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1、现场总线与工业以太网基金会现场总线 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第2 2章章 基金会现场总线基金会现场总线基金会现场总线（基金会现场总线（FF）从自控系统的设计、安装、开车从自控系统的设计、安装、开车运行和维护的整个过程中都体现了优越性。运行和维护的整个过程中都体现了优越性。FF系统结构简化，系统结构简化，节省了控制设备。节省了控制设备。FF高度分散性与现场设备的自治性，使系统高度分散性与现场设备的自治性，使系统运行性能提高，对现场设备的诊断可
2、随时进行，使系统可靠性运行性能提高，对现场设备的诊断可随时进行，使系统可靠性大大改善。大大改善。FF系统的开放性与互操作性系统的开放性与互操作性，把从多个厂商处购，把从多个厂商处购买部件而集成系统的权利交给用户。买部件而集成系统的权利交给用户。FF是是仪仪表表和和过过程程控控制制向向数数字字化化通通讯讯方方向向发发展展而而形形成成的的技技术术。它它不不同同于于其其他他通通讯讯协协议议，仅仅仅仅实实现现数数据据的的数数字字化化传传输输，而而是是用用来来完完成成整整个个过过程程控控制制系系统统的的设设计计。本本书书介介绍绍现现场场总总线线技技术术，使使您您了了解解它它的的优优势势和和长长处处，并并
3、进进而而将将这这种种杰杰出出而而可可靠靠的的技技术术应应用到您的控制系统中去。用到您的控制系统中去。FF目目前前已已经经应应用用在在石石化化、炼炼油油、化化工工、石石油油天天然然气气、热热电电厂厂、冶冶金金矿矿山山、水水处处理理、造造纸纸、公公用用（含含电电站站）、食食品品饮饮料料、制制药药、电电力力、钢钢铁铁和和水水泥泥等等领领域域，FF技技术术已已经经运运用用得得非非常成熟。常成熟。据报道，目前已经在使用的据报道，目前已经在使用的FF总线系统的最大规模已经总线系统的最大规模已经达到达到12000台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采用台仪表。我国广西惠州新建的大型石化装置约采用数千台数
4、千台FF总线仪表，自动化的总投资达到总线仪表，自动化的总投资达到5000万美元。上海万美元。上海SECCO新建的石化装置也全部采用新建的石化装置也全部采用FF总线技术和仪表，合总线技术和仪表，合同金额达到同金额达到3000万美元。万美元。2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 基金会现场总线发展背景、特基金会现场总线发展背景、特点及应用情况点及应用情况2.1.2 2.1.2 一个典型的工程实例一个典型的工程实例2.1.3 2.1.3 技术分析技术分析2.1 2.1 概述概述基金会现场总线基金会现场总线FF（FoudationFieldbus）在过程自动）在过程自动化领域得到广泛支持和应
5、用，并具有良好发展前景。化领域得到广泛支持和应用，并具有良好发展前景。FF总线由低速总线由低速(FF-H1)和高速和高速(FF-HSE)两部分组成，其两部分组成，其中中FF-H1网络以网络以ISO/OSI模型为基础，取其物理层、数据链路模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之上增加了用户层，构成了四层结层和应用层，并在应用层之上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型。构的通信模型。FF-H1传输速率为传输速率为31.25Kbps，通信距离可达，通信距离可达1900m（与传输介质有关，可加中继器延长），可支持总线（与传输介质有关，可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆
6、环境。供电，支持本质安全防爆环境。FF-H1主要用于过程工业（连续控制）的自动化。主要用于过程工业（连续控制）的自动化。FF-HSE则采用基于则采用基于Ethernet(IEEE802.3)+TCP/IP的六层结构，的六层结构，其通信距离为其通信距离为750m和和500m。物理传输介质可支持双绞线、。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合光缆和无线发射，协议符合IEC61158-2标准。标准。FF-HSE主要用主要用于制造业于制造业(离散控制离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高级控自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。制等场合。2.1.1 2.1.1 基金会现场总线发展背
7、景、特点及应用情况基金会现场总线发展背景、特点及应用情况1FF总线的前身是总线的前身是ISP和和WordFIP标准，标准，ISP协议是以美国协议是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合公司为首，联合Foxboro、横河、横河、ABB、西门子等西门子等80家公司制订的；家公司制订的；WordFIP协议是以协议是以Honeywell公公司为首，联合欧洲等地的司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的。迫于用户压力家公司制订的。迫于用户压力和市场需求，和市场需求，1994年年9月两大集团合并，成立了现场总线基月两大集团合并，成立了现场总线基金会。现场总线基金会致力于开发出国际上统一的现
8、场总线金会。现场总线基金会致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。层上增加了用户层。2FF的的最最大大特特色色在在于于它它不不仅仅是是一一种种总总线线，而而是是一一个个系系统统。它它既既是是网网络络系系统统也也是是自自动动化化系系统统。作作为为新新型型自自动动化化系系统统，区区别别于于以以前前各各种种自自动动化化系系统统的的特特征征在在于于它它所所具具有有的的开开放放型型数数字字通
9、通信信能能力力，使使自自动动化化系系统统具具备备了了网网络络化化特特征征；而而作作为为一一种种通通讯讯网网络络，有有别别于于其其它它网网络络系系统统的的特特征征则则在在于于它它位位于于工工业业现现场场，其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。FF总总线线的的低低速速部部分分FF-H1是是参参考考了了ISO/OSI参参考考模模型型,并并在在此此基基础础上上根根据据过过程程自自动动化化系系统统的的特特点点进进行行演演变变而而得得到到的的。除除了了实实现现现现场场总总线线信信号号的的数数字字通通信信外外，FF-H1具具有有适适用用于于过过程程自自动动化化的
10、的一一些些特特点点：支支持持总总线线供供电电、支支持持本本质质安安全全、采采用用令牌总线访问机制等。令牌总线访问机制等。基于以太网的高速部分基于以太网的高速部分HSE充分利用低成本和商业可用的充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以以太网技术，并以100Mbit/s到到1Gbit/s或更高的速度运行。或更高的速度运行。HSE支持所有的支持所有的FF总线低速部分总线低速部分31.25kbit/s的功能，并支持的功能，并支持H1设备设备与基于以太网的设备通过链接设备接口。与基于以太网的设备通过链接设备接口。HSE现场总线技术的另一个关键特点是，现场总线技术的另一个关键特点是，HSE现场设备支现场
11、设备支持标准的持标准的FOUNDATION功能模块，例如功能模块，例如AI、AO和和PID，也包，也包括新的、具体应用于离散控制和括新的、具体应用于离散控制和I/O子系统集成的子系统集成的“柔性功能模柔性功能模块块”(flexiblefunctionblock,FFB)等。链接设备和等。链接设备和HSE现场设现场设备可以结合进一个单一的、节约成本的和强大的物理设备，用备可以结合进一个单一的、节约成本的和强大的物理设备，用于批处理、逻辑于批处理、逻辑PLC和连续控制。所有或部分的和连续控制。所有或部分的HSE网络和设网络和设备可实现冗余，以适应应用中容错的需要。备可实现冗余，以适应应用中容错的需
12、要。3基基金金会会现现场场总总线线这这一一开开放放、可可互互操操作作的的技技术术已已经经成成为为全全球球范范围围内内领领先先的的数数字字化化控控制制系系统统解解决决方方案案。近近年年来来，越越来来越越多多的的最最终终用用户户采采纳纳了了基基金金会会现现场场总总线线技技术术。该该技技术术已已广广泛泛应应用用在在石石油油、天天然然气气、石石油油化化工工、化化工工食食品品、制制药药、电电力力、水水处处理理、钢钢铁铁矿矿山山、造造纸纸、水水泥泥等等行行业业有有着着广广泛泛应应用用，其其中中石石化化领领域域目目前前是是FF总线最主要的应用领域。总线最主要的应用领域。基金会现场总线在大、中、小系统中都有应
13、用，但大部分基金会现场总线在大、中、小系统中都有应用，但大部分的应用在中、小系统中。在过程控制领域，的应用在中、小系统中。在过程控制领域，FF已成为公认的第已成为公认的第一流技术。从全球范围内看，一流技术。从全球范围内看，FF现场总线技术的应用量一直在现场总线技术的应用量一直在增长，亚太地区的应用也日趋活跃，尤其是中国，已成为主要增长，亚太地区的应用也日趋活跃，尤其是中国，已成为主要FF总线技术应用项目的关键市场。现场总线具有很强的性能优总线技术应用项目的关键市场。现场总线具有很强的性能优势，它能节约支出并改善运行条件等。为此国内一些旧的系统势，它能节约支出并改善运行条件等。为此国内一些旧的系
14、统被先进的基于现场总线控制平台的自动化系统所取代。目前中被先进的基于现场总线控制平台的自动化系统所取代。目前中国已有上百个国已有上百个FF总线应用项目，广泛应用在石油、冶金、油气、总线应用项目，广泛应用在石油、冶金、油气、食品和饮料以及生物制药等诸多行业。食品和饮料以及生物制药等诸多行业。2.1.22.1.2一个典型的工程实例一个典型的工程实例FF总线在拜耳漕泾工厂的应用总线在拜耳漕泾工厂的应用上上海海拜拜耳耳漕漕泾泾园园区区(BayerMaterialScience)下下属属工工厂厂的的涂涂料料厂厂、公公用用工工程程厂厂和和聚聚酯酯厂厂已已于于2006年年建建成成投投产产，该该项项目目选选用
15、用了了FF基基金金会会现现场场总总线线，在在仪仪表表选选型型和和安安装装调调试试方方面面有有自自己己的的特特色色，特特别别是是聚聚酯酯厂厂，使使用用的的FF现现场场总总线线仪仪表表较较多多，系系统统设设置置明明朗朗、可可靠靠、经经济济、实实用用。在在2006年年上上海海FF年年会会上上，该该项项目目工工程程设设计计人人员员提提供供了了专专题题报报告告，反反映映很很热热烈。烈。1.设备设备的的选选用和用和总总量量该该项项目目已已使使用用了了6套套艾艾默默生生的的DeltaV系系统统，其其中中涂涂料料厂厂、公公用用工工程程厂厂、聚聚脂脂厂厂近近期期使使用用了了DeltaV74版版本本和和大大量量的
16、的FF设设备备；涂涂料料厂厂为为600台台(全全部部模模拟拟量量设设备备)；公公用用工工程程厂厂为为300台台(另外有另外有HART设备在单元包中设备在单元包中)；聚脂厂为；聚脂厂为2200台。台。2.2.网段设计网段设计塑塑料料厂厂网网段段布布局局中中，在在1个个H1例例段段上上接接两两个个子子网网段段，聚聚酯酯厂厂网网段段布布局局为为FF设设备备最最大大安安装装数数量量为为8台台，每每个个网网段段的的最最大大阀阀门门安安装装数数为为2台台(阀阀门门定定位位器器为为2个个)，每每个个网网段段的的备备用用的的分分支支数数为为2个个，每每个个分分支支上上的的FF设设备备为为1台台，也也就就是是8
17、：2：2：1模模式式。具具体体见见图图2.1所所示示，采采用用了了两两个个网网段段保保护护器器，图图2.2仅采用一个网段保护器。仅采用一个网段保护器。3.3.辅助设备及电缆辅助设备及电缆（1）接线箱：）接线箱：涂料厂：接线箱使用刀式开关终端涂料厂：接线箱使用刀式开关终端公用工程厂：公用工程厂：Relcom的的Mega-block接线箱接线箱聚脂厂：带有聚脂厂：带有P+F网段保护和现场隔离的接线箱网段保护和现场隔离的接线箱（2）现现场场总总线线辅辅助助部部件件，包包括括电电源源模模块块和和诊诊断断模模块块、网网段段保保护护器器和和保保护护现现场场设设备备短短路路的的现现场场安安全全栅栅由由P+F
18、Powerhubs提供。提供。在某些场合，浪涌保护也可以用在保护网段非闪电直接击在某些场合，浪涌保护也可以用在保护网段非闪电直接击中的浪涌破坏中的浪涌破坏.（3）每个网段主干电缆：单根双绞线电缆）每个网段主干电缆：单根双绞线电缆4.4.现场仪表选型现场仪表选型（1）流量）流量仪仪表：表：科里奥利流量科里奥利流量计计：E+HPromass；艾默生；艾默生Micromotion；涡涡街流量街流量计计：艾默生：艾默生8800系列，系列，E+HProwirl；电电磁流量磁流量计计：E+HPromag；超声波流量超声波流量计计：E+HProsonicFlow；（2）压压力力仪仪表：表：E+HCeraba
19、rDeltabar；艾默生；艾默生3051；SiemensSitransP；（3）温度）温度仪仪表：表：艾默生艾默生3244系列、系列、848系列；系列；Wika5350；（4）料料位位仪仪表表：雷雷达达：E+HFMR240、E+HFMR230；超超声声波波E+HProsonicLevel；图图2.1 FF2.1 FF网段布局图网段布局图(聚酯厂，聚酯厂，2 2个接线箱个接线箱)（5）分析仪表：）分析仪表：PH计：艾默生计：艾默生TR200；电导计艾默生；电导计艾默生400VP（6）控制阀门：）控制阀门：Samson3787定位器；定位器；图图2.2 FF2.2 FF网段布局图网段布局图(聚酯
20、厂，聚酯厂，1 1个接线箱个接线箱)2.1.32.1.3技术分析技术分析1 1基金会现场总线的主要技术基金会现场总线的主要技术基基金金会会现现场场总总线线围围绕绕工工厂厂底底层层网网络络和和全全分分布布自自动动化化系系统统这两个方面形成了它的技术特色。其主要技术内容有：这两个方面形成了它的技术特色。其主要技术内容有：(1)(1)基金会现场总线的通信技术。基金会现场总线的通信技术。它它包包括括基基金金会会现现场场总总线线的的通通信信模模型型、通通信信协协议议、通通信信控控制制器器芯芯片片、通通信信网网络络与与系系统统管管理理等等内内容容。它它涉涉及及一一系系列列与与网网络络相相关关的的硬硬、软软
21、件件，如如通通信信栈栈软软件件，被被称称之之为为圆圆卡卡的的仪仪表表用用通通信信接接口口卡卡，FF与与计计算算机机的的接接口口卡卡，各各种种网网关关、网网桥桥、中中继继器器等等。它它是是现现场场总总线线的的核核心心基基础础技技术术之之一一；无无论论对对于于现现场场总总线线设设备备的的开开发发制制造造单单位位，还还是是系系统统设设计计单单位位、系系统统集集成成商商以以至用户，都具有重要作用。至用户，都具有重要作用。(2)(2)标标准准化化功功能能块块(FB(FB，Function Function Block)Block)与与功功能能块块应应用用进进程程(FBAP(FBAP，Function B
22、lock Application Process)Function Block Application Process)。它它提提供供一一个个通通用用结结构构，把把实实现现控控制制系系统统所所需需的的各各种种功功能能划划分分为为功功能能模模块块，使使其其公公共共特特性性标标准准化化，规规定定它它们们各各自自的的输输入入、输输出出、算算法法、事事件件、参参数数与与块块控控制制图图，并并把把它它们们组组成成为为可可在在某某个个现现场场设设备备中中执执行行的的应应用用进进程程。便便于于实实现现不不同同制制造造商商产产品品的的混混合合组组态态与与调调用用。功功能能块块的的通通用用结结构构是是实实现现开
23、开放放系系统统构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。构架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。(3)(3)设设备备描描述述(DD(DD，Device Device Description)Description)与与设设备备描描述述语语言言(DDL(DDL，Device Description Language)Device Description Language)。为为实实现现现现场场总总线线设设备备的的互互操操作作性性，支支持持标标准准的的功功能能块块操操作作，基基金金会会现现场场总总线线采采用用了了设设备备描描述述技技术术。设设备备描描述述为为控控制制系系统统理
24、理解解来来自自现现场场设设备备的的数数据据意意义义提提供供必必需需的的信信息息，因因而而也也可可以以看看作作控控制制系系统统或或主主机机对对某某个个设设备备的的驱驱动动程程序序，即即设设备备描描述述是是设设备备驱驱动动的的基基础础。设设备备描描述述语语言言是是一一种种用用以以进进行行设设备备描描述的述的标标准准编编程程语语言。言。采用设备描述器，把采用设备描述器，把DDL编写的设备描述的源程序转化编写的设备描述的源程序转化为机器可读的输出文件。控制系统正是凭借这些机器可读的为机器可读的输出文件。控制系统正是凭借这些机器可读的输出文件来理解各制造商的设备的数据意义。现场总线基金输出文件来理解各制
25、造商的设备的数据意义。现场总线基金会把基金会的标准会把基金会的标准DD和经基金会注册过的制造商附加和经基金会注册过的制造商附加DD写写成成CD-ROM，提供给用户。，提供给用户。(4)(4)现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术。的接口技术。在现场总线的产品开发中，常采用在现场总线的产品开发中，常采用OEM集成方法构成新集成方法构成新产品。已有多家供应商向市场提供产品。已有多家供应商向市场提供FF集成通信控制芯片、通集成通信控制芯片、通信栈软件、圆卡等。把这些部件与其他供应商开发的、或自信栈软件、圆卡等。把这些部件与其他供应商
26、开发的、或自行开发的、完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智行开发的、完成测量控制功能的部件集成起来，组成现场智能设备的新产品。能设备的新产品。要将总线通信圆卡与实现变送、执行功能的部件构成一个要将总线通信圆卡与实现变送、执行功能的部件构成一个有机的整体，要通过有机的整体，要通过FF的的PC接口卡将总线上的数据信息与上接口卡将总线上的数据信息与上位的各种位的各种MMI(即人机接口即人机接口)软件、高级控制算法融为一体，软件、高级控制算法融为一体，尚有许多智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发要做。尚有许多智能仪表本身及其与通信软硬件接口的开发要做。如与如与MMI软件连接中的软件连接中的OP
27、C技术。技术。OPC技术是指用于过技术是指用于过程控制的对象链接嵌入程控制的对象链接嵌入(OLE，ObjectLinkingandEmbedding)技术，即技术，即OLEinProcessControl技术。技术。OLE是是Microsoft公司在公司在PC机中采用的机中采用的PC组件组件(PCComponent)技术，技术，把这一技术引入到过程控制系统，使现场总线控制系统较容易把这一技术引入到过程控制系统，使现场总线控制系统较容易地与现有的计算机平台结合起来，使工厂网络的各个层次可以地与现有的计算机平台结合起来，使工厂网络的各个层次可以在网络上共享数据与信息。可以认为，在网络上共享数据与信
28、息。可以认为，OPC技术是实现数据开技术是实现数据开放式传输的基础。放式传输的基础。(5)(5)系统集成技术。系统集成技术。它包括通信系统与控制系统的集成，如网络通信系统组态、它包括通信系统与控制系统的集成，如网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等。这是一项集控制、通信、计算机、网络等多系统管理维护等。这是一项集控制、通信、计算机、网络等多方面的知识，集软硬件于一体的综合性技术。它在现场总线技方面的知识，集软硬件于一体的综合性技术。它在现场总线技术开发初期，在技术规范、通信软硬件尚不十分成熟之
29、时，具术开发初期，在技术规范、通信软硬件尚不十分成熟之时，具有其特殊的意义。对系统设计单位、用户、系统集成商更是具有其特殊的意义。对系统设计单位、用户、系统集成商更是具有重要作用。有重要作用。(6)(6)系统测试技术。系统测试技术。它包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术、总线监它包括通信系统的一致性与互可操作性测试技术、总线监听分析技术、系统的功能和性能测试技术。一致性与互可操作听分析技术、系统的功能和性能测试技术。一致性与互可操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。一般要经授性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。一般要经授权过的第三方认证机构作专门测试，验证符合统一的技术规
30、范权过的第三方认证机构作专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果交基金会登记注册，授予后，将测试结果交基金会登记注册，授予FF标志。只有具备了标志。只有具备了FF标志的现场总线产品，才是真正的标志的现场总线产品，才是真正的FF产品，其通信的一致产品，其通信的一致性与系统的开放性才有相应保障。有时，对由具有性与系统的开放性才有相应保障。有时，对由具有FF标志的现标志的现场设备所组成的实际系统，还需进一步进行互可操作性测试和场设备所组成的实际系统，还需进一步进行互可操作性测试和功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的性能功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的性能指标。总
31、线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，指标。总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，以便于通信系统的调试、诊断与评价。以便于通信系统的调试、诊断与评价。对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统综试。并可在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统综合指标的评价。合指标的评价。2 2通信系统的主要组成部分及其相互关系通信系统的主要组成部分及其相互关系基金会现场
32、总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。为了实现通信系统的开放性，其通信模型参考了通信。为了实现通信系统的开放性，其通信模型参考了ISOOSI参考模型，并在此基础上根据自动化系统的特点进行演变后参考模型，并在此基础上根据自动化系统的特点进行演变后得到的。基金会现场总线的参考模型只具备得到的。基金会现场总线的参考模型只具备ISOOSI参考模型参考模型七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层总线的实际要求，把应用层划分为两个子层-总线
33、访问子层与总总线访问子层与总线报文规范子层。省去了中间的线报文规范子层。省去了中间的36层，即不具备网络层、传层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层。输层、会话层与表示层。另外，另外，FF在原有在原有ISOOSI参考模型第七层应用层之上增加参考模型第七层应用层之上增加了新的一层了新的一层-用户层。这样可以将通信模型共有四层，图用户层。这样可以将通信模型共有四层，图2.3为基为基金会现场总线（金会现场总线（FF）通信模型和）通信模型和OSI参考模型。其中，物理层规参考模型。其中，物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络
34、和调度通信；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信调度通信；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。用户层则用于组成用户所需要息以及请求应答中的信息格式。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备管理，实现网络管理、的应用程序，如规定标准的功能块、设备管理，实现网络管理、系统管理等。系统管理等。实实际际上上，在在相相应应软软硬硬件件开开发发的的过过程程中中，往往往往把把除除去去最最下下端端的的物物理理层层和和最最上上端端的的用用户户层层之之后后的的中中间间部部分分作作为为一一个个整整体体，统统称称为为通信通信栈栈。这时这时，现场总线现场
35、总线的通信参考模型可看作三的通信参考模型可看作三层层。OSIOSI参考模型参考模型 FFFF通信模型通信模型应用层应用层 7 7表示层表示层 6 6会话层会话层 5 5传输层传输层 4 4网络层网络层 3 3数据链路层数据链路层 2 2物理层物理层 1 1现现 场场 总总 线线 报报 文文 规规 范范 子子 层层（FMSFMS）现现 场场 总总 线线 访访 问问 子子 层层 （FASFAS）省略省略3636层层数据链路层数据链路层 （DLLDLL）物理层物理层 （PHYPHY）用户层用户层图图2.3 2.3 基金会现场总线（基金会现场总线（FFFF）通信模型和）通信模型和OSIOSI参考模型参
36、考模型变变送送器器、执执行行器器等等都都属属于于现现场场总总线线物物理理设设备备。每每个个具具有有通通信信能能力力的的现现场场总总线线物物理理设设备备都都应应具具有有通通信信模模型型。图图2.4从从物物理理设设备备构构成成的的角角度度表表明明了了通通信信模模型型的的主主要要组组成成部部分分及及其其相相互互关关系系。它它在在分分层层模模型型的的基基础础上上更更详详细细地地表表明明了了通通信信的的主主要要组组成成部部分分。从从图图中中可可以以看看到到，通通信信参参考考模模型型所所对对应应的的四四个个分分层层，即即物物理理层层、数数据据链链路路层层、应应用用层层、用用户户层层，并并按按各各部部分分在
37、在物物理理设设备备中中要要完完成成的的功功能能，被被分分为为三三大大部部分分：通通信信实实体体、系系统统管管理理内内核核和和功功能能块应块应用用进进程。程。各各 部部 分分 之之 间间 通通 过过 虚虚 拟拟 通通 信信 关关 系系 VCR，virtualcommunicationrelationship)来来沟沟通通信信息息。VCR表表明明了了两两个个或或多多个个应应用用进进程程之之间间的的关关联联，或或者者说说，虚虚拟拟通通信信关关系系是是各各应应用用之之间间的的逻辑逻辑通信通道，它是通信通道，它是总线访问总线访问子子层层所提供的服所提供的服务务。图图2.4 2.4 通信模型的主要组成部分
38、及其相互关系通信模型的主要组成部分及其相互关系通通信信实实体体贯贯穿穿从从物物理理层层到到用用户户层层的的所所有有各各层层。由由各各层层协协议议与与网网络络管管理理代代理理共共同同组组成成。通通信信实实体体的的任任务务是是生生成成报报文文与与提提供供报报文文传传送送服服务务，是是实实现现现现场场总总线线信信号号数数字字通通信信的的核核心心部部分分。层层协协议议的的基基本本目目标标是是要要构构成成虚虚拟拟通通信信关关系系。网网络络管管理理代代理理则则是是要要借借助助各各层层及及其其层层管管理理实实体体，支支持持组组态态管管理理、运运行行管管理理、出出错错管管理的功能。理的功能。各各种种组组态态、
39、运运行行、故故障障信信息息保保持持在在网网络络管管理理信信息息库库(NMIB，networkmanagementinformationbase)中中，并并由由对对象象字字典典（DD，ObjectDictionary)来来描描述述。对对象象字字典典为为设设备备的的网网络络可可视对视对象提供定象提供定义义与描述。与描述。为为了了明明确确定定义义、理理解解对对象象，把把有有如如数数据据类类型型、长长度度一一类类的的描描述述信信息息保保留留在在对对象象字字典典中中。可可以以通通过过网网络络得得到到这这些些保保留留在在OD中中的的网网络络可可视视对对象象的的描描述述信信息息。系系统统管管理理内内核核(S
40、MK，systemmanagementkernel)在在模模型型分分层层结结构构中中只只占占有有应应用用层层和和用用户层户层的位置。的位置。系统内核主要负责与网络系统相关的管理任务，如确立系统内核主要负责与网络系统相关的管理任务，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。能块执行时间。用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，存储在系用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，存储在系统管理信息库统管理信息库(SMIB，systemmanagementinformationbase)中。系统管理内核包含有现场总线系统的
41、关键结构和可操作中。系统管理内核包含有现场总线系统的关键结构和可操作参数，它的任务是在设备运行之前将基本的系统信息置入参数，它的任务是在设备运行之前将基本的系统信息置入SMIB，然后根据系统专用名，分配给该设备一个永久，然后根据系统专用名，分配给该设备一个永久(固定固定)的数据链接地址，并在不影响网络上其他设备运行的前提下，的数据链接地址，并在不影响网络上其他设备运行的前提下，把该设备带入到运行状态。系统管理内核采用系统管理内核把该设备带入到运行状态。系统管理内核采用系统管理内核协议与远程协议与远程SMK通信。通信。当设备加入到网络之后，可以按需要设置远程设备和功当设备加入到网络之后，可以按需
42、要设置远程设备和功能块。由能块。由SMK提供对象字典服务。如在网络上对所有设备广提供对象字典服务。如在网络上对所有设备广播对象名，等待包含这一对象的设备的响应，而后获取网络播对象名，等待包含这一对象的设备的响应，而后获取网络中有关对象的信息。中有关对象的信息。为为协协调调与与网网络络上上其其他他设设备备的的动动作作和和功功能能块块同同步步，系系统统管管理理还还为为应应用用时时钟钟同同步步提提供供一一个个通通用用的的应应用用时时钟钟参参考考，使使每每个个设设备备能共享共同的时间基准，并可通过调度来控制功能块执行时间。能共享共同的时间基准，并可通过调度来控制功能块执行时间。功能块应用进程功能块应用
43、进程(FBAP，functionblockapplicationprocess)在模型分层结构中位于应用层和用户层。功能块应用进程主要在模型分层结构中位于应用层和用户层。功能块应用进程主要用于实现用户所需要的各种功能。用于实现用户所需要的各种功能。每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功每种功能块被单独定义，并可为其他块所调用。由多个功能块及其相互连接，集成为功能块应用。在功能块应用进程这能块及其相互连接，集成为功能块应用。在功能块应用进程这部分，除了功能块对象之外，还包括对象字典部分，除了功能块对象之外，还包括对象字典OD和设备描述和设备描述DD。采用。采用OD和和DD来简化设备的
44、互操作，因而也可以把来简化设备的互操作，因而也可以把OD和和DD看看作支持功能块应用的标准化工具。作支持功能块应用的标准化工具。3 3协议数据的构成与层次协议数据的构成与层次图图2.5表表明明了了现现场场总总线线协协议议数数据据的的生生成成过过程程，而而且且动动态态表表明明了了现现场场总总线线协协议议数数据据内内容容和和模模型型中中每每层层所所附附加加的的信信息息。它它也也从从一个角度反映了现场总线报文信息的形成过程。一个角度反映了现场总线报文信息的形成过程。如如某某个个用用户户要要将将数数据据通通过过现现场场总总线线发发往往其其他他设设备备，首首先先在在用用户户层层形形成成用用户户数数据据，
45、并并把把它它们们送送往往总总线线报报文文规规范范层层（FMS）处处理理，每每帧帧最最多多可可发发送送251个个8位位字字节节的的用用户户数数据据信信息息；然然后后依依次次送送往往现现场场总总线线访访问问子子层层（FAS）和和数数据据链链路路层层（DLL）；用用户户数数据据信信息息在在FAS，FMS，DLL各各层层分分别别加加上上各各层层的的协协议议控控制制信信息息，在在数数据据链链路路层层还还加加上上帧帧校校验验信信息息（一一般般为为CRC校校验验码码）后后，送送往往物物理理层层将将数数据据打打包包，即即加加上上帧帧前前、帧帧后后定定界界码码，也也就就是是开开头头码码、帧帧结结束束码码，并并在
46、在开开头头码码之之前前再再加加上上用用于于时时钟钟同同步步的的前导码前导码(或称之为同步码或称之为同步码)。该该图图还还标标明明了了各各层层所所附附的的协协议议信信息息的的字字节节数数。信信息息帧帧形形成成之之后后，还还要要通通过过物物理理层层转转换换为为符符合合规规范范的的物物理理信信号号，在在网网络络系系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。统的管理控制下，发送到现场总线网段上。2.2 2.2 基金会基金会现场总线现场总线网络设备与安装网络设备与安装2.2.1 2.2.1 网络拓扑结构网络拓扑结构2.2.2 2.2.2 主要连接件和接口设备主要连接件和接口设备2.2.3 2.2.3 电缆、
47、布线和电源（安装调试）电缆、布线和电源（安装调试）2.2.4 2.2.4 基金会现场总线设备的本质安全基金会现场总线设备的本质安全2.2 2.2 基金会现场总线网络设备与安装基金会现场总线网络设备与安装一一个个现现场场总总线线网网络络是是由由一一个个或或者者多多个个网网段段组组成成，每每个个网网段段一一般般包包含含几几个个运运行行仪仪表表、连连接接件件、接接口口设设备备、电电缆缆、安安全全栅栅，另另外外还还需需要要一一个个电电源源和和设设在在每每个个网网段段末末端端的的终终端端器器。现现场场总总线线的的安安装装与与布布线线规规则则自自然然不不同同于于传传统统的的4mA20mA布线。要遵循一定的
48、拓扑结构进行布线。布线。要遵循一定的拓扑结构进行布线。2.2.12.2.1网络拓扑结构网络拓扑结构FF现现场场总总线线的的拓拓扑扑结结构构较较灵灵活活，如如图图2.6所所示示，通通常常包包括括点点到到点点型型、带带分分支支的的总总线线型型、菊菊花花链链型型和和树树型型。同同时时，这这几几种种结结构构还还可可组组合合在在一一起起构构成成混混合合性性结结构构。其其中中，带带分分支支的的总线型和树型在工程中使用较多。总线型和树型在工程中使用较多。图图2.5 2.5 现场总线协议数据的生成现场总线协议数据的生成 FF总总线线网网络络可可以以包包含含1个个或或多多个个互互连连的的H1链链路路。1条条H1
49、链链路路可可连连接接1个个或或几几个个H1设设备备，2个个或或多多个个H1设设备备之之间间可可通通过过H1网网桥桥实实现现互互连连。H1总总线线网网段段的的主主要要特特性性参参数数见见表表2.1。不不包包含含H1网桥的链接设备也可以实现网桥的链接设备也可以实现H1报文的重发功能。报文的重发功能。图图2.6 FF2.6 FF总线拓扑结构总线拓扑结构2.2.2 2.2.2 主要连接件和接口设备主要连接件和接口设备FF总线系统中，主站可以通过一个接口直接和现场级网络总线系统中，主站可以通过一个接口直接和现场级网络相连，也可以通过一个链路设备经过主站级网络后再和现场级相连，也可以通过一个链路设备经过主
50、站级网络后再和现场级网络连接。像笔记本电脑那样的手持设备则是通过接口和现场网络连接。像笔记本电脑那样的手持设备则是通过接口和现场级网络连接。不管是接口还是链路设备都是通过端口和现场级级网络连接。不管是接口还是链路设备都是通过端口和现场级网络相连的。一块接口卡或者一台链路设备往往有不止一个端网络相连的。一块接口卡或者一台链路设备往往有不止一个端口，因此可以接几个现场级网络。若干台链路设备又可以通过口，因此可以接几个现场级网络。若干台链路设备又可以通过主站级网络连成一个大系统。同样，接口也可以设计成可插入主站级网络连成一个大系统。同样，接口也可以设计成可插入一个计算机或一个计算机或IO子系统的若干