1、基金會現場總線第五章主 要 內 容5.1 概述5.2 通信模型5.3 網絡拓撲結構5.4 現場總線控制系統體系結構5.5 通信控制器5.1 FF 概述FF系統是為適應自動化系統、特別是過程自動化系統專門設計的:1)它可以工作在工廠生產的現場環境下，2)能適應本質安全防爆的要求，3)還可通過傳輸數據的總線為現場設備提供工作電源。基金會現場總線作為工廠的底層網絡，相對一般廣域網、局域網而言，它是低速網段，其傳輸速率的典型值為: 31.25kbps，1M bps 和 2.5M bps基金會現場總線(Foundation Fieldbus,FF) : 由現場總線基金會開發。1996頒布低速總線標準H1

2、。減少接線與安裝簡化操作和維護易于集成FF 現場總線的優點實現與地點無關的控制對等實體間高速通信靈活的拓樸結構真正的可互操作性完善的售后服務與技術支持FF主要技術內容 (1) 基金會現場總線的通信技術(2) 標準化功能塊(FB，Function Block) 功能塊應用進程(FBAP，Function Block Application Process)(3) 設備描述(DD，Device Description) 設備描述語言(DDL，Device Description Language）(4) 現場總線通信控制器與智能儀表 或工業控制計算機之間的接口技術(5) 系統集成技術(6) 系統測

3、試技術FF 現場總線類型/H2 低速現場總線H1高速現場總線H2傳輸速率31.25Kbps31.25Kbps31.25Kbps1Mbps1Mbps1Mbps信號類型電壓電壓電壓電流電壓電壓拓樸結構總線/菊花鏈/樹型總線/菊花鏈/樹型總線/菊花鏈/樹型總線總線總線總線通信距離1900m1900m1900m750m750m750m分支長度120m120m120m000供電方式非總線供電總線供電總線供電總線交流供電非總線供電非總線供電本質安全不支持不支持支持支持不支持不支持設備數/段2-231-122-62-322-322-32物理層鏈路層應用層用戶層5.2 FF 通信模型基金會現場總線的核心部分之

4、一是實現現場總線信號的數字通信。物理層鏈路層應用層用戶層通信棧功能塊應用與設備描述總線報文子層總線訪問子層每個具有通信能力的現場總線物理設備都應具有通信模型。通信模型的主要組成部分從物理設備構成角度: FF協議數據的生成 FF 網絡通信中的VCR在基金會現場總線網絡中，設備之間傳送信息是通過預先組態好了的通信通道進行的。這種在現場總線網絡各應用之間的通信通道稱之為虛擬通信關系(VCR，Virtual Communication Relationships)。現場設備應用進程之間的連接是一種邏輯上的連接,一種軟連接。VCR類型客戶/服務器型報告分發型發布/預訂接收型通信特點排隊、一對一、非周期排

5、隊、一對一、非周期緩沖、一對多、受調度或非周期信息類型初始設置參數或操作模式事件通知，趨勢報導刷新功能塊的輸入輸出數據典型應用設置給定值改變模式，調整控制參數，上載/下載。報警管理，訪問顯示畫面。遠程診斷向操作臺通告報警狀態，報告歷史數據趨勢向PID控制功能塊和操作臺發送測量值 虛擬通信關系的類型與應用1.物理層及其網絡連接物理層用于實現現場物理設備與總線之間的連接，為現場設備與通信傳輸媒體的連接提供機械和電氣接口，為現場設備對總線的發送或接收提供合乎規范的物理信號。數據鏈路層1 加上前導碼、定界碼2 數據編碼1 去除前導碼、 定界碼2 數據解碼 物理層作為電氣接口，一方而接受來自數據鏈路層的

6、信息，把它轉換為物理信號，并傳送到現場總線的傳輸媒體上，起到發送驅動器的作用；另一方面把來自總線傳輸媒體的物理信號轉換為信息送往數據鏈路層，起到接收器的作用。物理層FF現場總線H1區域FF 物理信號波形基金會現場總線為現場設備提供兩種供電方式: 1）總線供電 2）非總線式單獨供電總線供電的場合，總線上既要傳送數字信號，又要由總線為現場設備供電。物理信號波形如下所示:31.25Kbps H1 總線電壓模式的信號波形(a)(b)(c)31.25Kbps H2 總線電壓模式的信號波形(a)(b)(c) 1Mbps的H2總線規范還支持一種特殊的電流模式，用于本安型總線供電的應用場合。1Mbps的現場總

7、線信號是加載在l6kHz的交流電源信號上的。FF 物理層信號編碼用戶數據協議高層數據鏈路層物理層數據鏈路層協議數據單元前導碼、幀前定界碼、幀結束碼都是在發送端，由硬件生成并加載到物理信號上：發送驅動器傳輸介質曼徹斯特編碼中中中現場設備按照基金會現場總線的相關規范，現場設備按使用環境分類。對總線供電類的設備其參數參照推薦標準標準信號低功耗信號總線供電分開單獨供電總線供電分開單獨供電本質安全111112121122非本質安全113114123124參數設備允許電壓 設備允許電流設備輸入電源設備殘余容抗設備殘余感抗推薦值最小24V最小250mA 1.2W5nF20uHFF壓力、流量、液位變送器傳輸介

8、質、最大傳輸距離電纜類型電纜型號傳輸速率最大傳輸距離A屏蔽雙絞線#18AWGH131.25Kbps1900米#22AWG H2 1Mbps750米#22AWGH2 2.5Mbps500米B屏蔽多對雙絞線#22AWGH131.25Kbps1200米C無屏蔽雙絞線#22AWGH131.25Kbps400米D多芯屏蔽電纜#16AWGH131.25Kbps200米FF 現場總線支持多種傳輸介質：雙絞線、電纜、光纜、無線介質。導線媒體的允許傳輸距離2. 數據鏈路層DLL在數據鏈路層上所生成的協議控制信息就是為完成對總線上的各類鏈路傳輸活動進行控制而設置的。數據鏈路層位于物理層PHY與總線訪問子層FAS之

9、間，為系統管理內核和總線訪問子層FAS訪問總線媒體提供服務。數據鏈路協議數據單元 DL-PDU幀DL-PDU 提供數據鏈路的協議控制信息。協議控制信息由三部分組成:DLPDU類型符號幀控制字節建立連接1EC11111 LF00斷開連接1DC10111 LF00強制數據1CD11111 LEPP數據幀1DT11101 LFPP狀態響應SR0001 0F11傳遞令牌PT0011 0FPP空閑幀Idle0001 0F10DLPDU的種類和幀控制信息格式（部分）數據鏈路層 LAS每個總線段上有一個媒體訪問控制中心，稱為鏈路活動調度器LAS 。LAS擁有總線上所有設備的清單，由它來掌管總線段上各設備對總

10、線的操作。受調度通信：非調度通信：基金會現場總線的通信活動分為兩類：預定調度時間表，到時就由LAS發CD給基本設備。適于現場設備之間周期性通信；LAS在調度時間表之外，發令牌到總線，適于現場設備之間非周期通信，是令牌總線方式。LAS基本功能：1)向設備發送強制數據CD；2)向設備發送傳遞令牌PT；3)為新入網的設備探測未被采用過的地址；4)定期對總線段發布數據鏈路時間和調度時間；5)監視設備對傳遞令牌PT的響應LAS工作過程1)鏈路活動調度器LAS調度權的競爭過程與轉交；2)鏈路活動的調度算法；3)活動表及其維護3. 用戶層及功能塊用戶層報文規范子層 FMS通信棧物理層報文訪問子層FAS數據鏈

11、路層 DLL用戶層通信棧的最后一層是本質上新的類型層，稱為用戶層，用戶層包括三個主要部件：功能塊、變換塊、資源塊。用戶層提供了功能塊和設備描述，無需特別編程，主機系統即可與設備通信。典型用戶應用塊 它是過程控制或I/O功能塊。它們用來執行過程控制策略。功能塊與轉換器塊接口以訪問過程控制信息；與FF現場總線高速通信，使信息能被其它設備所用。10個標準功能塊，19個標準的附加功能塊。資源塊轉換器塊功能塊FF現場總線 資源塊完整定義了設備與外界的連接。采用資源塊，主機知道設備的屬性和功能。資源塊包含整個資源通用的信息，包括設備識別、硬件、設備特點、內存和CPU可用率、寫保護、故障安全和報警管理。 轉

12、換器塊完整定義了有關設備傳感器或執行器的信息。它是物理世界和信息世界的連接。轉換器塊與模擬輸入或輸出功能塊通信。AI和AO 模塊與外部通信。這種模塊負責信息和特定的功能，例如一個特定物理屬性的測量，如壓力或溫度，或一種特別的測量技術，如超聲波。FF基本標準功能塊名稱符號名稱符號模擬量輸入AI離散輸出DO模擬量輸出AO手動裝載ML偏置B比例微分PD控制選擇CS比例積分微分PID離散輸入DI比率系數RA功能塊服務 功能塊服務描述了在接口設備、臨時性設備中含有功能塊應用的現場設備之間，運用FMS所進行的相互作用。功能塊服務表功能塊服務服務說明支持對象FB_ReadI/T設備讀取現場設備OD中的參數及

13、其它對象的相關值塊、參數、鏈接、趨勢、觀測FB_WriteI/T設備向現場設備OD中塊參數及其它對象寫入值塊、參數、鏈接、趨勢、觀測FB_Alert_Notify現場設備向接口設備報告警報或事件報警FB_Alert_Ack接口設備在處理報警后清除警報/事件的未確認屬性報警FB_TagI/T設備更改塊（FB，TB，BR）的位號（Tag)塊FB_Action 使一個塊或對象的一個實例被創建或刪除塊、鏈接、趨勢功能塊應用進程 FBAPFBAP位于基金會現場總線通信模型的最高層用戶層。FBAP作為用戶層的重要組成部分，用于完成基金會現場總線中的自動化系統功能。現場總線系統是協同工作的應用進程AP的集合

14、。應用進程AP是現場總線系統活動的基本組成部分，是最基本的對象。每個應用進程AP表述了存在于一個設備內的分別包裝成組的功能塊FB。自動化系統FBAPsFBs功能塊應用進程FBAP的組成完整的功能塊應用進程由功能塊應用對象、對象字典、設備描述組成。功能塊的內部結構功能塊應用進程提供一個通用結構，把實現控制系統所需的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標準化，規定它們各自的輸入、輸出算法、事件、參數與塊控制圖，把按時間反復執行的函數模塊為算法，把輸入參數按功能塊算法轉換成輸出參數。4. 設備描述 DD 與 DDL 設備描述為主機系統提供了一種自動識別和作用現場設備的方式。設備描述是設備功能的一種表

15、示。每臺設備都有特定的設備描述，它描述了其資源和功能塊功能。設備描述可從供應商或現場總線基金會得到。設備描述裝載到主機就像打印機驅動程序裝載到PC機一樣。設備描述語言DDL 設備描述語言是一種特別的編程語言用來開發現場設備的描述。設備描述語言僅僅適用于FF現場總線或HART技術，它是一種類似于C語言的編程語言，一旦設備描述開發好，它們將在現場總線基金會注冊。然后現場總線基金會發布這些設備描述使現在主機能支持新設備。 設備描述DD分層 設備描述DD開發步驟(1)、采用設備描述語言DDL編寫DD源文件(3)、經互操作測試，配置基金會DD庫，制成CD-ROM發給用戶(4)、配置設備描述服務DDS:

16、在主機一側，通過DDS的庫函數來讀取設備描述(2)、編譯，生成DD目標文件。DLL源文件VARIABLE Process VariableLABEL”MEASURED_VALUE”;TYPE FLOATDISPLAY_FORMAT”3.1F”;MAX_VALUE 110.0;MIN_VALUE 0.0設備描述輸出文件009 101002 ”MEASURED_VALUE”001 010061 “3.1f”021 066 220 000 000020 000 000 000 000 配置設備描述服務DDS5.3 網絡拓撲結構總線型一、總線帶分支結構采用這種結構是一根總線（主干）穿過過程區域并且設備

17、連接到總線上。總線到設備之間的電纜稱為分支。這種結構適用于區域內設備密度較低的情況，它常用于新安裝。樹型一、樹形或分支或雞爪形結構它適用于在特定范圍內現場總線設備密度較高的情況。它常用于升級情況，即電纜已與接線盒和設備安裝就位。在這種情況下，它為現場總線安裝提供了一種低成本增加新電纜的方法。菊花鏈型一雛菊鏈拓樸結構雛菊鏈拓樸看上去很吸引人，但實際不是。它似乎能降低總的電纜長度元件連接費用，但花費很大。其成本主要是其下游的維護性和可靠性。若采用雛菊鏈拓樸結構，當一臺設備要從區域取下來，該設備后面區域上的所有設備都將失去連接，產生故障，這將導致許多設備失效和潛在的邊程停運。5.4 IEC推薦的現場

18、總線控制系統體系結構通信設備類型按照設備的通信能力，基金會現場總線把通信設備分為三類：鏈路主設備、基本設備、網橋。現場總線的通信設備與 LAS3244 MW溫度變送器基金會現場總線的3244MW型多變量溫度變送器功能方框圖FF的網絡布線LAS組態器HMI現場總線網絡的基本構件布線影響因素電源電壓、電壓位置；電纜阻抗;設備功耗、位置;電源與網段配置FF的網絡擴充網絡擴充遵循一定的規則，或應受到某些限制。如網段上的主干長度和分支線長度的總線是受到限制的。不同類型的電纜對應不同的最大長度，長度應包括主干線纜和分支線的總和，其最大長度的參數參見表：設備總數1個設備/分支2個設備/分支3個設備/分支4個設備/分支25321111192430111151860301113149060301112120906030每個分支上最大長度的建議值(m)FF 接地、屏蔽與極性接地不能在網絡中任何一點把信號傳輸導體即雙絞線接地。現場總線信號在全網絡中都要被特殊保護，將任何信號傳輸導體接地會引起這條總線上的所有設備失去通信能力。任何一根導線接地或兩線接在一起，會導致通信中斷。屏蔽現場總線電纜最好還是被屏蔽