第4章 基金會現(xiàn)場總線FF-

基金會現(xiàn)場總線FF主要內(nèi)容1概述2物理層3數(shù)據(jù)鏈路層4用戶層及功能塊5設(shè)備描述DD與DDL6通信控制器1FF概述FF系統(tǒng)是為適應(yīng)自動化系統(tǒng)、特別是過程自動化系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的:1)它可以工作在工廠生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境下；2)能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求；3)還可通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。基金會現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus,FF):由現(xiàn)場總線基金會開發(fā)。FF現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)減少接線與安裝；易于集成；簡化操作和維護(hù)；靈活的拓樸結(jié)構(gòu)；實(shí)現(xiàn)與地點(diǎn)無關(guān)的控制；對等實(shí)體間高速通信；真正的可互操作性；完善的售后服務(wù)與技術(shù)支持FF通信模型基金會現(xiàn)場總線的核心部分之一是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線信號的數(shù)字通信。物理層鏈路層應(yīng)用層用戶層通信棧功能塊應(yīng)用與設(shè)備描述總線報(bào)文子層總線訪問子層每個具有通信能力的現(xiàn)場總線物理設(shè)備都應(yīng)具有通信模型。通信模型的主要組成部分從物理設(shè)備構(gòu)成角度:

FF協(xié)議數(shù)據(jù)的生成主要內(nèi)容1概述2物理層3數(shù)據(jù)鏈路層4用戶層及功能塊5設(shè)備描述DD與DDL6通信控制器2物理層及其網(wǎng)絡(luò)連接物理層用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場物理設(shè)備與總線之間的連接，為現(xiàn)場設(shè)備與通信傳輸媒體的連接提供機(jī)械和電氣接口，為現(xiàn)場設(shè)備對總線的發(fā)送或接收提供合乎規(guī)范的物理信號。數(shù)據(jù)鏈路層1加上前導(dǎo)碼、定界碼2數(shù)據(jù)編碼1去除前導(dǎo)碼、定界碼2數(shù)據(jù)解碼物理層作為電氣接口，一方而接受來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，把它轉(zhuǎn)換為物理信號，并傳送到現(xiàn)場總線的傳輸媒體上，起到發(fā)送驅(qū)動器的作用；另一方面把來自總線傳輸媒體的物理信號轉(zhuǎn)換為信息送往數(shù)據(jù)鏈路層，起到接收器的作用。物理層FF現(xiàn)場總線H1區(qū)域FF物理信號波形基金會現(xiàn)場總線為現(xiàn)場設(shè)備提供兩種供電方式:1）總線供電

2）非總線式單獨(dú)供電總線供電的場合，總線上既要傳送數(shù)字信號，又要由總線為現(xiàn)場設(shè)備供電。物理信號波形如下所示:31.25KbpsH1總線電壓模式的信號波形(a)(b)(c)FF物理層信號編碼用戶數(shù)據(jù)協(xié)議高層數(shù)據(jù)鏈路層物理層數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元前導(dǎo)碼、幀前定界碼、幀結(jié)束碼都是在發(fā)送端，由硬件生成并加載到物理信號上：發(fā)送驅(qū)動器傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)、最大傳輸距離電纜類型電纜型號傳輸速率最大傳輸距離A屏蔽雙絞線#18AWGH131.25Kbps1900米#22AWG

H21Mbps750米#22AWGH22.5Mbps500米B屏蔽多對雙絞線#22AWGH131.25Kbps1200米C無屏蔽雙絞線#22AWGH131.25Kbps400米D多芯屏蔽電纜#16AWGH131.25Kbps200米FF

現(xiàn)場總線支持多種傳輸介質(zhì)：雙絞線、電纜、光纜、無線介質(zhì)。導(dǎo)線媒體的允許傳輸距離網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型一、總線帶分支結(jié)構(gòu)采用這種結(jié)構(gòu)是一根總線（主干）穿過過程區(qū)域并且設(shè)備連接到總線上?？偩€到設(shè)備之間的電纜稱為分支。這種結(jié)構(gòu)適用于區(qū)域內(nèi)設(shè)備密度較低的情況，它常用于新安裝。樹型一、樹形或分支或雞爪形結(jié)構(gòu)它適用于在特定范圍內(nèi)現(xiàn)場總線設(shè)備密度較高的情況。它常用于升級情況，即電纜已與接線盒和設(shè)備安裝就位。在這種情況下，它為現(xiàn)場總線安裝提供了一種低成本增加新電纜的方法。菊花鏈型一雛菊鏈拓樸結(jié)構(gòu)雛菊鏈拓樸看上去很吸引人，但實(shí)際不是。它似乎能降低總的電纜長度元件連接費(fèi)用，但花費(fèi)很大。其成本主要是其下游的維護(hù)性和可靠性。若采用雛菊鏈拓樸結(jié)構(gòu)，當(dāng)一臺設(shè)備要從區(qū)域取下來，該設(shè)備后面區(qū)域上的所有設(shè)備都將失去連接，產(chǎn)生故障，這將導(dǎo)致許多設(shè)備失效和潛在的邊程停運(yùn)。FF現(xiàn)場總線類型/H2

低速現(xiàn)場總線H1高速現(xiàn)場總線H2傳輸速率31.25Kbps31.25Kbps31.25Kbps1Mbps1Mbps1Mbps信號類型電壓電壓電壓電流電壓電壓拓樸結(jié)構(gòu)總線/菊花鏈/樹型總線/菊花鏈/樹型總線/菊花鏈/樹型總線總線總線總線通信距離1900m1900m1900m750m750m750m分支長度120m120m120m000供電方式非總線供電總線供電總線供電總線交流供電非總線供電非總線供電本質(zhì)安全不支持不支持支持支持不支持不支持設(shè)備數(shù)/段2-231-122-62-322-322-32IEC推薦的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，簡稱IEC）主要內(nèi)容1概述2物理層3數(shù)據(jù)鏈路層4用戶層及功能塊5設(shè)備描述DD與DDL6通信控制器3數(shù)據(jù)鏈路層DLL在數(shù)據(jù)鏈路層上所生成的協(xié)議控制信息就是為完成對總線上的各類鏈路傳輸活動進(jìn)行控制而設(shè)置的。數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層PHY與總線訪問子層FAS之間，為系統(tǒng)管理內(nèi)核和總線訪問子層FAS訪問總線媒體提供服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元

DL-PDU幀DL-PDU提供數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議控制信息。協(xié)議控制信息由三部分組成:DLPDU類型符號幀控制字節(jié)建立連接1EC11111LF00斷開連接1DC10111LF00強(qiáng)制數(shù)據(jù)1CD11111LEPP數(shù)據(jù)幀1DT11101LFPP狀態(tài)響應(yīng)SR00010F11傳遞令牌PT00110FPP空閑幀Idle00010F10DLPDU的種類和幀控制信息格式（部分）數(shù)據(jù)鏈路層LAS每個總線段上有一個媒體訪問控制中心，稱為鏈路活動調(diào)度器LAS

。LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它來掌管總線段上各設(shè)備對總線的操作。受調(diào)度通信：非調(diào)度通信：基金會現(xiàn)場總線的通信活動分為兩類：預(yù)定調(diào)度時(shí)間表，到時(shí)就由LAS發(fā)CD給基本設(shè)備。適于現(xiàn)場設(shè)備之間周期性通信；LAS在調(diào)度時(shí)間表之外，發(fā)令牌到總線，適于現(xiàn)場設(shè)備之間非周期通信，是令牌總線方式。LAS基本功能：1)向設(shè)備發(fā)送強(qiáng)制數(shù)據(jù)CD；2)向設(shè)備發(fā)送傳遞令牌PT；3)為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址；4)定期對總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間和調(diào)度時(shí)間；5)監(jiān)視設(shè)備對傳遞令牌PT的響應(yīng)LAS工作過程1鏈路活動調(diào)度器LAS調(diào)度權(quán)的競爭過程與轉(zhuǎn)交；2鏈路活動的調(diào)度算法；3活動表及其維護(hù)通信設(shè)備類型按照設(shè)備的通信能力，基金會現(xiàn)場總線把通信設(shè)備分為三類：鏈路主設(shè)備、基本設(shè)備、網(wǎng)橋?，F(xiàn)場總線的通信設(shè)備與LAS主要內(nèi)容1概述2物理層3數(shù)據(jù)鏈路層4用戶層及功能塊5設(shè)備描述DD與DDL6通信控制器4用戶層及功能塊用戶層報(bào)文規(guī)范子層FMS通信棧物理層報(bào)文訪問子層FAS數(shù)據(jù)鏈路層DLL用戶層通信棧的最后一層是本質(zhì)上新的類型層，稱為用戶層，用戶層包括三個主要部件：功能塊、變換塊、資源塊。用戶層提供了功能塊和設(shè)備描述，無需特別編程，主機(jī)系統(tǒng)即可與設(shè)備通信。典型用戶應(yīng)用塊它是過程控制或I/O功能塊。它們用來執(zhí)行過程控制策略。功能塊與轉(zhuǎn)換器塊接口以訪問過程控制信息；與FF現(xiàn)場總線高速通信，使信息能被其它設(shè)備所用。10個標(biāo)準(zhǔn)功能塊，19個標(biāo)準(zhǔn)的附加功能塊。資源塊轉(zhuǎn)換器塊功能塊FF現(xiàn)場總線資源塊完整定義了設(shè)備與外界的連接。采用資源塊，主機(jī)知道設(shè)備的屬性和功能。資源塊包含整個資源通用的信息，包括設(shè)備識別、硬件、設(shè)備特點(diǎn)、內(nèi)存和CPU可用率、寫保護(hù)、故障安全和報(bào)警管理。轉(zhuǎn)換器塊完整定義了有關(guān)設(shè)備傳感器或執(zhí)行器的信息。它是物理世界和信息世界的連接。轉(zhuǎn)換器塊與模擬輸入或輸出功能塊通信。AI和AO模塊與外部通信。這種模塊負(fù)責(zé)信息和特定的功能，例如一個特定物理屬性的測量，如壓力或溫度，或一種特別的測量技術(shù)，如超聲波或科立奧利。FF基本標(biāo)準(zhǔn)功能塊名稱符號名稱符號模擬量輸入AI離散輸出DO模擬量輸出AO手動裝載ML偏置B比例微分PD控制選擇CS比例積分微分PID離散輸入DI比率系數(shù)RA功能塊應(yīng)用進(jìn)程FBAPFBAP位于基金會現(xiàn)場總線通信模型的最高層—用戶層。FBAP作為用戶層的重要組成部分，用于完成基金會現(xiàn)場總線中的自動化系統(tǒng)功能?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)是協(xié)同工作的應(yīng)用進(jìn)程AP的集合。應(yīng)用進(jìn)程AP是現(xiàn)場總線系統(tǒng)活動的基本組成部分，是最基本的對象。每個應(yīng)用進(jìn)程AP表述了存在于一個設(shè)備內(nèi)的分別包裝成組的功能塊FB。自動化系統(tǒng)

FBAPs

FBs功能塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能塊應(yīng)用進(jìn)程提供一個通用結(jié)構(gòu)，把實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)定它們各自的輸入、輸出算法、事件、參數(shù)與塊控制圖，把按時(shí)間反復(fù)執(zhí)行的函數(shù)模塊為算法，把輸入?yún)?shù)按功能塊算法轉(zhuǎn)換成輸出參數(shù)。3244MW溫度變送器基金會現(xiàn)場總線的3244MW型多變量溫度變送器功能方框圖功能塊服務(wù)

功能塊服務(wù)描述了在接口設(shè)備、臨時(shí)性設(shè)備中含有功能塊應(yīng)用的現(xiàn)場設(shè)備之間，運(yùn)用FMS所進(jìn)行的相互作用。功能塊服務(wù)表功能塊服務(wù)服務(wù)說明支持對象FB_ReadI/T設(shè)備讀取現(xiàn)場設(shè)備OD中的參數(shù)及其它對象的相關(guān)值塊、參數(shù)、鏈接、趨勢、觀測FB_WriteI/T設(shè)備向現(xiàn)場設(shè)備OD中塊參數(shù)及其它對象寫入值塊、參數(shù)、鏈接、趨勢、觀測FB_Alert_Notify現(xiàn)場設(shè)備向接口設(shè)備報(bào)告警報(bào)或事件報(bào)警FB_Alert_Ack接口設(shè)備在處理報(bào)警后清除警報(bào)/事件的未確認(rèn)屬性報(bào)警FB_TagI/T設(shè)備更改塊（FB，TB，BR）的位號（Tag)塊FB_Action

使一個塊或?qū)ο蟮囊粋€實(shí)例被創(chuàng)建或刪除塊、鏈接、趨勢功能塊應(yīng)用進(jìn)程FBAP的組成完整的功能塊應(yīng)用進(jìn)程由功能塊應(yīng)用對象、對象字典、設(shè)備描述組成。主要內(nèi)容1概述2物理層3數(shù)據(jù)鏈路層4用戶層及功能塊5設(shè)備描述DD與DDL6通信控制器5設(shè)備描述DD與DDL設(shè)備描述為主機(jī)系統(tǒng)提供了一種自動識別和作用現(xiàn)場設(shè)備的方式。設(shè)備描述是設(shè)備功能的一種表示。每臺設(shè)備都有特定的設(shè)備描述，它描述了其資源和功能塊功能。設(shè)備描述可從供應(yīng)商或現(xiàn)場總線基金會得到。設(shè)備描述裝載到主機(jī)就像打印機(jī)驅(qū)動程序裝載到PC機(jī)一樣。設(shè)備描述語言DDL設(shè)備描述語言是一種特別的編程語言用來開發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的描述。設(shè)備描述語言僅僅適用于FF現(xiàn)場總線或HART技術(shù)，它是一種類似于C語言的編程語言，一旦設(shè)備描述開發(fā)好，它們將在現(xiàn)場總線基金會注冊。然后現(xiàn)場總線基金會發(fā)布這些設(shè)備描述使現(xiàn)在主機(jī)能支持新設(shè)備。

設(shè)備描述DD分層

設(shè)備描述DD開發(fā)步驟(1)、采用設(shè)備描述語言DDL編寫DD源文件(3)、經(jīng)互操作測試，配置基金會DD庫，制成CD-ROM發(fā)給用戶(4)、配置設(shè)備描述服務(wù)DDS:

在主機(jī)一側(cè)，通過DDS的庫函數(shù)來讀取設(shè)備描述(2)、編譯，生成DD目標(biāo)文件。DLL源文件VARIABLEProcessVariable{LABEL”MEASURED_VALUE”;TYPEFLOAT{DISPLAY_FORMAT”3.1F”;MAX_VALUE110.0;MIN_VALUE0.0}}設(shè)備描述輸出文件009101002”MEASURED_VALUE”001010061“3.1f”021066220000000020000000

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配置設(shè)備描述服務(wù)DDS主要內(nèi)容1概述2物理層3數(shù)據(jù)鏈路層4用戶層及功能塊5設(shè)備描述DD與DDL6通信控制器6通信控制器1．總線上的信號驅(qū)動和信號接收5．幀校驗(yàn)序列的產(chǎn)生和驗(yàn)證4．信息幀的打包和解包主要功能：3．串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼2．傳輸數(shù)據(jù)的串、并行轉(zhuǎn)換通信控制器芯片—FB3050FF的網(wǎng)絡(luò)布線LAS組態(tài)器HMI現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)件布線影響因素電源電壓、電壓位置；電纜阻抗;設(shè)備功耗、位置;電源與網(wǎng)段配置FF