现场总线-fieldbus-chap3-1教材课件

现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用第3讲徐若锋2024/7/72第第第第3 3章章章章 几种流行的现场总线几种流行的现场总线几种流行的现场总线几种流行的现场总线3.1基金会现场总线基金会现场总线3.2Profibus现场总线现场总线3.3LonWorks3.4CAN总线总线3.5小节小节2024/7/733.1 3.1 基金会现场总线基金会现场总线基金会现场总线基金会现场总线3.1.1基金会现场总线概述基金会现场总线概述3.1.2基金会现场总线通信系统的构成基金会现场总线通信系统的构成3.1.3基金会现场总线网络拓扑基金会现场总线网络拓扑3.1.4基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型3.1.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块3.1.6基金会现场总线通信控制器基金会现场总线通信控制器FB30503.1.7基金会现场总线的组态基金会现场总线的组态3.1.8一致性与互操作性测试一致性与互操作性测试3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例基金会现场总线的应用设计与实例2024/7/743.1.13.1.1基金会现场总线概述基金会现场总线概述基金会现场总线概述基金会现场总线概述基金会现场总线（基金会现场总线（FF）是为了适应自动化系统，）是为了适应自动化系统，特别是过程自动化系统，在功能、适应条件与特别是过程自动化系统，在功能、适应条件与技术上的需要而专门设计的。技术上的需要而专门设计的。lFF发展的简单回顾发展的简单回顾lFF的技术特点的技术特点2024/7/75FFFF基金会和基金会和FFFF总线协议的起源总线协议的起源l在工业自动化领域，ISP北美分会和World FIP合并成立了现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）ISP 包括Fisher-Rosemount，Smar，E+H，Siemens，Yokogawa等100多家，以德国标准PROFIBUS为基础制定现场总线。World FIP 包括Honeywell，Allen-Bradley，Elsag Bailey等120多家，以法国标准FIP（Factory Instrumentation Protocol）为基础制定现场总线。FF基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备和DCS制造厂商，研究机构和最终用户。现有基金会成员120余家，以及诸多最终用户组成的顾问委员会。FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总线标准。2024/7/76FFFF标准系列标准系列标准系列标准系列l用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接的之间的联接的H1（31.25Kbit/s,1.9km通信距离）通信距离）l用于高速，制造业自动化或者车间自动化的以用于高速，制造业自动化或者车间自动化的以快速以太网为基础的快速以太网为基础的FF-HSE（1Mbit/s通信距通信距离离750m;2.5Mbit/s通信距离通信距离500m）2024/7/772024/7/78FFFF的技术特点的技术特点的技术特点的技术特点 l适用于过程自动化的低速部分适用于过程自动化的低速部分FF-H1支持总线供电支持本质安全令牌总线访问机制内容广泛的用户层l基于以太网的高速部分基于以太网的高速部分HSE支持H1支持标准的基本功能模块可实现冗余FFFF的主要内容的主要内容的主要内容的主要内容l包括包括FF通信协议，通信协议，ISO/OSI参考模型中参考模型中的第的第2-7层通信协议的通信栈，用于描述层通信协议的通信栈，用于描述设备特性及操作接口的设备描述语言、设备特性及操作接口的设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块、实现系统组工程量转换的应用功能块、实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技成自动化系统、网络系统的系统集成技术。术。2024/7/792024/7/7103.1.2 3.1.2 基金会现场总线通信系统的基金会现场总线通信系统的基金会现场总线通信系统的基金会现场总线通信系统的构成构成构成构成2024/7/711通信系统的主要构成部分通信系统的主要构成部分通信系统的主要构成部分通信系统的主要构成部分l功能块应用进程功能块应用进程l对象字典（对象字典（OD）和设备描述（）和设备描述（DD）l网络通信网络通信l网络管理网络管理l系统管理系统管理功能块应用进程（功能块应用进程（功能块应用进程（功能块应用进程（FBAPFBAP）l自动制造和过程控制系统执行各种功能自动制造和过程控制系统执行各种功能l每个系统不同，功能的混合和组态也不同每个系统不同，功能的混合和组态也不同lFF系统结构设计了支持功能性模型的范围，每系统结构设计了支持功能性模型的范围，每一种定位一个不同的需要。一种定位一个不同的需要。l功能块模型提供了一个共同的结构，用来定义功能块模型提供了一个共同的结构，用来定义功能块的输入、输出、计算和控制参数，以及功能块的输入、输出、计算和控制参数，以及把它们连接成可以在一个设备中实现的应用过把它们连接成可以在一个设备中实现的应用过程程2024/7/712对象字典（对象字典（对象字典（对象字典（ODOD）和设备描述（）和设备描述（）和设备描述（）和设备描述（DDDD）l同功能块模型相连的是标准化工具的定同功能块模型相连的是标准化工具的定义，用来支持功能块义，用来支持功能块lOD和和DD提供了设备的网络可见对象的提供了设备的网络可见对象的定义和描述。定义和描述。l设备应用程序的设备应用程序的OD描述可以由机器可读描述可以由机器可读设备描述（设备描述（DD）来提供。）来提供。DD是用设备是用设备描述语言（描述语言（DLL）写成的。）写成的。2024/7/713网络通信网络通信网络通信网络通信l基金会现场总线使用预先构造好的信道在设备间传输基金会现场总线使用预先构造好的信道在设备间传输信息，这些信息被称为虚拟通信关系（信息，这些信息被称为虚拟通信关系（VCR）l三种类型三种类型VCR：发布发布/订阅订阅VCR报告分发报告分发VCR客户客户/服务器服务器VCRl为了支持这些为了支持这些VCR，基金会现场总线系统结构定义了三层通信结构：，基金会现场总线系统结构定义了三层通信结构：在物理层规定了信号时如何发送的在物理层规定了信号时如何发送的在数据链路层规定了在设备中间网络是如何被分享和调度的在数据链路层规定了在设备中间网络是如何被分享和调度的在应用层定义了应用程序可以获得的信息格式，这些信息有命令和相应在应用层定义了应用程序可以获得的信息格式，这些信息有命令和相应的交换、数据和事件信息。的交换、数据和事件信息。2024/7/714网络管理网络管理网络管理网络管理l为了在设备中能够提供集成的第为了在设备中能够提供集成的第2-7层协层协议，并控制和监视它们的操作，基金会议，并控制和监视它们的操作，基金会现场总线系统定义在每台设备中都包含现场总线系统定义在每台设备中都包含一个网络管理代理（一个网络管理代理（NetworkManagementAgent,NMA）。）。l网络管理代理网络管理代理NMA，提供支持组态管理、，提供支持组态管理、执行管理和错误管理的能力。执行管理和错误管理的能力。2024/7/715系统管理系统管理系统管理系统管理l基金会现场总线系统结构为每台设备提供一个基金会现场总线系统结构为每台设备提供一个系统管理内核（系统管理内核（SMK）。）。l在所有设备中的在所有设备中的SMK维护信息和一个协调层，维护信息和一个协调层，这个协调层为设备应用程序的执行和互操作提这个协调层为设备应用程序的执行和互操作提供一个分布式平台。供一个分布式平台。l由由SMK维护的信息被定义为系统管理信息库维护的信息被定义为系统管理信息库（SMIB），并由它的），并由它的OD进行描述进行描述l一个功能：支持在设备操作之前把基本系统的一个功能：支持在设备操作之前把基本系统的信息组态到它自己的信息组态到它自己的SMIB中。当中。当SMK启动进启动进程为操作准备设备时，它将使设备通过几个预程为操作准备设备时，它将使设备通过几个预先定义好的阶段。先定义好的阶段。2024/7/7162024/7/7173.1.3 3.1.3 基金会现场总线网络拓扑基金会现场总线网络拓扑基金会现场总线网络拓扑基金会现场总线网络拓扑1.单网段拓扑 2.桥接网络拓扑PID（链路主设备）模拟量输入（基本设备）模拟量输出（基本设备）单网段拓扑图单网段拓扑图2024/7/718LASLAS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,它的功能是：认知新设备，并将新设备加入到链路中去；从链路中除去没有响应的设备；在链路上发布数据链路时间和调度时间；在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备；在调度时间之间，发送优先级驱动的令牌给某设备。2024/7/719网桥的功能网桥的功能l转发（Forwarding）置于转发表中，按优先级排队l重发（Republishing）置于重发表中，缓冲型重发以转发代替，以支持非调度式的传输l数据链路时间重分布l应用时钟时间重分布DLL系统管理2024/7/7203.1.4 3.1.4 基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型2024/7/721lFAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式；lFMS的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据；lFMS和FAS的任务是完成一个应用进程到另一个应用进程的描述，实现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。l总之：物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定了如何在设备间共享网络和调度通信；应用层规定了在设备之间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。2024/7/722如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层（FMS）处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息；然后依次送往现场总线访问子层（FAS）和数据链路层（DLL）；用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为CRC校验码）后，送往物理层将数据打包；信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。现场总线协议数据的生成现场总线协议数据的生成2024/7/7243.1.4.1 3.1.4.1 物理层物理层物理层物理层l低速现场总线H131.25Kbpsl高速现场总线H2l采用曼彻斯特编码l3种传输介质：双绞线、光纤和射频lH1标准下，使用双绞线，现场设备供电方式可以是总线供电，也可以是自供电l物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接，除了为现场设备与通信传输介质的连接提接，除了为现场设备与通信传输介质的连接提供机械和电气接口，还为现场设备对总线的发供机械和电气接口，还为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理接口。送或接收提供合乎规范的物理接口。2024/7/7252024/7/726FFFF协议物理层协议物理层H1H1标准标准l低速总线H1已完成标准制定(IEC1158-2)l用于过程自动化l直流电压供电范围为9-32VDCl不考虑本安时一条总线上可以连接32台仪表l两线制传输，最远传输距离1900米l最多可以加四个中继器l拓扑结构：总线型或树型2024/7/727l同一条总线上的所有设备必须采用同一种传输介质，并具有相同同一条总线上的所有设备必须采用同一种传输介质，并具有相同的传输速率。对于总线供电的网段，可同时使用总线供电和非总的传输速率。对于总线供电的网段，可同时使用总线供电和非总线供电的设备。线供电的设备。FFFF总线拓扑结构总线拓扑结构2024/7/728H1H1H1H1总线网段的主要特性参数总线网段的主要特性参数总线网段的主要特性参数总线网段的主要特性参数 传输速率传输速率31.25Kbps31.25Kbps31.25Kbps信号类型信号类型电压电压电压电压电压电压拓扑结构拓扑结构总线总线/菊花链菊花链/树树型型总线总线/菊花链菊花链/树树型型总线总线/菊花链菊花链/树型树型通信距离通信距离1900m1900m1900m分支长度分支长度120m120m120m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不支持不支持支持支持设备数段设备数段232112262024/7/729图图3-6FF总线的网络拓扑结构总线的网络拓扑结构3.1.4.23.1.4.2数据链路层数据链路层l数据链路层（数据链路层（DataLinkLayer,DLL）在基金）在基金会现场总线中处于第二层，它在物理层上传输会现场总线中处于第二层，它在物理层上传输“位位”信息的基础上，在相邻节点间传送帧数信息的基础上，在相邻节点间传送帧数据信息，据信息，DLL也可能在传输中出现差错，也需也可能在传输中出现差错，也需要进行检错、纠错而向上层提供无错的透明传要进行检错、纠错而向上层提供无错的透明传送。送。l总线通信中的链路活动调度，数据的发送和接总线通信中的链路活动调度，数据的发送和接收，活动状态的检测、相应，总线上各台设备收，活动状态的检测、相应，总线上各台设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层来完间的链路时间同步，都是通过数据链路层来完成的。成的。2024/7/7302024/7/731每个总线段上有一个链路活动调度器（每个总线段上有一个链路活动调度器（LAS）它具备链路活动调度能力，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。对没有链路活动调度能力的设备来说，其数据链路层要对来自总线的链路数据做出响应。链路活动调度器链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上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。各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器只有得到链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。是总线的通信活动中心。现场总线仪表与现场总线仪表与LAS LAS 2024/7/732FFFF协议数据链路层协议数据链路层lFF通信采用多主站令牌传递的主从结构l数据的存取分调度传输(Schedule transfer)和非调度传输(Unscheduled transfer)由LAS按照预定的调度时间表周期性地发起的通信活动，称为受调度通信。链路活动调度器内有一个预定调度时间表。一旦到了某个设备要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据(CD，compel data)给这个设备。基本设备收到这个强制数据信息，就可以向总线上发送它的信息。受调度通信一般用于在设备间周期性地传送控制数据。如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。在预定的调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式称为非调度通信。由此可以看到，FF通信采用的是令牌总线工作方式。2024/7/733数据链路层数据链路层l数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问的访问(数据链路层低层功能数据链路层低层功能)；另一个是在数据；另一个是在数据链路使用者之间控制数据传输链路使用者之间控制数据传输(数据链路层高层功数据链路层高层功能能)。1.DLL低层（媒体访问）功能：l基本设备BD(Basic Device)不能主动发起通信，只能接收查询；l链路主设备LMD(Link Master Device)在得到令牌时可以发起一次通信；链路活动调度器LAS(Link Active Scheduler)发起周期和非周期通信。l网桥2.DLL高层（数据传输）功能：FF提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方式。提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方式。无连接方式用于支持报告分发无连接方式用于支持报告分发VCR；一种面向连接方式用于支；一种面向连接方式用于支持发布持发布/订阅订阅VCR，另一种面向连接方式用于支持客户，另一种面向连接方式用于支持客户/服务器服务器VCR。l用于发布数据的面向连接的数据传输：发布数据的传送主要是来自于发布者的数据链路数据帧（DLPDU）通过缓冲区进行发送。发布者不比分辨订阅者（接收者），被发布者传送的数据传送帧只包含一个地址，即发布者的地址。l用于进行请求/响应交换的面向连接的数据传输：请求/响应数据传输主要用于客户/服务器之间的通过队列进行数据传输。l无连接数据传输：无连接数据传输主要用于在数据链路服务访问点（DLSAP）之间通过队列进行独立的DLPDU的传送2024/7/7342024/7/735链路活动调度算法链路活动调度算法CD=强制数据强制数据PN=节点探测包节点探测包TD=时间分配包时间分配包PT=传输令牌传输令牌在发布下在发布下 一个一个CD之前有时间之前有时间做其他工作否做其他工作否否否发布发布PN,TD 或者或者 PT等等在发布在发布CD之前之前 等待等待等待期间发等待期间发布空闲报文布空闲报文发布周期性发布周期性CD等待事务完成等待事务完成是是2024/7/736FFFF协议应用层协议应用层l上层是应用服务(Application Layer Services),由FMS(Fieldbus Messaging Specification)定义，并为用户层提供服务l下层是现场总线访问子层FAS(Fieldbus Access Sublayer)，定义与数据链路层连接接口2024/7/737lFAS属于应用层的一部分，处于属于应用层的一部分，处于FMS与与DLL之之间，它利用数据链路层的调度通信和非调度通间，它利用数据链路层的调度通信和非调度通信作用，可为信作用，可为FMS和应用进程和应用进程(AP)提供提供VCR的的报文传递服务。报文传递服务。lFAS内部可分为三个层次，表现为三个协议机：内部可分为三个层次，表现为三个协议机：FAS服务协议机服务协议机(FSPM)、应用关系协议机、应用关系协议机(ARPM)、数据链路层映射协议机、数据链路层映射协议机(DMPM)3.1.4.33.1.4.3现场总线访问子层现场总线访问子层现场总线访问子层现场总线访问子层2024/7/738虚拟通信关系虚拟通信关系VCRVCRlVCR：预先组态好的通信信道 基金会现场总线使用事先组态好的通信信道在设备之间传送信息。lFF定义了以下三种VCRPublisher/Subscriber（发布者/预订者模式），用于实现缓冲型的一对多通信。Report Distribution（报文/分发模式），排队式、非周期的一对多通信。Client/Server（客户机/服务器模式），一对一的、排队式的、非周期通信。2024/7/739Publisher/Subscriber&Report Publisher/Subscriber&Report DistributionDistributionlP/S（发布/预订模式）发布者向总线上广播它的信息，希望收到这一发行消息的设备称为预订者。缓冲工作方式是指只有最近发行的数据保留在网络缓冲器中，新的数据会完全覆盖先前的数据。lRD（报告分发模式）设备把它的报文分发给预设置的一组地址。这种VCR主要用于报警和趋势数据的传送。按照不同的报文类型进行排队。2024/7/740Client/Server Client/Server（客户客户/服务器模式）服务器模式）l一个设备对另一个设备发送请求，请求者称为客户，响应这一请求称为服务器l数据通信按优先权排队l利用周期性通信的时间片间隔，不能保证实时性l通信出错后，调用再发程序2024/7/7413.1.4.43.1.4.4现场总线报文规范子层现场总线报文规范子层l现场总线报文规范FMS(Fieldbus Messaging Specification)FMS规定了访问应用进程AP(Application Process)的报文格式及服务FMS与对象字典OD(Object Diction-ary)配合，为现场总线规定了功能接口FMS通过调用VCR，在现场设备之间传递报文2024/7/742lFMS子层描述了用户应用所需要的通信服务、子层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等，提供了一组服务和标信息格式、行为状态等，提供了一组服务和标准的报文格式，用户可采用这种标准格式在总准的报文格式，用户可采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过线上相互传递信息，并通过FMS服务访问功能服务访问功能块应用进程对象以及它们的对象描述。块应用进程对象以及它们的对象描述。lFMS子层由七个模块组成：虚拟现场设备子层由七个模块组成：虚拟现场设备(VFD)、对象字典管理、通信关系管理、域管、对象字典管理、通信关系管理、域管理、程序调用管理、变量访问和时间管理。理、程序调用管理、变量访问和时间管理。l基金会现场总线报文规范采用抽象语法记法基金会现场总线报文规范采用抽象语法记法1(ASN.1)。2024/7/743FFFF协议用户层协议用户层l功能块应用过程l设备描述(Device Description)l对象字典（Object Dictionary)2024/7/744设备描述设备描述设备描述DDDDDD与设备描述语言与设备描述语言与设备描述语言DDLDDLDDL为实现现场总线设备的互操作性，支持标准的功能块操作，基金会现场总线采用了设备描述技术。设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，因而也可以看作控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述器，把DDL编写的设备描述的源程序转化为机器可读的输出文件。现场总线基金会把基金会的标准DD和经基金会注册过的制造商附加DD写成CD-ROM，提供给用户。2024/7/745它提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特性标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。功能块的通用结构是实现开放系统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功能块及其相互连接，集成为功能块应用。3.1.5 3.1.5 基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块2024/7/746一般每个功能块相当于把几个专有语言功能块的功能装在一个模块中。真正使这些功能块变得强有力的是它的握手(handshake)能力，以及使状态信息与数值信息一起从一个功能块传到另一功能块的能力。由于功能块的行为是标准化的，所以这些功能可以跨越几个不同制造商的设备来完成。功能块还包含使用这些状态信息的标准停车连锁和串级初始化机制。这就意味着不需要对使用不同语言的附加逻辑进行组态，便可实现这些及许多其他的功能。工厂不仅仅是从单独的功能块的能力中获得好处，更重要的是从能把这些模块链接起来的标准化互操作性的结合能力中获得好处。2024/7/747lFF协议将仪表的功能以功能块、资源块、变送器块等标准结构定义lFF定义了29个标准的“功能块”(Function BlockFB)l基本功能块10个l先进功能块7个l计算功能块7个l辅助功能块5个l设备描述语言DDL和对象字典OD，解决功能块模型的标准化和互操作性问题2024/7/748 模块有功能块、转换块、资源块三种，功能块编程语言是基金会现场总线(FF)的一个有机部分，是针对调节控制和过程监测建立策略的理想工具。（1）资源块 资源块描述现场总线的设备特征，表达了现场设备的本地硬件对象及其相关运行参数，如设备类型、设备版本、制造商等。2024/7/749资源块部分参数表 2024/7/750（2 2）转换块）转换块描描述述了了现现场场设设备备的的I/O特特性性，如如传传感感器器和和执执行行器器的的特特性性。变变换换块的参数都是内含的。块的参数都是内含的。7类类标标准准的的转转换换块块：带带标标定定的的标标准准压压力力变变换换块块、带带标标定定的的标标准准温温度度变变换换块块、带带标标定定的的标标准准液液位位变变换换块块、带带标标定定的的标标准准流流量量变变换换块块、标标准准的的基基本本阀阀门门定定位位块块、标标准准的的先先进进阀阀门门定定位位块块、标标准准的的离离散阀门定位块。散阀门定位块。（3 3）功能块）功能块是是参参数数、算算法法和和事事件件的的完完整整组组合合。通通过过对对功功能能块块的的连连接接和和组组态态，构成控制回路，实现控制策略，完成自动化系统的任务。构成控制回路，实现控制策略，完成自动化系统的任务。10个标准基本功能块：模拟量输入（个标准基本功能块：模拟量输入（AI）、离散输入（）、离散输入（DI）；）；输出块：模拟量输出（输出块：模拟量输出（AO）、离散输出（）、离散输出（DO）；控制块：手动）；控制块：手动装载装载(ML)、控制选择（、控制选择（CS）、偏置（）、偏置（BG）、比例积分（）、比例积分（PD）、）、比例积分微分（比例积分微分（PID）、比率系数（）、比率系数（RA）。）。2.3.3 2.3.3 基金会现场总线的编程语言基金会现场总线的编程语言 2024/7/751从输出参数到输入参数，功能块彼此链接。链路中既包括参数数值，又包括参数状态。一个输出参数可以链接到任何数目的输入。不同设备间功能块的链接通过网络通信实现。同一设备上功能块的链接不需通过总线进行通信，因而会立刻完成并且不占用网络带宽。资源块和转换块不是控制策略的一部分，它们所有的参数都是内含参数，不可以进行链接。输入参数也可以链接到另一个输入参数，但仅局限于同一个设备内。功能块链接功能块链接l链接对象：为了组成系统，在功能块应用进程链接对象：为了组成系统，在功能块应用进程（FBAP）之间和功能块内部，采用链接对象把不同功）之间和功能块内部，采用链接对象把不同功能块链接在一起，用来记录这类信息的对象能块链接在一起，用来记录这类信息的对象l趋势对象：趋势对象允许主机和其他设备访问功能块趋势对象：趋势对象允许主机和其他设备访问功能块参数的局部趋势，允许将功能块参数进行局部化。参数的局部趋势，允许将功能块参数进行局部化。l报警对象：报警对象允许对报警状态和现场总线上的报警对象：报警对象允许对报警状态和现场总线上的事件进行报告，当判断出有报警或事件时，可通过接事件进行报告，当判断出有报警或事件时，可通过接口设备访问报警对象生成的口设备访问报警对象生成的通知信息。通知信息。l视图对象：视图对象为预定义的参数群，由人机界面视图对象：视图对象为预定义的参数群，由人机界面使用。使用。2024/7/7522024/7/7533.1.5.23.1.5.23.1.5.2功能块应用进程功能块应用进程功能块应用进程功功能能块块应应用用进进程程(FBAP)是是位位于于通通信信栈栈之之上上的的用用户户层层，主主要要用用来来完完成成用户所需的自动化应用功能；用户所需的自动化应用功能；功功能能块块应应用用进进程程提提供供了了一一个个通通用用结结构构，把把实实现现控控制制系系统统所所需需的的各各种种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化功能划分为功能模块，使其公共特征标准化.无无论论在在一一个个功功能能块块内内部部执执行行哪哪一一种种算算法法，实实现现哪哪一一种种功功能能，它它们们与与功能块外部的连接结构是通用的。功能块外部的连接结构是通用的。应应用用进进程程：应应用用进进程程（AP）在在现现场场总总线线系系统统中中是是指指为为实实现现某某种种应应用用功功能能或或算算法法，按按某某种种方方式式反反复复执执行行的的函函数数，它它规规定定输输入入、输输出出、算算法法、事事件件、参参数数与与块块控控制制图图，把把按按时时间间反反复复执执行行的的函函数数模模块块化化为为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。如如PID功能块完成现场总线系统中的控制运算，功能块完成现场总线系统中的控制运算，AI功能块完成参数输入功能块完成参数输入应用进程（应用进程（AP）是现场总线系统活动的基本组成部分。）是现场总线系统活动的基本组成部分。在在设设备备组组态态或或网网络络运运行行期期间间，AP是是否否装装载载进进一一台台设设备备，取取决决于于该该设设备备的物理能力和的物理能力和AP如何被执行；如何被执行；在在具具体体结结构构上上，功功能能块块应应用用进进程程是是由由功功能能块块应应用用对对象象、对对象象字字典典和和设备描述三部分组成。设备描述三部分组成。2024/7/754 功能块的内部结构功能块的内部结构 2024/7/7553.1.5.3 3.1.5.3 功能块的应用实例功能块的应用实例典型PID控制功能块应用过程图2024/7/756以锅炉汽包水位控制作为典型范例进行分析。锅炉汽包水位三冲量控制P&I图一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2024/7/757保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水水位位过过高高造造成成饱饱和和蒸蒸汽汽带带水水过过多多、汽汽水水分分离离差差，使使过过热热器器管管壁壁结结垢垢，传传热热效效率率下下降降，过过热热蒸蒸汽汽温温度度下下降降，当当用用于于蒸蒸汽汽透透平平(汽汽轮轮机机)的的动动力力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运动的安全与经济性；源时，会损坏汽轮机叶片，影响运动的安全与经济性；水水位位过过低低造造成成汽汽包包水水量量太太少少，负负荷荷有有较较大大变变动动时时，水水的的汽汽化化速速度度过过快快，而而汽汽包包内内水水的的全全部部汽汽化化将将导导致致水水冷冷壁壁的的损损坏坏，严严重重时时会会发发生生锅锅炉炉爆炸。爆炸。单单冲冲量量水水位位控控制制系系统统是是最最简简单单和和基基本本的的控控制制系系统统。单单冲冲量量指指只只有有一一个被控变量，即汽包水位。个被控变量，即汽包水位。锅锅炉炉汽汽包包水水位位控控制制系系统统的的操操纵纵变变量量总总是是选选用用给给水水流流量量。根根据据锅锅炉炉水水位位动动态态特特性性分分析析，该该过过程程具具有有虚虚假假水水位位的的反反向向特特性性，因因此此，当当负负荷荷变变化较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质。化较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质。此此外外，由由于于蒸蒸汽汽负负荷荷变变化化后后，要要在在引引起起水水位位变变化化后后才才改改变变给给水水量量，因此会造成控制不及时。因此会造成控制不及时。一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2024/7/758考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控(因为蒸汽负荷由用因为蒸汽负荷由用户决定户决定)，因此，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成，因此，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈前馈-反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。考考虑虑到到给给水水流流量量的的扰扰动动影影响响(例例如如给给水水压压力力变变动动器器)及及由由于于迟迟延延等等因因素素，将将给给水水流流量量引引入入到到双双冲冲量量控控制制系系统统中中，由由此此组组成了图成了图2.2.6262所示的三冲量水位控制系统。所示的三冲量水位控制系统。三冲量汽包水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，三冲量汽包水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈信号的前馈-串级反馈控制系统。串级反馈控制系统。一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2024/7/759 三冲量汽包水位控制三冲量汽包水位控制系统组态图系统组态图一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统 AI功能块通过硬件通道与压力转换块相连，它能对转功能块通过硬件通道与压力转换块相连，它能对转换块来的信号进行阻尼、开方和量程调整，因此，三个换块来的信号进行阻尼、开方和量程调整，因此，三个AI可分别对汽包液位、给水流量和蒸汽流量的频繁波动可分别对汽包液位、给水流量和蒸汽流量的频繁波动设置阻尼，可通过阻尼时间参数设置阻尼，可通过阻尼时间参数PV_FTIME设置阻尼大设置阻尼大小。小。同样，通过设置同样，通过设置L_TYPE参数就可对差压进行开方运参数就可对差压进行开方运算，从而得到流量的线性信号。算，从而得到流量的线性信号。INT是累积功能块，它是累积功能块，它能对蒸汽流量和给水流量进行累积或积算，不用额外增能对蒸汽流量和给水流量进行累积或积算，不用额外增添仪表，就可得到两个非常重要的总量参数。副添仪表，就可得到两个非常重要的总量参数。副PID有有前馈输入参数前馈输入参数FF_VAL，它与反馈控制信号相加，取代，它与反馈控制信号相加，取代了了P&I图的加法器图的加法器FY。液位变送控制器中的液位变送控制器中的PID是主调节器，阀门定位器是主调节器，阀门定位器(或阀门控制器或阀门控制器)中的中的PID是副调节器，两者构成给水三冲是副调节器，两者构成给水三冲量的串级控制。由量的串级控制。由FF模块构成的串级控制能实现手动模块构成的串级控制能实现手动-自自动模式的双向无扰切换。动模式的双向无扰切换。汽包水位 给水流量蒸汽流量2024/7/760 汽包水位和给水流量两个调节器构成一个串级控制，汽包水位提汽包水位和给水流量两个调节器构成一个串级控制，汽包水位提供给水流量闭环控制的设定值。供给水流量闭环控制的设定值。蒸汽流量和给水流量构成一个前馈控制通路。蒸汽流量变化时给蒸汽流量和给水流量构成一个前馈控制通路。蒸汽流量变化时给水流量能及时跟随变化，而不是靠液位变化来改变，蒸汽流量的增水流量能及时跟随变化，而不是靠液位变化来改变，蒸汽流量的增加将调整副调节器模块的设定点，这将使汽包液位被影响前，给水加将调整副调节器模块的设定点，这将使汽包液位被影响前，给水流量就将增加，因而减小了动态偏差，提高了控制质量。流量就将增加，因而减小了动态偏差，提高了控制质量。汽包水位汽包水位PID调节有一个较长的时间常数，一方面避免蒸汽流量调节有一个较长的时间常数，一方面避免蒸汽流量激烈变化时因气泡而形成的瞬时虚假水位，但从长时间控制周期看，激烈变化时因气泡而形成的瞬时虚假水位，但从长时间控制周期看，汽包水位汽包水位PID调节可以修正前馈调节所形成的液位积累误差。调节可以修正前馈调节所形成的液位积累误差。给水流量和给水流量给水流量和给水流量HD形成一个快速调节回路，当给水压力波形成一个快速调节回路，当给水压力波动等情况发生时，会在汽包水位变化前得到修正，使汽包水位不受动等情况发生时，会在汽包水位变化前得到修正，使汽包水位不受内扰发生的影响。内扰发生的影响。一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统一个典型的控制系统2024/7/761FFFF现场总线的技术优势现场总线的技术优势lFF应用于过程控制的主要优点FF在七层协议以外增加了用户层，主要内容是制定标准的功能块。使得FF跨越了一项通信标准而成为一项系统标准。设备描述技术（DD）和对象字典技术（OD）保证了互操作性和用户的可扩展性FF也采用行规（Profiles），提供公共功能结构FF具有周期通信和非周期通信，有多种访问控制方式，如Client/Server,publisher/subscriber,report DistributionFF具有系统管理功能，总线上设备时钟同步优于Profibus-PA2024/7/762现场总线的分散控制模块2024/7/7633.1.63.1.6基金会现场总线通信控基金会现场总线通信控基金会现场总线通信控基金会现场总线通信控制器制器制器制器FB3050FB3050lFB3050控制器是继控制器是继FB1050和和FB2050后，现场总线接后，现场总线接口和控制器的第三代集成电路，适用于口和控制器的第三代集成电路，适用于ISASP50-21992第第2部分：现场总线物理层定义，是嵌入式和主部分：现场总线物理层定义，是嵌入式和主微处理器或控制器的接口，可提供高级的或现场总线微处理器或控制器的接口，可提供高级的或现场总线的接口。的接口。lFB3050有有100个引脚，分为时钟和定时、系统接口、存个引脚，分为时钟和定时、系统接口、存储器接口和现场总线接口等四组。储器接口和现场总线接口等四组。FB3050提供提供32个内个内部读写寄存器，其端口地址范围为部读写寄存器，其端口地址范围为XX00H-XX2FH。lFB3050片内包含曼彻斯特编码和译码器，连到现场总片内包含曼彻斯特编码和译码器，连到现场总线系统时需要介质接口和外加滤波器。线系统时需要介质接口和外加滤波器。FB3050通过合通过合适的连线，可以检测和校正信号的极性变换。适的连线，可以检测和校正信号的极性变换。2024/7/764控制器基本功能控制器基本功能控制器基本功能控制器基本功能lManchester编解码编解码l并串转换，报文缓冲并串转换，报文缓冲l报文过滤和地址识别报文过滤和地址识别l唠叨抑制唠叨抑制(Jabberinhibit)lCRC产生和检查产生和检查l高层数据链路功能需要软件编程高层数据链路功能需要软件编程!FB3050在接收数据包时可自动检测帧校验序列，通过软件控制命令为发送数据包生成帧校验序列。发送器超长（Jabber）禁止电路保证了发送器在规定时间外不会处于ON状态。（唠叨抑制：Jabber inhibit）为了适应高信息量的需要，FB3050片内有两个直接存储器访问（DMA）电路。通过FB3050的内部寄存器可实现整个控制和状态信息的设置，以便与各种主控制器连接。FB3050具有灵活的中断结构，单个中断将使主微处理器读内部的状态信息，以确定中断源。2024/7/766FB3050FB3050控制器的特点控制器的特点控制器的特点控制器的特点 l适用于适用于ISASP50021992年年Part2，现场总线物理层定义；，现场总线物理层定义；l内含曼彻斯特（内含曼彻斯特（Manchester）编码器和译码器；）编码器和译码器；l片内有两个通道的片内有两个通道的DMA控制器；控制器；l可自动极性探测和校正；可自动极性探测和校正；l自动接收帧校验序列自动接收帧校验序列(FCS)探测；探测；l软件控制的发送软件控制的发送FCS发生器；发生器；l自动信息类型和地址识别；自动信息类型和地址识别；l31.25K和和1Mbit/s的数据率；的数据率；l内有发送器超长（内有发送器超长（Jabber）禁止电路；）禁止电路；l可与所有通用微处理器和微控制器兼容；可与所有通用微处理器和微控制器兼容；l可屏蔽多源中断结构以减少中断响应次数；可屏蔽多源中断结构以减少中断响应次数；l具有具有CMOS低功耗和省电方式；低功耗和省电方式；l有可用于数据链路层定时的定时器；有可用于数据链路层定时的定时器；l采用采用100针针TQFP封装形式。封装形式。2024/7/7673.1.73.1.7基金会现场总线的组态基金会现场总线的组态基金会现场总线的组态基金会现场总线的组态l组态第组态第1层：厂家设备定义层：厂家设备定义l组态第组态第2层：网络定义层：网络定义l组态的第组态的第3层：分布式应用程序定义层：分布式应用程序定义l组态第组态第4层：设备组态层：设备组态2024/7/768组态第组态第组态第组态第1 1层：厂家设备定义层：厂家设备定义层：厂家设备定义层：厂家设备定义每个制造商决定所提供设备的应用进程的定义和类型，每个制造商决定所提供设备的应用进程的定义和类型，并且标识每个并且标识每个AP的网络可见对象。的网络可见对象。l1)每个网络可访问每个网络可访问AP的的OD和和AP目录的定义和结构；目录的定义和结构；l2)提供制造商名、设备模块名、提供制造商名、设备模块名、VFD管理、管理、FBAP的的VFD等；等；l3)设备的分配和相互关系以及设备的分配和相互关系以及VFD的标识信息包含在的标识信息包含在SMIB、NMIB和和FBAP中。中。2024/7/769组态第组态第组态第组态第2 2层：网络定义层：网络定义层：网络定义层：网络定义这个层次定义了网络拓扑结构：这个层次定义了网络拓扑结构：l决定控制策略决定控制策略l选择协议版本选择协议版本l标识每个链路和它的设备标识每个链路和它的设备l管理设备标签和数据链路地址管理设备标签和数据链路地址l标识每个链路的链路控制主设备标识每个链路的链路控制主设备l定义每个定义每个LAS使用的链路参数使用的链路参数l定义一个基本和其它应用时钟发布者，作为时间定义一个基本和其它应用时钟发布者，作为时间源源2024/7/770组态的第组态的第组态的第组态的第3 3层：分布式应用程序定义层：分布式应用程序定义层：分布式应用程序定义层：分布式应用程序定义定义了分布式资源的交互作用：定义了分布式资源的交互作用：l定义定义FBAP连接对象，并使用连接对象，并使用VCR解决解决l定义定义VCR表，并把它们转化成为数据链路地址表，并把它们转化成为数据链路地址l定义功能块和定义功能块和LAS调度宏循环调度宏循环l定义扩展树结构，包括发送和重新发布表定义扩展树结构，包括发送和重新发布表2024/7/771组态第组态第组态第组态第4 4层：设备组态层：设备组态层：设备组态层：设备组态定义分配给设备的每个定义分配给设备的每个AP的值：的值：l分配用户分配用户AP操作值操作值l分配分配NMIB操作值操作值l分配分配SMIB操作值操作值3.1.8 3.1.8 一致性与互操作性测试一致性与互操作性测试一致性与互操作性测试一致性与互操作性测试lFF的一个最基本原则：支持互操作性，即保证来自不的一个最基本原则：支持互操作性，即保证来自不同制造商的设备能在同一个网络中相互正常操作，而同制造商的设备能在同一个网络中相互正常操作，而不会损失其设备功能。不会损失其设备功能。一方面，一方面，FF制定了完善的标准，既包括通信规范，又包括了制定了完善的标准，既包括通信规范，又包括了应用规范，要求制造商严格按照规范来开发产品应用规范，要求制造商严格按照规范来开发产品另一方面，对制造商开发出来的产品进行严格测试，以确保另一方面，对制造商开发出来的产品进行严格测试，以确保其符合其符合FF规范，并能达到最大可能的互操作能力。规范，并能达到最大可能的互操作能力。lFF的产品测试分两部分：一是对通信栈产品的一致性的产品测试分两部分：一是对通信栈产品的一致性测试（测试（ConformanceTest）;二是对设备产品的互操作二是对设备产品的互操作性测试（性测试（InteroperabilityTest）.互操作性测试：物理层测试、设备配置和功能块测试、设备互操作性测试：物理层测试、设备配置和功能块测试、设备描述测试和功能文件测试。描述测试和功能文件测试。2024/7/772互操作测试系统（互操作测试系统（互操作测试系统（互操作测试系统（ITSITS）lFF互操作测试系统由三部分组成：测试系统、测试案互操作测试系统由三部分组成：测试系统、测试案例和测试功能块。例和测试功能块。测试系统是一个通用测试平台，为测试提供人机界面、测试测试系统是一个通用测试平台，为测试提供人机界面、测试管理功能以及测试案例程序库。管理功能以及测试案例程序库。测试案例集实际上是抽象测试案例集在测试系统上实现的可测试案例集实际上是抽象测试案例集在测试系统上实现的可执行测试案例集，进行具体测试工作。执行测试案例集，进行具体测试工作。测试功能块是一台特殊的测试功能块是一台特殊的FF现场设备，主要用于在动态测试现场设备，主要用于在动态测试时和被测设备建立连接，从而能和被测设备交换数据，以进时和被测设备建立连接，从而能和被测设备交换数据，以进行测试。行测试。l测试过程三个阶段：测试准备阶段、测试操作阶段和测试过程三个阶段：测试准备阶段、测试操作阶段和测试报告生成和分析阶段。测试报告生成和分析阶段。l测试案例分析：测试的核心，分为抽象测试案例和可测试案例分析：测试的核心，分为抽象测试案例和可执行测试案例。执行测试案例。2024/7/7732024/7/774互操作性的层次互操作性的层次通讯协议规范通讯协议规范+设备描述一致性设备描述一致性推荐推荐 功能块一致性功能块一致性可互操作可互操作基本一致性基本一致性有限互操作性有限互操作性非一致性非一致性不可互操作不可互操作+通讯协议规范通讯协议规范通讯协议规范通讯协议规范通讯协议规范通讯协议规范标准功能块标准功能块标准功能块标准功能块标准设备参数标准设备参数厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（公开）（公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（公开）（公开）厂家自定义厂家自定义功能块功能块厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（公开）（公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）厂家自定义厂家自定义功能块功能块厂家自定义厂家自定义设备参数设备参数（非公开）（非公开）2024/7/7753.1.93.1.9基金会现场总线的应用设计与基金会现场总线的应用设计与基金会现场总线的应用设计与基金会现场总线的应用设计与实例实例实例实例l冶金行业中运用精料技术是高炉冶炼技术进步冶金行业中运用精料技术是高炉冶炼技术进步的具体体现，使用球团矿来代替铁矿和部分烧的具体体现，使用球团矿来代替铁矿和部分烧结矿是高炉精料技术的发展，采用高碱度烧结结矿是高炉精料技术的发展，采用高碱度烧结矿加酸性球团矿的配料来进行高炉冶炼，从而矿加酸性球团矿的配料来进行高炉冶炼，从而达到增产节支的目的。达到增产节支的目的。2024/7/7763.1.93.1.9基金会现场总线的应用设计与基金会现场总线的应用设计与基金会现场总线的应用设计与基金会现场总线的应用设计与实例实例实例实例NCS-3000系统具有以下特点：系统具有以下特点：l以以FF现场总线技术为核心，现场总线技术为核心，将控制任务下放至工业现场的智能将控制任务下放至工业现场的智能仪表，仪表，实现了控制功能的彻底分散，实现了控制功能的彻底分散，而控制功能的分散意味着危而控制功能的分散意味着危险分散，从而极大地提高了系统的可靠性。险分散，从而极大地提高了系统的可靠性。lFFHSE高速总线和高速总线和FFH1总线相互补充，构成企业综合自动化总线相互补充，构成企业综合自动化系统的网络平台。现场总线仪表、智能系统的网络平台。现场总线仪表、智能I/O与计算机之间通过现与计算机之间通过现场总线连成一体，系统结构简单，可扩展性强，不仅降低了布线场总线连成一体，系统结构简单，可扩展性强，不仅降低了布线成本，而且还具有设备远程调试和自诊断能力，维护方便。成本，而且还具有设备远程调试和自诊断能力，维护方便。l不仅支持多种现场总线智能仪表，也支持传统的模拟仪表、不仅支持多种现场总线智能仪表，也支持传统的模拟仪表、DCS和和PLC，可以在最大程度上保护用户的已有投资。，可以在最大程度上保护用户的已有投资。l支持设备描述技术，保证了不同厂商现场总线设备间的客户操作支持设备描述技术，保证了不