工業(yè)控制的應用離不開(kāi)經(jīng)典控制理論，隨著(zhù)計算機技術(shù)在工業(yè)控制中的廣泛應用，反饋控制的要求體現在控制指令如何到達執行器，而控制效果如何通過(guò)傳感器發(fā)回控制系統。在復雜的工業(yè)環(huán)境中，現場(chǎng)總線(xiàn)能夠正確、快速、穩定的通信，從而保證工業(yè)控制系統既能得到及時(shí)、準確的現場(chǎng)數據，經(jīng)過(guò)高效處理后，又能快速、精確的發(fā)出執行命令。

 

 

通信就是將信息從一個(gè)點(diǎn)傳送到另一個(gè)點(diǎn)，比如說(shuō)電話(huà)、廣播和電視。工業(yè)通信系統也是如此，也需要發(fā)送器、接收器以及和通信鏈路。鏈路類(lèi)型包括雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖、無(wú)線(xiàn)和微波。發(fā)送端解調器調制數據，接收端調制解調器解調信號以再現原始數據，而其中的通信規則稱(chēng)為協(xié)議。

 

 

工業(yè)通信與一般通信相比有一些特殊的要求，比如說(shuō)工業(yè)環(huán)境就不同于辦公室環(huán)境。

 

工業(yè)通信主要是過(guò)程數據、狀態(tài)變量、維護等，數據分類(lèi)如下表所示：

 

通信中和時(shí)間相關(guān)的特征有實(shí)時(shí)性、頻率、抖動(dòng)、生命周期、響應時(shí)間、同步、時(shí)間和空間的相關(guān)性或一致性。工業(yè)通信往往要求保證通信的實(shí)時(shí)性，也就是說(shuō)響應時(shí)間是否滿(mǎn)足時(shí)間限制。

 

 

OSI模型定義了一個(gè)框架物理層通常與如電纜、連接器、網(wǎng)絡(luò )接口卡、無(wú)線(xiàn)傳輸硬件等物理介質(zhì)相混淆。物理層不僅定義了物理介質(zhì)及其正確連接的接口要求，物理層定義編碼方式、校驗方法、帶寬、頻譜、載波、波特率、電、光、無(wú)線(xiàn)電信號、流入異步串行通信控制、電纜類(lèi)型、連接器的機械設計。信號通過(guò)傳輸介質(zhì)從發(fā)送端到接收端。通信介質(zhì)的機械和電氣特性。

 

而數據鏈路層負責創(chuàng )建、傳輸和接收數據包，現場(chǎng)總線(xiàn)對于數據鏈路層有細分為L(cháng)LC和MAC兩層，前者提供接口網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議，并控制與其對等體的邏輯通信，后者提供對特定物理編碼的訪(fǎng)問(wèn)和傳輸。

 

應用層規定了交互數據的方式，并定義了設備的各種信息、狀態(tài)和參數。

 

現場(chǎng)總線(xiàn)的通信數據一般分為標識數據和通用消息。標識數據是指控制器與傳感器、控制器與執行器以及控制器之間傳輸過(guò)程變量。通用消息在系統組態(tài)和維護階段，用于文件的下載和上傳。

 

 

過(guò)去工業(yè)通信采用模擬信號，就是廣為人知的4-20mA技術(shù)，后來(lái)現場(chǎng)總線(xiàn)使用數字通信體現出抗噪聲、減少電纜、診斷功能等諸多的優(yōu)點(diǎn)。因此現場(chǎng)總線(xiàn)會(huì )取代4-20mA。

 

采用現場(chǎng)總線(xiàn)的關(guān)鍵要求之一是分布式智能。為了訪(fǎng)問(wèn)現場(chǎng)總線(xiàn)，智能的傳感器和執行器需要具備計算能力、數字通信、協(xié)議標準，因此設備成本相對就高。

 

 

有人會(huì )把RS-232和RS-485當成總線(xiàn)，其實(shí)兩者是一種接口的標準。接口標準主要從電氣特性（信號）、機械特性（DB9）、管腳功能進(jìn)行描述。兩者的主要區別就是邏輯如何表示，前者是電壓表示01，后者是電壓差表示01。具體的比較如表所示。

 

 

因為RS-232只能實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信（雙機互聯(lián)），無(wú)法聯(lián)網(wǎng)（多機），而RS-485能夠連成總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )，而且很多現場(chǎng)總線(xiàn)基于RS-485標準，所以有人會(huì )理解成485總線(xiàn)，但是嚴格來(lái)說(shuō)485總線(xiàn)不是一種現場(chǎng)總線(xiàn)，只是有些現場(chǎng)總線(xiàn)是使用了RS-485作為其物理層定義，因此現場(chǎng)總線(xiàn)和485不是一個(gè)層次上的概念。

 

 

電纜和連接器的引腳分配。引腳分配取決于電纜的類(lèi)型以及所使用的網(wǎng)絡(luò )架構。電信號的格式。用于信號0和1的編碼，值或模擬中的特定值傳輸取決于所使用的網(wǎng)絡(luò )架構。大多數現場(chǎng)總線(xiàn)使用曼徹斯特編碼通信。

 

將時(shí)鐘同步信號就隱藏在數據波形中，每個(gè)碼元包含一個(gè)跳變，低到高或者高到低表示一個(gè)碼元。先理解碼元、比特、波特率、比特率，碼元就相當于單詞，而比特就是字母，單位時(shí)間內的傳輸的碼元就是波特率，而單位時(shí)間傳輸的比特就是比特率。

 

單詞可以由一個(gè)字母組成，也可以由幾個(gè)字母組成，也就是說(shuō)碼元數是比特數的倍數，這時(shí)波特率也就是比特率的倍數關(guān)系。我們都有背單詞的經(jīng)歷，比如說(shuō)我們每天都要記住10個(gè)單詞，假設每個(gè)單詞都是4個(gè)字母組成，那么波特率就是每天記住的單詞數，而比特率就是每天記住所有單詞的字母數目。

 

 

現場(chǎng)總線(xiàn)一般使用有線(xiàn)連接，原理是使用電磁波在通信介質(zhì)傳輸中傳播，通信介質(zhì)有雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖，如圖所示。隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)對接線(xiàn)要求的不斷變化，以及無(wú)線(xiàn)技術(shù)的快速發(fā)展，如今現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)始越來(lái)越多的使用無(wú)線(xiàn)連接。

 

 

 

通信模式是指兩個(gè)或多個(gè)應用程序之間交互對象的方式，分為客戶(hù)端/服務(wù)器和生產(chǎn)者/消費者（出版者/訂閱者）兩類(lèi)模式。

 

 

圖顯示了客戶(hù)端/服務(wù)器模式，該模式更適合傳輸狀態(tài)數據。當客戶(hù)端發(fā)出讀請求后，服務(wù)器就回復?？蛻?hù)端/服務(wù)器模式的通信過(guò)程一般細分為請求、指示、響應和確認四個(gè)步驟，其中指示是指服務(wù)器收到了一個(gè)請求事件，確認說(shuō)明客戶(hù)端收到了響應。響應服務(wù)有不同的意思，有的響應表示收到消息，有的表示開(kāi)始服務(wù)或返回結果。

 

對于一個(gè)讀服務(wù)，讀出對象的值包含在響應中，讀請求包含對象名稱(chēng)，并根據尋址機制訪(fǎng)問(wèn)本地對象，響應要么返回結果，要么返回執行失敗的原因，以及響應時(shí)間。對象可以是先驗、簡(jiǎn)單變量或一個(gè)復雜的結構體。

 

符合這種模式中的協(xié)議大多從制造信息規范（MMS）發(fā)展而來(lái)，應用層基于MMS模型管理各種對象，如任務(wù)（創(chuàng )建、取消、啟動(dòng)、恢復和停止）、變量（讀寫(xiě)）、域（下載和上傳）。MMS通常只會(huì )有一個(gè)服務(wù)子集。整個(gè)操作細分成請求、執行、響應三個(gè)部分，與MAC層處理時(shí)間和服務(wù)執行時(shí)間有關(guān)。

 

WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I、P-NET等現場(chǎng)總線(xiàn)都是使用客戶(hù)端/服務(wù)器的通信模型。而B(niǎo)atiBus是一種特殊的客戶(hù)端/服務(wù)器模型，因為其中沒(méi)有回復和確認。

 

 

包含一個(gè)發(fā)布者應用和若干用戶(hù)應用，分為“推”和“拉”兩種模式。對于拉模式來(lái)說(shuō)，發(fā)布者管理器發(fā)送一個(gè)請求，發(fā)布者通過(guò)廣播（或多播）響應；而對于推模式來(lái)說(shuō)，一個(gè)訂閱者發(fā)送請求，發(fā)布者先響應這個(gè)請求，然后發(fā)送廣播（或多播）數據。如圖所示，推模式多了一次步驟。

 

 

發(fā)布者/訂閱者模型非常適合于傳輸事件數據，可用于“事件通知”的要求和提示、MMS信息定義的提示。發(fā)布者/訂閱者模型用于緩沖區之間通信（讀寫(xiě)服務(wù)）。WorldFIP、CAN、LonWorks、EIBus、ControlNet、SWIFTNET和FF使用了發(fā)布者/訂閱者模型。

 

 

通信機制包括周期性通信、應答機制和觸發(fā)機制。

 

周期性通信源于自動(dòng)控制和事件檢測的基礎——采樣理論。大多數標記數據作為控制算法的輸入或輸出，要求周期性傳輸，主要應用在集中式控制系統進(jìn)行周期性的查詢(xún)操作。不同數據的通信周期可能不同，會(huì )產(chǎn)生抖動(dòng)，那么通信協(xié)議就是要盡量消除抖動(dòng)。這些系統基于狀態(tài)通信，有時(shí)也稱(chēng)為“時(shí)間觸發(fā)系統”。

 

 

圖顯示了一個(gè)周期性通信的例子，每個(gè)基本周期都有C和D，每?jì)蓚€(gè)周期有B和E，每三個(gè)周期有F，因此總線(xiàn)周期（大周期）等于所有周期的最小公倍數（LCM），而節拍（小周期）是一個(gè)時(shí)間間隔等于最大公約數（HCD）。有的現場(chǎng)總線(xiàn)所有數據都通過(guò)周期型通信，但網(wǎng)絡(luò )負載太大了，因此某些數據會(huì )采用非周期的傳輸，比如說(shuō)一些狀態(tài)變量可以在發(fā)生變化后再傳送。

 

協(xié)議引入應答機制，接收機通知發(fā)射機一個(gè)消息是否已正確接收。在現場(chǎng)總線(xiàn)應用中，非周期通信需要應答機制，而周期性通信則不需要，因為在周期性通信中如果出現錯誤，接收方會(huì )忽略錯誤并等待后續正確數據。

 

除了周期性和非周期性通信之外還有時(shí)間、事件觸發(fā)。大多數現場(chǎng)總線(xiàn)都傾向于一種時(shí)間觸發(fā)系統，一些還會(huì )結合事件觸發(fā)，由周期性服務(wù)器管理事件。

 

錯誤管理、恢復機制要在用戶(hù)控制中，即應用程序進(jìn)程中。錯誤檢測或通信控制要么由發(fā)送方實(shí)現，要么由接收方實(shí)現。在現場(chǎng)總線(xiàn)中，兩種情況都有，現場(chǎng)總線(xiàn)通常會(huì )提供兩種通信機制。