工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)基金會現(xiàn)場總線FF 陽憲惠清華大學自動化系100084 基金會現(xiàn)場總線的特點 FF屬于IEC61158國際現(xiàn)場總線標準子集 其開發(fā)初衷是希望形成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準FF分低速總線H1和高速總線HSE兩部分分別屬于IEC標準中兩個不同的子集低速總線H1的通信速率為31 25Kbps高速總線HSE的通信速率為10M 100Mbps為適應(yīng)過程自動化系統(tǒng)在功能 環(huán)境與技術(shù)上的需要而設(shè)計是一項較為完整的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議除具有適應(yīng)信號傳輸需要的物理層 數(shù)據(jù)鏈路層外 還具有適應(yīng)控制應(yīng)用需要的應(yīng)用層與用戶層規(guī)范了功能塊等 為實現(xiàn)開放性控制系統(tǒng)創(chuàng)造了基本條件 能適應(yīng)總線供電的要求 可利用總線為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源 能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求H1網(wǎng)段的最大長度4 1900m一個網(wǎng)段可以掛接的節(jié)點數(shù)按應(yīng)用場合不同有32 16 8 4多種不同規(guī)定考慮是否為本安網(wǎng)段系統(tǒng)所處網(wǎng)段的安全等級 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 現(xiàn)場總線訪問子層 現(xiàn)場總線報文規(guī)范子層 用戶層 傳輸層 會話層 表示層 應(yīng)用層 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)層 OSI模型 現(xiàn)場總線模型 1 2 3 4 5 6 7 H1的通信參考模型 物理設(shè)備的通信模型構(gòu)成 標準化功能塊FB FunctionBlock 是開放式控制應(yīng)用的基礎(chǔ)功能塊采用通用結(jié)構(gòu)規(guī)范了功能塊種類 輸入 輸出 算法 事件等功能塊方便重復(fù)調(diào)用 構(gòu)成功能塊進程的對象 塊對象 鏈接對象 趨勢對象 觀測對象 程序調(diào)用對象等對象字典由一系列描述對象及其數(shù)據(jù)類型的條目組成 對象字典開頭的第一個靜態(tài)條目 目錄0 指向索引 索引收集了所采用對象的對象描述在對象字典中的起始目錄號 該對象描述的連貫條目數(shù)都收集在一起 形成應(yīng)用進程索引 索引中對象描述的起始目錄號成為在對象字典中尋找相應(yīng)對象描述的指針 根據(jù)指針尋找到相應(yīng)的對象描述對象字典查閱示意圖 對象字典 0 OD對象描述 1 100 數(shù)據(jù)類型 Boolean etc nnn 數(shù)組 目錄對象 FunctionBlockReference ppp RecordDS 32 ppp 1 ppp 2 ppp 3 ST REV TAG DESC STRATEGY 參數(shù) 緊跟塊記錄的參數(shù) ST REV 功能塊特征 設(shè)備描述DD DeviceDescription DD為系統(tǒng)理解現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)意義提供信息在控制系統(tǒng)中為現(xiàn)場設(shè)備 主機 人機接口理解現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)意義提供所需要的信息設(shè)備描述是設(shè)備驅(qū)動的基礎(chǔ)主機通過設(shè)備描述實現(xiàn)對某個設(shè)備的驅(qū)動 類似于設(shè)備的驅(qū)動程序DD內(nèi)包括參數(shù)位號 工程單位 要顯示的十進制點數(shù) 參數(shù)關(guān)系 量程與診斷菜單等 設(shè)備描述庫的組成及其工作過程 物理層及其網(wǎng)絡(luò)連接 物理層為實現(xiàn)設(shè)備與總線之間的連接提供符合規(guī)范的物理信號提供符合規(guī)范的機械和電氣接口物理層把來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息轉(zhuǎn)換為物理信號 發(fā)送到現(xiàn)場總線傳輸媒體上 起轉(zhuǎn)換 驅(qū)動 發(fā)送的作用 把自總線上接收到的物理信號轉(zhuǎn)換為信息送往數(shù)據(jù)鏈路層 起轉(zhuǎn)換 接收的作用 物理層的信號處理 對來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)信息實行數(shù)據(jù)編碼 曼徹斯特編碼 加上前導(dǎo)碼 定界碼 結(jié)束碼 經(jīng)信號驅(qū)動 把所產(chǎn)生的物理信號傳送到總線上 對從總線上接收到的物理信號 去除前導(dǎo)碼 定界碼 結(jié)束碼 實行數(shù)據(jù)解碼后 把數(shù)據(jù)信息送往數(shù)據(jù)鏈路層 現(xiàn)場設(shè)備的物理連接 可配備標有 號的醒目標簽 以清楚地表明接口處的極性 容許具有自動極性判別能力的現(xiàn)場設(shè)備不配備這種標簽 H1的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)幀的協(xié)議數(shù)據(jù)分層生成數(shù)據(jù)采用雙向 L曼徹斯特編碼ManchesterBiphase Lcode在物理層添加前導(dǎo)碼幀前定界碼幀結(jié)束碼 協(xié)議數(shù)據(jù)的生成 前導(dǎo)碼置于幀的最前端 標志通信幀的信號開始 接收端利用前導(dǎo)碼信號同步其內(nèi)部時鐘前導(dǎo)碼長度一般為8位的一個字節(jié)前導(dǎo)碼字節(jié)的內(nèi)容為10101010幀前定界碼標明信息起點其長度為8位的一個字節(jié)幀前定界碼由特殊的N 碼 N 碼和1 0的雙向 L曼徹斯特編碼按規(guī)定的順序組成 關(guān)于N 碼和N 碼N 碼在整個時鐘周期都保持高電平N 碼在整個時鐘周期都保持低電平N 碼和N 碼在時鐘周期的中間不存在電平的跳變 以區(qū)別于數(shù)據(jù)所采用的雙向 L曼徹斯特編碼 幀結(jié)束碼標志著通信幀的終止其長度也為8位的一個字節(jié)由特殊的N 碼 N 碼和1 0的雙向 L曼徹斯特編碼按規(guī)定的順序組成 其組合不同于起始碼前導(dǎo)碼 幀前定界符 幀結(jié)束碼都由物理層的硬件電路生成并加載到總線上 形成物理傳輸信號 H1的幾種編碼波形 通信信號頻率31 25KHz幅值峰 峰0 75至1V加載到9至32伏的直流供電電壓上終端器由100 電阻和一個1 f的電容串聯(lián)組成 H1網(wǎng)段的實測信號 數(shù)據(jù)鏈路層與鏈路活動調(diào)度器 數(shù)據(jù)鏈路層DLL DataLinkLayer 的作用為系統(tǒng)管理和通信活動提供服務(wù)為數(shù)據(jù)的接收發(fā)送提供鏈路連接與鏈路活動調(diào)度提供節(jié)點活動狀態(tài)的探測 響應(yīng)為總線上各設(shè)備間的鏈路時間同步提供服務(wù) 具備鏈路活動調(diào)度能力的設(shè)備 其DLL負責形成鏈路活動調(diào)度表 并按照調(diào)度表的內(nèi)容形成各類協(xié)議數(shù)據(jù)單元 對沒有鏈路活動調(diào)度能力的設(shè)備 其DLL負責來自總線的鏈路數(shù)據(jù)作出響應(yīng) 控制本設(shè)備對總線的活動 數(shù)據(jù)鏈路層還要對所傳輸?shù)男畔嵭袔ｒ?FF通信活動的類型 周期 預(yù)定 通信 由LAS按預(yù)定調(diào)度時間表周期性依次發(fā)起的通信活動根據(jù)預(yù)定的調(diào)度時間表 一旦到了某個設(shè)備要發(fā)送的時間 鏈路活動調(diào)度器就發(fā)送一個強制數(shù)據(jù) CDCompelData 幀給這個設(shè)備 收到了這個強制數(shù)據(jù)信息 就可以向總線上發(fā)送它的信息 非周期 非預(yù)定 通信 在預(yù)定周期時間表之外的時間 LAS通過傳遞令牌 PTPassToken 開展的通信活動得到PT令牌的設(shè)備可向總線發(fā)送信息總線上的所有設(shè)備都有機會通過這種方式發(fā)送信息 周期通信與非周期通信都由LAS掌管 鏈路活動調(diào)度器LAS LinkActiveScheduler LAS是總線段上的媒體訪問控制中心 由它來掌管總線段上各設(shè)備對總線的操作LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單總線段上的設(shè)備只有得到鏈路活動調(diào)度器LAS的許可 才能向總線上傳輸數(shù)據(jù)任何時刻每個總線段上只能有一個LAS處于工作狀態(tài) LAS的活動 按照鏈路活動調(diào)度器的調(diào)度表 向網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備發(fā)送強制數(shù)據(jù)CD 提供發(fā)送周期數(shù)據(jù)的機會發(fā)送傳遞令牌PT 使設(shè)備得到發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的機會監(jiān)視設(shè)備對傳遞令牌PT的響應(yīng) 去掉某些不使用 不返還令牌的設(shè)備為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址 并把它們加入到活動表定期對總線段發(fā)布鏈路時間 鏈路活動調(diào)度權(quán)的競爭與LAS轉(zhuǎn)交 總線段上的鏈路主設(shè)備通過競爭爭奪LAS權(quán)競爭發(fā)生在系統(tǒng)啟動現(xiàn)有LAS出錯失去LAS作用具有最低節(jié)點地址的鏈路主設(shè)備會成為LAS低節(jié)點地址的鏈路主設(shè)備加入到已運行的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)段上已有一個執(zhí)行LAS 在新的競爭之前之前 新加入的主設(shè)備不可能成為LAS 可在設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理信息庫中置入希望某設(shè)備成為LAS的信息 活動表及其維護 一個設(shè)備只要能響應(yīng)鏈路活動調(diào)度器發(fā)出的傳遞令牌 它就會一直保持在活動表內(nèi) LAS對不在活動表內(nèi)的地址發(fā)送節(jié)點探測信息PN如果節(jié)點對PN作出響應(yīng) LAS就把這個設(shè)備列入活動表 并發(fā)給該設(shè)備一個節(jié)點確認信息 LAS對活動表執(zhí)行一個周期之后 會對至少一個非活動地址發(fā)出探測 設(shè)備既不使用令牌 也不把令牌返還給LAS 經(jīng)3次后LAS就把它從活動表中去掉每個設(shè)備都保持有一個活動表的拷貝LAS在活動表有節(jié)點增減變化時對所有設(shè)備廣播 數(shù)據(jù)鏈路的時間同步總線上的周期性通信和功能塊執(zhí)行都按照數(shù)據(jù)鏈路層提供的時間工作LAS提供精確的控制時序由周期性廣播的時間發(fā)布幀TD TimeDistribution 來決定鏈路調(diào)度的絕對開始時間各設(shè)備以絕對開始時間為基準 按規(guī)定的時間偏移量執(zhí)行其周期通信 非周期通信 功能塊調(diào)度以及其它應(yīng)用進程 鏈路活動的調(diào)度過程 應(yīng)用層與虛擬通信關(guān)系 應(yīng)用層構(gòu)成現(xiàn)場總線訪問子層FAS FieldbusAccessSublayer 總線報文規(guī)范子層FMS FieldbusMessageSpecification 總線訪問子層FAS為FMS和應(yīng)用進程提供報文傳送服務(wù)現(xiàn)場總線報文規(guī)范子層FMS為用戶應(yīng)用提供通信服務(wù) 標準的報文格式等 虛擬通信關(guān)系VCR VirtualCommunicationRelationships 現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用進程之間的邏輯連接稱為虛擬通信關(guān)系基金會現(xiàn)場總線提供三種虛擬通信關(guān)系 客戶 服務(wù)器型 報告分發(fā)型 發(fā)布 預(yù)訂接收型 客戶 服務(wù)器型虛擬通信關(guān)系 基于傳遞令牌的通信設(shè)備得到傳遞令牌時向總線上的另一設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)通信請求 請求者被稱為客戶被請求提供數(shù)據(jù)者稱為服務(wù)器 服務(wù)器收到請求 并得到傳遞令牌時 對客戶請求作出響應(yīng) 特點 在客戶與服務(wù)者之間的通信一對一請求 響應(yīng)式數(shù)據(jù)交換非周期性通信 在周期性通信以外的間隙中進行用于設(shè)置參數(shù) 如改變給定值 調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù) 報警確認 設(shè)備參數(shù)的上載與下載等 報告分發(fā)型虛擬通信關(guān)系 通過報告分發(fā)型VCR 把報文分發(fā)給由該VCR所規(guī)定的一組地址 即有一組設(shè)備為該報文的接收者通信特點 一對多排隊式單向 非確認 無請求響應(yīng)式 非周期 典型應(yīng)用 將報警狀態(tài) 趨勢數(shù)據(jù)等通知操作臺 發(fā)布 預(yù)訂接收型虛擬通信關(guān)系 按調(diào)度表進行的周期性通信特點 一對多當數(shù)據(jù)發(fā)布設(shè)備收到CD令牌時 對總線上的所有設(shè)備廣播它的報文 發(fā)布者預(yù)定接收該發(fā)表報文的一組設(shè)備稱為預(yù)訂者周期性緩沖式 只有最近發(fā)布的數(shù)據(jù)保留在緩沖器內(nèi) 新的數(shù)據(jù)會覆蓋先前的數(shù)據(jù)典型應(yīng)用 為功能塊的輸入輸出刷新數(shù)據(jù) 如刷新過程測量值 操作輸出等 應(yīng)用層提供的服務(wù)類型與作用 通信關(guān)系管理服務(wù)建立 釋放通信連接 拒絕不合適的通信服務(wù) 讀取設(shè)備狀態(tài)等對象字典服務(wù)讀取對象字典 裝載或終止裝載對象字典 變量訪問服務(wù)讀 寫變量 定義 刪除變量 事件管理服務(wù)負責事件報告 事件確認 上 下載服務(wù)負責請求上 下載 打開上 下載 停止上 下載 對設(shè)備發(fā)送 讀取數(shù)據(jù)程序調(diào)用服務(wù)建立 刪除程序?qū)ο?啟動 停止 恢復(fù)程序執(zhí)行等 用戶層與功能塊應(yīng)用 用戶層是在ISO OSI參考模型七層結(jié)構(gòu)上添加的一層 用于完成控制應(yīng)用功能 功能塊一種使功能的公共特征標準化的模塊結(jié)構(gòu)功能塊可按周期 或按事件的發(fā)生重復(fù)作用把實現(xiàn)控制應(yīng)用所需的各種功能劃分為功能模塊規(guī)定了輸入 輸出 算法 事件 參數(shù)與塊控制的模塊化函數(shù)算法 功能塊的結(jié)構(gòu) 模塊 功能塊 資源塊 變換塊 功能塊的模塊類型 實現(xiàn)基本自控制功能跨越總線網(wǎng)絡(luò)鏈接按照時間表準確調(diào)度 設(shè)備的一般信息與資源相關(guān)的定時器 輸入 輸出的特定信息調(diào)校組態(tài) 資源塊 用于描述現(xiàn)場總線設(shè)備的特征 如設(shè)備名 制造者 系列號 規(guī)定一組參數(shù)來表達資源塊特性 資源塊沒有輸入 輸出參數(shù) 其參數(shù)內(nèi)含 無連接 通過資源塊 可在網(wǎng)絡(luò)上訪問與資源塊相關(guān)的設(shè)備的特性設(shè)備類型 版本 制作商 存儲器大小 硬件類型 狀態(tài) 寫保護等 一個設(shè)備中只有唯一的一個資源塊 變換塊按所要求的頻率讀取傳感器硬件中的數(shù)據(jù)可使數(shù)據(jù)的讀取 寫入過程與專有物理I O特性分離 為功能塊提供設(shè)備入口變換塊包含有量程數(shù)據(jù) 傳感器類型 線性化 I O數(shù)據(jù)表示等信息 每個輸入或輸出功能塊內(nèi)都會有一個變換塊 功能塊功能塊提供控制系統(tǒng)功能由參數(shù) 算法和事件組成由外部事件驅(qū)動功能塊的執(zhí)行功能塊中包含有標準的塊參數(shù)通過算法把輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換為輸出參數(shù)功能塊的執(zhí)行按周期性調(diào)度或按事件驅(qū)動可跨越現(xiàn)場總線實現(xiàn)功能塊的輸入輸出參數(shù)連接用戶應(yīng)用中可包含多個功能塊 功能塊連接 把一個功能塊的輸入連接到另一個功能塊的輸出 以實現(xiàn)功能塊間的參數(shù)傳遞與功能集成功能塊之間的連接可存在于功能塊應(yīng)用內(nèi)部 也存在于功能塊應(yīng)用之間 功能塊種類10個基本功能塊19個先進功能塊4個多輸入 多輸出功能塊1個柔性功能塊 功能塊應(yīng)用進程完整的功能塊應(yīng)用進程由功能塊應(yīng)用對象 對象字典 設(shè)備描述幾部分組成 功能塊應(yīng)用進程模塊及其與對象的連接 功能塊的分布與連接 FF的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng) H1網(wǎng)段的基本構(gòu)成部件基本網(wǎng)段 作為網(wǎng)段節(jié)點的現(xiàn)場設(shè)備 應(yīng)有主設(shè)備 總線供電電源 電源耦合 調(diào)理 器 連接在網(wǎng)段兩端的終端器 電纜或雙絞線 連接端子工作主機 可以作為鏈路主管 通信與控制系統(tǒng)組態(tài)器 人機界面