常见的现场总线系统(I)

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《现场总线技术》 制作者：张志杰 版本 3.2 2009 年8月28日
第四章 常见的现场总线 – 第一部分 （FF 现场总线）
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。
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
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第四章 常见的现场总线 – 第一部分 （FF 现场总线）
FF 的 协 议 模 型
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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 ：
VCR类型 客户/服务器型 报告分发型 发布/预订接收器型 客户/服务器型 VCR（Client / Server）： 通信特点 排队、一对一、 排队、一对一、 缓冲、一对多、 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。 非周期 非周期 受调度或非周期 报告分发型 VCR（Report Distribution）： 信息类型 初始设置参数或操作 事件通告， 刷新功能块的输入输 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 模式 趋势报导 出数据 典型应用 设置给定值，改变模 向操作台通告报警 向 PID 控制功能块和 发布/预订型 VCR（Publishor / Subscriber）： 操作台发送测量值 式、调整控制参数， 状态，报告历史数 主要用来实现缓冲型一对多通信 上载/下载。报警管 据趋势 理，访问显示画面
基金会现场总线概述（3）
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。
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网 络 拓 扑（3）
单链路拓扑：
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。
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。
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技术概要
第四章 常见的现场总线 – 第一部分 （FF 现场总线）
基金会现场总线概述（1）
基金会现场总线不仅仅是一种总线，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。
功能 块应 用进 程
对象 字典
网络管理 代理
第7层
层管理
层管理
网络 管理 信息 库
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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。
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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 主要负责与网络系统相关的管理任务，如确立本设备在
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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 功能 系统 网络 设备描述 的控制功能和具体应用而增加的用户接口层组成。 网络管理 块应 管理 对象 代理 管理 对象 用户接口层 内核 字典 用进 FF 的物理层实现数据比特流在传输介质上的传送。传输 信息 对象字典 字典 程 库 介质可以是双绞线、光缆或无线方式。 功能块对象 系统 FF 的数据链路层负责实现链路活动调度、数据的收发、 VCRs 网络 管理 活动状态的响应、总线上各设备间的链路时间同步等。 管理 内核 第7层 层管理 信息规范子层 信息 协议 FF 的应用层由现场总线访问（FAS）子层和现场总线 库 总线访问子层 层管理 报文规范（FMS）子层构成。FAS 子层提供发布/预订、客 第 3~6 层 未使用 户/服务器、报告分发三种报文服务。FMS子层提供对象字 数据链路层 层管理 第2层 层管理 第1层 物理层 典服务、变量访问服务和事件服务等。
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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
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。
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引
言（2）
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。
用户接口层 系统 管理 内核 对象 字典 系统 管理 信息 库 设备描述 对象字典 功能块对象 系统 管理 内核 协议 VCRs 信息规范子层 总线访问子层 第 3~6 层 第2层 第1层 未使用 数据链路层 物理层 层管理 层管理 No.9/59
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通信系统的主要组成（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。
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第四章 常见的现场总线 – 第一部分 （FF 现场总线）
第一部分 基金会现场总线 FF
一、FF 技术概要 二、FF 的物理层 三、FF 的数据链路层 四、FF 通信控制器及其接口电路 本 章 小 结
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第四章 常见的现场总线 – 第一部分 （FF 现场总线）
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。