网络化控制系统—现场总线技术第4讲 基金会现场总线 FF （1）基金会现场总线的特点• FF属于IEC61158国际现场总线标准子集，其开发初 衷是希望形成统一的现场总线标准 • FF分低速总线H1和高速总线HSE两部分 –分别属于IEC标准中两个不同的子集 –低速总线H1的通信速率为31.25Kbps –高速总线HSE的通信速率为10M,100Mbps • 为适应过程自动化系统在功能、环境与技术上的需 要而设计 • 是一项较为完整的控制网络协议 –除具有适应信号传输需要的物理层、数据链路层外，还 具有适应控制应用需要的应用层与用户层 –规范了功能块等，为实现开放性控制系统创造了基本条 件• 能适应总线供电的要求，可利用总线为现场 设备提供工作电源，能适应本质安全防爆的 要求 • H1网段的最大长度4*1900m • 一个网段可以挂接的节点数按应用场合不同 有32；16；8；4多种不同规定 –考虑是否为本安网段 –系统所处网段的安全等级物理层数据链路层现场总线访问子层现场总线报文规范子层用户层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层OSI模型现场总线模型1234567H1的通信参考模型物理设备的通信模型构成物理层及其网络连接• • 物理层为实现设备与总线之间的连接。
物理层为实现设备与总线之间的连接 ––提供符合规范的物理信号提供符合规范的物理信号 ––提供符合规范的机械和电气接口提供符合规范的机械和电气接口 • • 物理层把来自数据链路层的信息转换为物理信号物理层把来自数据链路层的信息转换为物理信号 ，发送到现场总线传输媒体上起转换、驱动、，发送到现场总线传输媒体上起转换、驱动、 发送的作用；发送的作用； • • 把自总线上接收到的物理信号转换为信息送往数把自总线上接收到的物理信号转换为信息送往数 据链路层起转换、接收的作用据链路层起转换、接收的作用物理层的信号处理： • 对来自数据链路层的数据信息实行数据编码 ( 曼彻斯特编码)；加上前导码、定界码、 结束码；经信号驱动；把所产生的物理信号 传送到总线上 • 对从总线上接收到的物理信号，去除前导码 、定界码、结束码；实行数据解码后，把数 据信息送往数据链路层现场设备的物理连接： –可配备标有“+”“-”号的醒目标签，以清 楚地表明接口处的极性 –容许具有自动极性判别能力的现场设备不配 备这种标签H1的数据帧结构• 数据帧的协议数据分层生成 • 数据采用双向-L曼彻斯特编码 – Manchester Biphase –L code • 在物理层添加 – 前导码 – 帧前定界码 – 帧结束码协议数据的生成• • 前导码前导码 ––置于帧的最前端，标志通信帧的信号开始。
置于帧的最前端，标志通信帧的信号开始 ––接收端利用前导码信号同步其内部时钟接收端利用前导码信号同步其内部时钟 ––前导码长度一般为前导码长度一般为8 8位的一个字节位的一个字节 ––前导码字节的内容为前导码字节的内容为1010101010101010 • • 帧前定界码帧前定界码 ––标明信息起点标明信息起点 ––其长度为其长度为8 8位的一个字节位的一个字节 ––帧前定界码由特殊的帧前定界码由特殊的N N+ + 码、码、N N- -码和码和1 1、、0 0的的双向-L曼彻斯特编码按规定的顺序组成按规定的顺序组成• • 关于关于N N+ + 码和码和N N- -码码––N N+ + 码在整个时钟周期都保持高电平码在整个时钟周期都保持高电平 ––N N- -码在整个时钟周期都保持低电平、码在整个时钟周期都保持低电平、 ––N N+ + 码和码和N N- -码在时钟周期的中间不存在电平的跳变，以码在时钟周期的中间不存在电平的跳变，以 区别于区别于数据所采用的双向-L曼彻斯特编码• • 帧结束码帧结束码 ––标志着通信帧的终止标志着通信帧的终止 ––其长度也为其长度也为8 8位的一个字节位的一个字节。
––由特殊的由特殊的N N+ + 码、码、N N- -码和码和1 1、、0 0的的双向-L曼彻斯特 编码按规定的顺序组成，其组合不同于起始码按规定的顺序组成，其组合不同于起始码 • • 前导码、帧前定界符、帧结束码都由物理前导码、帧前定界符、帧结束码都由物理 层的硬件电路生成并加载到总线上，形成层的硬件电路生成并加载到总线上，形成 物理传输信号物理传输信号H1的几种编码波形• 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 H1网段的实测信号数据链路层与链路活动 调度器数据链路层数据链路层DLLDLL( Data Link Layer )( Data Link Layer )的作用的作用 • • 为系统管理和通信活动提供服务为系统管理和通信活动提供服务 ––为数据的接收发送提供链路连接与链路活动调度为数据的接收发送提供链路连接与链路活动调度 ––提供节点活动状态的探测、响应提供节点活动状态的探测、响应 ––为总线上各设备间的链路时间同步提供服务为总线上各设备间的链路时间同步提供服务。
• • 具备链路活动调度能力的设备，其具备链路活动调度能力的设备，其DLLDLL负负 责形成链路活动调度表，并按照调度表的责形成链路活动调度表，并按照调度表的 内容形成各类协议数据单元内容形成各类协议数据单元 • • 对没有链路活动调度能力的设备，其对没有链路活动调度能力的设备，其DLLDLL 负责来自总线的链路数据作出响应，控制负责来自总线的链路数据作出响应，控制 本设备对总线的活动本设备对总线的活动 • • 数据链路层还要对所传输的信息实行帧校数据链路层还要对所传输的信息实行帧校 验FF通信活动的类型• • 周期周期( (预定预定) )通信：由通信：由LASLAS按预定调度时间表周期性依按预定调度时间表周期性依 次发起的通信活动次发起的通信活动 ––根据预定的调度时间表，一旦到了某个设备要发送的时间根据预定的调度时间表，一旦到了某个设备要发送的时间 ，链路活动调度器就发送一个强制数据，链路活动调度器就发送一个强制数据( CD Compel Data ( CD Compel Data ) )帧给这个设备帧给这个设备 ––收到了这个强制数据信息，就可以向总线上发送它的信息收到了这个强制数据信息，就可以向总线上发送它的信息 。
• • 非周期（非预定）通信：在预定周期时间表之外的非周期（非预定）通信：在预定周期时间表之外的 时间，时间，LASLAS通过传递令牌通过传递令牌 ( PT Pass Token )( PT Pass Token )开展的通信开展的通信 活动活动––得到得到PTPT令牌的设备可向总线发送信息令牌的设备可向总线发送信息 ––总线上的所有设备都有机会通过这种方式发送信息总线上的所有设备都有机会通过这种方式发送信息 • • 周期通信与非周期通信都由周期通信与非周期通信都由LASLAS掌管链路活动调度器LAS( Link Active Scheduler )• • LASLAS是总线段上的媒体访问控制中心，由是总线段上的媒体访问控制中心，由 它来掌管总线段上各设备对总线的操作它来掌管总线段上各设备对总线的操作 • • LASLAS拥有总线上所有设备的清单拥有总线上所有设备的清单 • • 总线段上的设备只有得到链路活动调度器总线段上的设备只有得到链路活动调度器 LASLAS的许可，才能向总线上传输数据的许可，才能向总线上传输数据 • • 任何时刻每个总线段上只能有一个任何时刻每个总线段上只能有一个LASLAS处处 于工作状态。
于工作状态LAS的活动• 按照链路活动调度器的调度表，向网络上的设备发 送强制数据CD，提供发送周期数据的机会 • 发送传递令牌PT，使设备得到发送非周期数据的机 会 • 监视设备对传递令牌PT的响应，去掉某些不使用、 不返还令牌的设备 • 为新入网的设备探测未被采用过的地址，并把它们 加入到活动表 • 定期对总线段发布链路时间链路活动调度权的竞争与LAS 转交 • 总线段上的链路主设备通过竞争争夺LAS权 –竞争发生在 • 系统启动 • 现有LAS出错失去LAS作用 –具有最低节点地址的链路主设备会成为LAS • 低节点地址的链路主设备加入到已运行的网 络 –网段上已有一个执行LAS，在新的竞争之前之前， 新加入的主设备不可能成为LAS • 可在设备的网络管理信息库中置入希望某设 备成为LAS的信息活动表及其维护• • 一个设备只要能响应链路活动调度器发出的传递令牌一个设备只要能响应链路活动调度器发出的传递令牌 ，它就会一直保持在活动表内它就会一直保持在活动表内 • • LASLAS对不在活动表内的地址发送节点探测信息对不在活动表内的地址发送节点探测信息PNPN ––如果节点对如果节点对PNPN作出响应，作出响应，LASLAS就把这个设备列入活动表，并就把这个设备列入活动表，并 发给该设备一个节点确认信息。
发给该设备一个节点确认信息 ––LASLAS对活动表执行一个周期之后，会对至少一个非活动地址对活动表执行一个周期之后，会对至少一个非活动地址 发出探测发出探测 • • 设备既不使用令牌，也不把令牌返还给设备既不使用令牌，也不把令牌返还给LASLAS，经，经3 3次后次后 LASLAS就把它从活动表中去掉就把它从活动表中去掉 • • 每个设备都保持有一个活动表的拷贝每个设备都保持有一个活动表的拷贝 • • LASLAS在活动表有节点增减变化时对所有设备广播在活动表有节点增减变化时对所有设备广播数据链路的时间同步数据链路的时间同步• • 总线上的周期性通信和功能块执行都按照总线上的周期性通信和功能块执行都按照 数据链路层提供的时间工作数据链路层提供的时间工作 • • LASLAS提供精确的控制时序提供精确的控制时序 • • 由周期性广播的时间发布帧由周期性广播的时间发布帧TD TD (Time (Time Distribution Distribution ) )来决定链路调度的绝对开始时间来决定链路调度的绝对开始时间 • • 各设备以绝对开始时间为基准、按规定的各设备以绝对开始时间为基准、按规定的 时间偏移量执行其周期通信、非周期通信时间偏移量执行其周期通信、非周期通信 、功能块调度以及其它应用进程。
功能块调度以及其它应用进程链路活动的调度过程H1设备类型–“链路活动调度器”（LAS）控制总线上 的通信 • 时间主管 • 主设备表管理 • 调度网络通信 • 支持冗余 –设备类型 • 链路主设备 - 有能力支持LAS功能 • 基本设备 - 没有能力支持LAS功能 • 网桥 (链接设备 Linking Device) - 将单个 现场总线网段组合链接在一起H1的设备类型现场总线LAS基本设备LAS = 链路活动调度器链路主设备 （备用）链路主设备 （主）基本设备基本设备基本设备LASXH1设备标识• 每一个设备都能唯一标识 – 设备 ID• 制造商为标识设备而设定 － 序列号 • 例如: 003453ACME39483847 – 设备位号 (TAG)• 用户为标识操作而设定 • 例如: TT-101 – 设备地址 • 在网段上唯一的地址 • 例如: 33设备地址分配• 地址分配顺序 : –设备连接到总线上，随机使用一个248 ～251之间的缺省地址（default address） –组态工具（主机）为这个新设备分配一 个物理设备位号（PD TAG） –组态工具（主机）为这个新设备分配一 个当前没有被使用的永久地址（ permanent address ）。
时间• 在总线上有两种意义上的时间 –应用程序时间 • 事件时间标记 • 由用户。