现场总线通信模型及其应用技术

2023-11-22 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2-22 OSI与部分现场总线通信参考模型的对应关系图2-22中的H1指IEC标准中的61158。图2-23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，这是应该考虑的重要问题。

在工业生产现场存在大量的传感器、控制器和执行器等，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2-22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2-22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2-22 OSI与部分现场总线通信参考模型的对应关系

图2-22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：总线访问子层FAS和总线报文规范子层FMS。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。其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2-23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2-23中还表示了各分层的作用。

图2-23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。

图2-23 OSI模型与LonWorks和CAN的分层比较

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