FF的体系结构与FF系统的实际应用

现场总线技术现场总线技术第三章现场总线现场总线一、FF概述与现场总线基金会二、FF的体系结构三、FF的物理层四、FF的数据链路层五、FF的应用层六、FF的用户层七、FF系统的实际应用基金会现场总线(Foundation Fieldbus)现场总线现场总线基金会现场总线 FF FF概述概述 基金会现场总线系统是为适应自动化系统、特别是基金会现场总线系统是为适应自动化系统、特别是过程过程自动化系统自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。基金会现场总线的最大基金会现场总线的最大特色特色就在于：不仅仅是一种总线，就在于：不仅仅是一种总线，而且是一个系统。是而且是一个系统。是网络系统网络系统，也是，也是自动化系统自动化系统。基金会现场总线系统区别于以前各种自动化系统的特征基金会现场总线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，它使自动化系就在于：它所具有的开放型数字通信能力，它使自动化系统具备了统具备了网络化功能网络化功能。基金会现场总线系统：为基金会现场总线系统：为全分布式自动化系统全分布式自动化系统。现场总线现场总线基金会现场总线基金会现场总线系统主要完成的功能：基金会现场总线系统主要完成的功能：对工业生产过程各个参数进行对工业生产过程各个参数进行测量测量、信号、信号变送变送、控制控制、显示显示、计算计算等。等。实现对生产过程的自动目标检测、监视、自动调节、实现对生产过程的自动目标检测、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、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。经济的运行状态。适用于各种复杂工业生产环境，满足适用于各种复杂工业生产环境，满足本质安全防爆本质安全防爆要求，可以为现场设备提供要求，可以为现场设备提供工作电源工作电源。现场总线现场总线基金会现场总线DCSDCS集散控制系统集散控制系统：它把整个生产过程分解为多个子系：它把整个生产过程分解为多个子系统，由多台计算机共同协作完成自控系统功能，每台计统，由多台计算机共同协作完成自控系统功能，每台计算机或微处理机独立承担其中某一部分功能。算机或微处理机独立承担其中某一部分功能。这种系统的这种系统的优点优点是：针对集中控制的模式中危险集中的是：针对集中控制的模式中危险集中的弊端，但在其物理结构上，仍然为数字控制器与模拟变弊端，但在其物理结构上，仍然为数字控制器与模拟变送器组成的送器组成的模拟模拟-数字混合系统数字混合系统。模拟变送器模拟变送器位于工艺设备的生产现场，而控制器一般位位于工艺设备的生产现场，而控制器一般位于集中控制室。这样其信号的必经路径也将会较长，因于集中控制室。这样其信号的必经路径也将会较长，因而会引发许多弊端和隐患。而会引发许多弊端和隐患。现场总线现场总线基金会现场总线FFFF现场总线系统现场总线系统：把具备通信能力、同时具有的控制、：把具备通信能力、同时具有的控制、测量等功能的测量等功能的现场设备作为网络节点现场设备作为网络节点，由，由现场总线现场总线把它把它们互连为网络。通过网络上各节点间的操作参数与数据们互连为网络。通过网络上各节点间的操作参数与数据调用，实现调用，实现信息共享与系统的各项自动化功能信息共享与系统的各项自动化功能。各网络。各网络节点的现场设备内具备通信接收、发送与通信控制能力。节点的现场设备内具备通信接收、发送与通信控制能力。它们的各项功能是通过网络节点间的信息传输、连接、它们的各项功能是通过网络节点间的信息传输、连接、各部分的功能集成而共同完成，因而称之为各部分的功能集成而共同完成，因而称之为网络集成自网络集成自动化系统动化系统。现场总线现场总线基金会现场总线网络集成自动化系统的目的：网络集成自动化系统的目的：(1)(1)实现人与人、机器与人、人与机器、生产现场实现人与人、机器与人、人与机器、生产现场的的运行控制信息与办公室的管理指挥信息运行控制信息与办公室的管理指挥信息的沟通的沟通和一体化。和一体化。(2)(2)借助网络信息传输与数据共享，组成多种复杂借助网络信息传输与数据共享，组成多种复杂的测量、控制、计算功能，实现生产过程的安全、的测量、控制、计算功能，实现生产过程的安全、稳定、经济运行，并实现稳定、经济运行，并实现管控一体化管控一体化。现场总线现场总线基金会现场总线FFFF的主要技术内容有的主要技术内容有(1)FF(1)FF控制网络的通信技术控制网络的通信技术 包括通信模型、包括通信模型、通信协议通信协议、通信控制器芯片、通信控制器芯片、通信网通信网络与系统管理络与系统管理等内容；等内容；具体实现：具体实现：通信栈软件通信栈软件、圆卡（仪表和现场设备所用、圆卡（仪表和现场设备所用的通讯接口卡）、计算机接口卡、网关、网桥、中继器的通讯接口卡）、计算机接口卡、网关、网桥、中继器等技术等技术;是是FFFF控制网络的控制网络的核心基础技术核心基础技术之一。之一。现场总线现场总线基金会现场总线FFFF的主要技术内容有的主要技术内容有(2)(2)标准化功能块标准化功能块(function block,(function block,FBFB)和功能块应用进程和功能块应用进程(function block application process,(function block application process,FBAPFBAP)实现自动控制系统的实现自动控制系统的软件技术软件技术。标准化功能块标准化功能块：通过采用一种通用结构，将实现控制系统：通过采用一种通用结构，将实现控制系统所需的各种控制功能，划分为标准化的功能模块，编写成所需的各种控制功能，划分为标准化的功能模块，编写成软件模块。软件模块。每个功能块具有每个功能块具有输入输入、输出输出、算法算法、事件事件、参数参数与与块控制块控制图图等属性。等属性。功能块的通用结构是实现功能块的通用结构是实现开放系统架构开放系统架构的基础。的基础。现场总线现场总线基金会现场总线FFFF的主要技术内容有的主要技术内容有功能块应用进程功能块应用进程：将功能块在现场设备中进行组：将功能块在现场设备中进行组合，成为可执行的应用进程，实现具体控制功能。合，成为可执行的应用进程，实现具体控制功能。进程进程：是指程序的动态执行，包括程序以及所处：是指程序的动态执行，包括程序以及所处理数据；理数据；程序是静态代码；程序是静态代码；用户层内容用户层内容现场总线现场总线基金会现场总线FFFF的主要技术内容有的主要技术内容有(3)(3)设备描述设备描述(device description,(device description,DDDD)和设备描述语言和设备描述语言(device description language,(device description language,DDLDDL)目的目的：实现现场设备互操作，支持标准的功能块操作；：实现现场设备互操作，支持标准的功能块操作；设备描述设备描述用于控制系统中现场设备之间可以相互理解的数据含义，用于控制系统中现场设备之间可以相互理解的数据含义，即设备描述是即设备描述是设备驱动设备驱动的基础；的基础；设备描述语言设备描述语言是用于设备描述的标准语言，通过设备描述编译器，是用于设备描述的标准语言，通过设备描述编译器，将将DDLDDL源程序编译为机器可读的输出文件。源程序编译为机器可读的输出文件。用户层内容用户层内容现场总线现场总线基金会现场总线FFFF的主要技术内容有的主要技术内容有(4)(4)系统集成技术系统集成技术包括通信系统与控制系统的集成，控制系统的设计与组态；包括通信系统与控制系统的集成，控制系统的设计与组态；人机接口、系统管理维护等。人机接口、系统管理维护等。这是一项集控制、通信、计算机、网络等多方面的知识，这是一项集控制、通信、计算机、网络等多方面的知识，集软硬件于一体的综合性技术。集软硬件于一体的综合性技术。(5)(5)系统测试技术系统测试技术包括通信系统的包括通信系统的一致性与可互操作性一致性与可互操作性测试技术；总线监听分析技术；测试技术；总线监听分析技术；系统的功能、性能测试技术。系统的功能、性能测试技术。现场总线现场总线基金会现场总线 现场总线基金会现场总线基金会 一、一、FFFF的形成、目标、成员、原则的形成、目标、成员、原则 二、现场总线基金会技术二、现场总线基金会技术 三、现场总线基金会的组织形式三、现场总线基金会的组织形式 四、四、FFFF工作进展及计划工作进展及计划 五、五、FFFF现场总线技术规范现场总线技术规范1.01.0版版现场总线现场总线基金会现场总线一、一、FFFF的形成、目标、成员、原则的形成、目标、成员、原则 FFFF的形成与目标的形成与目标由由ISPISP基金会和北美基金会和北美WorldFIPWorldFIP在在9494年合并后成立；年合并后成立；制定开发符合制定开发符合IEC/ISAIEC/ISA标准的唯一国际现场总线；标准的唯一国际现场总线；加速现场总线的实用化；加速现场总线的实用化；为世界范围内的现场总线产品提供技术支持。为世界范围内的现场总线产品提供技术支持。现场总线现场总线基金会现场总线一、一、FFFF的形成、目标、成员、原则的形成、目标、成员、原则 FFFF的成员的成员 FFFF在全球范围内有在全球范围内有350350多个成员单位；多个成员单位；包括最终用户和国际上几乎所有主要的过程控制产包括最终用户和国际上几乎所有主要的过程控制产 品供应商；品供应商；分布：分布：1/31/3在欧洲、在欧洲、1/31/3在北美洲、在北美洲、1/41/4在亚太地区。在亚太地区。现场总线现场总线基金会现场总线现场总线基金会成员现场总线基金会成员现场总线基金会成员已超过现场总线基金会成员已超过350家世界领先的控制和设备供货商及最终用户。家世界领先的控制和设备供货商及最终用户。现场总线现场总线基金会现场总线一、一、FFFF的形成、目标、成员、原则的形成、目标、成员、原则 FFFF的原则的原则 现场总线技术是一个现场总线技术是一个可授权的技术可授权的技术,而不是一个引起而不是一个引起 大家相互竞争的技术；大家相互竞争的技术；没有一个公司可以操纵现场总线基金会的技术；没有一个公司可以操纵现场总线基金会的技术；现场总线基金会技术符合制定中的现场总线基金会技术符合制定中的IEC/ISAIEC/ISA标准标准,并并 且该技术已得到证实，适用于工业自动化应用领域；且该技术已得到证实，适用于工业自动化应用领域；基金会现场总线具有基金会现场总线具有可互操作性可互操作性。现场总线现场总线基金会现场总线二、现场总线基金会技术二、现场总线基金会技术 技术规范技术规范 软件：软件：通信栈通信栈、DDL&DDL&功能块功能块 硬件：芯片、评估板硬件：芯片、评估板 工具：仿真器、分析仪、测试仪工具：仿真器、分析仪、测试仪 培训培训(内容内容)技术实施、设备原型、应用技术实施、设备原型、应用 最终用户信息最终用户信息 技术研讨会、信函、用户组织技术研讨会、信函、用户组织 一致性测试一致性测试 互操作性测试互操作性测试 现场试验现场试验 技术支持技术支持 设备注册设备注册现场总线现场总线基金会现场总线二、现场总线基金会技术二、现场总线基金会技术设备测试和注册设备测试和注册现场总线基金会有现场总线基金会有一致性和互操作性测试一致性和互操作性测试以及设以及设备注册的程序，可以确保基金会现场总线设备的备注册的程序，可以确保基金会现场总线设备的互操作性。互操作性。FOUNDATION测试地点测试地点BP 德国盖尔森基兴德国盖尔森基兴-Honeywell 逻辑处理器逻辑处理器Chevron 德克萨斯州休斯敦德克萨斯州休斯敦 Emerson逻辑处理器逻辑处理器沙特阿美沙特阿美Aramco 沙特阿拉拍达兰沙特阿拉拍达兰 Triconex 及及Yokogawa 逻辑处理器逻辑处理器壳牌壳牌Shell 阿姆斯特丹阿姆斯特丹-HIMA逻辑处理器逻辑处理器现场总线现场总线基金会现场总线三、现场总线基金会的组织形式三、现场总线基金会的组织形式ABABBELSAG BaileyFoxboroFiher-RosemountFuji ElectricGroupe SchneiderHoneywellYamatake-HoneywellYokogawa现场总线现场总线基金会现场总线四、四、FFFF工作进展及计划工作进展及计划 19961996年年8 8月成功地公布了月成功地公布了现场总线规范现场总线规范1.01.0版版；进行进行高速以太网高速以太网HSE HSE(high speed Ethernet)(high speed Ethernet)计划计划，HSE HSE 的规范于的规范于20002000年年3 3月月2929日发布。（属于日发布。（属于工业以太网工业以太网）在世界主要区域进行现场试验以验证现场总线产品及在世界主要区域进行现场试验以验证现场总线产品及 现场总线技术的完整性。现场总线技术的完整性。现场总线现场总线基金会现场总线五、五、FFFF现场总线技术规范现场总线技术规范1.01.0版版 基于制订中的基于制订中的IEC/ISAIEC/ISA国际标准国际标准 物理层物理层 IEC 1158-2/ISA S50.02 IEC 1158-2/ISA S50.02 数据链路层数据链路层 Subset of IEC SC65C/ISA SP50 Subset of IEC SC65C/ISA SP50 应用层应用层 Subset of IEC SC65C/ISA SP50 Subset of IEC SC65C/ISA SP50 功能块功能块 Based on ISA SP50 and IEC work Based on ISA SP50 and IEC work 支持支持31.25kbit/s,1.0Mbit/s,31.25kbit/s,1.0Mbit/s,和和2.5Mbit/s2.5Mbit/s通信速率通信速率现场总线现场总线现场总线现场总线现场总线现场总线基金会现场总线FFFF现场总线的参考模型具有现场总线的参考模型具有四层四层：具有：具有ISO/OSIISO/OSI开放系统互连七层开放系统互连七层模型中的三层：模型中的三层：物理层物理层、数据链路层数据链路层、应用层应用层。省去了中间的。省去了中间的3636层。在第七层应用层之上增加了新的一层：层。在第七层应用层之上增加了新的一层：用户层用户层。物理层物理层：规定信号如何发送；：规定信号如何发送；数据链路层数据链路层：规定如何在设备间共享网络和调度通信。：规定如何在设备间共享网络和调度通信。应用层应用层：又分为：又分为：总线访问子层总线访问子层FASFAS与与总线报文规范子层总线报文规范子层FMSFMS。规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。格式。用户层用户层：用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准功能块、设：用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准功能块、设备描述，实现备描述，实现网络管理、系统管理网络管理、系统管理等等。现场总线现场总线物理层链路层应用层用户层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规范子层总线访问子层(1)在在FF系统软硬件开发的过程中，往往又把除去最下端的物理层和最上系统软硬件开发的过程中，往往又把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈通信栈。这时，现场。这时，现场总线的通信参考模型可简单地视为三层。总线的通信参考模型可简单地视为三层。现场总线现场总线基金会现场总线(2)(2)针对工业过程的特点，针对工业过程的特点，FFFF总线体系结总线体系结构比构比ISO/OSIISO/OSI模型结构简单模型结构简单,层次减少层次减少,省略省略了了网络层、传输层、会话层和表示层网络层、传输层、会话层和表示层。(3)(3)层数减少后，数据在网络流动中尽量层数减少后，数据在网络流动中尽量减少中间环节，加快数据传输速度，提高减少中间环节，加快数据传输速度，提高网络通信及数据处理的网络通信及数据处理的实时性实时性。应应用用层层用户层用户层FAS总线访问层总线访问层DLL数据链路层数据链路层PHY物理层物理层FMS总线报文规范总线报文规范现场总线现场总线通信栈通信栈现场总线现场总线基金会现场总线现场总线的结构模型定义遵循如下原则：现场总线的结构模型定义遵循如下原则：(1)(1)不同设备上的相同层称为不同设备上的相同层称为等层实体等层实体，等层实体之间的，等层实体之间的通信由该层的通信由该层的协议管理协议管理；(2)(2)相邻层间的接口定义相邻层间的接口定义原语操作原语操作和和低层向上层提供的服低层向上层提供的服务务。(3)(3)所提供公共服务是所提供公共服务是面向连接面向连接的或的或无连接无连接的数据服务。的数据服务。(4)(4)直接的数据传送仅在最低层直接的数据传送仅在最低层(物理层物理层)实现。实现。(5)(5)每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其他层。他层。现场总线现场总线基金会现场总线FFFF现场总线结构将软硬件功能分为现场总线结构将软硬件功能分为四层四层，按以下，按以下两种两种原原理工作：理工作：(1)(1)等层通信等层通信：即在模型的每一层上，任何进程：即在模型的每一层上，任何进程（实体）都按照通信协议与另一设备上的对等层（实体）都按照通信协议与另一设备上的对等层进程进行通信，而不涉及那一设备上的其他层；进程进行通信，而不涉及那一设备上的其他层；(2)(2)每一层都通过接口与其上一层发生关系，每一层都通过接口与其上一层发生关系，提供提供服务服务。现场总线现场总线基金会现场总线 FFFF现场总线的通信协议现场总线的通信协议：就是等层通信的进程之间为实现通信：就是等层通信的进程之间为实现通信所进行的约定和所作的对话规则，内容包括：通信数据元素的类所进行的约定和所作的对话规则，内容包括：通信数据元素的类型、格式和事件发生的顺序等。型、格式和事件发生的顺序等。通信双方对等层之间的会话必须遵照那一层协议，协议是通过通信双方对等层之间的会话必须遵照那一层协议，协议是通过数据封装处理来实现的。数据封装处理来实现的。不同设备的对等层之间可以进行会话，它们之间会话的规则是不同设备的对等层之间可以进行会话，它们之间会话的规则是依据该层的协议。依据该层的协议。等层通信实际上是等层通信实际上是虚拟通信虚拟通信，数据流并不在两个对等层之间直，数据流并不在两个对等层之间直接流动，而是在同一设备上相邻两层之间流动。接流动，而是在同一设备上相邻两层之间流动。相邻层之间的界面称为相邻层之间的界面称为接口接口。现场总线现场总线FFFF的报文结构的报文结构应应用用层层用户层用户层FAS总线访问子层总线访问子层DLL数据链路层数据链路层PHY物理层物理层FMS总线报文规范子层总线报文规范子层现场总线现场总线FAS协议控制协议控制FMS协议数据协议数据DLL协议控制协议控制帧校验帧校验FAS协议数据协议数据帧前定界码帧前定界码帧结束帧结束DLL协议数据协议数据前导码前导码用户数据用户数据用户数据编码用户数据编码FMS协议控制协议控制02514142555155256211227311*现场总线报文信息形成过程现场总线报文信息形成过程*当采用中继器时前导码可多于当采用中继器时前导码可多于1 1个字节个字节现场总线现场总线基金会现场总线FFFF层发送数据的过程层发送数据的过程例：当例：当A设备设备的用户层有数据要发送到的用户层有数据要发送到B设备设备的用户层时：的用户层时：A的的用户层用户层将原始数据送到其相邻的下一层将原始数据送到其相邻的下一层应用层应用层。应用层根。应用层根据应用层协议将这些数据加以处理，将一个标题（或称控制信息）据应用层协议将这些数据加以处理，将一个标题（或称控制信息）添加在数据添加在数据上，这是第一次数据封装。原始数据加上应用层的标上，这是第一次数据封装。原始数据加上应用层的标题作为一个单元又传送到下一层题作为一个单元又传送到下一层数据链路层数据链路层。在。在数据链路层数据链路层进行第二次封装进行第二次封装，同时加上，同时加上标题和标尾标题和标尾。标尾标尾包括用于差错检测包括用于差错检测的的帧检验帧检验序列。序列。数据链路层构成的数据单元称为数据帧数据链路层构成的数据单元称为数据帧，数据帧，数据帧被被物理层添加同步物理层添加同步、起始界和终止界标志起始界和终止界标志进行编码形成一比特流，进行编码形成一比特流，经物理传输介质发送到目的设备。经物理传输介质发送到目的设备。目的设备接到这些数据时，进行相反的处理过程，即目的设备接到这些数据时，进行相反的处理过程，即“解封解封”。当每一层数据向上一层传送时，都将其最外面的标题当每一层数据向上一层传送时，都将其最外面的标题剥去剥去，并根，并根据标题中包含的该协议信息进行处理，将其余部分传递给相邻的据标题中包含的该协议信息进行处理，将其余部分传递给相邻的上一层。这种处理过程一直持续到上一层。这种处理过程一直持续到用户层用户层，最终到达，最终到达用户层用户层的就的就是发送设备要发的是发送设备要发的原始数据原始数据。现场总线现场总线基金会现场总线 3.2 FF的体系结构.网网络络管管理理应用层应用层用户层用户层DLL数据链路层数据链路层物理层物理层FFFF的层次结构图与邮局收的层次结构图与邮局收/发信件的对比发信件的对比邮车邮车：*运送信件运送信件FB：在通信媒体上的信号：在通信媒体上的信号信封信封：*保存信封保存信封*编址与标识编址与标识100029李丽 收信封内容信封内容：*收发信人地址收发信人地址*邮票邮票*信件内容包在里面信件内容包在里面*FB：报文何时送出，：报文何时送出，送给哪个设备送给哪个设备你好邮件内容邮件内容：*收发信件人收发信件人*信件内容信件内容*FB：数据参数：数据参数邮件内容邮件内容：*通用语言通用语言*读与理解读与理解*FB：功能块：功能块现场总线现场总线基金会现场总线 FFFF总线与简单的总线与简单的I/OI/O总线的关键总线的关键区别区别：由于由于FFFF总线引入了总线引入了FBFB功能块功能块，使得用户可以脱离复杂的，使得用户可以脱离复杂的编程工作，而直接地使用编程工作，而直接地使用功能块功能块对系统及其中每台设备进对系统及其中每台设备进行组态，这使得行组态，这使得FFFF标准不简单是信号标准和通信标准，而标准不简单是信号标准和通信标准，而是一个是一个系统标准系统标准。对用户而言，对用户而言，物理层物理层和和用户层用户层是重要的。因为物理层是重要的。因为物理层是关系到系统的物理安装要求，用户层是有关系统的组态。是关系到系统的物理安装要求，用户层是有关系统的组态。现场总线现场总线基金会现场总线用户层用户层应用层应用层数据链路层数据链路层物理层物理层数据链路层数据链路层物理层物理层总线访问子层总线访问子层FAS报文规范子层报文规范子层FMS层管理层管理层管理层管理层管理层管理层管理层管理网络网络管理管理信息信息库库网络管理代理网络管理代理对象对象字典字典OD系统管理系统管理内核协议内核协议对象对象字典字典系统系统管理管理内核内核系统系统管理管理信息信息库库VCR设备描述设备描述DD对象字典对象字典功能功能块块对象对象功能功能块块应用应用进程进程物理设备物理设备通信实体通信实体FF的体系结构应用层与用户层细化图的体系结构应用层与用户层细化图各应用之间通过虚拟通信（各应用之间通过虚拟通信（VCRVCR）关系传递信息，）关系传递信息，VCRVCR是各应用之间是各应用之间的逻辑通信通道，是的逻辑通信通道，是FASFAS提供的服务。提供的服务。系统管理的信系统管理的信息，组织成对息，组织成对象象组态、运行、组态、运行、故障信息，由故障信息，由对象字典描述对象字典描述组态、运行、组态、运行、故障管理故障管理生成报文和提供生成报文和提供报文传送服务报文传送服务实现用户所需的实现用户所需的各种控制功能各种控制功能实现网络系统管理任务，实现网络系统管理任务，设备信息存入；分配设备设备信息存入；分配设备永久地址；启动设备；提永久地址；启动设备；提供时钟参考；供时钟参考；现场总线现场总线基金会现场总线FFFF的体系结构的体系结构系统管理FASFAS现场总线现场总线基金会现场总线FFFF设备的功能组成部分设备的功能组成部分现场总线现场总线基金会现场总线通信实体通信实体任务任务：生成报文、提供报文传送服务。：生成报文、提供报文传送服务。组成组成：（：（1 1）各层协议各层协议 （2 2）网络管理代理网络管理代理构成虚拟通信关系构成虚拟通信关系现场总线现场总线基金会现场总线系统管理内核（系统管理内核（SMK)SMK)任务：负责与网络系统相关的管理。任务：负责与网络系统相关的管理。如：确立本设备在网段中的位置如：确立本设备在网段中的位置,配置系统信息配置系统信息,为设备分配为设备分配固定的数据链接地址固定的数据链接地址,使设备进入运行状态。提供应用时钟参考使设备进入运行状态。提供应用时钟参考,协协调与网上其它设备的动作和功能块执行时间等。调与网上其它设备的动作和功能块执行时间等。组成：占据应用层和用户层的部分位置。组成：占据应用层和用户层的部分位置。(1)(1)系统管理内核协议系统管理内核协议(SMKP)(SMKP)：与远程：与远程SMKSMK通信的协议通信的协议;(2)(2)对象字典对象字典(OD)(OD)：用于说明总线上传输的数据格式和意义：用于说明总线上传输的数据格式和意义 的对象描述的集合；的对象描述的集合；(3)(3)系统管理信息库系统管理信息库(SMIB)(SMIB)：存放用于控制系统管理操作的：存放用于控制系统管理操作的 各种信息各种信息,这些信息都被组织成对象；这些信息都被组织成对象；(4)(4)系统管理内核程序系统管理内核程序。现场总线现场总线基金会现场总线功能块应用进程功能块应用进程(FBAP)(FBAP)(1)(1)功能块功能块(FB)(FB)可实现某种应用功能或算法可实现某种应用功能或算法,并可按某种方式反复执行的函数模块。并可按某种方式反复执行的函数模块。(2)(2)应用进程应用进程(AP)(AP)ISO7498ISO7498的名词的名词:驻留在设备内的分布式应用的描述驻留在设备内的分布式应用的描述;现场总线系统中现场总线系统中:设备内部实现一组相关功能的整体。设备内部实现一组相关功能的整体。(3)(3)组成组成功能块功能块对象对象;对象字典对象字典(OD);(OD);设备描述设备描述(DD)(DD)现场总线现场总线基金会现场总线虚拟通信关系虚拟通信关系(VCR)(VCR)(1)(1)定义定义 VCRVCR是现场总线网络中各个应用进程之间的逻辑通信通道。是现场总线网络中各个应用进程之间的逻辑通信通道。(2)(2)任务任务 为为通信实体通信实体,系统管理内核系统管理内核,和和功能块应用进程功能块应用进程三大部分中的各三大部分中的各种应用之间建立通信的通道。种应用之间建立通信的通道。(3)(3)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/预定接收型预定接收型。(4)(4)组成实现组成实现 物理层物理层,数据链路层数据链路层和和应用层应用层共同而构成。共同而构成。现场总线现场总线基金会现场总线虚拟通信关系虚拟通信关系(VCR)(VCR)FCFT发布发布-预订预订 VCR客户客户-服务器服务器 VCR报告分发报告分发 VCR现场总线现场总线基金会现场总线 FF FF的物理层的物理层 一、一、物理层任务物理层任务 二、物理层结构二、物理层结构 三、物理层协议三、物理层协议物理层物理层：用于实现现场设备与总线之间的：用于实现现场设备与总线之间的连接连接，为现场，为现场设备与通信传输媒体的连接提供设备与通信传输媒体的连接提供机械机械和和电气接口电气接口，为现，为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理信号物理信号。现场总线现场总线基金会现场总线一、一、物理层任务物理层任务负责物理传输线路的负责物理传输线路的建立、维持和拆除建立、维持和拆除。在在发送方发送方，物理层从，物理层从数据链路层数据链路层接收数据单元，添加接收数据单元，添加同步同步和和起始起始、结束结束标志字符，并进行编码形成一个物理帧，然标志字符，并进行编码形成一个物理帧，然后在后在物理传输介质物理传输介质上发送出去；上发送出去；接收方接收方在收到这个物理帧后，依据物理层协议解码并剥掉在收到这个物理帧后，依据物理层协议解码并剥掉同步同步和和起始起始、结束结束标志字符，将所得到的数据单元向上传标志字符，将所得到的数据单元向上传递给递给数据链路层数据链路层。帧前定界码帧前定界码帧结束帧结束DLL协议数据协议数据前导码前导码现场总线现场总线 二、二、物理层结构物理层结构现场总线基金会先采用现场总线基金会先采用导线导线作为通信介作为通信介质质,并将进一步扩展其能力。并将进一步扩展其能力。物理层规定了三种传输介质物理层规定了三种传输介质:导线、光导线、光纤和射频。纤和射频。数据链路层数据链路层MDS介质相关子层介质相关子层MIS介质无关子层介质无关子层MAU媒体访问单元媒体访问单元31.25bps/电压模式电压模式MAU媒体访问单元媒体访问单元31.25bps/电压模式电压模式MAU介质访问单元介质访问单元31.25kbps/电压模式电压模式导线介质导线介质导线介质导线介质导线介质导线介质导线导线DCE光纤光纤DCE射频射频DCE现场总线现场总线 二、二、物理层结构物理层结构数据链路层数据链路层导线介质导线介质导线介质导线介质导线介质导线介质导线导线DCE光纤光纤DCE射频射频DCEMDS介质相关子层介质相关子层MAU介质访问单元介质访问单元31.25kbps/电压模式电压模式MIS介质无关子层介质无关子层介质（媒体）无关层（介质（媒体）无关层（MIS）：）：与传输媒体无关，负责处理物理层与数据链路层的接口。与传输媒体无关，负责处理物理层与数据链路层的接口。有关信号编码、增加有关信号编码、增加或去除前导码、定界码的工作均在物理层的介质（媒体）无关层完成或去除前导码、定界码的工作均在物理层的介质（媒体）无关层完成。介质（媒体）相关层（介质（媒体）相关层（MDS）：）：负责处理导线、光纤等不同传输介质（媒体）。定义了信号的编码方式和物理帧负责处理导线、光纤等不同传输介质（媒体）。定义了信号的编码方式和物理帧格式，对应于三种介质（媒体）分别规定了三种格式，对应于三种介质（媒体）分别规定了三种MDS。介质介质(媒体媒体)访问单元访问单元(MAU):负责传送和接收经过负责传送和接收经过MDS处处理的物理帧信号。对应于每一种传输速率和信号类型分理的物理帧信号。对应于每一种传输速率和信号类型分别定义了相应的别定义了相应的MAU，负责此种模式下的通信。，负责此种模式下的通信。在导线在导线MDS下定义了四种介质下定义了四种介质(媒体媒体)访访问单元（问单元（MAU，Medium Attachment Unit）：）：31.25k bps 电压模式电压模式 1M bps 电压模式电压模式 1M bps 电流模式电流模式 2.5M bps 电压模式电压模式现场总线现场总线 二、二、物理层结构物理层结构介质介质(媒体媒体)无关层无关层MISMDS（介质（介质(媒体媒体)相关子层）相关子层）导线导线 /光纤光纤MDS射频射频MAUMAU导线导线电压模式电压模式1Mbps1MbpsMAUMAU导线导线电压模式电压模式2.5Mbps2.5MbpsMAUMAU导线导线电流模式电流模式1Mbps1MbpsMAUMAU光纤光纤1Mbps1MbpsMAUMAU光纤光纤2.5Mbps2.5MbpsMAUMAU射频射频1.0Mbps1.0MbpsMAUMAU射频射频4800 bps4800 bpsMAUMAU光纤光纤31.25Kbps31.25Kbps1Fiber1FiberMAUMAU光纤光纤31.25Kbps31.25Kbps2Fiber2FiberMAUMAU导线导线电压模式电压模式31.25kbps31.25kbps低功耗低功耗MAUMAU导线导线电压模式电压模式31.25kbps31.25kbps传输介质传输介质(媒体媒体)MAU:MAU:介质访问单元介质访问单元介质相关子层介质相关子层介质访问模式介质访问模式现场总线现场总线基金会现场总线二、二、物理层结构物理层结构导线媒体接口导线媒体接口射频射频 滤波器滤波器 隔离隔离电路电路 带通带通 滤波器滤波器 比较器比较器 线路线路 驱动驱动 缓冲驱动缓冲驱动电压电压 电压电压 限幅限幅驱动许可驱动许可现场数据输出现场数据输出（来自通信控来自通信控制器制器）现场数据输入现场数据输入（去通信控制器去通信控制器）现场总线网络现场总线网络现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 物理层的协议具体规定了物理层的协议具体规定了信号波形信号波形，编码方式编码方式，物理帧格式物理帧格式，传传输介质输介质和和传输速率传输速率，设备供电设备供电以及以及连接技术连接技术等内容。等内容。物理层是现场总线四层结构中唯一不能完全由软件实现的层次。物理层是现场总线四层结构中唯一不能完全由软件实现的层次。物理层遵循物理层遵循IEC1158-2(1993IEC1158-2(1993年年)和和ISA-S50.02ISA-S50.02中有关物理层的标准中有关物理层的标准.现场总线基金会为低速总线颁布了现场总线基金会为低速总线颁布了FF-816 31.25KbpsFF-816 31.25Kbps物理层规范物理层规范,也称低速现场总线的也称低速现场总线的H1H1标准标准。传输速率为传输速率为1Mbps,2.5Mbps1Mbps,2.5Mbps的被称为的被称为H2H2标准标准(高速现场总线标准高速现场总线标准)。已被淘汰，取而代已被淘汰，取而代之的是之的是HSE(High Speed EtherNet)现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议供电方式供电方式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:总线供电方式总线供电方式:直接从总线上获取工作能源。直接从总线上获取工作能源。非总线供电方式非总线供电方式:工作电源来自外部工作电源来自外部,而不取自总线。而不取自总线。对总线供电的场合，总线上既要传送对总线供电的场合，总线上既要传送数字信号数字信号，又，又要由总线为现场设备要由总线为现场设备供电供电。现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议按按H1(H1(31.25Kbps31.25Kbps)的技术规范的技术规范,电压模式的现场总线信号波形如下图电压模式的现场总线信号波形如下图:1520mAtIa932V0.751.0VtVb电源电源现场现场设备设备100终端器终端器c携带协议信息的携带协议信息的数字信号数字信号,以以31.25kHz31.25kHz的频率、峰的频率、峰-峰电压为峰电压为0.751V0.751V的幅值的幅值加载到加载到932V 932V 的直流电压上的直流电压上,形成现场形成现场总线的信号波形。总线的信号波形。图图c c为现场总线上对现场设备的网络配置。为现场总线上对现场设备的网络配置。现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议FFFF数据编码数据编码 协议报文编码协议报文编码：这里的协议报文编码是指携带了现场总线要传输的：这里的协议报文编码是指携带了现场总线要传输的数据报文，这些数据报文由上层的协议数据单元生成。数据报文，这些数据报文由上层的协议数据单元生成。基金会现场总线采用基金会现场总线采用曼彻斯特编码技术曼彻斯特编码技术将数据编码直接加载到直流将数据编码直接加载到直流电压或电流上形成物理信号。在曼彻斯特编码过程中，每个时钟周电压或电流上形成物理信号。在曼彻斯特编码过程中，每个时钟周期被分成两半，用前半周期为低电平、后半周期为高电平形成脉冲期被分成两半，用前半周期为低电平、后半周期为高电平形成脉冲正跳变来表示正跳变来表示“0 0”；前半周期为高电平、后半周期为低电平形成；前半周期为高电平、后半周期为低电平形成脉冲负跳变来表示脉冲负跳变来表示“1 1”。“0”“1”现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议FFFF数据编码数据编码 时钟时钟数据数据10010101曼彻斯曼彻斯特编码特编码现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 每帧报文格式由每帧报文格式由前导码前导码、帧前定界码帧前定界码、数据段数据段和和帧结束码帧结束码四部分组四部分组成。成。前导码前导码 帧前定界码帧前定界码数据段数据段帧结束码帧结束码11122731基金会现场总线信号的编码序列基金会现场总线信号的编码序列编码有四种可能编码有四种可能:1.:1.正跳变表示逻辑正跳变表示逻辑”0”0”2.2.负跳变表示为逻辑负跳变表示为逻辑”1”1”3.3.正电平表示正电平表示非数据非数据N+N+4.4.负电平表示负电平表示非数据非数据N-N-“0”“1”N+N-现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议前导码前导码 帧前定界码帧前定界码数据段数据段帧结束码帧结束码11122731前导码前导码：相当于电话信号中的振玲信号：相当于电话信号中的振玲信号,用语唤醒接收设备用语唤醒接收设备,并使之与发送设备并使之与发送设备保保持同步持同步。前导码置于通信信号最前端，特别规定的。前导码置于通信信号最前端，特别规定的8 8位数字信号位数字信号:10101010:10101010一个字一个字节。如果采用节。如果采用中继器中继器的话，前导码可多于一个字节。的话，前导码可多于一个字节。时钟时钟10010101前导码前导码现场总线现场总线帧前定界码帧前定界码：它标明了现场总线信息的起点，其长度为：它标明了现场总线信息的起点，其长度为8个时钟个时钟 周期，也就是一个周期，也就是一个8位字节。帧前定界码由特殊的位字节。帧前定界码由特殊的 N+码、码、N-码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成。码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成。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-码在整个码在整个 时钟周期都保持低电平，即它们在时钟周期的中间时钟周期都保持低电平，即它们在时钟周期的中间 不存在电平的跳变。不存在电平的跳变。时钟时钟10010101前导码前导码10N+N-10N-N+N+帧前定界码帧前定界码前导码前导码 帧前定界码帧前定界码数据段数据段帧结束码帧结束码11122731现场总线现场总线帧结束码帧结束码：帧结束码标志着现场总线信息的终止，其长度也为：帧结束码标志着现场总线信息的终止，其长度也为 8个时钟周期，或称一个字节，也是由个时钟周期，或称一个字节，也是由N+码、码、N-码码 和正负跳变脉冲按规定的顺序组成。其组合顺序不和正负跳变脉冲按规定的顺序组成。其组合顺序不 同于起始码。同于起始码。时钟时钟10010101前导码前导码10N+N+N-10N-N+帧前定界码帧前定界码10N+N-11N-N+帧结束码帧结束码前导码前导码 帧前定界码帧前定界码数据段数据段帧结束码帧结束码11122731现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议前导码前导码 帧前定界码帧前定界码数据段数据段帧结束码帧结束码11122731帧前定界码、帧结束码不是帧前定界码、帧结束码不是ManchesterManchester码码,它用非数据正它用非数据正N+N+和非数和非数据据N-N-表示的。这样可以有效地标明表示的。这样可以有效地标明数据段的范围数据段的范围。前导码、帧前定前导码、帧前定界码、帧结束码由发送设备中物理层自动加到报文中界码、帧结束码由发送设备中物理层自动加到报文中,并在接收设备并在接收设备的物理层中被自动去掉的物理层中被自动去掉。前导码、帧前定界码、帧结束码都是由物理层的硬件电路生成并加前导码、帧前定界码、帧结束码都是由物理层的硬件电路生成并加载到物理信号上的。形成的载到物理信号上的。形成的编码序列编码序列如下图。如下图。现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议现场总线本安应用：现场总线本安应用：现场总线设备的通信电路部分，即媒体连接单现场总线设备的通信电路部分，即媒体连接单元元(MAU)(MAU)，必须采用隔地措施，防止产生接地环流干扰。，必须采用隔地措施，防止产生接地环流干扰。设备分支器藕合器设备分支器藕合器设备分支器藕合器电源安全栅终端器终端器现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议低速现场总线低速现场总线(H1H1标准标准)传输率传输率 31.25kbps 31.25kbps 31.25kbps 31.25kbps 31.25kbps 31.25kbps传输模式传输模式 电压电压 电压电压 电压电压拓扑类型拓扑类型 总线总线/树型树型 总线总线/树型树型 总线总线/树型树型供电方式供电方式 非总线供电非总线供电 总线供电总线供电 总线供电总线供电本质安全本质安全 不支持不支持 支持支持 不支持不支持设备数量设备数量 3232个个(最多使用最多使用4 4台中继器，可挂接台中继器，可挂接156156个设备个设备)通信距离通信距离 19001900米米 1900 1900米米 1900 1900米米分支长度分支长度 120 120米米 120 120米米 120 120米米现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 高速现场总线高速现场总线(H2H2标准标准)传输率传输率 1.0Mbps 1.0Mbps 2.5Mbps 1.0Mbps 1.0Mbps 2.5Mbps传输模式传输模式 电压电压 电流电流 电压电压拓扑类型拓扑类型 总线总线 总线总线 总线总线供电方式供电方式 非总线供电非总线供电 总线交流供电总线交流供电 非总线供电非总线供电本质安全本质安全 不支持不支持 支持支持 不支持不支持设备数量设备数量 3232个个(最多使用最多使用4 4台中继器，可挂接台中继器，可挂接156156个设备个设备)通信距离通信距离 750 750米米 750 750米米 500 500米米分支长度分支长度 无无 无无 无无现场总线现场总线现场设备中，数据的传输使用现场设备中，数据的传输使用带屏蔽的双绞线。带屏蔽的双绞线。数据传输距离：取决于数据传输距离：取决于 1 1、导线的物理特性。、导线的物理特性。2 2、数据传输率。、数据传输率。数据传输速率是：数据传输速率是：31.25Kbps 31.25Kbps：通信距离：通信距离19001900米米。1Mbps 1Mbps：通信距离：通信距离750750米。米。2.5Mbps 2.5Mbps：通信距离：通信距离500500米。米。基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议现场总线现场总线 导线媒体导线媒体:电缆型号及长度尺寸电缆型号及长度尺寸 电缆类型电缆类型 电缆型号电缆型号 最大传输距离最大传输距离A:A:屏蔽双绞线屏蔽双绞线 H1(31.25kbps)#18AWG 1900 H1(31.25kbps)#18AWG 1900米米 H2(1Mbps)#22AWG 750 H2(1Mbps)#22AWG 750米米 H2(2.5Mbps)#22AWG 500 H2(2.5Mbps)#22AWG 500米米B:B:屏蔽多股双绞线屏蔽多股双绞线 H1(31.25kbps)#22AWG 1200 H1(31.25kbps)#22AWG 1200米米C:C:无屏蔽多股双绞线无屏蔽多股双绞线 H1(31.25kbps)#22AWG 400 H1(31.25kbps)#22AWG 400米米D:D:外层屏蔽、多芯非双绞线电缆外层屏蔽、多芯非双绞线电缆 H1(31.25kbps)#16AWG 200 H1(31.25kbps)#16AWG 200米米基金会现场总线现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 现场总线现场总线H1H1标准布线方法标准布线方法现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 现场总线现场总线H1H1标准信号传输特性标准信号传输特性幅值小出于本安考虑最大供电电压:32Voo现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 现场总线现场总线H2H2标准信号传输特性标准信号传输特性oo现场总线现场总线基金会现场总线相同之处相同之处采用双绞线传输信号和供电；采用双绞线传输信号和供电；可复用可复用4-20mA4-20mA信号线信号线,并能保证传输质量；并能保证传输质量；用于相同的设备用于相同的设备(变送器变送器,调节阀等调节阀等)；无需精通通信技术无需精通通信技术,更易被仪表技工使用。更易被仪表技工使用。不同之处不同之处可在同一对双绞线上连接多台设备；可在同一对双绞线上连接多台设备；设备的连接是并联的设备的连接是并联的,而不是串接的。而不是串接的。设备中的电路不同；设备中的电路不同；要求在每个通信段使用终端端子要求在每个通信段使用终端端子(RC(RC电路电路)；一个现场总线网络可以由用中继器连接的多个通信段组成。一个现场总线网络可以由用中继器连接的多个通信段组成。现场总线现场总线H1H1标准同标准同4-20mA4-20mA比较比较现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 现场总线拓扑结构现场总线拓扑结构支持支持树型树型、点对点型点对点型和和总线型总线型三种拓扑结构；三种拓扑结构；树型树型结构仅支持低速版本。结构仅支持低速版本。现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 现场总线拓扑结构现场总线拓扑结构支持支持树型树型、点对点型点对点型和和总线型总线型三种拓扑结构；三种拓扑结构；树型树型结构仅支持低速版本。结构仅支持低速版本。CLOCKINPUTOUTJunction Box“Daisy-Chain”“Bus with Spurs”“Point-to-Point”“Tree”Not RecommendedTopologyLow DensityHigh Density现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议 31.25Kbps31.25Kbps现场总线网络中的节点数现场总线网络中的节点数现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议影响网络设备数量的因素影响网络设备数量的因素(1)(1)带宽带宽:一条现场总线每秒可传输一条现场总线每秒可传输3030条报文；条报文；(2)(2)通信段通信段:一条现场总线可以有一个或多个通信段，一条现场总线可以有一个或多个通信段，每个通信段每个通信段 长度可达长度可达19001900米并可连接米并可连接3232台设备台设备(理论上理论上)，实际上一般，实际上一般8-168-16 台台。如使用中继器，最多。如使用中继器，最多4 4台，可连接达台，可连接达 156156台设备台设备(理论上理论上)；(3)(3)供电供电:每个网段必须有足够的供电能力，在本安场合，安全栅每个网段必须有足够的供电能力，在本安场合，安全栅 必须与终端端子相距在必须与终端端子相距在100100米之内米之内,并且通过安全栅的功率在并且通过安全栅的功率在 600 600毫瓦之内；毫瓦之内；(4)(4)通信线的尺寸通信线的尺寸:较高阻抗的电缆将减少通信段的长度。较高阻抗的电缆将减少通信段的长度。现场总线现场总线基金会现场总线三、三、物理层协议物理层协议FFFF总线标准总线标准IEC1158IEC1158对总线安装的主要规定对总线安装的主要规定现场总线节省了电缆现场总线节省了电缆,但电缆风险集中，因电缆故障减少但电缆风险集中，因电缆故障减少