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从通信的角度理解现场总线

通信网络 | 发布时间:2017-11-01 | 人气: | #评论# |本文关键字:通信,总线
摘要: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,反馈控制的要求体现在控制指令如何到达执行器,而控制效果如何通过传感器发回控制系统。在复杂的

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,反馈控制的要求体现在控制指令如何到达执行器,而控制效果如何通过传感器发回控制系统。在复杂的工业环境中,现场总线能够正确、快速、稳定的通信,从而保证工业控制系统既能得到及时、准确的现场数据,经过高效处理后,又能快速、精确的发出执行命令。

1通信的基本模型

通信就是将信息从一个点传送到另一个点,比如说电话、广播和电视。工业通信系统也是如此,也需要发送器、接收器以及和通信链路。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,而其中的通信规则称为协议。

 

 

图通信系统的基本模型

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,代表不同离散数值的基本波形

2.工业通信的特殊要求

工业通信与一般通信相比有一些特殊的要求,比如说工业环境就不同于办公室环境。


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

振动

不靠近振动源

可能会有振动源

电磁干扰

化学危险

油污或有害气体

紫外线

放射性

可能有

工业通信主要是过程数据、状态变量、维护等,数据分类如下表所示:

工业通信的数据

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

通信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。工业通信往往要求保证通信的实时性,也就是说响应时间是否满足时间限制。

特征

说明

实时性

所有操作、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

通信周期的变化

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,发生多个操作或事件

时间一致性

在给定的时间窗口中发生了几个事件

3.现场总线如何满足工业通信的要求

OSI模型定义了一个框架物理层通常与如电缆、连接器、网络接口卡、无线传输硬件等物理介质相混淆。物理层不仅定义了物理介质及其正确连接的接口要求,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接收端。通信介质的机械和电气特性。

而数据链路层负责创建、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信,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,并定义了设备的各种信息、状态和参数。

现场总线的通信数据一般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。

现场总线通信数据分类

标识数据

通用消息

传感器的输入数据、执行器的输出数据

应用之间通信

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

过去工业通信采用模拟信号,就是广为人知的4-20mA技术,后来现场总线使用数字通信体现出抗噪声、减少电缆、诊断功能等诸多的优点。因此现场总线会取代4-20mA。


4-20mA

现场总线

信号

模拟

数字

抗干扰性

OSI

物理层

物理层、数据链路层、应用层

诊断

完整

安装费用

单个设备成本

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需要具备计算能力、数字通信、协议标准,因此设备成本相对就高。

3.2RS-232RS-485电气标准

有人会把RS-232和RS-485当成总线,其实两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。两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

信号特点

电压

差分

通信模型

点对点

多点

接线方式

发送管脚连接收管脚

所有DATA+连一块,所有DATA-连一块

通信方式

发送管脚工作不影响接收管脚,所以是全双工

两个管脚同时工作才能实现发或收,所以是半双工

因为RS-232只能实现点对点通信(双机互联),无法联网(多机),而RS-485能够连成总线型网络,而且很多现场总线基于RS-485标准,所以有人会理解成485总线,但是严格来说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作为其物理层定义,因此现场总线和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

电缆和连接器的引脚分配。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信。

将时钟同步信号就隐藏在数据波形中,每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,码元就相当于单词,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。单词可以由一个字母组成,也可以由几个字母组成,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。我们都有背单词的经历,比如说我们每天都要记住10个单词,假设每个单词都是4个字母组成,那么波特率就是每天记住的单词数,而比特率就是每天记住所有单词的字母数目。

3.4通信介质

现场总线一般使用有线连接,原理是使用电磁波在通信介质传输中传播,通信介质有双绞线、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,如今现场总线开始越来越多的使用无线连接。

 

 

3.5通信模型

通信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/服务器模式的通信过程一般细分为请求、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。响应服务有不同的意思,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原因,以及响应时间。对象可以是先验、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模型管理各种对象,如任务(创建、取消、启动、恢复和停止)、变量(读写)、域(下载和上传)。MMS通常只会有一个服务子集。整个操作细分成请求、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/服务器的通信模型。而BatiBus是一种特殊的客户端/服务器模型,因为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。对于拉模式来说,发布者管理器发送一个请求,发布者通过广播(或多播)响应;而对于推模式来说,一个订阅者发送请求,发布者先响应这个请求,然后发送广播(或多播)数据。如图所示,推模式多了一次步骤。

 

 

发布者/订阅者模型非常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信(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通信机制

通信机制包括周期性通信、、应答机制和触发机制。

周期性通信源于自动控制和事件检测的基础——采样理论。大多数标记数据作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作。不同数据的通信周期可能不同,会产生抖动,那么通信协议就是要尽量消除抖动。这些系统基于状态通信,有时也称为“时间触发系统”。

 

 

图显示了一个周期性通信的例子,每个基本周期都有C和D,每两个周期有B和E,每三个周期有F,因此总线周期(大周期)等于所有周期的最小公倍数(LCM),而节拍(小周期)是一个时间间隔等于最大公约数(HCD)。有的现场总线所有数据都通过周期型通信,但网络负载太大了,因此某些数据会采用非周期的传输,比如说一些状态变量可以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,非周期通信需要应答机制,而周期性通信则不需要,因为在周期性通信中如果出现错误,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信之外还有时间、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。错误检测或通信控制要么由发送方实现,要么由接收方实现。在现场总线中,两种情况都有,现场总线通常会提供两种通信机制。

控制方

说明

发送方

在通信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得到通知。发送方等待接收方的应答来控制传输

接收方

在通信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。通信开始后,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,作为负责传输控制的接收方


责任编辑:电气自动化网

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