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电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程FF现场总线基础知识现场总线基础知识 吉林吉化集团仪表有限责任公司吉林吉化集团仪表有限责任公司 周明昌周明昌 电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程目目 录录一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 3 3 四、四、FF-现场总线的本质安全防爆现场总线的本质安全防爆 102 二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 44 44 三、三、FC S系统优势及常见疑问系统优势及常见疑问 59电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 工厂级优化要求把来自传感器执行工厂级优化要求把来自传感器执行器、自动化系统和应用软件的信息予以集器、自动化系统和应用软件的信息予以集成。成。FF现场总线包括设备级的网络和高速现场总线包括设备级的网络和高速主干网，后者能快速地把上述信息予以集主干网，后者能快速地把上述信息予以集成。成。FF现场总线具有为信息集成所需的开现场总线具有为信息集成所需的开放性结构体系。放性结构体系。工厂级优化要求把来自传感器工厂级优化要求把来自传感器执行器、自动化系统和应用软件的信执行器、自动化系统和应用软件的信息予以集成。息予以集成。FF现场总线包括设备级现场总线包括设备级的网络和高速主干网，后者能快速地的网络和高速主干网，后者能快速地把上述信息予以集成。把上述信息予以集成。FF现场总线具现场总线具有为信息集成所需的开放性结构体系。有为信息集成所需的开放性结构体系。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 1、自动化通信网络自动化通信网络 开放性开放性MIS（管理信息系统）结构体系（管理信息系统）结构体系自动化系统和控制网络自动化系统和控制网络管理管理信息系统信息系统应用软件包应用软件包数据库数据库网网 关关网网 关关设备和传感器网络，传感器接口设备和传感器网络，传感器接口子系统集成子系统集成董事会决策层董事会决策层传感器传感器/执行器执行器管理管理信息系统信息系统应用软件包应用软件包数据服务器数据服务器设备集成设备集成传感器传感器/执行器执行器开放性现场总线信息开放性现场总线信息集成结构体系集成结构体系董事会董事会/决策层决策层电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 上图用于信息集成的开放性结构体系通过减少网关、上图用于信息集成的开放性结构体系通过减少网关、控制网络和传感器与数据服务器之间的设备网络的级数而控制网络和传感器与数据服务器之间的设备网络的级数而把工厂的阶梯层级予以缩减。把控制和传感器把工厂的阶梯层级予以缩减。把控制和传感器/执行器集执行器集成纳入智能仪表化的设计省去了成纳入智能仪表化的设计省去了I/O接口而使上述信息集接口而使上述信息集成进一步优化。成进一步优化。1、自动化通信网络自动化通信网络 传感器至董事会（决策层）的信息集成框架是金字塔型传感器至董事会（决策层）的信息集成框架是金字塔型结构体系的最低层，其内驻存有传感器和控制信息。为了减结构体系的最低层，其内驻存有传感器和控制信息。为了减少金字塔的层次，各公司必需用现场总线和分散控制系统少金字塔的层次，各公司必需用现场总线和分散控制系统（FCS）取代其不兼容的网络和系统。这能够把传感器、设）取代其不兼容的网络和系统。这能够把传感器、设备、子系统和数据服务器予以集成，从而减少了对网关和接备、子系统和数据服务器予以集成，从而减少了对网关和接口设备的需求，简化了日常工程事务和复杂的集成。口设备的需求，简化了日常工程事务和复杂的集成。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 2、开放性的现场总线开放性的现场总线 开开放性的放性的现场总现场总线结构线结构体系体系 开放性开放性MISMIS结构结构体系体系 应用软件包应用软件包用户满意用户满意用户层用户层应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层标准的现场总标准的现场总线用户层线用户层标准现场总线标准现场总线通讯网络通讯网络数据服务器数据服务器国际标准组国际标准组织模型织模型电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 2、开放性的现场总线开放性的现场总线 为了降低成本、提高效益，开放性的现场总线结构体系为了降低成本、提高效益，开放性的现场总线结构体系必须是基于广为接受的通信规约并支持标准的用户层。必须是基于广为接受的通信规约并支持标准的用户层。开放性的结构体系必定采用标准的现场总线通信网络开放性的结构体系必定采用标准的现场总线通信网络和标准的用户层，以确保现场设备和子系统可以互操作。和标准的用户层，以确保现场设备和子系统可以互操作。借助于借助于COTS（商业流行标准（商业流行标准下同）信息技术和下同）信息技术和PC平平台的数据服务器对用户层信息进行敞开访问是追求成本台的数据服务器对用户层信息进行敞开访问是追求成本效益的工厂级优化所需求的。效益的工厂级优化所需求的。这样的现场总线能够控制设备与网络连接并能对开放性这样的现场总线能够控制设备与网络连接并能对开放性系统互连（系统互连（OSI）参考模型从物理层到应用层进行互操作。）参考模型从物理层到应用层进行互操作。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 3 3、标准的用户层、标准的用户层 对设备而言，仅只在网络级上具备互操作特性是不够的，对设备而言，仅只在网络级上具备互操作特性是不够的，因为网络仅只是把信息从因为网络仅只是把信息从A A点送到点送到B B点。为解决控制问题，各点。为解决控制问题，各设备也必须在用户层能进行互操作。开放性结构体系必须对设备也必须在用户层能进行互操作。开放性结构体系必须对用户层做出规范，定义设备怎样执行数据采集（用户层做出规范，定义设备怎样执行数据采集（DADA）和控制）和控制功能，这些功能怎样在总线上进行互操作。功能，这些功能怎样在总线上进行互操作。开开放放性性总总线线结结构构体体系系必必须须容容许许实实时时数数据据服服务务器器全全程程访访问问用用户户层层信信息息。信信息息易易于于访访问问是是企企业业管管理理的的关关键键。为为此此，服服务务器器为为客客户户（端端）提提供供一一个个共共同同的的接接口口。应应用用（软软件件）包包使使用用客客户户端端访访问问现现场场总总线线的的信信息息以以建建立立企企业业资资源源计计划划和和供供销销系系统统的的数数据据库库。借借用用诸诸如如HTMLHTML（超超文文本本标标识识语语言言）、XMLXML（扩扩充充的的标标识识语语言言）以以及及浏浏览览器器等等网网络络技技术术，数数据据服服务务器强化了信息能力。器强化了信息能力。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 3 3、标准的用户层、标准的用户层 什么是数据服务器什么是数据服务器 数数据据服服务务器器是是数数据据产产生生者者（例例如如现现场场设设备备）和和数数据据用用户户或或客客户户（例例如如 HMI一一人人机机接接口口和和应应用用程程序序包包）之之间间的的标标准准接接口口。客客户户端端要要求求COTS网网上上的的信信息息服服务务。服服务务器器处处理理网网上上的的客客户户（端端）要要求求并并将将结结果果返返回回之之。服服务务器器可可以以有有就就地地贮贮存存在在数数据据库库中中所所要要求求的的信信息息，或或它它可可以以进入现场设备获取信息。进入现场设备获取信息。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 4 4、分散控制、分散控制 功能强大的低成本微处理器使得在现场设备级分散控制功能强大的低成本微处理器使得在现场设备级分散控制功能获得甚佳的成本功能获得甚佳的成本效益。这意味着多个设备能共同完效益。这意味着多个设备能共同完成控制策略。成控制策略。例如，诸如流量变送器的模拟量输入（例如，诸如流量变送器的模拟量输入（AIAI）或阀门的模）或阀门的模拟信号输出（拟信号输出（AOAO）都被封装入功能模块之内；而诸如）都被封装入功能模块之内；而诸如PIDPID控控制也能编成功能模块并在现场设备上运行。这样的分散控制制也能编成功能模块并在现场设备上运行。这样的分散控制减少或省去了对减少或省去了对I/OI/O子系统以及控制器设备的需求，并因此子系统以及控制器设备的需求，并因此降低了设备成本。降低了设备成本。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 5 5、互操作性、互操作性 5.1 5.1 设备级集成设备级集成 用用户户层层为为功功能能模模块块各各参参数数提提供供标标准准的的数数据据定定义义和和特特性性。这这就就容容许许各各制制造造厂厂商商所所生生产产的的产产品品能能够够互互相相连连接接并并在在同同一一总总线线上上互互操操作作而而无无需需用用户户编编程程（例例如如，来来自自多多家家制制造造厂厂商商的的设设备备可可以以即插即用）。即插即用）。图图中中 FF现场总线允许诸如现场总线允许诸如D/A和和PID控制这样一些功能控制这样一些功能分散于智能化的现场设备。现场总线、用户层功能模块和设备分散于智能化的现场设备。现场总线、用户层功能模块和设备描述和功能文件能使来自不同厂商的设备在同一网络上互操作描述和功能文件能使来自不同厂商的设备在同一网络上互操作而无须用户编程。此处，而无须用户编程。此处，H1现场总线用以把各设备连成一个自现场总线用以把各设备连成一个自动化子系统。动化子系统。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 标准现场总线通讯网络标准现场总线通讯网络就地操作站就地操作站供应商供应商A设备中的设备中的功能模块功能模块现场设备现场设备压力压力B液位液位C流量流量D阀阀E温度温度F5.1 5.1 设备级集成设备级集成 电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 互操作性能对于工厂级优化互操作性能对于工厂级优化是至关重要的，因为它保证有众是至关重要的，因为它保证有众多的设备供应商可以提供所需的多的设备供应商可以提供所需的设备。使用标准的功能模块极大设备。使用标准的功能模块极大地简化了系统设计、配置组态、地简化了系统设计、配置组态、开车和提交运行，进而极大地节开车和提交运行，进而极大地节减了工程成本。减了工程成本。5.1 5.1 设备级集成设备级集成 电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 5.2 5.2 子系统集成子系统集成 下图所示，高速现场总线集成了各自动化子系统。下图所示，高速现场总线集成了各自动化子系统。H1现场总线子系统现场总线子系统操作员站操作员站工程师站工程师站数据服务器数据服务器应用软件包应用软件包COTS交换交换器器/防火墙防火墙传感器总线传感器总线HSE PLG批处理控制器批处理控制器FFBHSE连接设备连接设备网桥转换网桥转换双绞线双绞线100m光光 缆缆2000mCOTS交换交换器器/防火墙防火墙电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 5.2 5.2 子系统集成子系统集成 图图中中 HSE（高高速速以以太太网网）使使用用了了与与H1同同样样的的用用户户层层功功能能模模块块、设设备备描描述述和和功功能能文文件件，但但它它使使这这些些功功能能适适用用于于高高性性能能的的、100Mbps（兆兆位位秒秒）COTS以以太太主主干干网网。与与 H1一一样样，来来自自不不同同制制造造厂厂商商的的HSE设设备备能能在在主主干干网网上上互互操操作作而而无无须须用用户户编编程程。柔柔性性的的功功能能模模块块为为批批处处理理控控制制、PLC应应用用等等需需求求提提供供额额外外的的支支持，并对其他网络（例如传感器总线）提供接口。持，并对其他网络（例如传感器总线）提供接口。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 5.2 5.2 子系统集成子系统集成 这些网络可用作主干控制网（这些网络可用作主干控制网（“HSE“HSE主干网主干网”）。与设）。与设备级集成一样，子系统集成无须用户进行软件编程，仅仅使备级集成一样，子系统集成无须用户进行软件编程，仅仅使用现场总线配置组态工具即可。用现场总线配置组态工具即可。连至高速主干网的数据服务器为操作（员）站、工程连至高速主干网的数据服务器为操作（员）站、工程师站和应用软件包提供对设备信息的访问。这种服务器接师站和应用软件包提供对设备信息的访问。这种服务器接口常称之为口常称之为“底座底座”，因为应用软件包能像硬件卡插入，因为应用软件包能像硬件卡插入PCPC底板一样插进这种软件底座。底板一样插进这种软件底座。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 5.2 5.2 子系统集成子系统集成 HSEHSE主主干干网网：FFFF的的H1H1和和HSEHSE、COTSCOTS以以太太网网设设备备，冗冗余余和和范范围围广广泛泛的的介介质质选选择择的的组组合合，让让您您能能随随心心所所欲欲地地建建立立几几乎乎任任何何配置、尺寸或拓扑结构的系统。配置、尺寸或拓扑结构的系统。对整个企业一个单一的实际主干网的老理念已经由在对整个企业一个单一的实际主干网的老理念已经由在每个厂或厂区的每个厂或厂区的HSE控制主干网的理念所取代。因为控制主干网的理念所取代。因为HSE使用标准的以太网，您能用高性能、低成本的使用标准的以太网，您能用高性能、低成本的COTS以太网以太网设备整合出设备整合出HSE主干网。主干网。已融合标准的防火墙技术的网络设备用以实施工厂保已融合标准的防火墙技术的网络设备用以实施工厂保密和安全策略。远地工厂将使用各种标准的广域网络设备密和安全策略。远地工厂将使用各种标准的广域网络设备和服务器或用光缆连接与企业主干骨网整合。和服务器或用光缆连接与企业主干骨网整合。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6 6、一种选择、一种选择 日前，有多种技术档次的现场总线可供日前，有多种技术档次的现场总线可供你选择。一种选择是，你选择。一种选择是，FFFF的现场总线；其呈的现场总线；其呈现了开放性结构体系。上述信息集成是其设现了开放性结构体系。上述信息集成是其设计初衷。这种现场总线是由非盈利性的现场计初衷。这种现场总线是由非盈利性的现场总线基金会（总线基金会（FFFF）开发的，该基金会设在美）开发的，该基金会设在美国得克萨斯州的奥斯顶市（国得克萨斯州的奥斯顶市（“谁支持现场总谁支持现场总线基金会线基金会”）。其他的团体诸如设在美国佛）。其他的团体诸如设在美国佛罗里达州罗里达州Boca RatonBoca Raton市的市的OPCOPC基金会制定了开基金会制定了开放性数据服务器规范。放性数据服务器规范。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6 6、一种选择、一种选择 标准的标准的FF用户层用户层基本功能模块基本功能模块先进控制模块先进控制模块柔性的功能模块柔性的功能模块PID控制，比值控制控制，比值控制手动加载，控制选择器手动加载，控制选择器离散离散I/O，模拟，模拟I/O模拟量报警，首模拟量报警，首先运算死时，设先运算死时，设备控制输入选择，备控制输入选择，积算设定值程序积算设定值程序发生器，超前发生器，超前/滞后，计时器，滞后，计时器，信号分段函数处信号分段函数处理。理。8通道模拟量通道模拟量I/O 8通道开关量通道开关量I/O应用规范应用规范IEC661131标准功能模块标准功能模块柔性功柔性功能模块能模块基本和先进功能模块开控制基本和先进功能模块开控制批处理离散、混合控制批处理离散、混合控制标准的现标准的现场总线通场总线通信网络信网络31.25Kbps H1 现场总线现场总线100Mbps HSE 现场总线现场总线电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6 6、一种选择、一种选择 应应用用事事例例单回路控制单回路控制前馈控制前馈控制串级开展串级开展超驰控制超驰控制比值控制比值控制手动加载手动加载超前超前/滞后补偿滞后补偿信号折线处理信号折线处理计时与积算计时与积算先进报警先进报警马达控制马达控制数学运算数学运算超前超前/滞后补偿滞后补偿信号折线处理信号折线处理计时与积算计时与积算先进报警先进报警马达控制马达控制数学运算数学运算电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6 6、一种选择、一种选择 FFFF现场总线的应用范围覆盖了从基本过程控制到高性能现场总线的应用范围覆盖了从基本过程控制到高性能的批量、离散和混合控制。的批量、离散和混合控制。H1H1擅长于过程控制应用，而对高擅长于过程控制应用，而对高性能应用和子系统集成则采用性能应用和子系统集成则采用HSEHSE最为理想。最为理想。设设备备级级网网络络（H1H1）以以31.25 31.25 KbpsKbps（千千位位秒秒）波波特特率率运运转转，支支持持过过程程控控制制应应用用。高高速速网网络络HSEHSE高高速速以以太太网网以以100 100 MbPsbPs（兆兆位位秒秒）波波特特率率运运行行，其其旨旨在在进进行行高高性性能能控控制制应应用用、子子系系统统集集成成、高高密密度度数数据据生生成成，并并支支持持数数据据服服务务器器。HSEHSE做做主主干干网网。这这两两种种网网络络遵遵循循IECIEC（国国际际电电工工委委员员会会）标标准准6115861158（用用于于测测量量和和控控制制的的（数数字字化化）数数据据通通信信工工业控制系统使用的现场总线）。业控制系统使用的现场总线）。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6 6、一种选择、一种选择 FF现场总线规范了现场总线规范了21种功能模块种功能模块供基本的和先进的过程控制使用，而供基本的和先进的过程控制使用，而有更多的功能模块在开发之中。这些有更多的功能模块在开发之中。这些标准功能模块能驻留在连至标准功能模块能驻留在连至H1或或HSE网络的现场设备中，仅需组态配置并网络的现场设备中，仅需组态配置并予以链接。予以链接。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6.1 批处理、离散和混合控制批处理、离散和混合控制 FF现场总线备有柔件的功能模块（现场总线备有柔件的功能模块（FFB），），用以进行复杂的批处理和混合控制应用。用以进行复杂的批处理和混合控制应用。FFB由由应用择定，它们旨在实施诸如监管数据采集应用择定，它们旨在实施诸如监管数据采集（DA）、批处理步序、燃烧管理以及驱动协调）、批处理步序、燃烧管理以及驱动协调等控制策略。用户使用基于等控制策略。用户使用基于IEC611313标准标准的编程工具产生的编程工具产生FFB。FFB旦用编程工具建旦用编程工具建立之后，这些立之后，这些FFB就被配置组态并按控制方案予就被配置组态并按控制方案予以链接。以链接。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6.1 批处理、离散和混合控制批处理、离散和混合控制 您也能使用您也能使用FFB把来自其他网络（例如把来自其他网络（例如传感器总线）的信息映射（变换）入现场总传感器总线）的信息映射（变换）入现场总线的开放性结构体系。这种映象在线的开放性结构体系。这种映象在IO多路多路切换器（多路开关）或切换器（多路开关）或PLC（可编程程序控（可编程程序控制器）中使用最为典型。从长远观点来看，制器）中使用最为典型。从长远观点来看，这种传感器网络将人多由这种传感器网络将人多由FF现场总线所取代。现场总线所取代。减小必须支持的不同网络的类别，把结构体减小必须支持的不同网络的类别，把结构体系拉平至管理级等将使工厂更趋优化。系拉平至管理级等将使工厂更趋优化。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6.2 现场设备现场设备 H1子系统包含有其内运行着功子系统包含有其内运行着功能模块的现场设备。因为能模块的现场设备。因为H1和和HSE这两类网络有一个共同用户层，故功这两类网络有一个共同用户层，故功能模块能够在能模块能够在H1和和HSE二者网络上二者网络上运行。具有功能模块的现场设备的另运行。具有功能模块的现场设备的另一个例子是在一个例子是在HSE上运行的高性能分上运行的高性能分析器。析器。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6.3 6.3 链接设备链接设备 多接口的链接设备（多接口的链接设备（LDLD）用以把用以把H1H1网络连至网络连至HSEHSE网络。网络。LDLD履行网桥功能，它容许就地连履行网桥功能，它容许就地连在在H1H1网络上的各现场设备进行网络上的各现场设备进行点对点的对等通信而勿须烦及点对点的对等通信而勿须烦及主机系统。主机系统。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6.4 6.4 网络设备网络设备 HSE遵循标准以太网遵循标准以太网/IEEE 802.3规范，这规范，这就容许使用就容许使用COTS商业流行标准的以太网设商业流行标准的以太网设备，诸如交换器（开关）和防火墙等。备，诸如交换器（开关）和防火墙等。100兆位兆位抄波特率以太网拓扑是以交换器（开关）作星抄波特率以太网拓扑是以交换器（开关）作星形辐射的。这种交换器能够具备防火墙功能，以形辐射的。这种交换器能够具备防火墙功能，以阻止特殊类型的信息出入网络。防火墙阻断传入阻止特殊类型的信息出入网络。防火墙阻断传入交换器的信息以阻止向局部（本地）网络蔓延。交换器的信息以阻止向局部（本地）网络蔓延。H1不要求任何网络设备。不要求任何网络设备。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6.5 6.5 冗余冗余 HSE支持冗余通信线路。如果一支持冗余通信线路。如果一条线路断路，则数据流将立即移至后条线路断路，则数据流将立即移至后备线路传送。为此，所有的备线路传送。为此，所有的HSE设备设备都周期地把网络诊断信息传送至所有都周期地把网络诊断信息传送至所有以太网端口上。每个设备使用这种诊以太网端口上。每个设备使用这种诊断信息产生一张其所处网络的状态表，断信息产生一张其所处网络的状态表，让让HSE设备独白挑选通信端口，以剔设备独白挑选通信端口，以剔除以太网上有缺陷的通信线路。除以太网上有缺陷的通信线路。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 6.5 6.5 冗余冗余 冗余的以太网交换器是容错网络的一个实例。如果仅关冗余的以太网交换器是容错网络的一个实例。如果仅关心电缆损害事故，则能够简单地在同一交换器的两个不同的心电缆损害事故，则能够简单地在同一交换器的两个不同的端口上实施冗余的介质链接即可。也支持其他的网络容错举端口上实施冗余的介质链接即可。也支持其他的网络容错举措，例如使用光缆环形配置。措，例如使用光缆环形配置。某些关键的监测和控制应用也需要设备冗余。一种冗某些关键的监测和控制应用也需要设备冗余。一种冗余配置的链接设备（余配置的链接设备（LDLD）确保不中断）确保不中断HSEHSE网络对网络对H1H1子系统的子系统的访问。如果一个访问。如果一个LDLD失败，则同一失败，则同一H1H1子系统的通信通过第二子系统的通信通过第二个个LDLD予以继续。不仅仅是予以继续。不仅仅是LDLD能予以冗余配置，能予以冗余配置，HSEHSE上的任何上的任何设备都能作冗余配置。设备都能作冗余配置。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7 7、统一的系统结构、统一的系统结构 FF的现场总线是从顶向下，即首先考虑用户应用要求予以设计的（见下图）。的现场总线是从顶向下，即首先考虑用户应用要求予以设计的（见下图）。设备描述设备描述/功能文件功能文件测试测试用户层用户层+测试测试设备描述设备描述/功能文件功能文件功能模块功能模块系统管理系统管理H1/HSE通讯栈通讯栈+测试测试+测试测试物理层物理层客户客户/服务服务发行发行/订户订户事件通告事件通告H1 iS IEC61158-Type1 HSE IEC61158-Type5H1/HSEH131.25KbpS,双绞线缆双绞线缆1000m光缆光缆1200m-16000m供电或无供电总线供电或无供电总线实体或实体或 FISCOHSE以太网以太网/IEEE802.3100Mbps双绞线缆双绞线缆100m光缆光缆2000m无供电总线无供电总线设备登设备登记标记记标记电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7 7、统一的系统结构、统一的系统结构 图中图中 H1 H1和和 HSE HSE使用同样的用户层；用户依据解决应使用同样的用户层；用户依据解决应用问题的需求选用用问题的需求选用H1H1和和HSEHSE设备。为确保设备具有互操作设备。为确保设备具有互操作特性，特性，H1H1和和HSEHSE的设备均由的设备均由FFFF进行测试后登记认证。进行测试后登记认证。统一的系统结构是基于统一的系统结构是基于OSIOSI参考模型（参考模型（OSIOSI开放性系开放性系统互连）。现场总线规约把统互连）。现场总线规约把2-72-7层称为通信栈。层称为通信栈。OSI OSI的的 1 1层定层定义物理连接，义物理连接，l l层下方是实际媒体。由层下方是实际媒体。由IEC 61158 TypelIEC 61158 Typel所规所规定，定，H1H1使用层使用层 l l、2 2和和7 7。HSEHSE使用层使用层1 14 4和和7 7。HSEHSE的的l l4 4层由层由现有的以太网和现有的以太网和IEEEIEEE标准所定义，而标准所定义，而HSEHSE的第的第7 7层由层由IEC IEC 61158Types61158Types所定义。（二者的）用户层相同，由所定义。（二者的）用户层相同，由FFFF（现场总（现场总线基金会）所定义。线基金会）所定义。7 7层层-应用层；应用层；6 6层层-表示层；表示层；5 5层层-会话层；会话层；4 4层层-传输层；传输层；3 3层层-网络层；网络层；2 2层层-数据链路层。统称为数据链路层。统称为通讯栈通讯栈电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.1 7.1 物理层物理层 物理层旨在确保设备能正确地发送和接物理层旨在确保设备能正确地发送和接收在媒体上传输的数据位。收在媒体上传输的数据位。H1H1的物理层支持的物理层支持双绞线，并且您能在每个网段内用多至双绞线，并且您能在每个网段内用多至4 4个个中继器扩充缆线的跨度。传输是半双工的，中继器扩充缆线的跨度。传输是半双工的，这就允许同一媒体由数个设备共享。媒体上这就允许同一媒体由数个设备共享。媒体上所挂的设备数取决于每个设备的功耗。缆线所挂的设备数取决于每个设备的功耗。缆线类别以及使用中继器的个数。类别以及使用中继器的个数。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.1 7.1 物理层物理层 H1 H1设备能从现场总线的双绞线电缆上获得供电，而且设备能从现场总线的双绞线电缆上获得供电，而且这些设备能像以前使用这些设备能像以前使用4 420mA20mA那样在缆线上操作。当传输那样在缆线上操作。当传输时，每个设备把时，每个设备把10mA10mA电流注入电流注入5050欧姆等效负荷产生欧姆等效负荷产生1V1V峰峰一峰电压，该一峰电压，该1V1V峰一峰电压在直流（峰一峰电压在直流（DCDC）供电顶部以）供电顶部以31.2531.25千位秒的波特率被调制。供电电压范围从千位秒的波特率被调制。供电电压范围从9 9到到3232伏均可，伏均可，但在信号频率处供电电源应呈现高阻抗。但在信号频率处供电电源应呈现高阻抗。H1H1支支持持总总线线供供电电设设备备的的本本安安（本本质质安安全全一一下下同同）应应用用。为为此此，用用户户在在位位于于安安全全区区的的供供电电电电源源与与位位于于危危险险区区的的总总线线设设备备之之间间放放置置安安全全栅栅。为为本本安安应应用用的的供供电电电电压压取取决决于于安安全全栅栅的的额额定定功功率率值值。H1H1支支持持FISCOFISCO（Fieldbus Fieldbus Intrinsically Intrinsically Safe ConcePtSafe ConcePt）模型和）模型和 entity entity（实体）模型。（实体）模型。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.1 7.1 物理层物理层 光光缆缆可可用用以以代代替替双双绞绞线线电电缆缆（光光缆缆也也可可以以对对31.25Kbps31.25Kbps的的波波特特率率运运行行）。使使用用光光缆缆时时，设设备备通通过过星星形形耦耦合合器器连连至至总总线线。由由设设备备连连至至星星形形耦耦合合器器的的距距离离范范围围从从1.21.2到到1.661.66公公里里，取取决决于光缆的尺寸、波长和预算的光波功率。于光缆的尺寸、波长和预算的光波功率。HSE使使用用标标准准的的IEEE 802.3信信号号（设设备备）和和媒媒体体介介质质选选择择。这这种种网网络络在在波波特特率率 100MbPs下下进进行行测测试试；当当需需要要时时，可可以以达达到到1Gbps甚甚至至更更高高。设设备备与与交交换换器器之之间间的的距距离离，使使用用标标准准的的双双绞绞线线时时可可达达100米米，使使用用全全双双工工光光缆缆则则可可达达2000米。交换器常与光缆互连使之有较长距离。米。交换器常与光缆互连使之有较长距离。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.2 7.2 通讯栈通讯栈 通信栈控制对物理介质的访问，把用户层信息进行编码通信栈控制对物理介质的访问，把用户层信息进行编码打包和解码拆包，并按照所要求的通信关系（特点）控制包打包和解码拆包，并按照所要求的通信关系（特点）控制包的传送。各设备必须遵循统一的栈规约，否则它们在网上不的传送。各设备必须遵循统一的栈规约，否则它们在网上不能互操作。能互操作。执行链路主站（执行链路主站（L LM）功能的设备控制对）功能的设备控制对H1H1介质的访问。介质的访问。活动的活动的L LM实施链路活动调度（实施链路活动调度（LASLAS）。）。H1H1让让L LM作冗余配置。作冗余配置。如果一个活动如果一个活动L LM失败，则其他失败，则其他L LM之一将竞争上岗履行之一将竞争上岗履行LASLAS职职责。责。L LM/LAS/LAS规约由规约由H1H1数据链路层（数据链路层（H1 DLLH1 DLL）所确定。）所确定。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.2 7.2 通讯栈通讯栈 HSEHSE没没有有链链路路主主站站（L LM）；反反之之，它它使使用用标标准准的的以以太太网网IEEE IEEE 802.3802.3多多路路访访问问DLLDLL规规约约。H1H1和和HSEHSE对对网网络络提提供供确确定定性性访访问问。H1H1通通过过LASLAS在在某某一一时时刻刻只只允允许许一一个个设设备备访访问问介介质质。HSEHSE使使用用早早先先描描述述的的以以太太网网交交换换器器（开开关关）进进行行确确定定性性访访问问：交交换换器器（开开关关）内内部部进进行行编编址址，而而且且以以太太网网规规约约校校正正任任何何多多路访问引起的碰撞。路访问引起的碰撞。H1H1不使用不使用OSI3-6OSI3-6层，因为它不需要包路由或包拆分。层，因为它不需要包路由或包拆分。HSEHSE需要这些功能并对这些层使用以太网互联网规约（需要这些功能并对这些层使用以太网互联网规约（IPIP）、）、TCP(TCP(传输控制规约传输控制规约)和和 UDP UDP（用户数据程序规约）。（用户数据程序规约）。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.2 7.2 通讯栈通讯栈 H1H1和和HSEHSE对用户层提供同样的服务。对用户层提供同样的服务。F FMS S（现场总线信（现场总线信息规范）在息规范）在H1H1中定义了服务接口；而中定义了服务接口；而FDAFDA（现场设备访问代（现场设备访问代理）为理）为 HSE HSE提供接口。提供接口。现场总线规约规定了现场总线规约规定了3 3种通信关系。种通信关系。ClientClientserverserver（客户端服务器）一般用于主机（或（客户端服务器）一般用于主机（或H HMI I一人机接一人机接口）与现场设备之间的通信。口）与现场设备之间的通信。PublisherPublisherSubscriberSubscriber（发（发行订户）用于在不同设备内的功能模块之间传送数据，行订户）用于在不同设备内的功能模块之间传送数据，以及用于主机或监督设备进行以及用于主机或监督设备进行DADA（数据采集）。事件通告（数据采集）。事件通告用于传送报警和历史趋势数据。在用于传送报警和历史趋势数据。在H1H1中，这些（通信）关中，这些（通信）关系由系由FASFAS（现场总线访问子层）所规定；而在（现场总线访问子层）所规定；而在HSEHSE中，由中，由FDAFDA所规范。所规范。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.3 7.3 用户层用户层 这这一一层层为为设设备备控控制制级级提提供供互互操操作作性性（“它它们们符符合合规规范范吗吗？”）。为为此此，它它（用用户户层层）规规定定功功能能模模块块、设设备备描描述述功功能能文文件件（DDCF）以以及及系系统统管管理理（SM）。但但是是，仅仅规规定定设设备备内内的的功功能能模模块块是是不不够够的的；DDCF也也提提供供一一些些驱驱动动程程序序，以以容容许许主主机机系系统统组组态态和和操操作作设设备备而而无无须须用用户户编编程程。产产品品供供应应商商为为他他们们的的设设备备编编制制驱驱动动程程序序；FF收收集集这这些些驱驱动动程程序序并并通通过过网网址址（WW.fieldbus.org）和和 CDROM可以得到。可以得到。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.3 7.3 用户层用户层 不同厂家的产品符合规范吗？不同厂家的产品符合规范吗？为为证证实实产产品品符符合合规规范范，FF维维持持测测试试、登登记记认认证证制制度度。测测试试程程序序认认证证功功能能模模块块、设设备备描描述述功功能能文文件件（DD/CF）、通通信信规规约约和和物物理理层层。当当产产品品通通过过测测试试，基基金金会会就就允允许许制制造造厂厂商商在在其其产产品品上上印印上上FF认证标志。认证标志。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.3 7.3 用户层用户层 SM SM（系统管理）实施由组态设备（系统管理）实施由组态设备下装的功能模块调度。在下装的功能模块调度。在H1H1中，组态中，组态设备也为功能模块通信建立设备也为功能模块通信建立LASLAS（链（链路活动调度）。路活动调度）。LASLAS针对时间严格的针对时间严格的通信考虑通信考虑H1H1带宽的分配。对于带宽的分配。对于HSEHSE，勿须通信调度，因为其数据传输速率勿须通信调度，因为其数据传输速率甚高，而且时间严格的通信立即发送。甚高，而且时间严格的通信立即发送。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 7.3 7.3 用户层用户层 调度包含从绝对链路调度启动时间开始的启动时间调度包含从绝对链路调度启动时间开始的启动时间的偏移。在现场总线上的所有设备都知道绝对链路调度的偏移。在现场总线上的所有设备都知道绝对链路调度启动时间。一个宏周期是一个设备调度的一次重复。例启动时间。一个宏周期是一个设备调度的一次重复。例如，在变送器内的如，在变送器内的S SM（系统管理）在时间偏移（系统管理）在时间偏移 A A时调用时调用 AIAI功能模块执行，在时间偏移功能模块执行，在时间偏移 B B时时 LAS LAS将发出一个专门将发出一个专门的信息给变送器内的的信息给变送器内的 AI AI功能模块缓冲寄存器，并令存在功能模块缓冲寄存器，并令存在其中的数据发行到现场总线上。在时间偏移其中的数据发行到现场总线上。在时间偏移C C处，在阀门处，在阀门内的内的S SM将调用将调用PIDPID功能模块执行并随之在时间偏移功能模块执行并随之在时间偏移D D处执处执行行AOAO功能模块。这种运行模式精确地自行重复就确保控功能模块。这种运行模式精确地自行重复就确保控制回路动态完整性。制回路动态完整性。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 8 8 小结小结 FFFF现场总线针对工厂级优化的信息集成提供一种开放现场总线针对工厂级优化的信息集成提供一种开放性结构体系。性结构体系。FFFF现场总线组合了现场总线组合了H1H1分散控制技术和分散控制技术和HSE HSE 100100Mbps COTSbps COTS以太网。以太网。H1H1的的31.25Kbps31.25Kbps运行和物理层提供运行和物理层提供过程自动化和现场级接口，而过程自动化和现场级接口，而HSEHSE提供厂级主干网和高速数提供厂级主干网和高速数据传送。据传送。HSEHSE主干网能集成所有自动化子系统，后者包括有厂级主干网能集成所有自动化子系统，后者包括有厂级优化应用软件包和供销系统所需的数据服务器。优化应用软件包和供销系统所需的数据服务器。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程一、一、FF现场总线技术概况现场总线技术概况 8 8 小结小结 使用基于标准功能模块的共同的使用基于标准功能模块的共同的用户层，就能确保在控制网络各级上用户层，就能确保在控制网络各级上的数据有统一表示。用户层功能模块、的数据有统一表示。用户层功能模块、设备描述和具有设备描述和具有IEC 61158兼容的通兼容的通信和标准的物理层组合成的系统管理信和标准的物理层组合成的系统管理允许由不同厂商制造的设备在允许由不同厂商制造的设备在H1和和HSE二者网络上进行互操作。二者网络上进行互操作。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 1 H1现场总线的结构体系现场总线的结构体系 1.11.1仪表智能化途径仪表智能化途径 把把DCSDCS控制站按控制站按I/OI/O点或通道逐一将采样、点或通道逐一将采样、A AD D（模拟（模拟量数字量）转换移至装在现场的变送器，把控制运算、量数字量）转换移至装在现场的变送器，把控制运算、D DA A等移至同样装在现场的执行器。等移至同样装在现场的执行器。DCSPIDAIA0FCSPIDAIA0电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 1 H1现场总线的结构体系现场总线的结构体系 用一根通信总线把成为节点的变送器、执行器及人用一根通信总线把成为节点的变送器、执行器及人机接口（机接口（H HMI I）等连成一个数字化、多节点、串行的双向）等连成一个数字化、多节点、串行的双向通信系统通信系统H1H1现场总线现场总线。该总线各现场设备内均有用户层该总线各现场设备内均有用户层功能模块能用功能模块能用以构成现场总线控制系统以构成现场总线控制系统FCSFCS，而不仅仅局限于远，而不仅仅局限于远程程I IO O。为此，它使用了前述的三种通信关系：。为此，它使用了前述的三种通信关系：其中发行订户的通信是强制通信，用以把变送其中发行订户的通信是强制通信，用以把变送器的器的AIAI功能模块的输出及时送至执行器的功能模块的输出及时送至执行器的PIDPID的输入端的输入端以进行控制运算，而另二种通信关系则是以令牌传递以进行控制运算，而另二种通信关系则是以令牌传递方式由各节点获得通信权后进行通信的。方式由各节点获得通信权后进行通信的。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 1 H1现场总线的结构体系现场总线的结构体系 强制性通信与令牌传递均系链路活动，由链强制性通信与令牌传递均系链路活动，由链路的路的L LM（链路主站）（链路主站）进行进行LASLAS（链路活动调度）（链路活动调度）予以安排。为确保予以安排。为确保LASLAS不间断，则任一组态为主不间断，则任一组态为主站者在活动站者在活动L LM一旦故障时均有资格参与竞争上岗一旦故障时均有资格参与竞争上岗获得获得LASLAS权。权。按仪表智能化途径制定的按仪表智能化途径制定的H1H1规范对分散规范对分散I IO O而言是相当完备的，其能在防爆场所构成而言是相当完备的，其能在防爆场所构成FCSFCS系统是其独有的优势。系统是其独有的优势。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 1 H1现场总线的结构体系现场总线的结构体系 1.21.2把现有的把现有的DCSDCS控制站整体搬至现场的局部集中途径控制站整体搬至现场的局部集中途径 把把DCSDCS的控制站整体搬至现场，实现局部集中控制。的控制站整体搬至现场，实现局部集中控制。这是按工业网络从系统角度提出的开发思路。这是按工业网络从系统角度提出的开发思路。在在这这种种结结构构体体系系中中，通通信信模模件件集集通通信信、A AD D、D DA A、输输入入输输出出及及控控制制等等功功能能于于一一身身，其其所所连连的的I IO O模模件件直接与现场常现仪表相连接。直接与现场常现仪表相连接。在这种结构体系中，其通信模件注入什么样的通在这种结构体系中，其通信模件注入什么样的通信协议软件，就成为什么样的现场总线设备。信协议软件，就成为什么样的现场总线设备。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 1 H1现场总线的结构体系现场总线的结构体系 当当通通信信模模件件注注入入H1H1通通信信协协议议软软件件时时，它它就就成成为为H1H1现现场场总线的设备，它具有如下总线的设备，它具有如下9 9个特点：个特点：1 1可使现行的常现变送器、执行器等跳过智能化可使现行的常现变送器、执行器等跳过智能化的中间途径直接成为的中间途径直接成为 FCS FCS的部件。的部件。2 2分散采样输入输出，局部集中控制，内部高分散采样输入输出，局部集中控制，内部高速总线把多至速总线把多至9 9个个I IO O模件组成一个节点，可靠性高。模件组成一个节点，可靠性高。3 3用现场模拟信号连接线代替现场数字通信支线用现场模拟信号连接线代替现场数字通信支线的拓扑连接，在通信速率为的拓扑连接，在通信速率为31.25kb31.25kbs s的约定下与主机的约定下与主机连接的距离可实际达连接的距离可实际达19001900米，极大地方便了工程设计。米，极大地方便了工程设计。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 1 H1现场总线的结构体系现场总线的结构体系 4 4规模可大可小；冗余灵活，既可在规模可大可小；冗余灵活，既可在I/OI/O模件内作通模件内作通道冗余，也可作模件之间葚或整个节点的冗余，并为将来道冗余，也可作模件之间葚或整个节点的冗余，并为将来的系统扩展留出空问。的系统扩展留出空问。5 5每一节点至少可以包括每一节点至少可以包括7272点点I/OI/O进行局部集中控制，进行局部集中控制，这就可以把一个生产装置内由于工艺耦合而互相关联、参这就可以把一个生产装置内由于工艺耦合而互相关联、参照的工艺检测参数由内部高速总线通信授引并予以处理，照的工艺检测参数由内部高速总线通信授引并予以处理，无须通过速率无须通过速率31.25kb/s31.25kb/s的数字通信件相互参照、援引，这的数字通信件相互参照、援引，这无疑极大地降低下无疑极大地降低下H1H1通信负菏，对一个低速的通信负菏，对一个低速的H1H1通信是十通信是十分适宜的弥补。分适宜的弥补。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 1 H1现场总线的结构体系现场总线的结构体系 6 6性能价格比高于单个变送器、执行器的性能价格比高于单个变送器、执行器的FC SFC S。7 7该该FCSFCS的一个点就当于的一个点就当于DCSDCS的一个小型控制站，具的一个小型控制站，具备现行备现行DCSDCS控制站的所有功能；其中，节点内部的高速总控制站的所有功能；其中，节点内部的高速总线与线与CPUCPU等完全可以自行旅行所有快速的等完全可以自行旅行所有快速的PLCPLC功能以及连锁功能以及连锁保护功能，这就从功能上扩展了保护功能，这就从功能上扩展了H1H1现场总线的应用范国。现场总线的应用范国。8 8该该FCSFCS一个节点本身的最大工耗为一个节点本身的最大工耗为1414瓦，现在难瓦，现在难以达到以达到IS IS（本安）（本安）标准，但可以把它搁置在现场安全区标准，但可以把它搁置在现场安全区并配以安全栅，仍可安全地运用到石化生产现场。并配以安全栅，仍可安全地运用到石化生产现场。9 9该该节节点点可可与与本本安安的的FFFF变变送送器器在在一一个个H1H1链链路路段段，容容本本安与非本安于一体，并能作后者的安与非本安于一体，并能作后者的LASLAS。电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 2 HSE现场总统结构体系现场总统结构体系 2.1 2.1 系统结构如下图系统结构如下图NMAVFDODHSESMKHSELREH11桥桥H1NFBAP1FBAPNODOD现场设备访问管理代理现场设备访问管理代理DHCP DHCPDHCP HSE管理管理信息信息库库TCP（传输控制协议）（传输控制协议）UDP（用户数据报文协议）（用户数据报文协议）IP（网际互联协议）（网际互联协议）IEEE802.3介质访问控制和物理层介质访问控制和物理层HSEHSE管理代理管理代理电子仪器仪表装调工电子仪器仪表装调工 培训教程培训教程二、二、H1和和HSE结构体系与规范简介结构体系与规范简介 它的物理层与链路层采用以太网协议，网络层