现场总线通信模型：现场总线与工业以太网应用

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。图2-24 OSI与部分现场总线通信参考模型的对应关系图2-24中的H1指IEC标准中的61158。图2-25是OSI模型与另两种现场总线的通信参考模型的分层比较。其中LonWorks采用了OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。

具有七层结构的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。作为工业数据通信的底层控制网络，要构成开放互联系统，应该如何制定和选择通信模型，七层OSI参考模型是否适应工业现场的通信环境，简化型是否更适合于控制网络的应用需要，这是应该考虑的首要问题。

在工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，它们通常相当零散地分布在一个较大范围内。对由它们组成的控制网络，其单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对也比较简单，但对实时性、快速性的要求较高。如果按照七层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，网络接口的造价与时间开销显得过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。

几种典型现场总线的通信参考模型与OSI模型的对照如图2-24所示。可以看到，它们与OSI模型不完全保持一致，在OSI模型的基础上分别进行了不同程度的简化，不过控制网络的通信参考模型仍然以OSI模型为基础。图2-24中的这几种控制网络，还在OSI模型的基础上增加了用户层。用户层是根据行业的应用需要，在施加某些特殊规定后形成的标准。

图2-24 OSI与部分现场总线通信参考模型的对应关系

图2-24中的H1指IEC标准中的61158。它采用了OSI模型中的3层，即物理层、数据链路层和应用层，隐去了第3～6层。应用层有两个子层：现场总线访问子层和现场总线报文规范子层。此外，还将从数据链路到FAS、FMS的全部功能集成为通信栈。

在OSI模型基础上增加的用户层规定了标准的功能模块、对象字典和设备描述，供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。在网络管理中，设置了网络管理代理和网络管理信息库，提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。在系统管理中，设置了系统管理内核、系统管理内核协议和系统管理信息库，实现设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理等功能。(www.chuimin.cn)

HSE即高速以太网，是H1的高速网段，也属于IEC的标准子集之一。它的从物理层到传输层的分层模型与计算机网络中常用的以太网相同。应用层和用户层的设置与H1基本相当。图2-24中应用层的FDA指现场设备访问是HSE的专有部分。

PROFIBUS也是IEC的标准子集之一，也作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。其DP型标准隐去了第3～7层，而FMS型标准则只隐去第3～6层，采用了应用层。此外，增加用户层作为应用过程的用户接口。

图2-25是OSI模型与另两种现场总线的通信参考模型的分层比较。其中LonWorks采用了OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。图2-25中还给出了它各分层的作用。

图2-25 OSI模型与LonWorks和CAN的分层比较

在图2-25中，作为ISO11898标准的CAN只采用了OSI模型的下面两层，即物理层和数据链路层。这是一种应用广泛，可以封装在集成电路芯片中的协议。要用它实际组成一个控制网络，还需要增添应用层或用户层以及其他约定。

现场总线通信模型：现场总线与工业以太网应用

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