通信系统组成及相互关系简析

每一个具有通信能力的现场总线的物理设备都具有通信模型。图5-8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。

图5-8 通信模型的主要组成部分及其相互关系

1.功能块应用过程

自动制造和过程控制系统执行各种功能，因为每个系统是不同的，功能的混合和组态也是不同的。因此，FF系统结构设计了支持功能性模型的范围，每一种定位一个不同的需要。

在结构已经规定的模型中，功能块模型支持制造和过程控制系统的低层次功能。功能块模型化了基本现场设备功能，例如模拟输入（AI）功能和比例积分微分（PID）功能。

功能块模型提供了一个共同的结构。用来定义功能块的输入、输出、计算和控制参数，以及把它们连接成可以在一个设备中实现的应用过程。这种结构简化了功能块的接口，使得各个功能块的接口具有一致性和标准化。

在功能块的标准化过程中，现场总线基金会已经进行了第1步。定义了一个小的参数集，其中的参数适用于所有的功能块，这些参数被称为“通用参数”。标准的第2个层次也已经产生，它定义了一个功能块类的标准集，例如输入、输出、控制和计算块。每个类都具有一个为它标准化的参数集。标准的第3层提供在标准的功能块中共同使用的传输块的定义，例如包括温度、压力、电平和流量传输块。标准的第4层提供分类方案的定义，允许零售商通过输入和继承标准类增加他们自己的参数，当开发出新设备和技术发展时，这种方法为功能块定义提供了可扩展性。

2.对象字典（OD）和设备描述（DD）

同功能块模型相连的是标准化工具的定义，它们被用来支持功能块。其中两个工具是对象字典（Object Dictionary，OD）和设备描述（Device Deseription，DD）。它们提供了设备的网络可见对象（例如功能块和它们的参数）的定义和描述。

为了提高定义的一致性和对这些对象的理解，描述信息（例如数据类型和长度）由设备应用程序在对象字典OD中维护。OD包含一个应用程序的每个网络可见对象描述，并使这些信息可以在网络上获得。

设备应用程序的OD描述可以由机器可读设备描述（DD）来提供。DD是用设备描述语言（DDL）写成的。DDL是—种编程语言，通过提供对象的类型信息来扩充OD描述。同一DD类型描述可以用来描述一系列对象。这些对象可以位于一个设备中，也可以在多个设备中。

DDL源文件将被转换成机器码可读形式，以便可以把它装载到其所描述的设备中，或者存储到外部介质上，例如软盘。然后，用户可以从设备中直接读出它的DD，或者从外部介质获得它的DD。功能块模型用于OD和DD的连接中，来简化获得设备可互操作性的过程。在功能块之间的参数传输可以很容易验证，因为所有的参数都是使用OD和DD描述的。另外，人机界面设备不必为网络上设备的每种类型进行特殊的编程。相反，它们的显示和它们与设备的交互可以由OD和DD描述来驱动。

3.网络通信

基金会现场总线使用预先构造好的信道在设备间传输信息，这些信道被称为虚拟通信关系（Virtual Communication Relationship，VCR）。这里定义了3种类型的VCR。发布商/订户VCR、报告分发VCR、客户/服务器VCR。(www.xing528.com)

为了支持这些VCR，基金会现场总线系统结构定义了3层通信结构：在物理层规定了信号是如何发送的；在数据链路层规定了在设备中间网络是如何被分享和调度的；在应用层定义了应用程序可以获得的信息格式，这些信息有命令、响应的交换数据和事件信息。

4.网络管理

为了在设备中提供集成的第2～7层协议（通信栈协议）并控制和监视它们的操作，基金会现场总线系统结构定义：在每个设备中都包含一个网络管理代理（Network Management Agent，NMA）。网络管理代理提供支持组态管理、执行管理和错误管理的能力。这些能力可以通过与访问其他设备应用程序一样的通信协议来访问，从而代替请求特殊网络管理协议的使用。

使用NMA的组态管理能力，可以使在通信栈中设置的参数支持同其他设备的数据交换。这些过程一般涉及在设备之间定义传输，然后选择需要的通信特征来支持这些传输。这些特征是使用NMA的组态管理能力装载到设备中的。

作为这个组态的一部分，NMA可以被配置成为所选的传输收集与执行和错误相关信息。这些信息在运行期间是可以访问的。这使得对设备通信行为的观察和分析成为可能。如果检测到问题，执行将被优化，或者设备通信将被改变，然后可以在设备仍在操作状态时进行重新组态。

5.系统管理

基金会现场总线系统结构为每个设备提供一个系统管理核心（System Management Ker-nel，SMK）。在所有设备中的SMK维护信息和一个协调层，这个协调层为设备应用程序的执行和互操作提供一个分布式平台。由SMK维护的信息被定义为系统管理信息库（SMIB）并由OD进行描述。

SMK的一个功能是支持在设备操作之前把基本系统的信息组态到它自己的SMIB中。当SMK启动进程为操作准备设备时，它将使设备通过几个预先定义好的阶段。在这个进程中，一个特殊的系统组态设备，例如手持（Hand-held）器，能够通过它的标准现场总线端口把系统信息传递到SMIB中，这种情况允许设备在离线工作台网络上，或者在操作网络上进行组态，这依赖于系统的特殊需要。

—旦设备被组态，系统管理定义一个进程，根据设备的组态标签（系统特殊名字）给它分配一个永久的数据链路地址，并且在不影响网络上其他设备操作的情况下把它带入操作状态。一个相似的进程允许临时设备，例如手持终端或者可移动工作站，在需要时短时期内加入和离开网络。

在设备增加到网络上以后，它的应用程序会发现有必要定位远程设备和功能块。为了满足这种需要，SMK支持对它的应用程序的目录服务。应用程序便可以用这个能力获得一个对象的网络访问信息。方法是向网上的所有设备广播自己的名字，并等待包含该对象的设备进行应答。

在成为完全可操作状态后，设备的活功和它们的功能块必须由网络上的其他设备进行同步。系统管理提供了两种机制来支持同步：

1）通过对一个公共应用时间的参考，系统管理支持应用时钟的同步，以使每个设备均分享共同的时钟意义。

2）同第一点相互联系，系统管理使用调度对象来控制功能块执行的时间，这样可以确保每一个功能块同系统中其他功能块的关系，并在受调度的数据传输关系中能够在正确的时间执行。

SMK使用两个分离的应用层协议进行通信。现场总线报文规范层（FMS）使用标准的管理VCR来访问SMIB。这个VCR也用来访问系统管理/网络管理（SM/NM）联合VFD中的网络管理信息。一个特殊目的的管理协议——系统管理核心协议（SMKP），用来支持SMK的所有其他功能，这个协议被集成到SMK中，并直接在数据链路层上操作（不使用VCR）。