FF总线概述

11基金会现场总线第七章第三节2233主要内容4.1概述4.2物理层4.3数据链路层4.4用户层及功能块4.5设备描述DD与DDL4.6通信控制器44主要内容4.1概述4.2物理层4.3数据链路层4.4用户层及功能块4.5设备描述DD与DDL4.6通信控制器55FF概述FF系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统专门设计的:1)它可以工作在工厂生产的现场环境下，2)能适应本质安全防爆的要求，3)还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。基金会现场总线作为工厂的底层网络，相对一般广域网、局域网而言，它是低速网段，其传输速率的典型值为:31.25kbps，1Mbps和2.5Mbps基金会现场总线(FoundationFieldbus,FF):由现场总线基金会开发。1996颁布低速总线标准H1。66减少接线与安装简化操作和维护易于集成FF现场总线的优点实现与地点无关的控制对等实体间高速通信灵活的拓朴结构真正的可互操作性完善的售后服务与技术支持77FF主要技术内容(1)基金会现场总线的通信技术(2)标准化功能块(FB，FunctionBlock)功能块应用进程(FBAP，FunctionBlockApplicationProcess)(3)设备描述(DD，DeviceDescription)设备描述语言(DDL，DeviceDescriptionLanguage）(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(5)系统集成技术(6)系统测试技术88物理层链路层应用层用户层FF通信模型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。物理层链路层应用层用户层通信栈功能块应用与设备描述总线报文子层总线访问子层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。99通信模型的主要组成部分从物理设备构成角度:1010FF协议数据的生成1111FF网络通信中的VCR在基金会现场总线网络中，设备之间传送信息是通过预先组态好了的通信通道进行的。这种在现场总线网络各应用之间的通信通道称之为虚拟通信关系(VCR，VirtualCommunicationRelationships)。现场设备应用进程之间的连接是一种逻辑上的连接,一种软连接。VCR类型客户/服务器型报告分发型发布/预订接收型通信特点排队、一对一、非周期排队、一对一、非周期缓冲、一对多、受调度或非周期信息类型初始设置参数或操作模式事件通知，趋势报导刷新功能块的输入输出数据典型应用设置给定值改变模式，调整控制参数，上载/下载。报警管理，访问显示画面。远程诊断向操作台通告报警状态，报告历史数据趋势向PID控制功能块和操作台发送测量值虚拟通信关系的类型与应用1212主要内容4.1概述4.2物理层4.3数据链路层4.4用户层及功能块4.5设备描述DD与DDL4.6通信控制器13134.2物理层及其网络连接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。数据链路层1加上前导码、定界码2数据编码1去除前导码、定界码2数据解码物理层作为电气接口，一方而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。物理层FF现场总线H1区域1414FF物理信号波形基金会现场总线为现场设备提供两种供电方式:1）总线供电2）非总线式单独供电总线供电的场合，总线上既要传送数字信号，又要由总线为现场设备供电。物理信号波形如下所示:151531.25KbpsH1总线电压模式的信号波形(a)(b)(c)161631.25KbpsH2总线电压模式的信号波形(a)(b)(c)1717•1Mbps的H2总线规范还支持一种特殊的电流模式，用于本安型总线供电的应用场合。1Mbps的现场总线信号是加载在l6kHz的交流电源信号上的。1818FF物理层信号编码用户数据协议高层数据链路层物理层数据链路层协议数据单元前导码、帧前定界码、帧结束码都是在发送端，由硬件生成并加载到物理信号上：发送驱动器传输介质1919曼彻斯特编码中中中2020现场设备按照基金会现场总线的相关规范，现场设备按使用环境分类。对总线供电类的设备其参数参照推荐标准标准信号低功耗信号总线供电分开单独供电总线供电分开单独供电本质安全111112121122非本质安全113114123124参数设备允许电压设备允许电流设备输入电源设备残余容抗设备残余感抗推荐值最小24V最小250mA1.2W5nF20uH2121FF压力、流量、液位变送器2222传输介质、最大传输距离电缆类型电缆型号传输速率最大传输距离A屏蔽双绞线#18AWGH131.25Kbps1900米#22AWGH21Mbps750米#22AWGH22.5Mbps500米B屏蔽多对双绞线#22AWGH131.25Kbps1200米C无屏蔽双绞线#22AWGH131.25Kbps400米D多芯屏蔽电缆#16AWGH131.25Kbps200米FF现场总线支持多种传输介质：双绞线、电缆、光缆、无线介质。导线媒体的允许传输距离2323网络拓扑结构2424总线型一、总线带分支结构采用这种结构是一根总线（主干）穿过过程区域并且设备连接到总线上。总线到设备之间的电缆称为分支。这种结构适用于区域内设备密度较低的情况，它常用于新安装。2525树型一、树形或分支或鸡爪形结构它适用于在特定范围内现场总线设备密度较高的情况。它常用于升级情况，即电缆已与接线盒和设备安装就位。在这种情况下，它为现场总线安装提供了一种低成本增加新电缆的方法。2626菊花链型一雏菊链拓朴结构雏菊链拓朴看上去很吸引人，但实际不是。它似乎能降低总的电缆长度元件连接费用，但花费很大。其成本主要是其下游的维护性和可靠性。若采用雏菊链拓朴结构，当一台设备要从区域取下来，该设备后面区域上的所有设备都将失去连接，产生故障，这将导致许多设备失效和潜在的边程停运。2727FF现场总线类型/H22828低速现场总线H1高速现场总线H2传输速率31.25Kbps31.25Kbps31.25Kbps1Mbps1Mbps1Mbps信号类型电压电压电压电流电压电压拓朴结构总线/菊花链/树型总线/菊花链/树型总线/菊花链/树型总线总线总线总线通信距离1900m1900m1900m750m750m750m分支长度120m120m120m000供电方式非总线供电总线供电总线供电总线交流供电非总线供电非总线供电本质安全不支持不支持支持支持不支持不支持设备数/段2-231-122-62-322-322-322929IEC推荐的现场总线控制系统体系结构3030主要内容4.1概述4.2物理层4.3数据链路层4.4用户层及功能块4.5设备描述DD与DDL4.6通信控制器31314.3数据链路层DLL在数据链路层上所生成的协议控制信息就是为完成对总线上的各类链路传输活动进行控制而设置的。数据链路层位于物理层PHY与总线访问子层FAS之间，为系统管理内核和总线访问子层FAS访问总线媒体提供服务。3232数据链路协议数据单元DL-PDU帧DL-PDU提供数据链路的协议控制信息。协议控制信息由三部分组成:3333DLPDU类型符号帧控制字节建立连接1EC11111LF00断开连接1DC10111LF00强制数据1CD11111LEPP数据帧1DT11101LFPP状态响应SR00010F11传递令牌PT00110FPP空闲帧Idle00010F10DLPDU的种类和帧控制信息格式（部分）3434数据链路层LAS每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS。LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。受调度通信：非调度通信：基金会现场总线的通信活动分为两类：预定调度时间表，到时就由LAS发CD给基本设备。适于现场设备之间周期性通信；LAS在调度时间表之外，发令牌到总线，适于现场设备之间非周期通信，是令牌总线方式。3535LAS基本功能：1)向设备发送强制数据CD；2)向设备发送传递令牌PT；3)为新入网的设备探测未被采用过的地址；4)定期对总线段发布数据链路时间和调度时间；5)监视设备对传递令牌PT的响应3636LAS工作过程1链路活动调度器LAS调度权的竞争过程与转交；2链路活动的调度算法；3活动表及其维护3737通信设备类型按照设备的通信能力，基金会现场总线把通信设备分为三类：链路主设备、基本设备、网桥。现场总线的通信设备与LAS3838主要内容4.1概述4.2物理层4.3数据链路层4.4用户层及功能块4.5设备描述DD与DDL4.6通信控制器39394.4用户层及功能块用户层报文规范子层FMS通信栈物理层报文访问子层FAS数据链路层DLL用户层通信栈的最后一层是本质上新的类型层，称为用户层，用户层包括三个主要部件：功能块、变换块、资源块。用户层提供了功能块和设备描述，无需特别编程，主机系统即可与设备通信。4040典型用户应用块它是过程控制或I/O功能块。它们用来执行过程控制策略。功能块与转换器块接口以访问过程控制信息；与FF现场总线高速通信，使信息能被其它设备所用。10个标准功能块，19个标准的附加功能块。资源块转换器块功能块FF现场总线资源块完整定义了设备与外界的连接。采用资源块，主机知道设备的属性和功能。资源块包含整个资源通用的信息，包括设备识别、硬件、设备特点、内存和CPU可用率、写保护、故障安全和报警管理。转换器块完整定义了有关设备传感器或执行器的信息。它是物理世界和信息世界的连接。转换器块与模拟输入或输出功能块通信。AI和AO模块与外部通信。这种模块负责信息和特定的功能，例如一个特定物理属性的测量，如压力或温度，或一种特别的测量技术，如超声波或科立奥利。4141FF基本标准功能块名称符号名称符号模拟量输入AI离散输出DO模拟量输出AO手动装载ML偏置B比例微分PD控制选择CS比例积分微分PID离散输入DI比率系数RA4242功能块应用进程FBAPFBAP位于基金会现场总线通信模型的最高层—用户层。FBAP作为用户层的重要组成部分，用于完成基金会现场总线中的自动化系统功能。现场总线系统是协同工作的应用进程AP的集合。应用进程AP是现场总线系统活动的基本组成部分，是最基本的对象。每个应用进程AP表述了存在于一个设备内的分别包装成组的功能块FB。自动化系统FBAPsFBs4343功能块的内部结构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，把按时间反复执行的函数模块为算法，把输入参数按功能块算法转换成输出参数。44443244MW温度变送器基金会现场总线的3244MW型多变量温度变送器功能方框图4545功能块服务功能块服务描述了在接口设备、临时性设备中含有功能块应用的现场设备之间，运用FMS所进行的相互作用。功能块服务表功能块服务服务说明支持对象FB_ReadI/T设备读取现场设备OD中的参数及其它对象的相关值块、参数、链接、趋势、观测FB_WriteI/T设备向现场设备OD中块参数及其它对象写入值块、参数、链接、趋势、观测FB_Alert_Notify现场设备向接口设备报告警报或事件报警FB_Alert_Ack接口设备在处理报警后清除警报/事件的未确认属性报警FB_TagI/T设备更改块（FB，TB，BR）的位号（Tag)块FB_Action使一个块或对象的一个实例被创建或删除块、链接、趋势4646功能块应用进程FBAP的组成完整的功能块应用进程由功能块应用对象、对象字典、设备描述组成。4747主要内容4.1概述4.2物理层4.3数据链路层4.4用户层及功能块4.5设备描述DD与DDL4.6通信控制器48484.5设备描述DD与DDL设备描述为主机系统提供了一种自动识别和作用现场设备的方式。