總線專題：第三講 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（上）

FF由二部分組成：即HI低速現(xiàn)場(chǎng)總線及H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線。

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FF的連接設(shè)備連接。

FF的特點(diǎn)是專門為過程自動(dòng)化（Process Automation）即連續(xù)控制的過程而設(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)備描述語言）等技術(shù)，所以熟悉DCS的用戶使用比較方便，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，另外又增加了用戶層，這是FF與其他總線不同之處。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（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。譬喻的過程見圖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)總線訪問子層（Fieldbus Access Sub-layer，F(xiàn)AS）和現(xiàn)場(chǎng)總線報(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)訪問的關(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，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，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)用層和用戶層的軟件集成為通信棧（Communication Stack），供軟件開發(fā)商開發(fā)通信棧；通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)；另外再開發(fā)專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）及其相關(guān)硬件來實(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)總線設(shè)備的物理實(shí)體，再通過傳輸線構(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。各部分之間通過虛擬通信關(guān)系（Virtual Communication Relationship,VCR）來溝通信息，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（Network Manage-ment Base,NMIB）中并由對(duì)象字典（Object Dictionary,OD）來描述。OD中保存有數(shù)據(jù)類型、長(zhǎng)度等描述信息，為總線設(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)用層和用戶層。SMK是總線設(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（System Management Information Base,SMIB）中，并可以通過網(wǎng)絡(luò)來訪問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訪問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)總線設(shè)備內(nèi)，供用戶組態(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。