總線(xiàn)專(zhuān)題:第三講 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)(上)
FF由二部分組成:即HI低速現場(chǎng)總線(xiàn)及H2高速現場(chǎng)總線(xiàn)。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201612/330601.htmH1的通信速率為31.25kbps。
H2的通信速率為1Mbps及2.5Mbps,后改為HSE(High Speed Ethernet)速率為100Mbps。
H1與HSE通過(guò)FF的連接設備連接。
FF的特點(diǎn)是專(zhuān)門(mén)為過(guò)程自動(dòng)化(Process Automation)即連續控制的過(guò)程而設計的,它吸收了DCS及HART行之有效的技術(shù),如功能塊及DDL(設備描述語(yǔ)言)等技術(shù),所以熟悉DCS的用戶(hù)使用比較方便,但由于設想十分周到,技術(shù)比較復雜。
1.FFH1的通信模型
FFH1的通信模型參照了OSI參考模型的1、2、7層,另外又增加了用戶(hù)層,這是FF與其他總線(xiàn)不同之處。FFH1通信模型和OSI參數模型如圖1。
圖1基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)(FF)通信模型和OSI參考模型
(1)通信原理
如果需要將一信息從一處送到他處,必須按照協(xié)議規定的格式自用戶(hù)層經(jīng)應用層、數據鏈路層及物理層發(fā)送才能奏效。這一過(guò)程可用郵寄信件的方式作為譬喻,如要從某地發(fā)一信件給其他地方的某人時(shí),可按照郵局規定的方式,將信件放入信封,在信封上根據規定的格式寫(xiě)上地址及收信人,貼上郵票投入信箱即可。若不按照郵局的規定進(jìn)行,則信件就有可能收不到。譬喻的過(guò)程見(jiàn)圖2。FF的通信協(xié)議規定了其通信方式。
圖2 通信原理圖
物理層(Physical Layer PHY)與傳輸介質(zhì)(電纜、光纜等)相連接規定了如何收發(fā)信號和接收信號。數據鏈路層(Data Link Layer DLL)規定了總線(xiàn)設備如何共享網(wǎng)絡(luò ),怎樣調度通信。
應用層分為現場(chǎng)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)子層(Fieldbus Access Sub-layer,FAS)和現場(chǎng)總線(xiàn)報文規范子層(Fieldbus Message Specification,FMS)二個(gè)子層,其中FAS規定數據訪(fǎng)問(wèn)的關(guān)系模型和規范,在DLL與FMS之間提供服務(wù);FMS則規定了標準的報文格式,為用戶(hù)提供了所需的通信服務(wù)。應用層的任務(wù)是描述應用進(jìn)程(Application Process,AP),實(shí)現應用進(jìn)程之間的通信,提供應用接口的標準操作,實(shí)現應用層的開(kāi)放性。應用層規定了設備間交換數據、命令、事件信息和請求應答的信息格式。
用戶(hù)層規定了標準的功能塊,對象字典和設備描述,供用戶(hù)組成所需要的應用程序,并實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理和系統管理。在網(wǎng)絡(luò )管理中,為了提供一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò )各層通信協(xié)議的機制,實(shí)現設備操作狀態(tài)的監控和管理,設置了網(wǎng)絡(luò )管理代理和網(wǎng)絡(luò )管理信息庫,提供組態(tài)管理,運行管理和差錯管理的功能。在系統管理中,設置系統管理內核,系統管理內核協(xié)議和系統管理信息庫,提供設備管理、功能管理、時(shí)鐘管理和安全管理的功能。
FF將數據鏈路層,應用層和用戶(hù)層的軟件集成為通信棧(Communication Stack),供軟件開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)通信棧;通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現;另外再開(kāi)發(fā)專(zhuān)用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)及其相關(guān)硬件來(lái)實(shí)現物理層和數據鏈路層部分功能。這樣就能用軟硬件相結合的辦法來(lái)實(shí)現FF通信模型。
(2)FF通信模型的三大功能
FF通信模型作為現場(chǎng)總線(xiàn)設備的物理實(shí)體,再通過(guò)傳輸線(xiàn)構成通信網(wǎng)絡(luò ),按層次分別分為上述物理層等四層;如按功能分別可分為三大部分,即通信實(shí)體,系統管理內核和功能塊應用進(jìn)程,如圖3所示。各部分之間通過(guò)虛擬通信關(guān)系(Virtual Communication Relationship,VCR)來(lái)溝通信息,即相當于邏輯的通信信道,VCR表示了2個(gè)或多個(gè)應用進(jìn)程之間的關(guān)系。
圖3 FF通信模型的三大組成部分
1)通信實(shí)體(Entitg)。由各層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )管理代理(Network Management Agent,NMA)共同組成。其任務(wù)是生成報文(Message)和提供報文傳送服務(wù),是現場(chǎng)總線(xiàn)設備通信的核心部分。層協(xié)議的基本目標是構成VCR,網(wǎng)絡(luò )管理代理,負責管理通信棧,支持組態(tài)、運行和差錯管理,這些管理信息保存在網(wǎng)絡(luò )管理信息庫(Network Manage-ment Base,NMIB)中并由對象字典(Object Dictionary,OD)來(lái)描述。OD中保存有數據類(lèi)型、長(cháng)度等描述信息,為總線(xiàn)設備的網(wǎng)絡(luò )可視對象提供定義和描述。
2)系統管理內核。系統管理內核(System Management Kernel,SMK)在通信模型中位于應用層和用戶(hù)層。SMK是總線(xiàn)設備的管理實(shí)體,負責與網(wǎng)絡(luò )系統相關(guān)的任務(wù)管理,支持節點(diǎn)地址分配,應用服務(wù)調度、應用時(shí)鐘同步和應用進(jìn)程分析。SMK把控制系統管理操作的信息組成對象,存儲在系統管理信息庫(System Management Information Base,SMIB)中,并可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)訪(fǎng)問(wèn)SMIB。SMK支持網(wǎng)絡(luò )設備管理,在設備運行之前將其基本的系統信息置入SMIB,并分配一個(gè)物理設備位號,然后使設備進(jìn)入初始化狀態(tài);在不影響網(wǎng)絡(luò )上其它設備運行的情況下,使該設備進(jìn)入運行狀態(tài),并根據他的物理設備位號分配節點(diǎn)地址;當設備加入網(wǎng)絡(luò )以后,可按需設置遠程設備和功能塊。SMK采用系統管理內核協(xié)議(SMK Protocol,SMKP)與遠程SMK通信,另外采用FMS訪(fǎng)問(wèn)SMIB。SMK亦能為OD提供服務(wù)。首先在網(wǎng)絡(luò )上對所有設備廣播對象名,然后等待設備的響應,從而獲得網(wǎng)絡(luò )上對象的信息。
3)功能塊應用進(jìn)程。功能塊應用進(jìn)程(Function Block Application Process,FBAP)位于應用層和用戶(hù)層。功能塊(Function Block,FB)實(shí)現某種應用功能或算法如PID功能塊實(shí)現PID(比例、積分、微分)控制功能,模擬輸入(AI)和模擬輸出(AO)功能塊分別實(shí)現參數輸入和輸出功能,如將AI、PID、AO功能塊的輸出端和輸入端相連接就可以實(shí)現單回路控制策略。FF規定了10個(gè)基本功能塊和19個(gè)附加功能塊,分布在現場(chǎng)總線(xiàn)設備內,供用戶(hù)組態(tài)實(shí)現所需控制策略,從而構成全分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統,也就是所謂現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(Fieldbus Control System,FCS),他與DCS的區別之一就在于DCS將所有的控制功能集中在DCS的主機中;而FCS則將60~80%的一般控制功能分散到現場(chǎng)智能化儀表中去了,這不僅提高了系統的可靠性,而且還使控制更加及時(shí)和精確。由功能塊組合有關(guān)控制的范例如圖4。
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