第3章-基金會現(xiàn)場總線

第3章-基金會現(xiàn)場總線第一頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線本部分內容FF發(fā)展回顧FF的網(wǎng)絡模型及網(wǎng)絡拓撲結構FF-H1技術特點FF-HSE技術特點LAS工作機理第二頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

1.FF發(fā)展回顧（1）FF-H1和FF-HSE前身是ISP和WorldFIP標準 1994年建立FF-H1(低速)、2000年推出FF-HSE（高速）FF-H1主要用于過程工業(yè)（連續(xù)控制）的自動化，傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1900m（與傳輸介質有關，可加中繼器）。FF-HSE采用基于Ethernet(IEEE802.3)+TCP/IP的六層機構，主要用于制造業(yè)（離散控制）自動化以及邏輯控制、批處理和高級控制等場合。第三頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

1.FF發(fā)展回顧（2）FF的發(fā)展影響力基金會現(xiàn)場總線是目前最具發(fā)展前景，最具競爭力的現(xiàn)場總線之一，它的前身是以Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲150家公司制定的WorldFIP協(xié)議，兩大集團于1994年合并，成立“現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation）”，并致力于開發(fā)統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準。截止目前，現(xiàn)場總線基金會已擁有一百多個成員，這包括世界上最主要的自動化設備供應商，如AB、ABB、Yokogawa、Honeywell、Smar、FUJIElectric等等。第四頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

1.FF發(fā)展回顧（2）FF的發(fā)展影響力他們生產(chǎn)的變送器、執(zhí)行器，DCS和流量儀表占世界市場的90％，對工業(yè)底層網(wǎng)絡的功能需求了解透徹，也具備足以左右該領域自控設備發(fā)展方向的能力，因而有它組成的基金會新頒布的現(xiàn)場總線規(guī)范具有一定的權威性。第五頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

2.FF的網(wǎng)絡模型及網(wǎng)絡拓撲結構支持雙絞線、電纜、光纜、射頻定義現(xiàn)場的命令、響應、數(shù)據(jù)或事件定義功能模塊：基本功能模塊，先進功能模塊第六頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

2.FF的網(wǎng)絡模型及網(wǎng)絡拓撲結構第七頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

3.FF-H1技術特點（1）支持總線供電FF-H1采用了基于IEC1158-2的雙線信號傳輸技術，并為現(xiàn)場設備提供兩種供電方式，非總線供電和總線供電。總線供電的場合，總線上既要傳送數(shù)字信號，又要由總線為現(xiàn)場設備提供電源能量。按FF-H1的技術規(guī)范，攜帶協(xié)議信息的數(shù)字信號以31.25KHz的頻率，0.75~1V的峰峰電壓被調制到9～32V的直流供電電壓上。第八頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

3.FF-H1技術特點（2）支持本質安全FF-H1的現(xiàn)場設備按照設備是否為總線供電，是否可用于易燃、易爆環(huán)境以及功耗類別而區(qū)分的。根據(jù)本質防爆要求，應用于易燃、易爆場合的設備，除了應保證能完成測量、控制、通信等正常工作外，還應在任何情況（如斷路、短路、故障以及在操作過程中的維護、接通、斷開等情況）下，不至于產(chǎn)生火花和引發(fā)燃燒、爆炸等重大事故，對此，F(xiàn)F-H1技術規(guī)范規(guī)定的總線供電的本安型標準設備的推薦參數(shù)為最高輸入電壓低于于24V，最大輸入電流小于250mA,最大輸入功率小于1.2w，最大內部容抗小于5nF,最大內部電感小于20uH。第九頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

3.FF-H1技術特點（3）令牌總線訪問機制FF-H1采用了令牌傳遞的總線控制方式，這種方式從物理上看，它是一種總線結構的局域網(wǎng)，站點共享的傳輸介質為總線。但從邏輯上看，它是一種環(huán)型結構的局域網(wǎng)，連接到總線上的站點組成一個邏輯環(huán)，每個站點被賦予一個順序的邏輯位置，站點只有取得令牌才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀，該令牌在邏輯環(huán)上依次傳遞FF-H1中令牌傳遞是由鏈路活動調度器LAS進行控制的，F(xiàn)F-H1的通信活動被分為受調度通信和非調度通信。FF采用的這種基于LAS的鏈路活動調度，確保了控制系統(tǒng)中信息傳輸?shù)募皶r性。第十頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

3.FF-H1技術特點（4）內容廣泛的用戶層FF在應用層之上增加了一個內容廣泛的用戶層，它由兩個重要的部分組成，即功能塊和設備描述語言，從而使得設備與系統(tǒng)的集成與互操作性更加易于實現(xiàn)。第十一頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

3.FF-H1技術特點（4）內容廣泛的用戶層功能塊與功能塊應用進程FF提供一種通用結構，把分散在控制系統(tǒng)或現(xiàn)場的各種功能（模擬輸入、模擬輸出、PID控制，離散輸入、離散輸出、偏置等）封裝為相應的功能塊FB，使其公共特征標準化，規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法條件、參數(shù)與塊控制圖，并把它們組成為可在某個現(xiàn)場設備中執(zhí)行的應用進程（功能塊應用進程，F(xiàn)BAP）功能塊的通用結構是實現(xiàn)開放系統(tǒng)架構的基礎，也是實現(xiàn)各種網(wǎng)絡功能與自動化功能的基礎。簡單一致的功能塊偏置，可使功能塊分散在不同制造商產(chǎn)品中，經(jīng)集成、無縫的方式執(zhí)行，定義一致的信息可通過通信自由傳遞，避免了麻煩的映射和接口，功能塊應用進程作為用戶層的重要組成部分，用于完成FF總線中的自動化系統(tǒng)功能，它們使得不同制造商產(chǎn)品的混和組態(tài)和調用更加容易方便。第十二頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

3.FF-H1技術特點（4）內容廣泛的用戶層設備描述DD設備描述是FF總線為實現(xiàn)設備間的互可操作性，支持標準的功能塊而采用的一項重要內容。DD為儀表和系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)場設備的每個對象提供了擴展描述，包括參數(shù)標簽、工程單位，要顯示的十進制數(shù)、參數(shù)關系，量程與診斷菜單等，DD由設備描述語言DDL實現(xiàn)，采用設備描述編譯器，把DDL編寫的DD源程序轉化為機器可讀的輸出文件，一旦這些機器可讀的輸出文件上載到主機系統(tǒng)后，上位主機系統(tǒng)及其所有設備就能識別出該設備的所有性能。正是有了用戶層，就可以實現(xiàn)設備的互操作而且可以做到即插即用。Plugandplay第十三頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

4.FF-HSE技術特點（1）基于以太網(wǎng)、實現(xiàn)高速現(xiàn)場總線基金會放棄了其原來的規(guī)劃－H2(傳輸速率1M和2.5M)高速總線標準，并于2000年3月29日公布了基于Ethernet的高速總線規(guī)范，它迎合了控制和儀器儀表最終用戶對可互操作的、節(jié)約成本的、高速的現(xiàn)場總線解決方案的要求。HSE充分利用低成本和商業(yè)可用的以太網(wǎng)技術，并以100Mbit/s到1Gbit/s或更高的速度運行第十四頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

4.FF-HSE技術特點（2）兼容FF-H1HSE支持所有的FF總線低速部分31.25Kbit/s的功能，例如功能模塊和設備描述語言，并支持H1設備與基于以太網(wǎng)的設備通過鏈接設備接口，與鏈接設備連接的H1設備的點對點通信，無需主機系統(tǒng)的干涉，而且與一個鏈接設備相連的H1設備可以直接和另一個鏈接設備相連的H1設備通信，也無需主機干涉。第十五頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（1）LAS概述鏈路活動調度器LAS是總線段上的指揮控制中心，是整個總線能否正常運行的關鍵，對于LAS工作機理的分析，有助于全面的掌握FF的令牌機制，對于FF協(xié)議的深入理解和FF通信棧軟件的開發(fā)也具有重要的參考價值。FF是一種令牌（token）總線，每個總線段上要求有且只有一個鏈路活動調度器（LAS,linkactivescheduler）作為介質訪問控制中心。第十六頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（2）LAS功能鏈路調度：總線上只有LAS允許才能通信。分為：受調度通信（周期的溫度、流量）和非調度通信（遠程診斷、報警）。受調度通信對應發(fā)布者/預訂者的VCR，發(fā)布者周期性調度，輪訓到該發(fā)布者發(fā)送CD,該發(fā)布者接收到CD，緩沖區(qū)總線。非調度通信在預訂調度時間之外，PT,收到PT后，將數(shù)據(jù)發(fā)送的總線上。受調度的循環(huán)的通信：周期性地發(fā)布/索取，周期性地功能塊執(zhí)行調度－AI,PID,AO非循環(huán)的通信：報警/事件，維護/診斷信息，程序啟動，許可/互鎖，顯示信息，趨勢信息，組態(tài)第十七頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（2）LAS功能鏈路維護：LAS擁有設備清單（LIVELIST）：加入新設備，更新；用PT令牌，如果設備未使用也不返還，三次，去掉該設備。用廣播。數(shù)據(jù)鏈路時間同步：LAS廣播時間發(fā)布幀（TD），所有設備都有相同的數(shù)據(jù)鏈路時間，受調度通信的調度時間，非調度時間和其他應用進程時間，對數(shù)據(jù)鏈路時間的偏移量來計算。第十八頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程三類設備：基本設備，鏈路主設備、網(wǎng)橋。

基本設備只能接收LAS調度并做出響應，不具備LAS功能。鏈路主設備（LM）是有能力成為LAS的設備，一個總線上可以有多個LM，但某一時刻只能有一個LM成為LAS，其他作為冗余，備用，既書上說的備份。當LAS出錯時，其他LM通過競爭產(chǎn)生新的LAS,這塊非常有意思。網(wǎng)橋（見圖P74,圖3－4），不同網(wǎng)段的連接擴展，具有LM所有功能。并且對其下游總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路絕對時間。第十九頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程LM競爭成為LAS過程分兩種情況： 1）系統(tǒng)啟動的LAS競爭 總線上電，總線上的LM如果發(fā)現(xiàn)沒有LAS在工作，立刻進入競爭過程，最先完成初始化的LM將成為LAS。一般情況，第一個接通電源的LM會成為LAS,其他LM未進入到競爭中。但如果該LM初始化比另一個LM初始化慢，也可能后通電的這個LM成為LAS，競爭成功。第二十頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程LM競爭成為LAS過程分兩種情況： 2）現(xiàn)有的LAS出錯或失去LAS作用，其他LM競爭成為LAS 競爭過程將選擇具有最低節(jié)點地址的LM成為LAS。也可以通過指定，在上電前的離線組態(tài)時，將LM的某個參數(shù)（網(wǎng)絡管理信息庫（NMIB））改為首選LAS,則該LM上電，對現(xiàn)有的LAS發(fā)出請求，讓其退出LAS而把LAS的位置轉交給該LM。第二十一頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程LM競爭成為LAS過程分兩種情況：問題：什么是組態(tài) 組態(tài)：configuration，通過專用軟件定義系統(tǒng)的過程。定義系統(tǒng)網(wǎng)絡連接方式和各站地址的過程叫網(wǎng)絡組態(tài)。第二十二頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程LM競爭成為LAS過程分兩種情況：問題：為什么要最低節(jié)點？ LM監(jiān)聽的時間段：V(TN)×V(ST)，其中V(TN)為固定時間值，V(ST)為該LM的節(jié)點地址。如何取代：監(jiān)聽第一個V(TN)×V(ST)無活動，發(fā)送申請LAS幀（CL），繼續(xù)監(jiān)聽，仍無活動，發(fā)第二個CL；反復3次沒有反應，取代。所以LM節(jié)點地址越小，V(TN)×V(ST)越小，檢測出LAS出錯越早。第二十三頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程LM的移交： 總線上其它LM若要成為LAS,發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀給當前LAS，請求其移交LAS。若LAS離線組態(tài)就被設置為首選的LAS，不移交。請求的LM的節(jié)點地址大于當前LAS的節(jié)點地址，不移交。移交發(fā)出轉交LAS幀（TL），發(fā)出后要監(jiān)聽。第二十四頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程LM的移交： 監(jiān)聽兩種情況： 1）監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)規(guī)定時間內沒有活動，則重新發(fā)送TL，發(fā)送到一定次數(shù)，仍無活動，則繼續(xù)擔任LAS。第二十五頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（3）LAS的競爭產(chǎn)生和移交過程LM的移交： 監(jiān)聽兩種情況： 2）規(guī)定時間內物理層報告：收到時間，停止監(jiān)聽，等待報告——鏈路活動結束或數(shù)據(jù)接收結束。接收數(shù)據(jù)分三種：收到某個LM發(fā)出狀態(tài)響應幀（SR），在其參數(shù)status中指出：LAS轉交失敗，繼續(xù)擔任LAS。收到其它幀，表明當前的LAS位置已經(jīng)轉交給請求的LM。收到不是一幀，當前LAS失掉調度令牌，繼續(xù)監(jiān)聽。若規(guī)定時間沒有活動，繼續(xù)擔任LAS，收到一幀按照A,B。第二十六頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動CD——發(fā)送CD令牌的周期性調度 LAS通過調度表DLCEP來組織管理周期通信，該表中每一個條目都是發(fā)布者類型的DLCEP。當周期到時，LAS將強制數(shù)據(jù)幀CD發(fā)送給發(fā)布者，同時自己擁有回復令牌RT，收到CD的發(fā)布者立即響應，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送的鏈路上，與該發(fā)布者對應的預訂者類型的DLCEP將數(shù)據(jù)接收下來。LAS依次通知調度表上的條目，循環(huán)進行。第二十七頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動CD——發(fā)送CD令牌的周期性調度 每一次調度的起始時間和持續(xù)時間都存儲在LAS的網(wǎng)絡管理（NM）部分的信息庫NMIB中，LAS每次取出調度時間和調度持續(xù)時間，在調度起始時刻通知調度表中的下一個條目，每次調度都要在持續(xù)時間內完成。第二十八頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度非周期性調度總是在周期性調度的兩次調度間隔內發(fā)生，從發(fā)送PT開始，到接收PT方返回PT結束。第二十九頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度第三十頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度1）LAS發(fā)起非周期性調度的條件： 總線使用權，發(fā)出PT后，PT接收方擁有總線使用權；到下一次周期性調度活動之前所剩的時間允許發(fā)送PT。第三十一頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度2）LAS授權給PT令牌接收方的時間 令牌授權時間是PT的一個參數(shù)，通知令牌接收方可以擁有的鏈路時間。LAS維護一張當前鏈路活動設備表——設備節(jié)點地址和各活動節(jié)點最大允許持有令牌時間。LAS啟動一次非周期性調度之前，先要計算出到下一次周期性調度開始所剩的鏈路時間，同時查出準備接收令牌方的最大允許持有令牌時間。兩者和65000取最小，時間單位是傳輸一個字節(jié)的時間。第三十二頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度3）PT令牌的發(fā)送 LAS按照列表中地址順序，從低到高發(fā)送PT令牌，在同一個令牌循環(huán)周期內，如果是傳給該節(jié)點的第一個PT，則PT的final域置為RESTART；如果第二次或以后，置為CONTINUE，列表中地址最小者兩次受到PT之間的間隔時間叫做令牌循環(huán)周期。第三十三頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度4）LAS發(fā)起非周期性調度后的總線監(jiān)聽過程 分析：為什么要監(jiān)聽 PT令牌發(fā)出后，規(guī)定時間內應該得到響應，若超時，LAS認為該令牌作廢，收回令牌。因此要監(jiān)聽總線。第三十四頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度5）令牌接收方擁有PT令牌后的活動 接收方收到PT令牌后，擁有總線使用權，記錄下LAS授權的鏈路時間，然后查看是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果沒有，則返回令牌；有，開始發(fā)送。每次發(fā)送之前，需要計算LAS授權時間結束之前能否完成本次發(fā)送。只有在時間充裕的條件下才可以開始本次發(fā)送。每一次發(fā)送都要在最大允許持有令牌時間內發(fā)起，下一次發(fā)送要在上一次發(fā)送結束后的最大允許持有令牌時間內發(fā)起。第三十五頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度5）令牌接收方返回PT 要使鏈路調度能夠正確執(zhí)行，令牌接收方必須能夠在授權時間結束時或不需要令牌時正確將其返回給LAS。以下三種方式：令牌接收方無任何數(shù)據(jù)發(fā)生，則組織一幀RT發(fā)送給LAS，表示已經(jīng)將令牌返還，LAS可以發(fā)起下一次調度。令牌接收方有數(shù)據(jù)要發(fā)送，在發(fā)送最后一幀時，將幀的final域置為FINAL，表示自己已經(jīng)不再需要令牌，用捎帶的辦法將令牌返回。第三十六頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（4）LAS的鏈路調度活動PT——發(fā)送PT令牌的非周期性調度5）令牌接收方返回PT

令牌接收方在LAS授權時間內無法完成發(fā)送事務，要向LAS發(fā)送RI幀，以便請求更多的時間，RI幀的時間參數(shù)為向LAS請求的時間，LAS收到后記錄下RI請求的時間，在下一次發(fā)送PT令牌到該節(jié)點時，如果經(jīng)過計算可以滿足其條件，則授權給該節(jié)點RI請求的時間。第三十七頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（5）LAS的鏈路維護活動 LAS維護的鏈路活動表V(LL)上記錄了當前活動的鏈路設備，LAS的鏈路維護功能就是將鏈路上新節(jié)點補充到V(LL)中，并且將不再響應令牌的節(jié)點從V(LL)中刪除。分為偵探和加入新設備刪除未響應的設備第三十八頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（5）LAS的鏈路維護活動 LAS維護的鏈路活動表V(LL)上記錄了當前活動的鏈路設備，LAS的鏈路維護功能就是將鏈路上新節(jié)點補充到V(LL)中，并且將不再響應令牌的節(jié)點從V(LL)中刪除。分為偵探和加入新設備刪除未響應的設備第三十九頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（5）LAS的鏈路維護活動 偵探和加入新設備每當一個新的設備加到鏈路上，它并沒有正式的鏈路地址，而是以預先定義好的缺省地址登錄，等待LAS分配正式地址。缺省地址的范圍時F8~FB，循環(huán)使用。當前的第一個新設備的地址在被分配到新地址之前一直保持為F8，在鏈路維護時間內，LAS發(fā)送探節(jié)點幀PN來探測節(jié)點，確定是否有新設備上線。PN幀探測的目標節(jié)點有以下兩個聚合： 10～F7—不可用的地址 F8~FFPN交替探測兩個目標集合，目標地址逐次遞增。PN中指明了一些通信參數(shù)，傳給新設備，以便能與其相互通信。接收方在收到PN后，立即回復給LAS一個探測響應幀PR，其中包括一個隨機生成的標識符，用來在該設備分配完地址后被LAS激活時進行核對。第四十頁，共53頁。第三章基金會現(xiàn)場總線

5.LAS工作機理（5）LAS的鏈路維護活動 刪除未響應的設備當LAS發(fā)出