现场总线及通信系统组成分析

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：基金会现场总线FF的核心技术之一是控制网络的数字通信。为了实现通信系统的开放性，其通信模型是参考了ISO/OSI参考模型，并在此基础上根据自动化系统的特点经简化后得到的。通信模型的主要组成及其相互关系如图7-1所示。图7-1 通信模型的主要组成及其相互关系通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层，由各层协议与网络管理代理共同组成。AP一词在现场总线系统中是指设备内部实现的一组相关功能的整体。

基金会现场总线FF的核心技术之一是控制网络的数字通信。为了实现通信系统的开放性，其通信模型是参考了ISO/OSI参考模型，并在此基础上根据自动化系统的特点经简化后得到的。基金会现场总线的参考模型只具备ISO/OSI参考模型7层中的3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：总线访问子层与总线报文规范子层；省去了中间的3～6层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层；不过它又在原有ISO/OSI参考模型的第7层应用层之上增加了新的一层———用户层，这样可以将通信模型视为4层。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调度通信；应用层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；用户层用于组成用户所需要的应用程序，例如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理和系统管理等。不过，在相应的软硬件开发过程中，往往又把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可简单地视为3层。

变送器、执行器等都属于现场总线的物理设备，每个具有通信能力的现场总线物理设备都具有通信模型。通信模型的主要组成及其相互关系如图7-1所示。

图7-1从物理设备构成的角度表明了通信模型的主要组成部分及其相互关系，在分层模型的基础上更详细地表明了设备的主要组成部分。从图中可以看出，在通信参考模型所对应的4个分层，即物理层、数据链路层、应用层和用户层的基础上，按各部分在物理设备中要完成的功能，可分为三大部分：通信实体、系统管理内核和功能块应用进程。各部分之间通过虚拟通信关系（Virtual Communication Relationship，VCR）来沟通信息。VCR表明了两个或多个应用进程之间的关联，或者说，虚拟通信关系是各应用之间的逻辑通信通道，它是总线访问子层所提供的服务。

图7-1 通信模型的主要组成及其相互关系(www.chuimin.cn)

通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层，由各层协议与网络管理代理共同组成。通信实体的任务是生成报文与提供报文传送服务，是实现信号数字通信的核心部分。层协议的基本目标是要构成虚拟通信关系。网络管理代理则是要借助各层及其层管理实体支持网络管理信息库（Network Management Information Base，NMIB），并借助对象字典（Object Dictiona-ry，OD）来描述。对象字典为设备的网络可视对象提供定义与描述，为了明确定义、理解对象，把例如数据类型、长度一类的描述信息保留在对象字典中。可以通过网络得到这些保留在OD中的网络可视对象的描述信息。

系统管理内核（System Management Kernel，SMK）在模型分层中只占有应用层和用户层的位置。系统管理内核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，并将系统管理操作的信息组织成对象，存储在系统管理信息库（System Management Information Base，SMIB）中。系统管理内核包含现场总线系统的关键结构和参数，它的任务是在设备运行之前将其基本信息置入SMIB，然后分配给该设备一个永久的数据链接地址；并在不影响网格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（SMK）采用系统管理内核协议（SMKP）与远程SMK通信。当设备加入到网络之后，可以按需要设置远程设备的功能块，由SMK提供对象字典服务，例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，而后获取网络中关于该对象的信息等。为协调与网络上其他设备的动作，执行功能块同步，系统管理还为应用时钟提供一个通用的应用时钟参考，使每个设备能共享公共的时间，并可通过调度对象，控制功能块的执行时间。

功能块应用进程（Function Block Application Process，FBAP）在模型分层结构中也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。应用进程AP 是ISO7498中为参考模型所定义的名词，用以描述留驻在设备内的分布式应用。AP一词在现场总线系统中是指设备内部实现的一组相关功能的整体。而功能块是为实现某种应用功能或算法，按某种方式反复执行的函数模块。功能块提供一个通用结构来规定输入、输出、算法和控制参数，把输入参数通过这种模块化的函数，转化为输出参数。例如PID功能块完成现场总线系统中的控制计算，AI功能块完成参数输入等。每种功能块被单独定义，并可为其他功能块所调用。由多个功能块相互连接集成为功能块应用。在功能块应用进程中，除了功能块对象之外，还包括对象字典OD和设备描述DD。功能块采用OD和DD来简化设备的互操作，因而也可以把OD和DD看作支持功能块应用的标准化工具。

现场总线及通信系统组成分析

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