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)。

H1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。