2-4-1FF-H1通信.

网络化控制系统—现场总线技术第4讲基金会现场总线FF（1）基金会现场总线的特点•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。–高速总线HSE的通信速率为10M,100Mbps。•为适应过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而设计。•是一项较为完整的控制网络协议–除具有适应信号传输需要的物理层、数据链路层外，还具有适应控制应用需要的应用层与用户层。–规范了功能块等，为实现开放性控制系统创造了基本条件。•能适应总线供电的要求，可利用总线为现场设备提供工作电源，能适应本质安全防爆的要求。•H1网段的最大长度4*1900m。•一个网段可以挂接的节点数按应用场合不同有32；16；8；4多种不同规定。–考虑是否为本安网段。–系统所处网段的安全等级。物理层数据链路层现场总线访问子层现场总线报文规范子层用户层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层OSI模型现场总线模型1234567H1的通信参考模型物理设备的通信模型构成总线访问子层信息规范子层物理层数据链路层层管理层管理层管理层管理系统管理信息库对象字典设备描述功能块对象系统管理内核协议对象字典系统管理内核功能块应用进程对象字典网络管理信息库网络管理代理VCRs物理设备通信实体用户层应用层物理层数据链路层物理层及其网络连接•物理层为实现设备与总线之间的连接。–提供符合规范的物理信号。–提供符合规范的机械和电气接口。•物理层把来自数据链路层的信息转换为物理信号，发送到现场总线传输媒体上。起转换、驱动、发送的作用；•把自总线上接收到的物理信号转换为信息送往数据链路层。起转换、接收的作用。物理层的信号处理：•对来自数据链路层的数据信息实行数据编码(曼彻斯特编码)；加上前导码、定界码、结束码；经信号驱动；把所产生的物理信号传送到总线上。•对从总线上接收到的物理信号，去除前导码、定界码、结束码；实行数据解码后，把数据信息送往数据链路层。现场设备的物理连接：–可配备标有“+”“-”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。H1的数据帧结构•数据帧的协议数据分层生成。•数据采用双向-L曼彻斯特编码–ManchesterBiphase–Lcode•在物理层添加–前导码–帧前定界码–帧结束码协议数据的生成用户数据FMS协议数据用户数据编码前导码帧前定界码DLL协议数据帧结束码FAS协议数据DLL协议控制帧校验FAS协议控制FMS协议控制物理层FMS总线报文规范FAS总线访问子层DLL数据链路层用户应用现场总线*当采用中继器时前导码可多于1个字节1*18至27315至155至256214至25540至251•前导码–置于帧的最前端，标志通信帧的信号开始。–接收端利用前导码信号同步其内部时钟。–前导码长度一般为8位的一个字节。–前导码字节的内容为10101010。•帧前定界码–标明信息起点。–其长度为8位的一个字节。–帧前定界码由特殊的N+码、N-码和1、0的双向-L曼彻斯特编码按规定的顺序组成。•关于N+码和N-码–N+码在整个时钟周期都保持高电平。–N-码在整个时钟周期都保持低电平、–N+码和N-码在时钟周期的中间不存在电平的跳变，以区别于数据所采用的双向-L曼彻斯特编码。•帧结束码–标志着通信帧的终止。–其长度也为8位的一个字节。–由特殊的N+码、N-码和1、0的双向-L曼彻斯特编码按规定的顺序组成，其组合不同于起始码。•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。H1的几种编码波形时钟前导码帧前定界码帧结束码101010101N+N-10N-N+01N+N-N+N-101•通信信号–频率31.25KHz。–幅值峰-峰0.75至1V。–加载到9至32伏的直流供电电压上。•终端器–由100Ω电阻和一个1μf的电容串联组成。9-32v电源现场总线信号t(a)电源现场设备0.75--1.0Vp-p终端器终端器H1网段的实测信号数据链路层与链路活动调度器数据链路层DLL(DataLinkLayer)的作用•为系统管理和通信活动提供服务–为数据的接收发送提供链路连接与链路活动调度。–提供节点活动状态的探测、响应。–为总线上各设备间的链路时间同步提供服务。•具备链路活动调度能力的设备，其DLL负责形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类协议数据单元。•对没有链路活动调度能力的设备，其DLL负责来自总线的链路数据作出响应，控制本设备对总线的活动。•数据链路层还要对所传输的信息实行帧校验。FF通信活动的类型•周期(预定)通信：由LAS按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动–根据预定的调度时间表，一旦到了某个设备要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据(CDCompelData)帧给这个设备。–收到了这个强制数据信息，就可以向总线上发送它的信息。•非周期（非预定）通信：在预定周期时间表之外的时间，LAS通过传递令牌(PTPassToken)开展的通信活动–得到PT令牌的设备可向总线发送信息。–总线上的所有设备都有机会通过这种方式发送信息。•周期通信与非周期通信都由LAS掌管。链路活动调度器LAS(LinkActiveScheduler)•LAS是总线段上的媒体访问控制中心，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。•LAS拥有总线上所有设备的清单。•总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。•任何时刻每个总线段上只能有一个LAS处于工作状态。LAS的活动•按照链路活动调度器的调度表，向网络上的设备发送强制数据CD，提供发送周期数据的机会。•发送传递令牌PT，使设备得到发送非周期数据的机会。•监视设备对传递令牌PT的响应，去掉某些不使用、不返还令牌的设备。•为新入网的设备探测未被采用过的地址，并把它们加入到活动表。•定期对总线段发布链路时间。链路活动调度权的竞争与LAS转交•总线段上的链路主设备通过竞争争夺LAS权–竞争发生在•系统启动•现有LAS出错失去LAS作用–具有最低节点地址的链路主设备会成为LAS。•低节点地址的链路主设备加入到已运行的网络–网段上已有一个执行LAS，在新的竞争之前之前，新加入的主设备不可能成为LAS。•可在设备的网络管理信息库中置入希望某设备成为LAS的信息。活动表及其维护•一个设备只要能响应链路活动调度器发出的传递令牌，它就会一直保持在活动表内。•LAS对不在活动表内的地址发送节点探测信息PN–如果节点对PN作出响应，LAS就把这个设备列入活动表，并发给该设备一个节点确认信息。–LAS对活动表执行一个周期之后，会对至少一个非活动地址发出探测。•设备既不使用令牌，也不把令牌返还给LAS，经3次后LAS就把它从活动表中去掉。•每个设备都保持有一个活动表的拷贝。•LAS在活动表有节点增减变化时对所有设备广播。数据链路的时间同步•总线上的周期性通信和功能块执行都按照数据链路层提供的时间工作。•LAS提供精确的控制时序。•由周期性广播的时间发布帧TD(TimeDistribution)来决定链路调度的绝对开始时间。•各设备以绝对开始时间为基准、按规定的时间偏移量执行其周期通信、非周期通信、功能块调度以及其它应用进程。链路活动的调度过程到下一CD的发布时间吗?发布CD有其它工作要作吗?发布PT、PN或TD发布空闲报文是是H1设备类型–“链路活动调度器”（LAS）控制总线上的通信•时间主管•主设备表管理•调度网络通信•支持冗余–设备类型•链路主设备-有能力支持LAS功能。•基本设备-没有能力支持LAS功能。•网桥(链接设备LinkingDevice)-将单个现场总线网段组合链接在一起H1的设备类型现场总线LAS基本设备LAS=链路活动调度器链路主设备（备用）链路主设备（主）基本设备基本设备基本设备LASXH1设备标识•每一个设备都能唯一标识–设备ID•制造商为标识设备而设定－序列号•例如:003453ACME39483847–设备位号(TAG)•用户为标识操作而设定•例如:TT-101–设备地址•在网段上唯一的地址•例如:33设备地址分配•地址分配顺序:–设备连接到总线上，随机使用一个248～251之间的缺省地址（defaultaddress）。–组态工具（主机）为这个新设备分配一个物理设备位号（PDTAG）。–组态工具（主机）为这个新设备分配一个当前没有被使用的永久地址（permanentaddress）。时间•在总线上有两种意义上的时间–应用程序时间•事件时间标记•由用户选定的设备发布•支持冗余–网络时间•报文调度•由执行LAS发布•支持冗余（由LAS移交）应用层与虚拟通信关系应用层•构成–现场总线访问子层FAS•(FieldbusAccessSublayer)–总线报文规范子层FMS•(FieldbusMessageSpecification)•总线访问子层FAS–为FMS和应用进程提供报文传送服务•现场总线报文规范子层FMS–为用户应用提供通信服务、标准的报文格式等。虚拟通信关系VCR(VirtualCommunicationRelationships)•现场设备应用进程之间的逻辑连接称为虚拟通信关系。•基金会现场总线提供三种虚拟通信关系：客户/服务器型；报告分发型；发布/预订接收型客户/服务器型虚拟通信关系•基于传递令牌的通信–设备得到传递令牌时向总线上的另一设备发送数据通信请求，请求者被称为客户。–被请求提供数据者称为服务器。服务器收到请求，并得到传递令牌时，对客户请求作出响应。•特点:在客户与服务者之间的通信–一对一。–请求/响应式数据交换。–非周期性通信,在周期性通信以外的间隙中进行。•用于设置参数，如改变给定值，调整调节器参数，报警确认，设备参数的上载与下载等。报告分发型虚拟通信关系•通过报告分发型VCR，把报文分发给由该VCR所规定的一组地址，即有一组设备为该报文的接收者。•通信特点：–一对多–排队式–单向（非确认、无请求响应式）–非周期。•典型应用：将报警状态、趋势数据等通知操作台。发布/预订接收型虚拟通信关系按调度表进行的周期性通信•特点：–一对多•当数据发布设备收到CD令牌时，对总线上的所有设备广播它的报文，发布者•预定接收该发表报文的一组设备称为预订者。–周期性–缓冲式，只有最近发布的数据保留在缓冲器内，新的数据会覆盖先前的数据。•典型应用：为功能块的输入输出刷新数据，如刷新过程测量值、操作输出等。应用层提供的服务类型与作用通信关系管理服务–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–负责请求上/下载、打开上/下载、停止上/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。设备描述DD（DeviceDescription)–DD为系统理解现场设备的数据意义提供信息•在控制系统中为现场设备、主机、人机接口理解现场设备内的数据意义提供所需要的信息。–设备描述是设备驱动的基础•主机通过设备描述实现对某个设备的驱动，类似于设备的驱动程序。–DD内包括参数位号、工程单位、要显示的十进制点数、参数关系、量程与诊断菜单等。设备描述库的组成及其工作过程ComputerFZA来自基金会的标准设备描述制造商增加的设备描述设备描述CD-ROMDD服务A家设备Z家设备物理层数据链路层现场总线访问子层现场总线报文规范子层用户应用网络管理系统管理网络管理与系统管理网络管理•网络管理的任务–下载虚拟通信关系表VCRL；–通信栈的组态；–下载链路活动调度表LAS；–运行性能监视；–差错判断监视•网络管理信息库NMIB(NetworkManagementInformationBase)–N