現(xiàn)場總線如何保證工業(yè)通信的數(shù)據(jù)穩(wěn)定快速傳輸

工業(yè)控制的應用離不開經(jīng)典控制理論，隨著計算機技術(shù)在工業(yè)控制中的廣泛應用，反饋控制的要求體現(xiàn)在控制指令如何到達執(zhí)行器，而控制效果如何通過傳感器發(fā)回控制系統(tǒng)。在復雜的工業(yè)環(huán)境中，現(xiàn)場總線能夠正確、快速、穩(wěn)定的通信，從而保證工業(yè)控制系統(tǒng)既能得到及時、準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過高效處理后，又能快速、精確的發(fā)出執(zhí)行命令。

1、通信的基本模型

通信就是將信息從一個點傳送到另一個點，比如說電話、廣播和電視。工業(yè)通信系統(tǒng)也是如此，也需要發(fā)送器、接收器以及和通信鏈路。鏈路類型包括雙絞線、同軸電纜、光纖、無線和微波。發(fā)送端解調(diào)器調(diào)制數(shù)據(jù)，接收端調(diào)制解調(diào)器解調(diào)信號以再現(xiàn)原始數(shù)據(jù)，而其中的通信規(guī)則稱為協(xié)議。

通信系統(tǒng)的基本模型

2、工業(yè)通信的特殊要求

工業(yè)通信與一般通信相比有一些特殊的要求，比如說工業(yè)環(huán)境就不同于辦公室環(huán)境。

工業(yè)通信主要是過程數(shù)據(jù)、狀態(tài)變量、維護等，數(shù)據(jù)分類如下表所示：

通信中和時間相關(guān)的特征有實時性、頻率、抖動、生命周期、響應時間、同步、時間和空間的相關(guān)性或一致性。工業(yè)通信往往要求保證通信的實時性，也就是說響應時間是否滿足時間限制。

3、現(xiàn)場總線如何滿足工業(yè)通信的要求

OSI模型定義了一個框架物理層通常與如電纜、連接器、網(wǎng)絡接口卡、無線傳輸硬件等物理介質(zhì)相混淆。物理層不僅定義了物理介質(zhì)及其正確連接的接口要求，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、流入異步串行通信控制、電纜類型、連接器的機械設計。信號通過傳輸介質(zhì)從發(fā)送端到接收端。通信介質(zhì)的機械和電氣特性。

而數(shù)據(jù)鏈路層負責創(chuàng)建、傳輸和接收數(shù)據(jù)包，現(xiàn)場總線對于數(shù)據(jù)鏈路層有細分為LLC和MAC兩層，前者提供接口網(wǎng)絡層協(xié)議，并控制與其對等體的邏輯通信，后者提供對特定物理編碼的訪問和傳輸。

應用層規(guī)定了交互數(shù)據(jù)的方式，并定義了設備的各種信息、狀態(tài)和參數(shù)。

現(xiàn)場總線的通信數(shù)據(jù)一般分為標識數(shù)據(jù)和通用消息。標識數(shù)據(jù)是指控制器與傳感器、控制器與執(zhí)行器以及控制器之間傳輸過程變量。通用消息在系統(tǒng)組態(tài)和維護階段，用于文件的下載和上傳。

3.1、替代4-20mA的接線方案

過去工業(yè)通信采用模擬信號，就是廣為人知的4-20mA技術(shù)，后來現(xiàn)場總線使用數(shù)字通信體現(xiàn)出抗噪聲、減少電纜、診斷功能等諸多的優(yōu)點。因此現(xiàn)場總線會取代4-20mA。

采用現(xiàn)場總線的關(guān)鍵要求之一是分布式智能。為了訪問現(xiàn)場總線，智能的傳感器和執(zhí)行器需要具備計算能力、數(shù)字通信、協(xié)議標準，因此設備成本相對就高。

3.2、RS-232與RS-485電氣標準

有人會把RS-232和RS-485當成總線，其實兩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。兩者的主要區(qū)別就是邏輯如何表示，前者是電壓表示01，后者是電壓差表示01。具體的比較如表所示。

因為RS-232只能實現(xiàn)點對點通信（雙機互聯(lián)），無法聯(lián)網(wǎng)（多機），而RS-485能夠連成總線型網(wǎng)絡，而且很多現(xiàn)場總線基于RS-485標準，所以有人會理解成485總線，但是嚴格來說485總線不是一種現(xiàn)場總線，只是有些現(xiàn)場總線是使用了RS-485作為其物理層定義，因此現(xiàn)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

電纜和連接器的引腳分配。引腳分配取決于電纜的類型以及所使用的網(wǎng)絡架構(gòu)。電信號的格式。用于信號0和1的編碼，值或模擬中的特定值傳輸取決于所使用的網(wǎng)絡架構(gòu)。大多數(shù)現(xiàn)場總線使用曼徹斯特編碼通信。

將時鐘同步信號就隱藏在數(shù)據(jù)波形中，每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，碼元就相當于單詞，而比特就是字母，單位時間內(nèi)的傳輸?shù)拇a元就是波特率，而單位時間傳輸?shù)谋忍鼐褪潜忍芈?。單詞可以由一個字母組成，也可以由幾個字母組成，也就是說碼元數(shù)是比特數(shù)的倍數(shù)，這時波特率也就是比特率的倍數(shù)關(guān)系。我們都有背單詞的經(jīng)歷，比如說我們每天都要記住10個單詞，假設每個單詞都是4個字母組成，那么波特率就是每天記住的單詞數(shù)，而比特率就是每天記住所有單詞的字母數(shù)目。

3.4、通信介質(zhì)

現(xiàn)場總線一般使用有線連接，原理是使用電磁波在通信介質(zhì)傳輸中傳播，通信介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜和光纖，如圖所示。隨著工業(yè)現(xiàn)場對接線要求的不斷變化，以及無線技術(shù)的快速發(fā)展，如今現(xiàn)場總線開始越來越多的使用無線連接。

3.5、通信模型

通信模式是指兩個或多個應用程序之間交互對象的方式，分為客戶端/服務器和生產(chǎn)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(tài)數(shù)據(jù)。當客戶端發(fā)出讀請求后，服務器就回復?？蛻舳?服務器模式的通信過程一般細分為請求、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。響應服務有不同的意思，有的響應表示收到消息，有的表示開始服務或返回結(jié)果。對于一個讀服務，讀出對象的值包含在響應中，讀請求包含對象名稱，并根據(jù)尋址機制訪問本地對象，響應要么返回結(jié)果，要么返回執(zhí)行失敗的原因，以及響應時間。對象可以是先驗、簡單變量或一個復雜的結(jié)構(gòu)體。

符合這種模式中的協(xié)議大多從制造信息規(guī)范（MMS）發(fā)展而來，應用層基于MMS模型管理各種對象，如任務（創(chuàng)建、取消、啟動、恢復和停止）、變量（讀寫）、域（下載和上傳）。MMS通常只會有一個服務子集。整個操作細分成請求、執(zhí)行、響應三個部分，與MAC層處理時間和服務執(zhí)行時間有關(guān)。

WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I、P-NET等現(xiàn)場總線都是使用客戶端/服務器的通信模型。而BatiBus是一種特殊的客戶端/服務器模型，因為其中沒有回復和確認。

3.5.2、發(fā)布者/訂閱者模式

包含一個發(fā)布者應用和若干用戶應用，分為“推”和“拉”兩種模式。對于拉模式來說，發(fā)布者管理器發(fā)送一個請求，發(fā)布者通過廣播（或多播）響應；而對于推模式來說，一個訂閱者發(fā)送請求，發(fā)布者先響應這個請求，然后發(fā)送廣播（或多播）數(shù)據(jù)。如圖所示，推模式多了一次步驟。

發(fā)布者/訂閱者模型非常適合于傳輸事件數(shù)據(jù)，可用于“事件通知”的要求和提示、MMS信息定義的提示。發(fā)布者/訂閱者模型用于緩沖區(qū)之間通信（讀寫服務）。WorldFIP、CAN、LonWorks、EIBus、ControlNet、SWIFTNET和FF使用了發(fā)布者/訂閱者模型。

3.6、通信機制

通信機制包括周期性通信、、應答機制和觸發(fā)機制。周期性通信源于自動控制和事件檢測的基礎——采樣理論。大多數(shù)標記數(shù)據(jù)作為控制算法的輸入或輸出，要求周期性傳輸，主要應用在集中式控制系統(tǒng)進行周期性的查詢操作。不同數(shù)據(jù)的通信周期可能不同，會產(chǎn)生抖動，那么通信協(xié)議就是要盡量消除抖動。這些系統(tǒng)基于狀態(tài)通信，有時也稱為“時間觸發(fā)系統(tǒng)”。

圖顯示了一個周期性通信的例子，每個基本周期都有C和D，每兩個周期有B和E，每三個周期有F，因此總線周期（大周期）等于所有周期的最小公倍數(shù)（LCM），而節(jié)拍（小周期）是一個時間間隔等于最大公約數(shù)（HCD）。有的現(xiàn)場總線所有數(shù)據(jù)都通過周期型通信，但網(wǎng)絡負載太大了，因此某些數(shù)據(jù)會采用非周期的傳輸，比如說一些狀態(tài)變量可以在發(fā)生變化后再傳送。

協(xié)議引入應答機制，接收機通知發(fā)射機一個消息是否已正確接收。在現(xiàn)場總線應用中，非周期通信需要應答機制，而周期性通信則不需要，因為在周期性通信中如果出現(xiàn)錯誤，接收方會忽略錯誤并等待后續(xù)正確數(shù)據(jù)。

除了周期性和非周期性通信之外還有時間、事件觸發(fā)。大多數(shù)現(xiàn)場總線都傾向于一種時間觸發(fā)系統(tǒng)，一些還會結(jié)合事件觸發(fā)，由周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。錯誤檢測或通信控制要么由發(fā)送方實現(xiàn)，要么由接收方實現(xiàn)。在現(xiàn)場總線中，兩種情況都有，現(xiàn)場總線通常會提供兩種通信機制。