FF H1总线访问子层中应用关系 AR.pdf

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1、收稿日期： 2005 - 04 - 22 基金项目： 国家 863 计划 （2003AA412030） 项目资助； 国家自然科 学基金 （60421002） 创新群体基金资助项目。 作者简介： 刘泳 （1981 - ） ， 女， 硕士， 从事工业控制网络通信方 面的研究。 FF H1 总线访问子层中应用关系 AR 刘泳， 冯冬芹 （工业控制技术国家重点实验室 浙江大学先进控制研究所， 浙江 杭州 310027） 摘要： 在基金会现场总线网络中， 设备之间通过虚拟通信关系 VCR 来传送信息。文中介绍了 VCR 在 FF H1 总线访问子层的部分 应用关系 AR， 包括 AR 的作用、 类型、

2、不同类型的区别、 建 立方式以及撤销方式等。 关键词： 基金会现场总线； 总线访问子层 FAS； 虚拟通信关系 VCR； 应用关系 AR 中图分类号： TP336文献标识码： A 文章编号： 1000-0682 （2006） 01-0003-03 A study of AR in the fieldbus access sublayer of foundation fieldbus LIU Yong， FENG Dong-qin （National Lab of Industrial Control Technology & Institute of Advanced Process Cont

3、rol under Zhejiang University， Zhejiang Hangzhou 310027， China） Abstract： Devices in the FF network can communicate with each other through VCR.This paper gives an introduction about the FAS part of it， i.e.AR， including its function， types and their difference， methods of as- sociation and abolishm

4、ent. Key words： foundation fieldbus； fieldbus access sublayer； virtual communication relationship； application relationship 0引言 在 FF H1 现场总线网络中， 设备之间传输信息 是通过预先组态好了的通信通道进行的， 这种在现 场总线网络中各应用进程之间的通信通道称之为虚 拟通 信 关 系（VCR，Virtual Communication Relation- ship） 。VCR 由 包 含 现 场 总 线 报 文 规 范 层 （FMS， Fieldbus Mess

5、age Specification） 、 现 场 总 线 访 问 子 层 （FAS， Fieldbus Access Sublayer） 、 数据链路层及物理 层的通信栈共同维护。 在 FF H1 总线访问子层 FAS 中， 将上面提到的 这种总线网络各应用进程之间的通信通道称为应用 关系 （AR， Application Relationship） ， 也就是说 VCR 由 FAS 子层所维护的部分称为应用关系 AR。AR 的建 立是通过两个或多个应用关系端点 （AREP， Applica- tion Relationship End Point） 的连接进行的。FAS 的主 要活动也就是围

6、绕与应用关系相关的服务进行的。 1AR 概述 1.1AR 类型与作用 AR 的建立是通过两个或多个 AREP 的连接进 行的。按应用关系端点的综合特性， 可以将 AREP 划分为以下 3 类： 排队式、 用户触发、 单向类 AREP， 简称为 QUU 类端点； 排队式、 用户触发、 双向类 AREP， 简称为 QUB 类端点； 缓冲式、 网络调度、 单向类 AREP， 简称为 BNU 类端点。 不同类型的 AREP 端点内容决定了所能提供的 不同类型的通信通道。 使用 QUU 类端点所提供的应用关系的通信双 方分别称为源方与收存方。此种应用关系支持从一 个应用进程到零个或多个应用进程、 按要求

7、排队的 非确认服务。也就是说通信是由用户发起的， 一个 源方可以同时与多个收存方进行通信， 并且在接收 方收到数据后不需要发回确认。这种应用关系与 FF 提供的报告分发型 VCR 相对应， 用于广播或多 点传送事件与趋势报导， 典型的应用场合是将报警 状态、 趋势数据等通知操作台。 32006 年第 1 期工业仪表与自动化装置 使用 QUB 类端点所提供的应用关系的通信双 方分别称为客户方与服务器方。此种应用关系支持 两个应用进程之间的确认服务。也就是说通信是由 用户发起的， 一个客户方只能同时与一个服务器方 进行通信， 并且在接收方收到数据后需要发回确认。 这种应用关系与 FF 提供的客户

8、/ 服务器型 VCR 相 对应， 用于现场总线上两个设备间， 常用于设置参数 或实现某些操作， 如改变给定值、 对调节器参数的访 问与调整、 对报警的确认等等。 使用 BNU 类端点所提供的应用关系的通信双 方分别称为发布方与预订接收方。此种应用关系支 持一个应用进程对零个或多个应用进程的周期性、 缓冲型、 非确认的服务。也就是说通信是由链路活 动调度者发起， 一个发布方可以同时与多个预订接 收方进行通信， 并且在接收方收到数据后不需要发 回确认。而缓冲型则意味着只有最近发布的数据保 留在缓冲器内， 新的数据会完全覆盖先前的数据。 这种应用关系与 FF 提供的分布 / 预订接收型 VCR 相对

9、应， 现场设备常采用这种通信关系， 按周期性的 调度方式， 为用户应用功能块的输入输出实现刷新 数据， 如刷新过程变量、 操作输出等。 1.2不同类型 AR 的区别 3 种应用关系的区别主要在于 FAS 怎么应用数 据链路层的服务进行报文的传输。 数据链路层提供了 3 种数据传输方式： 一种为 无连接数据传输方式， 两种为面向连接的数据传输 方式。其中无连接数据传输的特点是在数据传输之 前不需要单独为数据传输而发送创建连接的报文， 也不需要数据接收者的应答响应信息， 主要用于在 总线上发布广播数据。QUU 型应用关系即是无连 接服务。而面向连接的传输方式则要求在数据传输 之前发布某种信息来建立

10、连接， 具体又分为两种。 一种为通信双方经请求响应交换信息后的数据传 输， 为 QUB 型应用关系所使用； 另一种是以数据发 送方的 DLPDU 为依据的传输方式， 为 BNU 型应用 关系所使用。 3 种不同类型的 AR 与相应类型的 VCR 以及数 据链路层提供的服务之间的对应关系如图 1 所示。 其中 DTU 表示相应的 VCR 通信通道支持非确认的 数据传输服务， DTC 表示相应的 VCR 通信通道支持 确认的数据传输服务。而面向连接下面的点对点情 况与点对多点情况， 则分别对应了前面提到的需双 方请求交换信息的数据传输方式和以数据发送方的 DLPDU 为依据的数据传输方式。 图 1

11、 VCR、 AR 及数据链路层服务的映射关系 2AR 的建立 如前所述， 应用关系 AR 的建立是通过两个或 多个应用关系端点 AREP 的连接进行的， AR 共有 3 种建立方式。 2.1AR 建立的 3 种方式 第 1 种方法是事先建立好。这种方法的特点是 当应用进程被连接到网络上时， AREP 的内容就已 经建立好了。这样在通信时， 无需在网络上明确的 建立 AR， 但是需要在本地把状态带入到数据传输阶 段。 第 2 种方法是预先设置好。这种方法的特点是 每个 AREP 都已经知道了 AR 的特性， 但是连接还没 有建立好。定义好的内容要采用 FAS 服务按照状 态机规定的来执行。 第

12、3 种方法是动态定义与创建。这种方法的特 点是需要为 AR 中包含的每个 AREP 创建其定义， 之 后就可以按照第 2 种方法来进行 AR 的建立了。 2.2在协议实现中对 3 种建立方式的选择 在协议实现中， 不同的 AR 建立方式， 适用不同 的情况。 在 AR 的 3 种建立方式中， 第 1 种事先建立的 方法不需要明确的建立 AR， 也就是说 FAS 中有关数 据传输部分是要依据内部状态机进行的， 但是有关 AR 建立部分的状态机都不起作用。因此这种方法 只适用于 AREP 端点的相关属性都可确定的情况， 即对于需要在连接建立过程中协商 AREP 参数的 AR 不适合， 通信的双方对

13、通信的一些特性必须都已 经明确。 第 2 种预先设置的方法与第 1 种相比， 多了一 个明确建立 AR 的过程。在这种方法中， 建立 AR 所 涉及的 AREP 已经定义好， 也已经知道了相应 AR 的 特性， 但是要按照 FAS 内部状态机中有关 AR 建立 的部分来进行连接的建立。因此， 它可以适用于 AREP 端点的相关属性为需要协商或不需协商的任 意情况。例如对于远程地址属性为 “Free” 的 AREP 来说， 它可以事先并不知道将要进行通信的远程对 象地址， 而只是在收到建立连接服务请求时， 由上层 4工业仪表与自动化装置2006 年第 1 期 用户来现场指定， 并在建立连接的过程

14、中将此远程 地址保存下来。如果采用第 1 种方法， 这个远程通 信地址就必须事先知道。 第 3 种动态定义与创建的方法与前两种方 法相比， 最大的区别 在 于 AR 连接所涉及的 AREP 端点还未定义好， 也就是说在建立连接 之前， 需要为 AR 中包含的每个 AREP 动态创建 其定义， 只有这样才能应用 FAS 内部状态机中 有关 AR 建立的部分来进行连接的建立。在这 之后， 就完全可以按照第 2 种方法来进行 AR 连接的建立了。这种方法可用于在系统中有 新设备加入的情况下。 由上可见， 第 2 种预先预置的方法是相对普通和 常用的。对于一个现场总线控制系统来说， 可以采用 几种方法

15、相结合的方式来建立连接。比如对有固定 通信对象的设备之间的常用通信通道采用事先建立 的方法， 对通信对象不固定的设备的通信通道采用预 先设置的方法， 而对临时的或者后加入的 通信通道采用动态定义与创建的方法来 建立连接。这样就可以有效的节省资源 并提高效率。 2.3不同类型的 AR 建立的实质 AREP 有 两 个 重 要 属 性：AREP-ID 和 ARPM- State。前者惟一标识了每个 AREP 端点的存在， 后 者则标识了应用关系处理状态机 ARPM 的状态， 也 即当前 AREP 的状态。在 FF 总线访问子层 FAS 中， 对应 3 种不同类型的 AR， 提供了 3 种不同的应用

16、关 系处理状态机： QUU 型 ARPM、 QUB 型 ARPM、 BNU 型 ARPM。在不同的状态下， ARPM 能处理不同的服 务请求。而 AREP-ID， 就是用来选择 3 种不同类型 应用关系处理状态机 ARPM 的标识。在 FAS 用户向 FAS 发 出 要 求 建 立 连 接 的 请 求 时， 会 提 供 这 个 AREP-ID， 然后 FAS 即根据此 ID 选择相应类型的应 用关 系 状 态 机 进 行 处 理。在 处 理 过 程 中， 当 前 ARPM 的状态， 也即当前 AREP 的状态会相应的发生 变化， 之后再将建立连接的请求传送到下层。 因此对不同类型的 AR 来说

17、， 其建立过程的原 理是一致的， 都是根据建立连接服务原语中提供的 ID 等标识， 来选择相应类型的 ARPM 状态进行处 理， 在处理的过程中， AREP 的状态可能会发生变 化， 并做出新的动作。在连接双方的 AREP 状态都 变为 “OPEN” 时， 连接就建立好了。只有在建立连接 好、 相应的状态变为 OPEN 之后， 才能进行数据的传 输。而在建立连接的过程中， 涉及到的很大一部分 就是这个状态的变化。 以上述 3 种类型中最为复杂的 QUB 型 AR 的建 立为例， 它的建立过程如图 2 所示， 其中 FSPM 与 DMPM 分别为 FAS 跟上下层的接口处理状态机。 图 2 QU

18、B 型 AR 的建立 在这个过程中， 连接建立的双方需要交换建立连 接的协议数据单元。即在发送方会有建立连接请求 协议数据单元发出， 而接收方在同意建立连接后则要 发出相应的建立连接响应协议数据单元。其中连接 双方 AREP 的状态， 共经历了 5 种变化， 如图 3 所示： 图 3 AREP 状态变化 当然， 虽然建立连接的原理相同， 但是对于不同 类型的 AR， 建立的过程和复杂程度却不尽相同。对 于 QUU 型 AR 的建立， 由于它利用的是数据链路层的 无连接数据传输服务， 因此它的通信通道的建立过程 不采用数据链路连接， 与本地数据链路层实体也不发 生相互作用， 而只是双方各自执行一

19、个本地 AREP 的 打开过程。这也是 3 种 AR 连接中最简单的一种。在 这种连接当中连接双方 ARPM 的状态， 即 AREP 的状 态， 只有 2 种变化： OPEN 和 CLOSED。 对于 BNU 型 AR 的建立， 要先由发布方要求本 地数据链路层实体建立连接。而只有在这个连接建 立好的基础上， 预订接收方才能要求它的数据链路 层实体加入这个连接， 否则连接的建立就会失败。 在这个建立过程中， 连接双方不需交换建立连接协 议数据单元， 只要由双方各自发出建立连接请求， 本 地数据链路层实体处理后直接向 FAS 返回建立连 接确认即可。此过程中， 连接双方 AREP 的状态都 各有

20、 3 种变化： OPEN、 REQUESTING 和 CLOSED。如 图 3 中的发送方状态变换所示。 3AR 的撤销 AR 的撤销是通过 FAS 所提供的撤销连接服务 （下转第 10 页） 52006 年第 1 期工业仪表与自动化装置 曲线 4 是前向通道采用型采样信息处理器， 系统 的单位阶跃响应； 曲线 5 是前向通道采用新型的采 样信息处理器， 系统的单位阶跃响应。 图 7 远程控制系统的单位阶跃响应 从图中可以看出， 采用型采样信息处理器， 主 要问题是会引入附加稳态误差， 采用型采样信息 处理器， 主要问题是系统响应过慢。采用新型的采 样信息处理方法后， 系统响应的快速性提高了。

21、对 照图 5 和图 7 可以看出， 当网络时延较小时， 系统的 输出也较接近无网络时延时原系统的输出。而且由 于被控对象的输出值总是与上个时刻的目标值趋于 一致， 减少了系统输出的变形。 5结束语 实验和理论分析表明， 在远程控制系统中引入 了新的采样信息处理方法后， 由于系统的输出值可 以很好地与目标值保持一致， 不但消除了附加稳态 误差， 提高了系统的动态响应， 而且减少了系统输出 的变形， 使远程控制系统保持良好的控制品质。 参考文献： 1 任长清， 王晓峰 . 基于 TCP/ IP 网络的远程控制系统的 研究 C . 中国电工技术学会第七届学术年会论文集， 2001. 2 王晓蜂， 吴

22、平东， 任长清， 等 . 远程控制系统中实时采 样信息的研究 J . 计算机工程与应用， 2003， 39 （4） ： 227-229. 3 黄杰， 陈之龙， 吴平东， 等 . 远程控制系统中采样信 息处理方法的研究 J . 北京理工大学学报， 2003， 23 （6） ： 713-716. 4 熊静琪 . 计算机控制技术 M . 北京： 电子工业出版 社， 2003， 177-179. 5Huang Jin-quan， Xu Liang. Neural network smith predictive control for telerobots with time delayJ . Tra

23、nsactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2001， 18 （1） ： 53 - 40. 6 A.Ray.Output feedback control under randomly varying dis- tributed delays， Journal of dynamic systems， measurement and control J .1994， 17 （4） ： 701-711. （上接第 5 页） Abort 来进行的。由于此服务是非确认性服务， 不需 要通信方进行确认， 因此相对于 AR

24、的建立要简单 些。其实现主要是在收到此撤销连接的服务请求或 指示时， 将当前 AREP 的状态变为 CLOSED， 并根据 状态机作一些其它的相应处理。但是跟 AR 的建立 相似， 对于 3 种不同类型的 AR， 其撤销过程也不尽 相同。 对于 QUU 型 AR 的撤销， 由于它利用的是数据 链路层的无连接数据传输服务， 因此跟连接的建立 相似， 都不与本地数据链路层实体发生相互作用， 而 只是连接双方各自执行一个本地 AREP 的关闭过 程。即通信连接的任何一方都可以要求撤销 AR 连 接， 但并不发送请求给另一方。 对于 QUB 型 AR 的撤销， 需要与本地数据链路 层实体发生相互作用，

25、 也即通信连接的任何一方都 可以要求撤销 AR 连接， 并且在本地的 AREP 关闭之 后还要发送撤销请求给另一方。 对于 BNU 型 AR 的撤销， 如果发起方为发布方， 则过程与 QUB 型 AR 的撤销过程相同； 如果发起方 为预订接收方， 则只需在关闭本地 AREP 后， 由本地 数据链接路层实体停止参加已用于接收发布方数据 的链路连接， 即发布方的连接并不会撤销。 4结束语 在基金会现场总线中， FAS 主要为报文规范子 层 FMS 和应用进程 AP 提供 VCR 的报文传送服务。 而这个功能的实现就是通过在建立好的 AR 连接上 进行的。目前在协议的开发过程中， 在采用了文中 描述

26、的预先设置的方法建立 AR 连接的条件下， 利 用有限的硬件资源和存储空间， 已经有效实现了 AR 的在两个或多个应用进程之间按照规定的通信特性 传送报文的功能。 参考文献： 1 FoundationTMSpecification Fieldbus Access Sublayer.Revision 1.4， Fieldbus Foundation S ， 1999. 2 FoundationTMSpecification Field Message Specification. Revi- sion 1.4， Fieldbus Foundation S ， 1999. 3 FoundationTMSpecification Network Management.Revision 1. 4， Fieldbus Foundation S ， 1999. 4 阳宪惠 . 现场总线技术及其应用 M . 北京： 清华大学 出版社， 1998. 01工业仪表与自动化装置2006 年第 1 期