现场总线与工业以太网_基金会现场总线组态基础

1、2.3 基金会现场总线组态基础,2.3.1 基本概念 2.3.2 系统管理和网络管理 2.3.3 基金会现场总线的编程语言 2.3.4 链路活动调度执行组态,2.3 基金会现场总线组态基础,基金会现场总线 (FF)非常好地满足了设备组态的要求。其协议有标准的参数用于设置设备的运行。正是这一特性，使它同其他协议区别开来，成为用于现场仪表的最通用的协议。基金会现场总线(FF)的参数组织在功能块中。可以事先将准备好并经过验证的设备组态形成模板，组态时使用这些模板可以加快组态速度并减少错误。,2.3.1 基本概念,1链路活动调度器LAS 在数据链路层上所生成的协议控制信息就是为完成对总线上的各类链路传输活动进行控制而设置的。总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。 每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器(LAS，link active scheduler)。LAS具备链路活动调度能力，便可形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。对没有链

2、路活动调度能力的设备来说，其数据链路层要对来自总线的链路数据做出响应，控制本设备对总线的活动。此外在DLL层还要对所传输的信息实行帧校验。,2链路活动调度器LAS功能 链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管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链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。如图2.27所示。,基金会现场总线的通信活动被归纳为两类：受调度通信与非调度通信。由链路活动调度器按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动，称为受调度通信。链路活动调度器内有一个预定调度时间表。一旦到了某个设备要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据(CD，compel data)给这个设备。基本设备收到了这个强制数据信息，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地传送控制数据。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。,在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式称为非调度通信。非调度通信在预定调度时间表之外的时

3、间，由LAS通过现场总线发出一个传递令牌(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一方式发送调度之外的信息。由此可以看到，FF通信采用的是令牌总线工作方式。 受调度通信与非调度通信都是由LAS掌管的。按照基金会现场总线的规范要求，链路活动调度器应具有以下五种基本功能：,(1)向设备发送强制数据CD。按照链路活动调度器内保留的调度表，向网络上的设备发送CD。调度表内只保存要发送CD DLPDU的请求，其余功能函数都分散在各调度实体之间。 (2)向设备发送传递令牌PT，使设备得到发送非周期数据的权力，为它们提供发送非周期数据的机会。,图2.27 现场总线仪表与LAS,(3)为新入网的设备探测未被采用过的地址。当为新设备找好地址后，把它们加入到活动表中。 (4)定期对总线段发布数据链路时间和调度时间。 (5)监视设备对传递令牌PT的响应，当设备既不能随着PT顺序进入使用，也不能将令牌返还时，就从活动表中去掉这些设备。,3强有力功能块 由标准功能块组成的基金会现场总线编程语言功能极为强大。一般每个功能块相当于把几个专有语言功能块的功能装在

4、一个模块中。但是，真正使这些功能块变得强有力的是它的握手(handshake)能力，以及使状态信息与数值信息一起从一个功能块传到另一功能块的能力。 由于功能块的行为是标准化的，所以这些功能可以跨越几个不同制造商的设备来完成。功能块还包含使用这些状态信息的标准停车连锁和串级初始化机制。这就意味着不需要对使用不同语言的附加逻辑进行组态，便可实现这些及许多其他的功能。 换句话说，工厂不仅仅是从单独的功能块的能力中获得好处，更重要的是从能把这些模块链接起来的标准化互操作性的结合能力中获得好处。,2.3.2 系统管理和网络管理,1系统管理 （1）系统管理概述 每个设备中都有系统管理实体。该实体由用户应用和系统管理内核(SMK，system management kernel)组成。系统管理内核SMK可看作一种特殊的应用进程AP。从它在通信模型中的位置可以看出，系统管理是通过集成多层的协议与功能而完成的。 系统管理用以协调分布式现场总线系统中各设备的运行。基金会现场总线采用管理员代理者模式(SMgrSMK)，每个设备的系统管理内核(SMK)承担代理者角色，对从系统管理者(SMgr)实体收到的指示做

5、出响应。系统管理可以全部包含在一个设备中，也可以分布在多个设备之间。,系统管理内核使该设备具备与网络上其他设备进行互操作的基础。图2.28为系统管理内核的框图。在一个设备内部，SMK与网络管理代理和设备应用进程之间的相互作用属于本地作用。,系统管理内核是一个设备管理实体。它负责网络协调和执行功能的同步。SMK采用两个协议进行通信，即FMS和SMKP。为加强网络各项功能的协调与同步，使用了系统管理员代理者模式。 在这一模式中，每个设备的系统管理内核承担了代理者的任务并响应来自系统管理员实体的指示。系统管理内核协议SMKP(SMK protoco1)就是用以实现管理员和代理者之间的通信的。系统管理操作的信息被组织为对象，存放在系统管理信息库(SMIB)中，从网络的角度来看，SMIB属于管理虚拟设备(MVFD，management virtual field device)，这使得SMIB对象可以通过FMS服务进行访问(如读，写)，MVFD与网络管理代理共享。,图2.28 系统管理与其他部分的关系,系统管理内核的作用之一是要把基本系统的组态信息置入到系统管理信息库中。采用专门的系统组态设备，

6、如手持编程器，通过标准的现场总线接口，把系统信息置入到系统管理信息库。组态可以离线进行，也可以在网络上在线进行。,SMK采用了两种通信协议，即FMS与SMKP(系统管理内核协议)，FMS用于访问SMIB,SMKP用于实现SMK的其他功能。为执行其功能，系统管理内核SMK必须与通信系统和设备中的应用相联系。 系统管理内核除了使用某些数据链路层服务之外，还运用FMS的功能来提供对系统管理信息库SMIB的访问。设备中的SMK采用与网络管理代理共享的VFD模式。采用应用层服务可以访问SMIB对象。 在地址分配过程中，系统管理必须与数据链路管理实体(DLME，data link management entity)相联系。系统管理SM和DLME的界面是本地生成的。 系统管理内核与数据链路层有着密切联系。它直接访问数据链路层，以执行其功能。这些功能由专门的数据链路服务访问点(DLSAP，data link layer service access point)来提供。DLSAP地址保留在数据链路层。,系统管理内核SMK采用系统管理内核协议(SMKP)与远程SMK通信。这种通信应用有两种标准数据链路

7、地址。一个是单地址，该地址唯一地对应予一个特殊设备的SMK；另一个是链路的本地组地址，它表明了在一次链接中要通信的所有设备的SMK。SMKP采用无连接方式的数据链接服务和数据链路单元数据(DL-unit data)。而SMK则采用数据链路时间(DL-time)服务来支持应用时钟同步和功能块调度。 从系统管理内核与用户应用的联系来看，系统管理支持节点地址分配、应用服务调度、应用时钟同步和应用进程位号的地址解析。系统管理内核通过上述服务使用户应用得到这些功能。图2.29表明了SMK所具备的用以支持这些联系的组成模块与结构关系。它可以作为服务器或响应者工作，也可以作为客户端工作，为设备应用提供服务界面。本地SMK和远程SMK相互作用时，本地SMK可以起到服务器的作用，满足各种服务请求。,图2.29 系统管理功能及其组织,从图中可以看到，系统管理内核SMK为设备的网络操作提供多种服务：访问系统管理信息库，分配设备位号与地址；进行设备辨认；定位远程设备与对象；进行时钟同步、功能块调度等。,（2）系统管理的作用 系统管理可完成现场设备的地址分配、寻找应用位号、实现应用时钟的同步、功能块列表、设备识

8、别以及对系统管理信息库SMIB的访问等功能。 现场设备地址分配 现场设备地址分配应保证现场总线网络上的每个设备只对应唯一的一个节点地址。首先给未初始化设备离线地分配一个物理设备位号，然后使设备进入初始化状态。设备在初始化状态下并没有被分配节点地址，但能附属于网络。一旦处于网络之上，组态设备就会发现该新设备并根据它的物理设备位号给它分配节点地址。 它包括一系列由定时器控制的步骤，以使系统管理代理定时地执行它们的动作和响应管理员请求。在错误情况下，代理必须有效地返回到操作开始时的状态。它也必须拒绝与它当时所处状态不相容的请求。, 寻找应用位号 以位号标识的对象有物理设备(PD)、虚拟现场设备(VFD)、功能块(FB)和功能块参数。现场总线系统管理允许查询由位号标识的对象，包含此对象的设备将返回一个响应值，其中包括有对象字典目录和此对象的虚拟通信关系表。此外，必要时还允许采用位号与其他特定应用对象发生联系。该功能还允许正在请求的用户应用决定，是否复制已存在于现场总线系统中的位号。 应用时钟同步 SMK提供网络应用时钟的同步机制。由时间发布者的SMK负责应用时钟时间与存在于数据链路层中的链路调

9、度时间之间的联系，以实现应用时钟同步。基金会现场总线支持存在冗余的时间发布者。为了解决冲突，它利用协议规则来决定哪个时间发布者起作用。 SMK没有采用应用时钟来支持它的任何功能。每个设备都将应用时钟作为独立于现场总线数据链路时钟而运行的单个时钟，或者说，应用时钟时间可按需要，由数据链路时钟计算而得到。,功能块调度 SMK代理的功能块调度功能，运用存储于SMIB中的功能块调度，告知用户应用该执行的功能块，或其他可调度的应用任务。 这种调度按被称为宏周期的功能块重复执行。宏周期起点被指定为链路调度时间。所规定的功能块起始时间是相对于宏周期起点的时间偏移量。通过这条信息和当前的链路调度时间LS-time,SMK就能决定何时向用户应用发出执行功能块的命令。 功能块调度必须与链路活动调度器中使用的调度相协调。允许功能块的执行与输入输出数据的传送同步。 设备识别 现场总线网络的设备识别通过物理设备位号和设备ID来进行。系统管理还可以通过FMS服务访问SMIB，实现设备的组态与故障诊断。 （3）系统管理服务和作用过程 图2.30表示了系统管理内核及其所提供的服务的作用过程。从图中可以看到，它所提供的主要服务有：地址分配、设备识别、定位服务、应用时钟同步、功能块调度。下面介绍这几种服务。,图2.30 系统管理内核及其服务,功能块调度 SMK代理的功能块调度功能，运用存储于SMIB中的功能块调度，告知用户应用该执行的功能块，或其他可调度的应用任务。, 设备地址分配 每个现场总线设备都必须有一个唯一的网络地址和物理设备位号，以便现场总线有可能对它们实行操作。 为了避免在仪表中设置地址开关，这里通过系统管理自动实现网络地址分配。为一个新设备分配网络地址的步骤如下： 通过组态设备分配给这个新设备一个物理设备位号。这个工作可以“离线”实现，也可以通过特殊的缺省网络地址“在线”实现。 系统管理采用缺省网络地址询问该设备的物理设备位号，并采用该物理设备位号在组态表内寻找新的网络地址。然后，系统管理给该设备发送一个特殊的地址设置信息，迫使这个设备移至这个新的网络地址。 对进入网络的所有的设备都按缺省地址重复上述步骤。 设备识别 SMK的识别服务容许应用进程从远程SMK得到物理设备位号和设备标示ID。,设备ID是一个与系统无关的识别标志，它由生产

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