第七章基金会现场总线PPT讲稿.ppt

第七章基金会现场总线第1页，共92页，编辑于2022年，星期二第二代现场总线系统第二代现场总线系统过程执行(MES)控制(PAS)仪表商务(ERP)4层3层2层1层0层OPC 数据服务器历史趋势数据库信息网络商务网络控制网络设备网络Fieldbus以太网以太网以太网FFFFOPC“web”“web”链路设备ISA-952022/9/182第2页，共92页，编辑于2022年，星期二7.基金会现场总线基金会现场总线FF7.1 基金会现场总线基金会现场总线FF概述概述7.2 FF功能块参数功能块参数7.3 FF的功能块库的功能块库7.4 FF的典型功能块的典型功能块7.5 功能块在串级控制设计中的应用功能块在串级控制设计中的应用7.6 工业以太网工业以太网2022/9/183第3页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1 基金会现场总线概述基金会现场总线概述o基金会现场总线是基金会现场总线是为了适应自动化系统，特别是过程为了适应自动化系统，特别是过程自动化系统，在功能、适应条件与技术上的需要而自动化系统，在功能、适应条件与技术上的需要而专门设计的专门设计的；o协议标准由现场总线基金会组织开发；协议标准由现场总线基金会组织开发；o得到世界上主要自动控制设备制造商的广泛支持，得到世界上主要自动控制设备制造商的广泛支持，具有很强的影响力；具有很强的影响力；o1996年颁布了低速总线年颁布了低速总线H1的标准；的标准；o2000年制定高速总线标准：高速以太网年制定高速总线标准：高速以太网HSE(High Speed Ethernet)2022/9/184第4页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1 基金会现场总线概述基金会现场总线概述 -FF发展的简单回顾发展的简单回顾o前身是前身是ISP和和WorldFIP标准标准;o1994年，年，ISP和北美和北美WorldFIP一起成立现场总线基金会，致力一起成立现场总线基金会，致力于开发国际统一的现场总线标准；于开发国际统一的现场总线标准；o1995年年5月完成月完成H1草案，草案，1996年，年，在Monsanto Chocolate Bayou完成完成H1示范工程，示范工程，1998年注册第一个年注册第一个H1现场总线产品。现场总线产品。o1998年年3月月5日董事会决定放弃原定日董事会决定放弃原定1MHz和和2.5MHz高速现场高速现场总线开发计划。改为以总线开发计划。改为以100MHz以太网为基础的高速现场总线，以太网为基础的高速现场总线，称为称为HSE（High Speed Ethernet）。并与）。并与1999年公布了年公布了HSE规范草案。规范草案。2001年年6月注册第一个月注册第一个HSE链路设备链路设备2022/9/185第5页，共92页，编辑于2022年，星期二o2005年年5月完成月完成HSE和柔性功能块示范工程和柔性功能块示范工程o2005年完成年完成SIF（Safety Instrumented Functions）协）协议议o2008年年5月在壳牌公司（月在壳牌公司（Shell Global Solutions）完成）完成了了SIF技术的示范工程。技术的示范工程。oFF-H1网络以网络以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、数据链参考模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用层上增加用户层，构成四层结构的通信路层和应用层，并在应用层上增加用户层，构成四层结构的通信模型模型;oFF-HSE采用基于采用基于Ethernet(IEEE802.3)和和TCP/IP的六层的六层结构，主要用于制造业的自动化以及逻辑控制、批处理和高结构，主要用于制造业的自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合级控制等场合.2022/9/186第6页，共92页，编辑于2022年，星期二oFF-H1 传输速率为传输速率为31.25kbps，通信距离，通信距离1.9km，支持总线供电和，支持总线供电和本质安全防爆环境；本质安全防爆环境；n支持总线供电支持总线供电n支持本质安全支持本质安全n令牌总线访问机制令牌总线访问机制n内容广泛的用户层。内容广泛的用户层。2022/9/187第7页，共92页，编辑于2022年，星期二o基于以太网的高速部分基于以太网的高速部分HSEn迎合了控制和仪器仪表最终用户对可互操作性的、节约成本的、迎合了控制和仪器仪表最终用户对可互操作性的、节约成本的、高速的现场总线解决方案的要求，充分利用低成本和商业可用高速的现场总线解决方案的要求，充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以的以太网技术，并以100Mbps到到1Gbps或更高的速度运行或更高的速度运行n支持所有的低速部分支持所有的低速部分31.25kbps的功能，并支持的功能，并支持H1设备与设备与基于以太网的设备通过链接设备接口基于以太网的设备通过链接设备接口n支持标准的基本功能块支持标准的基本功能块n所有或部分的所有或部分的HSE和设备可实现冗余，以适应应用中的容和设备可实现冗余，以适应应用中的容错的需要错的需要2022/9/188第8页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.1 基金会现场总线基金会现场总线FF的主要技术的主要技术 -FF的主要技术内容的主要技术内容o基金会现场总线的通信技术基金会现场总线的通信技术包括通信模型、通信协议、通信控制芯片、网络与系统包括通信模型、通信协议、通信控制芯片、网络与系统管理。涉及一系列与网络相关的软硬件，例如通信栈管理。涉及一系列与网络相关的软硬件，例如通信栈软件、圆卡（仪表用通信接口卡）、软件、圆卡（仪表用通信接口卡）、FF与计算机的接与计算机的接口卡、各种网关、网桥、中继器等。口卡、各种网关、网桥、中继器等。2022/9/189第9页，共92页，编辑于2022年，星期二o标准化功能块标准化功能块FB与功能块应用进程与功能块应用进程FBAP；FF提供一个通用结构，把实现控制系统所需的各种功能划分提供一个通用结构，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，规定他们各自的输入、为功能模块，使其公共特征标准化，规定他们各自的输入、输出、算法、事件、参数和块控制图，并把它们组成为可输出、算法、事件、参数和块控制图，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架构的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基统架构的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。础。2022/9/1810第10页，共92页，编辑于2022年，星期二o设备描述设备描述DD和设备描述语言和设备描述语言DDL2022/9/1811第11页，共92页，编辑于2022年，星期二 -对象字典对象字典(OD)和设备描述和设备描述(DD)o同功能块模型相连，用来支持功能块，提供了设备的网络可同功能块模型相连，用来支持功能块，提供了设备的网络可见对象见对象(例如功能块和它们的参数例如功能块和它们的参数)的定义和描述；的定义和描述；o描述信息描述信息(如数据类型和长度如数据类型和长度)由设备应用程序在对象字典由设备应用程序在对象字典(OD)中维护。中维护。OD包含一个应用程序的每个网络可见对包含一个应用程序的每个网络可见对象描述，并使这些信息可以在网络上获得；象描述，并使这些信息可以在网络上获得；o设备应用程序的设备应用程序的OD描述可以由机器可读设备描述描述可以由机器可读设备描述(DD)来提供，来提供，DD是用设备描述语言是用设备描述语言(DDL)写成的。写成的。2022/9/1812第12页，共92页，编辑于2022年，星期二o现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之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；间的接口技术；在现场总线的产品开发中，常采用在现场总线的产品开发中，常采用OEM集成方法构成新产集成方法构成新产品，即把品，即把FF集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等部集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等部件与完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场设备。件与完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场设备。2022/9/1813第13页，共92页，编辑于2022年，星期二o系统集成技术；系统集成技术；包括通信系统与控制系统的集成。例如网络通信系统组包括通信系统与控制系统的集成。例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、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、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和软硬件于一体的综合性计算机、网络等多方面的知识和软硬件于一体的综合性技术。技术。2022/9/1814第14页，共92页，编辑于2022年，星期二o系统测试技术。系统测试技术。系统测试技术包括通信系统的一致性测试与互操作性测系统测试技术包括通信系统的一致性测试与互操作性测试技术，总线监听分析技术，系统的功能、性能测试等。试技术，总线监听分析技术，系统的功能、性能测试等。2022/9/1815第15页，共92页，编辑于2022年，星期二PLC以太网交换机链路设备(LD)现场设备现场设备H1以太网现场设备7.1 基金会现场总线概述基金会现场总线概述 -FF的主要内容的主要内容oFF连接示意图连接示意图2022/9/1816第16页，共92页，编辑于2022年，星期二o通信模型的主要组成及其相互关系通信模型的主要组成及其相互关系VCR虚拟通信关系虚拟通信关系7.1.2 通信系统的组成及其相互关系通信系统的组成及其相互关系2022/9/1817第17页，共92页，编辑于2022年，星期二 -网络通信网络通信oFF使用预先构造好的信道在设备间传输信息，这些信息被使用预先构造好的信道在设备间传输信息，这些信息被称为虚拟通信关系称为虚拟通信关系(Virtual Communication Relationship-VCR)o定义了三类定义了三类VCR：发布：发布/订阅订阅VCR、报告分发、报告分发VCR和和客户客户/服务器服务器VCR；o为支持为支持VCR，FF定义了三层通信结构：定义了三层通信结构：n在物理层规定了信号是如何发送的；在物理层规定了信号是如何发送的；n在数据链路层规定了在设备中间网络是如何被分享和调度的；在数据链路层规定了在设备中间网络是如何被分享和调度的；n在应用层定义了应用程序可以获得的信息格式，这些信息在应用层定义了应用程序可以获得的信息格式，这些信息有命令和响应的交换、数据和事件信息有命令和响应的交换、数据和事件信息7.1.2 通信系统的组成及其相互关系通信系统的组成及其相互关系2022/9/1818第18页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.2 通信系统的组成及其相互关系通信系统的组成及其相互关系 -VCR类型类型2022/9/1819第19页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.2 通信系统的组成及其相互关系通信系统的组成及其相互关系 -网络管理网络管理o为了在设备中能够提供集成的第为了在设备中能够提供集成的第27层协议层协议(通信栈协议通信栈协议)，并控制和监视它们的操作，并控制和监视它们的操作，FF定义在每台设备中都定义在每台设备中都包含一个网络管理代理包含一个网络管理代理(NMA);oNMA提供支持组态管理、执行管理和错误管理的能力；提供支持组态管理、执行管理和错误管理的能力；o组态、执行和错误信息包含于网络管理信息库组态、执行和错误信息包含于网络管理信息库(NMIB)中。中。2022/9/1820第20页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.2 通信系统的组成及其相互关系通信系统的组成及其相互关系 -系统管理系统管理oFF为每台设备提供一个系统管理内核为每台设备提供一个系统管理内核(system Management Kernel-SMK)，负责维护信息和一个协调层，这个协负责维护信息和一个协调层，这个协调层为设备应用程序的执行和互操作提供一个分布式调层为设备应用程序的执行和互操作提供一个分布式平台；平台；o由由SMK维护的信息被定义为系统管理信息库维护的信息被定义为系统管理信息库(SMIB)，并由它的，并由它的OD进行描述；进行描述；2022/9/1821第21页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.2 通信系统的组成及其相互关系通信系统的组成及其相互关系 -功能块应用进程功能块应用进程(FBAP)oFF系统结构设计了支持功能性模型的范围，每一种定系统结构设计了支持功能性模型的范围，每一种定位一个不同的需要；位一个不同的需要；o功能块使基本现场设备模块化，例如模拟量输入功能功能块使基本现场设备模块化，例如模拟量输入功能(AI)和比例积分微分功能和比例积分微分功能(PID);o功能块模型提供了一个共同的结构来定义功能块的输入输功能块模型提供了一个共同的结构来定义功能块的输入输出、计算和控制参数，从而简化了接口，使得各个功能出、计算和控制参数，从而简化了接口，使得各个功能块的接口具有一致性和标准性；块的接口具有一致性和标准性；o在功能块应用进程中，除了功能块对象外，还包括对象字在功能块应用进程中，除了功能块对象外，还包括对象字典典OD和设备描述和设备描述DD。2022/9/1822第22页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.3基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型oFF通信模型通信模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层OSI参考模型参考模型用户层用户层(程序程序)物理层物理层用户层用户层FF模型模型现场总线报文规范现场总线报文规范(FMS)子层子层现场总线访问子层现场总线访问子层(FAS)数据链路层数据链路层物理层物理层(省略省略36层层)通通信信栈栈2022/9/1823第23页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.3基金会现场总线通信模型基金会现场总线通信模型oFF协议结构协议结构PCI：协议控制信息：协议控制信息PDU：协议数据单元：协议数据单元DLL：数据链路层：数据链路层FAS：总线访问子层：总线访问子层FMS：总线报文规范层：总线报文规范层2022/9/1824第24页，共92页，编辑于2022年，星期二FF拓扑拓扑 总线型采用一根主干电缆，再分出多根分支电缆，每根分支上接一台现场设备；菊花链型只有主干电缆，即现场设备都接在主干电缆。树型是主干电缆上一个端点分出多个分支1支持单点型、总线型、菊花链型和树型种结构。在实际应用中，这种结构可混合使用。FF物理层支持双绞线、电缆、光缆、无线等多种传输介质。目前应用较为广泛的是双绞线和电缆二种。2022/9/1825第25页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1826第26页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.4 物理层物理层基金会现场总线的物理层遵循IEC1158-2与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31.25kb/s的FF-816物理层规范，也称为H1标准。物理层规定了信息如何在介质上从一个仪表送到另一个仪表，它包括信号的波形、幅值、导线类型、最大传输距离和允许阻抗等。2022/9/1827第27页，共92页，编辑于2022年，星期二物理物理层层功能：功能：物理层用于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；还为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理接口。2022/9/1828第28页，共92页，编辑于2022年，星期二物理物理层结层结构：构：媒体相关子层和媒体无关子层。2022/9/1829第29页，共92页，编辑于2022年，星期二传输传输介介质质：可以是IEC物理层技术规范中所规定的任何一种传输介质。例如双绞线、光缆或射频。基金会现场总线支持多种传输介质：A、双绞线；B、电缆；C、光缆；D、无线介质,目前广泛应用的是前两种,其型号规格如下表2022/9/1830第30页，共92页，编辑于2022年，星期二o物理层信号物理层信号 H1标准，标准，31.25kbps，曼彻斯特编码，曼彻斯特编码 传输介质：双绞线、电缆、光缆、无线介质传输介质：双绞线、电缆、光缆、无线介质2022/9/1831第31页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1832第32页，共92页，编辑于2022年，星期二H1信号编码1、协议报文编码协议数据报文长度8-273个字节。2、前导码10101010采用中继器，前导码可多于一个字节。3、帧前界定码标明协议数据信息的起点2022/9/1833第33页，共92页，编辑于2022年，星期二H1信号编码4、帧结束码标明协议数据信息的终止。前导码、帧前界定码和帧结束码由物理层电路生成。2022/9/1834第34页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1835第35页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1836第36页，共92页，编辑于2022年，星期二7.1.5 数据链路层数据链路层数据链路层DLL(Data Link Layer）具体位于物理层与总线访问子层之间。控制报文在现场总线上的传输。网络上的每一条总线都叫做一条链路。数据链路层与它下面的物理层和它上面的应用层之间的数据关系如图下所示。2022/9/1837第37页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1838第38页，共92页，编辑于2022年，星期二1链链路活路活动调动调度器度器 链路层对总线上的各类链路传输活动进行控制。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，以及总线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层来实现。每个总线网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，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容产生各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要功能。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，以此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。2022/9/1839第39页，共92页，编辑于2022年，星期二链路活动调度器拥有总线上所有设备的清单，它掌管总线网段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线网段上都只有一个LAS处于工作状态，总线网段上的设备只有得到链路活动调度器的许可，才能向总线上传输数据。因此，LAS是总线的通信活动中心，如下图所示。2022/9/1840第40页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1841第41页，共92页，编辑于2022年，星期二基金会现场总线的通信活动有调度通信和非调度通信两类。调度通信：调度通信：由链路活动调度器按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动，称为调度通信。链路活动调度器内有一个预定调度时间表。一旦到了某个设备要发送信息的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据(CD，Compel Data)给这个设备，基本设备收到这个强制数据信息后，就可以向总线上发送它的信息。现场总线系统中的这种受调度通信一般用于设备间周期性地传送控制数据，如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。见下图2022/9/1842第42页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1843第43页，共92页，编辑于2022年，星期二非调度通信：非调度通信：在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌来发送信息的通信方式称为非调度通信。FF通信采用的是令牌总线工作方式,非调度通信在预定调度时间表之外的时间，由LAS通过现场总线发出一个传递令牌(PT，Pass Token)，设备得到这个令牌后就可以发送信息。所有总线上的设备都有机会通过这一方式发送调度之外的信息。见下图2022/9/1844第44页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1845第45页，共92页，编辑于2022年，星期二oLAS功能功能n能认知新设备，并将新设备加入到链路中去；能认知新设备，并将新设备加入到链路中去；n能从链路中除去没有响应的设备；能从链路中除去没有响应的设备；n能在链路上发布数据链路时间和调度时间；能在链路上发布数据链路时间和调度时间；n在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备；在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备；n在调度时间之外，发送优先级驱动的令牌给某设在调度时间之外，发送优先级驱动的令牌给某设备备2022/9/1846第46页，共92页，编辑于2022年，星期二2链链路路设备设备 并不是所有的总线设备都可以成为链路活动调度器。按照设备的通信的能力，基金会现场总线把通信设备分为3类：基本设备、链路主设备、网桥。1)基本基本设备设备（)基本设备是那些能够接收并响应令牌的设备。所有设备包括网桥均具有基本设备的功能，均能接收并响应令牌。具有令牌的设备可以在总线上发送数据，在某一时刻，只有一个设备持有令牌。LAS提供给设备两种令牌：一种称为应答令牌，对所有的设备进行轮询，具有周期性；另一种称为授权令牌，这是在特定的时间段内访问总线，具有非周期性。2022/9/1847第47页，共92页，编辑于2022年，星期二2)链链路主路主设备设备（Link Master Device LMD）链路主设备是那些能够成为LAS的设备,如交换机等,现场设备也有资格成为LAS。LAS的5项主要功能：维护调度，发送令牌给网络设备；探查未使用地址，将其分配给新设备，并加到活动表上；在链路上周期分配数据链路时间和链路调度时间；发送授权令牌给设备，进行无调度数据传输控制；监视设备响应授权令牌，从活动表上删掉不能使用或不能返回令牌的设备。2022/9/1848第48页，共92页，编辑于2022年，星期二3)网网桥桥(Bridge)当网络中几个总线线段连接时，用于两个总线段之间的连接设备称为网桥。网桥属于链路主设备，它负担着下游的各个总线段的系统管理时间的发布，因此必须是LAS，否则无法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各种通信设备，也可以挂上多个链路主设备，但是一个总线段上同时只能有一个LAS，没有成为LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。2022/9/1849第49页，共92页，编辑于2022年，星期二受调度通信在网络上具有最高的优先级。当所有被调度的数据被“发布”之后，在下一个宏周期之前的剩余时间可以被用于传输非调度通信。LAS调度和令牌传输机制保证了只有一个仪表在某个时刻被授权访问总线，因此避免了冲突。LAS保证了受调度的数据被“发布”以及所有的仪表都有机会通信。受调度通信的时序被精确地定义，因此是有确定性的。2022/9/1850第50页，共92页，编辑于2022年，星期二基金会现场总线网络拓扑结构基金会现场总线网络拓扑结构 -网桥式网络拓扑结构网桥式网络拓扑结构o对于具有不同速度和介质类型的链路，可以用桥将它们对于具有不同速度和介质类型的链路，可以用桥将它们连接在一起，形成多链路网络或桥式网络；连接在一起，形成多链路网络或桥式网络；o对于所有的对于所有的FF桥式网络，任何两台设备间只有一条数据桥式网络，任何两台设备间只有一条数据链路链路2022/9/1851第51页，共92页，编辑于2022年，星期二基金会现场总线网络拓扑结构基金会现场总线网络拓扑结构 -网桥式网络拓扑结构网桥式网络拓扑结构o桥式网络拓扑结构桥式网络拓扑结构端口端口端口端口端口端口端口下游端口根端口根网桥网段2网段4网段1网段3网段02022/9/1852第52页，共92页，编辑于2022年，星期二 -网桥式网络拓扑结构网桥式网络拓扑结构o桥设备负责执行基金会现场总线网络中的四个功能：桥设备负责执行基金会现场总线网络中的四个功能：n发送；发送；n重新发布；重新发布；n数据链路时间的再分布；数据链路时间的再分布；n应用时钟时间的再分布；应用时钟时间的再分布；2022/9/1853第53页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块o功能块和功能块应用进程是功能块和功能块应用进程是FF系统结构的特色，是为系统结构的特色，是为实现不同系统控制功能而设计的；实现不同系统控制功能而设计的；o不同的功能模块表达了不同类型的应用功能；不同的功能模块表达了不同类型的应用功能；o原原DCS中中60%-80%的基本控制功能可以通过设置功的基本控制功能可以通过设置功能块及功能块的组合下载到现场总线智能仪表中来实现；能块及功能块的组合下载到现场总线智能仪表中来实现；o现场总线智能仪表可以根据不同的被控对象的特性，灵活现场总线智能仪表可以根据不同的被控对象的特性，灵活组合功能块，以实现被控对象的控制策略，使其真正成为组合功能块，以实现被控对象的控制策略，使其真正成为灵巧的智能仪表。灵巧的智能仪表。2022/9/1854第54页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能模块功能模块o在在FF用户层中，常用的功能模块有三类用户层中，常用的功能模块有三类n功能块功能块n资源块资源块n转换块转换块通信栈通信栈物理层物理层功能块功能块资源块资源块转换块转换块功能块功能块传感器或执行器传感器或执行器2022/9/1855第55页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能模块功能模块o转换块转换块n按照所要求的频率读取传感器中的硬件数据，并将其写入到相按照所要求的频率读取传感器中的硬件数据，并将其写入到相应的硬件中；应的硬件中；n不含有运用该数据的功能块，便于把读取、写入数据的过程从不含有运用该数据的功能块，便于把读取、写入数据的过程从制造商的专有物理制造商的专有物理I/O特性中分离出来；特性中分离出来；n转换块含有量程数据、传感器类型、线性化、转换块含有量程数据、传感器类型、线性化、I/O数据表示数据表示等信息。等信息。2022/9/1856第56页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能模块功能模块o资源块资源块n描述现场总线的设备特征，如设备名称、制造商与系列号；描述现场总线的设备特征，如设备名称、制造商与系列号；n每台设备中仅有一个资源块；每台设备中仅有一个资源块；n资源块没有输入或输出参数，它将功能块与设备的硬件特性相隔资源块没有输入或输出参数，它将功能块与设备的硬件特性相隔离，可以通过资源块在网络中访问与资源块相关的设备的硬件特离，可以通过资源块在网络中访问与资源块相关的设备的硬件特性；性；n资源块也有相应算法用以监视和控制物理设备硬件的一般操作。资源块也有相应算法用以监视和控制物理设备硬件的一般操作。2022/9/1857第57页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能模块功能模块o功能块功能块n提供控制系统行为，它的输入输出参数可通过现场总线链接；提供控制系统行为，它的输入输出参数可通过现场总线链接；n各功能块的执行均受系统管理各功能块的执行均受系统管理(SM)精确调度；精确调度；n功能块是参数、算法和事件三者的完整组成，由外部事件功能块是参数、算法和事件三者的完整组成，由外部事件驱动功能块的执行，通过算法把输入数据转换为输出数据，驱动功能块的执行，通过算法把输入数据转换为输出数据，实现应用系统的控制功能；实现应用系统的控制功能；n对于输入和输出功能块，要把它们链接到转换块，与设备对于输入和输出功能块，要把它们链接到转换块，与设备的的I/O硬件相互联系；硬件相互联系；2022/9/1858第58页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能模块内部结构功能模块内部结构2022/9/1859第59页，共92页，编辑于2022年，星期二功能块名称功能块名称功能块符号功能块符号功能块名称功能块名称功能块符号功能块符号模拟量输入模拟量输入模拟量输出模拟量输出偏差偏差控制选择器控制选择器离散量输入离散量输入离散量输出离散量输出手动装载手动装载比例微分比例微分比例积分微分比例积分微分比例系数比例系数AIAOBCSDIDOMLPDPIDRA7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能模块功能模块o用于基本控制的标准功能块用于基本控制的标准功能块2022/9/1860第60页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能模块功能模块o链接对象链接对象定义了功能块之间的链接关系；定义了功能块之间的链接关系；o趋势对象趋势对象允许主机和其他设备访问功能块参数的局部趋势。将短期历史数据收允许主机和其他设备访问功能块参数的局部趋势。将短期历史数据收集起来，并存储在设备中，并可以调用和显示其历史数据和特征；集起来，并存储在设备中，并可以调用和显示其历史数据和特征；o报警对象报警对象允许对报警状态和现场总线上的事件进行报告，当判断有报警允许对报警状态和现场总线上的事件进行报告，当判断有报警或事件时，可通过接口设备访问报警对象生成的通知信息；或事件时，可通过接口设备访问报警对象生成的通知信息；o视图对象视图对象为预定义的参数群，由人机界面使用。为预定义的参数群，由人机界面使用。2022/9/1861第61页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块应用进程功能块应用进程o功能块应用进程功能块应用进程(AP)是位于通信栈之上的用户层，主是位于通信栈之上的用户层，主要用来完成用户所需的自动化应用功能；要用来完成用户所需的自动化应用功能；o它基于功能块模型，每一个功能块都是一个独立的软它基于功能块模型，每一个功能块都是一个独立的软件模块，完成某一特定功能；件模块，完成某一特定功能；o是为实现某种应用功能或算法，对特定功能块的组合；是为实现某种应用功能或算法，对特定功能块的组合；o在具体结构上，功能块应用进程是由功能块应用对象、在具体结构上，功能块应用进程是由功能块应用对象、对象字典和设备描述三部分组成。对象字典和设备描述三部分组成。2022/9/1862第62页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块的应用功能块的应用o模拟量输入功能块模拟量输入功能块AI2022/9/1863第63页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块的应用功能块的应用o模拟量输出功能块模拟量输出功能块AO2022/9/1864第64页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块的应用功能块的应用o开关量输入功能块开关量输入功能块DI2022/9/1865第65页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块的应用功能块的应用o开关量输出功能块开关量输出功能块DO2022/9/1866第66页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块的应用功能块的应用oPID控制算法功能块控制算法功能块PID设定值初级输入前馈入2022/9/1867第67页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块的串级控制设计中的应用功能块的串级控制设计中的应用o炉温控制系统炉温控制系统2022/9/1868第68页，共92页，编辑于2022年，星期二7.5基金会现场总线的功能块基金会现场总线的功能块 -功能块的串级控制设计中的应用功能块的串级控制设计中的应用o串级控制功串级控制功 能块的连接能块的连接2022/9/1869第69页，共92页，编辑于2022年，星期二7.6基金会现场总线通信控制器基金会现场总线通信控制器o功能功能n通信信号的发送和接收；通信信号的发送和接收；n对传输数据的串并行转换；对传输数据的串并行转换；n对串行数据的编码和解码；对串行数据的编码和解码；n信息帧的打包和解包；信息帧的打包和解包；n帧检验序列的产生和验证帧检验序列的产生和验证2022/9/1870第70页，共92页，编辑于2022年，星期二7.6 FB3050基金会现场总线通信控制器基金会现场总线通信控制器o是继是继FB1050和和FB2050后，现场总线接口后，现场总线接口和控制器的第三代集成电路，是嵌入式和主和控制器的第三代集成电路，是嵌入式和主微处理器或控制器的接口；微处理器或控制器的接口；o芯片内部结构芯片内部结构2022/9/1871第71页，共92页，编辑于2022年，星期二2022/9/1872第72页，共92页，编辑于2022年，星期二7.6 FB3050基金会现场总线通信控制器基金会现场总线通信控制器oFB3050现场总线控制器特点现场总线控制器特点n适用于现场总线物理层定义；适用于现场总线物理层定义；n内含曼彻斯特编码器和解码器；内含曼彻斯特编码器和解码器；n片内有两个通道的片内有两个通道的DMA控制器；控制器；n可自动极性探测和校正；可自动极性探测和校正；n自动接收帧效验序列自动接收帧效验序列(FCS)探测；探测；n软件控制的发送软件控制的发送FCS发生器；发生器；n自动信息类型和地址识别；自动信息类型和地址识别；n31.25kbps和和1Mbps的数据传输速率；的数据传输速率；n可与所有通用微处理器和微控制器兼容可与所有通用微处理器和微控制器兼容2022/9/1873第73页，共92页，编辑于2022年，星期二7.7 基金会现场总线的组态基金会现场总线的组态FF定义了四个组态层次定义了四个组态层次组态第组态第1层层 制造商设备定义制造商设备定义每个设备制造商决定所提供设备的应用进程每个设备制造商决定所提供设备的应用进程(AP)的定义和类型，的定义和类型，并且标识每个并且标识每个AP的网络可见对象。的网络可见对象。组态第组态第2层层 网络定义网络定义网络由设备构成，本层定义了网络拓扑结构。网络由设备构成，本层定义了网络拓扑结构。组态第组态第3层层 分布式应用程序定义分布式应用程序定义应用程序由分布式资源组成。本层定义了分布式资源的交互作用。应用程序由分布式资源组成。本层定义了分布式资源的交互作用。组态第组态第4层层 设备组态设备组态本层定义分配给设备的每个本层定义分配给设备的每个AP值值2022/9/1874第74页，共92页，编辑于2022年，星期二7.8 一致性和互操作性测试一致性和互操作性测试o测试目标：保证来自不同制造商的设备能再同一个网测试目标：保证来自不同制造商的设备能再同一个网络中相互正常操作，而不会损失其他设备的功能。络中相互正常操作，而不会损失其他设备的功能。o产品测试分为两部分：产品测试分为两部分：o对通信栈产品的一致性测试；对通信栈产品的一致性测试；o对设备产品的互操作性测试；对设备产品的互操作性测试；oFF开发了互操作性测试系统开发了互操作性测试系统ITS，用来进行除物理层，用来进行除物理层以外的其他三部分测试以外的其他三部分测试2022/9/1875第75页，共92页，编辑于2022年，星期二7.8 一致性和互操作性测试一致性和互操作性测试 -系统结构及测试过程系统结构及测试过程oFF互操作性测试系统由三部分组成：互操作性测试系统由三部分组成：n测试系统测试系统是一个通用的测试平台，为测试提供人机界面、测试管理功是一个通用的测试平台，为测试提供人机界面、测试管理功能以及测试案例程序库。能以及测试案例程序库。n测试案例测试案例是抽象测试案例集在测试系统上实现的可执行测试案例集，进行是抽象测试案例集在测试系统