第十章 现场总线通信系统

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1、第十章现场总线通信系统分散控制系统与现场总线控制系统课件现场总线通信系统概述 数据通信技术则是现场总线控制系统中的核心技术，各种现场总线数据通信系统都有自己的通信协议，为了保证系统的开放性和互操作性，迫切需要制定现场总线通信协议的有关国际标准。然而，制定统一的现场总线通信协议目前尚存在多方面的困难。本章主要介绍基金会现场总线本章主要介绍基金会现场总线FF的数据通信系统的数据通信系统现场总线通信系统概述与ISO/OSI参考模型的关系应用层表达层会话层传输层网络层链路层物理层应用层链路层物理层总线访问子层用户层功能块应用与设备描述通信栈报文规范子层访 问 子 层链路层物理层7654321ISO/O

2、SI模型现场总线协议FF模型现场总线通信系统概述与ISO/OSI参考模型的关系应用层表达层会话层传输层网络层链路层物理层7654321ISO/OSI模型H1模型HSE模型应用层链路层物理层用户层应用层链路层物理层用户层传输层网络层设备描述对象字典功能块对 象功能块应用进程系统管理信息库对象字典对象字典系统管理内核协议报文规范子层总线访问子层层管理层管理层管理层管理链路层物理层系统管理信息库系统管理内核网络管理代理VCR用户层应用层链路层物理层现场总线通信系统概述通信系统的主要组成部分现场总线通信系统概述通信系统的主要组成部分 按各部分在物理设备中要完成的功能，分为三大部分：通信实体、功能块应用

3、进程、系统管理内核。各部分之间通过虚拟通信关系（VCR）来沟通信息。现场总线通信系统概述通信系统的主要组成部分 通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层。由各层协议和网络管理代理共同组成。通信实体的的任务是生成报文与提供报文传送服务。它是实现现场总线信号数字通信的核心部分。 基金会系统结构在每个设备中都有一个网络管理代理（NMA），支持系统组态管理、运行管理和差错管理的功能，信息存储于网络管理信息库（NMIB）中。n通信实体通信实体现场总线通信系统概述通信系统的主要组成部分 功能块应用进程位于应用层和用户层，主要用于实现用户所需要的各种功能。它包括功能块它包括功能块对象、设备描述和对象字典对象、

4、设备描述和对象字典。 用户可使用功能块构建用户程序，实现所需要的控制策略。对象字典和设备描述是支持功能块的标准化工具，对网络可视对象进行定义和描述，促进设备的定义和理解的一致性。n功能块应用进程功能块应用进程现场总线通信系统概述通信系统的主要组成部分 系统管理内核（SMK）位于应用层和用户层，主要负责与网络系统相关的管理任务，例如确立本设备在网段中的位置，协调与网络上其他设备的动作和功能块执行时间。 每个设备中都包含一个系统管理内核，维护系统信息的同步与协调，为设备应用执行和互操作提供一个分散的平台。n系统管理内核系统管理内核现场总线通信系统概述通信系统的主要组成部分 系统管理内核维护的信息被

5、作为系统管理信息库（SMIB），系统的基本信息组态到SMIB中。SMK的作用还有分配物理标签和地址，定位设备、对象，系统应用时钟同步，功能块调度等。n系统管理内核系统管理内核现场总线通信系统概述现场总线网络拓扑结构 基金会现场总线的网络拓扑结构分为单链路拓扑和桥式拓扑单链路拓扑和桥式拓扑两种结构。 单链路拓扑单链路拓扑是典型的离线组态网络，包含一个组态设备和一个被组态设备。 桥式网络桥式网络是由桥把不同速率、不同介质的链路连接成多链路。现场总线通信系统概述现场总线网络拓扑结构 在所有的基金会式网络中，两个设备两个设备间只有一个数据链路间只有一个数据链路，所以桥内的路由表要相互协调，组成生成树。

6、 生成树表达了桥的组态，这样就保证了只有两个方向的数据流，或者流向树根，或者离开树根。没有任何回路和并行路径。也就是说，由每一条链路到树根有且仅有也就是说，由每一条链路到树根有且仅有一个桥一个桥。现场总线通信系统概述现场总线网络拓扑结构 生成树中的每一个桥只有一个根端口，一个根端口，一个或多个下游端口一个或多个下游端口。每一个桥端口都连接一条链路。根端口向上连接到根，下游端口向下引出根的分支。当根端口由远方的链路接收到预定的信息时，桥就会根据内部的路由表来选择信息所要经过的下游端口。而当下游端口接收到信息时，桥就会指出上传到根和/或下传到其他下游端口的通信路径。现场总线通信系统概述现场总线网络

7、拓扑结构在现场总线网络中，桥完成以下任务：1.转发2.重发3.分配数据链路时间4.分配应用进程时间现场总线通信系统概述现场总线网络拓扑结构每一条链路都有一个链路活动调度器，可完成以下功能：1. 识别和添加链路中的新设备2. 删除链路中无响应的设备3. 分配数据链路时间和链路调度时间4. 在受调度传输时，轮询现场总线装置，看缓冲区中是否有要发送的数据5. 在两次受调度传输的中间，为现场总线装置分配令牌物理层物理介质相关子层名 称规 范传输速率31.25k bps总线长度A 屏蔽双绞线 1900m；B 屏蔽多芯双绞线 1200m；C 无屏蔽单多对双绞线 400m；D 无屏蔽多芯电缆 200m拓扑结

8、构总线/树型总线挂设备数非本安、非总线供电232台；本安、总线供电26台；非本安、总线供电212台电缆阻抗及终端Z=100物理层物理介质相关子层名 称规 范信号方式电压信号幅值发送 0.751 Vp-p (Z=50) 接收 150mVp-p总线供电932V DC，电源阻抗，非本安 3k，本安 400屏蔽及接地屏蔽面积90% 两总线对地电容2500pF两总线不接地，但终端器中点可接地。数据：1 0 1 1 0 0 物理层物理介质相关子层n曼彻斯特（曼彻斯特（ManchesterManchester）型编码型编码 物理层物理介质相关子层n现场总线通信波形现场总线通信波形 I (mA)10mA2mA

9、t准备通信18mA物理层物理介质独立子层n物理层帧格式物理层帧格式物理层物理介质独立子层n物理层帧格式物理层帧格式一帧数据=前导码（8） +起始分界符（8）+数据 +结束分界符（8）数据链路层数据链路层中的介质访问功能n链路活动调度器（链路活动调度器（LASLAS） 每条总线均有一个介质访问控制的中心点，叫做链路活动调度器链路活动调度器（LAS），网络上的每一条总线叫做链路。 链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，负责总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到LAS的许可，才能向总线上传输数据。数据链路层数据链路层中的介质访问功

10、能n通信活动通信活动有两种通信活动： 受调度通信（前景通信）受调度通信（前景通信）有确定的通信时间有确定的通信时间非调度通信（背景通信）非调度通信（背景通信）按需通信按需通信 数据链路层数据链路层中的介质访问功能n通信活动通信活动受调度通信受调度通信 是由LAS按预定调度时间表周期性发起的通信活动。根据LAS内的预定调度时间表，若到了某个设备要发送的时间，LAS会给这个设备发送一个强制数据强制数据CDCD（Compel Data），它不是数据，而是一种令牌令牌。基本设备收到这个强制数据信息后，就可以向总线上发送它的信息。现场总线系统中这种受调度通信一般用于在设备间周期性设备间周期性传送控制数据

11、传送控制数据，例如在现场变送器与执行器之间传送测例如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。量或控制器输出信号。数据链路层数据链路层中的介质访问功能n通信活动通信活动非调度通信非调度通信 是指在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会来发送信息。在预定调度时间表之外的时间，由LAS通过现场总线发出一个传递令牌传递令牌PT（Pass Token），得到这个令牌的设备就可以发送信息。所有总线上的设备都有机会通过这个方式发送调度之外的信息。上位监上位监控计算机读写现场设备中的信息就是通过这种方式。控计算机读写现场设备中的信息就是通过这种方式。数据链路层数据链路层中的介质访问功能nLAS