現(xiàn)場總線概要.ppt

工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)現(xiàn)場總線FF 陽憲惠清華大學(xué)自動(dòng)化系100084 基金會(huì)現(xiàn)場總線的特點(diǎn) FF屬于IEC61158國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)子集 其開發(fā)初衷是希望形成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)FF分低速總線H1和高速總線HSE兩部分分別屬于IEC標(biāo)準(zhǔn)中兩個(gè)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(yīng)過程自動(dòng)化系統(tǒng)在功能 環(huán)境與技術(shù)上的需要而設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為完整的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議除具有適應(yīng)信號(hào)傳輸需要的物理層 數(shù)據(jù)鏈路層外 還具有適應(yīng)控制應(yīng)用需要的應(yīng)用層與用戶層規(guī)范了功能塊等 為實(shí)現(xiàn)開放性控制系統(tǒng)創(chuàng)造了基本條件 能適應(yīng)總線供電的要求 可利用總線為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源 能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求H1網(wǎng)段的最大長度4 1900m一個(gè)網(wǎng)段可以掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)按應(yīng)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(wǎng)段系統(tǒng)所處網(wǎng)段的安全等級(jí) 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 現(xiàn)場總線訪問子層 現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范子層 用戶層 傳輸層 會(huì)話層 表示層 應(yīng)用層 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)層 OSI模型 現(xiàn)場總線模型 1 2 3 4 5 6 7 H1的通信參考模型 物理設(shè)備的通信模型構(gòu)成 標(biāo)準(zhǔn)化功能塊FB FunctionBlock 是開放式控制應(yīng)用的基礎(chǔ)功能塊采用通用結(jié)構(gòu)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(fù)調(diào)用 構(gòu)成功能塊進(jìn)程的對(duì)象 塊對(duì)象 鏈接對(duì)象 趨勢(shì)對(duì)象 觀測對(duì)象 程序調(diào)用對(duì)象等對(duì)象字典由一系列描述對(duì)象及其數(shù)據(jù)類型的條目組成 對(duì)象字典開頭的第一個(gè)靜態(tài)條目 目錄0 指向索引 索引收集了所采用對(duì)象的對(duì)象描述在對(duì)象字典中的起始目錄號(hào) 該對(duì)象描述的連貫條目數(shù)都收集在一起 形成應(yīng)用進(jìn)程索引 索引中對(duì)象描述的起始目錄號(hào)成為在對(duì)象字典中尋找相應(yīng)對(duì)象描述的指針 根據(jù)指針尋找到相應(yīng)的對(duì)象描述對(duì)象字典查閱示意圖 對(duì)象字典 0 OD對(duì)象描述 1 100 數(shù)據(jù)類型 Boolean etc nnn 數(shù)組 目錄對(duì)象 FunctionBlockReference ppp RecordDS 32 ppp 1 ppp 2 ppp 3 ST REV TAG DESC STRATEGY 參數(shù) 緊跟塊記錄的參數(shù) ST REV 功能塊特征 設(shè)備描述DD DeviceDescription DD為系統(tǒng)理解現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)意義提供信息在控制系統(tǒng)中為現(xiàn)場設(shè)備 主機(jī) 人機(jī)接口理解現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)意義提供所需要的信息設(shè)備描述是設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)主機(jī)通過設(shè)備描述實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng) 類似于設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序DD內(nèi)包括參數(shù)位號(hào) 工程單位 要顯示的十進(jìn)制點(diǎn)數(shù) 參數(shù)關(guān)系 量程與診斷菜單等 設(shè)備描述庫的組成及其工作過程 物理層及其網(wǎng)絡(luò)連接 物理層為實(shí)現(xiàn)設(shè)備與總線之間的連接提供符合規(guī)范的物理信號(hào)提供符合規(guī)范的機(jī)械和電氣接口物理層把來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息轉(zhuǎn)換為物理信號(hào) 發(fā)送到現(xiàn)場總線傳輸媒體上 起轉(zhuǎn)換 驅(qū)動(dòng) 發(fā)送的作用 把自總線上接收到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為信息送往數(shù)據(jù)鏈路層 起轉(zhuǎn)換 接收的作用 物理層的信號(hào)處理 對(duì)來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)信息實(shí)行數(shù)據(jù)編碼 曼徹斯特編碼 加上前導(dǎo)碼 定界碼 結(jié)束碼 經(jīng)信號(hào)驅(qū)動(dòng) 把所產(chǎn)生的物理信號(hào)傳送到總線上 對(duì)從總線上接收到的物理信號(hào) 去除前導(dǎo)碼 定界碼 結(jié)束碼 實(shí)行數(shù)據(jù)解碼后 把數(shù)據(jù)信息送往數(shù)據(jù)鏈路層 現(xiàn)場設(shè)備的物理連接 可配備標(biāo)有 號(hào)的醒目標(biāo)簽 以清楚地表明接口處的極性 容許具有自動(dòng)極性判別能力的現(xiàn)場設(shè)備不配備這種標(biāo)簽 H1的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)幀的協(xié)議數(shù)據(jù)分層生成數(shù)據(jù)采用雙向 L曼徹斯特編碼ManchesterBiphase Lcode在物理層添加前導(dǎo)碼幀前定界碼幀結(jié)束碼 協(xié)議數(shù)據(jù)的生成 前導(dǎo)碼置于幀的最前端 標(biāo)志通信幀的信號(hào)開始 接收端利用前導(dǎo)碼信號(hào)同步其內(nèi)部時(shí)鐘前導(dǎo)碼長度一般為8位的一個(gè)字節(jié)前導(dǎo)碼字節(jié)的內(nèi)容為10101010幀前定界碼標(biāo)明信息起點(diǎn)其長度為8位的一個(gè)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(guān)于N 碼和N 碼N 碼在整個(gè)時(shí)鐘周期都保持高電平N 碼在整個(gè)時(shí)鐘周期都保持低電平N 碼和N 碼在時(shí)鐘周期的中間不存在電平的跳變 以區(qū)別于數(shù)據(jù)所采用的雙向 L曼徹斯特編碼 幀結(jié)束碼標(biāo)志著通信幀的終止其長度也為8位的一個(gè)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(dǎo)碼 幀前定界符 幀結(jié)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(hào) H1的幾種編碼波形 通信信號(hào)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(gè)1 f的電容串聯(lián)組成 H1網(wǎng)段的實(shí)測信號(hào) 數(shù)據(jù)鏈路層與鏈路活動(dòng)調(diào)度器 數(shù)據(jù)鏈路層DLL DataLinkLayer 的作用為系統(tǒng)管理和通信活動(dòng)提供服務(wù)為數(shù)據(jù)的接收發(fā)送提供鏈路連接與鏈路活動(dòng)調(diào)度提供節(jié)點(diǎn)活動(dòng)狀態(tài)的探測 響應(yīng)為總線上各設(shè)備間的鏈路時(shí)間同步提供服務(wù) 具備鏈路活動(dòng)調(diào)度能力的設(shè)備 其DLL負(fù)責(zé)形成鏈路活動(dòng)調(diào)度表 并按照調(diào)度表的內(nèi)容形成各類協(xié)議數(shù)據(jù)單元 對(duì)沒有鏈路活動(dòng)調(diào)度能力的設(shè)備 其DLL負(fù)責(zé)來自總線的鏈路數(shù)據(jù)作出響應(yīng) 控制本設(shè)備對(duì)總線的活動(dòng) 數(shù)據(jù)鏈路層還要對(duì)所傳輸?shù)男畔?shí)行幀校驗(yàn) FF通信活動(dòng)的類型 周期 預(yù)定 通信 由LAS按預(yù)定調(diào)度時(shí)間表周期性依次發(fā)起的通信活動(dòng)根據(jù)預(yù)定的調(diào)度時(shí)間表 一旦到了某個(gè)設(shè)備要發(fā)送的時(shí)間 鏈路活動(dòng)調(diào)度器就發(fā)送一個(gè)強(qiáng)制數(shù)據(jù) CDCompelData 幀給這個(gè)設(shè)備 收到了這個(gè)強(qiáng)制數(shù)據(jù)信息 就可以向總線上發(fā)送它的信息 非周期 非預(yù)定 通信 在預(yù)定周期時(shí)間表之外的時(shí)間 LAS通過傳遞令牌 PTPassToken 開展的通信活動(dòng)得到PT令牌的設(shè)備可向總線發(fā)送信息總線上的所有設(shè)備都有機(jī)會(huì)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(dòng)調(diào)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(shè)備對(duì)總線的操作LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單總線段上的設(shè)備只有得到鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS的許可 才能向總線上傳輸數(shù)據(jù)任何時(shí)刻每個(gè)總線段上只能有一個(gè)LAS處于工作狀態(tài) LAS的活動(dòng) 按照鏈路活動(dòng)調(diào)度器的調(diào)度表 向網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備發(fā)送強(qiáng)制數(shù)據(jù)CD 提供發(fā)送周期數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)發(fā)送傳遞令牌PT 使設(shè)備得到發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)監(jiān)視設(shè)備對(duì)傳遞令牌PT的響應(yīng) 去掉某些不使用 不返還令牌的設(shè)備為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址 并把它們加入到活動(dòng)表定期對(duì)總線段發(fā)布鏈路時(shí)間 鏈路活動(dòng)調(diào)度權(quán)的競爭與LAS轉(zhuǎn)交 總線段上的鏈路主設(shè)備通過競爭爭奪LAS權(quán)競爭發(fā)生在系統(tǒng)啟動(dòng)現(xiàn)有LAS出錯(cuò)失去LAS作用具有最低節(jié)點(diǎn)地址的鏈路主設(shè)備會(huì)成為LAS低節(jié)點(diǎn)地址的鏈路主設(shè)備加入到已運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)段上已有一個(gè)執(zhí)行LAS 在新的競爭之前之前 新加入的主設(shè)備不可能成為LAS 可在設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理信息庫中置入希望某設(shè)備成為LAS的信息 活動(dòng)表及其維護(hù) 一個(gè)設(shè)備只要能響應(yīng)鏈路活動(dòng)調(diào)度器發(fā)出的傳遞令牌 它就會(huì)一直保持在活動(dòng)表內(nèi) LAS對(duì)不在活動(dòng)表內(nèi)的地址發(fā)送節(jié)點(diǎn)探測信息PN如果節(jié)點(diǎn)對(duì)PN作出響應(yīng) LAS就把這個(gè)設(shè)備列入活動(dòng)表 并發(fā)給該設(shè)備一個(gè)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)信息 LAS對(duì)活動(dòng)表執(zhí)行一個(gè)周期之后 會(huì)對(duì)至少一個(gè)非活動(dòng)地址發(fā)出探測 設(shè)備既不使用令牌 也不把令牌返還給LAS 經(jīng)3次后LAS就把它從活動(dòng)表中去掉每個(gè)設(shè)備都保持有一個(gè)活動(dòng)表的拷貝LAS在活動(dòng)表有節(jié)點(diǎn)增減變化時(shí)對(duì)所有設(shè)備廣播 數(shù)據(jù)鏈路的時(shí)間同步總線上的周期性通信和功能塊執(zhí)行都按照數(shù)據(jù)鏈路層提供的時(shí)間工作LAS提供精確的控制時(shí)序由周期性廣播的時(shí)間發(fā)布幀TD TimeDistribution 來決定鏈路調(diào)度的絕對(duì)開始時(shí)間各設(shè)備以絕對(duì)開始時(shí)間為基準(zhǔn) 按規(guī)定的時(shí)間偏移量執(zhí)行其周期通信 非周期通信 功能塊調(diào)度以及其它應(yīng)用進(jìn)程 鏈路活動(dòng)的調(diào)度過程 應(yīng)用層與虛擬通信關(guān)系 應(yīng)用層構(gòu)成現(xiàn)場總線訪問子層FAS FieldbusAccessSublayer 總線報(bào)文規(guī)范子層FMS FieldbusMessageSpecification 總線訪問子層FAS為FMS和應(yīng)用進(jìn)程提供報(bào)文傳送服務(wù)現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范子層FMS為用戶應(yīng)用提供通信服務(wù) 標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式等 虛擬通信關(guān)系VCR VirtualCommunicationRelationships 現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用進(jìn)程之間的邏輯連接稱為虛擬通信關(guān)系基金會(huì)現(xiàn)場總線提供三種虛擬通信關(guān)系 客戶 服務(wù)器型 報(bào)告分發(fā)型 發(fā)布 預(yù)訂接收型 客戶 服務(wù)器型虛擬通信關(guān)系 基于傳遞令牌的通信設(shè)備得到傳遞令牌時(shí)向總線上的另一設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)通信請(qǐng)求 請(qǐng)求者被稱為客戶被請(qǐng)求提供數(shù)據(jù)者稱為服務(wù)器 服務(wù)器收到請(qǐng)求 并得到傳遞令牌時(shí) 對(duì)客戶請(qǐng)求作出響應(yīng) 特點(diǎn) 在客戶與服務(wù)者之間的通信一對(duì)一請(qǐng)求 響應(yīng)式數(shù)據(jù)交換非周期性通信 在周期性通信以外的間隙中進(jìn)行用于設(shè)置參數(shù) 如改變給定值 調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù) 報(bào)警確認(rèn) 設(shè)備參數(shù)的上載與下載等 報(bào)告分發(fā)型虛擬通信關(guān)系 通過報(bào)告分發(fā)型VCR 把報(bào)文分發(fā)給由該VCR所規(guī)定的一組地址 即有一組設(shè)備為該報(bào)文的接收者通信特點(diǎn) 一對(duì)多排隊(duì)式單向 非確認(rèn) 無請(qǐng)求響應(yīng)式 非周期 典型應(yīng)用 將報(bào)警狀態(tài) 趨勢(shì)數(shù)據(jù)等通知操作臺(tái) 發(fā)布 預(yù)訂接收型虛擬通信關(guān)系 按調(diào)度表進(jìn)行的周期性通信特點(diǎn) 一對(duì)多當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)布設(shè)備收到CD令牌時(shí) 對(duì)總線上的所有設(shè)備廣播它的報(bào)文 發(fā)布者預(yù)定接收該發(fā)表報(bào)文的一組設(shè)備稱為預(yù)訂者周期性緩沖式 只有最近發(fā)布的數(shù)據(jù)保留在緩沖器內(nèi) 新的數(shù)據(jù)會(huì)覆蓋先前的數(shù)據(jù)典型應(yīng)用 為功能塊的輸入輸出刷新數(shù)據(jù) 如刷新過程測量值 操作輸出等 應(yīng)用層提供的服務(wù)類型與作用 通信關(guān)系管理服務(wù)建立 釋放通信連接 拒絕不合適的通信服務(wù) 讀取設(shè)備狀態(tài)等對(duì)象字典服務(wù)讀取對(duì)象字典 裝載或終止裝載對(duì)象字典 變量訪問服務(wù)讀 寫變量 定義 刪除變量 事件管理服務(wù)負(fù)責(zé)事件報(bào)告 事件確認(rèn) 上 下載服務(wù)負(fù)責(zé)請(qǐng)求上 下載 打開上 下載 停止上 下載 對(duì)設(shè)備發(fā)送 讀取數(shù)據(jù)程序調(diào)用服務(wù)建立 刪除程序?qū)ο?啟動(dòng) 停止 恢復(fù)程序執(zhí)行等 用戶層與功能塊應(yīng)用 用戶層是在ISO OSI參考模型七層結(jié)構(gòu)上添加的一層 用于完成控制應(yīng)用功能 功能塊一種使功能的公共特征標(biāo)準(zhǔn)化的模塊結(jié)構(gòu)功能塊可按周期 或按事件的發(fā)生重復(fù)作用把實(shí)現(xiàn)控制應(yīng)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(shù)與塊控制的模塊化函數(shù)算法 功能塊的結(jié)構(gòu) 模塊 功能塊 資源塊 變換塊 功能塊的模塊類型 實(shí)現(xiàn)基本自控制功能跨越總線網(wǎng)絡(luò)鏈接按照時(shí)間表準(zhǔn)確調(diào)度 設(shè)備的一般信息與資源相關(guān)的定時(shí)器 輸入 輸出的特定信息調(diào)校組態(tài) 資源塊 用于描述現(xiàn)場總線設(shè)備的特征 如設(shè)備名 制造者 系列號(hào) 規(guī)定一組參數(shù)來表達(dá)資源塊特性 資源塊沒有輸入 輸出參數(shù) 其參數(shù)內(nèi)含 無連接 通過資源塊 可在網(wǎng)絡(luò)上訪問與資源塊相關(guān)的設(shè)備的特性設(shè)備類型 版本 制作商 存儲(chǔ)器大小 硬件類型 狀態(tài) 寫保護(hù)等 一個(gè)設(shè)備中只有唯一的一個(gè)資源塊 變換塊按所要求的頻率讀取傳感器硬件中的數(shù)據(jù)可使數(shù)據(jù)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(shè)備入口變換塊包含有量程數(shù)據(jù) 傳感器類型 線性化 I O數(shù)據(jù)表示等信息 每個(gè)輸入或輸出功能塊內(nèi)都會(huì)有一個(gè)變換塊 功能塊功能塊提供控制系統(tǒng)功能由參數(shù) 算法和事件組成由外部事件驅(qū)動(dòng)功能塊的執(zhí)行功能塊中包含有標(biāo)準(zhǔn)的塊參數(shù)通過算法把輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換為輸出參數(shù)功能塊的執(zhí)行按周期性調(diào)度或按事件驅(qū)動(dòng)可跨越現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)功能塊的輸入輸出參數(shù)連接用戶應(yīng)用中可包含多個(gè)功能塊 功能塊連接 把一個(gè)功能塊的輸入連接到另一個(gè)功能塊的輸出 以實(shí)現(xiàn)功能塊間的參數(shù)傳遞與功能集成功能塊之間的連接可存在于功能塊應(yīng)用內(nèi)部 也存在于功能塊應(yīng)用之間 功能塊種類10個(gè)基本功能塊19個(gè)先進(jìn)功能塊4個(gè)多輸入 多輸出功能塊1個(gè)柔性功能塊 功能塊應(yīng)用進(jìn)程完整的功能塊應(yīng)用進(jìn)程由功能塊應(yīng)用對(duì)象 對(duì)象字典 設(shè)備描述幾部分組成 功能塊應(yīng)用進(jìn)程模塊及其與對(duì)象的連接 功能塊的分布與連接 FF的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng) H1網(wǎng)段的基本構(gòu)成部件基本網(wǎng)段 作為網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場設(shè)備 應(yīng)有主設(shè)備 總線供電電源 電源耦合 調(diào)理 器 連接在網(wǎng)段兩端的終端器 電纜或雙絞線 連接端子工作主機(jī) 可以作為鏈路主管 通信與控制系統(tǒng)組態(tài)器 人機(jī)界面