现场总线通信基础：理解与应用

通信的目的是传送信息。实现信息传递所需的一切设备和传输介质的总和称为通信系统，它一般由信息源、发送设备、传输介质、接收设备及接收者等几部分组成，如图1－1－5所示。信息源是信息的来源，其作用是把各种信息转换成电信号；接收者是信息的使用者，其作用是将复原的信号转换成相应的信息。

图1-1-5　通信系统的组成

发送设备的基本功能是将信息源产生的信号转换成适合在传输介质中传输的信号，发送设备常常指的是编码器和调制器。

接收设备的基本功能是完成信号的反转换，即对信号进行解调、译码、解码等，主要任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始信号。

传输介质是指发送设备到接收设备间信号传输所经的媒介，它可以是电磁波、红外线等无线传输介质，也可以是双绞线、电缆、光缆等有线传输介质。

（一）通信的基本概念

数据通信是指根据通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据，以实现计算机之间、计算机与终端、终端与终端之间的数据信息传递。

1.数据与信息

数据分为模拟量和数字量两种，模拟量是指在时间和幅值上连续变化的数据，如温度、压力、流量等；数字量是指时间上离散的、幅值经过量化的数据。

数据是信息的载体，它是信息的表现形式，可以是数字、字符、符号等。单独的数据并没有实际意义，但如果把数据按一定规则、形式组织起来，就可以传达某种意义，这种具有某种意义的数据的集合就是信息。

2.数据传输率

数据传输率是衡量通信系统有效性的指标之一，是指单位时间内传送的数据量，常用比特率（S）和波特率（B）来表示。

比特率表示单位时间内传送的二进制代码的有效位数，单位有bit/s、kbit/s及Mbit/s等。

波特率是数据信号对载波的调制速率，用单位时间内载波调制状态的改变次数来表示，单位为波特。在数据传输过程中，线路上每秒传送的波形个数就是波特率。

（二）通信的传输技术

现场总线系统的应用在较大程度上取决于采用哪种传输技术。传输技术的选择既要考虑传输的拓扑结构、传输速率、传输距离和传输的可靠性等，还要考虑成本是否低廉、使用是否方便等因素。在过程自动化控制的应用中，为了满足本质安全的要求，数据和电源必须在同一根传输介质上传输，因此单一的技术不能满足所有要求。在通信模型中，物理层直接和传输介质相连，规定了线路传输介质、物理连接的类型和电气功能等特性。

根据不同的分类标准，数据传输的方式可以分为串行传输和并行传输，单向传输和双向传输，异步传输和同步传输，通常采用RS－232C、RS－422A、RS－485、以太网等通信接口标准进行信息交换。

1.传输方式

1）串行传输和并行传输

（1）串行传输。串行传输数据的各个不同位时使用同一条传输线，从低位开始一位接一位地按顺序传输，数据有多少位就传输多少次。串行传输多用于PLC与计算机之间及多台PLC之间的数据传输，其传输速度较慢，但传输线少、连接简单，适合多位数据的长距离通信。

（2）并行传输。并行传输数据所在位同时传送，每个数据位都要有一条单独的传输线。并行传输一般用于PLC内部的各元件之间、主机与扩展模块或近距离智能模块之间的数据传输。并行传输的传输速度快、效率高，但当数据位数较多、传送距离较远时，线路就会很复杂，成本高且干扰大，所以它不适合远距离传输数据。

2）单向传输和双向传输

串行通信按信息在设备间的传输方向可分为单工、半双工和全双工三种，如图1－1－6所示。

图1-1-6　数据通信方式

（a）单工通信；（b）半双工通信；（c）全双工通信

（1）单工通信是指信息的传输始终保持一个固定的方向，不能进行反向传输，如广播。

（2）半双工通信是指两个通信设备在进行通信时，都可以发送和接收信息，但在同一时刻只能有一个设备发送数据，而另一个设备只接收数据，如无线对讲机。

（3）全双工通信是指两个通信设备之间可以同时发送和接收信息，线路上可以有两个方向的数据在流动，如电话。

3）异步传输和同步传输

串行通信可分为异步传输和同步传输两种。

异步传输以字符为单位进行传输，每个字符都有自己的起始位和停止位，每个字符中的各个位是同步的，它是靠发送信息的同时发出字符的开始和结束标志来实现的。异步传输的传送效率低，主要用于中低速数据通信。

同步传输是以数据块为单位的，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都是同步的。在同步传输过程中，发送方和接收方要保持完全同步，即要使用同一时钟频率。同步传输的传输效率高，对硬件要求高，主要用于高速通信。

2.接口标准与传输介质

1）接口标准

（1）RS－232C通信接口。RS－232C通信接口是美国电子工业协会（EIA）于1969年公布的标准化接口，RS是英文“Recommended Standard”的缩写，232为标识号，C表示此接口标准修改的次数。它既是一种协议标准，也是一种电气标准，规定通信设备之间信息交换的方式与功能。RS－232C通信接口可使用9针或25针的D形连接器，简单的只需用三条接口线，即发送数据TXD、接收数据RXD和信号地GND。

RS－232C通信接口只能用于对通信速率和传输距离有限制的场合，适合本地设备之间的通信，传输速率有1 920 bit/s、9 600 bit/s和4 800 bit/s等几种，最高通信速率为20 kbit/s，最大传输距离为15 m。

（2）RS－422A通信接口。针对RS－232C通信接口的不足，EIA于1977年推出了串行接口RS－499，RS－422A是RS－499的子集，它定义了RS－232C没有的10种电路功能，采用37引脚连接器、全双工通信方式。RS－422A采用差动发送、接收工作方式，使用5 V电源，在通信速率、通信距离、抗干扰方面等都优于RS－232C，最大传输速率可达10 Mbit/s，传输距离为12～1 200 m。

（3）RS－485通信接口。RS－485通信接口是RS－422A通信接口的变形。RS－422A是全双工通信，有两对平衡差分信号线，至少需要四根线用于发送和接收。RS－485为半双工通信，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收，最少需要两根线。由于RS－485通信接口能用较少的信号连线完成通信任务，并具有良好的抗噪声干扰、高传输速率（10 Mbit/s）、长传输距离（1 200 m）和多站功能（最多128个站）等优点，因此在工业控制中得到了广泛的应用。西门子S7系列PLC采用了RS－485通信接口。

2）传输介质

传输介质也称为通信介质，是指通信双方用于传输信息的物理通道，常分为有线传输介质和无线传输介质两大类。传输介质的分类如图1－1－7所示。在现场总线控制系统中常用的传输介质为双绞线、同轴电缆和光缆等，其外形如图1－1－8所示。

图1-1-7　传输介质的分类

图1-1-8　常用传输介质的外形

（a）双绞线；（b）同轴电缆；（c）光缆

（1）双绞线。双绞线用金属导体来接收和传输通信信号，是一种常见的传输介质，可分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。屏蔽双绞线有较强的屏蔽性能，所以也具有较好的电气性能，但是价格较贵。非屏蔽双绞线的性能对普通企业的局域网影响不大，所以企业局域网通常采用非屏蔽双绞线。

双绞线既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。对于模拟信号，每5～6 km需要一个放大器；对于数字信号，每2～3 km需要一个中继器。在使用时，每条双绞线两端都需要安装R1－45连接器才能与网卡、集线器或交换机相连接。

（2）同轴电缆。经常使用的同轴电缆有两种，一种是5 Ω的，用于数字信号的传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75 Ω的，多用于模拟信号的传输。同轴电缆的数据传输速度、传输距离、可支持节点数、抗干扰性都优于双绞线，成本也高于双绞线，但低于光缆。

（3）光缆。光缆是光导纤维电缆的简称，是由多束光纤组成的。光纤即光导纤维，是目前最先进的网络介质之一，一般用于以极快速度传输大数据的场合。它是一种传输光束的细微而柔软的媒介，在它的中心有一根或多根玻璃纤维，通过从激光器或发光二极管发出的光波穿过中心纤维来进行数据传输。

光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它的特点如下。

①抗干扰性好。光缆中的信息是以光的形式传播的，不受外界电磁信号的影响，本身也不向外辐射信号，具有良好的抗干扰性，适用于长距离及要求高度安全的场合。(www.xing528.com)

②具有更宽和更高的传输速率和传输能力。

③衰减少，无中继器时的传输距离远。

④光缆费用昂贵，对芯材纯度要求高。

在用光缆连接多个小型机时，要考虑光纤的单向特性，双向通信要使用双股光纤。由于光缆要对不同频率的光进行多路传输和多路选择，因此可使用光学多路转换器。

光缆连接采用光缆连接器，安装要求严格，要求两根光缆间的光纤或光源必须对正，否则会造成信号失真或反射；连接不能过分紧密，否则会使光纤改变发射角度。

（三）现场总线控制网络

1.网络拓扑结构与网络控制方式

1）网络拓扑结构

网络拓扑结构是指用传输介质将各种设备互连的物理布局。将局域网（LAN）中的各种设备互连的方法很多，目前大多数LAN使用的拓扑结构有星形拓扑结构、环形拓扑结构、总线型拓扑结构和树形拓扑结构四种，如图1－1－9所示。

图1-1-9　网络拓扑结构

（a）星形拓扑结构；（b）环形拓扑结构；（c）总线型拓扑结构；（d）树形拓扑结构

（1）星形拓扑结构的连接特点是用户之间的通信必须经过中心站，这样的结构要求中心系统必须具有极高的可靠性，经常采用双中心站热备份，以提高系统的可靠性。

（2）环形拓扑结构在LAN中应用较多，其特点是每个用户端都与两个相邻的用户端相连，所有用户连成环形，点到点的连接方式使系统以单向方式操作，消除了用户端对中心系统的依赖；其缺点是某个节点一旦失效，整个系统就会瘫痪。

（3）总线型拓扑结构在LAN中应用普遍，其连接特点是用户端的物理媒介由所有设备共享，各节点地位平等，无中心节点控制，连接布线简单，扩充容易，成本低，某个节点失效也不会影响其他节点的通信。但是在应用中需要确保用户端发送数据时不会出现冲突。

2）网络控制方式

网络控制方式是指通信网络中使信息从发送装置迅速而准确地传送到接收装置的管理机制。

（1）令牌方式。对介质访问的控制权以令牌为标志，只有得到令牌的节点才有权控制和使用网络，常用于总线型网络和环形网络结构。令牌传送实际上是一种按预先安排让网络中各节点依次轮流占用通信线路的方法，传送的次序由用户根据需要预先确定，而不是按节点在网络中的物理次序传送，如图1－1－10所示。

图1-1-10　令牌传递示意

（2）争用方式。网络中的各节点自由发送信息，但两个以上的节点同时发送信息会有冲突，需要加以约束，常采用CSMA/CD方式，即载波监听多路访问/冲突检测。它是一种分布式介质访问控制协议，网络中的各个节点都能独立地决定数据的发送与接收，它常用于总线型网络。

（3）主从方式。网络中的主站周期性地轮询各从站节点是否需要通信，被轮询的节点允许与其他节点通信，多用于信息量少的简单系统，适用于星形网络结构或具有主站的总线型结构。

3）数据交换

数据交换是网络的核心，在数据通信系统中通常采用线路交换、报文交换和分组交换三种方式。

（1）线路交换方式。线路交换通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路。从通信资源角度来看，线路交换按照某种方式动态地分配传输线路资源，具体过程为建立通道、传输数据、拆除通道。

线路交换数据的优点是：数据传输迅速可靠，并能保持原有的序列；其缺点是：一旦通信双方占用通道，即使不传输数据，其他节点也不能使用，因而造成资源浪费。这种方式适用于时间要求较高且连续地传输数据的时候。

（2）报文交换方式。报文交换方式的传输对象是报文，其长度不限且可变，报文包括要发送的正文信息、收发站的地址及其他控制信息。数据传送过程采用存储/转发方式，不需要在两个站之间建立一条专用通路。

报文交换的优点是：效率高，通道可以复用且需要时才分配通道，可以方便地把报文发送到多个目的节点；建立报文优先权，让优先级高的报文先传送。其缺点是：延时长，不能满足实时交互式通信要求；有时节点收到的报文太多，以至于不得不丢弃或阻止某些报文，因此这种方式对中继节点存储容量的要求较高。

（3）分组交换方式。分组交换方式与报文交换方式类似，只是交换的单位为报文分组，且限制了每个报文分组的长度。分组交换方式将报文分成若干个报文组，每个分组前都加上一个分组头，用于指明该分组发往哪个地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志将它们转发至目的地。

分组交换的优点是：转发延时短，数据传输灵活；其缺点是：在目的节点要对分组进行重组，增加了系统的复杂性。

4）差错控制

差错控制是指在数据通信过程中发现或纠正差错，并把差错限制在尽可能小的、允许的范围内。检错码能自动发现差错；纠错码不仅能发现差错，而且能自动纠正差错。检错和纠错的能力是以冗余的信息量和降低系统效率为代价的。

常用的检错码有奇偶检错码和循环冗余校验码两种。

2.网络互连设备

1）中继器

中继器负责在两个节点的物理层按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。中继器不对信号进行校验处理。

2）网桥

网桥工作在数据链路层，对帧进行存储、转发，有效地连接两个局域网，使本地通信限制在本网段内，并转发相应信号至另一网段，通常用于连接数量不多的、同一类型的网段。

3）路由器

路由器工作在网络层，具有判断网络地址和选择路径等功能，能在多网络互连环境中建立灵活的连接，主要功能是路由选择，常用于多个局域网、局域网与广域网以及异构网络的互连。

4）网关

网关工作在传输层以上，是最复杂的网络互连设备之一，仅用于两个高层协议不同的网络互连，网关对收到的信息重新打包，以适应目的端系统的需求。网关具有从物理层到应用层的协议转换能力，主要用于异构网的互连、局域网与广域网的互连，不存在通用网关。

3.现场总线控制网络

现场总线控制网络用于完成各种数据采集和自动控制任务，是一种特殊的、开放的计算机网络，是工业企业综合自动化的基础。从现场总线节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的环境等方面看，现场总线控制网络有别于其他计算机网络。

1）现场总线控制网络的节点

总线网络的节点分散在生产现场，大多是具有计算与通信能力的智能测控设备。

节点可以是普通的计算机网络中的PC或其他种类的计算机、操作站等设备，也可以是嵌入式CPU。现场总线网络就是把单个分散的、有通信能力的测控设备作为网络节点，按照网络的拓扑结构连接成网络系统。各节点之间可以相互传递信息，共同配合完成系统的控制任务，如图1－1－11所示。

图1-1-11　现场总线控制网络连接示意

2）现场总线控制网络的任务

（1）将控制系统中现场运行的各种信息传送到控制室，使现场设备始终处于远程监控中。

（2）控制室将各种控制、维护、参数修改等命令送往位于生产现场的测量控制设备中，使生产现场的设备处于可控状态下。

（3）与操作端、上层管理网络实现数据传输与信息共享。