【導(dǎo)讀】工業(yè)控制的應(yīng)用離不開經(jīng)典控制理論，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用，反饋控制的要求體現(xiàn)在控制指令如何到達(dá)執(zhí)行器，而控制效果如何通過(guò)傳感器發(fā)回控制系統(tǒng)。
工業(yè)控制的應(yīng)用離不開經(jīng)典控制理論，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用，反饋控制的要求體現(xiàn)在控制指令如何到達(dá)執(zhí)行器，而控制效果如何通過(guò)傳感器發(fā)回控制系統(tǒng)。在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(gè)點(diǎn)傳送到另一個(gè)點(diǎn)，比如說(shuō)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(wú)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(hào)以再現(xiàn)原始數(shù)據(jù)，而其中的通信規(guī)則稱為協(xié)議。
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(shuō)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(guò)程數(shù)據(jù)、狀態(tài)變量、維護(hù)等，數(shù)據(jù)分類如下表所示：
通信中和時(shí)間相關(guān)的特征有實(shí)時(shí)性、頻率、抖動(dòng)、生命周期、響應(yīng)時(shí)間、同步、時(shí)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(shí)時(shí)性，也就是說(shuō)響應(yīng)時(shí)間是否滿足時(shí)間限制。
3?現(xiàn)場(chǎng)總線如何滿足工業(yè)通信的要求
OSI模型定義了一個(gè)框架物理層通常與如電纜、連接器、網(wǎng)絡(luò)接口卡、無(wú)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(yàn)方法、帶寬、頻譜、載波、波特率、電、光、無(wú)線電信號(hào)、流入異步串行通信控制、電纜類型、連接器的機(jī)械設(shè)計(jì)。信號(hào)通過(guò)傳輸介質(zhì)從發(fā)送端到接收端。通信介質(zhì)的機(jī)械和電氣特性。
而數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)創(chuàng)建、傳輸和接收數(shù)據(jù)包，現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)于數(shù)據(jù)鏈路層有細(xì)分為L(zhǎng)LC和MAC兩層，前者提供接口網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，并控制與其對(duì)等體的邏輯通信，后者提供對(duì)特定物理編碼的訪問(wèn)和傳輸。
應(yīng)用層規(guī)定了交互數(shù)據(jù)的方式，并定義了設(shè)備的各種信息、狀態(tài)和參數(shù)。
現(xiàn)場(chǎng)總線的通信數(shù)據(jù)一般分為標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)和通用消息。標(biāo)識(shí)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(guò)程變量。通用消息在系統(tǒng)組態(tài)和維護(hù)階段，用于文件的下載和上傳。
3.1替代4-20mA的接線方案
過(guò)去工業(yè)通信采用模擬信號(hào)，就是廣為人知的4-20mA技術(shù)，后來(lái)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。因此現(xiàn)場(chǎng)總線會(huì)取代4-20mA。
采用現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵要求之一是分布式智能。為了訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)總線，智能的傳感器和執(zhí)行器需要具備計(jì)算能力、數(shù)字通信、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)備成本相對(duì)就高。
3.2RS-232與RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)
有人會(huì)把RS-232和RS-485當(dāng)成總線，其實(shí)兩者是一種接口的標(biāo)準(zhǔn)。接口標(biāo)準(zhǔn)主要從電氣特性（信號(hào)）、機(jī)械特性（DB9）、管腳功能進(jìn)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?yàn)镽S-232只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（雙機(jī)互聯(lián)），無(wú)法聯(lián)網(wǎng)（多機(jī)），而RS-485能夠連成總線型網(wǎng)絡(luò)，而且很多現(xiàn)場(chǎng)總線基于RS-485標(biāo)準(zhǔn)，所以有人會(huì)理解成485總線，但是嚴(yán)格來(lái)說(shuō)485總線不是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，只是有些現(xiàn)場(chǎng)總線是使用了RS-485作為其物理層定義，因此現(xiàn)場(chǎng)總線和485不是一個(gè)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(luò)架構(gòu)。電信號(hào)的格式。用于信號(hào)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(luò)架構(gòu)。大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線使用曼徹斯特編碼通信。
將時(shí)鐘同步信號(hào)就隱藏在數(shù)據(jù)波形中，每個(gè)碼元包含一個(gè)跳變，低到高或者高到低表示一個(gè)碼元。先理解碼元、比特、波特率、比特率，碼元就相當(dāng)于單詞，而比特就是字母，單位時(shí)間內(nèi)的傳輸?shù)拇a元就是波特率，而單位時(shí)間傳輸?shù)谋忍鼐褪潜忍芈省?/div>
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(lái)，應(yīng)用層基于MMS模型管理各種對(duì)象，如任務(wù)（創(chuàng)建、取消、啟動(dòng)、恢復(fù)和停止）、變量（讀寫）、域（下載和上傳）。MMS通常只會(huì)有一個(gè)服務(wù)子集。整個(gè)操作細(xì)分成請(qǐng)求、執(zhí)行、響應(yīng)三個(gè)部分，與MAC層處理時(shí)間和服務(wù)執(zhí)行時(shí)間有關(guān)。
單詞可以由一個(gè)字母組成，也可以由幾個(gè)字母組成，也就是說(shuō)碼元數(shù)是比特?cái)?shù)的倍數(shù)，這時(shí)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(shuō)我們每天都要記住10個(gè)單詞，假設(shè)每個(gè)單詞都是4個(gè)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(chǎng)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(chǎng)對(duì)接線要求的不斷變化，以及無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，如今現(xiàn)場(chǎng)總線開始越來(lái)越多的使用無(wú)線連接。
3.5通信模型
通信模式是指兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序之間交互對(duì)象的方式，分為客戶端/服務(wù)器和生產(chǎn)者/消費(fèi)者（出版者/訂閱者）兩類模式。
3.5.1客戶端/服務(wù)器模式
圖顯示了客戶端/服務(wù)器模式，該模式更適合傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶端發(fā)出讀請(qǐng)求后，服務(wù)器就回復(fù)。客戶端/服務(wù)器模式的通信過(guò)程一般細(xì)分為請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和確認(rèn)四個(gè)步驟，其中指示是指服務(wù)器收到了一個(gè)請(qǐng)求事件，確認(rèn)說(shuō)明客戶端收到了響應(yīng)。響應(yīng)服務(wù)有不同的意思，有的響應(yīng)表示收到消息，有的表示開始服務(wù)或返回結(jié)果。
對(duì)于一個(gè)讀服務(wù)，讀出對(duì)象的值包含在響應(yīng)中，讀請(qǐng)求包含對(duì)象名稱，并根據(jù)尋址機(jī)制訪問(wèn)本地對(duì)象，響應(yīng)要么返回結(jié)果，要么返回執(zhí)行失敗的原因，以及響應(yīng)時(shí)間。對(duì)象可以是先驗(yàn)、簡(jiǎn)單變量或一個(gè)復(fù)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(lái)，應(yīng)用層基于MMS模型管理各種對(duì)象，如任務(wù)（創(chuàng)建、取消、啟動(dòng)、恢復(fù)和停止）、變量（讀寫）、域（下載和上傳）。MMS通常只會(huì)有一個(gè)服務(wù)子集。整個(gè)操作細(xì)分成請(qǐng)求、執(zhí)行、響應(yīng)三個(gè)部分，與MAC層處理時(shí)間和服務(wù)執(zhí)行時(shí)間有關(guān)。
WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I、P-NET等現(xiàn)場(chǎng)總線都是使用客戶端/服務(wù)器的通信模型。而BatiBus是一種特殊的客戶端/服務(wù)器模型，因?yàn)槠渲袥](méi)有回復(fù)和確認(rèn)。
3.5.2發(fā)布者/訂閱者模式
包含一個(gè)發(fā)布者應(yīng)用和若干用戶應(yīng)用，分為“推”和“拉”兩種模式。對(duì)于拉模式來(lái)說(shuō)，發(fā)布者管理器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，發(fā)布者通過(guò)廣播（或多播）響應(yīng)；而對(duì)于推模式來(lái)說(shuō)，一個(gè)訂閱者發(fā)送請(qǐng)求，發(fā)布者先響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)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(wù)）。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(jī)制
通信機(jī)制包括周期性通信、應(yīng)答機(jī)制和觸發(fā)機(jī)制。
周期性通信源于自動(dòng)控制和事件檢測(cè)的基礎(chǔ)——采樣理論。大多數(shù)標(biāo)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(yīng)用在集中式控制系統(tǒng)進(jìn)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(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，那么通信協(xié)議就是要盡量消除抖動(dòng)。這些系統(tǒng)基于狀態(tài)通信，有時(shí)也稱為“時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)”。
圖顯示了一個(gè)周期性通信的例子，每個(gè)基本周期都有C和D，每?jī)蓚€(gè)周期有B和E，每三個(gè)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(gè)時(shí)間間隔等于最大公約數(shù)（HCD）。有的現(xiàn)場(chǎng)總線所有數(shù)據(jù)都通過(guò)周期型通信，但網(wǎng)絡(luò)負(fù)載太大了，因此某些數(shù)據(jù)會(huì)采用非周期的傳輸，比如說(shuō)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(yīng)答機(jī)制，接收機(jī)通知發(fā)射機(jī)一個(gè)消息是否已正確接收。在現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中，非周期通信需要應(yīng)答機(jī)制，而周期性通信則不需要，因?yàn)樵谥芷谛酝ㄐ胖腥绻霈F(xiàn)錯(cuò)誤，接收方會(huì)忽略錯(cuò)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(shí)間、事件觸發(fā)。大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線都傾向于一種時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)，一些還會(huì)結(jié)合事件觸發(fā)，由周期性服務(wù)器管理事件。
3.7錯(cuò)誤控制與流量控制
錯(cuò)誤管理、恢復(fù)機(jī)制要在用戶控制中，即應(yīng)用程序進(jìn)程中。錯(cuò)誤檢測(cè)或通信控制要么由發(fā)送方實(shí)現(xiàn)，要么由接收方實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)總線中，兩種情況都有，現(xiàn)場(chǎng)總線通常會(huì)提供兩種通信機(jī)制。
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