基金会现场总线

协议数据的构成与层次
• 图6．2表明了现场总线协议数据的内容和模型中 每层应该附加的信息。它也从一个 角度反映了现 场总线报文信息的形成过程。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处理， 每帧最多可发送 251个8位字节的用户数据信息； 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 验信息后，送往物理层将数据打包，即加上帧前、 帧后定界码，也就是开头码、帧结束码，并在开 头码之前再加上用于时钟同步的前导码(或 称之 为同步码)。该图还标明了各层所附的协议信息的 字节数。信息帧形成之后，还要通 过物理层转换 为附合规范的物理信号，在网络系统的管理控制 下，发送到现场总线网段 上。
FF网络通信中的虚拟通信关系
• 类型 客户/服务器型 报告分发型 发布/预订接收型 书P80表4.3
Hale Waihona Puke 基金会现场总线的物理层及其网络连接
• 基金会现场总线的物理层遵循IECll58—2(1993年) 和ISA—S50．02中有关物理层的标准。现场总线 基金会为低速总线颁布了FF—81631．25Kbps物 理层规范，也称为低速现场总线的H1标准。传输 速率为1Mbps，2．5Mbps的被称为H2标准。 • 按照通信协议分层的原有概念，物理层并不包括传 输媒体本身。然而，由于物理层的基本任务是为数 据传输提供合格的物理信号波形，且直接与传输介 质连接。传输介质的性能与应用参数对所传输的物 理信号波形有较大影响。现场总线基金会除了对有 关物理层内部的技术参数做出规定外，还对影响物 理信号波形、幅度的相关因素，如媒体种类、传输 距离、接地、屏蔽等制定了相应标准。因而本节中 除了介绍物理层本身之外，还涉及一些与物理层直 接相关的网络连接问题。
基金会现场总线
• 基金会现场总线(由现场总线基金会 (Fieldbus Foundation)组织开发)系统是为 适应自动化系统、特别是过程自动化系统 在功能、环境与技术上的需要而专门设计 的。 • 它可以工作在工厂生产的现场环境下，能 适应本质安全防爆的要求，还可通过传输 数据的总线为现场设备提供工作电源。
(6)系统测试技术。包括通信系统的一致性与互可操 作性测试技术、总线监听分析技术、系统的功能 和性能测试技术。一致性与互可操作性测试是为 保证系统的开放性而采取的重要措施。一般要经 授权过的第三方认证机构作专门测试，验证符合 统一的技术规范后，将测试结果交基金会登记注 册，授予FF标志。只有具备了FF标志的现场总线 产品，才是真正的FF产品，其通信的一致性与系 统的开放性才有相应保障。
• 变送器、执行器等都属于现场总线物理设备。每 个具有通信能力的现场总线物理设备都应具有通 信模型。图6．1从物理设备构成的角度表明了通 信模型的主要组成部分及其相互关系。它在分层 模型的基础上更详细地表明了通信的主要组成部 分。从图中可以看到，通信参考模型所对应的四 个分层，即物理层、数据链路层、应用层、用户 层，并按各部分在物理设备中要完成的功能，被 分为三大部分：通信实体、系统管理内核、功能 块应用进程。各部分之间通过虚拟通信关系(VCR， virtual communication relationship)来沟通信息。 vCR表明了两个或多个应用进程之间的关联，或 者说，虚拟通信关系是各应用之间的逻辑通信通 道，它是总线访问子层所提供的服务。
传输介质
基金会现场总线支持多种传输介质：双绞线、电缆、 光缆、无线介质。目前应用较为广泛的是前两种。 H1标准采用的电缆类型可分为无屏蔽双绞线、屏蔽双 绞线、屏蔽多对双绞线、多芯屏蔽电缆几种类型。 在不同传输速率下，信号的幅度、波形与传输介质的 种类、导线屏蔽、传输距离等密切相关。由于要使挂 接在总线上的所有设备都满足在工作电源、信号幅度、 波形等方面的要求，必须对在不同工作环境下作为传 输介质的导线横截面、允许的最大传输距离等做出规 定。线缆种类、线径粗细不同，对传输信号的影响各 异。现场总线基金会对采用不同缆线时所规定的最大 传输距离见表4．4。
• 现场总线的传输介质一般为两根导线，如双 绞线，因而其机械接口相对较为简单。在 IECll58—2的附录A．2或ISA S50．02第2部 分的附录B．2中，为现场设备规定了特定的 外部连接器。不过，许多场合都不采用这种 所规定的外部连接器，而是按规范要求，在 设备的连线处，配备标有“十”、“一”号 的醒目标签，以清楚地表明接口处的极性。 然而，规范中也容许那些具有自动极性判别 能力的现场设备不配备这种标签。
• 如PID功能块完成现场总线系统中的控制计 算，AI功能块完成参数输入，还有用于远程 输入输出的交互模块等。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。 在功能块应用进程这部分，除了功能块对 象之外，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。
• 系统管理内核(SMK，system management kernel)在模型分层结构中只占有应用层和用 户层的位置。系统管理内核主要负责与网络 系统相关的管理任务，如确立本设备在网段 中的位置，协调与网络上其他设备的动作和 功能块执行时间。用来控制系统管理操作的 信息被组织成对象，存储在系统管理信息库 (SMIB，system management information base)中。
• 通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层。由 各层协议与网络管理代理共同组成。通信实体的 任务是生成报文与提供报文传送服务。是实现现 场总线信号数字通信的核心部分。 • 层协议的基本目标是要构成虚拟通信关系。网络 管理代理则是要借助各层及其层管理实体，支持 组态管理、运行管理、出错管理的功能。各种组 态、运行、故障信息保持在网络管理信息库 (NMIB，network management information base) 中，并由对象字典(OD，Object Dictionary)来描 述。对象字典为设备的网络可视对象提供定义与 描述。为了明确定义、理解对象，把有如数据类 型、长度一类的描述信息保留在对象字典中。可 以通过网络得到这些保留在OD中的网络可视对象 的描述信息。
主要技术内容有： (1)基金会现场总线的通信技术。它包括基金会 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。它涉及一 系列与网络相关的硬、软件，如通信栈软件， 被称之为圆卡的仪表用通信接口卡，FF与计算 机的接口卡，各种网关、网桥、中继器等。它 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。
(2)标准化功能块(FB，Function B10ck)与功能块应 用进程(FBAP，Function Block Application Process)。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 征标准化，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。
• 这种现场总线标准是由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)组织开发的。它得到了世界上主要自 控设备供应商的广泛支持，在北美、亚太、欧洲 等地区具有较强的影响力。 • 现场总线基金会的目标是致力于开发出统一标准 的现场总线，并已于1996年一季度颁布了低速总 线Hl的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符 合FF规范的仪表互连为控制系统和通信网络。使 H1低速总线步入实用阶段。(H2、HSE)
物理层的结构
• IEC规定的物理层所包含的内容如图所示。 对不同种类介质、不同传输速率要求的场 合，应分别设置不同的物理层实体。下面 将以导线介质、电压模式、31．25Kbps传 输速率为主进行讨论。 • 图4．6画出了一个导线介质的媒体接口部 分的电路框图。媒体接口电路这部分主要 完成信号滤波与处理、信号驱动及其控制、 电路隔离等功能。为媒体无关子层提供合 格的物理信号波形。
• 功能块应用进程(FBAP，function block application process)在模型分层结构中位 于应用 层和用户层。功能块应用进程主要用于实现用户 所需要的各种功能。 • 应用进程AP是IS07498中为参考模型所定义的名 词，用以描述留驻在设备内的分布式应用。AP一 词 在现场总线系统中是指设备内部实现一组相关 功能的整体。功能块把为实现某种应用功 能或算 法、按某种方式反复执行的函数模块化，提供一 个通用结构来规定输入、输出、算法 和控制参数， 把输入参数通过这种模块化的函数，转化为输出 参数。
物理层的功能 • 物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接， 为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电 气接口，为现场设备对总线的发送或接收提供合 乎规范的物理信号。 • 物理层作为电气接口，一方面接受来自数据链路 层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场 总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另 一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信 息送往数据链路层，起到接收器的作用。(对其实 行数据编码(即曼彻斯特编码) 和解码 ) • 考虑到现场设备的安全稳定运行，物理层作为电 气接口，还应该具备电气隔离、信号滤波等功能， 有些还需处理总线向现场设备供电等问题。
(4)现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算 机之间的接口技术。 在现场总线的产品开发中，常采用OEM集成方法构 成新产品。已有多家供应商向市场提供FF集成通 信控制芯片、通信栈软件、圆卡等。把这些部件 与其他供应商开发的、或自行开发的、完成测量 控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备的 新产品。要将总线通信圆卡与实现变送、执行功 能的部件构成一个有机的整体，要通过FF的PC接 口卡将总线上的数据信息与上位的各种MMI(即人 机接口)软件、高级控制算法融为一体，尚有许多 智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发工作 要做。 如：如与MMI软件连接中的OPC技术。
• (5)系统集成技术。它包括通信系统与控制 系统的集成，如网络通信系统组态、网络 拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组 态、人机接口、系统管理维护等。这是一 项集控制、通信、计算机、网络等多方面 的知识，集软硬件于一体的综合性技术。 • 它在现场总线技术开发初期，在技术规范、 通信软硬件尚不十分成熟之时，具有其特 殊的意义。对系统设计单位、用户、系统 集成商更是具有重要作用。
(3)设备描述(DD，Device Description)与设备描述语 (DDL，Device DescriptionLanguage)。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 备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。 采用设备描述编译器，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。控制系统正是凭借这 些机器可读的输出文件来理解各制造商的设备的数据 意义。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。
通信系统的主要组成部分及其相互关系
• 基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线 信号的数字通信。 • 为了实现通信系统的开放性，其通信模型参考了 ISO／OSI参考模型，并在此基础上根据自动化系 统的特点进行演变后得到的。（参考模型图） • 物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如 何在设备间共享网络和调度通信；应用层则规定 了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求 应答中的信息格式。用户层则用于组成用户所需 要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述， 实现网络管理、系统管理等。 • 现场总线的通信参考模型可简单地视为三层。 （通信栈）