现场总线技术-第4讲 基金会现场总线 ff

第四讲 基金会现场总线,Foundation Fieldbus,Foundation Fieldbus,第 一 部 分 概 述,概述,基金会现场总线是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专门设计的； 协议标准由现场总线基金会组织开发； 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； 1996年颁布了低速总线H1的标准，传输速率31.25kbps； 2000年制定高速总线标准：高速以太网HSE(High Speed Ethernet),4.1.1 概述,概述,减少接线与安装易于集成简化操作和维护,灵活的拓朴结构实现与地点无关的控制对等实体间高速通信真正的可互操作性完善的售后服务与技术支持,4.1.1 概述,概述,基金会现场总线的通信技术； 标准化功能块FB与功能块应用进程FBAP； 设备描述DD与设备描述语言DDL； 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； 系统集成技术；系统测试技术。,4.1.1 概述FF的主要技术,基金会现场总线的最大特征在于它不仅仅是一种总线，而且是一个系统，是网络系统，也是自动化系统。,FB: Function Block, FBAP: FB Application Process, DD: Device Description, DDL: DD Language,概述,OSI参考模型,4.1.2 FF通信模型与OSI对应关系,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、设备描述、实现网络管理和系统管理。应用层：规定了在设备之间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；数据链路层：规定如何在设备间共享网络和调度通信物理层：规定信号如何发送,概述,4.1.2 FF通信模型组成及相互关系,VCR：Virtual communication relationship, 虚拟通信关系,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。,概述,4.1.2 FF通信模型组成及相互关系,在基金会现场总线网络中，设备之间传送信息是通过预先组态好了的通信通道进行的。这种在现场总线网络各应用之间的通信通道称之为虚拟通信关系(VCR，Virtual Communication Relationships)。现场设备应用进程之间的连接是一种逻辑上的连接,一种软连接。,虚拟通信关系的类型与应用,概述,4.1.2 FF通信模型FF协议报文结构,PCI:协议控制信息；PDU:协议数据单元；FMS:总线报文规范子层；FAS:总线访问子层；DLL:数据链路层,概述,4.1.3 FF物理层,用于实现现场物理设备与总线之间的连接；物理层遵循IEC1158-2与ISA-S50.02中物理层相关标准；低速总线为H1标准（31.25kbps的FF-816物理层规范）；高速总线采用HSE高速以太网标准；主要功能是为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气的接口；,物理层作为电气接口，一方而接受来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用。,概述,基金会现场总线为现场设备提供两种供电方式:1）总线供电：总线上既要传送数字信号，又要由总线为现场设备供电2）非总线式单独供电,4.1.3 FF物理层- H1 总线电压模式的信号波形,H1的物理信号波形,网络配置使得其等效阻抗为50欧， 现场变送设备内峰-峰15-20mA的电流变化就可在等效阻抗为50欧的现场总线上形成0.75-1V的电压信号,概述,前导码、帧前定界码、帧结束码都是在发送端，由硬件生成并加载到物理信号上：发送驱动器,4.1.3 FF物理层H1信号编码,前导码： 网络信号同步；帧前定界码：标明协议数据信息的起点；帧结束码： 标志协议数据信息终止。,概述,4.1.3 FF物理层H1信号编码,采用双向L曼彻斯特编码（即曼彻斯特编码的反码）。 前半周期为低电平后半周期为高电平形成的脉冲正跳变为0，反之为1。,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。,概述,4.1.3 FF物理层H1物理层技术规范,概述,4.1.3 FF物理层H1物理层技术规范,概述,4.1.3 FF物理层H1物理层技术规范,总线连接,概述,4.1.4 FF数据链路层,在数据链路层上所生成的协议控制信息就是为完成对总线上的各类链路传输活动进行控制而设置的。,数据链路层位于物理层PHY与总线访问子层FAS之间，为系统管理内核和总线访问子层FAS访问总线媒体提供服务。,概述,4.1.4 FF数据链路层数据链路协议数据帧,概述,4.1.4 FF数据链路层链路活动调度器LAS,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 。LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。任何时候每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线上的设备只有得到LAS的许可，才能向总线上发送数据。因此，LAS是总线上的信息中心。,受调度通信：由LAS按照预定的调度时间表周期性发起的通信活动；非调度通信：LAS在调度时间表之外，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式。适于现场设备之间非周期通信，是令牌总线方式。,基金会现场总线的通信活动分为两类：,概述,4.1.4 FF数据链路层链路活动调度器LAS,基本设备： 能够接收并响应令牌的设备；链路主设备：能够成为LAS的设备；桥接设备： 用于两个总线段之间的连接设备。,基金会现场总线的通信设备分为3类：,LAS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) 监视设备相应授权令牌，从活动表上删掉不能使用或不能返回令牌的设备。,概述,4.1.4 FF数据链路层桥式网络拓扑结构,桥设备负责执行基金会现场总线网络中的四个功能：发送；重新发布；数据链路时间的再分布；应用时钟时间的再分布；,概述,4.1.4 FF数据链路层链路活动调度器LAS,概述,4.1.5 FF应用层,1）FAS：利用数据链路层的调度和非调度服务来为报文规范层服务；2）FMS：主要作用是允许用户程序使用一套标准的报文规范通过现场总线相互发送信息。,概述,4.1.5 FF通信控制器功能,1）通信信号的发送和接收；2）队传输数据的串并行转换；3）对串行数据的编码和解码；4）信息帧的打包和解包；5）帧校验序列的产生和验证。,概述,4.1.5 FF通信控制器FB3050通信控制器,巴西SMAR公司产品，是继FB1050和FB2050后，现场总线接口和控制器的第三代集成电路，是嵌入式和主微处理器或控制器的接口。,特点：1）信号极性自动识别；2）曼彻斯特编码解码；3）帧校验；4）数据链路层地址及帧的自动识别处理。,概述,4.1.5 FF通信控制器FB3050通信控制器,Foundation Fieldbus,第 二 部 分 功能块,FF功能块,报文访问子层FAS数据链路层 DLL,用户层通信栈的最后一层是用户层，包括三个主要部件：功能块、变换块、资源块。用户层提供了功能块和设备描述，无需特别编程，主机系统即可与设备通信。,4.2.1 FF功能块简介,FF功能块,4.2.1 FF功能块简介,功能块和功能块应用进程是FF系统结构的特色，是为实现不同系统控制功能而设计的；不同的功能模块表达了不同类型的应用功能；原DCS中60%-80%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；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，使其真正成为灵巧的智能仪表。,FF功能块,它是过程控制或I/O功能块。它们用来执行过程控制策略。功能块与转换器块接口以访问过程控制信息；与FF现场总线高速通信，使信息能被其它设备所用。10个标准功能块，19个标准的附加功能块。,资源块完整定义了设备与外界的连接。采用资源块，主机知道设备的属性和功能。资源块包含整个资源通用的信息，包括设备识别、硬件、设备特点、内存和CPU可用率、写保护、故障安全和报警管理。,转换块完整定义了有关设备传感器或执行器的信息。它是物理世界和信息世界的连接。转换器块与模拟输入或输出功能块通信。AI和AO 模块与外部通信。这种模块负责信息和特定的功能，例如一个特定物理属性的测量，如压力或温度。,4.2.1 FF功能块简介,FF功能块,4.2.2 FF功能块结构内部结构,功能块应用进程提供一个通用结构，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，规定它们各自的输入、输出算法、事件、参数与块控制图。,FF功能块,4.2.2 FF功能块结构3244MW型温度变送器功能框图,FF功能块,4.2.3 FF功能块库,FF功能块,4.2.4 FF典型功能块模拟量输入功能块,FF功能块,4.2.4 FF典型功能块模拟量输入功能块,PV_FTIME滤波,IN,OUT,模拟量输入功能块,FF功能块,4.2.4 FF典型功能块模拟量输出功能块,FF功能块,4.2.4 FF典型功能块开关量输入功能块,FF功能块,4.2.4 FF典型功能块开关量输出功能块,FF功能块,4.2.4 FF典型功能块PID控制算法功能块,FF功能块,OUTSELECTOR输出选择,CAS_IN,OUT,SP_LIMITS限幅,PID功能块,4.2.4 FF典型功能块PID控制算法功能块,SPSELECTOR选择,PV_TIME滤波,PID+FF,IN,OUTLIMITS,FF_SCALEFF_GAIN,FF_VAL,OUT_SCALE,TRK_SCALEOUT_SCALE,FF功能块,4.2.5 串级控制中的功能块,串级控制技术是改善调节品质的有效方法之一；它是从单回路PID控制基础上发展起来的一种控制技术；在串级控制中，有主回路、副回路；一般主回路的输出作为副回路的设定值修正的依据，副回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象。,FF功能块,4.2.5 串级控制中的功能块炉温控制系统,为何使用串级控制？煤气压力不可能恒定阀门位置不变但煤气流量可能变化导致炉温变化时间滞后较大，无法得到满意的控制效果采用串级控制,FF功能块,4.2.5 串级控制中的功能块炉温控制系统,FF功能块,4.3 一致性和互操作性测试,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。产品测试分为两部分：对通信栈产品的一致性测试；对设备产品的互操作性测试；FF开发了互操作性测试系统ITS，用来进行除物理层以外的其他三部分测试,FF功能块,4.3.1 一致性和互操作性测试系统结构及测试过程,FF互操作性测试系统由三部分组成：测试系统是一个通用的测