《计算机控制技术》课件第9章 工业控制网络

第9章工业控制网络9.1集散控制系统9.2现场总线概述9.3五种有影响的现场总线9.4OSI参考模型与现场总线通信模型9.5FF现场总线技术9.6现场总线控制系统设计9.1集散控制系统概述

集散控制系统(DCS)，亦称分散型控制系统或分散型综合控制系统(TDCS)。它是综合了计算机技术、通信技术、CRT显示技术和过程控制技术的新型控制系统。其设计原则是控制分散、操作集中、危险分散、管理集中、分级管理、分而自治。集散控制系统具有技术先进、功能完备、应用灵活、操作方便、运行可靠等多方面显著特点，为计算机控制开创了一个崭新的应用领域，并得到了越来越普遍的应用。9.1.1集散控制系统的产生利用常规模拟仪表组成的控制系统，虽然具有高可靠性、低成本等优点，但是随着生产规模的日益大型化、复杂化，它的局限性越来越明显，主要表现在：不易实现复杂控制规律，不易实现集中监视和操作，不易组成分级控制的通信联系等。

为了克服模拟控制仪表的上述缺点，随着计算机技术的发展，从20世纪五六十年代开始，出现了两类计算机控制系统：计算机直接数字控制(DDC,DirectDiGitalControl)和监督计算机控制(SCC,SupervisoryComputerControl)系统。所谓DDC系统,就是使用一台DDC主计算机代替多台模拟调节器，实现对多个过程参数值的控制；而SCC系统则是由SCC主计算机根据现场及其他参数，按一定规律自动改变模拟调节器或DDC系统的给定值，使生产过程处于最优工作状态。以上两种计算机控制系统的原理如图9―1、图9―2所示。

图9―1DDC系统原理框图图9―2SCC系统原理框图

它们虽然具有易于实现复杂规律，易于通信，易于实现集中监视以及操作、控制精度高等显著优点，但由于它们还属于“集中型”系统，一台计算机要控制几十甚至几百个回路，同时保存并处理着整个生产过程的全部信息，所以存在着危险集中的严重问题，一旦主机发生故障，必将影响整个系统的正常工作，甚至造成瘫痪事故发生。70年代中期开始出现的集散控制系统，以美国霍尼维尔公司的TDC―2000和日本横河公司的CENTUM系统为典型代表，开始了分级分布系统在工业过程控制领域中的应用。这一类系统从计算机控制角度讲，属于分布式计算机控制系统(DCCS，DistributedComputerControlSystem)；从控制与管理的角度讲，它们是一类分散型综合控制系统(TDCS，TotalDistributedControlSystem)，

简称集散系统(DCS，DistributedControlSystem)；从其本质和内部机理上讲，是以微处理机为核心的计算机控制系统；从其外部构成方式和应用角度上讲，它类似于单元组合式仪表控制系统，使系统的组态及扩展都十分容易。

集散系统在功能上真正实现了管理集中和控制分散，既实现了操作、管理和监视的纵向分级集中，又实现了控制、危险的横向分散，从根本上提高了系统的可靠性。DCS系统是目前公认的最理想的工业控制系统之一，在国内外冶金、电力、石油、化工、建筑等工业生产中得到了广泛的应用。至今全球DCS系统的生产厂家近百个，表9―1、表9―2中所列为一些典型产品。表9―1国外DCS系统典型产品表9―2部分国产DCS系统9.1.2集散系统的基本结构自1975年第一套集散系统TDC―2000诞生至今，随着微型计算机技术，特别是数据通信技术的发展与应用，集散系统的能力与结构也在不断地发展与变化，其中大体经历了三个阶段。

1.第一代集散系统的基本结构第一代集散系统始于1975年，其基本结构如图9―3所示，主要由5大部分组成。图9―3第一代集散系统的基本结构(1)现场控制站：亦称过程控制单元(PCU)、现场控制单元(FCU)或基本控制器(BC)。它是集散系统的基本部件，一般由微处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、模拟量和数字量I/O接口、电源、通信接口及内部总线组成。通常有十几到几十种标准控制算法固化在ROM中，供组态时选用。第一代PCU主要完成对一个或多个回路的控制功能，它使集散系统获得了分散控制的能力。(2)现场监视站：亦称过程接口单元(PIU)、数据采集单元(DAU)或现场监视单元。其主要作用是采集及处理非控制参数，并通过数据通道将采集到的数据送到操作站和上位机。它使集散系统获得了分散数据采集与处理的能力。有些系统将PCU和DAU放在一个单元中。(3)CRT操作站：它是系统中最主要的人机接口，主要由微处理器、存储器、CRT显示器、操作键盘及打印机组成，主要完成以系统生成、维护为主的工程功能，以监视、运行、维护为主的操作功能，以及与PCU和上位机交换信息的通信功能。

(4)监控计算机：它是系统的主计算机，亦称上位机(HiGhLevelComputer)，能综合处理和管理整个系统的信息。(5)高速数据通道(DHW，DataHiGhWay)：亦称数据高速公路或总线，是系统的通信命脉，一般由通信电缆和高速通道控制器(HTD，HiGhWayTrafficDirector)组成。PCU、DAU、CRT、上位机等之间的信息交换均由HTD控制，通过DHW进行。总之，第一代集散系统主要是为克服集中式计算机直接数字控制系统的不足而产生的，因此其主要的技术特征体现在分散控制上。其集中显示和操作比计算机集中控制系统更复杂也更先进。但由分散控制而引入的数据通信手段则处于较低级阶段。

第一代集散系统的典型产品有：美国霍尼维尔公司的TDC―2000(TotalDistributedControl)、泰勒公司的MODⅢ、贝利公司的Network―90，过程系统有限公司的MICON、福克斯波罗公司的Spectrum，日本东芝公司的TOSDIC、日立公司的UNITROLΣ、横河公司的CENTUM和英国肯特公司的P―4000等。2.第二代集散系统的基本结构

20世纪80年代始，由于大规模集成电路及网络技术的发展带动了集散系统的发展，使其在性能和规模上都有所进步，从而形成了第二代集散系统。第二代集散系统的基本结构如图9―4所示，其主要结构特征是以局部网络为主干，系统中各单元都看作是网络节点工作站。局部网络节点又可挂接桥和网间连接器与同网或异网连接。因此，第一代系统不过是通过桥或网间连接器接入第二代系统局部网络上的子系统。

图9―4第二代集散系统基本结构

第二代集散系统的主要组成部分如下：

(1)局部网络：又称局域网(LAN)。它由传输介质(如同轴电缆、双绞线或光导纤维等)和节点组成。网络通信功能有较复杂的机制，各公司产品局部网的取名也有所不同，如霍尼维尔公司的TDC―3000系统取名为局部控制网络，横河公司的NEWCENTUM系统取名为HF总线。另外，各公司局部网的网络结构及通信协议也不尽相同。(2)节点工作站:从网络拓扑结构的角度上讲，局域网的节点都可称为工作站，而这里是特指过程控制站。第二代集散系统的控制站是在第一代集散系统的控制单元基础上发展起来的，具有更完善的控制功能和通信功能。

(3)中央操作站:它由微机、显示器、键盘、打印机等组成，是全系统的人机接口，可完成对整个系统的信息进行综合、管理。(4)系统管理站：亦称系统管理模件(SMM，SystemManaGementModule)。为了加强全系统的管理功能，有些集散系统在网络中加上了专门用来配合主计算机和中央操作站进行系统管理的系统管理模件，如历史模件(HM，HistoryModule)、应用模件(AM，ApplicationModule)，计算模件(CM，CaculateModule)等，未采用硬件系统管理单元的第二代集散系统一般应用高性能管理软件来实现同样功能。(5)主计算机:亦称管理计算机。它应是具有较强运算和管理功能的计算机，一般为小型机。无主机集散系统则应该加强中央操作站与节点工作站功能。

(6)网间连接器:亦称门路(GW,GateWay)，它是LAN与其他子系统网络(如第一代集散系统的DHW)或其他工业网络(如可编程控制器PLC网络)的接口装置，起着通信接转器、协议翻译及系统扩展器的作用。

第二代集散系统是应市场要求而产生的，20世纪70年代以来，工业自动化技术飞速发展，世界市场上产品竞争激烈，迫使生产厂家必须提高产品质量，提高生产效率，因此，必须实现全面的优化管理。局部网及各种管理模件等正是为适应这方面要求而引入的。同样，市场的竞争导致了生产周期变短，生产品种变换频繁，工艺过程变化大，这就要求控制系统不仅要有完善的连续控制和顺序控制功能，还必须增强批量控制功能。这就形成了第二代集散系统的主要技术特征：引入局部网和管理模件；引入或加强了批量控制功能。

第二代集散系统的典型代表有：霍尼维尔公司的TDC―3000，东芝公司的TOSDICADVANCEDSYSTEM，泰勒公司的MOD―3000，贝利公司的第二代Network―90，利兹公司的MAX1等。3.第三代集散系统的基本结构网络技术特别是局部网络标准化的发展带动了集散系统的进步，第三代集散系统的主要变化是在局部网络中采用了MAP(ManufactuinGautomationProtocal，制造自动化协议)，从而解决了第二代集散系统各公司产品相互不能兼容的缺点。第三代集散系统的另一进展是系统的智能化进一步向现场延伸，采用了智能变送器(SmartTransmitter)，并通过现场总线(FB，Fieldbus)与PCU或LAN的节点相连。由于工业局部网的标准化协议尚未完全成熟，因此第三代集散系统仍处在发展初期，其基本结构如图9―5所示。

图9―5第三代集散系统的基本结构4.集成式集散系统的基本结构近年来，在计算机控制系统中出现了系统集成的新概念。这个概念是由从事计算机及应用技术的研究人员提出的。系统集成就是将以微处理器为基础的各类数字设备(如PCU、DAU、CRT、GW等)统一连接在数据总线DHW或局部网络LAN上，构成所谓的集成式分散系统(IDS，InteGratedDistributedSystem)。微处理、智能仪表及通信技术的发展，使这种系统成为可能。在国外已经出现了许多专营IDS系统的公司。IDS系统的基本结构如图9―6所示。图中桥用来连接同类网络，网间连接器ＧW用来连接不同类型的网络，以便对IDS扩展PIU(ProcessInterfaceUnit)过程接口单元。图9―6集成式集散系统的基本结构9.1.3集散系统的特点集散系统之所以能有较快的发展，是与其所具有的特点分不开的。与其他计算机控制系统相比较，集散系统主要具有以下几个特点：

(1)在结构上实现了分级分散控制。纵向分级便于生产过程的集中监视、操作和管理，横向分散，提高了系统的可靠性。

(2)完善了系统功能。由于采用了高性能的上位机，使系统可以方便地实现各种复杂控制功能和决策管理功能。(3)系统构成方式简便。硬件积木化，软件模块化，应用灵活，扩展方便，通过连接部件还可以与其他同类或不同类系统连接，方便了用户，提高了效率。

(4)应用了局部网络技术。由此可以实现全系统的信息综合利用，资源共享，相互协调。

(5)获得了很高的可靠性。通过系统的分散结构特征，使用冗余技术、自诊断技术和可靠性元器件等手段，使系统得到了极高的可靠性。其中利用率可达99.9999%，平均无故障时间可大于50000h。9.1.4集散系统的发展方向与趋势集散系统是随着4C技术的发展而发展起来的，因此随着科学技术的不断发展，随着工业控制领域市场的竞争与要求，集散系统的性能指标及性能价格比将进一步提高。根据目前的发展趋势，系统近期将着重在以下几个方面得到改进和完善：

(1)操作性能进一步提高，操作、管理、组态、开发将更加方便。软件更加丰富，各种高性能的控制管理软件，特别是人工智能专家系统，如人工智能(AI，ArtificialIntelliGence)在集散控制系统中得到广泛应用。(2)加强网络标准，统一通信规程，加上现场总线的规格化，系统硬件、软件的标准化，形成开放型的集散系统。另外，网络的开发应用也会使集成式集散系统得到发展。

(3)系统规模在向大的方向发展的同时也向小规模系统发展。基本控制单元也将向小回路甚至单回路的方向发展。可编程控制器成为集散系统的一个节点。总之，集散系统的出现给工业生产带来许多好处，但事物总是要发展的。这里介绍继集散系统后的新的控制网络——现场总线，它比集散系统有更广阔的应用前景。

9.2现场总线概述

现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而成为当今自动化领域技术发展的热点之一。它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。9.2.1现场总线的含义根据国际电工委员会IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)标准和现场总线基金会FF(FieldbusFoundation)的定义，现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的含义表现在以下五个方面。1.现场通信网络传统的分散型控制系统(DCS,DistributedControlSystem)的通信网络截止于控制站或输入输出单元，现场仪表仍然是一对一模拟信号传输，如图9―7所示。现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，如图9―8所示。图中现场设备或现场仪表是指传感器、变送器或执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆和光缆等。图9―7传统DCS控制层图9―8第一代FCS控制层2.互操作性互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。也就是说，用户选用各种品牌的现场设备集成在一起，实现“即接即用”。现场设备互连是基本要求，只有实现操作性，用户才能自由地集成FCS(FieldControlSystem)。3.分散功能块

FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入功能块，而且PID有控制和运算功能块；调节阀除了具有信号驱动和执行功能外，还内含输出特性补偿功能块、PID控制和运算功能块，甚至有阀门特性自校验和自诊断功能。

由于功能块分散在多台现场仪表中，并可以统一组态，因此用户可以灵活选用各种功能块，构成所需要的控制系统，实现彻底的分散控制，如图9―9所示。其中差压变送器含有模拟量输入功能块(AI110)，调节阀含有PID控制功能块(PID110)及模拟量输出功能块(AO110)，这3个功能块构成流量控制回路。图9―9现场总线的分散功能4.通信线供电现场总线的常用传输是双绞线，通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种低功耗现场仪表可以用于本质安全环境，与其配套的还有安全栅。有的企业生产现场有可燃性物质，所有现场设备必须严格遵循安全防爆标准，现场总线也不例外。5.开放式网络互连现场总线为开放式互连网络，既可与同类网络互连，也可与不同类网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，天衣无缝地把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。9.2.2现场总线对自动化领域的变革

1.现场总线给当今的自动化领域带来的变革现场总线是用于工业控制的新型系统。它有如下特点：

(1)用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表。

(2)用多变量、双向、数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式。

(3)用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表。

(4)用分散式的虚拟控制站代替集中式控制站。

(5)用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS。

(6)变革传统的信号标准、通信标准和系统标准。

(7)变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。自动化领域的这场变革，其深度和广度都将超过历史上任何一次，必将开创自动化控制的新纪元。2.FCS对ＤＣS的变革

FCS对DCS的变革表现在：

(1)FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。

(2)图9―8所示的FCS的系统结构为全分散式，它废弃了图9―7所示的DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成了虚拟控制站，实现了彻底的分散控制。(3)FCS的现场设备具有互操作性，彻底改变了传统DCS控制层的封闭性和专用性，使不同厂商的现场设备既可互连也可互换，还可统一组态。

(4)FCS的通信网络为开放式互连网络，用户可非常方便地共享网络数据库，使同层网络可以互连，也可以使不同网络互连。

(5)FCS

的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。现场总线开发者只需致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。9.2.3现场总线产生的原因现场总线对自动化领域中传统的模拟仪表分散控制系统DCS的变革，是在分析、比较模拟仪表和现场总线利弊的基础之上产生的。

1.模拟仪表的缺点模拟仪表有以下缺点：

(1)一对一结构。一对传输线，一台仪表，单向传输一个信号，如图9―7所示。

(2)可靠性差。模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。(3)失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表工作状况，也不能对其进行参数调整,更不能预测故障，导致操作员对其处于“失控”状态。

(4)互换性差。尽管模拟仪表统一了信号标准4~20mA(DC)，可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表无法互换。2.现场总线的优点现场总线具有以下优点：

(1)一对N结构。一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号，如图9―8所示。

(2)可靠性高。由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比，它从根本上提高了测控精度，减少了传输误差。同时，由于系统的结构简单，设备与连线减少，现场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。(3)可控状态。操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，还可预测或诊断故障，始终处于操作员的远程监视与可控状态。

(4)互可操作性与互换性。互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通；而互换性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。(5)现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备就可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

(6)系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散型控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。(7)系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。另外，由于现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护都体现出优越性。3.微处理器技术、通信网络技术和集成电路技术的发展每台现场设备或现场仪表就是一台微处理器，既有CPU、内存和通信等数字信号处理，又有非电量信号检测、变换和放大等模拟信号处理。由于必须把现场设备安装在生产现场，而且工作环境十分恶劣，对于易燃易爆场所，必须提供总线供电的本质安全。这势必要求微处理器体积小、功能全、性能好、可靠性高、耗电少。另外，现场通信网络分布于生产现场，由网络节点构成虚拟控制站，这就要求采用先进的网络技术和分布式的数据库技术。9.2.4现场总线发展过程在20世纪80年代中期，国外就提出了现场总线，但研究工作进展缓慢，且没有国际标准可以遵循。许多国际组织对现场总线标准化做了不少工作，下面简述部分国际组织研究现场总线标准化工作，以便了解现场总线发展的过程。1984年，美国仪表协会(ISA)下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由ProwayWorkinGGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线(ProcessFieldbus)标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定和产品开发的序幕。1992年，Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、YokoGawa等80家公司联合成立了ISP(InteroperableSystemProtocol)组织，并着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。1993年，以Honeywell、Bailey等公司为首，成立了WorldFIP组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒地认识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。但总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业和地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。1994年，ISP和WorldFIP北美部分合并，成立了现场总线基金会(FieldbusFoundation，简称FF)，推动了现场总线标准的制定和产品开发，并于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。

另外，值得一提的是HART(HiGhwayAddressableRemoteTransducer，可寻址远程传感器高速公路)协议，它最初由美国Rosemount公司开发，已应用38年。HART协议作为一个公开性协议，已有70多家公司支持并使用，如E+H、MooreProducts、Allen―Bradley、Siemens、Fisher―Rosemount、SMAR公司等，并成立专门机构发展HART协议，从事互可操作性及标准化工作，以前是HUG(HARTUserGroup)，现在由HCF(HARTCommunicationFoundation，1993年成立)接替。HART协议的特点是具有与现场总线类似的体系结构，具有总线式数字通信，兼容现存的4~20mA模拟系统，是从模拟系统向现场总线过渡的一块垫脚石。HART通信是在模拟信号上叠加FSK数字信号，使模拟与数字可同时通信，可在一根双绞线上连接多台现场设备，构成多站网络。HART协议被认为是事实上的工业标准，但它并不是现场总线，是一个过渡性协议。

与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都是在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持的。大千世界，众多行业，需求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，预计在今后的一段时间内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通信的局面，但发展统一的标准规范形成开放互连系统是大势所趋。

9.2.5现场总线的设备现场总线的设备分为现场设备和开发设备两类，设备名称及类型随总线及应用而定。本节以用于过程自动化的基金会现场总线(FF)为例，对其加以说明。

1.现场设备

FF现场设备有变送器、执行器、终端器、电源、本质安全栅、中继器、网桥和操作站等。常用的变送器有温度、压力、流量、料位和分析五大类，每类又有多个品种。变送器既有监测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。

常用的执行器有电动、气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能是信号驱动和执行，还内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能，另外有阀门特性自校验和自诊断功能。终端器使用在传输电缆始末端的阻抗匹配器，每条总线只需两个终端器。终端器可防止信号失真和衰减。2.开发设备

FF开发设备有专用集成电路(ASIC)、通信栈软件、DD软件、开发和维护工具等。现场总线设备因其种类繁多，用户量大，所以由各厂商分别供应，需单独经过现场总线基金会(FF)和Fraunhofer研究所进行一致性测试和互操作性测试，最终由FF发给产品注册商标，并定期发行产品目录。9.3五种有影响的现场总线

自20世纪80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐产生影响，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势和较强的生命力。目前较为流行的现场总线主要有以下五种：基金会现场总线FF、局部操作网络LONWORKS、过程现场总线PROFIBUS、控制器局域网络CAN、可寻址远程传感器数据通路HART。9.3.1FF(FoundationFieldbus)FF基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术，它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。FF基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kb/s，通信距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境；H2的传输速率为1Mb/s和2.5Mb/s两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158―2标准。其物理介质的传输信号采用曼彻斯特编码。FF的主要技术内容包括:FF通信协议；用于完成开放互连模型中第2~7层通信协议的通信栈(CommunicationStack)；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及购成集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

9.3.2LONWORKS(LocalOperatingNetworks)LONWORKS局部操作网络是又一具有强劲实力的现场总线技术。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距离可达2700m(78kb/s，双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质防爆安全产品，被誉为通用控制网络。LONWORKS技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU：一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为介质访问控制器，实现介质访问控制与处理；第二个用于完成第3~6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

Neuron芯片的编程语言为NeuronC，它是从ANSIC派生出来的。LONWORKS提供了一套开发工具LonBuilder与NodeBuilder。此外，LonTalk协议还提供了五种基本类型的报文服务：确认(AcknowledGed)、非确认(UnacknowledGed)、请求/响应(Request/Response)、重复(Repeated)、非确认重复(UnacknowledGedRepeated)。LonTalk协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA(载波信号多路监听)作了改进，采用了一种新的称作预测的P坚持CSMA(PredictiveP―PresistentCSMA)的协议。带预测的P坚持CSMA在保留CSMA协议优点的同时，注意克服了它在控制网络中的不足。所有的节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞。

LONWORKS技术产品已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。在开发智能通信接口、智能传感器方面，LONWORKS神经元芯片也具有独特的优势。9.3.3PROFIBUS(ProcessFieldbus)PROFIBUS过程现场总线是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS―DP、PROFIBUS―FMS、PROFIBUS―PA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外围设备之间的高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS意为现场信息规范，FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158―2标准。该项技术是由Siemens公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

它采用OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9.6kb/s~12Mb/s，最大传输距离在12Mb/s时为100m，1.5Mb/s时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点，可实现总线供电与本质安全防爆。

PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PROFIBUS规范来定义模块，写明其硬件和软件的性能，规范设备功能与PROFIBUS通信功能的一致性。PROFIBUS为开放系统协议，为保证产品质量，在德国建立了FZI信息研究中心，对制造厂和用户开放，并对其产品进行一致性监测和实验性检测。9.3.4CAN(ControlAreaNetwork)CAN控制局域网络是由德国Bosch公司推出的，用于汽车检测与控制部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制定为国际标准，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型的基础之上，不过其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。CAN的通信速率为5kb/s(10km)、1Mb/s(40m)，可挂接设备数最多达110个，信号传输介质为双绞线或光纤等；CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据；CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可方便构成多机备份系统；CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息，按节点类型不同分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；

CAN支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧，采用短帧结构，每帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有较好的检错效果；CAN采用CRC循环冗余校验及其他检错措施，保证了极低的信息出错率；CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作；CAN单片机有Motorola公司生产的带CAN模块的MC68HC05*4，Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的带CAN模块的P8*C592；CAN控制器有Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的82527；CANI/O器件有Philips公司生产的82C150，它具有数字和模拟I/O接口。9.3.5HART(HiGhwayAddressableRemoteTransducer)HART可寻址远程传感器数据通路是由美国Rosemount公司研制的，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于摸拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力，且得到了较快发展。HART协议参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层，其主要特性是：

(1)物理层。采用基于Bell202通信标准的FSK技术，即在4~20mA(DC)模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz，逻辑0为2200Hz，波特率为1200b/s，调制信号为±0.5mA或0.25VP―P(250Ω负载)。用屏蔽双绞线连接单台设备时距离为3000m，而多台设备互连距离为1500m。(2)数据链路层。数据帧长度不固定，最长为25个字节。可寻址位0~15，当地址为0时，处于4~20mA(DC)与数字通信兼容状态；当地址为1~15时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。(3)应用层。规定了三类命令。第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们变为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但是由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

9.4OSI参考模型与现场总线通信模型

作为工业控制现场底层网络的现场总线，要构成开放互连系统，如何选择通信模型，是现场总线技术形成的过程中必须考虑的重要问题。

工业生产现场存在大量传感器、控制器和执行器等，它们通常零散地分布在一个较大范围内。对由它们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要求较高。因此，为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。

典型的现场总线协议模型如图9―10中第2列所示。它采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，并增加一个现场总线访问子层，以取代省去的OSI模型中第3~6层的部分功能，以满足工业现场应用的性能要求。它是OSI模型的简化形式，其流量与差错控制在数据链路层中进行，因而与OSI模型不完全保持一致。图9―10OSI与部分现场总线通信模型的对应关系

开放系统互连模型是现场总线技术的基础，目前集中有影响的现场总线技术，大都以国际标准组织的开放互连模型作为基本框架，施加某些行业应用需要的规定后形成的标准，并在较大范围内取得了用户与制造商的认可。9.4.1基金会现场总线通信模型

FF现场总线模型结构如图9―11所示。它采用了OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层这三层，隐去了第3~6层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISA标准。应用层有两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS，并将从数据链路到FAS、FMS的全部功能集成为通信栈(CommunicationStack)。FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式。现场总线信息规范子层FMS的基本功能是面向应用服务，

生成规范的应用协议数据。现场总线访问子层与信息规范子层的任务是完成一个应用进程到另一个应用进程的描述，实现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。在应用层之上增加的用户层规定标准的功能模块、对象字典设备和设备描述，供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。在网络管理中，为了提供一个集成网络各层通信协议的机制，实现设备操作状态的监控与管理，设置了一个网络代理和一个网络管理信息库，以提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。在系统管理中，设置了系统管理内核、系统管理内核协议和系统管理信息库，以实现设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理等功能。图9―11FF现场总线模型与OSI9.4.2LONWORKS通信模型

LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。这七层的作用和所提供的服务如图9―12所示。图9―12LONWORKS模型分层9.4.3PROFIBUS通信模型

PROFIBUS是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。它的参考模型列于图9―10中。它采用了OSI模型的物理层和数据链路层;外设间的高速数据传输采用DP型，隐去了第3~7层，而增加了直接数据连接拟合，作为用户接口，FMS型则只隐去了第3~6层，采用了应用层。PA型的标准目前还处于制定过程之中，与IEC1158―2(H1)标准兼容。

9.4.4CAN通信模型

CAN只采用了ISO/OSI模型中的两层：物理层和数据链路层。物理层又分为物理信令(PLS，PhysicalSiGnallinG)、物理媒体附件(PMA，PhysicalMediumAttachment)与媒体接口(MDI，MediumDependentInterface)三部分，完成电气连接、实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码/解码。数据链路层分为逻辑链路控制与媒体访问控制两部分，分别完成接收滤波、超载通知、恢复管理，以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错检测等。CAN通信模型如图9―13所示。图9―13CAN模型9.4.5HART通信模型

HART通信模型由三层组成：物理层、数据链路层和应用层，其模型结构如图9―10所示。它的物理层采用Bell202国际标准，数据链路层用于按HART通信协议规则建立的HART信息格式。其信息构成包括开头码、终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶检验等。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。

9.5FF现场总线技术FF现场总线标准共有四层协议，即物理层、数据链路层、应用层和用户层。其中，物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层则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、系统管理等。下面简要介绍该标准协议的主要内容。9.5.1物理层(PhysicalLayer)1.物理层的功能物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接。它作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，经再加工变为物理信号，传送到现场总线的传输媒体上；另一方面把接收到的来自总线传输媒体的物理信号进行相反处理送往数据链路层，考虑到现场设备的安全稳定运行，该层区应具备电气隔离、信号滤波等功能。现场总线的传输介质一般为两根导线，如双绞线，因而其机械接口相对较为简单。2.物理层的结构物理层标准IEC1158―2已通过多年，按其规范的有关规定，物理层又被分为媒体相关子层与媒体无关子层。媒体相关子层负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输媒体、不同速率的信号转换问题，也称媒体访问单元。媒体无关子层则是媒体访问单元与数据链路之间的接口，有关信号编码、增加或去除前导码和定界码的工作均在此子层中完成。

图9―14示出了导线介质的媒体接口部分的电路框图，该接口电路主要完成信号滤波与处理、信号驱动及其控制、电路隔离等功能，为媒体无关子层提供合格的物理信号波形。所有现场总线设备都具有至少一个物理层实体。图9―14导线媒体接口3.传输介质传输介质可以采用双绞线、电缆、光缆及无线介质，目前应用较为广泛的是前两种。H1标准采用的电缆类型可分为屏蔽双绞线、屏蔽多对双绞线、无屏蔽双绞线、多芯屏蔽电缆等几种类型。显然，线缆种类、线径粗细不同，对传输信号的影响就不同。现场总线基金会对采用不同缆线时的最大传输距离规定如表9―3所示。表9―3电缆类型与传输距离关系4.信号编码

FF现场总线的通信信号由以下几种编码组成。

(1)协议报文编码：它携带了现场总线要传输的数据报文，这些数据报文由上层的协议数据单元生成。FF现场总线采用曼彻斯特编码技术将数据编码加载到直流电压或电流上形成物理信号。这种数据编码在每个时钟周期的中间，都必然会存在一次电平的跳变。每帧协议报文的长度为8~273个字节。(2)前导码：这是置于通信信号最前端且特别规定的8位数字信号：10101010，即一个字节。该码相当于电话信号中的振铃信号，用于唤醒接收设备，并使之与发送设备保持同步。

(3)帧前定界码：它表明了现场总线信息的起点，其长度为8个时钟周期，或称一个字节。该码由特殊的N+码、N-码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成。这里，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，即它们在时钟周期的中间不存在电平的跳变。收信端的接收器利用该码来找到现场总线信号的起点。帧前定界码波形如图9―15所示。图9―15FF现场总线的集中编码波形(4)帧结束码：它标志着现场总线信息的终止，其长度也为8个时钟周期。该码由特殊的N+码、N-码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成，当然，其组合顺序不同于起始码。图9―15示出了帧结束码的波形。前导码、帧前定界码、帧结束码都是由物理层的硬件电路生成并加载到物理信号上的。这几种码形成的编码序列如图9―16所示。作为前导码、帧前定界码和帧结束码由发送端驱动自动加到发送序列之中，并在接收端的接收器中被自动除掉。图9―16FF现场总线信号的编码序列5.现场设备现场设备是连接到现场总线上并与之通信的物理实体。按FF现场总线的相关规范，符合H1规范的现场设备的分类情况如表9―4所示。对总线供电类的设备，由于挂接在总线不同位置上的设备从总线所得到的电压会有所不同，因而必须对满足设备正常工作的电压、电流范围等参数做出明确规定。表9―5是总线供电的本质安全型标准设备列出的FF现场总线的推荐参数，其他类现场设备的推荐参数可查阅相应规范。表9―4H1现场设备的分类与编号表9―5111类现场设备的推荐参数6.网络拓扑结构低速现场总线Ｈ1支持点对点连接线和总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速现场总线H2只支持总线型拓扑结构。图9―17为H1低速现场总线拓扑结构示意图。表9―6为H1、H2总线网段的主要特性参数。

FF现场总线支持桥接网，可通过网桥把不同速率、不同类型媒体的网段连成网络，网桥设备有多个口，每个口有一个物理层实体。图9―17低速总线拓扑结构表9―6H1、H2总线网段的主要特性参数9.5.2数据链路层(DataLinkLayer)

数据链路层位于物理层和总线访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务。总线通信中的链路活动调度、数据的接收和发送、活动状态的探测与响应、总线上各设备的链路时间同步，都是通过该层实现的。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，LinkActiveScheduler)。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，以控制本设备对总线的活动。此外，数据链路层还要对所传输的信息实行帧校验。1.链路活动调度器LAS

链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，掌管线段上各设备对总线的操作，因此它是总线通信活动的中心。

FF现场总线的通信活动被分为受调度通信和非调度通信两类。受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通信活动，例如在现场变送器与执行器之间传送的测量或控制器输出信号。非调度通信是在预定时间表之外的时间，通过得到令牌的方式发送信息的通信方式。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。

一般，链路活动调度器应具有以下五种基本功能：

(1)向设备发送强制数据CD(CompelData)，接收LAS内保留的调度表，向网络上的设备发送CD。

(2)向设备发送传递令牌PT(PassToken)，使设备得到发送非周期数据的权力，为它们提供发送非周期数据的机会。

(3)为新入网的设备探测未被采用过的地址。当为新设备找好地址后，便把它们加入到活动表中。(4)定期对总线段发布数据链路时间和调度时间。

(5)临时设备对传递令牌PT的响应，当设备既不能随着PT顺序进入使用，也不能将令牌返还时，就从活动表中去掉这些设备。2.通信设备类型并非所有总线设备都可成为链路活动调度器，那些有能力成为链路活动调度器的设备就称为链路主设备，而不具备这一能力的设备就称为基本设备。基本设备只能接收令牌并做出响应，这是最基本的通信功能。当网络中几个总线段进行扩展连接时，用于两个总线段之间的连接设备就称为网桥，网桥属于链路主设备，当然要成为链路活动调度器LAS。

一个总线段上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备，但一个总线段上某个时刻只能有一个链路主设备称为链路活动调度器LAS，没有成为LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。图9―18表示了现场总线通信设备的类型。图9―18现场总线的通信设备与LAS3.数据链路协议数据单元DLPDU

数据链路协议数据单元DLPDU提供数据链路的协议控制信息，由三部分组成：

(1)帧控制信息，只有一个字节，它指明了该DLPDU的种类、地址长度、优先权等。

(2)数据链路地址，包括目的地址与源地址，当然，并非所有种类都是如此。

(3)指明该类DLPDU的参数。其协议控制信息的结构如表9―7所示。表9―7DLPDU的协议信息结构4.数据传输方式

FF现场总线提供以下三种数据传输方式：

(1)无连接数据传输。该方式是指在数据链路服务访问点DLSAP(DataLinkServiceAccessPoint)之间排队传输DLPDU，这类传输主要用于在总线上发送广播数据。

(2)通信双方经请求相应交换信息后进行的数据传输。该方式在要求建立连接时，创建带有通信发起者的源地址和目的地址的链接控制帧，响应方需指出它是否接收这个连接请求，一旦数据传输在一个连接上开始，所有DLPDU内的数据就以相同的优先级被传输。(3)以数据发送方的DLPDU为依据的传输方式。该方式传输的数据DLPDU只含有一个地址，即发送者的地址，接收者知道发布者的这个地址，并根据该地址接收发布者发出的数据，接收者对发布者的辨认情况不必为发布者所知道。5.数据链路时间同步链路活动调度器周期性地广播一个时间发布信息TD(TimeDistribution)，以便所有的设备都准确地具有相同的数据链路时间。总线上预定的调度通信和用户应用中预定功能块的执行都根据所得到的LAS发布时间开始工作，因此链路时间的同步是非常重要的。由数据链路层提供精确的控制时序，发布链路调度的绝对开始时间。受调度通信、非调度通信以及其他应用进程的执行时间，都以其对链路调度绝对开始时间的偏移量来计算。9.5.3应用层(ApplicationLayer)

现场总线访问子层FAS(FieldbusAccessSublayer)和现场总线报文规范层FMS(FieldbusMessaGeSpecification)一起构成应用层。现场总线访问子层FAS提供三类服务：客户/服务器(Client/Server)，报告分发(ReportDistribution)，发布/预订接收(Publisher/Subscriber)。这三类服务被称为虚拟通信关系VCR(VirtualCommunicationRelationships)，如表9―8所示。

表9―8虚拟通信关系的类型1.客户/服务器型虚拟通信关系客户/服务器型虚拟通信关系用于现场总线上两个设备由用户发起的、一对一的、排队式的非周期通信。当一个设备得到传递令牌时，这个设备(即客户)可以对现场总线上的另一设备(即服务器)发送一个请求信息。当服务器收到这个请求，并得到了来自链路活动调度者的传递令牌时，就可以对客户的请求做出响应。采用这种通信关系在对客户与服务者之间进行的请求/响应式数据交换，是一种按优先级排队的非周期性通信。

客户/服务器型虚拟通信关系常用于设置参数或实现某些操作，如改变给定值，对调节器参数的访问与调整，对报警的确认，设备的上载与下载等。2.报告分发型虚拟通信关系报告分发型虚拟通信关系是一种排队式的非周期通信，也是一种由用户发起的一对多的通信方式。当一个带有事件报告或趋势报告的设备收到来自链路活动调度器的传递令牌时，就通过该关系把它的报文分发给由它的虚拟通信关系所规定的一组地址，即有一组设备将接收该报文。

该关系用于广播或多点传送事件与趋势报告。数据持有者向总线设备多点投送其数据，它可以按事先规定好的VCR目标地址分发所有报告，也可能按每种报文的传送类型排队而分别发送，按分发次序传送给接收者。该关系最典型的应用场合是将报警状态、趋势数据等通知操作台。3.发布/预订接收型虚拟通信关系发布/预订接收型虚拟通信关系主要用来实现缓冲型一对多通信。当数据发布设备收到令牌时，将对总线上的所有设备发布或广播它的消息。希望接收这一发布消息的设备被称为预订接收者，或称为订阅者。缓冲型工作方式是这种虚拟通信关系的重要特征。缓冲型意味着只有最近发布的数据保留在网络缓冲器内，新的数据会完全覆盖先前的数据。

这种虚拟通信关系中的令牌可以由链路活动调度者按准确的时间周期发出，也可以由数据用户按非周期方式发起。VCR的属性将指明采用的是哪种方法。现场设备通常采用该关系，按周期性的调度方式为用户应用功能块的输入输出刷新数据，如刷新过程变量、操作输出等。现场总线报文规范FMS，规定了访问应用进程AP(ApplicationProcess)的报文格式及服务。

FMS与对象字典OD(ObjectDictionary)配合，为现场设备规定了功能接口。FMS通过调用VCR，在现场设备之间传递报文。

应用进程AP可以看作在分布系统或分布应用中的信息及其处理过程，可以对它赋予地址，也可以通过网络访问它。应用进程可表述存在于一个设备内包装成组的功能块。一个设备可以包含的AP数量与执行情况相关，规范中对所包含的AP数目没有限制。在设备组态或网络运行期间，AP是否装载进一个设备，取决于该设备的物理能力和AP如何被执行。PC机、PLC控制器能够随着软件下载而接收其AP，另外一些设备，如简单变送器、执行器可以让它们的AP在专用集成电路中执行。

FF现场总线采用对象描述来说明总线上传输的数据格式与意义，把这些对象描述收集在一起，形成对象字典OD。OD由一系列条目组成，每一个条目分别描述一个应用进程对象和它的报文数据。在现场总线报文规范中规定了与这些条目相应的AP对象。为了便于网络访问这些条目，还为每个OD条目分配了一个序列号。在总线报文规范子层的OD服务中，就是运用这个序号辨认出与之对应的AP对象的。图9―19现场总线协议数据的生成

现场总线报文规范层FMS是通信参考模型应用层的另一个子层。该层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式和行为状态等。它在整个通信模型中的位置及其与其他层的关系如图9―19所示。

FMS提供了一组服务和标准的报文格式。用户应用可采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过FMS服务访问AP对象以及它们的对象描述。把对象描述收集在一起，形成对象字典OD。应用进程中的网络可使对象和相应的OD在FMS中成为虚拟现场设备VFD。FMS服务在VCR端点提供给应用进程。FMS服务分为确认的和非确认的。确认服务用于操作和控制应用进程对象，如读/写变量值及访问对象字典，它使用客户/服务器型VCR；非确认服务用于发布数据或通报事件，发布数据使用发布/预定接收型VCR，而通报事件使用报告分发型VCR。总线报文规范层由虚拟现场设备VFD、对象字典管理、联络关系(上下文)管理、域管理、程序调用管理、变参访问和实践管理等模块组成。9.5.4用户层(UserLayer)

用户层是在ISO/OSI参考模型中七层结构的基础上添加的一层。功能块应用进程作为用户层的重要组成部分，用于完成现场总线中的自动化系统功能。

1.对象及其属性对象是构成功能块应用的基本元素。对象类由属性表和服务表描述，由其关键属性(KeyAttribute)识别；服务是指该类的功能。构成功能块应用进程的对象有以下几类：(1)块对象。块是一个软件的逻辑处理单元。输入事件影响算法的调用；在执行时，产生一个可获取的输出事件块，使输入或输出值在块执行期间不受外部变化的影响。块的参数有输入参数、输出参数及用于控制块执行的内含参数。用位号(TaG)对应用场合中的块进行识别，它在一个现场总线系统内名称惟一。

(2)链接对象。它用于访问、分配、交换对象的虚拟通信关系(VCRs)、某功能块输入参数和另一功能块输出参数的关联等；它一般在总线组态时定义，在现场设备在线运行前或运行时传送，用于建立通信连接。(3)设备资源。它表示某应用进程的网络可访问的软件、硬件对象。它构成功能块应用的网络接口，提供用FMS传送服务请求/响应的信息。组成资源的对象定义包含在对象字典中，由FMS和功能块应用共享。通过资源可以访问对象及其参数，每个资源有惟一的一个资源块。

(4)报警对象。它用于块的报警和事件报告，分为模拟报警、离散报警和警报更新。(5)趋势对象。它对功能块的趋势性参数进行采样，提供参数采样值的短期存储，以便接口设备收集这些信息。它包含最近6个采样值及其状态，以及最后一次采样的时间。它有浮点趋势、离散趋势和位串趋势三个子类。

(6)预测对象。它使一组块参数的属性值可被一次性地访问，主要用于获得运行、诊断和组态的信息，此处定义的块参数分为动态操作参数、静态操作参数、完全动态参数和其他静态参数四类。其他如程序调用对象、域对