可編程序控制器的通信及網(wǎng)絡(luò)7.1數(shù)據(jù)通信簡介

無論是計(jì)算機(jī)還是PLC，它們都是數(shù)字設(shè)備。它們之間交換的信息是由“0”和“1”表示的數(shù)字信號。通常把具有一定的編碼、格式和位長要求的數(shù)字信號稱為數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)通信就是將數(shù)據(jù)信息通過適當(dāng)?shù)膫魉途€路從一臺(tái)機(jī)器傳送到另一臺(tái)機(jī)器。這里的機(jī)器可以是計(jì)算機(jī)、PLC或具有數(shù)據(jù)通信功能的其他數(shù)字設(shè)備。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的任務(wù)是把地理位置不同的計(jì)算機(jī)和PLC及其他數(shù)字設(shè)備連接起來，高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、信息交換和通信處理三項(xiàng)任務(wù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般由傳送設(shè)備、傳送控制設(shè)備和傳送協(xié)議及通信軟件等組成。7.1.1數(shù)據(jù)傳輸方式

1.并行傳輸與串行傳輸若按照傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)空順序分類，數(shù)據(jù)通信的傳輸方式可以分為并行傳輸和串行傳輸兩種。

(1)并行傳輸。數(shù)據(jù)在多個(gè)信道同時(shí)傳輸?shù)姆绞椒Q為并行傳輸。其特點(diǎn)是：傳輸速度快，但由于一個(gè)并行數(shù)據(jù)有多少位二進(jìn)制數(shù)，就需要有多少根傳輸線，因而成本較高。通常，并行傳輸用于傳輸速率高的近距離傳輸。(2)串行傳輸。數(shù)據(jù)在一個(gè)信道上按位順序傳輸?shù)姆绞椒Q為串行傳輸。其特點(diǎn)是：串行傳輸通常只需要一到兩根的傳輸線，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，通信線路簡單，成本低，但與并行傳輸相比傳輸速度慢，故常用于遠(yuǎn)距離傳輸而速度要求不高的場合。

2.基帶傳輸與頻帶傳輸根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在傳輸由終端形成的數(shù)據(jù)信號的過程中，是否搬移信號的頻譜和是否進(jìn)行調(diào)制，可將數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩種。

(1)基帶傳輸。所謂基帶，是指電信號的基本頻帶。計(jì)算機(jī)、PLC及其他數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生的“0”和“l(fā)”的電信號脈沖序列就是基帶信號。基帶傳輸是指數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對信號不做任何調(diào)制，直接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式。在PLC網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)采用基帶傳輸，對二進(jìn)制數(shù)字信號不進(jìn)行任何調(diào)制，按照它們原有的脈沖形式直接傳輸。但是若傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，則可以考慮采用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行頻帶傳輸。

為了滿足基帶傳輸?shù)膶?shí)際需要，通常要求把單極性脈沖序列經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕鶐Ь幋a，以保證傳輸碼型中不含有直流分量，并具有一定的檢測錯(cuò)誤信號狀態(tài)的能力。基帶傳輸?shù)膫鬏敶a型很多，常用的有曼徹斯特(Manchester)碼(雙相碼)、差分雙相碼、密勒碼、傳號交替反轉(zhuǎn)碼(AMI)、三階高密度雙極性碼等。在PLC網(wǎng)絡(luò)中，采用較多的是曼徹斯特編碼方式。主要原因是：該種編碼方式在傳輸過程中，為了避免當(dāng)存在多個(gè)連續(xù)的“0”和“1”時(shí)，系統(tǒng)無同步參考，故在編碼中采用發(fā)送“1”時(shí)前半周期為低電平，后半周期為高電平，傳輸“0”時(shí)前半周期為高電平，后半周期為低電平的辦法。這樣在每個(gè)碼元的中心位置都存在著電平跳變，具有“內(nèi)含時(shí)鐘”的性質(zhì)，即使連續(xù)傳輸多個(gè)“0”或“1”時(shí)，波形也有跳變，有利于提取定時(shí)同步信號。(2)頻帶傳輸。頻帶傳輸是把信號調(diào)制到某一頻帶上的傳輸方式。當(dāng)進(jìn)行頻帶傳輸時(shí)，用調(diào)制器把二進(jìn)制信號調(diào)制成能在公共電話上傳輸?shù)囊纛l信號(模擬信號)在通信線路上進(jìn)行傳輸。信號傳輸?shù)浇邮斩撕螅俳?jīng)過解調(diào)器的解調(diào)，把音頻信號還原為二進(jìn)制信號。這種以調(diào)制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞骄头Q為頻帶傳輸。可采用三種方式進(jìn)行調(diào)制：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。這三種調(diào)制方式的信號關(guān)系如圖7.1所示。調(diào)幅是指根據(jù)數(shù)字信號的變化改變載波信號的幅度。例如，傳送“1”時(shí)為載波信號，傳送“0”時(shí)為0，載波信號的頻率和相位均未改變。

調(diào)頻是指根據(jù)數(shù)字信號的變化改變載波信號的頻率。“1”時(shí)頻率高，“0”時(shí)頻率低，載波信號的幅度和相位均未改變。調(diào)相是指根據(jù)數(shù)字信號的變化改變載波信號的相位。數(shù)字信號從“0”變?yōu)椤?”時(shí)或是從“1”變?yōu)椤?”時(shí)載波信號的相位改變180°，但頻率和幅度均未改變?；鶐鬏敺绞绞拐麄€(gè)頻帶范圍都用來傳輸某一數(shù)字信號(即單信道)，常用于半雙工通信。頻帶傳輸時(shí)，在同一條傳輸線路上可用頻帶分割的方法將頻帶劃分為幾個(gè)信道，同時(shí)傳輸多路信號，例如，傳輸兩種信號，數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸使用高頻信道，各站間的應(yīng)答響應(yīng)使用低頻道，常用于全雙工通信。圖7.1三種調(diào)制方式示意圖(a)調(diào)幅；(b)調(diào)頻；(c)調(diào)相

3.異步傳輸和同步傳輸發(fā)送端和接收端之間的同步問題，是數(shù)據(jù)通信中的重要問題。同步進(jìn)行的不好，輕者導(dǎo)致誤碼增加，重者使整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。在傳輸過程中，為解決這一問題，在串行通信中采用了兩種同步技術(shù)：異步傳輸和同步傳輸。(1)異步傳輸。異步傳輸也稱起止式傳輸，它是利用起止法來達(dá)到收發(fā)同步的。在異步傳輸中，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼為一串脈沖，每一個(gè)傳輸?shù)淖址加幸粋€(gè)附加的起始位和多個(gè)停止位。字節(jié)傳輸由起始位“0”開始，然后是被編碼的字節(jié)，通常規(guī)定低位在前，高位在后，接下來是校驗(yàn)位(可省略)，最后是停止位“1”(可以是1位、1.5位或2位，用以表示字符的結(jié)束)。例如，傳輸一個(gè)ASCII碼字符(7位)，若選用2位停止位、1位校驗(yàn)位和1位起始位，那么傳輸這個(gè)7位ASCII碼字符就需要11位。其格式如圖7.2(a)所示。(2)同步傳輸。由于異步傳輸時(shí)對每個(gè)字符都附加了起始位和停止位，因此在需要傳輸大量數(shù)據(jù)塊的場合，就顯得太浪費(fèi)了。若使用同步傳輸，它把每個(gè)完整的數(shù)據(jù)塊(幀)作為整體來傳輸，這樣就可以克服異步傳輸效率低的缺點(diǎn)。為了使接收設(shè)備能夠準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù)塊的信息，同步傳輸在數(shù)據(jù)開始處用同步字符“SYN”來指示，由定時(shí)信號(時(shí)鐘)來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端同步，一旦檢測到與規(guī)定的字符相符合，接下去就是按順序傳輸數(shù)據(jù)。在這種傳輸方式中，數(shù)據(jù)以一組數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)塊)為單位傳輸，數(shù)據(jù)塊中每個(gè)字節(jié)之間不需要附加停止位和起始位，因而傳輸效率高。但同步傳輸所需要的軟件、硬件的價(jià)格比異步傳輸?shù)母撸虼顺Ｔ跀?shù)據(jù)傳輸速率較高的系統(tǒng)中才采用同步傳輸。同步傳輸格式如圖7.2(b)所示。圖7.2異步傳輸與同步傳輸(a)異步傳輸；(b)同步傳輸7.1.2線路通信方式

(1)單工通信方式。單工通信是指信息的傳送始終保持同一個(gè)方向，而不能進(jìn)行反向傳送，如圖7.3(a)所示。其中A端只能作為發(fā)送端，B端只能作為接收端。

(2)半雙工通信方式。半雙工通信是指信息流可以在兩個(gè)方向上傳送，但同一時(shí)刻只限于一個(gè)方向傳送，如圖7.3(b)所示。其中A端和B端都具有發(fā)送和接收的功能，但傳送線路只有一條，或者A端發(fā)送B端接收，或者B端發(fā)送A端接收。

(3)全雙工通信方式。全雙工通信能在兩個(gè)方向上同時(shí)發(fā)送和接收，如圖7.3(c)所示。A端和B端雙方都可以一面發(fā)送數(shù)據(jù)，一面接收數(shù)據(jù)。圖7.3線路通信方式(a)單工示意圖；(b)半雙工示意圖；(c)全雙工示意圖7.1.3傳輸速率傳輸速率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚呛饬肯到y(tǒng)傳輸?shù)闹饕笜?biāo)。在數(shù)據(jù)傳輸中定義有三種速率：調(diào)制速率、數(shù)據(jù)信號速率和數(shù)據(jù)傳輸速率。

(1)調(diào)制速率。調(diào)制速率也稱碼元速率，是脈沖信號在經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率。即信號在調(diào)制過程中，單位時(shí)間內(nèi)調(diào)制信號波形的變化次數(shù)，也就是單位時(shí)間內(nèi)所能調(diào)制的調(diào)制次數(shù)，單位是波特(Baud)，通常用于表示調(diào)制解調(diào)器之間傳輸信號的速率。(2)數(shù)據(jù)信號速率。數(shù)據(jù)信號速率是單位時(shí)間內(nèi)通過信道的信息量，單位是比特/秒(BitPerSecond)，用b/s表示。調(diào)制速率(波特)和數(shù)據(jù)信號速率(比特/秒)在傳輸?shù)恼{(diào)制信號是二態(tài)串行傳輸時(shí)，兩者的速率在數(shù)值上是相同的。例如，調(diào)制速率為1200Baud的二態(tài)串行傳輸?shù)恼{(diào)頻波，與它相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信號的速率為1200b/s，可見它們在數(shù)值上是相等的。(3)數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)傳輸速率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)量的單位可以是比特、字符等，通常以字符/分鐘為單位。例如，使用數(shù)據(jù)信號速率為1200b/s的傳輸電路，按起止同步方式來傳輸ASCII數(shù)據(jù)時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為數(shù)據(jù)傳輸速率=(1200×60)／(8＋2)＝7200(字符/分鐘)其中分母中的“2”是指在一個(gè)字符位附加的起始比特和終止比特。7.1.4差錯(cuò)控制數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本任務(wù)是高效而無差錯(cuò)地傳輸和處理數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的各個(gè)組成部分都存在著有差錯(cuò)的可能性。由于通信設(shè)備部分可以達(dá)到較高的可靠性，因此一般認(rèn)為數(shù)據(jù)通信的差錯(cuò)主要來自于數(shù)據(jù)傳輸信道。數(shù)據(jù)信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離的傳輸往往會(huì)受到各種的干擾，致使接收到的數(shù)據(jù)信號出現(xiàn)差錯(cuò)，引起數(shù)據(jù)信號序列的錯(cuò)誤。在實(shí)際中隨機(jī)性的錯(cuò)誤和突發(fā)性的錯(cuò)誤通常是同時(shí)存在的。以下將簡單介紹差錯(cuò)控制的常用方式和編碼。

1.差錯(cuò)控制方式所謂差錯(cuò)控制，是指對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號進(jìn)行檢測錯(cuò)誤和糾正錯(cuò)誤。實(shí)際中常用的差錯(cuò)控制方式主要有以下四種：

(1)自動(dòng)檢錯(cuò)重傳(ARQ)。在這種方式中，發(fā)送端按編碼規(guī)則對擬發(fā)送的信號碼附加冗余碼后，再發(fā)送出去，接收端對收到的信號序列進(jìn)行差錯(cuò)檢測，判決有無錯(cuò)碼，并通過反饋信道把判決結(jié)果送回到發(fā)送端。若判決有錯(cuò)碼，發(fā)送端就重新發(fā)送原來的數(shù)據(jù)，直到接收端認(rèn)為無錯(cuò)為止；若判決為無錯(cuò)碼，發(fā)送端就可以繼續(xù)傳送下一個(gè)新的數(shù)據(jù)。(2)前向糾錯(cuò)(FEC)。在這種方式中，發(fā)送端按照一定的編碼規(guī)則對擬發(fā)送的信號碼元附加冗余碼，構(gòu)成糾錯(cuò)碼。接收端將附加冗余碼元按照一定的譯碼規(guī)則進(jìn)行變換，檢測信號中有無錯(cuò)碼，若有錯(cuò)，自動(dòng)確定錯(cuò)碼位置，并加以糾正。該方式物理實(shí)現(xiàn)簡單，無需反饋信道，適用于實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，但譯碼器一般比較復(fù)雜。(3)混合糾錯(cuò)(HEC)?；旌霞m錯(cuò)方式是前向糾錯(cuò)與自動(dòng)檢錯(cuò)重傳兩種方式的綜合。發(fā)送端發(fā)送具有檢測和糾錯(cuò)能力的碼元，接收端對所接收的碼組中的差錯(cuò)個(gè)數(shù)在糾錯(cuò)的能力范圍之內(nèi)能夠自動(dòng)進(jìn)行糾錯(cuò)，否則接收端將通過反饋信道要求發(fā)送端重新發(fā)送該信息?；旌霞m錯(cuò)方式綜合了ARQ和FEC的優(yōu)點(diǎn)，卻未能克服它們各自的缺點(diǎn)，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。

(4)不用編碼的差錯(cuò)控制。不用編碼的差錯(cuò)控制是指不需對傳送的信號碼元進(jìn)行信號編碼，而在傳輸方法中附加冗余措施來減少傳輸中的差錯(cuò)。

2.常用的幾種檢錯(cuò)碼

(1)奇偶校驗(yàn)碼。它是以字符為單位的校驗(yàn)方法。一個(gè)字符一般由8位組成，低7位是信息字符的ASCII代碼，最高位是奇偶校驗(yàn)位，該位可以是1或者0。其原則是：使整個(gè)編碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)，若“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)就稱為“奇校驗(yàn)”，若“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)的就稱為“偶校驗(yàn)”。奇偶校驗(yàn)的原理是：若采用奇校驗(yàn)，發(fā)送端發(fā)送一個(gè)字符編碼(含有校驗(yàn)碼)，若“1”的個(gè)數(shù)一定為奇數(shù)，在接收端對“1”的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果統(tǒng)計(jì)的結(jié)果“1”的個(gè)數(shù)是偶數(shù)，那一定意味著在傳輸?shù)倪^程中有一位發(fā)生了差錯(cuò)。顯然，若發(fā)生了奇數(shù)個(gè)差錯(cuò)接收端都可以發(fā)現(xiàn)，但若發(fā)生了偶數(shù)個(gè)差錯(cuò)接收端就無法查出。由于奇偶校驗(yàn)碼只需附加一位奇偶校驗(yàn)位編碼，效率較高，因而得到了廣泛的應(yīng)用。(2)循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)碼。對于一個(gè)由“0”和“1”組成的二進(jìn)制碼原序列都可以用一個(gè)二進(jìn)制多項(xiàng)式來表示，例如：1101001可以表示成1*x6+1*x5+*x4+1*x3+0*x2+0*x1+1*x0，一般地說，n位二進(jìn)制碼原序列可以用n-1階多項(xiàng)式表示。由于多項(xiàng)式間的運(yùn)算是其對應(yīng)系數(shù)按模2進(jìn)行運(yùn)算，因此兩個(gè)二進(jìn)制多項(xiàng)式相減就等于兩個(gè)二進(jìn)制多項(xiàng)式相加。采用CRC碼時(shí)，通常在信息長度為k位的二進(jìn)制序列之后，附加上r(r=n-k)位監(jiān)督位，組成一個(gè)碼長為n的循環(huán)碼。每個(gè)循環(huán)碼都可以有它自己的生成多項(xiàng)式g(x)(規(guī)定生成多項(xiàng)式g(x)的最高位和最低位的系數(shù)必須為1)，由于任意一個(gè)循環(huán)碼的碼字c(x)都是生成多項(xiàng)式的倍式，因此c(x)被g(x)除后余式必為零。利用上述的原理就可以進(jìn)行循環(huán)碼的編碼，即從信息多項(xiàng)式m(x)求得循環(huán)碼的碼字c(x)。7.1.5傳輸介質(zhì)目前，普遍使用的傳輸介質(zhì)有同軸電纜、雙絞線、光纜，其他介質(zhì)如無線電、紅外線、微波等在PLC網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用很少。其中雙絞線(帶屏蔽)成本低，安裝簡單；光纜尺寸小，重量輕，傳輸距離遠(yuǎn)，但成本高，安裝維修需專用儀器。具體性能比較見表7.1。表7.1傳輸介質(zhì)性能比較7.1.6串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)串行通信的連接接口與連線電纜是直觀可見的，它們的相互兼容是通信得以保證的第一要求，因此串行通信的實(shí)現(xiàn)方法發(fā)展迅速，形式繁多，這里主要介紹一些常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。

1.RS-232C串行接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-232C是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(ElectronicIndustriesAssociation)所公布的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。“RS”是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”一詞的縮寫，“232”是標(biāo)識(shí)號，“C”表示此標(biāo)準(zhǔn)修改的次數(shù)。它既是一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，又是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了終端和通信設(shè)備之間信息交換的方式和功能。PLC與上位計(jì)算機(jī)之間的通信就是通過RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口來實(shí)現(xiàn)的。1)接口的機(jī)械特性

RS-232C的標(biāo)準(zhǔn)接插件是25針的D型連接器，螺釘中心到螺釘中心為47.04±0.13mm寬，所有其它尺寸也都作了規(guī)定。頂行針編號從左到右為1～13，底行針編號從左到右為14～25。盡管RS-232C規(guī)定的是25針連接器，但實(shí)際應(yīng)用中并未將25個(gè)引腳全部用滿，最簡單的通信只需3根引線，最多的也不過用到22根。所以在上位計(jì)算機(jī)與PLC的通信中，使用的連接器有25針的，也有9針的，具體采用哪一種，用戶可根據(jù)實(shí)際需要自行配置。2)接口的電氣特性

RS-232C采用負(fù)邏輯，規(guī)定邏輯“1”電平在－15～－5V范圍內(nèi)，邏輯“0”在＋5～＋15V范圍內(nèi)。這樣在線路上傳送的電平可高達(dá)±12V，較之小于＋5V的TTL電平來說有更強(qiáng)的抗干擾性能。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定：最大傳送距離為15m(實(shí)際上可達(dá)約30m)，最高傳輸速率為20kb/s。3)接口的信號功能

RS-232C定義了電路之間的連接以及它們的含義。圖7.4給出了在PLC與上位計(jì)算機(jī)連接中常用到的9針功能，其余的針則經(jīng)常省略不連。終端或計(jì)算機(jī)加上電，數(shù)據(jù)終端就緒線(DataTerminalReady，針20)就置為邏輯“1”；Modem加上電，數(shù)據(jù)設(shè)備就緒線(DataSetReady，針6)就置為邏輯“1”；載波檢測線(CarrierDetect，針8)檢測到電話線上有載波信號時(shí)也置為邏輯“1”；請求發(fā)送線(RequestToSend，針4)表示終端希望發(fā)送數(shù)據(jù)；清除發(fā)送線(ClearToSend，針5)表示Modem準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。發(fā)送線(TransmitCircuit，針2)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收線(ReceiveCircuit，針3)接收數(shù)據(jù)。圖7.425針串口主要信號定義示意圖RS-232C的規(guī)程規(guī)范便是協(xié)議，即事件出現(xiàn)的正當(dāng)順序。這種協(xié)議是以成對的動(dòng)作-反應(yīng)為基礎(chǔ)的。例如，當(dāng)終端宣布請求發(fā)送時(shí)，如果Modem能接收數(shù)據(jù)的話就要以清除發(fā)送給出反應(yīng)，類似的動(dòng)作-反應(yīng)在其它線路中也存在。通常情況是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)都使用RS-232C直接進(jìn)行連接。由于沒有一個(gè)是Modem，因此這種情況稱為空調(diào)制解調(diào)器或零調(diào)制解調(diào)方式，這時(shí)只要把相關(guān)的線路直接連接就能實(shí)現(xiàn)通信，一臺(tái)計(jì)算機(jī)的發(fā)送線連接到另一臺(tái)的接收線上，其它的某些線路也以同樣的方式進(jìn)行交叉連接。圖7.5(a)為采用RS-232C連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的典型接線，圖7.5(b)所示的接線方式在大多數(shù)情況下是可行的。圖7.5兩個(gè)RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備無Modem連接4)RS-232的不足之處盡管RS-232C是目前廣泛應(yīng)用的串行通信的接口，然而RS-232還存在著一系列不足之處：

(1)傳送速率和距離有限；

(2)沒有規(guī)定連接器，因而產(chǎn)生25針不同的設(shè)計(jì)方案，這些方案有時(shí)不兼容；

(3)每根信號線只有一根導(dǎo)線、兩個(gè)傳送方向，僅有一根信號地線，發(fā)送器與接收器之間存在潛在的地線回流不平衡的問題，可能在信號成分間產(chǎn)生干擾。

2.RS-449及RS-422A/423A標(biāo)準(zhǔn)為了解決RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中的不足，EIA對是否需要建立一種與老標(biāo)準(zhǔn)兼容的新標(biāo)準(zhǔn)(技術(shù)上不是非常先進(jìn))，還是建立一種新的具有技術(shù)前瞻性的不兼容的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了長期的辯論，最后對這兩種意見進(jìn)行了折衷，于1977年制定了RS-449標(biāo)準(zhǔn)。其特點(diǎn)是：(1)支持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；(2)支持較遠(yuǎn)的傳輸距離；(3)制定連接器的技術(shù)規(guī)范；(4)提供平衡電路改進(jìn)接口電氣特性。RS-449標(biāo)準(zhǔn)定義了RS-232C中所沒有的10種電路功能，規(guī)定用37腳的連接器。實(shí)際上RS-449是將三種標(biāo)準(zhǔn)集于一身，在RS-449中給出了機(jī)械接口、功能接口和規(guī)程接口，但是電氣接口卻以兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)給出。其中一個(gè)就是RS-423A，它與RS-232C類似，它的所有線路都共享一根公用地線，這種技術(shù)稱為不平衡傳送(UnbalancedTransmission)。第二個(gè)電氣標(biāo)準(zhǔn)為RS-422A，對應(yīng)于平衡傳送(BalancedTransmission)技術(shù)，這里的每條主要線路都用兩條線，沒有公共地線。圖7.6給出了RS-232C、RS-422A的典型轉(zhuǎn)換電路。EIARS-422A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣接口是差分平衡式的，它能在較長的距離內(nèi)明顯地提高傳輸速率，例如，1200m的距離，速率可以達(dá)到100kb/s，而在12m等較短的距離內(nèi)則可提高到10Mb/s。如圖7.6所示，平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收方法從根本上消除了信號地線，這種驅(qū)動(dòng)相當(dāng)于兩個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，它們的輸入是同一個(gè)信號，而一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出正好與另一個(gè)的輸出反相。當(dāng)干擾信號作為共模信號出現(xiàn)時(shí)，接收器則接收差分輸入電壓。只要接收器具有足夠的抗共模電壓工作范圍，它就能識(shí)別這兩種信號而正確接收傳送的信息。

這種性能的改善是由于平衡電氣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的，它能有效地從地線的干擾中分離出有效信號。差分接收器可以區(qū)分0.2V以上的電位差，因此可以不受對地參考系統(tǒng)的地電位的波動(dòng)和共模電磁的干擾。因此，在工程應(yīng)用中，有時(shí)為把遠(yuǎn)距離(如數(shù)百米)的兩臺(tái)或多臺(tái)帶有RS-232C接口的設(shè)備連接起來進(jìn)行通信或組成分散式系統(tǒng)，這時(shí)不能用RS-232C串接口直接連接，但可以采用RS-232C/422A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行連接，即在現(xiàn)有的RS-232C串行口上附加轉(zhuǎn)換電路，兩個(gè)轉(zhuǎn)換電路之間采用RS-422A方式連接。圖7.6RS-232C、RS-422A的驅(qū)動(dòng)及接收電路(a)單端驅(qū)動(dòng)單端接收電路(RS-232C)；(b)平衡驅(qū)動(dòng)差分接收電路(RS-422A)

3.RS-485標(biāo)準(zhǔn)在許多工業(yè)環(huán)境中，要求用最少的信號連線來完成通信任務(wù)。目前廣泛應(yīng)用的RS-485串行接口總線正是適應(yīng)這種需要而出現(xiàn)的，它幾乎已經(jīng)在所有新設(shè)計(jì)的裝置或儀表中出現(xiàn)。RS-485實(shí)際上是RS-422A的簡化變形，它與RS-422A的不同之處在于：RS-422A支持全雙工通信，RS-485僅支持半雙工通信；RS-422A采用兩對信號線，分別用于發(fā)送和接收，RS-485分時(shí)使用一對信號線發(fā)送或接收。在點(diǎn)對點(diǎn)遠(yuǎn)程通信時(shí)，它們的電路連接如圖7.7所示。對于每個(gè)通信子站來說，RS-422A和RS-485的驅(qū)動(dòng)/接收電路性能沒有多大區(qū)別。RS-485串行口在PLC局域網(wǎng)中應(yīng)用很普遍，如西門子S7系列PLC采用的就是RS-485串行口。圖7.7RS-422A、RS-485互聯(lián)方案(a)RS-422A點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)；(b)RS-485點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)

在采用RS-485互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)中，某一時(shí)刻兩個(gè)站中只有一個(gè)站可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而另一個(gè)站只能接收數(shù)據(jù)，因此其發(fā)送電路是由使能端來控制的。RS-485用于多站互聯(lián)十分方便，可以節(jié)省昂貴的信號線，同時(shí)，它可以高速遠(yuǎn)距離傳輸。許多智能儀表均配有RS-485總線接口，將它們聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)十分方便。

RS-422A/485差分信號的傳輸線為雙絞線，常用的2芯雙絞線的Z0值為100Ω，因此，兩根信號線之間連接的匹配電阻為100Ω。更為常用的端接方法是在每根信號線與地之間連接50Ω的電阻，這種方法有助于兩根信號線保持平衡。表7.2給出了三種串行通信接口的驅(qū)動(dòng)臺(tái)數(shù)、物理連接距離和傳輸速率等。表7.2串行通信接口EIARS-232C、RS-422A和RS-485的電氣性能對比7.2工業(yè)局域網(wǎng)基礎(chǔ)7.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和局部網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是指將地理位置不同且具有獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路將其連接起來，由功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信息交換控制程序和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是雙重作用的節(jié)點(diǎn)，用來負(fù)責(zé)管理和收發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息，通常是起著通信控制處理作用的接口裝置。通信鏈路是節(jié)點(diǎn)間的一條通信信道。為提高通信的可靠性，兩節(jié)點(diǎn)之間可以采用一條以上的通信鏈路。

按所覆蓋的地域范圍大小，即通信距離遠(yuǎn)近，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可分為遠(yuǎn)程網(wǎng)、局域網(wǎng)和分布式多處理機(jī)三類。遠(yuǎn)程網(wǎng)(RemoteNetwork)的傳輸距離通常從數(shù)千米到數(shù)千千米乃至數(shù)萬千米。因分布范圍太大，借用電話、電報(bào)等公共傳輸網(wǎng)，故數(shù)據(jù)傳輸率較低，常小于100kb/s。分布式多處理機(jī)的傳輸距離局限于幾米以內(nèi)，系統(tǒng)耦合緊密，通信功能完全集中。局域網(wǎng)(LocalAreaNetwork，簡稱LAN)是小區(qū)域內(nèi)各種通信設(shè)備互聯(lián)在一起的通信網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域距離從幾百米到幾千米，數(shù)據(jù)傳輸速率為0.1～100Mb/s。它的誤碼率低，為10－11～10－8?；ヂ?lián)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及控制設(shè)備可達(dá)幾百臺(tái)。決定局域網(wǎng)絡(luò)特性的主要技術(shù)有：用以傳輸數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)，用以連接各種設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用以共享資源的介質(zhì)訪問控制方法。

1.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如果把數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)抽象成數(shù)學(xué)上的點(diǎn)，把通信鏈路抽象成線段，這種網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間連接方式的幾何抽象，稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Topology)。若一個(gè)網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，采用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接通信鏈路的全連接方法，則網(wǎng)絡(luò)共需N(N-1)/2條鏈路，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要N-1個(gè)輸入/輸出接口。因此，網(wǎng)絡(luò)成本與N2成正比。顯然，這種全連接方式?jīng)]有使用價(jià)值。為了使網(wǎng)絡(luò)資源共享，同時(shí)又只需要較少通信鏈路，就有必要研究網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及信息通過中間節(jié)點(diǎn)時(shí)的傳送等問題。

局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有三種類型：星型、環(huán)型和總線型。

(1)星型網(wǎng)。星型網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)中心轉(zhuǎn)接站(又稱中央節(jié)點(diǎn))。網(wǎng)絡(luò)中的通信站和中心轉(zhuǎn)換站之間都有一條點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路連接，如圖7.8(a)所示。任意兩個(gè)通信站之間的通信都由中心轉(zhuǎn)換站為它們建立物理連接，在建立了所需電路后，這兩個(gè)通信站之間才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中心轉(zhuǎn)換站執(zhí)行集中式通信控制策略，它負(fù)責(zé)按通信站的請求來建立、維持和拆除通信所需通路。

星型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，便于管理控制，建網(wǎng)容易，線路可用性強(qiáng)，效率高，網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短，誤碼率較低，便于程序集中開發(fā)和資源共享。但系統(tǒng)花費(fèi)大，網(wǎng)絡(luò)共享能力差，負(fù)責(zé)通信協(xié)調(diào)工作的上位計(jì)算機(jī)負(fù)荷大，通信線路利用率不高，且系統(tǒng)對上位計(jì)算機(jī)的依賴性也很強(qiáng)，一旦上位機(jī)發(fā)生故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信就得停止。在小系統(tǒng)、通信不頻繁的場合可以應(yīng)用。星型網(wǎng)絡(luò)常用雙絞線作為傳送介質(zhì)。上位計(jì)算機(jī)(也稱主機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、中央處理機(jī))通過點(diǎn)到點(diǎn)的方式與各現(xiàn)場處理機(jī)(也稱從機(jī))進(jìn)行通信，就是一種星型結(jié)構(gòu)。各現(xiàn)場機(jī)之間不能直接通信，若要進(jìn)行相互間的數(shù)據(jù)傳送，就必須通過作為中央節(jié)點(diǎn)的上位計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)。(2)環(huán)型網(wǎng)。環(huán)型網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過環(huán)路通信接口或適配器連接在一條首尾相連的閉合環(huán)型通信線路上，環(huán)路上任何節(jié)點(diǎn)均可以請示發(fā)送信息。請求一旦被批準(zhǔn)，便可以向環(huán)路發(fā)送信息。環(huán)型網(wǎng)中的數(shù)據(jù)主要采用單向傳送，也可以是雙向傳送，由于環(huán)線是公用的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息必須穿越環(huán)中所有的環(huán)路接口，信息中目的地址與環(huán)上某節(jié)點(diǎn)地址相符時(shí)，數(shù)據(jù)信息被該節(jié)點(diǎn)的環(huán)路接口所接收，而后信息繼續(xù)傳向下一環(huán)路接口，一直流回發(fā)送該信息的環(huán)路接口節(jié)點(diǎn)為止。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7.8(b)所示。

環(huán)型網(wǎng)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，掛接或摘除節(jié)點(diǎn)容易，安裝費(fèi)用低；由于在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)中是沿固定方向流動(dòng)的，節(jié)點(diǎn)間僅有一個(gè)通路，大大簡化了路徑選擇控制；某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)旁路，系統(tǒng)可靠性高。所以工業(yè)上的信息處理和自動(dòng)化系統(tǒng)常采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但節(jié)點(diǎn)過多時(shí)，會(huì)影響傳送效率，全網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間變長。(3)總線型網(wǎng)。利用總線把所有的節(jié)點(diǎn)連接起來，這些節(jié)點(diǎn)共享總線，對總線有同等的訪問權(quán)?？偩€型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7.8(c)所示?？偩€型網(wǎng)絡(luò)由于采用廣播方式傳送數(shù)據(jù)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息經(jīng)過通信接口(或適配器)后，沿總線向相反的兩個(gè)方向傳送，可以使所有節(jié)點(diǎn)接收到，各節(jié)點(diǎn)將目的地址是本站站號的信息接收下來。這樣就無需進(jìn)行集中控制和路徑選擇，其結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議都比較簡單。在總線型網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)共享一條通信傳送鏈路，因此，在同一時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)上只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。一旦兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息就會(huì)發(fā)生沖突。在不使用通信指揮器HTD的分散通信控制方式中，常需規(guī)定一定的防沖突通信協(xié)議，常用的有令牌總線網(wǎng)(Token-passing-bus)和帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路存取控制協(xié)議CSMA/CD(CarrierSenseMultiplewithCollisionDetection)。

總線型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)充，設(shè)備安裝和修改費(fèi)用低，可靠性高，靈活性好，可連接多種不同傳送速率，不同數(shù)據(jù)類型的節(jié)點(diǎn)，也易獲得較寬的傳送頻帶，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，共享資源能力強(qiáng)，常用同軸電纜或光纜作傳輸介質(zhì)，特別適合于工業(yè)控制應(yīng)用，是工業(yè)控制局域網(wǎng)中常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖7.8網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(a)星型；(b)環(huán)型；(c)總線型

2.介質(zhì)訪問控制技術(shù)介質(zhì)訪問控制是指對網(wǎng)絡(luò)通道占有權(quán)的管理和控制。局域網(wǎng)絡(luò)上的信息交換方式有兩種。一種是線路交換，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間有固定的物理通道，且該通道一直保持到通話結(jié)束，如電話系統(tǒng)。第二種是“報(bào)文交換”或“包交換”。這種交換方式是把編址數(shù)據(jù)組從一個(gè)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，直到目的站。發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和接收節(jié)點(diǎn)之間無固定的物理通道。如果某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則通過其他通道把數(shù)據(jù)組送到目的節(jié)點(diǎn)。這有些像傳遞郵包或電報(bào)的方式，每一個(gè)編址數(shù)據(jù)組類似于一個(gè)郵包，故稱“包交換”或“報(bào)文交換”。

介質(zhì)訪問控制主要有以下兩種方式：

(1)令牌傳送方式。這種方式對介質(zhì)訪問的控制權(quán)是以令牌為標(biāo)志的。令牌是一組二進(jìn)制碼，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)按某種規(guī)則排序，令牌被依次從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，只有得到令牌的節(jié)點(diǎn)才有權(quán)控制和使用網(wǎng)絡(luò)。已發(fā)送完信息或無信息發(fā)送的節(jié)點(diǎn)將令牌傳給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在令牌傳送網(wǎng)絡(luò)中，不存在控制站，不存在主從關(guān)系。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)，成本不太高，可在任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。但一般常用總線型和環(huán)型結(jié)構(gòu)，即“TokenBus”和“TokenRing”，其中尤以“TokenBus”頗受工業(yè)界青睞，因這種結(jié)構(gòu)便于實(shí)現(xiàn)集中管理、分散式控制，很適合于工業(yè)現(xiàn)場。(2)爭用方式。這種方式允許網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)自由發(fā)送信息。但若兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送則會(huì)出現(xiàn)線路沖突，故需要做些規(guī)定，加以約束。目前常用的是CSMA/CD規(guī)約(以太網(wǎng)規(guī)約)，即帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路存取控制協(xié)議。這種協(xié)議要求每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)要“先聽后發(fā)、邊發(fā)邊聽”，即發(fā)送前先監(jiān)聽，在監(jiān)聽時(shí)，若總線空則可發(fā)送，忙則停止發(fā)送。發(fā)送的過程中還應(yīng)隨時(shí)監(jiān)聽，一旦發(fā)現(xiàn)線路沖突則停止發(fā)送，且已發(fā)送的內(nèi)容全部作廢。這種控制方式在輕負(fù)載時(shí)優(yōu)點(diǎn)突出，控制分散，效率高，但重負(fù)載時(shí)沖突增加，則傳送效率大大降低。而令牌方式恰恰在重負(fù)載時(shí)效率高。7.2.2通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，對所有通信設(shè)備或站點(diǎn)來說，它們都要共享網(wǎng)絡(luò)中的資源。但是由于接到網(wǎng)上的設(shè)備或計(jì)算機(jī)可能出自不同的生產(chǎn)廠，型號也不盡相同，硬件和軟件上的差異給通信帶來障礙。所以，一個(gè)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)必須有一套全網(wǎng)“成員”共同遵守的約定，以便實(shí)現(xiàn)彼此通信和資源共享，通常把這種約定稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(InternationalStandardOrganization)在1977年建立了一個(gè)分委員會(huì)以專門研究這一問題，并制訂了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7498“信息處理系統(tǒng)—開放系統(tǒng)互連—基本參考模型”(InformationProcessingSystems-OpenSystemsInterconnection-BasicReferenceModel)。該標(biāo)準(zhǔn)是信息處理領(lǐng)域內(nèi)最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，它為協(xié)調(diào)研制系統(tǒng)互連的各類標(biāo)準(zhǔn)提供共同的基礎(chǔ)，同時(shí)，規(guī)定了研制標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的范圍，為保持所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相容性提供了共同的參考。該標(biāo)準(zhǔn)為研究、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和改造信息處理系統(tǒng)提供功能上和概念上的框架。

在該標(biāo)準(zhǔn)中，提出了開放系統(tǒng)互連(OSI)的理由，定義了連接對象和互連的范圍，描述了OSI中所使用的模型化原則。開放系統(tǒng)互連是指彼此“開放”的系統(tǒng)，通過共同使用適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)信息的交換。因此，“系統(tǒng)是開放的”并不隱含特殊的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，也不隱含互連的技術(shù)和方法，它是指各系統(tǒng)互相識(shí)別并且支持適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)信息交換。OSI所使用的模型結(jié)構(gòu)是分層技術(shù)，用N層表示某一特定的層，用N+1、N-1層表示其相鄰的高層和低層。分層的概念也適用每一層所完成的服務(wù)，如N協(xié)議、N+1服務(wù)、N-1服務(wù)等。下面對OSI模型作簡單介紹。

1.OSI模型結(jié)構(gòu)分層

OSI按系統(tǒng)功能分為七層，每層都有相對的獨(dú)立功能，相對的兩層之間有清晰的接口，因而系統(tǒng)層次分明，便于設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和修改補(bǔ)充。OSI模型的低四層對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的透明傳輸，另外的高三層分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解釋、轉(zhuǎn)換和利用。OSI參考模型如圖7.9所示。前已提到，協(xié)議是使通信系統(tǒng)開放互連，即解決如何進(jìn)行對話的約定和規(guī)則，決定通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒑蛨?bào)文的格式與控制方法。OSI模型通常用語義(Semantics)規(guī)定要調(diào)整和進(jìn)行差錯(cuò)處理等的控制信息，執(zhí)行動(dòng)作和反饋的應(yīng)答，即通信雙方要講什么；用語法(Syntax)規(guī)定控制信息或數(shù)據(jù)的格式、信號電平，即通信雙方如何講；由時(shí)序(Timing)確定速度匹配和排序，由定時(shí)關(guān)系規(guī)定其執(zhí)行程序。圖7.9OSI參考模型

例如，要由站S1向站S2發(fā)送一批數(shù)據(jù)(報(bào)文)，站S1先把那些數(shù)據(jù)送到第7層(應(yīng)用層)，將一個(gè)報(bào)頭H7附加在數(shù)據(jù)上，報(bào)頭H7包含了第7層協(xié)議所需的信息，稱為對數(shù)據(jù)的封裝(Encapsulation)。再把原始數(shù)據(jù)加上報(bào)頭H7作為一個(gè)整體傳到第6層(表示層)，也加上它自己的報(bào)頭H6，稱為第二次封裝，H6也包含第6層協(xié)議所需的信息。繼續(xù)此過程，經(jīng)過第5層(會(huì)話層)、第4層(傳輸層)、第3層(網(wǎng)絡(luò)層)，分別封裝上H5、H4、H3報(bào)頭，再傳到第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)。第2層加報(bào)頭H2和報(bào)尾T2，其整體稱為信息幀(Frame)。信息幀送到第1層(物理層)，通過傳輸媒體把它送到目的站S2。當(dāng)S2收到此幀時(shí)，然后進(jìn)行與上述過程相反的卸裝和傳送，各層剝除外加的字頭和字尾，按照該層的通信協(xié)議進(jìn)行處理，逐層向上傳送，直到S2站第7層應(yīng)用層撤消字頭H7，S2即得到所送來的數(shù)據(jù)。至此，由站S1向站S2發(fā)送數(shù)據(jù)的通信結(jié)束。從上述通信過程可看出，數(shù)據(jù)通信是在第1層(物理層)之間進(jìn)行的，其余各同等層之間并不能直接通信。因此，可把第2～7層看作邏輯層，它們是組織數(shù)據(jù)傳送的軟件層。OSI模型從下到上分為七層，各有不同的功能及含義，而修改某層的功能不會(huì)影響其他層。下面簡要介紹各層的功能。(1)物理層：為通信提供物理信道，如采用信號電纜的類型、信號電平的大小與波形以及傳輸率等。此層主要涉及建立、維修和卸除物理鏈路上所需的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性和過程特性，故稱作物理層協(xié)議。例如，RS-232C、RS-449等不同的接口嚴(yán)格規(guī)定了四個(gè)特性標(biāo)準(zhǔn)。(2)數(shù)據(jù)鏈路層：分為兩個(gè)子層，即介質(zhì)訪問控制層(MAC)與邏輯鏈路控制層(LLC)。前者主要決定物理信道的使用問題，管理網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以避免把信號同時(shí)送到網(wǎng)絡(luò)上，造成信號沖突，不能通信。在信號一旦發(fā)生沖突時(shí)，MAC子層能采取錯(cuò)開時(shí)序的方法，使信號分時(shí)傳送。可見，MAC子層具有類似城市交通管理的鏈路交通管理的功能。后者保證信息正確有序、透明地在有噪信道上傳輸，它包含有檢錯(cuò)功能等。

(3)網(wǎng)絡(luò)層：主要是讓多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用一個(gè)物理信道，并進(jìn)行路徑選擇。(4)傳輸層：在一條物理信道上建立許多條邏輯信道，通過為一個(gè)用戶建立多條邏輯信道，或許多個(gè)用戶共享一個(gè)邏輯信道，并可進(jìn)行端—端控制，在不同站之間提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳輸，以提高網(wǎng)絡(luò)功能。

(5)會(huì)話層：為用戶進(jìn)程建立連接并對該連接上的傳輸過程進(jìn)行管理，必要時(shí)可撤除該連接，有處理某些同步與恢復(fù)的功能。(6)表示層：主要進(jìn)行信息的格式轉(zhuǎn)換，如文本的壓縮與加密等。

(7)應(yīng)用層：面向網(wǎng)絡(luò)用戶，為OSI環(huán)境中的用戶提供各種服務(wù)。因此，這一層與網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用有關(guān)，它應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能取決于用戶的應(yīng)用進(jìn)程和系統(tǒng)的應(yīng)用管理進(jìn)程。

OSI參考模型并不是標(biāo)準(zhǔn)，它僅為標(biāo)準(zhǔn)提供了一種主體結(jié)構(gòu)，供各種標(biāo)準(zhǔn)選擇。目前，普遍應(yīng)用的局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)只選用物理層與數(shù)據(jù)鏈路層，其余都為高層。

2.物理層(PL)協(xié)議物理層是通信網(wǎng)上各設(shè)備之間的物理接口，直接把數(shù)據(jù)從一臺(tái)設(shè)備傳送到另一臺(tái)設(shè)備。物理層協(xié)議規(guī)定了以下四個(gè)特性：

(1)機(jī)械特性。規(guī)定了連接器或插件的規(guī)格和安裝，例如RS-232C規(guī)定用25芯連接器，用25條線將兩臺(tái)設(shè)備連接起來。

(2)電氣特性。規(guī)定了傳輸線上數(shù)字信號的電平、傳輸距離和傳輸速率等。

(3)功能特性。定義了連接器內(nèi)各插腳的功能。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選用有關(guān)的接口線，但其中常用的三條線是用來發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的線和信號地線。

(4)過程特性。規(guī)定了信號之間的時(shí)序關(guān)系，以便正確地發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

3.數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)協(xié)議

DLL保證物理鏈路的可靠性，并提供建立和釋放鏈路的方法，是物理層的控制方，它把發(fā)送的數(shù)據(jù)組成幀，進(jìn)行差錯(cuò)控制和介質(zhì)訪問控制。DLL中一種常用的高級鏈路控制協(xié)議HDLC(High-levelDataLinkContro1)，是ISO于1972年提出的，并被推薦為國際標(biāo)準(zhǔn)，至今仍廣泛采用。HDLC是面向位的協(xié)議，以幀為傳送信息的基本單位，具有CRC檢驗(yàn)，適用于點(diǎn)到點(diǎn)、多點(diǎn)式環(huán)型網(wǎng)，采用連續(xù)發(fā)送同步通信方式，且可用半雙工或全雙工通信。

4.局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LAN)協(xié)議

LAN的地理范圍較小，一般只有100～250m，是得到廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。參照OSI模型，LAN采用總線型或環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，沒有中間交換點(diǎn)，不需要選擇路徑。根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)，LAN協(xié)議不需要單獨(dú)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)層，而將尋址、排序、流量控制、差錯(cuò)控制等功能放在數(shù)據(jù)鏈路層中實(shí)現(xiàn)，將該層分成邏輯鏈路控制層(LLC)和介質(zhì)訪問控制層(MAC)兩層，其功能基本上用硬件來實(shí)現(xiàn)，從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的高層功能則完全由軟件來實(shí)現(xiàn)，提供兩個(gè)站之間的端—端服務(wù)。LAN協(xié)議層與OSI模型層對應(yīng)關(guān)系如圖7.10所示。圖7.10LAN協(xié)議層與OSI模型層對應(yīng)關(guān)系

5.工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

1)PROWAY工業(yè)過程控制用數(shù)據(jù)公路標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)OSI模型，為滿足工業(yè)過程控制要求(尤其是要求實(shí)時(shí)性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快(毫秒數(shù)量級))，由國際電工委員會(huì)的WG6工作委員會(huì)制訂了用于集散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)PROWAY。它以美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.2和IEEE802.4為基礎(chǔ)，有三個(gè)基本功能層或者實(shí)體，即鏈路控制層(PLC)、介質(zhì)存取控制層(MAC)和物理接收發(fā)送層(PHY)。與OSI模型分層比較，PLC與MAC子層構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路層，PHY對應(yīng)于物理層。PLC子層為用戶提供以下三種基本服務(wù)：

(1)由一個(gè)本地發(fā)送站使用應(yīng)答(立即響應(yīng))協(xié)議向一個(gè)遠(yuǎn)程應(yīng)答站發(fā)送數(shù)據(jù)；

(2)由一個(gè)本地站無確認(rèn)或重復(fù)地發(fā)送數(shù)據(jù)給一個(gè)或幾個(gè)遠(yuǎn)程接收站；

(3)由一個(gè)本地站使用應(yīng)答(直接響應(yīng))協(xié)議向一個(gè)遠(yuǎn)程站請求以提供信息。MAC子層的功能在邏輯上分為接口機(jī)(IFM)、存取控制機(jī)(ACM)、接收機(jī)(RxM)和發(fā)送機(jī)(TxM)等四個(gè)異步機(jī)構(gòu)部分。每個(gè)機(jī)構(gòu)處理MAC的某些功能，包括令牌丟失計(jì)時(shí)器、分散啟動(dòng)、令牌保持計(jì)時(shí)器、數(shù)據(jù)緩沖、節(jié)點(diǎn)地址識(shí)別、幀的封裝和解裝、幀檢測序列發(fā)生和校驗(yàn)、有效令牌的識(shí)別、回路單元的新增及節(jié)點(diǎn)故障和差錯(cuò)恢復(fù)等。

PHY子層的通信媒體為單信道同軸電纜總線，采用75Ω同軸電纜，干線用半剛性的，支線用柔性的，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s，收發(fā)信號是相位連續(xù)的移頻鍵控方式的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)。

與IEEE802.2和IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)相比較，PROWAY在實(shí)時(shí)性、可靠性方面補(bǔ)充了有關(guān)內(nèi)容，如采用冗余接口和冗余通信媒體提高系統(tǒng)可靠性，站間設(shè)有隔離裝置，使得網(wǎng)絡(luò)中任一數(shù)據(jù)站的故障都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信工作。2)MAP制造自動(dòng)化協(xié)議由美國通用汽車公司(GeneralMotor)發(fā)起的，現(xiàn)已有幾千家公司參加的MAP用戶集團(tuán)建立了在工業(yè)環(huán)境下的局域網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，稱為制造自動(dòng)化協(xié)議(ManufactureAutomationProtocol)。參照OSI分層模型和PROWAY的分層模型，MAP現(xiàn)已有三種結(jié)構(gòu)：全MAP(FullMAP,FM)、小MAP(MiniMAP,MM)及增強(qiáng)型MAP(EnhancedPerformanceArchitectureMAP,EPAMAP)。圖7.11EPAMAP結(jié)構(gòu)圖

全MAP采用寬帶同軸電纜，可以連接計(jì)算機(jī)、應(yīng)用計(jì)算機(jī)及通過網(wǎng)橋與MAP載帶網(wǎng)相連。它的通信協(xié)議采用IEEE802的有關(guān)協(xié)議以及ISO的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，與OSI參考模型的分層一一對應(yīng)。為了減小封裝和解裝時(shí)間，以及接口服務(wù)時(shí)間，參照PROWAY的標(biāo)準(zhǔn)，建立了小MAP，它只有物理層、鏈路層及應(yīng)用層，稱為塌縮結(jié)構(gòu)。由于它有較好的實(shí)時(shí)響應(yīng)，因此，在實(shí)際集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制級和操作員級的通信中得到廣泛的應(yīng)用。EPAMAP介于全MAP與小MAP之間，其結(jié)構(gòu)如圖7.11所示。它的一邊采用全MAP，另一邊支持小MAP，兩邊可以相互通信。因此，它應(yīng)用于全MAP與小MAP連接的通信系統(tǒng)中。MAP網(wǎng)絡(luò)以節(jié)點(diǎn)為核心，通過網(wǎng)橋可以與MAP載帶網(wǎng)相連，通過網(wǎng)間連接器可以與其他網(wǎng)絡(luò)相連。理論上可帶節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)248個(gè)，實(shí)際上應(yīng)用在數(shù)百點(diǎn)以上。MAP寬帶頻率范圍為59.75～95.75MHz，采用頻分多路復(fù)用方式，數(shù)字信息經(jīng)調(diào)制后由較低頻道頻率發(fā)送，以較高頻道頻率接收。依據(jù)IEEE802.4的標(biāo)準(zhǔn)，MAP采用令牌傳送方式進(jìn)行信息管理，其數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mb/s。

MAP節(jié)點(diǎn)把高層功能的實(shí)現(xiàn)，安排在節(jié)點(diǎn)智能部分來完成。在MAP節(jié)點(diǎn)中有節(jié)點(diǎn)微處理器與節(jié)點(diǎn)本地總線相連接?？偩€帶有存儲(chǔ)器、外部設(shè)備和MAC子層接口，使LLC子層及上面各層的通信由軟件實(shí)現(xiàn)。MAC子層及物理層的實(shí)現(xiàn)采用大規(guī)模集成芯片完成。7.2.3現(xiàn)場總線技術(shù)

1.概述在傳統(tǒng)的自動(dòng)化工廠中，位于生產(chǎn)現(xiàn)場的許多設(shè)備和裝置，如傳感器、調(diào)節(jié)器、變送器、執(zhí)行器等都是通過信號電纜與計(jì)算機(jī)、PLC相連的。當(dāng)這些裝置和設(shè)備相距較遠(yuǎn)、分布較廣時(shí)，就會(huì)使電纜線的用量和鋪設(shè)費(fèi)用隨之大大增加，造成了整個(gè)項(xiàng)目的投資成本增高，系統(tǒng)連線復(fù)雜，可靠性下降，維護(hù)工作量增大，系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展困難等問題。因此人們迫切需要一種可靠、快速、能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的低廉的通信總線，將分散于現(xiàn)場的各種設(shè)備連接起來，對其實(shí)施監(jiān)控?，F(xiàn)場總線(FieldBus)就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。現(xiàn)場總線始于20世紀(jì)80年代，90年代技術(shù)日趨成熟，受到世界各自動(dòng)化設(shè)備制造商和用戶的廣泛關(guān)注，PLC的生產(chǎn)廠商也將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于各自的產(chǎn)品之中構(gòu)成工業(yè)局域網(wǎng)的最底層，使得PLC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，給傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)帶來了又一次革命?，F(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。按照國際電工委員會(huì)IEC61158的定義，現(xiàn)場總線是“安裝在過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”。也就是說，基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，用總線相連，實(shí)現(xiàn)信息的相互交換，使得不同網(wǎng)絡(luò)、不同現(xiàn)場設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)信息共享?，F(xiàn)場設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)信息以及故障信息等通過總線傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制中心，而控制中心又可以將各種控制、維護(hù)、組態(tài)命令又送往相關(guān)的設(shè)備，從而建立起了具有自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)。通常我們將這種位于網(wǎng)絡(luò)底層的自動(dòng)化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)稱為現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

2.現(xiàn)場總線的主要特點(diǎn)現(xiàn)場總線具有以下特點(diǎn)：

(1)全數(shù)字化通信。傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間采用一對一的所謂I/O接線的方式，I/O模塊接收或送出4～20mA/1～5VDC信號。而采用現(xiàn)場總線技術(shù)后，信號傳輸是全數(shù)字化的，只用一條通信電纜就可以將控制器與現(xiàn)場設(shè)備(智能化、具有通信口)連接起來，實(shí)現(xiàn)了檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能，提高了信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)可以實(shí)現(xiàn)徹底的分散性和分布性。采用現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS，它的控制單元全都可以分散到現(xiàn)場，控制器路由現(xiàn)場設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，因此FCS可以認(rèn)為是一個(gè)徹底的分布式控制系統(tǒng)。(3)有較強(qiáng)的信息集成能力。傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)控制器獲取的信息是有限的，采用現(xiàn)場總線后，連接的可以是智能化設(shè)備，所以控制器就可以從現(xiàn)場獲取大量的信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)故障、參數(shù)信息的一體化傳送。

(4)節(jié)省連接導(dǎo)線，降低安裝和維護(hù)費(fèi)用。

(5)具有互操作性和互換性。傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)不開放，系統(tǒng)的軟硬件一般只能使用一家的產(chǎn)品，不同廠家不同產(chǎn)品間缺乏互操作性和互換性。采用現(xiàn)場總線后，可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送和溝通，不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備都可以進(jìn)行互換。表7.3FCS與其他系統(tǒng)的比較

3.現(xiàn)場總線的類型目前，國際上有多種現(xiàn)場總線的企業(yè)、集團(tuán)、國家和國際性組織，并有相應(yīng)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和配套的專用集成電路(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，ASIC)供用戶開發(fā)產(chǎn)品?，F(xiàn)今較流行的現(xiàn)場總線主要有基金會(huì)現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus，F(xiàn)F)、過程現(xiàn)場總線(ProcessFieldBus，PROFIBUS)和控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork，CAN)。1)FF(基金會(huì)現(xiàn)場總線)FF是國際公認(rèn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，主要特性如下：

(1)FF體系結(jié)構(gòu)。FF參照了ISO/OSI參考模型的第1、2、7層，并針對自身的特點(diǎn)作了改進(jìn)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。應(yīng)用層又分為現(xiàn)場總線訪問子層(FieldbusAccessSublayer，F(xiàn)AS)和現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范(FieldbusMessagingSpecification，F(xiàn)MS)。另外，還增加了用戶層(Userlayer)，相當(dāng)于第8層。FF體系結(jié)構(gòu)如圖7.12所示。圖7.12FF體系結(jié)構(gòu)

Ⅰ、物理層

FF的物理層符合IEC1158-2國際標(biāo)準(zhǔn)，物理層與傳輸介質(zhì)相連接，其基本任務(wù)一是從傳輸介質(zhì)上接收信號，經(jīng)過處理后送給數(shù)據(jù)鏈路層；二是接收來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，經(jīng)過加工變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行傳輸。其主要性能如下：①低速現(xiàn)場總線H1：傳輸速率為31.25kb/s，傳輸距離為200～1900m(取決于傳輸介質(zhì))。主要用于過程自動(dòng)化，并可選擇總線供電，用于本質(zhì)安全(IntrinsicSafety)環(huán)境。②高速現(xiàn)場總線H2：傳輸速率為1.0Mb/s，傳輸距離為750m；另一種傳輸速率為2.5Mb/s，傳輸距離為500m。主要用于制造自動(dòng)化，只能選擇自供電。③傳輸介質(zhì)：雙絞線，光纖，無線電。④拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：H1可選擇總線型或樹型，H2只能選擇總線型，如圖7.13所示?？偩€型又分為總線分支型(BuswithSpurs)和菊花鏈型(DaisyChain)兩種。⑤總線節(jié)點(diǎn)數(shù)：每段H1支持32、12、6個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)三種，取決于供電方式和是否本質(zhì)安全；每段H2支持124個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)。圖7.13FF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Ⅱ、數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層提供了介質(zhì)存取控制、傳輸協(xié)議的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的完整性檢查等功能。從數(shù)據(jù)鏈路層的角度可將總線設(shè)備分為鏈路主設(shè)備(LinkMasterDevice,LMD)和基本設(shè)備(BasicDevice,BD)兩種。其中BD不能主動(dòng)發(fā)起通信，只能接收、查詢；LMD則可以在得到令牌時(shí)發(fā)起一次通信。每段總線的LMD中有一臺(tái)充當(dāng)鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LinkActiveScheduler,LAS)，負(fù)責(zé)調(diào)度本段總線上各臺(tái)設(shè)備的通信活動(dòng)，發(fā)起調(diào)度和非調(diào)度通信。

Ⅲ、應(yīng)用層應(yīng)用層提供總線服務(wù)和報(bào)文規(guī)范，分為兩個(gè)子層。①現(xiàn)場總線訪問子層(FAS)。FAS提供了三種類型的服務(wù)方式，即發(fā)布/索取(Publisher/Subscriber)、客戶/服務(wù)器(Client／Server)和報(bào)告分發(fā)(ReportDistribution)。②現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范(FMS)。FMS定義了向應(yīng)用進(jìn)程(AP)提供的服務(wù)和報(bào)文格式。

Ⅳ、用戶層用戶層是在OSI參考模型七層之外額外增加的一層，其目的是保證現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備的可互操作性，以及FCS的開放性。為此，定義了功能塊(FunctionBlock，F(xiàn)B)和設(shè)備描述語言(DeviceDescriptionLanguage，DDL)。①功能塊。功能塊的概念對用戶來說并不陌生，它類似于DCS控制站中的各種輸入、輸出、控制和運(yùn)算等功能塊，供用戶組態(tài)，構(gòu)成控制回路。FF首批定義了29種功能塊，其中基本功能塊10個(gè)，如模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、PID控制等；先進(jìn)功能塊7個(gè)，如步進(jìn)輸出PID、設(shè)定值程序發(fā)生器等；計(jì)算功能塊7個(gè)，如輸入選擇器(選大、選小、選中、平均)、一階慣性、純滯后等；輔助功能塊5個(gè)，如計(jì)時(shí)器、模擬量報(bào)警器(HH、H、L、LL)等。②設(shè)備描述語言(DDL)。FF的開放體現(xiàn)在功能塊這一級，而各種產(chǎn)品又各有特色，用戶又要求統(tǒng)一組態(tài)和實(shí)現(xiàn)互操作。為此，定義了設(shè)備描述語言(DDL)，用DDL來描述各種現(xiàn)場設(shè)備的特性。(2)FF管理。FF管理包括網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)管理兩個(gè)方面。①網(wǎng)絡(luò)管理。FF為每臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)“網(wǎng)管代理”(NetworkManagementAgent)，提供組態(tài)管理、性能管理和故障管理的能力，并將這些組態(tài)、性能和故障信息作為網(wǎng)絡(luò)管理信息庫(NMIB)表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上。②系統(tǒng)管理。FF為每臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)“系統(tǒng)管理內(nèi)核”(SystemManagementKernel)，負(fù)責(zé)分配現(xiàn)場設(shè)備地址、調(diào)度功能塊執(zhí)行、時(shí)鐘同步和維護(hù)系統(tǒng)管理信息等，并將這些管理信息定義為系統(tǒng)管理信息庫(SMIB)。2)PROFIBUS(過程現(xiàn)場總線)PROFIBUS作為符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線在全世界廣泛使用著，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前國際上已有250家企業(yè)生產(chǎn)多達(dá)1600種符合PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，應(yīng)用的范圍已涉及到工業(yè)的各個(gè)主要領(lǐng)域之中。據(jù)美國VDCl999年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，PROFIBUS在世界市場上所占的份額高達(dá)21.5％，居于所有現(xiàn)場總線之首。PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，采用PROFIBUS的系統(tǒng)，對于不同廠家所生產(chǎn)的設(shè)備不需要對接口進(jìn)行特別的處理和轉(zhuǎn)換，就可以通信。PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成，主站能夠控制總線，當(dāng)主站獲得總線控制權(quán)后，可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站通常為傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和變送器。它們可以接收信號并給予響應(yīng)，但沒有控制總線的權(quán)力。當(dāng)主站發(fā)出請求時(shí)，從站回送給主站相應(yīng)的信息。PROFIBUS除了支持這種主從模式外，還支持多主多從的模式。對于多主站的模式，在主站之間按令牌傳遞決定對總線的控制權(quán)，取得控制權(quán)的主站可以向從站發(fā)送、獲取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信。(1)PROFIBUS的組成。PROFIBUS包括3個(gè)相互兼容的部分：PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。①PROFIBUS-DP(DistributedPeriphery)。它可以用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳輸，位于這一級的PLC或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可以通過PROFIBUS-DP與分散的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。②PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)。它是專為過程自動(dòng)化所設(shè)計(jì)的協(xié)議，可用于安全性要求較高的場合。③PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。它可以用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)MS提供大量的通信服務(wù)，用以完成中等級傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信服務(wù)。對于FMS而言，它考慮的主要是系統(tǒng)功能而不是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)用過程中通常要求的是隨機(jī)的信息交換，例如改變設(shè)定參數(shù)。FMS服務(wù)向用戶提供了廣泛的應(yīng)用范圍和更大的靈活性，通常用于大范圍、復(fù)雜的通信系統(tǒng)。(2)PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)。PROFIBUS協(xié)議以ISO/OSI參考模型為基礎(chǔ)，其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖7.14所示。在圖7.14中，第1層為物理層，定義了物理的傳輸特性；第2層為數(shù)據(jù)鏈路層；第3～6層PROFIBUS未使用；第7層為應(yīng)用層，定義了應(yīng)用的功能。

PROFIBUS-DP是高效、快速的通信協(xié)議，它使用了第1層、第2層及用戶接口，第3～7層未使用。這種簡化的結(jié)構(gòu)確保了DP的快速、高效的數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序(DDLM)提供了訪問用戶接口。在用戶接口中規(guī)定了用戶和系統(tǒng)可以使用的應(yīng)用功能及各種DP設(shè)備類型的行為特性。PROFIBUS-FMS是通用的通信協(xié)議，它使用了第1、2、7層，第7層由現(xiàn)場總線規(guī)范(FMS)和低層接口(LLI)所組成。FMS包含了應(yīng)用層協(xié)議，提供了多種強(qiáng)有力的通信服務(wù)，F(xiàn)MS還提供了用戶接口。圖7.14協(xié)議結(jié)構(gòu)圖(3)傳輸技術(shù)。傳輸介質(zhì)和總線接口的選擇是應(yīng)用時(shí)用戶十分關(guān)心的問題，PROFIBUS對于不同的傳輸技術(shù)定義了惟一的介質(zhì)存取協(xié)議。Ⅰ、RS-485表7.4RS-485傳輸?shù)幕咎匦员?.5A型電纜傳輸速率與電纜長度的關(guān)系

電纜的長度取決于傳輸速度，以A型電纜為例，其傳輸速率與電纜長度的對照見表7.5。

Ⅱ、IEC1158-2IEC1158-2協(xié)議規(guī)定，在過程自動(dòng)化中使用固定波特率31.25kBaud/s進(jìn)行同步傳輸，它考慮了應(yīng)用于化工和石化工業(yè)時(shí)對安全的要求。在此協(xié)議下，通過采用具有本質(zhì)安全和雙線供電的技術(shù)，PROFIBUS就可以用于危險(xiǎn)區(qū)域了，IEC1158-2傳輸技術(shù)的主要特性見表7.6。其它有關(guān)特性參考有關(guān)手冊。表7.6IEC1158-2傳輸技術(shù)的主要特性Ⅲ、光纖為了適應(yīng)強(qiáng)度很高的電磁干擾環(huán)境或使用高速遠(yuǎn)距離傳輸，PROFIBUS可使用光纖傳輸技術(shù)。使用光纖傳輸?shù)腜ROFIBUS總線段可以設(shè)計(jì)成星型或環(huán)型結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在在市面上已經(jīng)有RS-485傳輸鏈接與光纖傳輸鏈接之間的耦合器，這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)RS-485和光纖傳輸之間的轉(zhuǎn)換。

Ⅳ、PROFIBUS介質(zhì)存取協(xié)議

PROFIBUS通信規(guī)程采用了統(tǒng)一的介質(zhì)存取協(xié)議，此協(xié)議由OSI參考模型的第2層來實(shí)現(xiàn)。在PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮滿足介質(zhì)存取控制的兩個(gè)要求；①在主站間通信時(shí)，必須保證在正確的時(shí)間間隔內(nèi)，每個(gè)主站都有足夠的時(shí)間來完成它的通信任務(wù)；②在PLC與從站(PLC外設(shè))間通信時(shí)，必須快速、簡捷地完成循環(huán)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為此，PROFIBUS提供了兩種基本的介質(zhì)存取控制：令牌傳遞方式和主從方式。

令牌傳遞方式可以保證每個(gè)主站在事先規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)都能獲得總線的控制權(quán)。令牌是一種特殊的報(bào)文，它在主站之間傳遞著總線控制權(quán)，每個(gè)主站均能按次序獲得一次令牌，傳遞的次序是按地址升序進(jìn)行的。主從方式允許主站在獲得總線控制權(quán)時(shí)可以與從站進(jìn)行通信，每一個(gè)主站均可以向從站發(fā)送或獲得信息。

使用上述的介質(zhì)存取方式，PROFIBUS可以實(shí)現(xiàn)以下三種系統(tǒng)配置：*純主—從系統(tǒng)(單主站)；*純主—主系統(tǒng)(多主站)；*以上兩種配置的組合系統(tǒng)(多主—多從)。圖7.15以下是一個(gè)由3個(gè)主站和7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖。圖7.153個(gè)主站和7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)

由圖7.15可以看出，3個(gè)主站構(gòu)成了一個(gè)令牌傳遞的邏輯環(huán)，在這個(gè)環(huán)中，令牌按照系統(tǒng)預(yù)先確定的地址升序從一個(gè)主站傳遞給下一個(gè)主站。當(dāng)一個(gè)主站得到了令牌后，它就能在一定的時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行該主站的任務(wù)，可以按照主—從關(guān)系與所有從站通信，也可以按照主—主關(guān)系與所有主站通信。在總線系統(tǒng)建立的初期階段，主站的介質(zhì)存取控制(MAC)的任務(wù)是決定總線上的站點(diǎn)分配并建立令牌邏輯環(huán)。在總線的運(yùn)行期間，損壞的或斷開的主站必須從環(huán)中撤除，新接入的主站必須加入邏輯環(huán)。MAC的其他任務(wù)是檢測傳輸介質(zhì)和收發(fā)器是否損壞，站點(diǎn)地址是否出錯(cuò)，以及令牌是否丟失或多個(gè)令牌。PROFIBUS的第2層的另一個(gè)重要作用是保證數(shù)據(jù)的安全性。它按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC870-5-1的規(guī)定，通過使用特殊的起始符和結(jié)束符、無間距字節(jié)異步傳輸以及奇偶校驗(yàn)來保證傳輸數(shù)據(jù)的安全。它按照非連接的模式操作，除了提供點(diǎn)對點(diǎn)通信功能外，還提供多點(diǎn)通帶的功能、廣播通信和有選擇的廣播組播。所謂廣播通信，即主站向所有站點(diǎn)(主站和從站)發(fā)送信息，不要求回答。所謂有選擇的廣播組播，是指主站向一組站點(diǎn)(主站和從站)發(fā)送信息，不要求回答。3)CAN(控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))CAN是德國Bosch公司研制的現(xiàn)場總線，適用于汽車自動(dòng)化、機(jī)械自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

1)CAN的特性

CAN通信協(xié)議參照OSI參考模型的第1、2、7層。主要特性如下：傳輸介質(zhì)為雙絞線，傳輸速率為5kb/s時(shí)，最大傳輸距離為10km；傳輸速率為1Mb/s時(shí)，最大傳輸距離為40m；為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為110個(gè)。CAN節(jié)點(diǎn)無主、從之分，采用多主工作方式，即任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地發(fā)送信息，選擇點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)或全局廣播發(fā)送方式。CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸信息，從而有效地避免了總線沖突。把節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。CAN節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉功能，在節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，可自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，這樣不會(huì)影響總線正常工作。2)CAN專用集成電路

CAN提供以下三類專用集成電路：

(1)CAN控制器。固化了CAN協(xié)議，提供與CAN總線的接口以及與外部微處理器的接口，例如Intel82527，Philips82C00。Philips82C00外配Intel80C31單片機(jī)。

(2)CAN單片機(jī)。內(nèi)含CAN控制器的單片機(jī)有Motorola公司的MC68HC05x4。

(3)CANI/O器件。內(nèi)含CAN控制器和I/O處理器兩部分。例如，Philips82C150具有16個(gè)可編程的I/O引腳。7.3西門子PLC網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代大型工業(yè)企業(yè)中，一般采用多級網(wǎng)絡(luò)的形式?？删幊绦蚩刂破髦圃焐探?jīng)常用生產(chǎn)金字塔結(jié)構(gòu)來描述其產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)的功能。這種金字塔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：上層負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理，底層負(fù)責(zé)現(xiàn)場監(jiān)測與控制，中間層負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的監(jiān)控與優(yōu)化。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)確立了初步的模型，如圖7.16所示。圖7.16ISO企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)模型

在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，不同PLC生產(chǎn)廠家的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層數(shù)及各層的功能分布有所差異。但基本上都是由從上到下的各層在通信基礎(chǔ)上相互協(xié)調(diào)，共同發(fā)揮著作用。實(shí)際工廠中一般采用2～4級子網(wǎng)構(gòu)成復(fù)合型結(jié)構(gòu)，而不一定是這6級，各層應(yīng)采用相應(yīng)的通信協(xié)議。7.3.1西門子PLC網(wǎng)絡(luò)概述

SINEC是西門子公司為其網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品注冊的統(tǒng)一商標(biāo)，從1997年開始注冊商標(biāo)改為SIMATICNET。它是一個(gè)對外開放的通信網(wǎng)絡(luò)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。西門子公司的控制網(wǎng)絡(luò)可分為四個(gè)層次：SINECS1、SINECL2、SINECH1以及SINECH3，如圖7.17所示。圖7.18為其相對應(yīng)的生產(chǎn)金字塔ISO網(wǎng)絡(luò)模型。不同的協(xié)議規(guī)范適用于不同的網(wǎng)絡(luò)，它們遵循不同的國際標(biāo)準(zhǔn)，具有不同的通信速度和數(shù)據(jù)處理能力。圖7.17西門子PLC網(wǎng)絡(luò)的層次圖

西門子的PLC網(wǎng)絡(luò)是為滿足不同控制需要制定的，也為各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次之間提供了互連模塊或裝置，利用它們可以設(shè)計(jì)出滿足各種應(yīng)用需求的控制管理網(wǎng)絡(luò)。西門子的PLC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)得比較完備，編程、調(diào)試安裝、培訓(xùn)和維護(hù)等都很方便，工程的設(shè)計(jì)和施工的成本也較低。西門子PLC的這些網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品“用”一種其它網(wǎng)絡(luò)也能理解的“語言”MMS(ISO9506)作為用戶接口，它符合MAP3.0協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)多廠家系統(tǒng)間的通信。表7.7列出了