基金会总线协议分析（FF协议）

FF协议

一、总体介绍
基金会总线（FF， Foundation Fieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、 ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的World FIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。
以基金会现场总线FF为信息通道构成了一种全分布式的自动化系统，在过程自动化领域中得到了广泛的应用，其主要功能是对工业生产过程进行测量、信号变送、控制等，目前在石油、天然气、石油化工、化工领域的项目数占FF总线全部项目数较大比例，说明石化领域目前是FF总线最主要的应用领域。FF基金会现场总线由于其优良的性能、较高的可靠性和控制功能、诊断功能、管理功能，特别适合于工业过程监控设备的互连，因而越来越受到工业界的重视，并已被公认为应用于过程自动化系统中最具有前途的现场总线之一。
FF最初给出了两种速率的现场总线：1996颁布低速的H1总线和高速的H2总线。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的提高，控制网络的实时信息传输量越来越大，H2的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。所以现场总线基金会放弃了原有H2总线计划，取而代之的是将现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现场总线－基金会HSE（High Speed Ethernet）现场总线，并于2000年3月发布了HSE的最终规范。

FF现场总线控制系统体系结构图

二、协议体系架构
FF现场总线的体系结构是参照国际标准化组织(ISO)的开放系统互连协议(OSI)而制定的。OSI共有七层，FF提取了其中的三层：物理层、数据链路层和应用层，另外又在应用层上增加了一层用户层。它的通信模型与ISO开放式系统互联网络模型的七层结构的对比如下图。

FF通信模型图

FF总线通信层次图

1、物理层
基金会现场总线的物理层遵循IEC1158-2与ISA-S50.02中有关物理层的标准。现场总线基金会为低速总线颁布31.25kb/s的FF-816物理层规范，也称为H1标准。物理层规定了信息如何在介质上从一个仪表送到另一个仪表，它包括信号的波形、幅值、导线类型、最大传输距离和允许阻抗等。物理层用于现场物理设备与总线之间的连接。为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口；还为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理接口。

2、数据链路层
数据链路层DLL(Data Link Layer）具体位于物理层与总线访问子层之间。控制报文在现场总线上的传输。网络上的每一条总线都叫做一条链路。在FF制定的现场总线标准中，数据链路层的定义十分重要。所有连接到同一物理通道上的应用进程都是通过数据链路层的实时管理来协调的。由于在工业控制过程中实时性的重要性，在现场总线中没有采用IEEE802.4标准中所定义的总线管理方式，而是采用了集中式的管理方式，减少了实时通信的时延。具体地说，现场总线设备在数据链路层可分为两种：BASIC DEVICE(基本设备)；LINK MASTER DEVICE（链路主设备）。

3、应用层
应用层的主要任务是定义现场总线的命令、响应、数据和事件。应用层又分为两个子层：上面是总线报文规范层FMS(Fieldbus Messaging Specication)，为用户层提供服务；下面是现场总线访问子层FAS(Fieldbus Access Sublayer)，与数据链路层连接。
(1) 现场总线访问子层(FAS)
FAS位于FMS和数据链路层之间，利用数据链路层的受调度通信与非调度通信作用，为总线报文规范层提供服务。FAS的主要活动，就是围绕与应用关系（应用层中模型化了的通信通道）相关的服务进行的。
(2) 现场总线报文规范(FMS)
该层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。FMS规定了用于向应用进程(AP)对象提供的服务及报文格式，把对象描述收集在一起，形成对象字典OD。应用进程中的网络可视对象和相应的OD在FMS中称为虚拟现场设备。FMS层由以下几个模块组成：
1）虚拟现场设备VFD；
2）对象字典管理；
3）联络关系（上下文）管理；
4）域管理；
5）程序调用管理；
6）变参访问；
7）事件管理。

4、用户层
用户层是现场总线标准在OSI模型之外增加的一层，是使该标准超过一项通信标准而成为一项系统标准的关键。
用户层规定了一些标准的功能模块(Functinon Block)供用户组态构成系统。其中基本功能块10个，先进功能块7个，计算功能块7个，辅助功能块5个。这些功能块各自满足不同的需要。功能块由输入、输出、算法和参数四大要素组成。功能块应用进程作为用户层的重要组成部分，用于完成基金会现场总线中的自动化系统功能。而在完成功能块服务的过程中，要运用FMS子层。功能块和功能块应用进程是FF系统结构的特色，是为实现不同系统控制功能而设计的，不同的功能模块表达了不同类型的应用功能。

用于基本控制的10种标准功能块：

用于高级控制的19种标准功能块：复杂摸出；复杂开出；脉冲输入；输入选择；运算；积算；分离器；算术运算；信号特征；装置控制；摸拟报警；死区；定时；超前滞后补偿；摸拟接口；步进PID；SP发生器；开关报警；开关接口。
为了支持不同厂商之间功能块的标准化和互操作性，FF定义了两个工具，即设备描述语言DDL(Device Discription Language) 和对象字典OD(Object Dictionary)。OD是一个“基于方案”的工具，用于定义字典以及设备和其中功能块的目录信息。设备应用的OD可以由设备描述来补足，而这些设备描述又是由设备描述语言DDL生成的。DDL是一种解释语言，用于描述应用进程对象的行为和操作接口。通过这些措施使不同厂家的设备互操作成为可能。

5、协议数据的构成与层次
现场总线协议数据的内容和模型中每层应该附加的信息—现场总线报文信息的形成过程。
1）用户层用户数据的形成；
2）送往总线报文规范层FMS处理；
3）在FMS、FAS、DLL各层分别附加上各层的协议控制信息；
4）数据链路层加上校验信息；
5）物理层打包；

下图表明了现场总线协议数据的内容和模型中每层应该附加的信息，也从一个角度反映了现场总线保温信息的形成过程如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层处理，每帧最多可发送251个8位字节的用户数据信息；用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层还加上帧校验信息后，送往物理层将数据打包，即加上帧前、帧后定界码，也就是开头码、帧结束码，并在开头码之前再加上用于时钟同步的前导码（或称之为同步码）。该图还表明了各层所附的协议信息的字节数。信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。

FF协议数据的生成关系图

6、通信系统的主要组成部分及其相互关系
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的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。
从物理设备构成角度：

通信实体：贯穿从物理层到用户层的所有功能。由各层协议及网络管理代理组成。生成报文与提供报文传送服务，是实现现场总线信号数字通信的核心部分；
系统管理内核：只占有应用层和用户层的位置。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能块执行时间。
功能块应用进程：只占有应用层和用户层的位置。用于实现用户所需要的各种功能；
虚拟通信关系VCRs：是各应用之间的逻辑通信通道，表明了两个或多个应用进程之间的关联。

7、FF网络通信中的虚拟通信关系
设备之间传送信息是通过预先组态好的通信通道进行的，该通信通道即虚拟通信关系（VCR，Virtual Communication Relationship）。
虚拟通信关系的类型与应用：

系统组态完成之后，一个现场总线设备与另一个现场总线设备要发起通信，只需通过虚拟通信编号即可完成。FF总线由物理层、数据链路层和应用层共同作用，来支持这几种虚拟通信关系。物理层负责物理信号的产生与传送，数据链路层负责网络通信调度，应用层规定了相关的各种信息格式，以便交换命令、应答、数据和事件信息。

三、HSE总线
高速以太网现场总线协议HSE不仅仅是一种通信协议，它还包括对设备的管理、通信的调度等一系列功能，是一套功能完善的现场总线控制系统规范。HSE现场总线即为IEC定义的H2总线，它由Fieldbus Foundation(FF)组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网（highspeed ethernet HSE）标准。该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持IEC 61158现场总线的各项功能，诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。HSE封装了TCP/IP内部的H1协议，与Modbus/TCP封装Modbus协议并通过以太网传输的方式大致相同。HSE总线成功地采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，这意味着理论上，支持TCP/IP传输的任何物理层都可以工作。但是，现场总线基金会规范要求将802.3μ快速以太网作为物理层。
HSE的特色之一是它的冗余设计。HSE规范支持包括标准以太网应用的冗余。HSE冗余提供通信路径冗余（冗余网络）和设备冗余两类，允许所有端口通过选择连接。通信路径冗余是HSE交换机、链接设备和主机系统之间的物理层介质冗余，或称介质冗余。冗余路径对应用是透明的，当其中一条路径发生中断时，可选用另一条路径通信。而设备冗余是为了防止由于单个HSE设备的故障造成控制失败，在同一网络中附加多个相同设备。HSE设备中专门设计了一个HSE的LAN冗余实体，提供容错处理，LAN冗余实体周期地发送和接收冗余诊断信息。每个HSE设备通过诊断信息建立一个网络状态表，它记录着连入网络中的所有HSE设备的详细状态信息，根据这张网络状态表，冗余实体来选择决定使用哪条路径或端口来传送信息。HSE的容错处理方法增强了控制网络的可靠性和安全性。
HSE设备分为4类：主机设备、链接设备、网关设备和以太网现场设备，其功能分别为对系统进行组态、监控和管理，将H1总线段链入FF－HSE网络，实现与其它标准总线通信，连接高速I/O设备或PLC。HSE可直接使用以太网的交换设备、路由器等，通过双绞线或光纤等将HSE设备连接起来，建立HSE总线控制网络。

1、体系结构

HSE协议体系结构

HSE现场总线通信栈是实现软件通信的关键，它主要包括五个部分:TCP/IP协议栈、现场设备访问代理(FDA)、系统管理(SM)、网络管理(NM)和HSE管理代理(HMA)
1)TCP/IP协议栈
TCP/IP是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议。

2)现场设备访问代理(FDA FF-588)
现场设备访问代理位于TCP/UDP层之上，负责把TCP/UDP消息传送到网络管理(NM)、系统管理(SM)和用户层的功能块应用进程(FBAP)。相对来说，FDA完成的功能较多，内部结构比较复杂。
FDA的基本功能如下:
1.在UDP/TCP上传输SM和FMS服务。允许HSE和H1现场设备、传统I/O设备及非FF1/O设备与HSE相连，通过连接设备或网关;
2.连接设备(不支持H1桥接)重复发送数据;
3.通过发送和接收LAN冗余消息来支持设备中HSE接口的冗余。
总的来说，FDA部分主要工作包括它的内部实现以及它和其它实体的交互。
如下图中所示，Socket映射协议机制是TCP/UDP层同FDA的接口，应用关系协议机制指FDA中的会话(session)。FDA服务协议机制表示会话和虚拟通信关系(VCR)的连接，HSE VCR协议机制指FDA中的VCR实现。对应三种类型的VCR：客户机/服务器、发布者/预定者、报告分发。

FDA内部结构
实际上，FDA在TCP/UDP层和FDA用户之间提供了一个通信通道，完成了通信通道的建立，FDA就可以在此基础上向上层用户层提供它的服务。

3)网络管理(NM FF-803)
网络管理处于HSE协议的最高层，是FDA的用户。在一个HSE网络系统中，必须至少有一个网络管理者，由它授权网络管理代理进行网络管理。网络管理的工作主要是建立网络管理在网络上的可视对象，即网络管理代理虚拟现场设备(NMA VFD)。进而通过FMS消息访问和操作这个VFD。每个NMA VFD中，都包含一个系统管理信息库(SMIB)和一个网络管理信息库(NMIB)。SMIB属于系统管理范畴，在系统管理中定义。NMIB在网络管理中定义，它是网络管理的重要组成部分之一，是被管理变量的集合，包含了设备通信系统中组态、运行、差错管理的相关信息。

4)系统管理(SM FF-880)
系统管理是用来协调HSE现场总线系统中各种设备的操作。它是FDA的用户，采用两种通信协议:SMK采用SMKP协议;SMIB采用FMS协议。其中，SMKP协议包括SM消息的处理和SMK的状态转换，是系统管理部分的工作。另外，SMIB是系统管理的基础，包含着系统管理所需要的全部信息。系统管理信息库集中了控制系统管理操作的信息，每个系统管理信息库对应于一个系统管理内核。它主要包含了HSE系统的主要组态和操作参数，
系统管理的主要功能有:
1.保证每个设备都有一个唯一的身份，故进行身份鉴别，提供版本控制；
2.实现时钟同步；
3.进行功能块调度；
4.从现有的网络上增/减设备而不影响网络工作，允许系统管理者通过HSE管理H1网络
总的来说，FDA 部分主要工作包括它的内部实现以及它和其它实体的交互。

5)HSE管理代理(HMA)
管理代理主要是为HSE设备提供标准的IP协议以接口和管理功能。它包括HSE管理信息库(HSEMIB)和三个管理协议:简单网络时间协议(SNTP)、动态主机配置协议(DHCP)、简单网络管理协议(SNMP)，HSE管理信息库存放HSE管理代理的管理信息。简单网络时间协议是用于实现HSE控制系统设备间的时间同步，动态主机配置协议是用于现场设备IP地址的自动分配，而简单网络管理协议则是用于对HSE网络信息的控制。

2、HSE功能块
HSE不仅支持FF所有标准功能块，而且增加了灵活功能块（FFB，Flexible Function Blocks），以实现离散控制，这是HSE的又一特色。灵活功能块是具体应用于混合、离散控制和I/O子系统集成的功能模块，它包含了8个通道的多路模拟量输入输出、离散量输入输出和特殊应用块，并使用IEC61131－3定义的标准编程语言，也可以使用于H1中。灵活功能块的应用包括联动驱动、监控数据获取、批处理、先进I/O子系统接口等，它支持多路技术、PLC和网关，可以说给用户提供了一个标准化的企业综合协议。功能块驻留在实际设备中，制造商可以增强功能块，也可以创建用户化功能块。

2.1、功能块应用进程
在HSE规范中，功能块应用进程位于通信栈之上的用户层，每个设备中可以允许有多个功能块应用进程，其作用主要是用来完成用户所需的自动化应用功能。它是基于功能块模型的，每一功能块都是一独立的软件模块，完成某一特定功能。根据具体的应用需求，可将多个功能块集成在一起，从而完成所需的应用功能。它采用的是一种分布式的应用程序框架，允许功能块分散在不同的设备之中，通过通信及集成技术来组成完整的应用程序。
在具体结构上，功能块应用进程是由功能块应用对象，对象字典和设备描述三部分组成。功能块应用对象义包括:三个块对象和七个普通对象。普通对象包括链接对象(Link Object)，警报对象(Alert Object)，趋势对象(Trend Object)，视图对象(View Object)，程序调用对象(Progam Invocation Object)，域对象(Domain Object)和行为对象(Action Object)，其中，块对象是最重要的，以块对象为骨架，配合其它所需的应用对象，才构成完整的应用程序。而块对象又可分为资源块，转换块和功能块三种。正是这些对象模块的分工和协同作，构成了整个功能块应用进程。
功能块是构建用户应用进程的基础，资源块和转换块则用于将功能块同设备硬件特性隔离开来，为功能块提供一种通用的设备硬件访问方式。资源块着重于提供设备的硬件特征，包括设备类型、制造商ID、设备内存等，以及提供一些可影响功能块应用进程运行的选项。而变送器块则着重于从设备硬件获得或输出数据，并经过必要的处理，如线性化、改变量程等，再将数据传给输入或输出类功能块，从而将功能块同具体硬件隔离开来，简化了功能块的设计开发。对象字典和设备描述主要用于对各种功能块应用对象以及它们的子对象进行数据定义和描述，保证外界程序能真正理解各类对象数据格式和意义。正是通过对象字典和设备描述，功能块应用对象才做到完全自描述，才能进行相互操作，从而能组成分布式的用户应用程序。但对象字典和设备描述侧重点有所不同。对象字典侧重于描述对象通信所需的信息，包括对象的数据类型，长度，值地址，读写方式等;而设备描述则侧重于描述对象的表现形式，对象之间的关系等一些有助于主机程序实际上是人对对象理解的信息。
2.2、功能块应用对象
现场总线基金会设计技术规范确定了支持现场总线过程测量和控制系统所必须的框架。这样一个系统由一些互连的、利用现场总线通信网络相互进行通信的设备集合构成。每个设备都是一个独立的物理实体，在特定情况下能够执行一个或多个指定功能，并由它的接口限定。由该系统执行的每个重要功能，都被模型化为一个应用，这个应用可留驻在单个设备或可以分布在几个设备中。功能块应用是由驻留在一个公共现场总线通信网络中集成的一组功能块应用进程组成的。它的体系结构如下图所示

功能块应用进程中模块与其对象的连接

HSE现场总线功能块应用对象包括:块对象和普通对象。其中块对象包括资源块、功能块和转换块。普通对象共包含:链接对象(Link、视图对象(ViewObject)、趋势对象(TrendObject),警报对象(AlertObject),程序调用对象(Program Invocatio nObject)、域对象(DomainObject)和行为对象(ActionObject)。所有的对象都是为了配合功能块应用进程中功能块的正常执行和支持网络监控设备和显示设备的有效工作而设置的。所有对象的描述信息都存放在功能块应用进程的对象字典(Object Dictionary)之中，可通过网络对其中的相关设置进行读取、修改操作。

功能块：输入、输出、算法和参数组成
功能块种类：基本功能块(10)、高级功能块(19)、输入输出功能块(4)、灵活功能块(1)
功能块应用对象：块对象(3：功能块、资源块、转换块)、普通对象(7)
功能块应用进程：功能块应用对象、对象字典和应用描述组成

HSE层次：TCP/IP协议栈、现场设备访问代理(FDA)、系统管理(SM)、网络管理(NM)和HSE管理代理(HMA)
现场设备访问代理(FDA)：传输系统管理(SM)和现场总线报文规范(FMS)服务、发送和接收LAN冗余(LR)消息、对应三种虚拟通信关系(VCR)，即服务及管理数据的转发，为用户层提供服务

参考网站
https://www.felser.ch/download/iec_61158_fieldbus.html
https://fieldcommgroup.org/foundation-fieldbus-technical-specifications
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8F%BE%E5%A0%B4%E7%B8%BD%E7%B7%9A
https://www.isa.org/link/Ethernetfacts/
http://www.smar.com/en/news/content/ff-hse-the-best-protocol-for-process-automation

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