總線專題：第三講 基金會現(xiàn)場總線（上）

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

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的連接設備連接。

FF的特點是專門為過程自動化（Process Automation）即連續(xù)控制的過程而設計的，它吸收了DCS及HART行之有效的技術(shù)，如功能塊及DDL（設備描述語言）等技術(shù)，所以熟悉DCS的用戶使用比較方便，但由于設想十分周到，技術(shù)比較復雜。

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基金會現(xiàn)場總線（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，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)信號和接收信號。數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer DLL）規(guī)定了總線設備如何共享網(wǎng)絡，怎樣調(diào)度通信。

應用層分為現(xiàn)場總線訪問子層（Fieldbus Access Sub-layer，F(xiàn)AS）和現(xiàn)場總線報文規(guī)范子層（Fieldbus Message Specification，F(xiàn)MS）二個子層，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；FMS則規(guī)定了標準的報文格式，為用戶提供了所需的通信服務。應用層的任務是描述應用進程（Application Process，AP），實現(xiàn)應用進程之間的通信，提供應用接口的標準操作，實現(xiàn)應用層的開放性。應用層規(guī)定了設備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息和請求應答的信息格式。

用戶層規(guī)定了標準的功能塊，對象字典和設備描述，供用戶組成所需要的應用程序，并實現(xiàn)網(wǎng)絡管理和系統(tǒng)管理。在網(wǎng)絡管理中，為了提供一個集成網(wǎng)絡各層通信協(xié)議的機制，實現(xiàn)設備操作狀態(tài)的監(jiān)控和管理，設置了網(wǎng)絡管理代理和網(wǎng)絡管理信息庫，提供組態(tài)管理，運行管理和差錯管理的功能。在系統(tǒng)管理中，設置系統(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，提供設備管理、功能管理、時鐘管理和安全管理的功能。

FF將數(shù)據(jù)鏈路層，應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)場總線設備的物理實體，再通過傳輸線構(gòu)成通信網(wǎng)絡，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，即通信實體，系統(tǒng)管理內(nèi)核和功能塊應用進程，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，即相當于邏輯的通信信道，VCR表示了2個或多個應用進程之間的關(guān)系。

圖3 FF通信模型的三大組成部分

1）通信實體（Entitg）。由各層協(xié)議和網(wǎng)絡管理代理（Network Management Agent,NMA）共同組成。其任務是生成報文（Message）和提供報文傳送服務，是現(xiàn)場總線設備通信的核心部分。層協(xié)議的基本目標是構(gòu)成VCR，網(wǎng)絡管理代理，負責管理通信棧，支持組態(tài)、運行和差錯管理，這些管理信息保存在網(wǎng)絡管理信息庫（Network Manage-ment Base,NMIB）中并由對象字典（Object Dictionary,OD）來描述。OD中保存有數(shù)據(jù)類型、長度等描述信息，為總線設備的網(wǎng)絡可視對象提供定義和描述。

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用層和用戶層。SMK是總線設備的管理實體，負責與網(wǎng)絡系統(tǒng)相關(guān)的任務管理，支持節(jié)點地址分配，應用服務調(diào)度、應用時鐘同步和應用進程分析。SMK把控制系統(tǒng)管理操作的信息組成對象，存儲在系統(tǒng)管理信息庫（System Management Information Base,SMIB）中，并可以通過網(wǎng)絡來訪問SMIB。SMK支持網(wǎng)絡設備管理，在設備運行之前將其基本的系統(tǒng)信息置入SMIB，并分配一個物理設備位號，然后使設備進入初始化狀態(tài)；在不影響網(wǎng)絡上其它設備運行的情況下，使該設備進入運行狀態(tài)，并根據(jù)他的物理設備位號分配節(jié)點地址；當設備加入網(wǎng)絡以后，可按需設置遠程設備和功能塊。SMK采用系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議（SMK Protocol,SMKP）與遠程SMK通信，另外采用FMS訪問SMIB。SMK亦能為OD提供服務。首先在網(wǎng)絡上對所有設備廣播對象名，然后等待設備的響應，從而獲得網(wǎng)絡上對象的信息。

3）功能塊應用進程。功能塊應用進程（Function Block Application Process,FBAP）位于應用層和用戶層。功能塊（Function Block,FB）實現(xiàn)某種應用功能或算法如PID功能塊實現(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現(xiàn)單回路控制策略。FF規(guī)定了10個基本功能塊和19個附加功能塊，分布在現(xiàn)場總線設備內(nèi)，供用戶組態(tài)實現(xiàn)所需控制策略，從而構(gòu)成全分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，也就是所謂現(xiàn)場總線控制系統(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的主機中；而FCS則將60～80%的一般控制功能分散到現(xiàn)場智能化儀表中去了，這不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，而且還使控制更加及時和精確。由功能塊組合有關(guān)控制的范例如圖4。