淺談現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信模型

淺談現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)種類(lèi)的增加，其應(yīng)用范圍也得到了前所未有的普及。計(jì)算機(jī)用戶(hù)已不能滿(mǎn)足僅使用一個(gè)廠商的計(jì)算機(jī)設(shè)備,用戶(hù)同時(shí)安裝多個(gè)廠家的計(jì)算機(jī)并需要聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)的情況越來(lái)越多。由于缺乏一個(gè)通用的通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),使得異機(jī)種計(jì)算機(jī)互連成為一個(gè)難題。所以,人們迫切希望建立一系列的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),讓各制造廠商都執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)化的體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn),這一方面便于他們的產(chǎn)品有廣闊的銷(xiāo)路,另一方面也可使用戶(hù)從不同的制造廠商獲得兼容的設(shè)備來(lái)集成應(yīng)用系統(tǒng)。而且可以為用戶(hù)采用多家產(chǎn)品集成系統(tǒng)以及系統(tǒng)的維護(hù)帶來(lái)很大方便。同時(shí)有利于打破市場(chǎng)壟斷,促進(jìn)技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展。正是由于以上需求動(dòng)力的驅(qū)動(dòng),促成了OSI(OpenSystemInterconnection)參考模型的出現(xiàn)。1多層次的osi參考模型為實(shí)現(xiàn)開(kāi)放系統(tǒng)互連所建立的分層模型,簡(jiǎn)稱(chēng)OSI參考模型。其目的是為異種計(jì)算機(jī)互連提供一個(gè)共同的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架,并為保持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性提供共同的參考。這里的所謂開(kāi)放,是強(qiáng)調(diào)對(duì)OSI標(biāo)準(zhǔn)的遵從。OSI參考模型是在博采眾長(zhǎng)的基礎(chǔ)上形成的系統(tǒng)互連技術(shù)的產(chǎn)物,他不僅促進(jìn)了數(shù)據(jù)通信的發(fā)展,而且還導(dǎo)致了整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。OSI參考模型提供了要領(lǐng)性和功能性結(jié)構(gòu)。該模型將開(kāi)放系統(tǒng)的通信功能劃分為7個(gè)層次。各層協(xié)議細(xì)節(jié)的研究是各自獨(dú)立進(jìn)行的。這樣一旦導(dǎo)入新技術(shù)或提出新的業(yè)務(wù)要求時(shí),就可以把由通信功能擴(kuò)充、變更所帶來(lái)的影響限制在直接有關(guān)的層內(nèi),而不必改動(dòng)全部協(xié)議。OSI參考模型分層的原則是將相似的功能集中在同一層內(nèi),功能差別較大時(shí)則分層處理,每層只對(duì)相鄰的上、下層定義接口。如圖1所示。從以上內(nèi)容可以看出,具有7層結(jié)構(gòu)的OSI參考模型可支持的通信功能是相當(dāng)強(qiáng)大的。作為一個(gè)通用參考模型,需要解決各方面可能遇到的問(wèn)題,需要具備豐富的功能。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在大量傳感器、控制器、執(zhí)行器等,他們通常相當(dāng)零散地分布在一個(gè)較大范圍內(nèi)。對(duì)由他們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),單個(gè)節(jié)點(diǎn)面向控制的信息量不大,信息傳輸?shù)娜蝿?wù)比較簡(jiǎn)單,但實(shí)時(shí)性、快速性的要求較高。典型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議模型如圖2所示,他采用OSI模型中的3個(gè)典型層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,在省去中間3～6層后,考慮現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信特點(diǎn),設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)訪問(wèn)子層。他具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、執(zhí)行協(xié)議直觀、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),也滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性能要求。他是OSI模型的簡(jiǎn)化形式,其流量與差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進(jìn)行?？傊?開(kāi)放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。2標(biāo)準(zhǔn)化組織的應(yīng)用自20世紀(jì)80年代以來(lái)逐漸形成了幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù),他們大都以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型作為基本框架,并根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用需要施加某些特殊規(guī)定后形成的標(biāo)準(zhǔn),在較大范圍內(nèi)取得了用戶(hù)與制造商的認(rèn)可。這里我們介紹其中主要的2種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模型。2.1信息規(guī)范子層fmsFF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。他采用了OSI模型中的3層:物理層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層,隱去了第3～6層。其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用IEC/ISA標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層有2個(gè)子層:現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)訪問(wèn)子層FAS和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信息規(guī)范子層FMS,并將從數(shù)據(jù)鏈路到FAS,FMS的全部功能集成為通信棧(CommunicationStack)。FAS的基本功能是確定數(shù)據(jù)訪問(wèn)的關(guān)系模型和規(guī)范,根據(jù)不同要求,采用不同的數(shù)據(jù)訪問(wèn)工作模式?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信息規(guī)范子層FMS的基本功能是面向應(yīng)用服務(wù),生成規(guī)范的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)。目前可用作基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信控制器的芯片,已經(jīng)有幾家公司在生產(chǎn),如日本的橫河公司、富士公司;美國(guó)的SHIPSTAR公司、巴西的SMAR公司等。各家公司的產(chǎn)品功能繁簡(jiǎn)各不相同,各具特色。但是他們都聲稱(chēng)符合ISASP50規(guī)定的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)物理層標(biāo)準(zhǔn)。這些芯片可用于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上的主設(shè)備的通信接口,也可以用于從設(shè)備的通信接口。2.2單驅(qū)動(dòng)與媒體接口CAN只采用了ISO/OSI模型全部7層中的2層:物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層又分為物理信令(PLS,PhysicalSignalling)、物理媒體附件(PMA,PhysicalMediumAttachment)與媒體接口(MDI,MediumDependentInterface)3部分,完成電氣連接、實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器/接收器特性、定時(shí)、同步、位編碼解碼。數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制與媒體訪問(wèn)控制2部分,分別完成接收濾波、超載通知、恢復(fù)管理,以及應(yīng)答、幀編碼、數(shù)據(jù)封裝拆裝、媒體訪問(wèn)管理、出錯(cuò)檢測(cè)等。在廣泛的工業(yè)領(lǐng)域,CAN總線(xiàn)可作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的通信總線(xiàn),并且與其他的總線(xiàn)相比,具有很高的可靠性和性能價(jià)格比。例如,瑞士一家公司開(kāi)發(fā)的軸控制系統(tǒng)ACS-E就帶有CAN接口。該系統(tǒng)可作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)從站,用于控制機(jī)床、機(jī)器人等。一方面通過(guò)CAN總線(xiàn)與上位機(jī)通信,另一方面可通過(guò)CAN總線(xiàn)對(duì)數(shù)字式伺服電機(jī)進(jìn)行控制。3兩種輔助規(guī)劃在工業(yè)生產(chǎn)中,機(jī)器人由于工作性質(zhì)的不同可將其動(dòng)作分成幾種主要的動(dòng)作。分布式控制是常見(jiàn)的控制方式,采用CAN總線(xiàn)后,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線(xiàn)型,共有8個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于信號(hào)傳輸距離較近,工作頻率不高,傳輸介質(zhì)采用廉價(jià)的雙絞線(xiàn)即可。兩個(gè)完全相同的規(guī)劃級(jí)系統(tǒng)通過(guò)CAN總線(xiàn)與直接控制級(jí)相連。自動(dòng)方式時(shí),兩節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,互為熱備份,同時(shí),他們還需要能進(jìn)行自身的故障診斷。在正常情況下,兩機(jī)分別將規(guī)劃出的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)傳給直接控制級(jí),直接控制級(jí)收到來(lái)自規(guī)劃級(jí)的“兩個(gè)”數(shù)據(jù)后,首先進(jìn)行比較,若相同,表明兩規(guī)劃級(jí)工作正常數(shù)據(jù)可靠,通過(guò)直接控制級(jí)的處理去控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)動(dòng)作;若兩數(shù)據(jù)不同,直接控制級(jí)馬上向兩個(gè)規(guī)劃級(jí)發(fā)送遠(yuǎn)程幀,要求重新進(jìn)行規(guī)劃運(yùn)算并發(fā)回?cái)?shù)據(jù),再次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如此卷回運(yùn)算3遍,若最后比較的結(jié)果一致,表明剛才的故障為瞬時(shí)性的,現(xiàn)已恢復(fù)正常,系統(tǒng)無(wú)須作切換動(dòng)作。否則,可認(rèn)為故障是永久性的,此時(shí),直接控制級(jí)首先自檢,若本身無(wú)故障,便傳信息給兩規(guī)劃級(jí),迫使他們進(jìn)入自身系統(tǒng)的故障診斷。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,切除故障機(jī)并顯示故障信息,只讓正常機(jī)工作。出于對(duì)系統(tǒng)可靠性的考慮,在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中采用了CAN總線(xiàn)技術(shù),他較傳統(tǒng)的串行通信及Bit-BUS等總線(xiàn),在硬件上可減少走線(xiàn)、易于系統(tǒng)擴(kuò)充或改型、便于容錯(cuò)設(shè)計(jì);在軟件上通信更加靈活、實(shí)時(shí)性更好、糾錯(cuò)能力更強(qiáng)。因此,由實(shí)踐可以證明,CAN總線(xiàn)是分布式控制系統(tǒng)的理想總線(xiàn)。4osi參考模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制的啟示信息技術(shù)的飛速發(fā)展,導(dǎo)致了自動(dòng)化領(lǐng)域的深刻變革,并逐漸形成了自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放系統(tǒng)互連通信網(wǎng)絡(luò),形成了全分布式網(wǎng)絡(luò)集成化自控系統(tǒng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)正是這場(chǎng)深刻變革中的重要技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的應(yīng)用和推廣,無(wú)疑將加快我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化的前進(jìn)步伐,提高我國(guó)工業(yè)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。當(dāng)前,各種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議并存