FF基金会现场总线

第五章基金会现场总线FF 5.1 FF概述
5.2 FF技术规范
5.3 FF物理层
5.4 FF数据链路层
5.5 FF应用层
5.6 FF用户层
5.7 FF通信控制器的接口
5.8 FF产品的开发
5.1 FF总线概述
•FF（Foundation Fieldbus，96年）：主要用于流程工业自动化领域，如化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。

•FF遵循OSI标准模型，取其3层：物理层、数据链路层和应用层，并在应用层上增加了用户层。

FF属于IEC61158国际现场总线标准子集，其开发初衷是希望形成统一的现场总线标准
•FF分低速总线H1和高速总线HSE两部分
–分别属于IEC标准中两个不同的子集
–低速总线H1的通信速率为31.25Kbps（1900m）
–高速总线HSE的通信速率为10M,100Mbps
•开发和使用FF的目的和意义在于实现工业设备的互操作性和互替换性，用户只要根据系统功能上的需要既可从众多的设备供应商中选择性价比最高的产品。

FF总线
•CAN总线控制器仅仅定义了物理层和数据链路层的所有功能，即实现了数据通信技术，但构建CAN控制网络还需要应用层协议的定义，如J1939应用协议的支持。

•FF则提供了一套较完整的控制网络技术，不仅具有数据通信技术，也定义了控制应用功能的规范内容（应用层与用户层），能够构建分布式控制网络系统。

•HSE（High Speed Ethernet）高速以太网10/100M b/s，取代了早期的H2总线。

•应用层主要以功能块模式定义应用的，互操作性和互替换性易于实现（开放性）。

FF通信模型说明：
•物理层：采用IEC1158-2标准。

•数据链路层和应用层的全部功能统称为通信栈（Communication Stack）。

应用层分为两个子层现场总线信息规范子层FMS和现场总线访问子层
FAS。

•现场总线访问子层FAS（Fieldbus Access Sublayer）基本功能：确定数据访问的关系模型和规范。

•现场总线信息规范子层FMS（Fieldbus Message Specification）基本功能：面向应用服务，生成规范的应用协议数据。

•用户层：规定标准的功能模块，对象字典和设备描述，供用户开发应用程序，实现网络管理和系
统管理。

5.2 FF技术规范
•FF系统是低带宽通信网络，它把具备通信能力，同时具有测量、控制、计算等多功能的现场设备作为网络节点，由FF总线互联成为网络系统。

通过网络上各个节点的操作参数与数据调用，实现信息共享与系统的各项自动化功能。

网络节点具备完善的通信与通信控制能力。

•通过网络的信息传输与信息共享，可以组成各种复杂的测量、控制、计算等功能的系统，更有效、方便地实现生产过程的安全、稳定、经济运行，为企业网络系统构建低层控制网络Infranet。

5.2.1 FF主要技术内容
•FF通信技术：包括FF通信模型、通信协议、通信控制器、通信网络与管理等。

如通信栈软件、FF圆卡、各种网络设备（中继器、网桥、网关等）。

•标准功能块（FB：Function Block）与功能块应用进程（FBAP：FB Application Process）：将控制功能的公共特征划分为标准功能块，由这些功能块构成现场设备的应用进程，便于系统组态、调度和管理等。

•设备描述（DD：Device Description）与设备描述语言（DDL：DD Language）。

设备描述技术主要是解决互操作性问题，DD是设备驱动程序，DDL是进行DD的标准编程语言。

•FF通信控制器与外设（如智能仪表）接口技术：通信控制器芯片、通信栈软件、FF圆卡等都有多家供应商提供，根据需求便于功能集成，设计新产品。

•系统集成技术：包括网络系统与控制系统的集成。

•系统测试技术：包括产品一致性与互操作性测试；功能和性能测试；总线性能分析测试等。

FF技术内容说明：
•数据链路层和应用层的全部功能统称为通信栈（Communication Stack，FF通信协议），用于完成开放互连模型中第2-7层的通信协议。

•功能块用于描述设备特征、参数、属性及操作等功能。

•标准DD（产品注册过的制造商）由现场总线基金会以CD-ROM光盘提供给用户。

•大量使用了新技术和概念，如基于面向对象设计技术的功能块、动态调度器等。

提供网络系统的组态、调度、管理等功能的网络系统软件；自动化系统与网络系统集成技术等。

•产品一致性与互操作性测试由第三方认证机构完成，并授予FF产品标志。

5.2.2 FF通信模型各层相互关系
•数据链路层和应用层的全部功能统称为通信栈（Communication Stack）。

•应用层分为两个子层：现场总线信息规范子层FMS （Fieldbus Message Specification）和现场总线访问子层FAS （Fieldbus Access Sublayer）。

•FF通信模型按功能也可简化为三层：物理层、通信栈和用户层。

三层由系统管理内核SMK、一个或多个功能块应用进程FBAP 和通信实体CE组成，各部分之间通过虚拟通信关系VCR实现信息交换。

H1的PDU
•H1的PDU分层生成
•数据采用双向-L曼彻斯特编码–Manchester Biphase–L code •在物理层添加
–前导码
–帧前定界码
–帧结束码
5.3 FF物理层
•规定了FF现场总线的传输介质、传输速率、最大传输距离、拓扑结构及信号类型等。

•FF现场总线的传输介质可以为双绞线、同轴电缆、光纤和无线电等。

•低速H1总线，传输速率为31.25kb/s，传输距离
为200m～1900m
•H1总线最多可串接4台中继器。

•现场设备的物理连接：
配备标有“+”“-”号的醒目标签，以清楚地表明接口处的
极性。

容许具有自动极性判别能力的现场设备不配备这种标签
FF物理层说明：
•通过网桥可以把不同传输速率、不同传输介质的总线段进行互联。

•其物理层符合IEC1158-2标准，物理媒介的传输信号类型采用曼彻斯特编码。

•FF传输介质的选择与传输速率、传输距离具有直接关系。

•H1拓扑结构：点对点，总线型，树型等。

•H1每段结点数最多为32个。

•H1支持总线供电。

•前导码、帧前定界符、帧结束码都由物理层的硬件电路生成并加载到总线上，形成物理传输信号
5.4 FF数据链路层
•所有连接到同一物理通道上的AP都是通过数据链路层的实时管理来协调的。

•链路活动调度器（LAS：Link Active Scheduler）作为数据链路层的特殊实体，为AP的信息传输提供周期性或非周期性的服务。

建立LAS的目的是根据一个事先排好的调度表和分配给设备的优先级，控制令牌权来访问设备中的数据，网络中的每个链路段都有唯一的LAS。

通过LAS传递令牌，得到令牌的物理设备可以对网络进行访问（令牌总线访问控制方式）。

FF数据链路层说明：
•由于工业控制过程中实时性的要求，在FF中没
有采用IEEE802.4标准（令牌总线）中所定义的总线管理方式，而是采用了集中式的管理方
式，减少了实时通信的时延。

•FF现场总线设备在数据链路层可分为两种：BASIC DEVICE（基本设备）和LINK MASTER DEVICE （链路主设备）。

BASIC DEVICE 不能主动发起一次通信，只能接受查询；LINK MASTER DEVICE 则可以在得到令牌时发起一次通信。

在每一个网段中都有一个特殊的LINK MASTER DEVICE，它能够调度本网络段各个设备的通信活动，称为LINK ACTIVITY SCHEDULER （链路活动调度器：LAS）。

5.5 FF应用层
•应用层的主要任务是定义FF的通信命令、响应、数据和事件等。

•应用层分为两个子层：FMS（Fieldbus
Messaging Specification）子层（为
用户层提供服务，生成规范的应用协议
报文数据）和FAS（Fieldbus Access
Sublayer）子层（与数据链路层连接，
为FMS和应用进程提供报文传送服务）。

应用层的服务类型
通信关系管理服务
–建立、释放通信连接；拒绝不合适的通信服务；
读取设备状态等
•对象字典服务
–读取对象字典；装载或终止装载对象字典。

•变量访问服务
–读、写变量；定义、删除变量。

•事件管理服务
–负责事件报告、事件确认。

•上/下载服务
–负责上/下载、对设备发送/读取数据
•程序调用服务
–建立/删除程序对象、启动/停止/恢复程序执行等
5.6 FF用户层
•用户层是FF在OSI模型之外增加的一层，规定标准的功能模块FB，对象字典OD和设备描述DD，方便控制应用功能的实现，便于网络管理和系统管理。

•标准功能模块供用户组态完成系统（包括基本功能块，先进功能块，计算功能块，辅助功能块等）功能，这些功能块各自满足不同的测控需要。

•功能块的调度由系统管理内核SMK完成。

功能块不仅与现场设备打交道，而且可以将数据送给图形显示等对象。

功能模块FB
•功能模块FB将控制系统的各种功能的公共特征标准化，包括输入、输出、算法、事件、参数与功能块控制等内容，提供各种测控功能。

•任何功能块与其他功能块的输入/输出参数的接口定义标准化，功能块连接完全开发。

•功能块连接实现了功能块之间的参数传递和功能集成；可包含多个功能块。

•可按周期，或按事件的发生重复作用。

如由外部事件驱动功能块的执行，通过算法将输入参数转换为输出参数，实现应用系统的控制功能。

•同一设备的功能块连接称为本地连接；不同设备的功能块连接需要功能块应用进程FBAP服务。

资源块
* 用于描述现场总线设备的特征，如设备名、制造者、系列号
* 规定一组参数来表达资源块特性
* 资源块没有输入、输出参数，其参数内含，无连接
•通过资源块，可在网络上访问与资源块相关的设备的特性
设备类型、版本、制作商，存储器大小，硬件类型、状态，写保护等
* 一个设备中只有唯一的一个资源块。

变换块
•按所要求的周期读取传感器硬件中的数据•可使数据的读取、写入过程与专有物理I/O 特性分离，为功能块提供设备入口
•变换块包含有量程数据、传感器类型、线性化、I/O数据表示等信息。

•每个输入或输出功能块内都会有一个变换块，用于读取传感器或输出到执行器
FF用户层说明：
•简单一致的功能块配置在不同制造商的现场设备中，避免了麻烦的映射和接口。

功能块的属性由对象字典(Object Dictionary)作为参数来定义。

•FF规范的基本功能块分为如下几类：①离散输入：DI；②离散输出：DO；③模拟输入：AI；④模拟输出：AO；⑤PID控制器：PID；⑥选择器：SS；⑦手动装载器：ML；
⑧偏差/增益器：BG；⑨比率：RA等。

FF 规范中还包括更复杂的功能块，例如离散控制、动态补偿、计算等。

5.7 FF通信控制器的接口
•FF用户层采用用户可组态的功能模块FB组建控制系统，以满足各种应用要求，达到系统的互连性和互操作性。

•FF数据链路层以上部分的层次通信功能要求主要由软件实现的，物理层和数据链路层则需要软件和硬件共同完成。

•低速的H1总线主要用于现场控制设备之间的连接，传输距离较远，对传输介质要求低；高速的H2总线主要用于先进控制设备之间的连接，要求传输速率较高。

•一般地传输信号类型是电压信号，也可以传输电流信号。

5.7.1 FF通信控制器的基本功能
物理层和数据链路层必须具备的基本功能：•电气特性：发送端的驱动能力，接收端的抗噪声能力，确保接收端、发送端的正确传输；支持多种信号传输方式，如支持电源线上信号载波，适应不同供电方式。

支持电气隔离信号传输，以提高信号传输的可靠性。

•信号传输的串、并行转换工作：通常通信控制器与CPU是并行接口，FF信号传输是串行工作的。

•数据编码与解码：FF采用Manchester Coding技术，采用两线制同步数据通信。

发送端需要对数据编码，通常将同步时钟信号隐藏在数据中一起传输，接收端需要对数据解码，还原出同步时钟信号。

FF通信控制器的基本功能：
•信息帧的打包与解包：FF发送端数据是采用分层打包方式进行封装的，每层接收到的信息必须首先加上该层的必要控制信息，才能将它转发到下一层；接收端需要对数据完成解包工作。

•帧校验：确保数据通信传输的正确性，FF采用CRC校验码。

数据通信过程中，必然存在许多干扰（信道、电磁等），为了确保数据通信传输的正确性，必须采取差错控制措施，FF的CRC校验码，通常是由硬件自动完成的。

5.7.2 FF通信控制器FB3050的原理和应用
•FF通信控制器芯片有多家供应商提供。

如Yokogawa（横河），Fuji（富
士），Smar等。

•FB3050是Smar公司提供的一种FF通信
控制器。

该芯片能方便地与微处理器
和现场介质接口，并能实现FF通信协
议，可以使过程控制实现现场自动化
和网络化，在FF通信中已得到广泛的
应用。

5.8 FF产品的开发
•FF产品开发的整体解决方案：FF提供一个开发平台，主要包括以下开发工具：协议监控和诊断工
具；总线分析器；仿真软件；DD（数据描述）软件工具；评测工具；性能测试工具等。

•FF物理设备主要有以下几种类型，每种类型的物理设备都具有通信能力。

临时设备：对网络进行组态和排除设备故障时十分有用；静态块现场设备（智能I/O设备）：功能块都是在静态状态下被确立的，被指定一个永久地址；动态块现场设备：具有对功能块进行动态安装和删除的能力；接口设备：执行现场设备之间的接口功能（如数据显示），被指定一个永久地址；监视（过往）设备：监听网络上的数据传送，不被分配地址。

•物理设备必须遵守通信行规和设备行规，以保证设备的互操作性和互换性要求。

5.8.1 FF产品的开发要点
•FF不仅是一种总线，也是一个系统。

其产品应该符合FF标准规范，而且是具备通信功能的开放型产品。

•通常采用OEM方式集成开发，从产品集成与系统集成应用方面，软、硬件系列产品主要有：通信控制
器；通信栈软件；FF通信圆卡；各种规格的智能仪表；PC机接口卡；网络设备（中继器，网桥，网关等）以及各种组态软件，MMI 等。

5.8.2 FF产品的开发步骤
•开发符合FF协议的通信栈软件。

•对通信栈软件进行一致性测试（由授权代理完成）。

•取得FF Stack认证（一致性认证）。

•开发智能现场设备（包括相应的软、硬件开发）。

•开发现场设备的DD（设备描述），将DD送交基金会组织注册登记。

•取得互操作性合格证书：由授权代理完成测试任务。

•FF产品开发的一些约束是为了保证产品的开放性和标准化，为不同的供应商提供平等的开发环境。

5.8.3 FF部分产品的介绍
•PC网卡：是FF现场总线控制系统的关键设备之一，具有网络通信控制中心的作用。

与协议栈软件和底层接口函数一起完成PC上位机与现场总线之间的数据交换和通信控制，用于连接计算机与现场仪表。

现场总线PC网卡能够对HMI 及DCS应用提供标准的OPC接口，同时对于组态软件等应用提供低层的通信接口。

可以完成FF协议（H1或H2 ）现场总线通信控制的所有功能，既支持Basic设备，也支持Link Master 主设备（即具有链路调度功能）。

•圆卡：可以嵌入在现场设备中，用于将现场仪表与现场总线网络相连（因通常做成圆形，称其为圆卡），提供本安型产品。

FF部分产品的介绍：
•智能分布控制单元：用来完成过程自动化或制造自动化的现场设备互连的控制装置，它是基于FF协议的一个网络节点，主要具有控制、管理和通信功能。

•特点：1）将离散I/O模块无缝接入FF协议现场总线，且在总线中可以透明访问各I/O模块。

2）控制主站提供诊断和动态管理I/O模块的功能。

3）提供软PLC虚拟机，完成软PLC的运行。

同时将编译的PLC原代码映射成柔性的现场总线功能块。

符IEC61131-3标准。

4）支持IO模块的热插拔和即插即用。

5）支持通过功能块的定义实现设备的冗余能力。

6）10～40Vdc供电。

•组成：1、控制主站：控制、管理模块和通信模块；
2、通用IO接口和IO功能模块（如AI/O、DI/O、RTD、PWM、REALY等输入/输出模块）。

FF部分产品的介绍：
•新型智能分布控制（HSE）单元：将以太网技术作为底层协议加入到现场总线协议中，构建了基于工业以太网的现场总线协议HSE。

•整合企业内部的信息网络和工厂级的控制网络。

简化了网络结构，降低了网络维护成本。

HSE单元可将多种现场的模拟或数字信号（模拟、数字、压力、温度、电流等）接入以太网，方便地与上层的信息网络集成。

5.8.4 FF网络系统与控制系统
H1网段的基本构成部件
•基本网段：作为网段节点的现场设备（应有主设备）；总线供电电源；电源耦合（调理）器；连接在网段两端的终端器；电缆或双绞线；连接端子•工作主机：可以作为链路主管、通信与控制系统组态器；人机界面MMI；符合FF通信规范要求的通信接口卡（网卡）；
•多网段：通过网关、网桥、中继器连接各网段
网络系统、控制系统的组态与运行•根据智能现场设备具备的功能块条件，分配功能块所在位置
•通过应用功能块的连接构成控制系统
•网络系统的组态与初始化
–分配网络地址、选定虚拟通信关系、通信调度策略（各节点的通信顺序、令牌持有时间）、功能块运行时间、LAS、控制策略等
•在线组态、下装、运行
思考题：
1 简要说明FF主要技术内容。

2 简述FF通信中的虚拟通信关系VCR的作用与应用？
3 简要说明FF通信中的链路活动调度器LAS的功能？
4 简述FF用户层中的功能模块FB的作用与应用要求。

5 简要说明开发FF产品的技术步骤是什么？。