基金会现场总线FF

电气091 鲍岩030914101 第五章基金会现场总线FF
FF现场总线基金会是由WORLDFIP NA（北美部分，不包括欧洲）和ISP Foundation 于1994年6月联合成立的，它是一个国际性的组织，其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。

这个组织给予了IEC现场总线标准起草工作组以强大的支持。

这个组织目前有l00多成员单位，包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司。

1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会（CFC）。

致力于这项技术在中国的推广应用。

FF成立的时间比较晚，在推出自己的产品和把这项技术完整地应用到工程上相对于Profibus和WORLDFIP要晚。

但是正由于FF是1992年9月成立的，是以Fisher Rosemount公司为核心的ISP（可互操作系统协议）与WORLDFIP NA两大组织合并而成的，因此这个组织具有相当实力：目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。

FF(HSE) 现场总线即为IEC定义的H2总线，它由Fieldbus Foundation(FF)组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网（highspeed ethernet HSE）标准。

该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。

HSE完全支持IEC 61158现场总线的各项功能，诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。

连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干予就可以进行对等层通信。

连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。

1．FF的一般特点
具有适合工业现场应用的通信规范和网络操作系统。

采用单一串行线上连接多个设备的网络连接方法，1条总线最多可连接32台设备。

通信介质可以是金属双绞线、同轴电缆、动力线或光纤。

通信信号可以采用10mA电流方式，也可以采用电压方式。

通信线路可用设备的供电线路。

具有比较完备的工业设备描述语言。

采用虚拟设备的概念实现设备的模块化处理。

实现了开放式系统，在FF系统内，不同厂家的产品具有互操作性。

提供了比较完善的系统测试手段和方法。

可以说，FF是个生命力强大的现场总线。

2. FF 现场总线技术
基金会现场总线是一个充当工厂/车间测试和控制设备局域网的全数字.串行双工的通讯系统.在车间网络的等级系列中.现场总线环
境为数字网络的低层"FF的协议规范建立在ISO/OSI 层间通讯
模型之上.它由3个主要功能部分组成.物理层.通讯栈和用户层"
(1)物理层
物理层对应于OSI第1层.从上层接收编码信息并在现场总线传输媒体上将其转换成物理信号.也可以进行相反的过程"
(2) 通讯栈
通讯栈对应于OSI模型的第2层和第7层.第2 层即数据链路层(DLL),它控制信息通过第1层传输到现场总线.DLL同时通过LAS(链接活动调度器)连接到现场总线.LAS 用来规定确定信息的传输和批准设备间数据的交换.第7层即应用层(AL),对用户层命令进行编码和解码.
(3) 用户层
用户层是一个基于模块和设备描述技术的详细说明的!标准的用户层.定义了一个利用资
源模块,转换模块,系统管理和设备描述技术的功能模块应用过程(FDAP)
资源模块定义了整个应用过程.如制造标识(设备类型等)的参数.功能模块浓缩了控制功能(如PID控制器.模拟输入等) 转换模块表示温度，压力，流量等传感器的接口。

3 .FF的功能模块
FF发布的最初10个功能模块覆盖了80%以上的基础过程控制轮廓。

除此之外FF还增加了19个高级功能模块。

一个现场总线设备必须具有资源模块和至少一个功能模块.这个功能模块借助总线在同一或分开的设备中通过输入和/或输出参数连接到其它功能模块.每一个输入/输出参数都有一个值和一个状态。

每个参数的状态部分带有这个值的质量信息.如好、不定或差。

功能模块执行同步化和功能模块参数在现场总线上的传送使得将控制分散到现场总线成为可能。

系统管理和网络管理负责处理这一功能，以及将时间发布给所有设备.自动切换到冗余时间打印者.自动分配设备地址.在现场总线上寻找参数名或标识。

4. FFH1的通信模型
FF由二部分组成：即HI低速现场总线及H2高速现场总线。

H1的通信速率为31．25 kb／s。

H2的通信速率为1 Mbps及2．5 Mb／s，后改为HSE(High Speed Ethernet)速率为100 Mb／s。

H1与HSE通过FF的连接设备连接。

FF是专门为过程自动化(Process Automation)即连续控制的过程而设计的，吸收了DCS 及HART行之有效的技术，如功能块及DDL(设备描述语言)等技术，所以熟悉DCS的用户使用比较方便，但由于设想十分周到，技术比较复杂。

FFH1的通信模型参照了OSI参考模型的1，2，7层，另外增加了用户层，这是FF与其他总线不同之处。

FFH1通信模型和OSI参数模型见图1。

(1)通信原理
如果需要将一信息从一处送到他处，必须按照协议规定的格式自用户层经应用层、数据链路层及物理层发送才能奏效。

这一过程可用邮寄信件的方
式作为譬喻，如要从某地发一信件给其他地方的某人时，可按照邮局规定的方式，将信件放入信封，在信封上根据规定的格式写上地址及收信人，贴上邮票投入信箱即可。

若不按照邮局的规定进行，则信件就有可能收不到。

譬喻的过程见图2。

FF的通信协议规定了其通信方式。

1）物理层(Physical Layer，PHY)与传输介质(电缆、光缆等)相连接规定了如何收发信号和接收信号。

数据链路层(Data Link Layer，DLL)规定了总线
设备如何共享网络，怎样调度通信。

2）应用层分为现场总线访问子层(Fieldbus Access Sub．1ayer，FAS) 和现场总线报文规范子层(Fieldbus Message Specification，FMS)2个子层，其中FAS规定数据访问的关系模型和规范，在DLL与FMS之间提供服务；FMS则规定了标准的报文格式，为用户提供了所需的通信服务。

应用层的任务是描述应用进程(Application Process，AP)，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。

应用层规定了设备间交换数据、命令、事件信息和请求应答的信息格式。

3）用户层规定了标准的功能块，对象字典和设备描述，供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。

在网络管理中，为了提供一个集成网络各层通信协议的机制，实现设备操作状态的监控和管理，设置了网络管理代理和网络管理信息库，提供组态管理、运行管理和差错管理的功能。

在系统管理中，设置系统管理内核、系统管理内核协议和系统管理信息库，提供设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理等功能。

FF将数据链路层、应用层和用户层的软件集成为通信栈(Communication Stack)，供软件开发商开发通信栈；通过软件编程来实现。

另外再开发专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)及其相关硬件来实现物理层和数据链路层部分功能。

这样就能用软硬件相结合的办法来实现FF通信模型。

(2)FF通信模型的三大功能
FF通信模型作为现场总线设备的物理实体，再通过传输线构成通信网络，按层次分别分为上述物理层等4层；如按功能分别可分为三部分，即通信实体、系统管理内核和功能块应用进程，如图3所示。

各部分之间通过虚拟通信关系(Virtual Communication Relationship，VCR)来沟通信息，即相当于逻辑的通信信道，VCR表示了2个或多个应用进程之间的关系。

1)通信实体(Entitg)。

由各层协议和网络管理代理(Network Management Agent，NMA)共同组成。

其任务是生成报文(Message)和提供报文传送服务，是现场总线设备通信的核心部分。

层协议的基本目标是构成VCR，网络管理代理，负责管理通信栈，支持组态、运行和差错管理，这些管理信息保存在网络管理信息库(Network Manage—ment Base，NMIB)中并由对象字典(Object Dictionary，OD)来描述。

OD中保存有数据类型、长度等描述信息，为总线设备的网络可视对象提供定义和描述。

2)系统管理内核。

系统管理内核(SystemManagement Kernel，SMK)在通信模型中位于应用层和用户层。

SMK是总线设备的管理实体，负责与网
络系统相关的任务管理，支持节点地址分配，应用服务调度、应用时钟同步和应用进程分析。

SMK把控制系统管理操作的信息组成对象，存储在系统管理信息库(System Management Information Base，SMIB)中，并可以通过网络来访问SMIB。

SMK支持网络设备管理，在设备运行之前将其基本的系统信息置人SMIB，并分配一个物理设备位号，然后使设备进入初始化状态；在不影响网络上其他设备运行的情况下，使该设备进入运行状态，并根据他的物理设备位号分配节点地址；当设备加入网络以后，可按需设置远程设备和功能块。

SMK采用系统管理内核协议(SMK Protocol，SMKP)与远程SMK通信，另外采用FMS访问SMIB。

SMK亦能为OD提供服务。

首先在网络上对所有设备广播对象名，然后等待设备的响应，从而获得网络上对象的信息。

3)功能块应用进程。

功能块应用进程(FunctionBlock Application Process，FBAP)位于应用层和用户层。

功能块(Function Block，FB)实现某种应用功能或算法如PID功能块实现PID(比例、积分、微分)控制功能，模拟输入(AI)和模拟输出(AO)功能块分别实现参数输入和输出功能，如将AI，PID，AO功能块的输出端和输入端相连接就可以实现单回路控制策略。

FF规定了1O个基本功能块和19个附加功能块，分布在现场总线设备内，供用户组态实现所需控制策略，从而构成全分布式网络控制系统，也就是所谓现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)，它与DCS的区别之一就在于DC将所有的控制功能集中在DCS的主机中；而FCS则将60％～80％的一般控制功能分散到现场智能化仪表中去了，这不仅提高了系统的可靠性，而且还使控制更加及时和精确。