總線(xiàn)專(zhuān)題:第三講 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(上)
FF由二部分組成:即HI低速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。
本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/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(shè)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(xù)控制的過(guò)程而設(shè)計(jì)的,它吸收了DCS及HART行之有效的技術(shù),如功能塊及DDL(設(shè)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(shè)想十分周到,技術(shù)比較復(fù)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(shù)模型如圖1。
圖1基金會(huì)現(xiàn)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(guī)定的格式自用戶(hù)層經(jīng)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)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(guī)定的方式,將信件放入信封,在信封上根據(jù)規(guī)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(guī)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(guī)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(guī)定了如何收發(fā)信號(hào)和接收信號(hào)。數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer DLL)規(guī)定了總線(xiàn)設(shè)備如何共享網(wǎng)絡(luò),怎樣調(diào)度通信。
應(yīng)用層分為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)子層(Fieldbus Access Sub-layer,F(xiàn)AS)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)報(bào)文規(guī)范子層(Fieldbus Message Specification,F(xiàn)MS)二個(gè)子層,其中FAS規(guī)定數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的關(guān)系模型和規(guī)范,在DLL與FMS之間提供服務(wù);FMS則規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式,為用戶(hù)提供了所需的通信服務(wù)。應(yīng)用層的任務(wù)是描述應(yīng)用進(jìn)程(Application Process,AP),實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間的通信,提供應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)操作,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的開(kāi)放性。應(yīng)用層規(guī)定了設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息和請(qǐng)求應(yīng)答的信息格式。
用戶(hù)層規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的功能塊,對(duì)象字典和設(shè)備描述,供用戶(hù)組成所需要的應(yīng)用程序,并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)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(jī)制,實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作狀態(tài)的監(jiān)控和管理,設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)管理代理和網(wǎng)絡(luò)管理信息庫(kù),提供組態(tài)管理,運(yùn)行管理和差錯(cuò)管理的功能。在系統(tǒng)管理中,設(shè)置系統(tǒng)管理內(nèi)核,系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議和系統(tǒng)管理信息庫(kù),提供設(shè)備管理、功能管理、時(shí)鐘管理和安全管理的功能。
FF將數(shù)據(jù)鏈路層,應(yīng)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(xiàn);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(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層部分功能。這樣就能用軟硬件相結(jié)合的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)FF通信模型。
(2)FF通信模型的三大功能
FF通信模型作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備的物理實(shí)體,再通過(guò)傳輸線(xiàn)構(gòu)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(tǒng)管理內(nèi)核和功能塊應(yīng)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(dāng)于邏輯的通信信道,VCR表示了2個(gè)或多個(gè)應(yīng)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(bào)文(Message)和提供報(bào)文傳送服務(wù),是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備通信的核心部分。層協(xié)議的基本目標(biāo)是構(gòu)成VCR,網(wǎng)絡(luò)管理代理,負(fù)責(zé)管理通信棧,支持組態(tài)、運(yùn)行和差錯(cuò)管理,這些管理信息保存在網(wǎng)絡(luò)管理信息庫(kù)(Network Manage-ment Base,NMIB)中并由對(duì)象字典(Object Dictionary,OD)來(lái)描述。OD中保存有數(shù)據(jù)類(lèi)型、長(zhǎng)度等描述信息,為總線(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)可視對(duì)象提供定義和描述。
2)系統(tǒng)管理內(nèi)核。系統(tǒng)管理內(nèi)核(System Management Kernel,SMK)在通信模型中位于應(yīng)用層和用戶(hù)層。SMK是總線(xiàn)設(shè)備的管理實(shí)體,負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相關(guān)的任務(wù)管理,支持節(jié)點(diǎn)地址分配,應(yīng)用服務(wù)調(diào)度、應(yīng)用時(shí)鐘同步和應(yīng)用進(jìn)程分析。SMK把控制系統(tǒng)管理操作的信息組成對(duì)象,存儲(chǔ)在系統(tǒng)管理信息庫(kù)(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(shè)備管理,在設(shè)備運(yùn)行之前將其基本的系統(tǒng)信息置入SMIB,并分配一個(gè)物理設(shè)備位號(hào),然后使設(shè)備進(jìn)入初始化狀態(tài);在不影響網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備運(yùn)行的情況下,使該設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),并根據(jù)他的物理設(shè)備位號(hào)分配節(jié)點(diǎn)地址;當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)以后,可按需設(shè)置遠(yuǎn)程設(shè)備和功能塊。SMK采用系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議(SMK Protocol,SMKP)與遠(yuǎn)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(duì)所有設(shè)備廣播對(duì)象名,然后等待設(shè)備的響應(yīng),從而獲得網(wǎng)絡(luò)上對(duì)象的信息。
3)功能塊應(yīng)用進(jìn)程。功能塊應(yīng)用進(jìn)程(Function Block Application Process,FBAP)位于應(yīng)用層和用戶(hù)層。功能塊(Function Block,FB)實(shí)現(xiàn)某種應(yīng)用功能或算法如PID功能塊實(shí)現(xiàn)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(xiàn)參數(shù)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(xiàn)單回路控制策略。FF規(guī)定了10個(gè)基本功能塊和19個(gè)附加功能塊,分布在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備內(nèi),供用戶(hù)組態(tài)實(shí)現(xiàn)所需控制策略,從而構(gòu)成全分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),也就是所謂現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System,FCS),他與DCS的區(qū)別之一就在于DCS將所有的控制功能集中在DCS的主機(jī)中;而FCS則將60~80%的一般控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)智能化儀表中去了,這不僅提高了系統(tǒng)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。
關(guān)鍵詞: 總線(xiàn)專(zhuān)題基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總
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