《现场总线机工业控制网络》课件-第5章 FF总线技术

1现场总线及工业控制网络第5章FF总线技术主要内容۞

5.1

FF主要技术概述۞

5.2物理层及控制网络的物理连接۞

5.3

FF的链路活动调度۞

5.4总线访问子层的功能与服务۞

5.5

现场总线报文规范子层FF数据通信与控制网络技术是由现场总线基金会FF(fieldbusfoundation)组织开发的，已被列入IEC61158标准；为适应自动化系统，特别是过程控制自动化系统在功能、环境和技术上的需要专门设计的；本质安全。FF通信技术的早期方案设立：

低速网段H1(31.25Kbps)和高速网段H2(1M\2.5M)【夭折】۞

5.1FF主要技术概述FF主要技术特色：最大特征就在于它不仅仅是一种总线，而且是一个系统，是网络系统，也是自动化系统；FF系统又是通信网络；FF作为工厂的底层网络和全分布自动化系统。减少接线与安装简化操作和维护易于集成实现与地点无关的控制对等实体间高速通信灵活的拓朴结构真正的可互操作性FF的优点FF-H1的主要技术：FF-H1是底层网络，与一般的广域网、局域网相比，它是低速网：通信技术：FF-H1的通信技术主要包括通信模型、通信协议、网络管理和系统管理等。功能块技术：FF-H1借鉴了DCS的功能块及功能块组态技术，在现场总线仪表或设备中定义了多种标准功能块（FB），每种功能块可以实现某种算法或应用功能。设备描述技术：FF-H1为了支持标准的功能块操作，实现现场总线仪表或设备的互操作性，共享不同制造商总线设备中的功能块，采用了设备描述（DD）技术。系统集成技术：FF-H1是通信系统和控制系统的集成，是集通信、网络、计算机、控制于一体的综合性技术，如网络技术、网络系统组态技术、控制技术、控制系统组态技术、人机接口技术、网络管理技术、诊断维护技术和OPC（OLEforProcessControl）技术等。系统测试技术：FF-H1为了保证系统的开放性和通用性，规定了一致性测试技术，互操作性测试技术、系统功能和性能测试技术、总线监听和分析技术。FF-H1主要技术特点：适应于过程自动化的低速部分（FF-H1）是参考了ISO/OSI参考模型并在此基础上根据过程自动化系统的特点进行演变而得到的：支持总线供电；支持本质安全；令牌总线访问机制；内容广泛的用户层。HSE高速以太网：现场总线基金会放弃了其原来规划的H2高速总线标准，并于2000年3月29日公布了基于以太网的高速总线技术规范，即HSEFS1.0版，该版本迎合了控制和仪器仪表最终用户对可互操作的、节约成本的、高速的现场总线解决方案的要求。HSE充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以100Mbit/s到1Gbit/s或更高的速度运行。HSE支持所有的FF低速部分31.25kbit/s的功能，如功能模块和设备描述语言，并支持H1设备与基于以太网的设备通过链接设备接口进行连接。(1)FF通信系统的主要组成部分及其相互关系FF核心技术之一是控制网络的数字通信。FF的参考模型只具备ISO/OSI参考模型7层中的三层即物理层、数据链路层和应用层。变送器，执行器等都属于现场总线的物理设备。通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层，由各层协议与网络管理代理共同组成。通信模型的主要组成部分及其相互关系在相应的软硬件开发过程中，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。系统管理内核在模型分层结构中只占有应用层和用户层的位置。功能块应用进程在模型分层结构中位于应用层和用户层。(2)协议数据的构成层次现场总线协议数据的生成(3)FF网络通信中的虚拟通信关系(1)虚拟通信关系的类型

①客户服务器虚拟通信关系②报告分发型虚拟通信关系③发布——预定接收型虚拟通信关系(2)虚拟通信关系设置FF由物理层、数据链路层和应用层共同作用，来支持这种虚拟通信关系。

物理层负责物理信号的产生与传送。

数据链路层负责网络共享与通信调度。

应用层规定各种报文格式，以便交换命令、应答数据和事件信息。۞

5.2物理层及控制网络的物理连接⑴物理层的功能①实现现场物理设备与总线之间的连接②一方面接受数据链路层信息——总线③另一方面接受来自总线的物理信号转换成数据信——数据链路层⑵物理层的结构①媒体相关子层负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输媒体的信号转换问题，也称为媒体访问单元。②媒体无关子层是媒体访问单元与数据链路层之间的接口。注：上述有关信号编码，增加或除前导码、定界码的工作均在物理层的媒体无关子层定义。⑶传输介质H1网段支持多种介质：双绞线、电缆、光缆和无线介质。电缆类型电缆型号传输速率/Kbps最大传输距离/mA屏蔽双绞线#18AWGH131.251900B屏蔽多对双绞线#22AWGH131.251200C无屏蔽双绞线#22AWGH131.25400D多芯屏蔽电缆#16AWGH131.25200⑷FF的物理信号波形FF现场设备的两种供电方式：总线供电和单独供电H1的物理信号波形与网络配置通信信号频率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100Ω电阻和一个1μf的电容串联组成⑸基金会现场总线的信号编码H1的几种编码波形H1的通信信号由以下几种信号码制组成协议报文编码

前导码

帧前定界码

帧结束码⑹H1网段的拓扑结构H1网段的基本构成H1网段的拓扑结构示意图低速现场总线H1支持点对点、总线型、菊花链型和树形拓扑结构۞

5.3链路活动调度⑴链路活动调度器LAS及其功能每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称之为链路活动调度器(LAS)。其功能：①向设备发送强制数据CD。②向设备发送传递令牌。③向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活动时间和调度时间。⑤监视设备对传递令牌PT的响应。⑵通信设备类型按照设备通信能力，FF通信设备分为三类：①链路主设备——那些有能力成为链路活动调度器的设备。②基本设备——只能接受令牌环并作出响应。③网桥——将单个总线段组合连接在一起的设备。H1总线上的LAS转交⑶数据链路协议数据单元DLPDUDLPDU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：第一部分是帧控制信息第二部分是数据链路地址第三部分则指明了该类DLPDU的参数帧控制（字节）数据链地址参数用户数据目的地址源地址第二源地址14442DLPDU的结构⑷链路活动调度器的工作过程（自学）链路活动调度框图⑸数据传输的连接方式基金会现场总线提供三中数据连接方式：一种无连接数据传输，两种有向数据传输。无连接数据传输的特点是数据传输前不需要单独为数据传输发送创建连接的报文，也不需要数据接收者的应答响应信息。有向连接数据传输的特点是数据传输前发布某种信息来建立连接关系。⑹链路时间在FF网段上存在着两种意义上的时间：一是应用时间；另一种是网络时间。

应用时间用于对网络上发生的事件做时间标记网络时间用于通信报文调度，由执行链路活动调度的LAS发布。LAS是本地链路活动时间主管。LAS具有一个时间同步计时器。网络上各节点根据发布的网络时间实行时间同步。۞

5.4总线访问子层的功能与服务应用层=总线访问子层+总线报文规范子层⑴FF通信关系中的端点角色端点角色描述了一个端点如何与通信中的其他端点相互联系。①客户方、服务器方的端点角色②发布方与预定接收方的端点角色③源方与收存方通信关系的端点角色端点角色确认的服务请求确认的服务响应非确认的服务请求客户方发送接受无服务器方接受发送无发布方无无发送预定接收方无无接受源方无无发送收存方无无接受各端点角色的服务能力⑵通信传输路径与触发策略①传输路径传输路径是通信关系中抽象概念上的通信信道。通信信道是指在任意两个应用关系端点之间发送或者接受FAS-PDU的单程通信路径。②触发策略

FAS-PDU由本地数据链路层发送时，规定了两种触发策略：为用户触发和为网络调度触发。③传输策略指从发送方到接收方传送FAS-PDU的方法。④应用关系端点识别源方和收存方；客户方、服务器方、平等伙伴及预定接收方；发布方⑶通信关系的建立方式通过连接两个或者多个同类端点建立起一个通信关系。实现的三种方式：事先设置、组态和动态定义创建⑷端点的综合特性①排队式、用户触发式、单向类AREP，简称QUU类端点。②排队式、用户触发式、双向类AREP，简称QUB类端点。③缓冲式、网络调度式、单向类AREP，简称BNU类端点。⑸总线访问子层的服务及参数SAC（associate）创建应用关系ABT(abort)解除应用数据DTC(datatransferconfirmed)确认的数据传输DTU(datatransferunconfirmed)非确认的数据传输FCMP(FAS-compel)FAS向DLL请求发送缓冲区GBM(get-buffered-message)取回缓冲区的报文FSTS(FAS-atatus)向FAS用户报告来自DLL的事件状态⑹总线访问子层的协议数据单元（自学）۞

5.5现场总线报文规范子层（FMS）该层描述用户应用所需要的通信服务、报文格式、行为状态等。FMS提供一组服务和标准报文格式。FMS服务分为确认和非确认两种。⑴对象字典对象描述说明通信数据的含义。把这些对象描述收集在一起形成对象字典。（Objectdictionary,OD）

OD由一系列条目组成。每个条目分别描述一个应用进程对象和报文数据。OD有唯一一个OD对象描述。对象字典包括如下部分：头部

包含此OD的结构信息数据类型字典

包括静态通信对象表（如停机时间、故障率……）动态变量表的表*包括所有现今已知变量表的表动态程序表*

包括所有现今已知程序的表

注：*部分是可选的，仅对某些设备存在。例：一个简单设备的OD头部：ROM/RAM标志名字长度，访问保护，OD版本静态OD的第一个指针和长度数据类型OD的第一个指针和长度动态OD部分的第一个指针和长度数据类型字典：索引对象代码含义1数据类型整数8……数据类型整数166数据类型浮点静态对象字典：指针对象代码数据类型内部地址符号20VAR14711H件数21VAR25000H停机时间22VRA6100H故障率⑵虚拟现场设备

从通信端点的角度来看，虚拟现场设备VFD是一个自动化系统的数据和行为的抽象模型。一个典型的现场设备可有几个VFD，至少应该有两个虚拟现场设备：一个用于网络与系统管理，一个用于功能块应用。服务名称服务内容Status读取设备、用户状态UnsolicitedStatus发送一个主动提供的状态Identify读取制造商、类型、版本VFD服务内容⑶联络关系与管理联络关系管理包含有关VCR（虚拟通信关系）的约定。一个VCR包含静态属性和动态属性。联络关系管理服务有：Initiate(创建连接)——数确认性服务Abort(解除存在的VCR)——属非确认性服务Reject(FMS拒绝不正确的PDU)服务可用于创建和取消虚拟通信关系，并可决定虚拟现场设备的状态。⑷变量访问对象及其服务变量访问对象在S-OD中定义，是不可删除的。这些对象有物理访问对象、简单变量、数组、记录、变量表、数据类型对象、数据结构说明对象。变量、参数、程序均设计为对象每个对象都有确定的特性（读，写……）所有对象被列在对象字典（OD）中对象字典根据每个设备单独构成⑹“域”的上载或下载服务域是指一部分存储区，可包含程序和数据，它属于“字节串”类型。上载指从现场设备中读取数据。下载指向现场设备发送或装入数据。⑸事件服务事件是为从一设备向另外设备发送重要消息而定义的响应的事件服务有：事件通知、确认事件通知、事件条件监测和带有事件类型的事件通知。事件服务采用先分发型虚拟通信关系，用于报告事件与管理事件的处理⑻FMS协议数据单元及其编码FMSPDU由固定部分和一个可变长度部分组成。FMSPDU中可直接插入标示信息（ID）或采用隐式约定。⑺程序调用服务程序调用服务允许远程控制一个设备中的程序状态。通过下载服务——下载——发布PI服务——请求远程操纵该程序。PI服务有：PI的创建、删除、启动、停止、恢复、复位和废止。小结FF主要技术概述物理层及控制网络的物理连接FF的链路活动调度总线访问子层的功能与服务现场总线报文规范子层作业：1.简述LAS的工作过程；2.简述FAS的服务及其参数；3.简述FMS的程序调用服务；4.说明FF协议数据的构成与层次。主要内容۞

5.6

网络管理۞

5.7系统管理۞

5.8功能块应用程序۞

5.9设备描述与设备描述语言۞

5.10

FF通信控制器与网卡۞

5.11

FF的网络布线与安装۞

5.12

FF应用系统۞

5.6网络管理FF采用网络管理代理、网络管理者的工作模式、网络管理者实体在相应的Agent的协同下，完成网络的通信管理。(1)网络管理者与网络管理代理①NMgr按系统管理者的规定，负责维护网络运行。②NMgr监视每个设备中通信栈的状态。③NMgr在系统运行需要或系统管理者指示时，执行某个动作。④NMgr通过处理NMgrAgent生成的报告来完成其任务。网络管理者NMgr负责以下工作：①下载虚拟通信关系表VCRL或表中单一条目②对通信栈组态③下载链路活动调度表④运行性能监视⑤运行差错判断监视网络管理信息库是网络管理的重要组成部分，是被管理变量的集合。它包含了设备通信系统中组态、运行、差错控制等的相关信息。网络管理者、被管理对象、网络管理代理之间的相互作用关系NMIBNMIB(2)网络管理代理虚拟现场设备NMAVFD的属性包括厂商名称模块名称版本号行规号逻辑状态物理状态VFD专有对象表NMAVFD像其他虚拟现场设备那样，具有它所包含的所有对象的对象描述，并形成对象字典。网络管理代理索引对象是包含在NMIB中的一组逻辑对象，MNA索引对象被规定为FMS数组对象。NMAVFD网络上可以看到的网络管理代理，或者说是由FMS看到的网络管理代理。(3)NMA对象与相应的对象服务(4)通信实体NMA可以表示为多个复合对象。不同的网络管理对象使用相应的FMS服务：NMAVFD的属性由FMSIdentefy服务读取；NMAVFDOD由GetOD，PutOD访问；NMA索引对象及其他具体管理对象支持FMSRead和FMSWrite两种服务访问。通信实体包含：物理层、数据链路层、现场总线访问子层和现场总线信息规范层、用户层۞

5.7系统管理系统管理与其它部分的关系

每个设备中都有系统管理实体。该实体由用户应用系统管理内核组成。SMK可看作一种特殊的应用进程AP(1)系统管理概述(2)系统管理的作用①现场设备地址分配②寻找位号③应用时钟同步④功能块调度⑤设备识别(3)SMIB及其访问SMIB把控制系统管理操作的信息组织成对象存储起来，形成系统管理信息库。对SMIB的访问，SMIB包含系统管理对象。从网络角度看，SMIB可看作虚拟现场设备管理，FMS提供对它进行诊断和组态的远程应用访问服务。功能块的内部结构如图：۞

5.8功能块应用进程(1)功能块的内部结构与功能块连接标准化功能块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报警子系统事件子系统

模式结构(手动，自动，等等.)输入输出算法例如：PID例如：生产过程中常用的PID算法就是一个标准的功能块。功能块应用进程中模块及其与对象的连接功能块的分布与连接(2)功能块应用进程中的用户应用块(3)块参数功能块资源块转换块典型模块块资源块描述了现场设备的一般信息；转换块读取传感器硬件，并写入到相应的要接受这一数据的硬件中；功能块是参数、算法和事件的完整组合。块参数的标准划分4个层次FF定义的6个通用参数各类块的功能参数FF行规组定义的设备参数制造商定义的特殊参数(4)功能块服务FB-Read读取FB-Write写入FB-Alert-Netify报告警报或事件FB-Alert-Ack清除警报或事件的未确认属性FB-TagI/T设备更改块的位号FB-Action实例被创建或删除服务确认成功“+”失败“-”服务的两个状态正常状态等待状态(5)功能块的对象字典及应用进程OD在功能块应用中时作为信息指南的。从网络上可以看到的所有参数在OD中都必须有一个登记项组成OD第1条OD本身概貌描述目录对象各对象的具体描述对象指针OD的基本描述指针OD的专有描述指针扩展描述专有指针由功能块应用对象、对象字典和设备描述几部分结合在一起形成的功能块应用进程是现场设备的重要组成部分。不同功能块具有不同的工作模式，而同一功能模块处于不同工作模式下的作用方式是由区别的。对象字典0OD对象描述1...100数据

类型Boolean,etc.nnn数组目录对象FunctionBlockReferencepppRecordDS-32ppp+1ppp+2ppp+3ST_REVTAG_DESCSTRATEGY参数紧跟

块记录

的参数ST_REV功能块特征۞

5.9设备描述与设备描述语言(1)设备描述(DD)DD为虚拟现场设备中的每个对象提供了扩展描述。

DD内包含参数的位号、工程单位、要显示的十进制数、参数关系、量程与诊断菜单。(2)设备描述的参数分层第一层是通用参数第二层是功能块参数第三层是变送器参数第四层制造商专用参数(3)设备描述语言(DDL)DDL为可读的结构文本语言。现场总线基金会规定DDL共有16种基本结构。DD源文件由设备的描述信息开始，然后说明块和块参数的属性以及其他结构的属性，这些结构共同构成一个整体。(4)设备描述DD的开发(5)CTF文件采用公共文件格式(Commomfileformat)写成的设备能力文件(capabilityfile)。设备描述库的组成及其工作过程۞

5.10FF通信控制器与网卡(1)FF通信控制器的功能通信信号的发送和接收对传输数据的串并行转换对串行数据的编码和解码