現場總線概要.ppt

工業(yè)數據通信與控制網絡基金會現場總線FF 陽憲惠清華大學自動化系100084 基金會現場總線的特點 FF屬于IEC61158國際現場總線標準子集 其開發(fā)初衷是希望形成統(tǒng)一的現場總線標準FF分低速總線H1和高速總線HSE兩部分分別屬于IEC標準中兩個不同的子集低速總線H1的通信速率為31 25Kbps高速總線HSE的通信速率為10M 100Mbps為適應過程自動化系統(tǒng)在功能 環(huán)境與技術上的需要而設計是一項較為完整的控制網絡協議除具有適應信號傳輸需要的物理層 數據鏈路層外 還具有適應控制應用需要的應用層與用戶層規(guī)范了功能塊等 為實現開放性控制系統(tǒng)創(chuàng)造了基本條件 能適應總線供電的要求 可利用總線為現場設備提供工作電源 能適應本質安全防爆的要求H1網段的最大長度4 1900m一個網段可以掛接的節(jié)點數按應用場合不同有32 16 8 4多種不同規(guī)定考慮是否為本安網段系統(tǒng)所處網段的安全等級 物理層 數據鏈路層 現場總線訪問子層 現場總線報文規(guī)范子層 用戶層 傳輸層 會話層 表示層 應用層 物理層 數據鏈路層 網絡層 OSI模型 現場總線模型 1 2 3 4 5 6 7 H1的通信參考模型 物理設備的通信模型構成 標準化功能塊FB FunctionBlock 是開放式控制應用的基礎功能塊采用通用結構規(guī)范了功能塊種類 輸入 輸出 算法 事件等功能塊方便重復調用 構成功能塊進程的對象 塊對象 鏈接對象 趨勢對象 觀測對象 程序調用對象等對象字典由一系列描述對象及其數據類型的條目組成 對象字典開頭的第一個靜態(tài)條目 目錄0 指向索引 索引收集了所采用對象的對象描述在對象字典中的起始目錄號 該對象描述的連貫條目數都收集在一起 形成應用進程索引 索引中對象描述的起始目錄號成為在對象字典中尋找相應對象描述的指針 根據指針尋找到相應的對象描述對象字典查閱示意圖 對象字典 0 OD對象描述 1 100 數據類型 Boolean etc nnn 數組 目錄對象 FunctionBlockReference ppp RecordDS 32 ppp 1 ppp 2 ppp 3 ST REV TAG DESC STRATEGY 參數 緊跟塊記錄的參數 ST REV 功能塊特征 設備描述DD DeviceDescription DD為系統(tǒng)理解現場設備的數據意義提供信息在控制系統(tǒng)中為現場設備 主機 人機接口理解現場設備內的數據意義提供所需要的信息設備描述是設備驅動的基礎主機通過設備描述實現對某個設備的驅動 類似于設備的驅動程序DD內包括參數位號 工程單位 要顯示的十進制點數 參數關系 量程與診斷菜單等 設備描述庫的組成及其工作過程 物理層及其網絡連接 物理層為實現設備與總線之間的連接提供符合規(guī)范的物理信號提供符合規(guī)范的機械和電氣接口物理層把來自數據鏈路層的信息轉換為物理信號 發(fā)送到現場總線傳輸媒體上 起轉換 驅動 發(fā)送的作用 把自總線上接收到的物理信號轉換為信息送往數據鏈路層 起轉換 接收的作用 物理層的信號處理 對來自數據鏈路層的數據信息實行數據編碼 曼徹斯特編碼 加上前導碼 定界碼 結束碼 經信號驅動 把所產生的物理信號傳送到總線上 對從總線上接收到的物理信號 去除前導碼 定界碼 結束碼 實行數據解碼后 把數據信息送往數據鏈路層 現場設備的物理連接 可配備標有 號的醒目標簽 以清楚地表明接口處的極性 容許具有自動極性判別能力的現場設備不配備這種標簽 H1的數據幀結構 數據幀的協議數據分層生成數據采用雙向 L曼徹斯特編碼ManchesterBiphase Lcode在物理層添加前導碼幀前定界碼幀結束碼 協議數據的生成 前導碼置于幀的最前端 標志通信幀的信號開始 接收端利用前導碼信號同步其內部時鐘前導碼長度一般為8位的一個字節(jié)前導碼字節(jié)的內容為10101010幀前定界碼標明信息起點其長度為8位的一個字節(jié)幀前定界碼由特殊的N 碼 N 碼和1 0的雙向 L曼徹斯特編碼按規(guī)定的順序組成 關于N 碼和N 碼N 碼在整個時鐘周期都保持高電平N 碼在整個時鐘周期都保持低電平N 碼和N 碼在時鐘周期的中間不存在電平的跳變 以區(qū)別于數據所采用的雙向 L曼徹斯特編碼 幀結束碼標志著通信幀的終止其長度也為8位的一個字節(jié)由特殊的N 碼 N 碼和1 0的雙向 L曼徹斯特編碼按規(guī)定的順序組成 其組合不同于起始碼前導碼 幀前定界符 幀結束碼都由物理層的硬件電路生成并加載到總線上 形成物理傳輸信號 H1的幾種編碼波形 通信信號頻率31 25KHz幅值峰 峰0 75至1V加載到9至32伏的直流供電電壓上終端器由100 電阻和一個1 f的電容串聯組成 H1網段的實測信號 數據鏈路層與鏈路活動調度器 數據鏈路層DLL DataLinkLayer 的作用為系統(tǒng)管理和通信活動提供服務為數據的接收發(fā)送提供鏈路連接與鏈路活動調度提供節(jié)點活動狀態(tài)的探測 響應為總線上各設備間的鏈路時間同步提供服務 具備鏈路活動調度能力的設備 其DLL負責形成鏈路活動調度表 并按照調度表的內容形成各類協議數據單元 對沒有鏈路活動調度能力的設備 其DLL負責來自總線的鏈路數據作出響應 控制本設備對總線的活動 數據鏈路層還要對所傳輸的信息實行幀校驗 FF通信活動的類型 周期 預定 通信 由LAS按預定調度時間表周期性依次發(fā)起的通信活動根據預定的調度時間表 一旦到了某個設備要發(fā)送的時間 鏈路活動調度器就發(fā)送一個強制數據 CDCompelData 幀給這個設備 收到了這個強制數據信息 就可以向總線上發(fā)送它的信息 非周期 非預定 通信 在預定周期時間表之外的時間 LAS通過傳遞令牌 PTPassToken 開展的通信活動得到PT令牌的設備可向總線發(fā)送信息總線上的所有設備都有機會通過這種方式發(fā)送信息 周期通信與非周期通信都由LAS掌管 鏈路活動調度器LAS LinkActiveScheduler LAS是總線段上的媒體訪問控制中心 由它來掌管總線段上各設備對總線的操作LAS擁有總線上所有設備的清單總線段上的設備只有得到鏈路活動調度器LAS的許可 才能向總線上傳輸數據任何時刻每個總線段上只能有一個LAS處于工作狀態(tài) LAS的活動 按照鏈路活動調度器的調度表 向網絡上的設備發(fā)送強制數據CD 提供發(fā)送周期數據的機會發(fā)送傳遞令牌PT 使設備得到發(fā)送非周期數據的機會監(jiān)視設備對傳遞令牌PT的響應 去掉某些不使用 不返還令牌的設備為新入網的設備探測未被采用過的地址 并把它們加入到活動表定期對總線段發(fā)布鏈路時間 鏈路活動調度權的競爭與LAS轉交 總線段上的鏈路主設備通過競爭爭奪LAS權競爭發(fā)生在系統(tǒng)啟動現有LAS出錯失去LAS作用具有最低節(jié)點地址的鏈路主設備會成為LAS低節(jié)點地址的鏈路主設備加入到已運行的網絡網段上已有一個執(zhí)行LAS 在新的競爭之前之前 新加入的主設備不可能成為LAS 可在設備的網絡管理信息庫中置入希望某設備成為LAS的信息 活動表及其維護 一個設備只要能響應鏈路活動調度器發(fā)出的傳遞令牌 它就會一直保持在活動表內 LAS對不在活動表內的地址發(fā)送節(jié)點探測信息PN如果節(jié)點對PN作出響應 LAS就把這個設備列入活動表 并發(fā)給該設備一個節(jié)點確認信息 LAS對活動表執(zhí)行一個周期之后 會對至少一個非活動地址發(fā)出探測 設備既不使用令牌 也不把令牌返還給LAS 經3次后LAS就把它從活動表中去掉每個設備都保持有一個活動表的拷貝LAS在活動表有節(jié)點增減變化時對所有設備廣播 數據鏈路的時間同步總線上的周期性通信和功能塊執(zhí)行都按照數據鏈路層提供的時間工作LAS提供精確的控制時序由周期性廣播的時間發(fā)布幀TD TimeDistribution 來決定鏈路調度的絕對開始時間各設備以絕對開始時間為基準 按規(guī)定的時間偏移量執(zhí)行其周期通信 非周期通信 功能塊調度以及其它應用進程 鏈路活動的調度過程 應用層與虛擬通信關系 應用層構成現場總線訪問子層FAS FieldbusAccessSublayer 總線報文規(guī)范子層FMS FieldbusMessageSpecification 總線訪問子層FAS為FMS和應用進程提供報文傳送服務現場總線報文規(guī)范子層FMS為用戶應用提供通信服務 標準的報文格式等 虛擬通信關系VCR VirtualCommunicationRelationships 現場設備應用進程之間的邏輯連接稱為虛擬通信關系基金會現場總線提供三種虛擬通信關系 客戶 服務器型 報告分發(fā)型 發(fā)布 預訂接收型 客戶 服務器型虛擬通信關系 基于傳遞令牌的通信設備得到傳遞令牌時向總線上的另一設備發(fā)送數據通信請求 請求者被稱為客戶被請求提供數據者稱為服務器 服務器收到請求 并得到傳遞令牌時 對客戶請求作出響應 特點 在客戶與服務者之間的通信一對一請求 響應式數據交換非周期性通信 在周期性通信以外的間隙中進行用于設置參數 如改變給定值 調整調節(jié)器參數 報警確認 設備參數的上載與下載等 報告分發(fā)型虛擬通信關系 通過報告分發(fā)型VCR 把報文分發(fā)給由該VCR所規(guī)定的一組地址 即有一組設備為該報文的接收者通信特點 一對多排隊式單向 非確認 無請求響應式 非周期 典型應用 將報警狀態(tài) 趨勢數據等通知操作臺 發(fā)布 預訂接收型虛擬通信關系 按調度表進行的周期性通信特點 一對多當數據發(fā)布設備收到CD令牌時 對總線上的所有設備廣播它的報文 發(fā)布者預定接收該發(fā)表報文的一組設備稱為預訂者周期性緩沖式 只有最近發(fā)布的數據保留在緩沖器內 新的數據會覆蓋先前的數據典型應用 為功能塊的輸入輸出刷新數據 如刷新過程測量值 操作輸出等 應用層提供的服務類型與作用 通信關系管理服務建立 釋放通信連接 拒絕不合適的通信服務 讀取設備狀態(tài)等對象字典服務讀取對象字典 裝載或終止裝載對象字典 變量訪問服務讀 寫變量 定義 刪除變量 事件管理服務負責事件報告 事件確認 上 下載服務負責請求上 下載 打開上 下載 停止上 下載 對設備發(fā)送 讀取數據程序調用服務建立 刪除程序對象 啟動 停止 恢復程序執(zhí)行等 用戶層與功能塊應用 用戶層是在ISO OSI參考模型七層結構上添加的一層 用于完成控制應用功能 功能塊一種使功能的公共特征標準化的模塊結構功能塊可按周期 或按事件的發(fā)生重復作用把實現控制應用所需的各種功能劃分為功能模塊規(guī)定了輸入 輸出 算法 事件 參數與塊控制的模塊化函數算法 功能塊的結構 模塊 功能塊 資源塊 變換塊 功能塊的模塊類型 實現基本自控制功能跨越總線網絡鏈接按照時間表準確調度 設備的一般信息與資源相關的定時器 輸入 輸出的特定信息調校組態(tài) 資源塊 用于描述現場總線設備的特征 如設備名 制造者 系列號 規(guī)定一組參數來表達資源塊特性 資源塊沒有輸入 輸出參數 其參數內含 無連接 通過資源塊 可在網絡上訪問與資源塊相關的設備的特性設備類型 版本 制作商 存儲器大小 硬件類型 狀態(tài) 寫保護等 一個設備中只有唯一的一個資源塊 變換塊按所要求的頻率讀取傳感器硬件中的數據可使數據的讀取 寫入過程與專有物理I O特性分離 為功能塊提供設備入口變換塊包含有量程數據 傳感器類型 線性化 I O數據表示等信息 每個輸入或輸出功能塊內都會有一個變換塊 功能塊功能塊提供控制系統(tǒng)功能由參數 算法和事件組成由外部事件驅動功能塊的執(zhí)行功能塊中包含有標準的塊參數通過算法把輸入參數轉換為輸出參數功能塊的執(zhí)行按周期性調度或按事件驅動可跨越現場總線實現功能塊的輸入輸出參數連接用戶應用中可包含多個功能塊 功能塊連接 把一個功能塊的輸入連接到另一個功能塊的輸出 以實現功能塊間的參數傳遞與功能集成功能塊之間的連接可存在于功能塊應用內部 也存在于功能塊應用之間 功能塊種類10個基本功能塊19個先進功能塊4個多輸入 多輸出功能塊1個柔性功能塊 功能塊應用進程完整的功能塊應用進程由功能塊應用對象 對象字典 設備描述幾部分組成 功能塊應用進程模塊及其與對象的連接 功能塊的分布與連接 FF的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng) H1網段的基本構成部件基本網段 作為網段節(jié)點的現場設備 應有主設備 總線供電電源 電源耦合 調理 器 連接在網段兩端的終端器 電纜或雙絞線 連接端子工作主機 可以作為鏈路主管 通信與控制系統(tǒng)組態(tài)器 人機界面