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08 基金会现场总线
第八章基金会现场总线（FF）第8章基金会现场总线（FF）? Foundation Fieldbus ? 由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)组织开发， IEC61158标准。 ? 工作在生产现场，适应本质安全防爆的要 求，通过传输数据的总线为现场设备提供 工作电源。 ? 开放性、互操作性。第8章? 8.1 ? 8.2 ? 8.3 ? 8.4 ? 8.5 ? 8.6 ? 8.7 ? 8.8基金会现场总线（FF）基金会现场总线的主要技术 FF通信模型 FF物理层 FF通信栈 FF现场仪表的功能模块 FF网络管理与系统管理 FF设备描述 FF组态与运行8.1 基金会现场总线的主要技术?1．FF 总线的通信技术?2．标准化功能块 (FB，FunctionBlock)与功能块应用进程 (FBAP， Function Block Application Process)8.1 基金会现场总线的主要技术? 3．设备描述 (DD，Device Description)与设备描述语言(DDL,Device Description Language)? 4．现场总线通信控制器与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1．FF 总线的通信技术? 通信模型? 通信协议? 通信控制器芯片? 通信网络? 系统管理 ? 与网络有关的硬软件，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。2.标准化功能块与功能块应用进程? FB，Function Block和FBAP，FunctionBlock Application Process? 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。? 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。? 开放系统构架的基础，不同制造商产品的混合组态与调用。3．设备描述与设备描述语言? DD，Device Description? 现场总线设备的互操作性，支持标准的块功能操作。? 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，控制系统或主机对 某个设备的驱动程序。?DDL,Device Description Language?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，把用DDL编写的设备描述源程序转化为机器可读的 输出文件。4．现场总线通信控制器与仪表或 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。己有多家供应商 向市场提供?? ?FF 集成通信控制芯片通信栈软件 圆卡5．系统集成技术? 包括通信系统与控制系统的集成。? 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。6．系统测试技术?通信系统的一致性与可互操作技术； ?总线监听分析技术； ?系统的功能、性能测试技术。 ?在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统的综合指标评价。? 一致性与可互操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施，一般要经授权 的第三方认证机构作专门测试，验证符合 统一的技术规范后，将测试结果交基金会 登记注册，授予FF标志。? 对由具有FF标志的现场设备所组成的系统，还需进一步进行可互操作性测试和功能性 能测试，以保证系统的正常运转，并达到 所要求的性能指标。?总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，用于通信系统的 调试、诊断与评价。?对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技术还包括对其实现 的各种控制系统功能的能力、指标参 数的测试。8.2 FF通信模型? 1.四个层次?? ? ?物理层数据链路层 应用层(总线访问层与总线报文规范子层) 用户层?2.功能? 物理层：信号如何发送；? 数据链路层：如何在设备间共享网络和调度通信；? 应用层：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：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。?在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端的物理层和最上端的用户 层之后的中间部分作为一个整体，统 称为通信栈。这时，现场总线的通信 参考模型可简单地视为三层。?物理层、通信栈、用户层图8-1OSI与FF的通信模型? 按各部分在物理设备中要完成的功能，可分为三大部分: ? 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，即虚 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。?3.通信实体 协议与网络管理代理共同组成。? 组成:从物理层到用户层的所有各层，由各层? 任务: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:构成虚拟通信关系。? 网络管理代理: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。? 4.系统管理内核 (SMK,System ManagementKernel)? 在模型分层结构中的应用层和用户层。? 主要负责与网络系统有关的管理任务，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 (SMID，System Management Information Base)中。? 5.功能块应用进程 (FBAP，Function BlockApplication 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。? 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。协议数据的构成与层次?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（FMS） 处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息； ?然后依次送往现场总线访问子层 （FAS）和数据链路层 （DLL）； ?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（一般为CRC 校验码）后，送往物理层将数据打包； ?信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理 信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。8.3 FF物理层FF的物理层? 一、物理层任务 ? 二、物理层结构 ? 三、物理层协议物理层：用于实现现场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。一、物理层任务负责物理传输线路的建立、维持和拆除。 在发送方，物理层从数据链路层接收数据单元，添 加同步和起始、结束标志字符，并进行编码形成一 个物理帧，然后在物理传输介质上发送出去； 接收方在收到这个物理帧后，依据物理层协议解码 并剥掉同步和起始、结束标志字符，将所得到的数 据单元向上传递给数据链路层。前导码 帧前定界码 DLL协议数据 帧结束数据链路层MIS介质无关子层 MDS介质相关子层 MAU介质访问单元 MAU媒体访问单元 MAU媒体访问单元 31.25kbps/电压模式 31.25bps/电压模式 31.25bps/电压模式 导线介质 导线介质 导线介质现场总线基金会先采用导线作为通 信介质,并将进一步扩展其能力。 物理层规定了三种传输介质:导线、 光纤和射频。导线 DCE 光纤 DCE 射频DCE二、物理层结构介质（媒体）无关层（MIS）： 与传输媒体无关，负责处理物理层与数据链路层的接口。 有关 信号编码、增加或去除前导码、定界码的工作均在物理层的介 质（媒体）无关层完成。 介质（媒体）相关层（MDS）： 负责处理导线、光纤等不同传输介质（媒体）。定义了信号的 编码方式和物理帧格式，对应于三种介质（媒体）分别规定了 三种MDS。介质(媒体)访问单元(MAU):负责传送和接收经过MDS处理的 物理帧信号。对应于每一种传输速率和信号类型分别定义了 相应的MAU，负责此种模式下的通信。 在导线MDS下定义了四种介质(媒体)访问单元（MAU， Medium Attachment Unit）： 31.25k bps 电压模式 1M bps 电压模式 1M bps 电流模式 2.5M bps 电压模式二、物理层结构MAU:介质访问单元介质(媒体)无关层MISMDS（介质(媒体)相关子层） 导线 /光纤MAU导线 MAU导线 MAU导线 MAU光纤 MAU光纤 电压模式 电压模式 电流模式 1Mbps 2.5Mbps 2.5Mbps 1Mbps 1Mbps MAU导线 电压模式 31.25kbps MAU导线 MAU光纤 MAU光纤 电压模式 31.25Mbps31.25Mbps 31.25kbps 1Fiber 2Fiber 低功耗MDS 射频MAU射频 1.0Mbps 介质相关子层 介质访问模式MAU射频 4800 bps传输介质(媒体)三、物理层协议FF数据编码 协议报文编码：这里的协议报文编码是指携带了现场 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。 基金会现场总线采用曼彻斯特编码技术将数据编码直 接加载到直流电压或电流上形成物理信号。在曼彻斯 特编码过程中，每个时钟周期被分成两半，用前半周 期为低电平、后半周期为高电平形成脉冲正跳变来表 示“0”；前半周期为高电平、后半周期为低电平形成 脉冲负跳变来表示“1”。“ 0” “ 1”三、物理层协议每帧报文格式由前导码、帧前定界码、 数据段和帧结束码四部分组成。前导码：相当于电话信号中的振玲信号,用语唤醒接收设备,并 使之与发送设备保持同步。前导码置于通信信号最前端，特别 规定的8位数字信号:一个字节。如果采用中继器的话， 前导码可多于一个字节。 帧前定界码：它标明了现场总线信息的起点，其长度为8个时钟 周期，也就是一个8位字节。帧前定界码由特殊的N+码、 N-码 和正负跳变脉冲按规定的顺序组成。 N+码在整个时钟周期都 保持高电平，N-码在整个时钟周期都保持低电平，即它们在时 钟周期的中间不存在电平的跳变。 帧结束码：帧结束码标志着现场总线信息的终止，其长度也为 8 个时钟周期，或称一个字节，也是由N+码、 N-码和正负跳变 脉冲按规定的顺序组成。其组合顺序不同于起始码。前导码 帧前定界码1时钟数据段8~273帧结束码1110101010前导码1 N+ N1 0 N- N+ 0帧前定界码1 N+ N- N+ N1 0 1帧结束码四、传输信号? 发送设备以31.25kbit/s的速率将±10mA电流信号传送给一个50Ω的等效负载， 产生一个调制在直流电源电压上的1V峰峰值的电压信号。 ? DC源电压范围为9~32V。 ? 31.25kbit/s设备可由现场总线直接供电， 也能在原有的4~20mA设备的线路上运 行。五、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。表8.1导线媒体的允许传输距离? 根据IECll58-2的规范，以导线为媒体的现场设备，不管是否为总线供电， 当在总线主干电缆屏蔽层与现场设备 之间进行测试时，对低于63Hz的低频 场合，测量到的绝缘阻抗应该大于 250kΩ。 ? 一般通过在设备与地之间增加绝缘， 或在主干电缆与设备间采用变压器、 光耦合器等隔离部件，以增强设备的 电气绝缘性能。六、FF拓扑结构? FF现场总线的拓扑结构较灵活，通常包括点到点型、带分支的总线型、菊花链型 和树型。带分支的总线型和树型在工程中 使用较多。 ? FF总线网络可以包含1个或多个互连的H1 链路。1条H1链路可连接1个或几个H1设 备，2个或多个H1设备之间可通过H1网桥 实现互连。FF总线拓扑结构表8.2 H1总线网段的主要特性参数传输速率 信号类型 拓扑结构 通信距离 分支长度 供电方式 本质安全 设备数／段 31.25Kbps 电压 总线/菊花链/树 型 m 非总线供电 不支持 2～32 31.25Kbps 电压 总线/菊花链/树 型 m 总线供电 不支持 1～12 31.25Kbps 电压 总线/菊花链/树型 m 总线供电 支持 2～68.4 FF通信栈? 1. 数据链路层（DLL）? 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。? 总线通信中的链路活动调度、数据的接 收与发送、活动状态的探测与响应、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 中心数据链路层的重要任务。? （1） 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、基本设备和 网桥。? 链路主设备:有能力成为链路活动调度器的设备；? 基本设备:而不具备上述能力的设备。? 网络中几个总线进行扩展连接时，用于两个总线段之间的连接设备就称之为网桥。图8-7FF通信设备与LAS? 网桥属于链路主设备。由于它担负着对它下游的各总线段的系统管理时间的发布任务，因而它必须成 为链路活动调度器LAS。否则就不可能对下游各段 的数据链路时间和应用时钟进行再分配。? 一个总线段上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备，但一个总线上某个时刻只能由一 个链路主设备成为链路活动调度器LAS，没有成为 LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。?（2） 链路活动调度器 单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操 作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处 于工作状态，总线段上的设备只有得到链路 活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数 据。因此LAS是总线的通信活动中心。? 链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清? 基金会现场总线的通信活动被归纳为两类:受调度通信与非调度通信。? 受调度通信：由链路活动调度器按预定的时间表周期性依次发起的通信活动。? 预定调度时间表、强制数据(CD，CompelData)? 非调度通信：在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式。? 传递令牌(PT Pass Token) ? FF通信采用的是令牌总线工作方式。?链路活动调度器的五种基本功能:? 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末被采用过的地址。 ? ④ 对总线发布数据链路时间和调度时间。 ? ⑤ 视设备对传递令牌PT的响应，当设备既不能随着PT顺序进入使用，也不能将令牌返回时， 就从活动表中去掉这些设备。?（3）受调度通信?链路活动调度器 (LAS)中有一张传输时刻表，这张时刻表对所有需要周期性传 输的设备中的所有数据缓冲器起作用。?调度数据传输常用于现场总线各设备间，将控制回路的数据进行有规律的、准确的传输。图8-9FF调度数据传输（4）非调度通信图8-10FF非调度通信?2.现场总线访问子层 (FAS) Sublayer)是基金会现场总线通信参考模型 中应用层的一个子层。? 现场总线访问子层 (FAS，Fieldbus Access? 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。?（1）总线访问子层的协议机制o ①总线访问子层的服务协议机制 (FSPM，FAS Service Protocol Machine)是FAS用户 和应用关系端点之间的接口，FAS用户是指 总线报文规范层和功能块应用进程。 o 把服务用户发来的信息转换为FAS的内部协 议格式，并根据应用关系端点参数，为该服 务选择一个合适的应用关系协议机制； o 反过来，根据应用关系端点的特征参数，把 FAS的内部协议格式转换成用户可接收的格 式，并传送给FAS用户。? ② 数据链路层映射协议机制(DMPM，DLL MappingProtocol Machine) 对下层即数据链路层的接口。? 它将来自应用关系协议机制的FAS内部协议格式转换成数据链路层DLL可接受的服务格式，并送给DLL；? 反过来，将接收到的来自DLL的内容，以FAS内部协议格式发送给应用关系协议机制ARPM。? ③应用关系协议机制是FAS层的中心，它描述了应用关系的创建和撤销，并与远程ARPM之间交换协议数据单元FAS-PDU。? 它负责接收来自FSPM或DMPM的内部信息，根据应用关系端点类型和参数生成另外的FAS协议信息，并把它发送给DMPM或FSPM。? 如果要求建立或撤销应用关系，就试图建立或撤销这个特指的应用关系。?（2）FAS服务类型3.现场总线报文规范 （FMS）子层现场总线报文规范 (FMS)为用户应用服务，它以标志 的报文格式集，在现场总线上相互发送报文。FMS描 述通信服务、报文格式和用户应用建立报文所必需的 协议行为。? FMS所包含的服务??（1）虚拟现场设备(VFD)（2）通信服务??（3）上下文管理服务（4）对象字典服务?? ? ?（5）变量访问服务（6）事件服务 （7）上载/下载服务 （8）程序调用服务
8.5 FF现场仪表的功能模块? 现场总线基金会用“块”的概念，定义了标准用户应用程序；? 典型的用户应用功能模块有功能块、转换块、资源块三种。 一、功能模块 （1）资源块 资源块表达了现场设备的本地硬件对象 及其相关运行参数，描述了设备的特性，如 设备类型、设备版本、制造商等。（2）功能块功能块是参数、算法和事件的完整组合。通过 对功能块的连接和组态，构成控制回路，实现控制 策略，完成自动化系统的任务。 10个标准基本功能块：模拟量输入（AI）、离 散输入（DI）；输出块：模拟量输出（AO）、离散 输出（DO）；控制块：手动装载(ML)、控制选择（ CS）、偏置（BG）、比例积分（PD）、比例积分 微分（PID）、比率系数（RA）。（3）变换块变换块描述了现场设备的I/O特性，如传感器和执行器 的特性。变换块的参数都是内含的。 7类标准的变换块：带标定的标准压力变换块、带标定 的标准温度变换块、带标定的标准液位变换块、带标定 的标准流量变换块、标准的基本阀门定位块、标准的先 进阀门定位块、标准的离散阀门定位块。现场总线设备功能对象模块对象 (功能块，变送块和资源块)。 ● 连接对象 定义了设备内部与现场总线网络之上的 功能块输入与输出之间的连接。 ● 趋势对象 允许主机和其它设备访问功能块参数的 局部趋势。 ● 报警对象 允许在现场总线上报告警报与事件。 ● 视图对象 为预定义的参数群，可由人/机界面使用。●二、现场仪表和设备定义? 现场仪表和设备的功能是通过应用虚拟现场设备（VFD），由功能模块的配置和它 们的互联状态决定的。 ? 利用虚拟通信关系（VCR）可以在现场总 线网络上远程访问虚拟现场设备的对象描 述及其关联数据。三、功能块的内部结构与功能块连接? 从输出参数到输入参数，功能块彼此链接。链路中既包括参数数值，又包括参数状态。一个输出 参数可以链接到任何数目的输入。 ? 不同设备间功能块的链接通过网络通信实现。同 一设备上功能块的链接不需通过总线进行通信， 因而会立刻完成并且不占用网络带宽。 ? 资源块和转换块不是控制策略的一部分，它们所 有的参数都是内含参数，不可以进行链接。 ? 输入参数也可以链接到另一个输入参数，但仅局 限于同一个设备内。7.6 FF网络管理与系统管理? 一、网络管理FF的每台设备都有一个网络管理代理，负责管理其通信栈， 并监督其运行。每个现场总线网络至少有一个网络管理者，在 相应的网络管理代理的协同下，完成网络的通信管理。 网络管理NM的主要功能:对通信栈组态、下载链路活动调 度表、下载虚拟通信关系表(VCRL)或表中某个条目、通信性能 的监视及通信异常的监视。 (1)网络管理的组成 网络管理者NMgr、网络管理代理NMA和网络管理信息 库NMIB三部分。①网络管理者?NMgr按系统管理者的规定负责维护网络运行，并根据系统 运行需要或系统管理者指示，来执行某个动作。 ?NMgr监视每台设备中通信栈的状态,通过处理由NMA生成的 报告，来完成某个任务。 NMgr 指挥NMA，再通过FMS，来执 行它所要求的任务。 ?一台设备内网络管理与系统管理的相互作用属于本地行为， 但网络管理者与系统管理者之间的关系涉及到系统构成。 ?NMgr实体指导NMA运行，由NMgr向NMA发出指示，再由 NMA对它作出响应。 ?NMA也可在一些重要的事件或状态发生时通知NMgr。②网络管理代理 ? NMA负责管理通信模型中的第二层至第七层(即通信栈)， 并监督其运行,支持组态管理、运行管理、监视通信性能、 判断通信差错。 ? NMgr与NMA之间的虚拟通信关系是VCR表中的第一个虚 拟通信关系。它提供了排队式、用户触发、双向的网络访 问。它以含有NMA的所有设备都熟知的数据链路连接端点 地址的形式，存在于含有NMA的所有设备中，并要求所有 的NMA都支持这个VCR。 ? 通过其他VCR，也可以访问NMA，但只允许监视。?③网络管理信息库 NMIB是被管理变量的集合，包含了设备通信系统中组态、运行、 差错管理的相关信息，其内容是借助虚拟现场设备管理和对象字典来 描述的。 (2)网络管理代理的虚拟现场设备 NMA VFD是网络上可以看到的网络管理代理，或者说是由FMS看 到的网络管理代理。NMA VFD运用FMS服务，使得NMA可以穿越网 络进行访问。 NMA VFD的属性有：厂商名、型号、版本号、行规号、逻辑状态 、物理状态及VFD专有对象表。其中前三项由制造商规定并输入；行 规号为0X4D47，即网络管理英文字母M、G的ASCII代码4DH、47H ；逻辑状态和物理状态属于网络运行的动态数据；VFD专有对象是指 NMA索引对象。 NMA索引对象是NMIB中对象的逻辑映射，它作为一个FMS数组 对象定义。NMA VFD也象其他虚拟现场设备那样，具有它所包含的所有对象 的对象描述，并形成对象字典(OD)；也象其他对象字典那样，它把 对象字典本身作为一个对象进行描述。 NMA VFD对象字典的对象描述是NMA VFD对象字典中的条目0， 其内容有：标识号、存储属性(ROM/RAM)、名称长度、访问保护、 OD版本、本地地址、OD静态条目长度、第一个索引对象目录号。 NMA索引对象是包含在NMIB中的一组逻辑对象。每个索引对象包 含了要访问的由NMA管理的对象所必需的信息。通信行规、设备行 规、制造商都可以规定NMA_VFD中所含有的网络可访问对象。这些 附加对象收容在OD里，并为它们增加索引，通过索引指向这些对象 。要确保所增加的对象定义不会受底层管理的影响，即所规定的对象 属性、数据类型不会被改变、替换或删除。 NMA索引对象被规定为FMS数组对象。NMA标准索引总是由第二 个SOD(静态对象字典)条目描述。(3)网络管理的服务 NMA可以表示为多个复合对象，复合对象是用类(Class) 模型定义的。 （4）网络管理者与网络管理代理 网络管理负责以下工作：? 下载虚拟通信关系表VCRL或表中某个单一条目；? 对通信栈组态； ? 下载链路活动调度表LAS； ? 运行性能监视； ? 差错判断监视。NMA是一个设备应用进程，它由一个FMS VFD模型表示。 在NMA VFD中的对象是关于通信栈整体或各层管理实体 (LME)的信息。这些网络管理对象集合在网络管理信息库 (NMIB)中，可由NMgr使用一些FMS服务，通过与NMA建 立VCR进行访问。NMgr。图8-24 网络管理者、被管理对象、网络管理代理 之间的相互作用关系、（4）通信实体?通信实体包含自物理层、数据链路层、现场总线访问子层和现场 总线信息规范层直至用户层。 ?设备的通信实体由各层的协议和网络管理代理共同组成，通信栈 是其中的核心。 ?层管理实体LMEs提供对一层协议的管理能力，它向网络管理代 理提供对协议被管理对象的本地接口。 ?PH-SAP为物理层服务访问点；DL-SAP为数据链路服务访问点； DL-CEP为数据链路连接端点。它们是构成层间虚拟通信关系的接 口端点。 ?层协议的基本目标是提供虚拟通信关系。 ?FMS提供VCR应用报文服务，如变量读、写。不过，有些设备可 以不用FMS，而直接访问FAS。系统管理内核除采用FMS服务外，还可在经过系统管理内 核协议直接访问数据链路层。 FAS对FMS和应用进程提供VCR报文传送服务，把这些服 务映射到数据链路层。FAS提供VCR端点对数据链路层的访问，为运用数据链路 层提供了一种辅助方式。在FAS中还规定了VCR端点的数据 联络能力。数据链路层为系统管理内核协议和总线访问子层访问总线 媒体提供服务。访问通过链路活动调度器进行，访问可以是 周期性的，也可是非周期的。 数据链路层的操作被分成两层，一层提供对总线的访问， 一层用于控制数据链路用户之间的数据传输。? 物理层是传输数据信号的物理媒体与现场设备之间的接口。它为数据链路层提供了独立于物理媒 体种类的接收与发送能力。 ? 物理层由媒体连接单元、媒体相关子层、媒体无 关子层组成。各层协议、各层管理实体和网络管 理代理所组成的通信实体协同工作，共同承担网 络通信任务。?? ? ? ?二、系统管理（1）系统管理概述 每个设备中都有系统管理实体，它由用户应用和系统管理 内核SMK组成。 系统管理是通过集成多层的协议与功能而完成的，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。 在一个设备内部，SMK与网络管理代理和设备应用进程之 间的相互作用属于本地作用。???SMK采用两个协议进行通信，即FMS和SMKP。 ?系统管理内核协议SMKP用以实现管理员和代理者之间的通信。系统 管理操作的信息被组织为对象，存放在系统管理信息库(SMIB)中； ?从网络的角度来看，SMIB属于管理虚拟设备MVFD，这使得SMIB对 象可以通过FMS服务进行访问，MVFD与网络管理代理共享。 ?FMS用于访问SMIB； ?在地址分配过程中，系统管理必须与数据链路管理实体DLME相联系 。系统管理SM和DLME的界面是本地生成的。 ?系统管理内核与数据链路层有着密切联系。它直接访问数据链路层， 以执行其功能。这些功能由专门的数据链路服务访问点DLSAP来提供 。图8-25系统管理内核与其他部分的关系?SMKP有两种标准数据链路地址，一个是单地址，唯一地对应于一个特殊 设备的SMK；链路的本地组地址，它表明了在一次链接中要通信的所有设 备的SMK。 ?SMKP 采 用 无 连 接 方 式 的 数 据 链 接 服 务 和 数 据 链 路 单 元 数 据 (DL-unit data)。而SMK则采用数据链路时间(DL-time)服务来支持应用时钟同步和功 能块调度。 ?从系统管理内核与用户应用的联系来看，系统管理支持节点地址分配、应 用服务调度、应用时钟同步和应用进程位号的地址解析。 ?本地SMK和远程SMK相互作用时，本地SMK可以起到服务器的作用，满 足各种服务请求。 ?SMK为设备的网络操作提供多种服务：访问系统管理信息库，分配设备 位号与地址；进行设备辨认；定位远程设备与对象；进行时钟同步、功能 块调度等。（2）系统管理的作用系统管理可完成现场设备的地址分配、寻找应用位号、实现应用时 钟的同步、功能块列表、设备识别以及对系统管理信息库SMIB的访问 等功能。 ? 现场设备地址分配 ? 现场设备地址分配应保证现场总线网络上的每个设备只对应唯一的一 个节点地址。 ? 首先给未初始化设备离线地分配一个物理设备位号，然后使设备进入 初始化状态。设备在初始化状态下并没有被分配节点地址，但能附属于 网络。 ? 一旦处于网络之上，组态设备就会发现该新设备并根据它的物理设备 位号给它分配节点地址。 ? 它包括一系列由定时器控制的步骤，以使系统管理代理定时地执行它 们的动作和响应管理员请求。 ? 在错误情况下，代理必须有效地返回到操作开始时的状态。它也必须 拒绝与它当时所处状态不相容的请求。? 寻找应用位号 ?以位号标识的对象有物理设备(PD)、虚拟现场设备(VFD)、功能 块(FB)和功能块参数。 ?现场总线系统管理允许查询由位号标识的对象，包含此对象的设 备将返回一个响应值，其中包括有对象字典目录和此对象的虚拟通 信关系表。 ? 应用时钟同步 ?由时间发布者的SMK负责应用时钟时间与存在于数据链路层中的 链路调度时间之间的联系，以实现应用时钟同步。 ?每个设备都将应用时钟作为独立于现场总线数据链路时钟而运行 的单个时钟，或者说，应用时钟时间可按需要，由数据链路时钟计 算而得到。? 功能块调度 ? 运用存储于SMIB中的功能块调度，告知用户应用该执行的 功能块，或其他可调度的应用任务。这种调度按被称为宏周期 的功能块重复执行。 ? 宏周期起点被指定为链路调度时间。所规定的功能块起始 时间是相对于宏周期起点的时间偏移量。 ? 功能块调度必须与链路活动调度器中使用的调度相协调。 允许功能块的执行与输入/输出数据的传送同步。 ? 设备识别 现场总线网络的设备识别通过物理设备位号和设备ID来进 行。系统管理还可以通过FMS服务访问SMIB，实现设备的组 态与故障诊断。（3）系统管理服务和作用过程 ① 设备地址分配 为一个新设备分配网络地址的步骤如下： ? 通过组态设备分配给这个新设备一个物理设备位号。这个工作 可以“离线”实现，也可以通过特殊的缺省网络地址“在线”实现 。 ? 系统管理采用缺省网络地址询问该设备的物理设备位号，并采 用该物理设备位号在组态表内寻找新的网络地址。然后，系统管理 给该设备发送一个特殊的地址设置信息，迫使这个设备移至这个新 的网络地址。 ? 对进入网络的所有的设备都按缺省地址重复上述步骤。 ②设备识别 SMK的识别服务容许应用进程从远程SMK得到物理设备位号 和设备标示ID。③应用时钟分配 ? 系统管理者有一个时间发布器，它向所有的现 场总线设备周期性地发布应用时钟同步信号。 ? 数据链路调度时间与应用时钟一起被采样、传 送，使得正在接收的设备有可能调整它们的本地时间。 ? 应用时钟同步允许设备通过现场总线校准带时 间标志的数据。 ? ④寻找位号(定位)服务 ? 系统管理通过寻找位号服务搜索设备或变量， 为主机系统和便携式维护设备提供方便。?⑤功能块调度 功能块调度指示用户应用，现在已经是执行某个功能块 或其他可执行任务的时间了。SMK使用SMIB中的调度对象和 由数据链路层保留的链路调度时间来决定何时向它的用户应 用发布命令。 功能块执行是可重复的，每次重复称为一个宏周期. 每个设备都将在它自己的宏周期期间执行其功能块调度 。设备中的功能块执行则在SMIB FB Start Entry Objects中定 义。该SMIB内容就是功能块调度。当控制一个过程时，发生在固定时间间隔上的监控和输 出改变是十分重要的。与该固定时间间隔的偏差称为抖动， 其值必须很小。8.7 FF设备描述一、设备描述? 设备描述(DD，Device Descriptions)是基金会现场总线为实 ? ? ? ? ? ?现可互操作性而提供的一个重要工具。 由称为设备描述语言(DDL)的标准编程语言编写实现-EDDL 。 DD包括参数标签、工程单位、要显示的十进制数、参数关系、 量程与诊断菜单。 DD由两个部分组成： 1. 由基金会提供的为所有标准的功能块和转换块的设备描述， 它包括由DDL描述的一组标准块及参数定义。 2. 由设备制造商提供的包括由DDL描述的设备功能的特殊部 分，如设备的量程、诊断程序等。 以上两部分结合在一起，完整地描述了设备的特性。1. 设备描述分层 第一层是通用参数；第二层是功能块 参数；第三层是变换模块参数；第 四层是制造商专用参数。 2. 扩展描述 DD为虚拟现场设备（VFD）的每个对 象提供了一个扩展描述。 二、设备描述编译器 三、设备描述服务（DDS）8.8 FF组态与运行组态(Configuration)的含义就是功能模块的任意组合(或连接)。一、FF组态信息 1. 制造商定义层组态 2. 网络定义层组态 3. 分布式应用层组态 4. 设备层组态 二、系统的组态 三、网段与系统的启动 四、关于装载LAS调度表与修改组态??第八章习题1. 基金会现场总线的主要技术特点是什么？请加以说明。?2. 基金会现场总线通信模型只具备ISO/ OSI参考模型中的哪三层？它们各自的作用是什么？?3. 基金会现场总线智能仪表功能模块有几类？它们各提供控制系统的哪些功能？
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