基金会现场总线.ppt

基金会现场总线,第七章 第三节,主 要 内 容,4.1,概述,4.2,物理层,4.3,数据链路层,4.4,用户层及功能块,4.,5,设备描述,DD,与,DDL,4.,6,通信控制器,主 要 内 容,4.1,概述,4.2,物理层,4.3,数据链路层,4.4,用户层及功能块,4.,5,设备描述,DD,与,DDL,4.,6,通信控制器,FF,概述,FF,系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统专门设计的,:,1),它可以工作在工厂生产的现场环境下，,2),能适应本质安全防爆的要求，,3),还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。,基金会现场总线作为工厂的底层网络，相对一般广域网、局域网而言，它是低速网段，其传输速率的典型值为,:,31.25kbps,，,1M bps,和,2.5M bps,基金会现场总线,(Foundation Fieldbus,FF):,由,现场总线基金会,开发。,1996,颁布低速总线标准,H1,。,减少接线与安装,简化操作和维护,易于集成,FF,现场总线的优点,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,完善的售后服务与技术支持,FF,主要技术内容,(1),基金会现场总线的通信技术,(2),标准化功能块,(FB,，,Function Block),功能块应用进程,(,FBAP,，,Function Block Application Process),(3),设备描述,(,DD,，,Device Description,),设备描述语言,(,DDL,，,Device Description Language,）,(4),现场总线通信控制器与智能仪表,或工业控制计算机之间的接口技术,(5),系统集成技术,(6),系统测试技术,物理层,链路层,应用层,用户层,FF,通信模型,基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。,物理层,链路层,应用层,用户层,通信栈,功能块应用,与设备描述,总线报文子层,总线访问子层,每个具有,通信能力,的现场总线物理设备都应具有通信模型。,通信模型的主要组成部分从,物理设备,构成角度,:,FF,协议数据的生成,FF,网络通信中的,VCR,在基金会现场总线网络中，设备之间传送信息是通过,预先组态,好了,的通信通道进行的。这种在现场总线网络,各应用之间的通信通道,称之为,虚拟通信关系,(,VCR,，,Virtual Communication Relationships,),。,现场设备应用进程之间的连接是一种,逻辑,上的连接,一种软连接。,VCR,类型,客户,/,服务器型,报告分发型,发布,/,预订接收型,通信特点,排队、一对一、非周期,排队、一对一、非周期,缓冲、一对多、受调度或非周期,信息类型,初始设置参数或操作模式,事件通知，趋势报导,刷新功能块的输入输出数据,典型应用,设置给定值改变模式，调整控制参数，上载,/,下载。报警管理，访问显示画面。远程诊断,向操作台通告报警状态，报告历史数据趋势,向,PID,控制功能块和操作台发送测量值,虚拟通信关系的类型与应用,主 要 内 容,4.1,概述,4.2,物理层,4.3,数据链路层,4.4,用户层及功能块,4.,5,设备描述,DD,与,DDL,4.,6,通信控制器,4.2,物理层及其网络连接,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,设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理信号。,数据链路层,1,加上前导码、定界码,2,数据编码,1,去除前导码、,定界码,2,数据解码,物理层作为电气接口，一方而接受来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送,驱动器,的作用；另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到,接收器,的作用。,物理层,FF,现场总线,H1,区域,FF,物理信号波形,基金会现场总线为现场设备提供两种供电方式,:,1,）总线供电,2,）非总线式单独供电,总线供电的场合，总线上既要传送数字信号，,又要由总线为现场设备供电。,物理信号波形如下所示,:,31.25Kbps H1,总线电压模式的信号波形,(a),(b),(c),31.25Kbps H2,总线电压模式的信号波形,(a),(b),(c),1Mbps,的,H2,总线规范还支持一种特殊的电流模式，用于,本安型总线供电,的应用场合。,1Mbps,的现场总线信号是加载在,l6kHz,的交流电源信号上的。,FF,物理层信号编码,用户数据,协议高层,数据链路层,物理层,数据链路层,协议数据单元,前导码、帧前定界码、帧结束码都是在发送端，由硬件生成并加载到物理信号上：发送驱动器,传,输,介,质,曼彻斯特编码,中,中,中,现场设备,按照基金会现场总线的相关规范，现场设备按使用环境分类。,对总线供电类的设备其参数参照推荐标准,标准信号,低功耗信号,总线供电,分开单独供电,总线供电,分开单独供电,本质安全,111,112,121,122,非本质安全,113,114,123,124,参数,设备允许电压,设备允许电流,设备输入电源,设备残余容抗,设备残余感抗,推荐值,最小,24V,最小,250mA,1.2W,5nF,20uH,FF,压力、流量、液位变送器,传输介质、,最大传输距离,电缆类型,电缆型号,传输速率,最大传输距离,A,屏蔽双绞线,#18AWG,H1,31.25Kbps,1900,米,#22AWG,H2 1Mbps,750,米,#22AWG,H2 2.5Mbps,500,米,B,屏蔽多对双绞线,#22AWG,H1,31.25Kbps,1200,米,C,无屏蔽双绞线,#22AWG,H131.25Kbps,400,米,D,多芯屏蔽电缆,#16AWG,H1,31.25Kbps,200,米,FF,现场总线支持多种传输介质：双绞线、电缆、光缆、无线介质。,导线媒体的允许传输距离,网络拓扑结构,总线型,一、总线带分支结构,采用这种结构是一根总线（主干）穿过过程区域并且设备连接到总线上。总线到设备之间的电缆称为分支。这种结构适用于区域内设备密度较低的情况，它常用于新安装。,树型,一、树形或分支或鸡爪形结构,它适用于在特定范围内现场总线设备密度较高的情况。它常用于升级情况，即电缆已与接线盒和设备安装就位。在这种情况下，它为现场总线安装提供了一种低成本增加新电缆的方法。,菊花链型,一雏菊链拓朴结构,雏菊链拓朴看上去很吸引人，但实际不是。它似乎能降低总的电缆长度元件连接费用，但花费很大。其成本主要是其下游的维护性和可靠性。若采用雏菊链拓朴结构，当一台设备要从区域取下来，该设备后面区域上的所有设备都将失去连接，产生故障，这将导致许多设备失效和潜在的边程停运。,FF,现场总线类型,/H2,低速现场总线,H1,高速现场总线,H2,传输速率,31.25Kbps,31.25Kbps,31.25Kbps,1Mbps,1Mbps,1Mbps,信号类型,电压,电压,电压,电流,电压,电压,拓朴结构,总线,/,菊花链,/,树型,总线,/,菊花链,/,树型,总线,/,菊花链,/,树型,总线,总线总线,总线,通信距离,1900m,1900m,1900m,750m,750m,750m,分支长度,120m,120m,120m,0,0,0,供电方式,非总线供电,总线供电,总线供电,总线交流供电,非总线供电,非总线供电,本质安全,不支持,不支持,支持,支持,不支持,不支持,设备数,/,段,2-23,1-12,2-6,2-32,2-32,2-32,IEC,推荐的现场总线控制系统体系结构,主 要 内 容,4.1,概述,4.2,物理层,4.3,数据链路层,4.4,用户层及功能块,4.,5,设备描述,DD,与,DDL,4.,6,通信控制器,4.3,数据链路层,DLL,在数据链路层上所生成的,协议控制信息就是为完成对总线上的各类链路传输活动进行控制而设置的。,数据链路层,位于,物理层,PHY,与总线访问,子层,FAS,之间，为,系统管理内核,和总线,访问子层,FAS,访问总线媒体提供服务。,数据链路协议数据单元,DL-PDU,帧,DL-PDU,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,:,DLPDU,类型,符号,帧控制字节,建立连接,1,EC1,1111 LF00,断开连接,1,DC1,0111 LF00,强制数据,1,CD1,1111 LEPP,数据帧,1,DT1,1101 LFPP,状态响应,SR,0001 0F11,传递令牌,PT,0011 0FPP,空闲帧,Idle,0001 0F10,DLPDU,的种类和帧控制信息格式（部分）,数据链路层,LAS,每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为,链路活动调度器,LAS,。,LAS,拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。,受调度通信：,非调度通信：,基金会现场总线的通信活动分为两类：,预定调度时间表，到时就由,LAS,发,CD,给基本设备。适于现场设备之间周期性通信；,LAS,在调度时间表之外，发令牌到总线，适于现场设备之间非周期通信，是令牌总线方式。,LAS,基本功能：,1),向设备发送强制数据,CD,；,2),向设备发送传递令牌,PT,；,3),为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时间和调度时间；,5),监视设备对传递令牌,PT,的响应,LAS,工作过程,1,链路活动调度器,LAS,调度权的竞争过程与转交；,2,链路活动的调度算法；,3,活动表及其维护,通信设备类型,按照设备的通信能力，基金会现场总线把通信设备分为三类：,链路主设备、基本设备、网桥。,现场总线的通信设备与,LAS,主 要 内 容,4.1,概述,4.2,物理层,4.3,数据链路层,4.4,用户层及功能块,4.,5,设备描述,DD,与,DDL,4.,6,通信控制器,4.4,用户层及功能块,用户层,报文规范子层,FMS,通信栈,物理层,报文访问子层,FAS,数据链路层,DLL,用户层,通信栈的最后一层是本质上新的类型层，称为用户层，用户层包括三个主要部件：功能块、变换块、资源块。用户层提供了功能块和设备描述，无需特别编程，主机系统即可与设备通信。,典型用户应用块,它是过程控制或,I/O,功能块。它们用来,执行过程控制策略,。,功能块与转换器块,接口以访问过程控制,信息；与,FF,现场总线,高速通信，使信息能,被其它设备所用。,10,个标准功能块，,19,个标准的附加功能块。,资源块,转换器块,功能块,FF,现场总线,资源块完整定义了设备与外界的连接。采用资源块，主机知道设备的属性和功能。资源块包含整个资源通用的信息，包括设备识别、硬件、设备特点、内存和,CPU,可用率写保护、故障安全和报警管理。,转换器块完整定义了有关设备传感器或执行器的信息。它是物理世界和信息世界的连接。转换器块与模拟输入或输出功能块通信。,AI,和,AO,模块与外部通信。这种模块负责信息和特定的功能，例如一个特定物理属性的测量，如压力或温度，或一种特别的测量技术，如超声波或科立奥利。,FF,基本标准功能块,名称,符号,名称,符号,模拟量输入,AI,离散输出,DO,模拟量输出,AO,手动装载,ML,偏置,B,比例微分,PD,控制选择,CS,比例积分微分,PID,离散输入,DI,比率系数,RA,功能块,应用进程,FBAP,FBAP,位于基金会现场总线通信模型的,最高层,用户层,。,FBAP,作为用户层的重要组成部分，用于完成基金会现场,总线中的,自动化系统功能,。,现场总线系统,是协同工作的应用进程,AP,的集合。,应用进程,AP,是现场总线系统活动的基本组成部分，,是最基本的对象。,每个应用进程,AP,表述了存在于一个设备内的分别包装成组的功能块,FB,。,自动化系统,FBAPs,FBs,功能块的内部结构,功能块应用进程提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功,能划分为功能模块，使其,公共特征标准化,，规定它们各自的输入、,输出算法、事件、参数与块控制图，把按时间反复执行的函数模块,为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。,3244 MW,温度变送器,基金会现场总线的,3244MW,型多变量温度变送器功能方框图,功能块服务,功能块服务描述了在,接口设备、临时性设备,中含有功能块应用的,现场设备之间，运用,FMS,所进行的相互作用。,功能块服务表,功能块服务,服务说明,支持对象,FB_Read,I/T,设备读取现场设备,OD,中的参数及其它对象的相关值,块、参数、链接、趋势、观测,FB_Write,I/T,设备向现场设备,OD,中块参数及其它对象写入值,块、参数、链接、趋势、观测,FB_Alert_Notify,现场设备向接口设备报告警报或事件,报警,FB_Alert_Ack,接口设备在处理报警后清除警报,/,事件的未确认属性,报警,FB_Tag,I/T设备更改块（,FB，TB，BR）,的位号（,Tag),块,FB_Action,使一个块或对象的一个实例被创建或删除,块、链接、趋势,功能块应用进程,FBAP,的组成,完整的功能块应用进程由,功能块应用对象、对象字典、设备描述,组成。,主 要 内 容,4.1,概述,4.2,物理层,4.3,数据链路层,4.4,用户层及功能块,4.,5,设备描述,DD,与,DDL,4.,6,通信控制器,4.5,设备描述,DD,与,DDL,设备描述为主机系统提供了一种自动识别和作用现场设备的方式。设备描述是设备功能的一种表示。每台设备都有特定的设备描述，它描述了其资源和功能块功能。设备描述可从供应商或现场总线基金会得到。设备描述装载到主机就像打印机驱动程序装载到,PC,机一样。,设备描述语言,DDL,设备描述语言是一种特别的编程语言用来开发现场设备的描述。设备描述语言仅仅适用于,FF,现场总线或,HART,技术，它是一种类似于,C,语言的编程语言，一旦设备描述开发好，它们将在现场总线基金会注册。然后现场总线基金会发布这些设备描述使现在主机能支持新设备。,设备描述,DD,分层,设备描述,DD,开发步骤,(1),、采用设备描述语言,DDL,编写,DD,源文件,(3),、经互操作测试，配置基金会,DD,库，制成,CD-ROM,发给用户,(4),、配置设备描述服务,DDS:,在主机一侧，通过,DDS,的库函数来读取设备描述,(2),、编译，生成,DD,目标文件,。,DLL,源文件,VARIABLE Process Variable,LABEL”MEASURED_VALUE”;,TYPE FLOAT,DISPLAY_FORMAT”3.1F”;,MAX_VALUE 110.0;,MIN_VALUE 0.0,设备描述输出文件,009 101,002”MEASURED_VALUE”,001 010,061“3.1f”,021 066 220 000 000,020 000 000 000 000,配置设备描述服务,DDS,主 要 内 容,4.1,概述,4.2,物理层,4.3,数据链路层,4.4,用户层及功能块,4.,5,设备描述,DD,与,DDL,4.,6,通信控制器,4.6,通信控制器,1,总线上的信号驱动和信号接收,5,帧校验序列的产生和验证,4,信息帧的打包和解包,主要功能：,3,串行数据的编码和解码,2,传输数据的串、并行转换,通信控制器芯片,FB3050,FF,的网络布线,LAS,组态器,HMI,现场总线网络的基本构件,布线影响因素,电源电压、电压位置；,电缆阻抗,;,设备功耗、位置,;,电源与网段配置,FF,的网络扩充,网络扩充遵循一定的规则，或应受到某些限制。,如网段上的主干,长度和分支线长度的总线是受到限制的。,不同类型的电缆对应不同,的最大长度，长度应包括主干线缆和分支线的总和其最大长度的,参数参见表：,设备总数,1,个设备,/,分支,2,个设备,/,分支,3,个设备,/,分支,4,个设备,/,分支,2532,1,1,1,1,1924,30,1,1,1,1518,60,30,1,1,1314,90,60,30,1,112,120,90,60,30,每个分支上最大长度的建议值,(m),FF,接地、屏蔽与极性,接地,不能在网络中任何一点把信号传输导体即双绞线接地。,现场总线信号在全网络中都要被特殊保护，将任何信号传输导体接地会引起这条总线上的所有设备失去通信能力。,任何一根导线接地或两线接在一起，会导致通信中断。,屏蔽,现场总线电缆最好还是被屏蔽。,现场总线电缆的屏蔽沿着电缆的整个长度仅在一点接地，,而且屏蔽线绝对不可用做电源的导线。,对于大多数网络来说，接地点的位置是任意的。,极性,现场总线所使用的,Manchester,信号是一个每位改变一次或两次极性的交变电压信号。,现场总线网络必须考虑信号的极性,，所有的,“,+,”,端必须相互连接，所有的,“,一,”,端也必须相互连接。,注意：,有极性的设备应标识出极性或者带有专用连接器。,无极性的设备不必标识。,为总线供电的现场设备也要标明极性。,