从通讯的角度理解现场总线

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普遍应用，反馈控制的要求体如今控制指令如何到达执行器，而控制效果如何经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、稳定的通讯，从而保证工业控制系统既能获得及时、准确的现场数据，通过高效处理后，又能快速、精确的发出执行命令。

1通讯的基本模型

通讯就是将信息从一个点传送到另外一个点，好比说电话、广播和电视。工业通讯系统也是如此，也须要发送器、接收器以及和通讯链路。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，而其中的通讯规则称为协议。

 

 

图通讯系统的基本模型

概念		说明
数据	data	运送消息的实体
信号	signal	数据的电气或电磁表现
模拟	analogous	消息取值是连续的
数字	digital	消息取值是离散的
码元	code	使用时域波形表示数字信号时，表明不一样离散数值的基本波形

2.工业通讯的特殊要求

工业通讯与通常通讯相比有一些特殊的要求，好比说工业环境就不一样于办公室环境。

	办公室环境	工业环境
温度	适中，波动范围小	严酷，波动范围大
湿度	不潮湿或无水	潮湿
粉尘	低	高
振动	不靠近振动源	可能会有振动源
电磁干扰	弱	强
化学危险	无	油污或有害气体
紫外线	无	强
放射性	无	可能有

工业通讯主要是过程数据、状态变量、维护等，数据分类以下表所示：

工业通讯的数据
状态	事件	其它数据
输入、输出、内部变量	状态发生变化	文件下载	请求	响应	站点管理

通讯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、时间和空间的相关性或一致性。工业通讯每每要求保证通讯的实时性，也就是说响应时间是否知足时间限制。

特征	说明
实时性	全部操做、数据以及动态系统组件的时间特性
频率	数据的更新快慢
抖动	通讯周期的变化
生命周期	变量维持在内存中的时间
响应时间	请求和响应之间的时延
同步	在同一时间或者很短的一段时间内，发生多个操做或事件
时间一致性	在给定的时间窗口中发生了几个事件

3.现场总线如何知足工业通讯的要求

OSI模型定义了一个框架物理层一般与如电缆、链接器、网络接口卡、无线传输硬件等物理介质相混淆。物理层不只定义了物理介质及其正确链接的接口要求，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、流入异步串行通讯控制、电缆类型、链接器的机械设计。信号经过传输介质从发送端到接收端。通讯介质的机械和电气特性。

而数据链路层负责建立、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讯，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，并定义了设备的各类信息、状态和参数。

现场总线的通讯数据通常分为标识数据和通用消息。标识数据是指控制器与传感器、控制器与执行器以及控制器之间传输过程变量。通用消息在系统组态和维护阶段，用于文件的下载和上传。

现场总线通讯数据分类
标识数据			通用消息
传感器的输入数据、执行器的输出数据			应用之间通讯
出版者/订阅者			生产者/消费者
实时		非实时	实时		非实时
周期	非周期	-	周期	非周期	-

3.1替代4-20mA的接线方案

过去工业通讯采用模拟信号，就是广为人知的4-20mA技术，后来现场总线使用数字通讯体现出抗噪声、减小电缆、诊断功能等诸多的优势。所以现场总线会取代4-20mA。

	4-20mA	现场总线
信号	模拟	数字
抗干扰性	差	强
OSI	物理层	物理层、数据链路层、应用层
诊断	少	完整
安装费用	高	低
单个设备成本	地	高

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须要具有计算能力、数字通讯、协议标准，所以设备成本相对就高。

3.2RS-232与RS-485电气标准

有人会把RS-232和RS-485当成总线，其实二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）、管脚功能进行描述。二者的主要区别就是逻辑如何表示，前者是电压表示01，后者是电压差表示01。具体的比较如表所示。

RS	232	485
信号特色	电压	差分
通讯模型	点对点	多点
接线方式	发送管脚链接收管脚	全部DATA+连一块，全部DATA-连一块
通讯方式	发送管脚工做不影响接收管脚，因此是全双工	两个管脚同时工做才能实现发或收，因此是半双工

由于RS-232只能实现点对点通讯（双机互联），没法联网（多机），而RS-485可以连成总线型网络，并且不少现场总线基于RS-485标准，因此有人会理解成485总线，可是严格来讲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做为其物理层定义，所以现场总线和485不是一个层次上的概念。

3.3曼彻斯特编码、编码、码元的概念

电缆和链接器的引脚分配。引脚分配取决于电缆的类型以及所使用的网络架构。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讯。

将时钟同步信号就隐藏在数据波形中，每一个码元包含一个跳变，低到高或者高到低表示一个码元。先理解码元、比特、波特率、比特率，码元就至关于单词，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。单词能够由一个字母组成，也能够由几个字母组成，也就是说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。咱们都有背单词的经历，好比说咱们天天都要记住10个单词，假设每一个单词都是4个字母组成，那么波特率就是天天记住的单词数，而比特率就是天天记住全部单词的字母数目。

3.4通讯介质

现场总线通常使用有线链接，原理是使用电磁波在通讯介质传输中传播，通讯介质有双绞线、同轴电缆和光纤，如图所示。随着工业现场对接线要求的不断变化，以及无线技术的快速发展，现在现场总线开始愈来愈多的使用无线链接。

 

 

3.5通讯模型

通讯模式是指两个或多个应用程序之间交互对象的方式，分为客户端/服务器和生产者/消费者（出版者/订阅者）两类模式。

3.5.1客户端/服务器模式

图显示了客户端/服务器模式，该模式更适合传输状态数据。当客户端发出读请求后，服务器就回复。客户端/服务器模式的通讯过程通常细分为请求、指示、响应和确认四个步骤，其中指示是指服务器收到了一个请求事件，确认说明客户端收到了响应。响应服务有不一样的意思，有的响应表示收到消息，有的表示开始服务或返回结果。对于一个读服务，读出对象的值包含在响应中，读请求包含对象名称，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缘由，以及响应时间。对象能够是先验、简单变量或一个复杂的结构体。

 

符合这种模式中的协议大多从制造信息规范（MMS）发展而来，应用层基于MMS模型管理各类对象，如任务（建立、取消、启动、恢复和中止）、变量（读写）、域（下载和上传）。MMS一般只会有一个服务子集。整个操做细分红请求、执行、响应三个部分，与MAC层处理时间和服务执行时间有关。

WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I、P-NET等现场总线都是使用客户端/服务器的通讯模型。而BatiBus是一种特殊的客户端/服务器模型，由于其中没有回复和确认。

3.5.2发布者/订阅者模式

包含一个发布者应用和若干用户应用，分为“推”和“拉”两种模式。对于拉模式来讲，发布者管理器发送一个请求，发布者经过广播（或多播）响应；而对于推模式来讲，一个订阅者发送请求，发布者先响应这个请求，而后发送广播（或多播）数据。如图所示，推模式多了一次步骤。

 

 

发布者/订阅者模型很是适合于传输事件数据，可用于“事件通知”的要求和提示、MMS信息定义的提示。发布者/订阅者模型用于缓冲区之间通讯（读写服务）。WorldFIP、CAN、LonWorks、EIBus、ControlNet、SWIFTNET和FF使用了发布者/订阅者模型。

3.6通讯机制

通讯机制包括周期性通讯、、应答机制和触发机制。

周期性通讯源于自动控制和事件检测的基础——采样理论。大多数标记数据做为控制算法的输入或输出，要求周期性传输，主要应用在集中式控制系统进行周期性的查询操做。不一样数据的通讯周期可能不一样，会产生抖动，那么通讯协议就是要尽可能消除抖动。这些系统基于状态通讯，有时也称为“时间触发系统”。

 

 

图显示了一个周期性通讯的例子，每一个基本周期都有C和D，每两个周期有B和E，每三个周期有F，所以总线周期（大周期）等于全部周期的最小公倍数（LCM），而节拍（小周期）是一个时间间隔等于最大公约数（HCD）。有的现场总线全部数据都经过周期型通讯，但网络负载太大了，所以某些数据会采用非周期的传输，好比说一些状态变量能够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，非周期通讯须要应答机制，而周期性通讯则不须要，由于在周期性通讯中若是出现错误，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讯以外还有时间、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，由周期性服务器管理事件。

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。错误检测或通讯控制要么由发送方实现，要么由接收方实现。在现场总线中，两种状况都有，现场总线一般会提供两种通讯机制。

控制方	说明
发送方	在通讯开始时或当消息有一个事件的语义时进行控制。发送方传送，接收方在收到消息后获得通知。发送方等待接收方的应答来控制传输
接收方	在通讯开始时或当消息有一个事件的语义时进行控制，与时间触发或事件触发模式无关。通讯开始后，接收方等待一个周期型的时间触发系统或者响应一个请求，做为负责传输控制的接收方