现场总线通信协议模型优化方案

工业控制系统用现场总线技术源于IT的计算机网络技术，但又不同于IT网络。国际电工委员会IEC TC65/SC65C/WG6现场总线工作组，认真考虑用户的要求，建立了全新的IEC61158现场总线通信协议模型，该模型在OSI 7层模型的基础上增加了面向用户的第8层用户层。现场总线协议模型如图4-5所示。从图4-5中可以看出，现场总线模型由物理层、数据链路层、应用层和用户层组成。

图4-5 现场总线协议模型

1.物理层

物理层提供机械、电气、功能和规程性功能，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接。物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输。用于现场总线的物理层，规定了通信信号的大小和波形，并有基带和宽带两种方式。

物理层定义了所用导线媒体的类型和导线上的信息传送速度。

（1）装置通信速度：

1）低速总线（H1）：31.25kbit/s。

2）调整总线或高速总线（H2）：1Mbit/s和2.5Mbit/s。

（2）H1现场总线段上的现场装置数：

1）不经由总线导体供电：2～32装置。

2）经由总线导体供电：2～12装置。

（3）H2现场总线段上的现场装置数：

对于1Mbit/s电压方式和2.5Mbit/s电压方式，可以连接127个现场装置。

（4）能够用于现场总线的导线长度和类型取决于现场总线段的长度。例如，使用屏蔽双绞线：(www.xing528.com)

1）H1—#18AwC长度为1900m。

2）H2（1Mbit/s）—#22AWG长度为750m。

3）H2（2.5Mbit/s）—#22AWG长度为500m。

（5）H1总线在31.25kbit/s时，典型的响应时间约为1ms。

（6）H2总线在1Mbit/s和2.5Mbit/s时，典型的响应时间约32μs。

现场总线的媒体有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输。用现有的模拟电缆可构成低速星形拓扑，对于新的电缆可构成高速多引线和光纤拓扑。H1低速总线能够传送供电电源，误码率为工作20年差错不大于1。

2.数据链路层

数据链路层分为媒体存取控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。MAC子层主要实现对共享总线媒体的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况。LLC子层是在节点间用来对帧的发送、接收信号进行控制，同时检验传输差错。现场总线的实时通信主要由数据链路层提供，所谓实时（Time-critical）就是提供一个“时间窗”，在该时间窗内，需要完成具有某个指定级别所确定的一个或多个动作。为了满足实时性要求，IEC61158.3和IEC61158.4数据链路层标准中采用了不同于IT的全新的数据链路层服务定义和数据链路层规范。IEC现场总线媒体存取机构将令牌传送的灵活性和调运存取的实时性相结合，总线存取的控制可以按照用户的需要实现集中或分散方式，数据传输有很高的确定性和优先级，网络的同步时间小于1ms，IEC数据链路层还可以为实体间数据交换提供连接服务和无连接服务。

3.应用层

应用层直接为用户服务，提供适用于应用、应用管理和系统管理的分布式信息服务。开放系统相互连接的管理包括初始化、维护、终止和记录某些数据所需的功能，这些数据与为在应用进程间传送数据而建立的连接有关。现场总线应用层主要组成部分包括：应用进程、应用进程对象、应用实体和应用服务元素等。应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。现场总线访问子层（FAS）提供发布者/接收者、客户/服务器和报告分发3种服务，现场总线报文子层（FMS）则提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务。

4.用户层

现场总线用户层具有标准功能块（FB）和装置描述（DD）功能。为了实现过程自动化，现场装置使用功能块，并使用这些功能块完成控制策略。IEC专门成立了一个工作组SC65C/WG7负责制定标准功能块，按规范，AI、AO、DI、DO和PID等共有32个功能块。现场总线一个很重要的功能是装置的互操作性，允许用户将不同厂家提供的现场装置连接在同一根现场总线上。为了实现互操作，每个现场总线装置都用装置描述（DD）来描述。DD可被认为是装置的一个驱动程序，它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于DD包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操作性。

由上可见，IEC61158工业控制系统用现场总线标准是充分考虑工业自动化系统的特点，融进了近十年计算机网络发展的最新技术，并为今后的长远发展创造了条件，具有不同于IT技术的崭新框架的通信协议标准。这个标准广泛地应用于工厂自动化、过程自动化和楼宇自动化。