Download
1 / 53
530 likes | 760 Views
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。. 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。
E N D
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。
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)
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。
(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。
(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。(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。 (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。
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）
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。
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。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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
基金会现场总线的物理信号波形 • 图6.4 31．25Kbp5Hl总线电压模式的信号波形 (P148) • H2总线电压模式的信号波形
基金会现场总线的信号编码 • 协议报文编码 指携带了现场总线要传输的数据报文，这些数据报文由上层的协议数据单元生成。 • 前导码 • 帧前定界码 • 帧结束码 前导码、帧前定界码、帧结束码都是由物理层的硬件电路生成并加载到物理信号上的。
现场设备 • 现场设备是连接到现场总线上并与之通信的物理实体。按基金会现场总线的相关规范，现场设备按使用环境被分成类。符合H1规范的现场设备的分类情况如表4．5所示。纯粹从通信观点来看，表中各类设备均可在同一总线段上共存，但使用中应考虑是否满足安全与供电的应用要求。 • 从设备类型的分类表可以看到，它是按照设备是否为总线供电、是否可用于易燃易爆 环境以及功耗类别而区分的。对总线供电类的设备，由于挂接在总线不同位置上的设备从 总线所得到的电压会有所不同，任何一个制造商所提供的现场总线设备应该可挂接在总 线的任何位置上能正常工作，因而必须对满足设备正常工作的电压、电流范围等参数做出明确规定。
基金会现场总线的网络拓扑结构 • 低速现场总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速现场总线H2只支持总线型拓扑结构。 • 基金会现场总线支持桥接网。可以通过网桥把不同速率、不同类型媒体的网段连成网络。网桥设备具有多个口，每个口有一个物理层实体。
数据链路层 • 数据链路层(DLL，data linK Layer)位于物理层与总线访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务。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。总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。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，link active scheduler)。LAS具备链路活动调度能力，便可形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。对没有链路活动调度能力的设备来说，其数据链路层要对来自总线的链路数据做出响应，控制本设备对总线的活动。此外在DLL层还要对所传输的信息实行帧校验。
现场总线访问子层FAS • 现场总线访问子层(FAS，fieldbus access sublayer)是基金会现场总线通信参考模型中应用层的一个子层。它与总线报文规范层(FMS，fieldbus message specification)一起构成应用层。 • 总线访问子层FAS位于FMS与数据链路层之间，把FMS与数据链路层DLL分隔开来，利用数据链路层的受调度通信与非调度通信作用，为总线报文规范层提供服务，对FMS和AP提供VCR的报文传送服务。 • 前面已经提到过，在分布式应用系统中，各应用进程之间要利用通信通道传递信息。在应用层中，把这种模型化了的通信通道称为应用关系。应用关系负责在所要求的时间，按规定的通信特性，在两个或多个应用进程之间传送报文。总线访问子层的主要活动，就是围绕与应用关系相关的服务进行的。
现场总线报文规范层FMS • 现场总线报文规范层(FMS，Fieldbus Message Specification)是通信参考模型应用层中的另一个子层。该层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。它在整个通信模型中的位置及其与其他层的关系如图4．2所示。 • 总线报文规范层由以下几个模块组成：虚拟现场设备VFD 6对象字典管理；联络关系(上下文)管理；域管理；程序调用管理；变参访问；事件管理。
网络管理 • 为了在设备的通信模型中把第二至第七层，即数据链路层至应用层的通信协议集成起来，并监督其运行，现场总线基金会采用网络管理代理(NMA，network managementagent)，网络管理者(NMgr，network manager)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，完成网络的通信管理。
系统管理 • 每个设备中都有系统管理实体。该实体由用户应用和系统管理内核(SMK，system management kernel)组成。系统管理内核SMK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的协议与功能而完成的。 • 系统管理用以协调分布式现场总线系统中各设备的运行。基金会现场总线采用管理员／代理者模式(SMgr／SMK)，每个设备的系统管理内核(SMK)承担代理者角色，对从系统管理者(SMgr)实体收到的指示做出响应。系统管理可以全部包含在一个设备中，也可以分布在多个设备之间。
功能块应用进程 功能块应用进程位于基金会现场总线通信模型的最高层----用户层，用户层是在ISO/OSI参考模型中七层结构的基础上添加的一层。功能块应用进程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。而在完成功能块服务的过程中，要运用FMS子层。
对象及其属性 • 在基金会现场总线标准中，共享相同的数据结构，具有共同行为的对象称为一个对象类。对象类由属性表和服务表描述；由其关键属性(Key Attribute)识别；服务是指该类的功能。类还可分为子类，子类继承父类的属性，并增加新的属性。 • 对象属性用于识别对象功能及设备描述DD的内容。 • 对象各有其数据类型，如目录的数据类型为数组；块，Link，Alert，Action的数据类型为记录，view的数据类型是变量表等。它们各有不同的数据结构。
构成功能块应用进程的对象 • 块对象 • 链接对象 • 设备资源 * • 报警对象 • 趋势对象 • 观测对象 • 程序调用对象 • 域对象 • 作用对象
功能块应用进程中的用户应用块 • 典型的用户应用块有功能块、资源块、变换块。 • 基金会已定义了资源块、10个基本功能块、l 9个先进功能块以及一组变换块。
现场总线设备的功能块应用进程 • 从图6．1中现场总线设备的通信模型结构图可以清楚地看到：完整的功能块应用进程由功能块应用对象、对象字典、设备描述几部分组成。 • 现场总线设备的功能由它所具有的块以及块与块之间的相互连接关系所决定。 • 下页图是一个功能块对象应用的例子。它包含了功能块、资源块、变换块及附加对象。现场总线通信系统中，运用虚拟现场设备，实现网络上的设备功能可视。虚拟现场设备的对象描述及其相关数据可以采用虚拟通信关系跨越现场总线远程访问
传感器1 变换块1 功能块1 资源块 连接 观测表 报警 传感器2 变换块2 功能块2 趋势对象 观测表 功能块应用对象示例 :
基金会现场总线通信控制器及其接口线路 • 基金会现场总线是一个系统的概念，在现场总线的用户层，采用用户可组态的功能块来构成控制系统，以满足不同用户的各种需求。基金会现场总线比起其他总线通信系统来，更加强调系统的互连性和互操作性。它制定了完全开放的通信标准，把基本的控制功能算法下放到现场的仪表中，实现控制功能的彻底分散。
基金会现场总线通信控制器的功能 • 1．总线上的信号驱动和信号接收 • 2．传输数据的串、并行转换 • 3．串行数据的编码和解码 • 4．信息帧的打包和解包 • 5．帧校验序列的产生和验证 同步 帧前 链路层协议 访问子层 帧校验 帧前 前导码 定界码 控制信息 协议数据包 序列 定界码
基金会现场总线通信控制器芯片的介绍 • 目前可用作基金会现场总线通信控制器的芯片，已经有几家公司在生产，如日本的横河公司、富士公司；美国的SHIPSTAR公司、巴西的SMAR公司等。各家公司的产品功能繁简各不相同，各具特色。但是它们都声称符合ISA SP50规定的现场总线物理层标准。这里仅以SMAR公司的FB3050为例，对芯片的功能及应用作一介绍。
FB3050的主要特点 FB3050的功能框图 (P214,图6.35) • 内部有信号极性识别和矫正电路 • 总线结构 • 简化了用户电路的设计 • 含有帧校验逻辑 • 设置了禁止“闲谈”的功能 • 含有两个DMA电路 • 两个时钟源 • 自动识别帧控制字和帧目的地址 • 灵活的中断机制 • 可以和大多数微处理器相连接
引脚信号的功能 1．时钟和定时功能信号 此类信号共有四个，三个输入分别用于FB3050的系统时钟，传输数据速率时钟以及规定FB3050的系统时钟同步沿。一个l 25kHz输出信号供用户线路中使用。 2．CPU接口信号 包括l 6条地址线，8条地址线，两条片选线，两条读写控制线和中断申请线等。
3．存储器总线信号 是通过FB3050对CPU的地址总线进行变换后所产生的一组存储器总线 4．现场总线接口引脚 FB3050共有8条现场总线接口线，一条接收数据的信号线，一条发送数据的信号线，一条控制总线发送器工作状态的控制线，5条状态信号线。
FB3050的内部寄存器 FB3050内部共有几十个可寻址的寄存器，寄 存器是通过片选信号P1CSF31和CPU地址总 线的低6位来寻址的。 FB3050现场总线通信控制器允许用户以程序 查询、中断、DMA、帧和帧目的地址自动识 别等四种不同的方式工作。 FB3050内部寄存器见表6．27
1．寄存器运行方式 所谓寄存器运行方式就是指CPU通过查询状 态寄存器的内容，或结合部分必要的中断条 件，来完成现场总线的通信工作。这是最基 本的一种使用方式。 这种方式的特点是要接收和发送的每一个字 节都必须由CPU进行读取和写入，对每一种 逻辑条件都要由CPU来判断，因而CFU的时 间开销比较大。这种方式用到通信控制器的 大部分寄存器。
(1)发送、接收数据寄存器 发送、接收数据寄存器共用一个地址ooH，写该地址 是对发送寄存器操作，而读该地址则是对接收寄存器 操作。 (2)控制寄存器0 控制寄存器0是一个命令寄存器，口地址为01H，可读 可写。 (3)控制寄存器1 控制寄存器l是一个命令寄存器，口地址为02H，可读 可写。 (4)控制寄存器2 控制寄存器2是一个命令寄存器，口地址为03H，可读 可写。
(5)中断状态主寄存器 中断状态主寄存器是一个只读状态寄存器，口地址为 03H。CPU能够从寄存器中读出目前产生中断的中断 源的类别，在每个类别里还有若干个中断源，进一步 的信息还需要阅读对应的中断状态寄存器。 (6)中断状态寄存器0 中断状态寄存器0是一个读写寄存器，口地址为04H， 包含了通信接口的8个中断状态。写本寄存器的目的是 为了清除中断及中断状态，而并不是真正要把数据写 入寄存器。对某一位写1，将使该中断清除，并使本寄 存器对应位清零。写0则对该中断无影响。
(7)中断状态寄存器1 中断状态寄存器1是一个读写寄存器，口地址为05H， 包含了帧自动识别模式下的4个中断状态 。 (8)中断状态寄存器2 中断状态寄存器2是一个读写寄存器，口地址为06H， 包含了与定时器有关的6个中断状态 。 (9)中断状态寄存器3 中断状态寄存器3的口地址为07H，目前保留未用。 (10)中断屏蔽寄存器o，l，2，3 FB3050中对应四个中断状态寄存器，相应地设置了四 个中断屏蔽寄存器，它们的口地址是08H，09H， oAH，oBH。中断屏蔽寄存器的位定义与对应的中断 状态寄存器完全相同，中断屏蔽寄存器是可读可写的。
2．DMA运行方式 • DMA运行方式是把正常的读数和取数工作由DMA来承担，从而减轻了CPU的负担，使编程变得更容易。FB3050中有两个DMA控制器，一个用于数据发送，而另一个用于数据接收。用户可以不用DMA方式，也可以只用其中的一个，也可以两个都用，完全由用户决定。 • 采用DMA发送一帧数据的大致过程，P225
