工业通信之现场总线（现场总线的传输方式）

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，对反馈控制的要求体现在控制指令如何到达执行机构，以及控制效果如何通过传感器反馈给控制系统。在复杂的工业环境中，现场总线能够正确、快速、稳定地进行通信，从而保证工业控制系统不仅能够及时、准确地获取现场数据，而且能够在高效处理后快速、准确地发出执行命令。

1、通信的基本模型

通讯是信息从一处传输到另一处的过程，例如电话、广播和电视。工业通信系统也是如此，它也需要发射器、接收器和通信链路。链路类型包括双绞线、同轴电缆、光纤、无线和微波。发送端解调器对数据进行调制，接收端调制解调器对信号进行解调以再现原始数据，其中的通信规则称为协议。

通信系统基本模型

2、工业通信的特殊要求

与一般通信相比，工业通信有一些特殊的要求。例如，工业环境与办公环境不同。

工业通信主要包括过程数据、状态变量、维护等，数据分类如下表所示：

通信中与时间相关的特性包括实时性、频率、抖动、生命周期、响应时间、同步、时间和空间相关性或一致性。工业通信往往需要保证通信的实时性，即响应时间是否满足时限。

3、现场总线如何满足工业通信的要求

OSI 模型定义了一个框架。物理层经常与物理介质混淆，如电缆、连接器、网络接口卡、无线传输硬件等。物理层不仅定义了物理介质及其正确连接的接口要求，还定义了编码方法、验证方法、带宽、频谱、载波、波特率、电气、光学、无线电信号、传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达接收端。通信媒体的机械和电气特性。

数据链路层负责创建、发送和接收数据包。现场总线分为数据链路层的LLC 层和MAC 层。前者提供接口网络层协议并控制与对等点的逻辑通信。后者提供对特定物理编码的访问和传输。

应用层规定了与数据交互的方式，定义了设备的各种信息、状态和参数。

现场总线通信数据一般分为标识数据和通用消息。识别数据是指控制器与传感器、控制器与执行器、控制器之间过程变量的传输。一般消息用于在系统配置和维护阶段下载和上传文件。

3.1.替代4-20mA 接线方案

过去，工业通信使用的是模拟信号，也就是众所周知的4-20mA技术。后来，现场总线使用数字通信展示了许多优点，例如抗噪声、减少电缆和诊断功能。因此现场总线将取代4-20mA。

采用现场总线的关键要求之一是分布式智能。智能传感器和执行器为了接入现场总线，需要计算能力、数字通信和协议标准，因此设备成本相对较高。

3.2. RS-232 和RS-485 电气标准

有些人将RS-232和RS-485视为总线，但实际上它们是一种接口标准。接口标准主要从电气特性（信号）、机械特性（DB9）、引脚功能等方面进行描述。两者之间的主要区别在于逻辑的表达方式。前者是代表01的电压，后者是代表01的电压差。具体对比如表所示。

由于RS-232只能实现点对点通信（双机互连），不能组网（多机），而RS-485可以连接成总线网络，很多现场总线都是基于RS-485标准，所以有些人会将其理解为485总线。但严格来说，485总线并不是现场总线，只是有些现场总线采用RS-485作为其物理层定义，所以现场总线和485不是同一层次上的概念。

3.3.曼彻斯特编码、编码和码元的概念

电缆和连接器引脚分配。引脚分配取决于电缆类型和所使用的网络架构。电信号的格式。信号0和1所使用的编码、模拟中具体值的取值或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进行通信。

时钟同步信号隐藏在数据波形中。每个符号都包含一个从低到高或从高到低的转换，代表一个符号。首先了解码元、位、波特率和比特率。代码元素相当于单词，比特相当于字母。单位时间传输的码元就是波特率，单位时间传输的比特就是比特率。一个单词可以由一个字母或多个字母组成。也就是说，码元的数量是比特数量的倍数。在这种情况下，波特率也是比特率的倍数。我们都有过背单词的经历。例如，我们每天要背10个单词。假设每个单词由4个字母组成，那么波特率就是每天记忆的单词数，比特率就是每天记忆的单词数。所有单词中的字母数。

3.4.通讯媒体

现场总线一般采用有线连接。其原理是利用电磁波在通信介质传输中传播。通信介质包括双绞线、同轴电缆和光纤，如图所示。随着工业领域布线要求的不断变化以及无线技术的快速发展，现场总线越来越多地采用无线连接。

3.5.沟通模式

通信模式是指两个或多个应用程序与对象交互的方式，分为客户端/服务器和生产者/消费者（发布者/订阅者）两种类型。

3.5.1.客户端/服务器模式

如图所示为客户端/服务器模型，该模型更适合传输状态数据。当客户端发送读请求时，服务器回复。客户端/服务器模式的通信过程一般细分为请求、指示、响应和确认四个步骤。指示表示服务器已收到请求事件，确认表示客户端已收到响应。响应服务有不同的含义。有些响应表示收到消息，而另一些则表示启动服务或返回结果。对于读取服务，读取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原因，以及响应时间。对象可以是先验的、简单的变量或者复杂的结构。

大多数符合该模型的协议都是根据制造信息规范（MMS）开发的。应用层基于MMS模型管理各种对象，如任务（创建、取消、启动、恢复和停止）、变量（读和写）、域（下载和上传）。 MMS 通常只有一部分服务。整个操作分为请求、执行、响应三个部分，分别与MAC层处理时间和服务执行时间相关。

WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I 和P-NET 等现场总线都使用客户端/服务器通信模型。而BatiBus是一种特殊的客户端/服务器模型，因为没有回复和确认。

3.5.2.发布者/订阅者模型

包含一个发布者应用程序和若干个用户应用程序，分为两种模式：“推”和“拉”。对于拉模式，发布者管理器发送请求，发布者通过广播（或多播）进行响应；对于推送模式，订阅者发送请求，发布者首先响应该请求，然后发送广播（或多播）数据。如图所示，推送模式多了一步。

发布者/订阅者模型非常适合传输事件数据，可用于“事件通知”需求和提示、彩信消息定义提示。发布者/订阅者模型用于缓冲区之间的通信（读取和写入服务）。 WorldFIP、CAN、LonWorks、EIBus、ControlNet、SWIFTNET 和FF 使用发布者/订阅者模型。

3.6.沟通机制

通信机制包括周期通信、响应机制和触发机制。周期性通信源于自动控制和事件检测基础的——采样理论。大多数标记数据用作控制算法的输入或输出，并且需要定期传输。它们主要用于集中控制系统中进行周期性查询操作。不同数据的通信周期可能不同，会产生抖动，因此通信协议应尽量消除抖动。这些系统基于状态通信，有时称为“时间触发系统”。

图中显示了循环通信的示例，每个基本周期有C 和D，每两个周期有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 ），而一个刻度（小周期）是等于最大公约数（HCD）的时间间隔。有些现场总线对所有数据都采用循环通信，但网络负载太大，因此某些数据会非循环传输。例如，一些状态变量可以在改变后传输。

该协议引入了响应机制，接收方通知发送方是否正确接收到消息。在现场总线应用中，非循环通信需要确认机制，而循环通信则不需要，因为在循环通信中如果发生错误，接收器会忽略错误并等待后续的正确数据。

除了周期性和非周期性通信之外，还有时间和事件触发器。大多数现场总线往往是时间触发系统，有些会合并事件触发，事件由定期服务器管理。

3.7.错误控制和流量控制

错误管理和恢复机制应该在用户控制之下，即在应用程序进程内。错误检测或通信控制由发送方或接收方实现。在现场总线中，这两种情况都存在，并且现场总线通常提供两种通信机制。