怎样从工业通信的角度理解现场总线.docx

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1、怎样从工业通信的角度理解现场总线 网络 导语：工业控制的应用离不开经典控制理论，随着计算机技术在工业控制中的广泛应用，反应控制的要求表达在控制指令怎样到达执行器，而控制效果怎样通过传感器发回控制系统。在复杂的工业环境中，现场总线可以正确、快速、稳定的通信，进而保证工业控制系统既能得到及时、准确的现场数据，经过高效处理后，又能快速、准确的发出执行命令。 工业控制的应用离不开经典控制理论，随着计算机技术在工业控制中的广泛应用，反应控制的要求表达在控制指令怎样到达执行器，而控制效果怎样通过传感器发回控制系统。在复杂的工业环境中，现场总线可以正确、快速、稳定的通信，进而保证工业控制系统既能得到及时、准

2、确的现场数据，经过高效处理后，又能快速、准确的发出执行命令。 1、通信的根本模型 通信就是将信息从一个点传送到另一个点，比方讲 、播送和电视。工业通信系统也是如此，也需要发送器、接收器和和通信链路。链路类型包括双绞线、同轴电缆、光纤、无线和微波。发送端解调器调制数据，接收端调制解调器解调信号以再现原始数据，而其中的通信规那么称为协议。 通信系统的根本模型 2、工业通信的特殊要求 工业通信与一般通信相比有一些特殊的要求，比方讲工业环境就不同于办公室环境。 工业通信主要是经过数据、状态变量、维护等，数据分类如下表所示： 通信中和时间相关的特征有实时性、频率、抖动、生命周期、响应时间、同步、时间和空

3、间的相关性或者一致性。工业通信往往要求保证通信的实时性，也就是讲响应时间是否知足时间限制。 3、现场总线怎样知足工业通信的要求 OSI模型定义了一个框架物理层通常与如电缆、连接器、网络接口卡、无线传输硬件等物理介质相混淆。物理层不仅定义了物理介质及其正确连接的接口要求，物理层定义编码方式、校验方法、带宽、频谱、载波、波特率、电、光、无线电信号、流入异步串行通信控制、电缆类型、连接器的机械设计。信号通过传输介质从发送端到接收端。通信介质的机械和电气特性。 而数据链路层负责创立、传输和接收数据包，现场总线对于数据链路层有细分为LLC和MAC两层，前者提供接口网络层协议，并控制与其对等体的逻辑通信，

4、后者提供对特定物理编码的访问和传输。 应用层规定了交互数据的方式，并定义了设备的各种信息、状态和参数。 现场总线的通信数据一般分为标识数据和通用消息。标识数据是指控制器与传感器、控制器与执行器和控制器之间传输经过变量。通用消息在系统组态和维护阶段，用于文件的下载和上传。 3.1、替代4-20mA的接线方案 过去工业通信采用模拟信号，就是广为人知的4-20mA技术，后来现场总线使用数字通信表达出抗噪声、减少电缆、诊断功能等众多的优点。因此现场总线会取代4-20mA。 采用现场总线的关键要求之一是分布式智能。为了访问现场总线，智能的传感器和执行器需要具备计算才能、数字通信、协议标准，因此设备本钱相

5、对就高。 3.2、RS-232与RS-485电气标准 有人会把RS-232和RS-485当成总线，其实两者是一种接口的标准。接口标准主要从电气特性信号、机械特性DB9、管脚功能进展描绘。两者的主要区别就是逻辑怎样表示，前者是电压表示01，后者是电压差表示01。详细的比拟如表所示。 因为RS-232只能实现点对点通信双机互联，无法联网多机，而RS-485可以连成总线型网络，而且很多现场总线基于RS-485标准，所以有人会理解成485总线，但是严格来讲485总线不是一种现场总线，只是有些现场总线是使用了RS-485作为其物理层定义，因此现场总线和485不是一个层次上的概念。 3.3、曼彻斯特编码、

6、编码、码元的概念 电缆和连接器的引脚分配。引脚分配取决于电缆的类型和所使用的网络架构。电信号的格式。用于信号0和1的编码，值或者模拟中的特定值传输取决于所使用的网络架构。大多数现场总线使用曼彻斯特编码通信。 将时钟同步信号就隐藏在数据波形中，每个码元包含一个跳变，低到高或高到低表示一个码元。先理解码元、比特、波特率、比特率，码元就相当于单词，而比特就是字母，单位时间内的传输的码元就是波特率，而单位时间传输的比特就是比特率。单词可以由一个字母组成，可以以由几个字母组成，也就是讲码元数是比特数的倍数，这时波特率也就是比特率的倍数关系。我们都有背单词的经历，比方讲我们每天都要记住10个单词，假设每个

7、单词都是4个字母组成，那么波特率就是每天记住的单词数，而比特率就是每天记住所有单词的字母数目。 3.4、通信介质 现场总线一般使用有线连接，原理是使用电磁波在通信介质传输中传播，通信介质有双绞线、同轴电缆和光纤，如下图。随着工业现场对接线要求的不断变化，和无线技术的快速开展，如今现场总线开场越来越多的使用无线连接。 3.5、通信模型 通信形式是指两个或者多个应用程序之间交互对象的方式，分为客户端/效劳器和消费者/消费者出版者/订阅者两类形式。 3.5.1、客户端/效劳器形式 图显示了客户端/效劳器形式，该形式更合适传输状态数据。当客户端发出读恳求后，效劳器就回复。客户端/效劳器形式的通信经过一

8、般细分为恳求、指示、响应和确认四个步骤，其中指示是指效劳器收到了一个恳求事件，确认讲明客户端收到了响应。响应效劳有不同的意思，有的响应表示收到消息，有的表示开场效劳或者返回结果。对于一个读效劳，读出对象的值包含在响应中，读恳求包含对象名称，并根据寻址机制访问本地对象，响应要么返回结果，要么返回执行失败的原因，和响应时间。对象可以是先验、简单变量或者一个复杂的构造体。 符合这种形式中的协议大多从制造信息标准MMS开展而来，应用层基于MMS模型管理各种对象，如任务创立、取消、启动、恢复和停顿、变量读写、域下载和上传。MMS通常只会有一个效劳子集。整个操作细分成恳求、执行、响应三个局部，与MAC层处

9、理时间和效劳执行时间有关。 WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I、P-NET等现场总线都是使用客户端/效劳器的通信模型。而BatiBus是一种特殊的客户端/效劳器模型，因为其中没有回复和确认。 3.5.2、发布者/订阅者形式 包含一个发布者应用和假设干用户应用，分为“推和“拉两种形式。对于拉形式来讲，发布者管理器发送一个恳求，发布者通过播送或者多播响应；而对于推形式来讲，一个订阅者发送恳求，发布者先响应这个恳求，然后发送播送或者多播数据。如下图，推形式多了一次步骤。 发布者/订阅者模型非常合适于传输事件数据，可用于“事件通知的要求和提示

10、、MMS信息定义的提示。发布者/订阅者模型用于缓冲区之间通信读写效劳。WorldFIP、CAN、LonWorks、EIBus、ControlNet、SWIFTNET和FF使用了发布者/订阅者模型。 3.6、通信机制 通信机制包括周期性通信、应答机制和触发机制。周期性通信源于自动控制和事件检测的根底采样理论。大多数标记数据作为控制算法的输入或者输出，要求周期性传输，主要应用在集中式控制系统进展周期性的查询操作。不同数据的通信周期可能不同，会产生抖动，那么通信协议就是要尽量消除抖动。这些系统基于状态通信，有时也称为“时间触发系统。 图显示了一个周期性通信的例子，每个根本周期都有C和D，每两个周期有

11、B和E，每三个周期有F，因此总线周期大周期等于所有周期的最小公倍数LCM，而节拍小周期是一个时间间隔等于最大公约数HCD。有的现场总线所有数据都通过周期型通信，但网络负载太大了，因此某些数据会采用非周期的传输，比方讲一些状态变量可以在发生变化后再传送。 协议引入应答机制，接收机通知发射机一个消息是否已正确接收。在现场总线应用中，非周期通信需要应答机制，而周期性通信那么不需要，因为在周期性通信中假如出现错误，接收方会忽略错误并等待后续正确数据。 除了周期性和非周期性通信之外还有时间、事件触发。大多数现场总线都倾向于一种时间触发系统，一些还会结合事件触发，由周期性效劳器管理事件。 3.7、错误控制与流量控制 错误管理、恢复机制要在用户控制中，即应用程序进程中。错误检测或者通信控制要么由发送方实现，要么由接收方实现。在现场总线中，两种情况都有，现场总线通常会提供两种通信机制。