第五章 基金会现场总线
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16
（4）虚拟通信关系VCR
是现场总线网络中各个应用进程之间的逻辑通信 通道。 主要任务是为通信实体, 系统管理内核和功能块应 用进程三大部分中的各种应用之间建立通信的通道。 类型有客户/服务器型，报告分发型，发布/预定接 收型。 由物理层, 数据链路层和应用层共同而构成。
17
系统管理
“0” N+
“1”
3.正电平表示非数据N+
4.负电平表示非数据N25
N-
（1）前导码： 相当于电话信号中的振玲信号,用于使接收设备 与发送设备保持同步。前导码臵于通信信号最 前端，特别规定的8位数字信号:10101010一个字 节。如果采用中继器的话，前导码可多于一个 字节。
（2）帧前定界码
标明了现场总线信息的起点，其长度为一个8位字节。
数据链路层
组态、运行、 故障信息，由 对象字典描述
层管理
各应用之间通过虚拟通信（VCR）关系传递信息，VCR是各应用之间 的逻辑通信通道，是FAS提供的服务。
（1）通信实体
任务：生成报文、提供报文传送服务。
组成：（1）各层协议 构成虚拟通信关系
（2）网络管理代理
（2）系统管理内核SMK
只占有应用层和用户层的位臵，主要负责与网络系 统相关的管理任务，如确立本设备在网段中的位臵。 用来控制将系统管理操作的信息组织成对象，存储 在系统管理信息库SMIB中。
包含有现场总线系统的关键结构和可操作参数。
采用系统管理内核协议与远程SMK通信。
15
（3）功能块应用进程FBAP
位于应用层和用户层,主要用于实现用户所需要的 各种功能。 包括功能块对象。每种功能块对象被单独定义， 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。 还包括对象字典 OD 和设备描述 DD 。采用 OD 和 DD 来简化设备的互操作，因而也可以把 OD 和 DD 看 作支持功能块应用的标准化工具。
三、物理层协议 DCS
H1 Bus
电缆 接线盒
Ethernet
电源配电器/电源调节器
Fieldbus Process Interface Transmitter
DIO DIO
Actuator
TC / RTD
1．H1的物理信号波形
FF为现场设备提供两种供电方式:
总线供电方式:直接从总线上获取工作能源。
PHY物理层
通 信 栈
用户层：用于组成用户所需要 的应用程序，实现网络管理、系 统管理等。
现场总线
FF的层次结构图与邮局收/发信件的对比
邮件内容： 通用语言 读与理解 *FF：功能块
基金会现场总线
5.2 FF的体系结构
用户层 应用层
你好
邮件内容： 收发信件人 信件内容 *FF：数据参数 信封内容： 收发信人地址 邮票 *FF：报文发送给 哪个设备
8
Hale Waihona Puke (4) 系统集成和测试技术
系统集成主要指通信系统与控制系统的集成， 如网络拓扑、控制系统组态、人机接口、系统管 理维护等。
系统测试主要是为了保证通信系统的开放性 （一致性与互可操作性测试）、信号的流通（总 线监听分析）、控制系统的功能（功能和性能测 试）。
9
2．通信系统的主要组成部分及其相互关系
链路主设备(LM)：有能力成为链路活动调度器 (LAS)的设备，即可以发起一次通信。
基本设备：不具备链路活动调度能力的设备， 只能接收令牌并做出响应。 网桥：用于两个总线段之间的连接设备。注意： 网桥属于链路主设备，它担负着在它下游的各 总线段的系统管理时间的发布任务，因而它必 须成为链路活动调度器LAS。
24
基金会现场总线上 对现场设备的网络配 臵示意图
电源
100Ω 终端器
2．H1的信号编码
每帧报文格式由前导码、帧前定界码、数据段 和帧结束码四部分组成。
前导码
1
帧前定界码
1
协议数据信息
8~273
帧结束码
1
基金会现场总线信号的编码方式——双向L曼彻斯特编码
编码有四种可能: 1.正跳变表示逻辑”0”
2.负跳变表示为逻辑”1”
FF的参考模型只具备ISO／OSI参考模型七层中的 三层，即物理层、数据链路层和应用层。其中，应用 层划分为两个子层 - 总线访问子层与总线报文规范子 层。 FF在ISO／OSI参考模型第七层应用层之上增加了 新的一层-用户层。
实际开发过程中，往往把物理层和用户层之间的 部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线 的通信参考模型可看作三层。
FF控制网络的通信技术 标准化功能模块与功能块应用进程 设备描述DD与设备描述语言DDL 系统集成技术 系统测试技术
5
(1)基金会现场总线的通信技术
包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、 通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。
涉及一系列与网络相关的硬、软件，如通信 栈软件，FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、 中继器等。 是现场总线的核心基础技术之一；无论对于 现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单 位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。
20
H1协议数据的生成
21
• 5.2 H1网段的物理连接和链路活动调度
e.g. Operator station
物理层组成部分:
H1通讯卡
总线电源配电器/电源调节器 电缆 终端电阻 接线盒 - 段保护器 - 现场总线安全栅 浪涌保护器
终端电阻
5.3 FF的物理层
Ethernet Cable
10
物理层：规定信号如何发送； 数据链路层：规定如何在设备 间共享网络和调度通信。
应 用户层 FMS 总线报文规范
应用层：分为总线访问子层 FAS 与总线报文规范子层 FMS 。 用 FAS 规定了在设备间交换数据、命令、 层 总线访问层 事件信息以及请求应答中的信息 DLL数据链路层 格式。
功能 块 对象
通信实体
对象 字典OD
用户层
系统 管理 内核
对象 字典
系统 管理 信息 库
设备描述DD
对象字典
VCR 应用层
系统管理 内核协议 报文规范子层FMS 总线访问子层FAS
功能 块 应用 进程 网络管理代理
层管理 层管理 网络 组态、运行、 故障管理 管理 信息 层管理
库
数据链路层
物理层
系统管理的信 息，组织成对 物理层 象
目的是为了实现设备互操作，支持标准的功能块操作 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，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， 利用设备描述器可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提供给用户。
度器。
LAS
LM
LAS（备用） 现场总线设备类型
LAS 总线B（31.25kbps）
基本设备
基本设备
4.FF中通信活动的类别
周期性通信：由LAS按预定调度时间表周期性依 次发起的通信活动。是一种受调度的通信。
3．H1协议数据的构成与层次
首先要在用户层形成用户数据，并送往总线报文规范 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）；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； 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。
(2)标准化功能块与功能块应用进程
提供一个通用结构，把实现控制系统所需的 各种功能划分为具有标准公共特性的模块，并 将其组成为可执行的应用进程。 便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。 通用的功能块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。
7
(3) 设备描述DD与设备描述语言DDL
35
一个总线上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备， 但一个总线段上某一时刻只能有一个链路主设备成为链路活动调 度器LAS，没有成为LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。
总线C（1Mbps） LAS
网桥 基本设备 LM LM:链路主设备
LAS
LAS:链路活动调
总线A(1Mbps)
网桥 基本设备 基本设备
实现总线通信中的链路活动调度，数据的接收 发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备 间的链路时间同步。
32
2.FF的介质访问方式
令牌加主从的介质访问方式，这种集中式的管 理方式有效地减少或避免实时通信的延时。 以链路活动调度器(LAS)为主的介质访问方式。 在每一个网络段中,规定一个主设备来调度本 网络的通信活动,称为链路活动调度器。设备 只有在得到链路活动调度器的准许时才能向总 线上发送传输包。
总线上既要传送数字信号，又要由总线为现场
设备供电。 非总线供电方式:工作电源来自外部,而不取自 总线。
23
携带协议信息的数
字信号,以31.25kHz的 频率、峰-峰电压为
V 0.75~1.0V 9~32V
0.75~1V的幅值加载到
9~32V 的直流电压上, 形成现场总线的信号
b
t
波形。
现场 设备 c
帧前定界码由特殊的 N+码、 N-码和正负跳变脉冲按规定的
顺序组成。
27
（2）帧结束码
标志着现场总线信息的终止，其长度也为一个字节， 也是由N+码、 N-码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。
28
总 线 型 电 源
终 端 端 子 通 信 主 干 缆 本 安 隔 离 栅 分 支 电 缆
33
LAS是总线段的调度中心，具有总线上所有设备 的清单和链路活动调度表，控制通信介质上数据传输 活动，任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作 状态。
FOUNDATION Fieldbus
LAS
基本设备
链路主设备
基本设备 基本设备
34
链路主设备
X
LAS
基本设备
3.通信设备的划分（依据链路层功能）
李丽 收 ……… ………
网 络 管 理
. .
.
DLL数据链路层 物理层
100029
信封： 保存信封 *FF：编址与标识 邮车： 运送信件 *FF：介质上的信号
实现网络系统管理任务， 设备信息存入；分配设备 永久地址；启动设备；提 供时钟参考； 物理设备
生成报文和提供 报文传送服务
实现用户所需的 各种控制功能
终 端 端 子
树 型 电 源 分 线 盒 (终 端 端 子 ) 分 股 分 支 型 电 源 分 股 分 支
29
31
3．H1网段的链路活动调度
1. FF数据链路层的任务
协调所有连接在物理信道上设备的应用进程， 为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体 提供服务；
控制总线上的各类链路传输活动；
FF-HSE主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批 处理和高级控制等场合。 FF的物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符 合IEC61158-2标准。
4
1.FF是一项完整的控制网络技术
基金会现场总线围绕工厂底层网络和全分布自动化系统这两个方 面形成了它的技术特色。主要包括：
FF总线由低速(FF-H1)和高速(FF-HSE)两部分组成。
FF-H1除了实现现场总线信号的数字通信外，FF-H1具有适用 于过程自动化的一些特点：支持总线供电、支持本质安全、 采用令牌总线访问机制等。 FF-H1传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1 900m（与传输 介质有关，可加中继器延长），支持总线供电/本质安全防爆 环境。主要用于过程工业（连续控制）的自动化。 FF-HSE则采用基于Ethernet (IEEE802.3) +TCP/IP的六层结构， 其通信距离为750m和500m。
第5章
基金会现场总线FF
第5章
基金会现场总线FF
5.1 FF的主要技术特点
5.2 H1网段的物理连接和链路活动调度 5.3 H1网段的网络管理和系统管理 5.4 FF的功能块 5.5 设备描述与设备描述语言 5.6 FF通信控制器与网卡 5.7 H1的网段配置
• 5.1 FF的主要技术特点
FF总线的前身是ISP和WordFIP标准，ISP协议是以 美国Fisher-Rousemount公司为首，联合ABB、西门 子等80家公司制订的；WordFIP协议是以Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的。 FF的最大特色在于它不仅是一种总线，而是一个系统。 它既是网络系统也是自动化系统。在过程控制领域， FF已成为公认的第一流技术。
（4）虚拟通信关系VCR
是现场总线网络中各个应用进程之间的逻辑通信 通道。 主要任务是为通信实体, 系统管理内核和功能块应 用进程三大部分中的各种应用之间建立通信的通道。 类型有客户/服务器型，报告分发型，发布/预定接 收型。 由物理层, 数据链路层和应用层共同而构成。
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系统管理
“0” N+
“1”
3.正电平表示非数据N+
4.负电平表示非数据N25
N-
（1）前导码： 相当于电话信号中的振玲信号,用于使接收设备 与发送设备保持同步。前导码臵于通信信号最 前端，特别规定的8位数字信号:10101010一个字 节。如果采用中继器的话，前导码可多于一个 字节。
（2）帧前定界码
标明了现场总线信息的起点，其长度为一个8位字节。
数据链路层
组态、运行、 故障信息，由 对象字典描述
层管理
各应用之间通过虚拟通信（VCR）关系传递信息，VCR是各应用之间 的逻辑通信通道，是FAS提供的服务。
（1）通信实体
任务：生成报文、提供报文传送服务。
组成：（1）各层协议 构成虚拟通信关系
（2）网络管理代理
（2）系统管理内核SMK
只占有应用层和用户层的位臵，主要负责与网络系 统相关的管理任务，如确立本设备在网段中的位臵。 用来控制将系统管理操作的信息组织成对象，存储 在系统管理信息库SMIB中。
包含有现场总线系统的关键结构和可操作参数。
采用系统管理内核协议与远程SMK通信。
15
（3）功能块应用进程FBAP
位于应用层和用户层,主要用于实现用户所需要的 各种功能。 包括功能块对象。每种功能块对象被单独定义， 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。 还包括对象字典 OD 和设备描述 DD 。采用 OD 和 DD 来简化设备的互操作，因而也可以把 OD 和 DD 看 作支持功能块应用的标准化工具。
三、物理层协议 DCS
H1 Bus
电缆 接线盒
Ethernet
电源配电器/电源调节器
Fieldbus Process Interface Transmitter
DIO DIO
Actuator
TC / RTD
1．H1的物理信号波形
FF为现场设备提供两种供电方式:
总线供电方式:直接从总线上获取工作能源。
PHY物理层
通 信 栈
用户层：用于组成用户所需要 的应用程序，实现网络管理、系 统管理等。
现场总线
FF的层次结构图与邮局收/发信件的对比
邮件内容： 通用语言 读与理解 *FF：功能块
基金会现场总线
5.2 FF的体系结构
用户层 应用层
你好
邮件内容： 收发信件人 信件内容 *FF：数据参数 信封内容： 收发信人地址 邮票 *FF：报文发送给 哪个设备
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Hale Waihona Puke (4) 系统集成和测试技术
系统集成主要指通信系统与控制系统的集成， 如网络拓扑、控制系统组态、人机接口、系统管 理维护等。
系统测试主要是为了保证通信系统的开放性 （一致性与互可操作性测试）、信号的流通（总 线监听分析）、控制系统的功能（功能和性能测 试）。
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2．通信系统的主要组成部分及其相互关系
链路主设备(LM)：有能力成为链路活动调度器 (LAS)的设备，即可以发起一次通信。
基本设备：不具备链路活动调度能力的设备， 只能接收令牌并做出响应。 网桥：用于两个总线段之间的连接设备。注意： 网桥属于链路主设备，它担负着在它下游的各 总线段的系统管理时间的发布任务，因而它必 须成为链路活动调度器LAS。
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基金会现场总线上 对现场设备的网络配 臵示意图
电源
100Ω 终端器
2．H1的信号编码
每帧报文格式由前导码、帧前定界码、数据段 和帧结束码四部分组成。
前导码
1
帧前定界码
1
协议数据信息
8~273
帧结束码
1
基金会现场总线信号的编码方式——双向L曼彻斯特编码
编码有四种可能: 1.正跳变表示逻辑”0”
2.负跳变表示为逻辑”1”
FF的参考模型只具备ISO／OSI参考模型七层中的 三层，即物理层、数据链路层和应用层。其中，应用 层划分为两个子层 - 总线访问子层与总线报文规范子 层。 FF在ISO／OSI参考模型第七层应用层之上增加了 新的一层-用户层。
实际开发过程中，往往把物理层和用户层之间的 部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线 的通信参考模型可看作三层。
FF控制网络的通信技术 标准化功能模块与功能块应用进程 设备描述DD与设备描述语言DDL 系统集成技术 系统测试技术
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(1)基金会现场总线的通信技术
包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、 通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。
涉及一系列与网络相关的硬、软件，如通信 栈软件，FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、 中继器等。 是现场总线的核心基础技术之一；无论对于 现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单 位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。
20
H1协议数据的生成
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• 5.2 H1网段的物理连接和链路活动调度
e.g. Operator station
物理层组成部分:
H1通讯卡
总线电源配电器/电源调节器 电缆 终端电阻 接线盒 - 段保护器 - 现场总线安全栅 浪涌保护器
终端电阻
5.3 FF的物理层
Ethernet Cable
10
物理层：规定信号如何发送； 数据链路层：规定如何在设备 间共享网络和调度通信。
应 用户层 FMS 总线报文规范
应用层：分为总线访问子层 FAS 与总线报文规范子层 FMS 。 用 FAS 规定了在设备间交换数据、命令、 层 总线访问层 事件信息以及请求应答中的信息 DLL数据链路层 格式。
功能 块 对象
通信实体
对象 字典OD
用户层
系统 管理 内核
对象 字典
系统 管理 信息 库
设备描述DD
对象字典
VCR 应用层
系统管理 内核协议 报文规范子层FMS 总线访问子层FAS
功能 块 应用 进程 网络管理代理
层管理 层管理 网络 组态、运行、 故障管理 管理 信息 层管理
库
数据链路层
物理层
系统管理的信 息，组织成对 物理层 象
目的是为了实现设备互操作，支持标准的功能块操作 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，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， 利用设备描述器可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提供给用户。
度器。
LAS
LM
LAS（备用） 现场总线设备类型
LAS 总线B（31.25kbps）
基本设备
基本设备
4.FF中通信活动的类别
周期性通信：由LAS按预定调度时间表周期性依 次发起的通信活动。是一种受调度的通信。
3．H1协议数据的构成与层次
首先要在用户层形成用户数据，并送往总线报文规范 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）；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； 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。
(2)标准化功能块与功能块应用进程
提供一个通用结构，把实现控制系统所需的 各种功能划分为具有标准公共特性的模块，并 将其组成为可执行的应用进程。 便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。 通用的功能块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。
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(3) 设备描述DD与设备描述语言DDL
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一个总线上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备， 但一个总线段上某一时刻只能有一个链路主设备成为链路活动调 度器LAS，没有成为LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。
总线C（1Mbps） LAS
网桥 基本设备 LM LM:链路主设备
LAS
LAS:链路活动调
总线A(1Mbps)
网桥 基本设备 基本设备
实现总线通信中的链路活动调度，数据的接收 发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备 间的链路时间同步。
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2.FF的介质访问方式
令牌加主从的介质访问方式，这种集中式的管 理方式有效地减少或避免实时通信的延时。 以链路活动调度器(LAS)为主的介质访问方式。 在每一个网络段中,规定一个主设备来调度本 网络的通信活动,称为链路活动调度器。设备 只有在得到链路活动调度器的准许时才能向总 线上发送传输包。
总线上既要传送数字信号，又要由总线为现场
设备供电。 非总线供电方式:工作电源来自外部,而不取自 总线。
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携带协议信息的数
字信号,以31.25kHz的 频率、峰-峰电压为
V 0.75~1.0V 9~32V
0.75~1V的幅值加载到
9~32V 的直流电压上, 形成现场总线的信号
b
t
波形。
现场 设备 c
帧前定界码由特殊的 N+码、 N-码和正负跳变脉冲按规定的
顺序组成。
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（2）帧结束码
标志着现场总线信息的终止，其长度也为一个字节， 也是由N+码、 N-码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。
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总 线 型 电 源
终 端 端 子 通 信 主 干 缆 本 安 隔 离 栅 分 支 电 缆
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LAS是总线段的调度中心，具有总线上所有设备 的清单和链路活动调度表，控制通信介质上数据传输 活动，任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作 状态。
FOUNDATION Fieldbus
LAS
基本设备
链路主设备
基本设备 基本设备
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链路主设备
X
LAS
基本设备
3.通信设备的划分（依据链路层功能）
李丽 收 ……… ………
网 络 管 理
. .
.
DLL数据链路层 物理层
100029
信封： 保存信封 *FF：编址与标识 邮车： 运送信件 *FF：介质上的信号
实现网络系统管理任务， 设备信息存入；分配设备 永久地址；启动设备；提 供时钟参考； 物理设备
生成报文和提供 报文传送服务
实现用户所需的 各种控制功能
终 端 端 子
树 型 电 源 分 线 盒 (终 端 端 子 ) 分 股 分 支 型 电 源 分 股 分 支
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31
3．H1网段的链路活动调度
1. FF数据链路层的任务
协调所有连接在物理信道上设备的应用进程， 为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体 提供服务；
控制总线上的各类链路传输活动；
FF-HSE主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批 处理和高级控制等场合。 FF的物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符 合IEC61158-2标准。
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1.FF是一项完整的控制网络技术
基金会现场总线围绕工厂底层网络和全分布自动化系统这两个方 面形成了它的技术特色。主要包括：
FF总线由低速(FF-H1)和高速(FF-HSE)两部分组成。
FF-H1除了实现现场总线信号的数字通信外，FF-H1具有适用 于过程自动化的一些特点：支持总线供电、支持本质安全、 采用令牌总线访问机制等。 FF-H1传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1 900m（与传输 介质有关，可加中继器延长），支持总线供电/本质安全防爆 环境。主要用于过程工业（连续控制）的自动化。 FF-HSE则采用基于Ethernet (IEEE802.3) +TCP/IP的六层结构， 其通信距离为750m和500m。
第5章
基金会现场总线FF
第5章
基金会现场总线FF
5.1 FF的主要技术特点
5.2 H1网段的物理连接和链路活动调度 5.3 H1网段的网络管理和系统管理 5.4 FF的功能块 5.5 设备描述与设备描述语言 5.6 FF通信控制器与网卡 5.7 H1的网段配置
• 5.1 FF的主要技术特点
FF总线的前身是ISP和WordFIP标准，ISP协议是以 美国Fisher-Rousemount公司为首，联合ABB、西门 子等80家公司制订的；WordFIP协议是以Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的。 FF的最大特色在于它不仅是一种总线，而是一个系统。 它既是网络系统也是自动化系统。在过程控制领域， FF已成为公认的第一流技术。