從通訊的角度理解現場總線

工業控制的應用離不開經典控制理論，隨着計算機技術在工業控制中的普遍應用，反饋控制的要求體如今控制指令如何到達執行器，而控制效果如何經過傳感器發回控制系統。在複雜的工業環境中，現場總線可以正確、快速、穩定的通訊，從而保證工業控制系統既能獲得及時、準確的現場數據，通過高效處理後，又能快速、精確的發出執行命令。

1通訊的基本模型

通訊就是將信息從一個點傳送到另外一個點，好比說電話、廣播和電視。工業通訊系統也是如此，也須要發送器、接收器以及和通訊鏈路。鏈路類型包括雙絞線、同軸電纜、光纖、無線和微波。發送端解調器調製數據，接收端調制解調器解調信號以再現原始數據，而其中的通訊規則稱爲協議。

 

 

圖通訊系統的基本模型

概念		說明
數據	data	運送消息的實體
信號	signal	數據的電氣或電磁表現
模擬	analogous	消息取值是連續的
數字	digital	消息取值是離散的
碼元	code	使用時域波形表示數字信號時，表明不一樣離散數值的基本波形

2.工業通訊的特殊要求

工業通訊與通常通訊相比有一些特殊的要求，好比說工業環境就不一樣於辦公室環境。

	辦公室環境	工業環境
溫度	適中，波動範圍小	嚴酷，波動範圍大
溼度	不潮溼或無水	潮溼
粉塵	低	高
振動	不靠近振動源	可能會有振動源
電磁干擾	弱	強
化學危險	無	油污或有害氣體
紫外線	無	強
放射性	無	可能有

工業通訊主要是過程數據、狀態變量、維護等，數據分類以下表所示：

工業通訊的數據
狀態	事件	其它數據
輸入、輸出、內部變量	狀態發生變化	文件下載	請求	響應	站點管理

通訊中和時間相關的特徵有實時性、頻率、抖動、生命週期、響應時間、同步、時間和空間的相關性或一致性。工業通訊每每要求保證通訊的實時性，也就是說響應時間是否知足時間限制。

特徵	說明
實時性	全部操做、數據以及動態系統組件的時間特性
頻率	數據的更新快慢
抖動	通訊週期的變化
生命週期	變量維持在內存中的時間
響應時間	請求和響應之間的時延
同步	在同一時間或者很短的一段時間內，發生多個操做或事件
時間一致性	在給定的時間窗口中發生了幾個事件

3.現場總線如何知足工業通訊的要求

OSI模型定義了一個框架物理層一般與如電纜、鏈接器、網絡接口卡、無線傳輸硬件等物理介質相混淆。物理層不只定義了物理介質及其正確鏈接的接口要求，物理層定義編碼方式、校驗方法、帶寬、頻譜、載波、波特率、電、光、無線電信號、流入異步串行通訊控制、電纜類型、鏈接器的機械設計。信號經過傳輸介質從發送端到接收端。通訊介質的機械和電氣特性。

而數據鏈路層負責建立、傳輸和接收數據包，現場總線對於數據鏈路層有細分爲LLC和MAC兩層，前者提供接口網絡層協議，並控制與其對等體的邏輯通訊，後者提供對特定物理編碼的訪問和傳輸。

應用層規定了交互數據的方式，並定義了設備的各類信息、狀態和參數。

現場總線的通訊數據通常分爲標識數據和通用消息。標識數據是指控制器與傳感器、控制器與執行器以及控制器之間傳輸過程變量。通用消息在系統組態和維護階段，用於文件的下載和上傳。

現場總線通訊數據分類
標識數據			通用消息
傳感器的輸入數據、執行器的輸出數據			應用之間通訊
出版者/訂閱者			生產者/消費者
實時		非實時	實時		非實時
週期	非週期	-	週期	非週期	-

3.1替代4-20mA的接線方案

過去工業通訊採用模擬信號，就是廣爲人知的4-20mA技術，後來現場總線使用數字通訊體現出抗噪聲、減小電纜、診斷功能等諸多的優勢。所以現場總線會取代4-20mA。

	4-20mA	現場總線
信號	模擬	數字
抗干擾性	差	強
OSI	物理層	物理層、數據鏈路層、應用層
診斷	少	完整
安裝費用	高	低
單個設備成本	地	高

採用現場總線的關鍵要求之一是分佈式智能。爲了訪問現場總線，智能的傳感器和執行器須要具有計算能力、數字通訊、協議標準，所以設備成本相對就高。

3.2RS-232與RS-485電氣標準

有人會把RS-232和RS-485當成總線，其實二者是一種接口的標準。接口標準主要從電氣特性（信號）、機械特性（DB9）、管腳功能進行描述。二者的主要區別就是邏輯如何表示，前者是電壓表示01，後者是電壓差表示01。具體的比較如表所示。

RS	232	485
信號特色	電壓	差分
通訊模型	點對點	多點
接線方式	發送管腳鏈接收管腳	全部DATA+連一塊，全部DATA-連一塊
通訊方式	發送管腳工做不影響接收管腳，因此是全雙工	兩個管腳同時工做才能實現發或收，因此是半雙工

由於RS-232只能實現點對點通訊（雙機互聯），沒法聯網（多機），而RS-485可以連成總線型網絡，並且不少現場總線基於RS-485標準，因此有人會理解成485總線，可是嚴格來講485總線不是一種現場總線，只是有些現場總線是使用了RS-485做爲其物理層定義，所以現場總線和485不是一個層次上的概念。

3.3曼徹斯特編碼、編碼、碼元的概念

電纜和鏈接器的引腳分配。引腳分配取決於電纜的類型以及所使用的網絡架構。電信號的格式。用於信號0和1的編碼，值或模擬中的特定值傳輸取決於所使用的網絡架構。大多數現場總線使用曼徹斯特編碼通訊。

將時鐘同步信號就隱藏在數據波形中，每一個碼元包含一個跳變，低到高或者高到低表示一個碼元。先理解碼元、比特、波特率、比特率，碼元就至關於單詞，而比特就是字母，單位時間內的傳輸的碼元就是波特率，而單位時間傳輸的比特就是比特率。單詞能夠由一個字母組成，也能夠由幾個字母組成，也就是說碼元數是比特數的倍數，這時波特率也就是比特率的倍數關係。咱們都有背單詞的經歷，好比說咱們天天都要記住10個單詞，假設每一個單詞都是4個字母組成，那麼波特率就是天天記住的單詞數，而比特率就是天天記住全部單詞的字母數目。

3.4通訊介質

現場總線通常使用有線鏈接，原理是使用電磁波在通訊介質傳輸中傳播，通訊介質有雙絞線、同軸電纜和光纖，如圖所示。隨着工業現場對接線要求的不斷變化，以及無線技術的快速發展，現在現場總線開始愈來愈多的使用無線鏈接。

 

 

3.5通訊模型

通訊模式是指兩個或多個應用程序之間交互對象的方式，分爲客戶端/服務器和生產者/消費者（出版者/訂閱者）兩類模式。

3.5.1客戶端/服務器模式

圖顯示了客戶端/服務器模式，該模式更適合傳輸狀態數據。當客戶端發出讀請求後，服務器就回復。客戶端/服務器模式的通訊過程通常細分爲請求、指示、響應和確認四個步驟，其中指示是指服務器收到了一個請求事件，確認說明客戶端收到了響應。響應服務有不一樣的意思，有的響應表示收到消息，有的表示開始服務或返回結果。對於一個讀服務，讀出對象的值包含在響應中，讀請求包含對象名稱，並根據尋址機制訪問本地對象，響應要麼返回結果，要麼返回執行失敗的緣由，以及響應時間。對象能夠是先驗、簡單變量或一個複雜的結構體。

 

符合這種模式中的協議大多從製造信息規範（MMS）發展而來，應用層基於MMS模型管理各類對象，如任務（建立、取消、啓動、恢復和中止）、變量（讀寫）、域（下載和上傳）。MMS一般只會有一個服務子集。整個操做細分紅請求、執行、響應三個部分，與MAC層處理時間和服務執行時間有關。

WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I、P-NET等現場總線都是使用客戶端/服務器的通訊模型。而BatiBus是一種特殊的客戶端/服務器模型，由於其中沒有回覆和確認。

3.5.2發佈者/訂閱者模式

包含一個發佈者應用和若干用戶應用，分爲「推」和「拉」兩種模式。對於拉模式來講，發佈者管理器發送一個請求，發佈者經過廣播（或多播）響應；而對於推模式來講，一個訂閱者發送請求，發佈者先響應這個請求，而後發送廣播（或多播）數據。如圖所示，推模式多了一次步驟。

 

 

發佈者/訂閱者模型很是適合於傳輸事件數據，可用於「事件通知」的要求和提示、MMS信息定義的提示。發佈者/訂閱者模型用於緩衝區之間通訊（讀寫服務）。WorldFIP、CAN、LonWorks、EIBus、ControlNet、SWIFTNET和FF使用了發佈者/訂閱者模型。

3.6通訊機制

通訊機制包括週期性通訊、、應答機制和觸發機制。

週期性通訊源於自動控制和事件檢測的基礎——採樣理論。大多數標記數據做爲控制算法的輸入或輸出，要求週期性傳輸，主要應用在集中式控制系統進行週期性的查詢操做。不一樣數據的通訊週期可能不一樣，會產生抖動，那麼通訊協議就是要儘可能消除抖動。這些系統基於狀態通訊，有時也稱爲「時間觸發系統」。

 

 

圖顯示了一個週期性通訊的例子，每一個基本週期都有C和D，每兩個週期有B和E，每三個週期有F，所以總線週期（大週期）等於全部週期的最小公倍數（LCM），而節拍（小週期）是一個時間間隔等於最大公約數（HCD）。有的現場總線全部數據都經過週期型通訊，但網絡負載太大了，所以某些數據會採用非週期的傳輸，好比說一些狀態變量能夠在發生變化後再傳送。

協議引入應答機制，接收機通知發射機一個消息是否已正確接收。在現場總線應用中，非週期通訊須要應答機制，而週期性通訊則不須要，由於在週期性通訊中若是出現錯誤，接收方會忽略錯誤並等待後續正確數據。

除了週期性和非週期性通訊以外還有時間、事件觸發。大多數現場總線都傾向於一種時間觸發系統，一些還會結合事件觸發，由週期性服務器管理事件。

3.7錯誤控制與流量控制

錯誤管理、恢復機制要在用戶控制中，即應用程序進程中。錯誤檢測或通訊控制要麼由發送方實現，要麼由接收方實現。在現場總線中，兩種狀況都有，現場總線一般會提供兩種通訊機制。

控制方	說明
發送方	在通訊開始時或當消息有一個事件的語義時進行控制。發送方傳送，接收方在收到消息後獲得通知。發送方等待接收方的應答來控制傳輸
接收方	在通訊開始時或當消息有一個事件的語義時進行控制，與時間觸發或事件觸發模式無關。通訊開始後，接收方等待一個週期型的時間觸發系統或者響應一個請求，做爲負責傳輸控制的接收方