(推荐)第五章基金会现场总线技术课件.ppt

1、1基金会现场总线基金会现场总线第第五五章章2主主 要要 内内 容容5.5.1 1 概述概述5.5.2 2 通信模型通信模型5.5.3 3 网络拓扑结构网络拓扑结构5.5.4 4 现场总线控制系统体系结构现场总线控制系统体系结构5.5.5 通信控制器通信控制器35.1 FF 概述概述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.

2、5M bps基金会现场总线基金会现场总线(Foundation Fieldbus,FF):由由现场总线基金会现场总线基金会开发。开发。1996颁布低速总线标准颁布低速总线标准H1。4减少接线与安装简化操作和维护易于集成FF FF 现场总线的优点现场总线的优点实现与地点无关的控制实现与地点无关的控制对等实体间高速通信对等实体间高速通信灵活的拓朴结构灵活的拓朴结构真正的可互操作性真正的可互操作性完善的售后服务与技术支持完善的售后服务与技术支持5FFFF主要技术内容主要技术内容(1)(1)基金会现场总线的通信技术基金会现场总线的通信技术(2)(2)标准化功能块标准化功能块(FB，Function B

3、lock)功能块应用进程功能块应用进程(FBAP，Function Block Application Process)(3)(3)设备描述设备描述(DD，Device Description)设备描述语言设备描述语言(DDL，Device Description Language）(4)(4)现场总线通信控制器与智能仪表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或工业控制计算机之间的接口技术(5)(5)系统集成技术系统集成技术(6)(6)系统测试技术系统测试技术6FF 现场总线类型/H2 7低速现场总线低速现场总线H1高速现场总线高速现场总线H2传输速率传输速率31.25K

4、bps31.25Kbps31.25Kbps1Mbps1Mbps 1Mbps信号类型信号类型电压电压电压电压电压电压电流电流电压电压电压电压拓朴结构拓朴结构总线总线/菊菊花链花链/树树型型总线总线/菊菊花链花链/树树型型总线总线/菊菊花链花链/树树型型总线总线总线总总线总线线总线总线通信距离通信距离1900m1900m1900m750m750m750m分支长度分支长度120m120m120m000供电方式供电方式非总线非总线供电供电总线供总线供电电总线供电总线供电 总线交总线交流供电流供电非总线非总线供电供电非总线非总线供电供电本质安全本质安全不支持不支持不支持不支持支持支持支持支持不支持不支持

5、不支持不支持设备数设备数/段段2-231-122-62-322-322-328物理层链路层应用层用户层5.2 FF 通信模型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。9通信模型的主要组成部分通信模型的主要组成部分从物理设备构成角度:10 FF协议数据的生成协议数据的生成 11FF 网络通信中的网络通信中的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预先组态好了好了的通信通道进行的。这种

6、在现场总线网络的通信通道进行的。这种在现场总线网络各应用之间的通信通道各应用之间的通信通道称之为称之为虚拟通信关系虚拟通信关系(VCR，Virtual Communication Relationships)。现场设备应用进程之间的连接是一种现场设备应用进程之间的连接是一种逻辑逻辑上的连接上的连接,一种软连接。一种软连接。VCR类型类型客户客户/服务器型服务器型报告分发型报告分发型发布发布/预订接收型预订接收型通信特点通信特点排队、一对一、排队、一对一、非周期非周期排队、一对一、排队、一对一、非周期非周期缓冲、一对多、缓冲、一对多、受调度或非周期受调度或非周期信息类型信息类型初始设置参数或初始

7、设置参数或操作模式操作模式事件通知，趋势事件通知，趋势报导报导刷新功能块的输刷新功能块的输入输出数据入输出数据典型应用典型应用设置给定值改变设置给定值改变模式，调整控制模式，调整控制参数，上载参数，上载/下载。下载。报警管理，访问报警管理，访问显示画面。远程显示画面。远程诊断诊断向操作台通告报向操作台通告报警状态，报告历警状态，报告历史数据趋势史数据趋势向向PID控制功能块控制功能块和操作台发送测和操作台发送测量值量值 虚拟通信关系的类型与应用虚拟通信关系的类型与应用121.1.物理层及其网络连接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

8、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。数据链路层数据链路层1 加上前导码、加上前导码、定界码定界码2 数据编码数据编码1 去除前导码、去除前导码、定界码定界码2 数据解码数据解码 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。物理层物理层FF现场总线现场总线H1区域区域13FF FF 物理信号波形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）总线供电

9、 2）非总线式单独供电）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，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。又要由总线为现场设备供电。物理信号波形如下所示:1431.25Kbps H1 总线电压模式的信号波形总线电压模式的信号波形(a)(b)(c)1531.25Kbps H2 总线电压模式的信号波形总线电压模式的信号波形(a)(b)(c)16v 1Mbps1Mbps的的H2H2总线规范还支持一种特殊的电流模式，用总线规范还支持一种特殊的电流模式，用于于本安型总线供电本安型总线供电的应用场合。的应用场合。1Mbps1Mbps的现场总线信号的现场总线信号是加载

10、在是加载在l6kHzl6kHz的交流电源信号上的。的交流电源信号上的。17FF 物理层信号编码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数据链路层协议数据单元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：发送驱动器加载到物理信号上：发送驱动器传输介质18曼彻斯特编码曼彻斯特编码中中中中中中19现场设备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对总线供电类的设备其参数参照推荐标准标准信号标准信号低功耗信号低功耗信号总线供电总线供电分开单

11、独供电分开单独供电总线供电总线供电分开单独供电分开单独供电本质安全本质安全111112121122非本质安全非本质安全113114123124参数参数设备允许电设备允许电压压 设备允许设备允许电流电流设备输入电设备输入电源源设备残余容设备残余容抗抗设备残余感设备残余感抗抗推荐值推荐值最小最小24V最小最小250mA 1.2W5nF20uH20FFFF压力、流量、压力、流量、液位变送器液位变送器21传输介质、传输介质、最大传输距离最大传输距离电缆类型电缆类型电缆型号电缆型号传输速率传输速率最大传输距离最大传输距离A屏蔽双绞线屏蔽双绞线#18AWGH131.25Kbps1900米米#22AWG H

12、2 1Mbps750米米#22AWGH2 2.5Mbps500米米B屏蔽多对双绞线屏蔽多对双绞线#22AWGH131.25Kbps1200米米C无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线#22AWGH131.25Kbps400米米D多芯屏蔽电缆多芯屏蔽电缆#16AWGH131.25Kbps200米米FF 现场总线支持多种传输介质：双绞线、电缆、光缆、无线介质。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导线媒体的允许传输距离222.数据链路层DLL在数据链路层上所生成的在数据链路层上所生成的协议控制信息协议控制信息就是就是为完成对总线上的各类链路传输活动进行控为完成对总线上的各

13、类链路传输活动进行控制而设置的。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。23数据链路协议数据单元数据链路协议数据单元 DL-PDU帧帧DL-PDU 提供数据链路的协议控制信息。提供数据链路的协议控制信息。协议控制信息协议控制信息由三部分组成由三部分组成:24DLPDU类型类型符号符号帧控制字节帧控制字节建立连接建立连接1EC11111 LF00断开连接断开连接1DC10111 LF00强制数据强制数据1CD11111 LEPP数据帧数据帧1DT11101 LFPP状态响应状态响应SR0001 0F11传递令牌传递令

14、牌PT0011 0FPP空闲帧空闲帧Idle0001 0F10DLPDU的种类和帧控制信息格式（部分）的种类和帧控制信息格式（部分）25数据链路层数据链路层 LAS每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调链路活动调度器度器LASLAS 。LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各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。设备对总线的操作。受调度通信：受调度通信：非调度通信：非调度通信：基金会现场总线的通信活动分为两类：基金会现场总线的通信活动分为两类：预定调度时间表，到时就由预定调度时间表，到时就由LAS发发CD

15、给基本设备。适于现场设备之间周期给基本设备。适于现场设备之间周期性通信；性通信；LAS在调度时间表之外，发令牌到总线，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，是令牌适于现场设备之间非周期通信，是令牌总线方式。总线方式。26LASLAS基本功能：基本功能：1)1)向设备发送强制数据向设备发送强制数据CDCD；2)2)向设备发送传递令牌向设备发送传递令牌PTPT；3)3)为新入网的设备探测未被采用过的地为新入网的设备探测未被采用过的地址；址；4)4)定期对总线段发布数据链路时间和调定期对总线段发布数据链路时间和调度时间；度时间；5)5)监视设备对传递令牌监视设备对传递令牌PTP

16、T的响应的响应27LAS工作过程工作过程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283.用户层及功能块用户层及功能块用户层用户层报文规范子层报文规范子层 FMS通信栈通信栈物理层物理层报文访问子层报文访问子层FASFAS数据链路层数据链路层 DLLDLL用户层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，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，主机用户层提供了功能块和设备描述，无需特别编程，

17、主机系统即可与设备通信。系统即可与设备通信。29典型用户应用块典型用户应用块 它是过程控制或它是过程控制或I/OI/O功能块。它们用来功能块。它们用来执行过程控制策略执行过程控制策略。功能块与转换器块功能块与转换器块接口以访问过程控制接口以访问过程控制信息；与信息；与FFFF现场总线现场总线高速通信，使信息能高速通信，使信息能被其它设备所用。被其它设备所用。1010个标准功能块，个标准功能块，1919个标准的附加功能块。个标准的附加功能块。资源块资源块转换器块转换器块功能块功能块FF现现场场总总线线 资源块完整定义了设备与外界的连接。采用资源块，主机资源块完整定义了设备与外界的连接。采用资源块

18、，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、内存和括设备识别、硬件、设备特点、内存和CPUCPU可用率、写保护、可用率、写保护、故障安全和报警管理。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。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。转换器块与模拟输入或输出功能块通信。AIAI和和AO AO 模块与外部通信。这种模块负责信息和特定模块与外部通信。这种模块负责信息和特定的功能

19、，例如一个特定物理属性的测量，如压的功能，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。力或温度，或一种特别的测量技术，如超声波。30FF基本标准功能块名称名称符号符号名称名称符号符号模拟量输入模拟量输入AIAI离散输出离散输出DODO模拟量输出模拟量输出AOAO手动装载手动装载MLML偏置偏置B B比例微分比例微分PDPD控制选择控制选择CSCS比例积分微分比例积分微分 PIDPID离散输入离散输入DIDI比率系数比率系数RARA31功能块服务功能块服务 功能块服务描述了在功能块服务描述了在接口设备、临时性设备接口设备、临时性设备中含有功能块应用的中含有功能块应用

20、的现场设备之间，运用现场设备之间，运用FMS所进行的相互作用。所进行的相互作用。功能块服务表功能块服务表功能块服务功能块服务服务说明服务说明支持对象支持对象FB_ReadI/T设备读取现场设备设备读取现场设备OD中的参数中的参数及其它对象的相关值及其它对象的相关值块、参数、链接、趋势、块、参数、链接、趋势、观测观测FB_WriteI/T设备向现场设备设备向现场设备OD中块参数及中块参数及其它对象写入值其它对象写入值块、参数、链接、趋势、块、参数、链接、趋势、观测观测FB_Alert_Notify现场设备向接口设备报告警报或事现场设备向接口设备报告警报或事件件报警报警FB_Alert_Ack接口

21、设备在处理报警后清除警报接口设备在处理报警后清除警报/事事件的未确认属性件的未确认属性报警报警FB_TagI/T设备更改块（设备更改块（FB，TB，BR）的的位号（位号（Tag)块块FB_Action 使一个块或对象的一个实例被创建使一个块或对象的一个实例被创建或删除或删除块、链接、趋势块、链接、趋势32功能块功能块应用进程应用进程 FBAPFBAP位于基金会现场总线通信模型的位于基金会现场总线通信模型的最高层最高层用户层用户层。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总线中的自动化系统功能自动化系统功能。现场总线系统是协同工作的

22、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FBAPsFBs33功能块应用进程功能块应用进程FBAP的组成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、设备描述功能块应用对象、对象字典、设备描述组成。34功能块的内部结构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，使其能划分为功能模块，使其公共特征标准化公共特征标准化，规定它们各自的输入、，规定它们各自的输入、输出算法、

23、事件、参数与块控制图，把按时间反复执行的函数模块输出算法、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。为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。354.设备描述设备描述 DD 与与 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

24、到主机就像打印机驱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动程序装载到PCPC机一样。机一样。设备描述语言设备描述语言DDLDDL 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述。设备描述语言仅仅适用于FFFF现场总线或现场总线或HARTHART技术，它是一种技术，它是一种类似于类似于C C语言的编程语言，一旦设备描述开发好，它们将在现场语言的编程语言，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总线基金会注册。然后现场总线基金会发布这些设

25、备描述使现在主机能支持新设备。主机能支持新设备。36 设备描述设备描述DD分层分层37 设备描述设备描述DD开发步骤开发步骤(1)(1)、采用设备描述语言、采用设备描述语言DDLDDL编写编写DDDD源文件源文件(3)(3)、经互操作测试，配置基金会、经互操作测试，配置基金会DDDD库，制成库，制成CD-ROMCD-ROM发给用户发给用户(4)(4)、配置设备描述服务、配置设备描述服务DDS:DDS:在主机一侧，通过在主机一侧，通过DDSDDS的库函数来读取设备描述的库函数来读取设备描述(2)(2)、编译，生成、编译，生成DDDD目标文件目标文件。DLL源文件VARIABLE Process

26、VariableLABEL”MEASURED_VALUE”;TYPE FLOATDISPLAY_FORMAT”3.1F”;MAX_VALUE 110.0;MIN_VALUE 0.0设备描述输出文件009 101002”MEASURED_VALUE”001 010061“3.1f”021 066 220 000 000020 000 000 000 000 38配置设备描述服务配置设备描述服务DDSDDS395.3 网络拓扑结构网络拓扑结构40总线型总线型一、总线带分支结构一、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

27、上。总线到设备之间的电缆称为分支。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。于新安装。41树型树型一、树形或分支或鸡爪形结构一、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。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。加新电缆的方法。42菊花链型菊花链

28、型一雏菊链拓朴结构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。边程停运。435.4 IEC5.4 IEC推荐的现场总线

29、控制系统体系结构推荐的现场总线控制系统体系结构44通信设备类型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：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。链路主设备、基本设备、网桥。现场总线的通信设备与现场总线的通信设备与 LAS453244 MW温度变送器基金会现场总线的基金会现场总线的3244MW型多变量温度变送器功能方框图型多变量温度变送器功能方框图46FF的网络布线的网络布线LAS组态器HMI现场总线网络的基本构件47布线影响因素布线影响因素电源电压、电压位置；电源电压、电压位置；电缆阻抗电缆阻抗;设备功耗、位置设备功耗、位置;电

30、源与网段配置电源与网段配置48FF的网络扩充的网络扩充网络扩充遵循一定的规则，或应受到某些限制。网络扩充遵循一定的规则，或应受到某些限制。如网段上的主干如网段上的主干长度和分支线长度的总线是受到限制的。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：参数参见表：设备总数设备总数1 1个设备个设备/分支分支2 2个设备个设备/分支分支3 3个设备个设备/分支分支4 4个设备个设备/分支分支2532111119243011115186030

31、1113149060301112120906030每个分支上最大长度的建议值每个分支上最大长度的建议值(m)(m)49FF 接地、屏蔽与极性接地、屏蔽与极性接地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。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。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。任何一根导线接地或两线接在一起，会导致通信中断。屏蔽屏蔽现场总线电缆最好还是被屏蔽。现场总线

32、电缆最好还是被屏蔽。现场总线电缆的屏蔽沿着电现场总线电缆的屏蔽沿着电缆的整个长度仅在一点接地，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而且屏蔽线绝对不可用做电源的导线。的导线。对于大多数网络来说，接地点的位置是任意的。对于大多数网络来说，接地点的位置是任意的。50极性极性 现场总线所使用的现场总线所使用的ManchesterManchester信号是一个每位改变信号是一个每位改变一次或两次极性的交变电压信号。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现场总线网络必须考虑信号的极性，所有的，所有的“+”端端必须相互连接，所有的必须相互连接，所有的“-”端也必须相互连接。端也必须相互连接。注意：注意：有极性的设备应标识出极性或者带有专用连接器。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。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。为总线供电的现场设备也要标明极性。515.5 通信控制器通信控制器1 1总线上的信号驱动和信号接收总线上的信号驱动和信号接收5 5帧校验序列的产生和验证帧校验序列的产生和验证4 4信息帧的打包和解包信息帧的打包和解包主要功能：主要功能：3 3串行数据的编码和解码串行数据的编码和解码2 2传输数据的串、并行转换传输数据的串、并行转换52通信控制器芯片通信控制器芯片 FB3050