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2021-12-02 22:07:13
總線專題：第三講 基金會現場總線（上）
2021-12-02 22:07:13 來源: 網絡
基金會現場總線（Foundation Fieldbus）簡稱FF是現場總線基金會（Fieldbus Foundation）組織開發的。該組織于1994年成立。當時由11家跨國大公司組成董事會，集資開發。董事長由Fisher Rosemount公司（現由Emeioson公司收購）擔任，董事單位有Rockwell，西門子，ABB，Honeywell,Foxboro(現由Invensys公司收購)，橫河等公司。
FF由二部分組成：即HI低速現場總線及H2高速現場總線。
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）即連續控制的過程而設計的，它吸收了DCS及HART行之有效的技術，如功能塊及DDL（設備描述語言）等技術，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參數模型如圖1。
圖1基金會現場總線（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，必須按照協議規定的格式自用戶層經應用層、數據鏈路層及物理層發送才能奏效。這一過程可用郵寄信件的方式作為譬喻，如要從某地發一信件給其他地方的某人時，可按照郵局規定的方式，將信件放入信封，在信封上根據規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的通信協議規定了其通信方式。
圖2 通信原理圖
物理層（Physical Layer PHY）與傳輸介質（電纜、光纜等）相連接規定了如何收發信號和接收信號。數據鏈路層（Data Link Layer DLL）規定了總線設備如何共享網絡，怎樣調度通信。
應用層分為現場總線訪問子層（Fieldbus Access Sub-layer，FAS）和現場總線報文規范子層（Fieldbus Message Specification，FMS）二個子層，其中FAS規定數據訪問的關系模型和規范，在DLL與FMS之間提供服務；FMS則規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），實現應用進程之間的通信，提供應用接口的標準操作，實現應用層的開放性。應用層規定了設備間交換數據、命令、事件信息和請求應答的信息格式。
用戶層規定了標準的功能塊，對象字典和設備描述，供用戶組成所需要的應用程序，并實現網絡管理和系統管理。在網絡管理中，為了提供一個集成網絡各層通信協議的機制，實現設備操作狀態的監控和管理，設置了網絡管理代理和網絡管理信息庫，提供組態管理，運行管理和差錯管理的功能。在系統管理中，設置系統管理內核，系統管理內核協議和系統管理信息庫，提供設備管理、功能管理、時鐘管理和安全管理的功能。
FF將數據鏈路層，應用層和用戶層的軟件集成為通信棧（Communication Stack），供軟件開發商開發通信棧；通過軟件編程來實現；另外再開發專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）及其相關硬件來實現物理層和數據鏈路層部分功能。這樣就能用軟硬件相結合的辦法來實現FF通信模型。
（2）FF通信模型的三大功能
FF通信模型作為現場總線設備的物理實體，再通過傳輸線構成通信網絡，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，系統管理內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）。由各層協議和網絡管理代理（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，是現場總線設備通信的核心部分。層協議的基本目標是構成VCR，網絡管理代理，負責管理通信棧，支持組態、運行和差錯管理，這些管理信息保存在網絡管理信息庫（Network Manage-ment Base,NMIB）中并由對象字典（Object Dictionary,OD）來描述。OD中保存有數據類型、長度等描述信息，為總線設備的網絡可視對象提供定義和描述。
2）系統管理內核。系統管理內核（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，負責與網絡系統相關的任務管理，支持節點地址分配，應用服務調度、應用時鐘同步和應用進程分析。SMK把控制系統管理操作的信息組成對象，存儲在系統管理信息庫（System Management Information Base,SMIB）中，并可以通過網絡來訪問SMIB。SMK支持網絡設備管理，在設備運行之前將其基本的系統信息置入SMIB，并分配一個物理設備位號，然后使設備進入初始化狀態；在不影響網絡上其它設備運行的情況下，使該設備進入運行狀態，并根據他的物理設備位號分配節點地址；當設備加入網絡以后，可按需設置遠程設備和功能塊。SMK采用系統管理內核協議（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）實現某種應用功能或算法如PID功能塊實現PID（比例、積分、微分）控制功能，模擬輸入（AI）和模擬輸出（AO）功能塊分別實現參數輸入和輸出功能，如將AI、PID、AO功能塊的輸出端和輸入端相連接就可以實現單回路控制策略。FF規定了10個基本功能塊和19個附加功能塊，分布在現場總線設備內，供用戶組態實現所需控制策略，從而構成全分布式網絡控制系統，也就是所謂現場總線控制系統（Fieldbus Control System,FCS），他與DCS的區別之一就在于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場智能化儀表中去了，這不僅提高了系統的可靠性，而且還使控制更加及時和精確。由功能塊組合有關控制的范例如圖4。
關鍵詞： 總線專題基金會現場總
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