point”

38、“Tree”Not RecommendedTopologyLow DensityHigh Density727.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议 31.25Kbps现场总线网络中的节点数737.3 FF的物理层基金会现场总线三、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

39、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。747.3 FF的物理层基金会现场总线三、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。755.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议IEC1158-2对总线安装的主要规定 波 特 率 H1 31.25kbps H2 1Mbps 2.5Mbps总线长度(注1)A:屏蔽双绞线 #

40、18AWG 1900mB:屏蔽多芯双绞线 #22AWG 1200mC:无屏蔽单对或多对双绞线 #26AWG 400mD:无屏蔽多芯电缆 #16AWG 200m 750m 500m #22AWG 屏蔽双绞线总线挂设备数非本安非总线供电232台 本安26台总线供电非本安212台电缆阻抗及终端Zo=100Zo=150 信号幅值发送0.751VP-P(Zo=50)接收150MVP-P发送5.59VP-P(Zo=50)接收70MVP-P 总线供电932Vdc 电源阻抗非本安3K 本安400932Vdc电源阻抗8K 屏蔽及及接地 要求屏蔽面积90%,两总线对地电容差250pf,两总线不接地但终端器中点可接

41、地。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。767.3 FF的物理层基金会现场总线三、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775.3 FF的物理层基金会现场总线三、物理层协议 本质安全情况下FF接线示意图787.4 FF的数据链路层基金会现场总线 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797.4 FF的数据链路层基金会现场总线一、数据链路层的任务 数据链路层是较重

42、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。807.4 FF的数据链路层基金会现场总线一、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

43、，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。817.4 FF的数据链路层基金会现场总线二、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。DLL协议控制帧校验FAS协议数据827.4 FF的数据链路层基金会现场总线二、数据链路层的数据帧格式协议信息帧控制字节 数据链路地址参数用户数据目的地址源地址第二源地址字节数 1 4 4 4 2 nDLPDU(数据链路协

44、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。837.4 FF的数据链路层基金会现场总线二、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LAS CL转交LAS TL 空闲帧 Idle等等.847.4 FF的数据链路层基金会现场总线三、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

45、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。LAS857.4 FF的数据链路层基金会现场总线三、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。FOUNDATION FieldbusLAS基本设备链路主设备链路主设备基本设备基本设备基本设备LASX867.4 FF的数据链路层基金会现场总线三、FF的介质访问方

46、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(Link Active Scheduler, 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。87一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

47、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。网桥LAS网桥LASLMLASLMLAS基本设备基本设备基本设备基本设备基本设备总线A(1Mbps)总线B（31.25kbps）总线C（1Mbps）现场总线设备类型LAS（备用）三、FF的介质访问方式及设备类型887.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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

48、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。897.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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。907.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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

49、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。917.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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。927.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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

50、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-Machine interface ,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。937.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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， compel date ），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

51、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。947.4 FF的数据链路层基金会现场总线受调度的通信设备xspab设备yspab设备zspabCD（X,a） a b cLAS调度 a b cLAS调度设备xspab设备yspab设备zspabDL(a)LAS:链路活动调度器P=发布者S=预定接收者CD=强制数据DL=数据连接包当LAS:向发布者发布“强制数据”时,数据缓冲区中的报文广播给总线 上的所有设备。由预定接收者侦听这些广播报文。957.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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(p

52、ass token,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。967.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、数据发送方式非调度的通信977.4 FF的数据链路层基金会现场总线四、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

53、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。987.4 FF的数据链路层基金会现场总线五、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CD DLPDU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(time distribution)，或发布节点探测信息PN(probe node

54、)。997.4 FF的数据链路层基金会现场总线五、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1007.4 FF的数据链路层基金会现场总线五、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）。1017.4 FF的数

55、据链路层基金会现场总线五、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EC DLPDU（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EC DLPDU（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1027.4 FF的数据链路层基金会现场总线五、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

56、度绝对时间的偏移量来计算。1037.4 FF的数据链路层基金会现场总线五、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。1047.6 FF的应用层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

57、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1057.6 FF的用户层基金会现场总线 应用进程的结构对象字典网络可视对象网络可视对象网络可视对象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1067.5 FF的应用层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

58、线的应用层设计采用了面向对象的设计方法(Object-Oriented Design，OOD)。FF总线的应用进程通过应用层接口访问其通信实体。应用层用户层FAS总线访问子层DLL数据链路层PHY物理层FMS总线报文规范子层现场总线1077.4 FF的应用层基金会现场总线 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1087.5 FF的应用层基金会现场总线一、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

59、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。应用层用户层FAS总线访问子层DLL数据链路层PHY物理层FMS总线报文规范现场总线1097.5 FF的应用层基金会现场总线一、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DMPMFAS用户FAS服务协议机制FSPM#n#1 QUU应用关系协议机制ARPM#n#1 QUU应用关系协议机制ARPM#n#1 QUU应用关系协议机制ARPMDLL映射协议机制DMPM数据链路层FAS

60、110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#n#1 QUU应用关系协议机制ARPM#n#1 QUU应用关系协议机制ARPM#n#1 QUU应用关系协议机制ARP