第13章 现场总线数据通信系统.ppt

第13章现场总线数据通信系统本章内容第一节 现场总线通信系统概述第二节 物理层第三节 数据链路层第四节 现场总线访问子层第五节 现场总线报文规范子层第六节 通信栈第七节 网络管理第八节 系统管理第一节现场总线通信系统概述一、现场总线通信系统和ISO/OSI参考模型的关系二、现场总线通信系统的主要组成部分三、现场总线网络拓扑结构一、现场总线通信系统和ISO/OSI参考模型的关系图1 现场总线模型与ISO/OSI模型之间的关系基金会现场总线FF模型如图1的右侧一列所示。这采用了ISO/OSI参考模型中的三层：物理层、链路层和应用层，隐去了3-6层。其中物理层、链路层采用了IEC/ISA标准。应用层分为两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范子层FMS。FMS为系统的用户层提供通信服务。FMS提供不同类型的通信信道，称为虚拟通信关系VCR，FAS把VCR映射到底层网络，从而把用户的应用进程同日新月异的网络技术的发展隔离开来。链路层、访问子层和报文规范子层的全部功能集成在一起称为通信栈（CommunicationStack）。基金会现场总线还在ISO/OSI参考模型的应用层之上增加了用户层，用于组成用户所需要的应用程序。如，规定标准的功能块，定义设备描述，实现网络管理和系统管理等。二、现场总线通信系统的主要组成部分图2 基金会现场总线通信系统的结构1、功能块应用进程FBAP基金会结构被设计成支持很大范围的功能模型，每一个功能模型都代表着不同的需要。功能块模型就是其中的一种，它主要支持低层功能。用户可使用这些功能块构建用户程序，实现所需要的控制策略。2、对象字典和设备描述（OD与DD）它们是支持功能块的标准化工具，对网络可视对象进行定义和描述，促进设备的定义和理解的一致性。其中DD是OD的扩展，它可以描述很多对象，可以驱动人机接口的显示及同其他设备相互作用。3、网络通信基金会网络结构使用预定通信信道，即所谓的“虚拟通信关系（VCR）”在设备之间传输信息。共有3种类型的VCR，即出版商/订阅者VCR、报告分发VCR及客户机/服务器型VCR。为了支持这些VCR，基金会系统结构定义了一个3层的通信结构。物理层，具体说明信号是如何发送的；数据链路层，具体说明网络共享及设备中的调度；应用层，定义了应用进程之间的命令、响应、数据和事件的信息交换信息格式。4、网络管理为了在设备中综合层2和层7，并监督和控制它们的运行，基金会系统结构在每个设备中都有一个网络管理代理（NMA）。网络管理代理支持系统组态管理、运行管理和差错管理的功能。这些有关组态、运行、差错的信息都存储于网络管理信息库(NMIB)中。当然仍有大量的信息存在于通信栈中。系统管理信息库（NMIB）是由虚拟现场设备VFD描述的。5、系统管理基金会系统结构在每个设备中包含一个系统管理内核（SMK），它维护系统信息的同步与协调，为设备应用进程的执行和互操作提供一个分散的平台。系统管理内核(SMK)维护的信息被称为系统管理信息库（SMIB），系统的基本信息组态到SMIB中。SMK的作用还有分配物理标签和地址、定位设备和对象、系统应用时钟同步、功能块调度等。三、现场总线网络拓扑结构基金会现场总线的网络拓扑结构分为单链路拓扑和桥式拓扑两种结构。其中单链路拓扑是典型的离线组态网络，包含一个组态设备和一个被组态设备。而桥式网络是由桥把不同速率、不同介质的链路连接成多链路。在所有的基金会式网络中，两个设备间只有一个数据链路，所以桥内的路由表要相互协调，组成生成树（SpanningTree）。生成树表达了桥的组态，这样就保证了只有两个方向的数据流，或者流向树根据，或者离开树根。没有任何回路和并行路径。也就是说，由每一条链路到树根有一个，且仅有一个桥。生成树中的每一个桥只有一个根端口，一个或多个下游端口。每一个桥端口都连接一条链路。根端口向上连接到根，下游端口向下引出根的分支。下游端口又称指定端口（DesignatedPorts）。当根端口由远方的链路接收到预定的信息时，桥就会根据内部的路由表来选择信息所要经过的下游端口。而当下游端口接收到信息时，桥就会指出上传到根和/或下传到其他下游端口的通信路径。在现场总线网络中，桥完成以下任务：（1）转发（2）重发（3）分配数据链路时间（4）分配应用进程时间每一条链路都要有一个，且只能有一个链路活动调度器（LAS）。LAS在数据链路层中的作用是作为链路总线仲裁器，它完成以下功能：（1）识别和添加链路中的新设备（2）删除链路中无响应的设备（3）分配数据链路时间和链路调度时间（4）在受高度传输时，轮询现场总线设备，看缓冲区中是否有要发送的数据（5）在两次受调度传输的中间，为现场产品线设备分配令牌链路中的任何一个设备只要具备成为LAS的条件，都可以成为LAS。能够成为LAS的设备被称为链路主设备，其余的设备被称为基本设备。当链路首次启动或者现有的LAS故障时，链路主设备开始竞争LAS。竞争成功的链路主设备立即作为LAS开始工作。LAS将未成为LAS的链路主设备视为基本设备。同时，未成为LAS的链路主设备又都成为LAS的后备，一旦现行的LAS发生故障，它们就会进入新一轮的LAS竞争。有时，我们希望某 一特定的链路主设备成为LAS。在这种情况下，可以将它设置为主链路主设备。如果主链路主设备不能在竞争中取胜，它就会让获胜的链路主设备把LAS权利移交给它。链路的LAS一建立起来，链路的工作就会立即开始。第二节物理层场总线物理层是由物理介质的有关规定和传输数据的信号协议所构成。物理层使数据链路层在发送、接收数据时与物理介质的类型无关。物理层协议是有关于系统安装的一些规定。它规定了以下四个特性：机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。机械特性：主要涉及到连接器的规格，以及连接器的安装；电气特性：规定传输线上数字信号的电压高低、传输距离和传输速率等；功能特性：定义连接器内容插脚的功能；过程特性：规定了信号的时序关系，以便正确地发送、接收数据。物理介质可以是IEC物理层技术规范中所规定的任何一种传输介质。如双绞线、光缆或射频。物理层又可以分成物理介质相关子层与物理介质独立子层。本节内容一、物理介质相关子层二、物理介质独立子层一、物理介质相关子层物理介质相关子层负责处理不同传输介质、不同传输速率的信号转换问题，有时称其为介质访问单元。基金会现场总线的物理层采用已通过的国际标准IEC1158-2(ISA-S50.02-1992)。该标准有三种传输速度：H1型：低速31.25kbps总线供电H2型：高速1.0Mbps非总线供电H2型：高速2.5Mbps非总线供电表1：基金会现场总线的物理层技术规范在一条总线上的所有设备必须使用同一种传输介质，并具有相同的工作速度。但H1总线既可以使用总线供电的设备，也可以同时使用非总线供电的设备。这里主要介绍H1型的现场总线，如果不特殊指明，以下的论述仅涉及H1的物理层。H1型现场总线对于设备供电和传输信号仅使用一对导线，同上所述，它并不排斥将非总线供电的设备连接到总线上。为了实现这一点，电源应保持总线上的电压和电流不变。当某设备传输信息时，通信信号叠加在这个电压或电流上。在某一时刻，只能有一个设备占用线路，它可以接收或发送信息。信息的一比特一比特送出的，根据标准，信号是自同步的，采用Manchester型编码。采用Manchester型编码的数据与一个周期为T的时钟相比较，上升沿代表逻辑“0”，而下降沿代表逻辑“1”，见图3。图3：现场总线信号编码图4：现场总线信号波形二、物理介质独立子层图5 物理层的帧格式第三节数据链路层一、数据链路层中的介质访问功能1、基本设备2、链路主设备3、桥二、数据链路层中的数据传输功能1、无连接数据传输2、面向连接的发布数据传输3、面向连接的请求发送/响应交换的数据传输现场总线数据链路层(DDL)位于物理层与总线访问子层之间，它为系统管理内核和总线访问子层访问物理层提供服务。为对现场总线上的各类链路传输活动进行控制，需要在数据链路层上附加协议控制信息。现场总线通信中的链路活动调、数据接收和发送、链路活动探测与响应、链路时间同步都是通过数据链路层实现。通过链路活动调度器(LAS)可对传输介质进行周期和非周期两种访问。在功能上，DDL分为两层：访问总线和控制数据链路的数据传输。一、数据链路层中的介质访问功能DDL充当令牌传递总线桥式网络的中心，每条总线均有一个介质访问控制的中心点，叫链路活动调度器(LAS)，可持有令牌的设备叫基本设备，网络上的每一条总线叫链路1、基本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LAS和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，第一种叫应答令牌，对所有的设备进行轮询，具有周期性；另一种叫授权令牌，这是在特定的时间段内访问总线，具有非周期性。2、链路主设备链路主设备是那些能够成为LAS的设备，其中具有最低节点地址的成为LAS，其余的作为备份。LAS的五项主要功能：(1)维护调度，发送令牌给网络设备；(2)探查未使用地址，将其分配给新设备，并加到活动表上；(3)在链路上周期分配数据链路时间和链路调度时间；(4)发送授权令牌给设备，进行无调度数据传输控制；(5)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信息的设备。3、桥桥把不同性质的链路连接在一起成为树。桥总是链路主设备，且必须是LAS。此外，它还包括一个系统管理时间发布器。二、数据链路层中的数据传输功能现场总线基金会在数据链路层中提供了3种传输数据的机制。一种无连接数据传输，两种面向连接的数据传输。分别对应于现场总线访问子层FAS的三种VCR类型。三种数据传输机制：无连接数据传输；面向连接的发布数据传输；面向连接的请求发送/响应交换的数据传输1、无连接数据传输无连接数据传输是在两个数据链路服务访问点之间的独立数据单元的排队传输。DLL不需要控制报文和应答信息这种无连接数据传输用于FAS中的报告分发VCR2、面向连接的发布数据传输这种传输是发布者的数据协议单元在缓冲器之间的传输。数据单元只有发布者地址，索取者知道所要接收的信息来自哪一个发布者。这种面向连接的数据传输可以是周期性调度的(由索取者应用进程启动)3、面向连接的请求发送/响应交换的数据传输这种传输是有用户和服务器间的协议数据单元的排队传输。用户的VCR端点作为初始端，发送建立连接的请求给服务器，由服务器决定是否建立连接。这种连接提供有序和无序两种连接。很明显，这种数据传输类型用于FAS中的客户/服务器VCR.DLL帧结构：帧控制用来区分各种帧类型及作用。源地址2一般不使用，只有在一种建立连接的数据链路协议数据单元才出现。参数进一步说明帧的性质。最后是帧校验。基金会现场总线数据链路层所使用的是循环冗余校验。用户数据是从上层接收来的协议数据单元。通过使用这些协议数据单元，DLL为上层提供很多服务：(1)管理DLSAP地址、队列、缓冲器1)写数据到缓冲器2)从队列/缓冲器读数据(2)面向连接的服务1)建立同等的、多地一的连接服务2)使用队列或缓冲器的数据传输3)连接终止(3)无连接数据传输服务(4)时间同步服务(5)为数据发布者缓冲器提供强制发布服务数据链路层还支持一些子协议，如链路保护、LAS传输、调度传输等。13.4现场总线访问子层一、概述1、AR作用2、FAS服务3、FAS协议状态机制二、FAS-PDU三、FAS所映射的DLL层活动一、概述1、AR作用在分布式通信系统中的AR，使用一些服务和应用层通信渠道进行相互间的通信。FAS就提供这样的通信渠道，称为应用关系（AR）。通过连接两个以上的同种类型的AR端点，应可建立一个AR。其建立方式有三种：预先建立、预先组态、动态建立。AR的特点、作用是由其AR端点(AREP)决定的，所以AREP的类型对通信有非常重要的作用。在AREP间的通信，其方向有单向的、有双向的。数据链路的启动策略有用户启动的，有网络启动的；在数据传输中，有以缓冲器传输为模型的，也有队列传输为模型的。AR分为三类：队列传输、用户启动、单向的AREP(QUU)队列传输、用户启动、双向的AREP(QUB)缓冲器传输、网络启动、单向的AREP(BNU)这里使用的数据链路层服务有，面向连接的和无连接的数据传输服务。2、FAS服务FAS利用协议数据单元为FMS提供服务，FAS服务充分把DLL和FMS连接在一起，构成统一体通信栈。FAD提供的服务：“连接”服务，控制AR的建立，建立通信“放弃”服务，控制AR的断开，断开通信“确认的数据传输”服务，传递确认的高层服务，且是双向交换的“非确认的数据传输”服务，用来传递未经不需要确认的高层服务“FAS强迫”服务，这个服务要求DLL从调度通信的数据链路缓冲器中产生非调度通信的发送“获得缓冲器报文”服务，允许FAS用户释放(读取)缓冲器的内容“FAS-状态”服务，这个服务可把DLL的一些具体状态报告给FAS的用户FAS的这些服务都是通过组织协议数据单元FAS-PDU来完成的。3、FAS协议状态机制在FAS中，由三个综合的协议机制来共同描述FAS的行为，这三个协议机制是：FSPM：FAS服务协议机制ARPM：应用关系协议机制DMPM：数据链路层映射协议机制其中，ARPM根据AREP类型又分为三种：QUU、QUB、BNU，其结构如图6所示。图6 FAS结构三个协议之间的关系（1）FPSM描述了在FAS用户和一个AREP的服务接口，对于所有类型的AREP，FSPM都是相同的，没有任何改变。它主要负责下面活动：1）接收FAS用户的服务原语，并转化成FAS内部 原语2）根据FAS用户提供的AREP识别参数选择合适的ARPM状态机制，并把转换后的FAS内部原语发送给被选中的ARPM状态机制3）从ARPM接收FAS内部原语，并把它转化成FAS用户所使用的服务原语4）根据和原语相关的AREP识别参数，把FAS内部原语传递给FAS用户（2）AREP描述了一个AR的建立、释放和远端ARPM交换FAS-PDU。它主要负责以下活动：1）从FSPM接受FAS内部原语，产生其他的内部原语，并发送给FSPM或DMPM2）接受来自于DMPM的FAS内部原语，转换成另一种内部原语发送给FSPM3）如果是“连接”或“放弃”服务，它将建立或断开AR它的作用有：鉴定当前的AREP，封闭PDU，破解PDU，删除标识符，破解理由代码及附加细节（3）DMPM描述的是DLL和FAS之间的映射关系，对所有类型的AREP均是相同的，它负责以下活动：1）接受从AREP来的内部原语，转换从DLL服务原语，并发送给DLL2）接受DLL的 指示或确认原语，以FAS内部原语的形式发送给ARPM它的作用是：选择本地端点属性，核对远端端点的存在性，定位、鉴别DLL的标识符。二、FAS-PDUFAS协议中一个重要的内容就是FAS-PDU，所有FAS服务均是通过封装相应的FAS-PDU来实现的，通信双方共同遵守一定的原则，这样通过封装PDU、破解PDU完成双方在FAS层的通信。FAS-PDU的类型有7种：(1)确认的数据传输请求PDU(2)确认的数据传输响应PDU(3)非确认的数据传输PDU(4)连接请求PDU(5)连接响应PDU(6)连接错误PDU(7)放弃PDUFAS-PDU的一般结构：FAS标头8位共一个字节，作用是区别PDU类型，也就是说，FAS标头代表的是哪一种PDU。用户数据是由高层FAS用户传递而来的，这样FAS封装好PDU，并发送给DLL；而接受方的FAS从它的DLL读上来，解开标头，再送给FAS的用户。这样完成了双方的通信。FAS标头的第一位若为“0”，则说明FAS用户是FMS，若是“1”，则保留给非FMS的FAS用户。从系统结构图中我们知道，FAS的用户是应用进程AP，此时通信旁路FMS主要的服务有“FAS-强迫”服务、“读缓冲器”服务、“FAS-状态”服务。所使用FAS的AREP类型也以BNU为主 三、FAS所映射的DLL层活动FAS是利用DLL的设计通信和非调度通信来为FMS提供服务。因此，FAS在为FMS提供服务的同时，需要底层DLL提供服务支持：(1)无连接数据传输服务；(2)面向连接的两种数据传输服务；(3)缓冲器传输服务；(4)队列式传输服务；(5)数据单元分割 服务；(6)数据链路时间分配服务。这些就是FAS所映射的主要DLL层的活动，这样FAS就有机地同DLL联系起来，共同为FMS服务，形成基金会现场总线的通信栈。通信栈就是由DLL、FAS、FMS共同构成的通信渠道，用于用户层的应用进程之间的通信。当然它不应该包括SMK和DLL的直接通过SMKP的通信，SMKP所使用的并不是通信栈的三层通信原理。第五节现场总线报文规范子层现场总线报文规范子层(FMS)是现场总线应用层的高层，它借助于FAS提供的服务来为用户层应用进程之间的信息交换提供服务。现场总线报文规范层的作用是定义现场总线的命令、响应、数据和事件的信息，成为一套标准规范，用于用户程序通过现场总线相互间发送令牌。这要求FMS去访问AP对象及这些对象的OD描述。因此，FMS要提供通信服务、报文规范和协议。FMS的通信服务主要是管理应用对象，包括VFD管理、OD管理、文本管理、域管理、程序调用管理、变量访问和事件管理本节内容一、报文规范子层所包含的服务1.VFD管理2.OD管理3.文本管理4.域管理5.程序调用管理6.变量访问7.事件管理二、FMS报文规范一、报文规范子层所包含的服务现场总线报文规范子层主要完成以下各类服务：1.VFD管理虚拟现场设备（VFD）是描述自动系统数据行为的一种抽象模型。这种模型是建立在VFD对象及对象描述基础上的。一个VFD只有一个OD，而一个设备可以有几个VFD，其中包括一个管理VFD，用来描述系统管理数据库SMIB和网络管理数据库NMIB。VFD对象管理所包含的服务有“状态”、“任意状态”和“识别”三种。服务的目的是通知用户程序了解现场设备的情况2.OD管理对象字典（OD）由类型的静态列表、静态对象字典、变量表的动态列表和程序的调用动态列表构成。OD是对象的描述，每一个对象描述包括：索引号、对象码和对象属性，如果需要，还有名字和扩展名。OD是功能块应用的标准化工具，也是系统实现互操作性的关键策略之一。FMS的对象管理所包含的操作有：读OD服务、写OD服务等。在FMS中，可以对 OD进行访问。3.文本管理文本是关于VCR的所有协定。VCR就是虚拟通信关系，它是贯穿整个通信栈的通信渠道。VCR包括静态和动态部分，每部分都是结构数据，其内容就是如何进行通信。对象双方在进行通信前，要进行文本一致性检验，只有在一致的情况下才能进行通信。FMS文本管理所包含的服务有初始化、放弃和拒绝三种服务4.域管理域就是一部分存储器，可以存储代码和数据。域所拥有的最大字节数是由其对象描述规定，包括上/下载，一般下载服务在任意时刻只允许一种服务对域进行操作。通过域下载，可以把用户的组态下载到现场设备中去，从而实现控制策略分散到现场5.程序调用管理把几个域连接起来，构成一般可以执行的程序。这是因为域中不但有数据，而且还存储有代码。当然这个程序不仅可以执行，还可以对它进行其他的操作，例如停止、删除。程序调用可以预定义，也可以在线创建，也可以在线创建。但当对象字典（OD）更新后，程序也就被删除。FMS对程序调用管理所包含的服务是：程序创建、程序删除、停止执行、继续执行和复位。通过这些服务，FMS对程序调用进行管理。6.变量访问变量访问包括对简单变量、数组、记录、变量表、数据类型、域、程序调用、事件等进行访问。根据所访问对象的不同，其访问的方式也有所不同。在一般的情况下是通过对象的索引号或名字进行访问，直到最简单的变量的对象描述为止。7.事件管理事件管理服务是从一个设备向另一个设备发送重要报文。由用户来负责检查引起事件的状态。这样便于运行员检查故障，维护设备。时间管理所包含的服务有：事件通告、应答事件报告、带类型的事件报告、报警时间条件监督。FMS主要利用这些服务来通告用户报警信息二、FMS报文规范基金会现场总线报文规范采用抽象语法表示语言(ASN.1)进行定义。抽象语法表示语言由国际电话与电报适委员会于80年代初编制。基金会现场总线主要使用ASN.1来描述PDU的语意。PDU的内容就是现场总线的命令、响应、数据和事件等信息这些构成FMS服务的原语，形成一套标准信息规范编码原则：设备应用进程在进行通信时，必须建立双方的数据联系，以此来辨识通信的目的。基金会现场总线FMS最基本的编码原则是在用户数据前附加的信息尽可能短；另一方面，还要注意到经常出现的特殊信息，如读写操作。FSM-PDU的结构有两种：一种是用户数据前带有明确的识别信息；另一种是用户数据符合某种隐含的协定(如用户数据长度固定)。识别信息是P/C标志、标签和长度三部分组成。其中P/C占1位，标签3位，长度4位，若不足时，标签和长度可向下一字节进行扩展。P/C识别代表简单的或结构化的原语；标签指明原语的语意(如读、写)；长度指原语占有的字数或结构化原语中原语的个数。FMS、PDU由两部分组成：一部分是固定为3个字节的固定部分，另一部分是长度可变的。在固定的3个字节中这样安排：第1个字节是识别信息，即FMS所使用的服务；第2个字节是调用ID；第3个字节是又一个ID信息，是对第一个ID的进一步描述。第六节通信栈VCR根据所使用的各层功能分为三种形式：客户机/服务器型，报告分发型，出版商/订购者型。分别对应FAS的AR及DLL的三种数据传输方式。在网络管理信息库中，每个VCR都有详细的描述，而有关VCR的所有协定都由FMS的文本管理服务进行管理。表2 VCR分类本节内容一、报告分发VCR(1)建立连接(2)数据传输(3)拆除连接二、出版商/订阅者VCR(1)连接过程(2)数据传输过程(3)拆除连接三、客户机/服务器VCR(1)建立连接（2）数据传输(3)拆除连接一、报告分发VCR报告分发VCR主要用于事件通知和趋势报告，它使用无连接DLL服务提供非确认的应用层之间的信息传递(1)建立连接 AP打开QUU型VCR，FMS的初始化服务使FMS发布连接请求给FAS，如果FAS能够打开它的VCR部分，它就响应FMS，FMS完成打开VCR的行为。由于此类型VCR使用无连接的DLL服务，因此，建立连接过程不经过DLL。报告接受端的建立连接过程同此一样。(2)数据传输当AP准备好分发的报告时，它发布一个FMS非确认服务请求，FMS接到请求后，把报告数据合成FMS、PDU并发送给FAS，FAS加装FAS标头后，使用FAS的非确认数据传输服务，并请求DLL使用无连接服务来发布报告。优先权和目的地址可以预告组态，也可由AP动态提供。报告接受方进行与此相反的服务，接受方的DLL把接受来的帧处理后传送给FAS，FAD去掉标头后传送给FMS，FMS去掉ID信息送给报告接受者的AP(3)拆除连接报告发送完毕后，AP可发送放弃请求来关闭VCR，一直传递到FAS层。在发送过程中，如出现差错，FAS、FMS均可发出放弃请求来终止VCR。二、出版商/订阅者VCR这种VCR一般用于设备把测量值传递给PID块和操作站的通信。它使用缓冲器式面向连接的DLL服务来提供非确认的应用层服务。(1)连接过程出版商AP是从一个缓冲器周期地发布数据，AP打开一个BNU、VCR，FMS初始化服务请求FAS，如果FAS能够打开它的VCR部分，它就要求DLL打开一个发布/索取者的数据链路连接。DLL组装、发送建立连接协议数据单元(ED-DLPDU)，这种类型的数据链路连接不请求响应，随后DLL给FAS一个确认，数据链路已经打开，FAS打开它的VCR部分，返回一个确认给FMS，FMS也是同样，只不过它的确认是返回给AP。订阅者的VCR连接过程同上面的过程完全 一样，这样两个应用进程之间的VCR连接后，就可进行通信了。(2)数据传输过程出版商准备好发送的数据后，它发送请求给FMS，其通过通信栈的过程同报告分发VCR的过程一样，所不同的是FAS把组装好的PDU用“数据链路写”服务写到DLL的缓冲器中去，当缓冲器被出版商的强迫数据PDU启动后，DLL把缓冲的内容组帧发送出去。订阅者的AP也可使用“FAS-强迫”服务，启动出版商的缓冲器发送数据。出版商的数据帧中有发布者的名字，订阅者在连接建立后，知道这个名字，于是订阅者接受所对应的出版商的数据，并把它放入DLL的缓冲器中，然后发送给FAS一个缓冲器接受指示，FAS利用“读缓冲器内容”服务把缓冲器内容读到FAS，去掉标头后传递给FMS，FMS也同样，去掉ID信息后，把数据送到订阅者的AP，订阅者不返回确认服务响应。(3)拆除连接出版商和订阅者均可从各自的AP、FMS、FAS部分关闭VCR，并逐层向上传递，以拆除连接。它们之间不同的是在拆除DLL的数据链路连接(DLC)上，只有出版商的DLL可以发送一个拆除连接的协议数据单元(DC-DLPDU)三、客户机/服务器VCR客户机/服务器VCR主要用于改变设定值、调整控制参数、改变控制方式、以及上载、下载等。(1)建立连接AP打开QUBVCR，FMS初始化请求服务要求FAS打开VCR，FAS在打开自己的VCR部分后请求DLL打开端对端的数据链路连接，这时DLL发送的EC-PDU请求服务器响应，这个DDU包含着FMS、FAS的请求PDU。服务器部分的DLL与客户部分协商数据传输特征和数据单元的长度，然后把请求传送给FMS，FMS核对端点是否匹配，然后传给FMS，FMS也进行一定的协商活动后传送AP，AP回应客户一个响应，这样就建立了连接。（2）数据传输数据传输过程通过整个通信栈，并请求发回响应，数据传输请求沿着各层依次下传到数据链路层，在各层都要封装一定的鉴别信息。由对方辨认。与之连接的链路接到请求后，向上面的各层传递，FAS、FMS层去掉标头及ID信息后传送给用户程序AP，AP给通信的另一方发送响应，这样就完成了数据传输。这个数据传输过程应用于通信的双方。(3)拆除连接在客户端或服务器端的任意层均可发出放弃请求，放弃和拆除整个VCR，并通知上、下各层完成连接拆除第七节网络管理一、网络管理代理(NMA)二、网络管理代理的虚拟现场设备一、网络管理代理(NMA)网络管理代理（NMA）是基金会现场总线中很重要的一部分，它对整个系统的网络进行管理、协调。NMA通过层管理实体(LME)来访问不同子层的管理信息，并把整个通信栈作为一个整体进行维护。NMA可看做是FMS的VFD，而NMA中的NMIB可认为是许多关于通信栈的对象的集合。因此，可使用FMS服务，通过FMS和NMA之间的VCR来访问NMIB中的对象，这个VCR是NMIB中VCR列表中第一个VCR，其类型属于QUB。网络管理者维护网络操作，执行系统管理器制定的策略，处理NMA报告的信息，指导NMA执行所需要的服务，这些服务均需借助于FMS。层管理实体管理各层协议的功能，提供NMA访问管理对象的内部接口。NMA提供网络管理器访问管理对象的FMS接口。NMIB是被管理对象的集合，包括组态、性能、差错等信息，通过FMS服务进行访问。从以上基本概念的讨论，可得到图7所示的作用关系 图7 网络管理代理的作用NMIB是如何访问协议信息以及协议信息是如何知道NMA的组态参数是不透明的，也就是说，NMA同协议实体LME之间存在着一个内部接口。NMIB中是一些对象的集合，大致可把这些对象分成五类：(1)VCR列表(2)链路活动表(3)系统组态管理(4)系统运行管理(5)系统差错管理二、网络管理代理的虚拟现场设备网络管理代理的虚拟现场设备NMAVFD是网络上可以看到的网络管理代理，或者说是由FMS所看到的网络管理代理。NMAVFD利用FMS所提供的服务，使NMA可以穿越网络进行访问。NMAVFD的属性有：厂商名称、模块名称、版本号、行规号、逻辑状态、物理状态及VFD专用对象表。NMAVFD像其他虚拟现场设备一样，具有它所包含的所有对象的对象描述，并形成对象字典。同其他对象字典一样，它把对象字典本身作为一个对象进行描述。NMAVFD的对象描述内容有：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、第一索引对象的目录号等。网络管理代理索引对象是包含在NMIB中的一组逻辑对象。每个索引对象包含了访问NMA管理的对象所必须的信息。通信行规、设备行规、制造商都可规定NMAVFD中所含有的网络可访问对象。这些附加对象存储在OD中，并且为它们加上索引，通过索引指向这些对象。第八节系统管理每个现场总线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)组成。系统管理内核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见，系统管理是通过集成多层协议的功能而完成的。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系统管理者(SMgr)/系统代理者(SMK)工作模式，每个设备的系统管理内核（SMK）承担着系统管理代理者的角色，对从系统管理者(SMgr)实体收到的指令做出响应。系统管理可全部包含在一个设备中，也可分布在多个设备之间。一、系统管理内核系统管理内核（SMK）为网络设备提供一个底层的互操作，SMK可看做是FMS的管理VFD。SMK的一个任务是在系统启动前把系统的基本信息利用组态设备组态到NMIB中，组态后，根据组态标签，分配给设备一个永久数据链路地址。这样，设备在不影响其他设备的情况下加入到网络上，这时SMK的作用是定位远程设备和功能块。为完成互操作，设备的活动及其功能块必须和网络上其他设备进行同步。SMK提供两种机制：一个是网络上的设备作用一个共同的应用时钟；另一个是系统管理使用调度对象来控制功能块在什么时间执行。SMK提供以下服务：（1）访问SMIB；（2）设备的标签和地址分配；（3）设备识别；（4）定位远程设备和对象；（5）功能块调度；（6）时钟同步。SMIB中所存储的对象也和以上服务一致，所有的对象都与上面的服务有关。（1）VFD列表；（2）物理设备识别对象；（3）调度对象；（4）时间对象。SMK使用两个应用层协议进行通信：FMS协议和SMK协议。FMS协议：是使用标准管理VCR来访问SMIB；SMK协议：是用来支持SMK服务，标准管理VCR就是QUB、VCR。SMK同NMA及AP之间的通信是不透明的，通过内部接口完成。SMK使用无连接链服务来发送和接收SMK-PDU。SMKP直接对数据链路层进行操作，不经过FMS和FAS。如图8所示。图8 系统管理与其他部分的关系SMKP-PDU发送初始化可在任意一端进行，AP可发布一个SMK服务请求，SMK也可决定发送请求的时间。然后，SMK组织适当的SMKP-PDU，再向DLL发送一个无连接数据传输请求，由DLL向现场总线上发送。被寻址到的SMK在数据链路层接收到信息后，经SMKP处理送到SMK，这样就完成了SMK间的通信。二、自动寻址机制每个现场总线设备必须具有惟一的网络地址和物理设备位号，以便现场总线对它们进行操作。为了避免在现场总线设备中设置地址开磁，可以通过系统管理自动实现网络地址分配。为一个新设备分配网址的步骤如下：通过组态设备分配给这个新设备一个物理设备位号。这个工作一般都是离线进行，但也可以通过特殊的缺省网址在线实现。系统管理采用缺省网址询问该设备的物理设备位号，并采用访物理设备位号在组态表中寻找新的网址。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址。对进入网络的所有设备都按缺省地址重复以上步骤，参见图9。图9 自动寻址过程三、功能块调度功能块调度用来控制用户进程中某个功能块或其他可执行任务的执行时间。SMK使用SMIB中的调度对象和数据链路层的链路调度时间来决定何时向用户应用进程发布命令。功能块是重复执行的，每次重复称为一个宏周期(Macrocycle)，宏周期以零为链路调度起始时间的基准，从而实现链路时间的同步。即，如果一个特定的宏周期的持续时间是1000，那么它将以0、1000、2000等时间点作为起始点。当控制一生产过程时，数据的采集及输出的改变都必须按照固定的时间间隔进行。该时间间隔的误差必须很小。为此，功能块根据为每个设备组态的SMIBFBStartEntryObjects精确地以固定时间间隔执行。功能块的调度策略和它的宏周期必须下载到功能块执行设备的SMIB中。功能块执行设备利用这些对象和当前的LS时间来决定何时执行它的功能块。采用调度组建工具生成功能块和链路活动调度器。假定调度组建工具已经为某个控制回路建立了表3所示的调度表。该调度表中的开始时间是指它距离绝对链路调度时间起点的数值。对链路调度时间起点是总线上所有设备都知道的。图10表示了功能块的调度次序，以及调度时间与宏周期之间的关系。当链路调度开始时，偏移量为0，现场总线变送器中的系统管理将启动AI功能块的执行。当偏移量为20时，链路活动调度器将向变送器内AI功能块的缓冲器发出一个强制数据CD，缓冲器中的数据将发送到现场总线上。表3 控制回路调度表当偏移量为30时，现场总线执行器中的系统管理将启动PID功能块的执行。随后在偏移量为50时执行AO功能块。当下一个调度周期开始时，控制回路将重新执行上述过程。由图中可见，在功能块执行的间隙，链路活动调度器LAS还向所有的现场设备发送令牌，以便让它们发送非调度信息，如报警信息、给定值变更信息等。需要注意的是：当AI功能块的数据正在总线上传输的时候，即在信长量为20-30的时间范围内，现场总线不能传送非调度信息。图10 功能块调度宏周期