第3章現(xiàn)場總線體系結構

1、3.1 網絡體系機構概述3.2 OSI若干概念3.3 現(xiàn)場總線體系結構的建立及特點3.4 現(xiàn)場總線網絡的拓撲結構p網絡協(xié)議n在一個網絡中，有許多相互連接的節(jié)點，在這些節(jié)點之間要不斷地進行數(shù)據(jù)的交換。n每個節(jié)點就必須遵守事先約定好的規(guī)則，這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關的時序問題。n這些為進行網絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定就稱為網絡協(xié)議網絡協(xié)議p語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式?！叭绾沃v”。p語義，即需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動作以及做出何種應答。 “講什么”。p時序，即事件實現(xiàn)順序的詳細說明p對于非常復雜的計算網絡協(xié)議，其結構最好采用層次式的。各層之間是獨立的，靈活

2、性好，容易實現(xiàn)和維護，能促進標準化工作p將計算機網絡的各層及其協(xié)議的集合，稱為網絡的體系結構，是抽象的p開放系統(tǒng)互連參考模型劃分原則n網路中各結點都有相同的層次 n不同結點的同等層具有相同的功能 n同一結點內相鄰層之間通過接口通信n每一層使用下層提供的服務，并向其上層提供服務 n不同結點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信 物理層p物理層規(guī)定了激活、維持、關閉通信端點之間的機械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。該層為上成協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體。 p該層數(shù)據(jù)的單位稱為比特（bit）。 p屬于物理層定義的典型規(guī)范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V

3、.35、RJ-45等 數(shù)據(jù)鏈路層p數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質上提供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯、重發(fā)等。 p該數(shù)據(jù)的單位稱為幀（frame）p在每一幀的控制信息中包括同步信息、地址信息、差錯控制，以及流量控制信息等 p數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等 網絡層p網絡層負責對子網間的數(shù)據(jù)包進行路由選擇。網絡層還可以實現(xiàn)擁塞控制、網際互連等功能。 p該層數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)包（packet） p網絡層協(xié)議的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等 傳輸層p傳輸層是第一個端到端，即主機到主機的層次。傳輸層負責將上層數(shù)

4、據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯控制和流量控制問題。 p該層數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)段（segment） p傳輸層協(xié)議的代表包括：TCP、UDP、SPX等 會話層p會話層管理主機之間的會話進程，即負責建立、管理、終止進程之間的會話。p會話層還利用在數(shù)據(jù)中插入校驗點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步 表示層p表示層對上層數(shù)據(jù)或信息進行變換以保證一個主機應用層信息可以被另一個主機的應用程序理解。p表示層的數(shù)據(jù)轉換包括數(shù)據(jù)的加密、壓縮、格式轉換等 應用層p應用層為操作系統(tǒng)或網絡應用程序提供訪問網絡服務的接口。 p應用層協(xié)議的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等 3

5、.2.2 開放系統(tǒng)互連環(huán)境3.2.6 面向連接服務與無連接服務無連接服務p在無連接服務的情況下，兩個實體之間的通信不需要先建立好一個連接，因此其下層的有關資源不需要事先進行預定保留。這些資源將在數(shù)據(jù)傳輸時動態(tài)地進行分配p無連接服務的優(yōu)點是靈活方便和較為迅速，但它不能防止報文的丟失、重復或失序p工業(yè)通信網絡的特殊性n效率n確定性n魯棒性n節(jié)點成本n本質安全性3.3.2 現(xiàn)場總線的組成要素p“IEEE802”課題組專門負責局域網的標準化p已經制定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，把數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個子層次：邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問控制（MAC）子層p現(xiàn)場總線是應用在生產現(xiàn)場的局域網，參考了OS

6、I和IEEE802，現(xiàn)場總線一般只使用ISO/OSI參考模型中的第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層p現(xiàn)場總線通信模型中應該包括三個基本要素：底層協(xié)議、上層協(xié)議和行規(guī)3.3.3 現(xiàn)場總線通信模型物理層p物理層提供網絡通信接口的機械、電氣、功能和過程特性，以便在數(shù)據(jù)鏈路實體之間建立、維護和拆除物理連接p物理層通過物理連接在數(shù)據(jù)鏈路實體之間提供透明的位流傳輸pIEC最早確定的現(xiàn)場總線物理層國際標：傳輸速率為31.25kbps的串行通信接口，典型響應時間約為1ms，未知出錯率低于每20年一次，并規(guī)定了數(shù)據(jù)的物理信號表達形式、傳輸媒體、傳輸速率、網絡拓撲結構等pIEC提出另外設計一種高速總線接

7、口標準，使其傳輸速率分別為 1Mbps 和 2.5Mbps，典型的響應時間可達 32s，總線段最大長度縮短為 750m，能夠連接 127個現(xiàn)場設備p高速總線標準正在向高速以太網標準傾斜數(shù)據(jù)鏈路層p現(xiàn)場總線的實時通信主要由數(shù)據(jù)鏈路層提供p所謂實時，在這里可以理解為提供一 “時間窗”，在該時間窗內，需要完成具有某個指定級別確定性的一個或多個動作p數(shù)據(jù)鏈路層分成兩個功能子層：邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問控制（MAC）子層pLLC 子層：n負責控制節(jié)點間幀的發(fā)送和接收，同時檢驗傳輸差錯n發(fā)送時把要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上地址和 CRC字段等構成幀n接收時，把幀拆開，執(zhí)行地址識別和 CRC 檢驗功能，并具

8、有幀順序以及差錯控制等功能pMAC子層：n實現(xiàn)對共享總線媒體的“交通”管理，并檢測傳輸線路的異常情況。n現(xiàn)場總線有三種媒體訪問控制方式：令牌傳送（token passing）、立即響應（immediate response）和授權令牌（delegated token）n令牌傳送：節(jié)點有令牌才能發(fā)送，發(fā)送完交還令牌n立即響應：主節(jié)點給某個節(jié)點一個機會來應答n授權令牌：節(jié)點可申請令牌LASp鏈路活動調度器(LAS, Link Active Scheduler)pLAS 是一 條總線段的調度中心，擁有總線段上所有設備的清單及鏈路活動調度表。p總線段上的設備只有得到 LAS 許可，才能向總線上傳輸數(shù)據(jù)

9、pLAS 應具有以下兩種基本功能：調度通信和非調度通信p調度通信n由LAS按預定調度時間表依次發(fā)起的通信活動，稱為調度通信或周期性通信n預定調度時間表(STL，Schedule Time List)n強制數(shù)據(jù)令牌(CD，Compel Data token)p非調度通信n在預定調度時間表之外的時間，LAS 向總線發(fā)出一個傳遞令牌(PT，Pass Token)，得到這個令牌的設備才能發(fā)送信息，稱為非調度通信或非周期性通信應用層p現(xiàn)場總線應用層為用戶層提供訪問現(xiàn)場總線通信環(huán)境的手段，定義了允許應用進程間相互通信的協(xié)議。應用層分為兩個子層總線報文規(guī)范子層（FMS）和總線訪問子層（FAS）。p總線報文規(guī)

10、范子層針對分布式測控系統(tǒng)的構成、運行和改變，提供對象字典服務、變量訪問服務和事件服務p總線訪問子層則針對 FMS、功能塊、應用管理和系統(tǒng)管理，提供發(fā)布/預訂接收者、客戶/服務器和報告分發(fā)三種服務用戶層p應用進程（AP）是現(xiàn)場總線活動的基本組成部分pEC把實現(xiàn)控制系統(tǒng)所需要的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標準化，規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)與塊控制圖，并把它們組成為可在某個現(xiàn)場設備中執(zhí)行的功能塊應用進程（FBAP），便于實現(xiàn)不同制造商產品的混合組態(tài)與調用p功能塊的通用結構是實現(xiàn)開結構框架的基礎，也是實現(xiàn)各種網絡功能與自動化功能的基礎p通信網絡的拓撲結構就是指通信網絡中節(jié)點的互

11、連方法，是影響網絡性能的主要因素之一。p局域網中使用的拓撲結構有六種，分別為總線型、星型、環(huán)型、樹型、菊花鏈型、和網狀結構p前5種常被現(xiàn)場總線采用3.4.1 總線型結構p傳輸媒體是一條總線，工作節(jié)點通過稱為分接頭的硬件接口接至總線上p終端器是連接在總線末端或末端附近的阻抗匹配元件，每個總線段上有且只有兩個終端器。終端器采用反射波原理使信號變形最小，它所起到的作用是保護信號，減少衰減與畸變p每次只能由一個節(jié)點發(fā)送信 ，信息由發(fā)送它的節(jié)點向兩端擴散，其它節(jié)點都能接收，又稱為廣播式網絡p某節(jié)點發(fā)送信息之前，必須保證總線上沒有其它信息正在傳輸p總線型結構的突出特點是線路簡單、便于擴充。通常，使用這種結

12、構的網絡是無源的p總線型結構對總線的電氣性能要求很高，對總線的長度也有一定的限制，通信距離不能太長3.4.2 星型結構p每個節(jié)點都通過點對點方式連接到中央節(jié)點，任何兩個節(jié)點之間的通信都要經過中央節(jié)點p一個節(jié)點要傳送數(shù)據(jù)，首先向中央節(jié)點發(fā)出請求，要求與目的節(jié)點建立連接。連接建立后，該節(jié)點才能向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)p中央節(jié)點的構造比較復雜，一旦發(fā)生故障，整個通信系統(tǒng)就會癱瘓，可靠性較低，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中較少采用3.4.3 環(huán)型結構p網絡由形成封閉環(huán)路的、點對點鏈路連接的轉發(fā)器構成p信息在環(huán)上只能按某一確定的方向（順時針或逆時針）p當信息到達接收節(jié)點時，若節(jié)點發(fā)現(xiàn)信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認標記，以便由發(fā)送節(jié)點清除p環(huán)是封閉的，不便于擴充3.4.4 樹型結構p樹型結構是從總線結構演變而成的，形狀像一顆倒置樹p樹型結構易于擴展、適應性強，對網絡設備的數(shù)量、數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)類型等沒有太多限制p