浅谈现场总线的通信模型

浅谈现场总线的通信模型

随着计算机技术的快速发展，计算机种类的增加，其应用范围也得到了前所未有的普及。计算机用户已不能满足仅使用一个厂商的计算机设备,用户同时安装多个厂家的计算机并需要联网构成系统的情况越来越多。由于缺乏一个通用的通信系统体系结构,使得异机种计算机互连成为一个难题。所以,人们迫切希望建立一系列的国际标准或国家标准,让各制造厂商都执行这些标准化的体系结构和标准,这一方面便于他们的产品有广阔的销路,另一方面也可使用户从不同的制造厂商获得兼容的设备来集成应用系统。而且可以为用户采用多家产品集成系统以及系统的维护带来很大方便。同时有利于打破市场垄断,促进技术与产品的发展。正是由于以上需求动力的驱动,促成了OSI(OpenSystemInterconnection)参考模型的出现。1多层次的osi参考模型为实现开放系统互连所建立的分层模型,简称OSI参考模型。其目的是为异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架,并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。这里的所谓开放,是强调对OSI标准的遵从。OSI参考模型是在博采众长的基础上形成的系统互连技术的产物,他不仅促进了数据通信的发展,而且还导致了整个计算机网络的发展。OSI参考模型提供了要领性和功能性结构。该模型将开放系统的通信功能划分为7个层次。各层协议细节的研究是各自独立进行的。这样一旦导入新技术或提出新的业务要求时,就可以把由通信功能扩充、变更所带来的影响限制在直接有关的层内,而不必改动全部协议。OSI参考模型分层的原则是将相似的功能集中在同一层内,功能差别较大时则分层处理,每层只对相邻的上、下层定义接口。如图1所示。从以上内容可以看出,具有7层结构的OSI参考模型可支持的通信功能是相当强大的。作为一个通用参考模型,需要解决各方面可能遇到的问题,需要具备丰富的功能。工业生产现场存在大量传感器、控制器、执行器等,他们通常相当零散地分布在一个较大范围内。对由他们组成的工业控制底层网络来说,单个节点面向控制的信息量不大,信息传输的任务比较简单,但实时性、快速性的要求较高。典型的现场总线协议模型如图2所示,他采用OSI模型中的3个典型层:物理层、数据链路层和应用层,在省去中间3～6层后,考虑现场总线的通信特点,设置一个现场总线访问子层。他具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点,也满足工业现场应用的性能要求。他是OSI模型的简化形式,其流量与差错控制在数据链路层中进行。总之,开放系统互连模型是现场总线技术的基础。2标准化组织的应用自20世纪80年代以来逐渐形成了几种有影响的现场总线技术,他们大都以国际标准组织的开放系统互连模型作为基本框架,并根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准,在较大范围内取得了用户与制造商的认可。这里我们介绍其中主要的2种现场总线模型。2.1信息规范子层fmsFF现场总线模型结构如图3所示。他采用了OSI模型中的3层:物理层、数据层和应用层,隐去了第3～6层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISA标准。应用层有2个子层:现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS,并将从数据链路到FAS,FMS的全部功能集成为通信栈(CommunicationStack)。FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范,根据不同要求,采用不同的数据访问工作模式。现场总线信息规范子层FMS的基本功能是面向应用服务,生成规范的应用协议数据。目前可用作基金会现场总线通信控制器的芯片,已经有几家公司在生产,如日本的横河公司、富士公司;美国的SHIPSTAR公司、巴西的SMAR公司等。各家公司的产品功能繁简各不相同,各具特色。但是他们都声称符合ISASP50规定的现场总线物理层标准。这些芯片可用于现场总线上的主设备的通信接口,也可以用于从设备的通信接口。2.2单驱动与媒体接口CAN只采用了ISO/OSI模型全部7层中的2层:物理层和数据链路层。物理层又分为物理信令(PLS,PhysicalSignalling)、物理媒体附件(PMA,PhysicalMediumAttachment)与媒体接口(MDI,MediumDependentInterface)3部分,完成电气连接、实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码。数据链路层分为逻辑链路控制与媒体访问控制2部分,分别完成接收滤波、超载通知、恢复管理,以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错检测等。在广泛的工业领域,CAN总线可作为现场设备级的通信总线,并且与其他的总线相比,具有很高的可靠性和性能价格比。例如,瑞士一家公司开发的轴控制系统ACS-E就带有CAN接口。该系统可作为工业控制网络中的一个从站,用于控制机床、机器人等。一方面通过CAN总线与上位机通信,另一方面可通过CAN总线对数字式伺服电机进行控制。3两种辅助规划在工业生产中,机器人由于工作性质的不同可将其动作分成几种主要的动作。分布式控制是常见的控制方式,采用CAN总线后,网络拓扑结构为总线型,共有8个节点。由于信号传输距离较近,工作频率不高,传输介质采用廉价的双绞线即可。两个完全相同的规划级系统通过CAN总线与直接控制级相连。自动方式时,两节点都进行机器人运动轨迹规划,互为热备份,同时,他们还需要能进行自身的故障诊断。在正常情况下,两机分别将规划出的数据通过CAN总线传给直接控制级,直接控制级收到来自规划级的“两个”数据后,首先进行比较,若相同,表明两规划级工作正常数据可靠,通过直接控制级的处理去控制相应的关节动作;若两数据不同,直接控制级马上向两个规划级发送远程帧,要求重新进行规划运算并发回数据,再次对数据进行比较,如此卷回运算3遍,若最后比较的结果一致,表明刚才的故障为瞬时性的,现已恢复正常,系统无须作切换动作。否则,可认为故障是永久性的,此时,直接控制级首先自检,若本身无故障,便传信息给两规划级,迫使他们进入自身系统的故障诊断。根据检测结果,切除故障机并显示故障信息,只让正常机工作。出于对系统可靠性的考虑,在机器人的控制系统中采用了CAN总线技术,他较传统的串行通信及Bit-BUS等总线,在硬件上可减少走线、易于系统扩充或改型、便于容错设计;在软件上通信更加灵活、实时性更好、纠错能力更强。因此,由实践可以证明,CAN总线是分布式控制系统的理想总线。4osi参考模型对现场总线控制的启示信息技术的飞速发展,导致了自动化领域的深刻变革,并逐渐形成了自动化领域的开放系统互连通信网络,形成了全分布式网络集成化自控系统。而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术,现场总线技术在工业生产自动化中的应用和推广,无疑将加快我国工业现代化的前进步伐,提高我国工业企业的综合竞争能力。当前,各种形式的现场总线协议并存