ff通信技术与控制网络

《ff通信技术与控制网络》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ff通信技术与控制网络（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、FF通信技术与控制网络,第六章,引 言,基金会现场总线，即 Foudation Fieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。 其前身是以美国 Fisher-Rousemount 公司为首，联合 Foxboro、日本横河、ABB、西门子等 80家公司制订的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的 150 家公司制订的 WordFIP 协议。屈于用户的压力，这两大集团于 1994 年 9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 其应用领域也主要是针对石化、电力、冶金、轻纺等连续生产过程控制。FF 产品在

2、世界各地已有许多成功的应用范例。,引 言,FF 技术在公开性、公正性等方面较其它总线有明显特点。它的公开性体现在协议的开发、修改是由成员单位组成专门的班子集体完成，其任何一条语句的编写均是经过 3 个以上成员单位共同完成，所有的技术成果均是基金会成员共有，而不是像某些现场总线协议被一家大公司垄断。在协议的一致性测试上可见其公正性。FF 基金会为保证各公司开发的协议通讯软件的一致性，要求必须通过 FF 基金会的一致性测试。,主 要 内 容,6.1 概述 6.2 物理层 6.3 数据链路层 6.4 用户层及功能块 6.5 设备描述DD与DDL 6.6 通信控制器,6.1 FF概述,基金会现场总线不

3、仅仅是一种总线，而且是一个系统！,基金会现场总线作为新型自动化系统，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，使自动化系统具备了网络化特征；同时它又位于工业生产现场，其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行进行的。,基金会现场总线概述（2）,基金会现场总线作为全分布式自动化系统，主要能够完成：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。,DCS：集散系统，多台计算机协同工作，仍是模-数混合系统。（模拟变送器-数字控制器）FCS：控制功能下放到现场，由

4、总线互连为网络，实现数据共享，协同工作，完成各项控制任务。,FF 现场总线的优点,概述,基金会现场总线分低速 H1 和高速 H2 两种通信速率。 H1 的传输速率为 31.25kbps，通信距离可达 1900米（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。 H2 的传输速率为 1Mbps 和 2.5Mbps两种，其通信距离为 750 米和 500 米。 物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线收发，协议符合 IEC1158-2 标准。 FF 的物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置都产生跳变，以保持收发双方的时间同步。借助于起其通信功能，可将自动化系统与工厂管理层网

5、络挂接，彻底打破自动化“信息孤岛”，形成完整的工厂信息网络。,核 心 基 础,通信技术：通信模型，协议，芯片，网络与系统管理等技术标准化模块：即各种功能块，提供一种通用结构设备描述：即设备驱动，用标准化语言，描述各种设备特性通信接口：圆卡，OPC 技术系统集成技术：通信系统与控制系统，组态、管理、维护系统测试技术：互可操作性，总线监听分析，系统性能测试,FF 的 协 议 模 型,物理层,层管理,数据链路层,层管理,未使用,总线访问子层,信息规范子层,VCRs,层管理,层管理,系统管理内核,功能块应用进程,网络管理代理,通信系统的主要组成（1）,功能块应用进程：,功能块应用进程主要用于实现用户所

6、需的各种功能。,功能块把为实现某种应用功能或算法、按某种方式反复执行的函数模块化，提供一个通用结构来规定输入、输出、算法和控制参数，把输入参数通过这种模块化的函数，转化为输出参数。如 PID 功能块完成现场总线系统中的控制算法，AI 功能块完成参数输入，等等。,每种功能块被单独定义，并可被其它块所调用。由多个功能块及其互相连接，集成为功能块应用。,通信系统的主要组成（2）,对象字典（OD）和设备描述（DD）：,OD：设备的网络可视对象的定义和描述。 DD：OD 的扩充描述。,FF 采用对象描述来说明总线上传输的数据格式与意义。把这些对象描述收集在一起，形成对象字典（OD ）。OD 由一系列的条

7、目组成，每一个条目分别描述一个应用进程对象和它的报文数据。为方便网络访问，每个 OD 还分配一个序列号。,通信系统的主要组成（3）,网络通信：,FF 使用预先构造好的信道在设备间传输信息，这些信道被称为 VCR（虚拟通信关系）。FF 定义了三种 VCR ：,客户/服务器型 VCR（Client / Server）：用于两个设备间由用户发起的、一对一的、排队式的、非周期通信。报告分发型 VCR（Report Distribution）：是一种排队式、非周期通信，也由用户发起的、一对多的通信方式发布/预订型 VCR（Publishor / Subscriber）：主要用来实现缓冲型一对多通信,通信

8、系统的主要组成（4）,网络管理：,为了在设备中提供集成的第 2 层和第 7 层协议（通信栈协议），并控制和监视其操作，FF 定义：在每个设备中都包含一个网络管理代理 NMA（Network Management Agent），由 NMA 提供支持组态管理、运行管理和出错管理的能力。,NMA 工作时的组态、运行和故障信息都是保存在NMIB（Network Management Information Base）中，并随时刷新。,通信系统的主要组成（5）,系统管理：,FF 还为每个设备提供一个系统管理核心 SMK（System Management Kernel）。在所有设备中，SMK 主要负责与

9、网络系统相关的管理任务，如确立本设备在网段中的位置，协调与网络上其它设备的动作和功能块执行时间等。用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，保存在系统管理信息库 SMIB（System Management Information Base）中。,网 络 拓 扑（1）,单链路拓扑：,所有的链路都需要且只需一个链路活动调度器 LAS（Link Active Scheduler），它在数据链路层中作为总线链路仲裁者进行工作，其作用有：识别新设备并把其加入链路；把没有响应的设备从网络中移走；在网络上发布数据链路和链路调度时间；在受调度的通信时轮询设备中的缓冲式数据；在受调度的通信的间隙中分发优先级驱动

10、令牌；,链路上的任何设备，只要具有上述能力，就可成为LAS。能够成为 LAS 的设备称为链路主设备。所有其它设备称为基本设备。,网 络 拓 扑（2）,桥式网络：,不同速率、不同传输介质的链路，可以用网桥把它们连接在一起。,对于所有 FF 桥式网络，任何两个设备间只有一条数据通路。,与 OSI 参考模型的关系,FF 由物理层、数据链路层、应用层以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户接口层组成。,FF 的物理层实现数据比特流在传输介质上的传送。传输介质可以是双绞线、光缆或无线方式。,FF 的数据链路层负责实现链路活动调度、数据的收发、活动状态的响应、总线上各设备间的链路时间同步等。,F

11、F 的应用层由现场总线访问（FAS）子层和现场总线报文规范（FMS）子层构成。FAS 子层提供发布/预订、客户/服务器、报告分发三种报文服务。FMS子层提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务等。,现场总线协议数据的生成,主 要 内 容,6.1 概述 6.2 物理层 6.3 数据链路层 6.4 用户层及功能块 6.5 设备描述DD与DDL 6.6 通信控制器,引 言,FF 提供两种物理标准：H1 和 H2。H1 为用于过程控制的低速总线，速率为31.25kbps，传输距离为 200米、400米、1200米和1900米四种。H2 的传输速率可为 1Mbps 和 2.5Mbps 两种，其通信距离分

12、别为 750 米和 500 米。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议 符合 IEC1158-2 标准。,物 理 层 的 功 能,物理层用于实现现场物理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数据收发提供合乎规范的物理信号。,物理层接收到来自数据链路层的数据信息时，需按 FF 的规范对数据帧加上前导码与定界符，并对其实行数据编码（曼彻斯特编码），再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线上。另一方面，在收到总线上传来的来自其它设备的物理信号时，对其去除前导码、定界符，并进行解码后，把数据信息送往数据链路层。,物 理 层 的 结 构,

13、物理层又可分为两个子层，即媒体相关子层（负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输媒体，不同速率的信号转换问题）和媒体无关子层（媒体相关子层与数据链路层之间的接口）。,媒体相关子层主要完成信号滤波与处理、信号驱动及其控制、电路隔离等功能，为媒体无关子层提供合格的物理信号波形。,媒体无关子层主要完成信号编码、增加或去除前导码、定界符等工作。,物 理 层 的 结 构,物 理 层 的 结 构,传 输 介 质,FF 支持多种传输介质：双绞线、同轴电缆、光缆、无线介质。,目前应用最广泛的是前两种，即双绞线和同轴电缆。H1 标准采用的电缆类型可分为非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、屏蔽多对双绞线、多芯屏蔽电缆几种类型

14、。,在不同传输速率下，信号的幅度、波形与传输介质的种类、导线屏蔽、传输距离等密切相关。由于要使挂接在总线上的所有设备都满足在工作电源、信号幅度、波形等方面的要求，必须对在不同工作环境下作为传输介质的导线横截面、允许的最大传输距离等做出规定。线缆种类、线径粗细不同，对传输信号的影响各异。FF 对采用不同缆线时所规定的最大传输距离见下表。,传 输 介 质,物 理 信 号 波 形,FF 为现场设备提供两种供电方式：总线供电与非总线式单独供电。总线供电设备直接从总线上获取工作能源；非总线式单独供电方式的现场设备，其工作电源来自外部电源，而不是取自总线。,信 号 编 码,协议报文编码：指携带了现场总线要

15、传输的数据报文（由上层的协议数据单元生成）。FF 采用曼彻斯特编码技术将数据编码加载到直流电压或电流上形成物理信号。 前导码：置于通信信号最前端而特别规定的 8 位数字信号：AAH。一般情况下，是一个字节，若采用中继器，则其可多于一个字节。 帧前定界符：标明现场总线信息的起点，其长度为 8 个时钟周期，即一个字节。 帧结束码：标志现场总线信息的终止，其长度也为 8 个时钟周期（一个字节）。,FF的信号编码,协议报文编码 由上层协议数据单元生成 反向曼彻斯特码 01 “0”，10“1” 前导码 8位 10101010 帧前定位码 8位 1 N+ N- 1 0 N- N+ 0 帧结束码 8位 1

16、N+ N- N+ N- 1 0 1,信 号 编 码,信 号 编 码,网段的主要特性参数,主 要 内 容,6.1 概述 6.2 物理层 6.3 数据链路层 6.4 用户层及功能块 6.5 设备描述DD与DDL 6.6 通信控制器,概 述,数据链路层位于物理层与总线访问子层之间，功能是为系统管理内核和总线访问子层访问媒体提供服务。,总线通信中的链路活动调度、数据的收发、活动状态探测、响应，总线上各设备间的链路时间同步等，都是由数据链路层实现的。,每一总线段上都有且仅有一个媒体访问控制中心 链路活动调度器。,链路活动调度器 LAS,链路活动调度器拥有总线上所有设备的清单，掌握总线段上各设备对总线的操作。,LAS 具备链路活动调度的能力，其内有一个链路活动调度表，LAS 就是按照该调度表的内容形成各类链路协议数据。链路活动调度是设备中数据链路层的重要任务。对没有链路活动调度能力的设备，其数据链路层要对来自总线的链路数据作出响应，控制本设备对总线的活动。,