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1、第十章现场总线通信系统,分散控制系统与现场总线控制系统课件,现场总线通信系统概述,数据通信技术则是现场总线控制系统中的核心技术，各种现场总线数据通信系统都有自己的通信协议，为了保证系统的开放性和互操作性，迫切需要制定现场总线通信协议的有关国际标准。然而，制定统一的现场总线通信协议目前尚存在多方面的困难。本章主要介绍基金会现场总线FF的数据通信系统,现场总线通信系统概述,与ISO/OSI参考模型的关系,现场总线通信系统概述,与ISO/OSI参考模型的关系,现场总线通信系统概述,通信系统的主要组成部分,现场总线通信系统概述,通信系统的主要组成部分,按各部分在物理设备中要完成的功能，分为三大部分：通
2、信实体、功能块应用进程、系统管理内核。各部分之间通过虚拟通信关系（VCR）来沟通信息。,现场总线通信系统概述,通信系统的主要组成部分,通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层。由各层协议和网络管理代理共同组成。通信实体的的任务是生成报文与提供报文传送服务。它是实现现场总线信号数字通信的核心部分。 基金会系统结构在每个设备中都有一个网络管理代理（NMA），支持系统组态管理、运行管理和差错管理的功能，信息存储于网络管理信息库（NMIB）中。,通信实体,现场总线通信系统概述,通信系统的主要组成部分,功能块应用进程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。它包括功能块对象、设备描述和对象字典
3、。 用户可使用功能块构建用户程序，实现所需要的控制策略。对象字典和设备描述是支持功能块的标准化工具，对网络可视对象进行定义和描述，促进设备的定义和理解的一致性。,功能块应用进程,现场总线通信系统概述,通信系统的主要组成部分,系统管理内核（SMK）位于应用层和用户层，主要负责与网络系统相关的管理任务，例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。 每个设备中都包含一个系统管理内核，维护系统信息的同步与协调，为设备应用执行和互操作提供一个分散的平台。,系统管理内核,现场总线通信系统概述,通信系统的主要组成部分,系统管理内核维护的信息被作为系统管理信息库（SMIB），系统
4、的基本信息组态到SMIB中。SMK的作用还有分配物理标签和地址，定位设备、对象，系统应用时钟同步，功能块调度等。,系统管理内核,现场总线通信系统概述,现场总线网络拓扑结构,基金会现场总线的网络拓扑结构分为单链路拓扑和桥式拓扑两种结构。 单链路拓扑是典型的离线组态网络，包含一个组态设备和一个被组态设备。 桥式网络是由桥把不同速率、不同介质的链路连接成多链路。,现场总线通信系统概述,现场总线网络拓扑结构,在所有的基金会式网络中，两个设备间只有一个数据链路，所以桥内的路由表要相互协调，组成生成树。 生成树表达了桥的组态，这样就保证了只有两个方向的数据流，或者流向树根，或者离开树根。没有任何回路和并行
5、路径。也就是说，由每一条链路到树根有且仅有一个桥。,现场总线通信系统概述,现场总线网络拓扑结构,生成树中的每一个桥只有一个根端口，一个或多个下游端口。每一个桥端口都连接一条链路。根端口向上连接到根，下游端口向下引出根的分支。当根端口由远方的链路接收到预定的信息时，桥就会根据内部的路由表来选择信息所要经过的下游端口。而当下游端口接收到信息时，桥就会指出上传到根和/或下传到其他下游端口的通信路径。,现场总线通信系统概述,现场总线网络拓扑结构,在现场总线网络中，桥完成以下任务：转发重发分配数据链路时间分配应用进程时间,现场总线通信系统概述,现场总线网络拓扑结构,每一条链路都有一个链路活动调度器，可完
6、成以下功能：识别和添加链路中的新设备删除链路中无响应的设备分配数据链路时间和链路调度时间在受调度传输时，轮询现场总线装置，看缓冲区中是否有要发送的数据在两次受调度传输的中间，为现场总线装置分配令牌,物理层,物理介质相关子层,物理层,物理介质相关子层,数据：1 0 1 1 0 0,物理层,物理介质相关子层,曼彻斯特（Manchester）型编码,物理层,物理介质相关子层,现场总线通信波形,物理层,物理介质独立子层,物理层帧格式,物理层,物理介质独立子层,物理层帧格式,一帧数据=前导码（8） +起始分界符（8）+数据 +结束分界符（8）,数据链路层,数据链路层中的介质访问功能,链路活动调度器（LA
7、S）,每条总线均有一个介质访问控制的中心点，叫做链路活动调度器（LAS），网络上的每一条总线叫做链路。 链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，负责总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到LAS的许可，才能向总线上传输数据。,数据链路层,数据链路层中的介质访问功能,通信活动,有两种通信活动： 受调度通信（前景通信）有确定的通信时间非调度通信（背景通信）按需通信,数据链路层,数据链路层中的介质访问功能,通信活动,受调度通信 是由LAS按预定调度时间表周期性发起的通信活动。根据LAS内的预定调度时间表，若到了某个设备要发送的时间，L
8、AS会给这个设备发送一个强制数据CD（Compel Data），它不是数据，而是一种令牌。基本设备收到这个强制数据信息后，就可以向总线上发送它的信息。现场总线系统中这种受调度通信一般用于在设备间周期性传送控制数据，例如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。,数据链路层,数据链路层中的介质访问功能,通信活动,非调度通信 是指在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会来发送信息。在预定调度时间表之外的时间，由LAS通过现场总线发出一个传递令牌PT（Pass Token），得到这个令牌的设备就可以发送信息。所有总线上的设备都有机会通过这个方式发送调度之外的信息。上位监控计算机读写现场
9、设备中的信息就是通过这种方式。,数据链路层,数据链路层中的介质访问功能,LAS的主要功能,维护调度发送传递令牌PT给设备 在链路上周期分配数据链路时间和链路调度时间 探查未使用地址，将其分配给新设备，并加到活动表上 监视设备响应传递令牌，从活动表上删掉不能使用或不能返回令牌的设备,数据链路层,数据链路层中的介质访问功能,通信设备类型,链路主设备能够成为LAS的设备，其中具有最低节点地址的成为LAS，其余的作为备份基本设备基本设备是那些能够接收并响应令牌的设备网桥用于两个总线段之间的连接设备称为网桥。网桥属于链路主设备。它担负其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LAS,数据链
10、路层,数据链路层中的数据传输功能,三种数据传输机制,无连接数据传输无连接数据传输是在两个数据链路服务访问点之间的独立数据单元的排队传输。这类传输主要用于在总线上发送广播数据。面向连接的发布数据传输这种传输是发布者的数据协议单元在缓冲器之间的传输。这种面向连接的数据传输可以是周期性调度的。,数据链路层,数据链路层中的数据传输功能,三种数据传输机制,面向连接的请求发送/响应交换的数据传输这种传输是在用户和服务器间的协议数据单元的排队传输。用户的VCR端点作为初始端，发送建立连接的请求给服务器，由服务器决定是否建立连接。,应用层由现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范子层FMS构成。 现场总线访问
11、子层FAS位于FMS与数据链路层DLL之间，把FMS与数据链路层DLL分隔开来，利用数据链路层DLL的调度和非调度服务来为现场总线报文规范子层（FMS）服务。 现场总线报文规范子层FMS是现场总线应用层的高层，它借助于FAS提供的服务来为用户层应用进程之间的信息交换提供服务。,应用层,应用层,现场总线访问子层,服务,FAS利用协议数据单元为FMS提供服务，FAS服务充分把DLL和FMS连接在一起，构成统一体通信栈。在这里FAS起到承上启下的关键作用。 FAS提供的服务有：“连接”服务、“放弃”服务、“确认的数据传输”服务、“未确认的数据传输”服务、“FAS强迫”服务、“获得缓冲器报文”服务、“
12、FAS-状态”服务等。,应用层,现场总线报文规范子层,服务,虚拟现场设备VFD对象字典OD管理文本管理域管理程序调用管理变量访问事件管理,应用层,通信栈,虚拟通信关系（VCR）,通信栈的三个层次之间的基本关系是虚拟通信关系（VCR），VCR就是通信栈中贯穿整个三层的通信渠道。分为三种形式：,报告分发型出版商/订阅者型客户机/服务器型,报告分发型队列传输、用户启动、单向（不需确认）、无连接事件通知或趋势报告出版商/订阅者型缓冲器传输、网络启动、单向（不需确认）、连接测量值在不同设备或控制站的功能块中的信息传送客户机/服务器型队列传输、用户启动、双向（需确认）、有连接运行员站进行数据请求,应用层,
13、通信栈,虚拟通信关系（VCR）,应用层,通信栈,虚拟通信关系（VCR）,应用层,通信栈,虚拟通信关系（VCR）,应用层,通信栈,虚拟通信关系（VCR）,用户层是在ISO/OSI参考模型的七层结构基础上添加的一层，它是设备或软件所完成的实际功能，是呈现在用户面前的变送器的测量值，阀门定位器的动作，以及主机的接口。正是在用户层定义了数据格式和语义，从而使设备可以灵活而方便地解释和处理数据，实现了互操作性。,用户层,用户层广泛采用了对象技术。例如：在功能块中参数和功能的封装。 功能块应用进程（FBAP）分为设备应用进程(DAP)和控制应用进程(CAP) 。 DAP含有设备组态用的资源块和转换块； C
14、AP含有组成控制策略的功能块。,用户层,对象,块是一个软件的逻辑处理单元。输入事件影响算法的调用，算法执行产生获取输出事件块，使输入或输出值在块的执行期间不受外部变化的影响。 块的算法可以是外部不可见的，并包含不可见的内部变量。块的参数有输入参数、输出参数及用于控制块执行的内含参数，它们是网络可视的。内含参数规定块的专有数据，不参与连接。,用户层,对象,块对象,资源块 功能块应用进程把它的虚拟现场设备VFD模块化为一个个资源块。资源块负责整个设备的管理。例如：使设备运行或者离线、强制输出。它也包含一些标识信息和整个设备的诊断信息，如设备名、制造者、系列号等。资源块没有输入或输出参数。它将功能块
15、与设备硬件特性隔离，可通过资源块在网络上访问与资源块相关设备的硬件特性。,用户层,对象,块对象,转换块 转换块是功能块与传感器、执行器和显示器硬件的接口。它读取传感器硬件的数据，并写入到相应要接受此数据的硬件中。设备的标定正是在这里进行的。它也包含一些最新的标定和I/O诊断信息。,用户层,对象,块对象,功能块 功能块表达了功能块应用所实现的基本自动化功能。每一个功能块都要根据特定的控制算法和一套控制参数对输入信号进行处理。同时，功能块的输出又可以为同一功能块应用或其他功能块应用中的其他功能块所使用。,用户层,对象,块对象,一个功能块的输出可与另一个功能块的输入连接在一起，在功能块之间传递信息，
16、形成所需要的控制策略。在连接对象中，保存着相同或不同设备中的功能块之间所定义的连接。 连接对象一般在总线组态时定义，在现场设备在线运行前或运行时传送给它，用于建立通信连接。,用户层,对象,连接对象,报警对象用于块的报警和事件报告。它将在功能块中检测到的报警和事件发送给主机。主机必须确认收到了报警。如果未受到报警，则需要重发。,用户层,对象,报警对象,趋势对象采集功能块的参数，以实现历史趋势功能。趋势对象将采样值搜集在一起，然后一起发送给主机。,用户层,对象,趋势对象,观测对象预先定义了功能块参数的子集，使一组块参数的属性值可被一次性访问，这样就可以减少读块参数时所需要的通信量。它主要用于获得运
17、行、诊断、组态的信息。在观测对象中定义四类块参数如下。 VIEW_1：一般动态参数，用于面板操作 VIEW_2：一般静态参数，用于面板操作 VIEW_3：全部动态参数 VIEW_4：在VIEW_2 中不包括的静态参数,用户层,对象,观测对象,DD是基金会现场总线为实现互操作性而提供的一个重要工具。DD描述了设备中的所有数据，使得主机能够解释设备中的复杂数据，以便使主机能够以可以理解的方式来显示这些数据。,用户层,设备描述（DD）,设备制造商使用设备描述语言(DDL)来编写DD，设备描述由两部分组成：一部分是由基金会提供的，它包括由DDL描述的一组标准块及参数定义；一部分由制造商提供，包括由DD
18、L描述的设备功能的特殊部分。这两部分结合在一起，完整地描述了设备的特性。,用户层,设备描述（DD）,为了在设备的通信模型中将数据链路层到应用层的通信协议集成在一起，并监督其运行情况，基金会现场总线采用网络管理代理NMA，网络管理者NMgr工作模式。网络管理者实体在相应的网络管理代理的协同下，实现网络的通信管理。 网络管理者负责维护网络运行，它监视每个设备中通信栈的状态。在系统运行需要或系统管理者指示时，执行某个动作。网络管理者通过处理由网络管理代理生成的报告，来完成其任务。它指挥网络管理代理，通过FMS执行它所要求的任务。,网络管理,每个现场总线设备中都有系统管理实体。该实体由用户应用和系统管
19、理内核（SMK）组成。 系统管理内核可看作一种特殊的应用进程AP。从它在通信模型中的位置可以看出，系统管理是通过集成多层协议的功能而完成的。,系统管理,系统管理,系统管理内核,提供的服务,访问系统管理数据库设备的标签和地址分配设备识别定位远程设备和对象功能块调度时钟同步,系统管理,自动寻址机制,每个现场总线设备必须具有唯一的网络地址和物理设备位号，以便现场总线对它们进行操作。 为了避免在现场总线设备中设置地址开关，可以通过系统管理自动实现网络地址分配。,系统管理,自动寻址机制,为一个新设备分配网址的步骤如下： 通过组态设备分配给这个新设备一个物理设备位号。 系统管理采用缺省网址询问该设备的物理
20、设备位号，并采用该物理设备位号在组态表中寻找新的网址。然后，系统管理给该设备发送一个特殊的地址设置信息，迫使这个设备移至这个新的网址。 对进入网络的所有设备都按缺省地址重复上述步骤。,系统管理,功能块调度,功能块调度用来控制用户应用进程中某个功能块或其他可执行任务的执行时间。功能块是重复执行的，每次重复称为一个宏周期（Macrocycle），宏周期以零为链路调度起始时间的基准，从而实现链路时间的同步。也就是说，如果一个特定的宏周期的持续时间是200，那么它将以0，200，400等时间点作为起始点。,系统管理,功能块调度,当控制一个生产过程时，数据的采集以及输出的改变都必须按照固定的时间间隔进行
21、。偏离这个固定时间间隔的误差必须很小。 功能块的调度策略和它的宏周期必须下载到功能块执行设备的系统管理信息库中。功能块执行设备利用这些对象和当前的链路调度时间来决定何时执行它的功能块。,系统管理,功能块调度,系统管理,功能块调度,系统管理,功能块调度,一条总线的扫描周期分为宏周期和监控周期。一个宏周期由所谓周期受调度通信和非调度通信构成。周期受调度通信将所有功能块间的链接通信完成一次，非调度通信则将部分设备与操作站进行信息交换。若干个宏周期后所有设备与操作站信息全部交换一次，称为监控周期。宏周期时间由链接通信和功能块执行时间及背景通信构成，一般在几百毫秒，监控周期则需12秒。,系统管理,功能块调度,宏周期的估算公式如下： 式中 T宏周期 NE总线上链接次数 ND设备个数 TR系数，TR=30（接口不冗余），TR=60 接口冗余）,FF HSE通信系统,FF高速现场总线（HSE）在低四层直接采用以太网+TCP/IP，在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备LD将FF H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网桥功能能够用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上面的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。,
