国际网络通信的标准规范

网络通信能够实现设备间最大的资源共享，同时也能较大地节省成本，但是要实现不同厂家间生产设备的通信，就需要有一套国际化的通用标准，这种标准便是开放式系统的互连参考模型。

国际标准化组织（ISO）根据网络构成的元素，根据其功能的不同，提出了开放系统互连模型（OSI），涵盖了软件、硬件的每个部分，作为通信网络国际标准化的参考模型，它详细描述了软件功能的7个层次（见图6-1）。

（1）物理层

物理层指的是物理媒体，例如双绞线、同轴电缆等。物理层为用户提供建立、保持和断开物理连接的功能，RS-232C、RS-422和RS-485等就是物理层标准的硬件实物。

（2）数据链路层

数据以帧为单位传送，每一帧包含一定数量的数据和必要的控制信息，例如同步信息、地址信息、差错控制和流量控制信息。数据链路层负责在两个相邻节点间的链路上实现差错控制、数据成帧、同步控制等。

图6-1 开放系统互连模型

（3）网络层

网络层的主要功能是报文包的分段、报文包阻塞的处理和通信子网中路径的选择。

（4）传输层

传输层的信息传送单位是报文（Message），它的主要功能是流量控制、差错控制、连接支持，传输层向上一层提供一个可靠的端到端（End-to-End）的数据传输服务。

（5）会话层

会话层的功能是支持通信管理和实现最终用户应用进程之间的同步，按正确的顺序收发数据，进行各种对话。

（6）表示层

表示层用于应用层信息内容的形式变换，例如数据加密/解密、信息压缩/解压和数据兼容，把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。

（7）应用层

应用层作为OSI的最高层，为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。

互连参考模型仅仅是理想化的网络参考模型，而对于通信网络中，真正实现“统一对话”的则是通信的相关标准。

1.IEEE 802通信标准

（1）通信网络中的总线争用问题

在通信网络中，如果有2台或2台以上的设备在发送数据，容易造成总线的堵塞甚至是数据包的丢失；而当所有设备都呈接收状态时，总线又会处于闲置状态，为了避免这种混乱的状态，在通信网络中，规定了允许一个站发送，多个站接收，这种通信方式称为广播方式。

如果通信网络中的站点比较少，对通信的快速性要求不是太高，可以采用主从通信方式。网络中设置一个主站（例如上位计算机），其他的站（例如PLC）均为从站。只有主站才有权主动发送请求报文（或称为请求帧），从站收到后返回响应报文。如果有多个从站，主站轮流向从站发出请求报文，这种通信方式称为轮询。

如果网络中的站点很多，轮询一遍需要的时间较长，某一从站遇到了需要紧急上传的事件，也要等到接收到主站的请求报文才能上传。

IEEE（国际电工与电子工程师学会）的802委员会于1982年颁布了一系列计算机局域网分层通信协议标准草案，简称为IEEE 802标准。它把OSI参考模型的底部两层分解为逻辑链路控制层（LLC）、媒体访问控制层（MAC）和物理传输层。前两层对应于OSI模型中的数据链路层，数据链路层是一条链路（Link）两端的两台设备进行通信时所共同遵守的规则和约定。

IEEE 802的媒体访问控制层对应于三种当时已建立的标准，即带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议、令牌总线（Token Bus）和令牌环（Foken Ring）。

（2）CSMA/CD

CSMA/CD通信协议的基础是Xerox等公司研制的以太网（Ethernet），各站共享一条广播式的传输总线，每个站都是平等的，采用竞争方式发送信息到传输线上。也就是说，任何一个站都可以随时广播报文，并为其他各站接收。当某个站识别到报文上的接收站名与本站的站名相同时，便将报文接收下来。由于没有专门的控制站，两个或多个站可能因为同时发送信息而产生冲突，造成报文作废，因此必须采取措施来防止冲突。(www.xing528.com)

发送站在发送报文之前，先监听一下总线是否空闲，如果空闲，则发送报文到总线上，称之为“先听后讲”。但是这样做仍然有发生冲突的可能，因为从组织报文到报文在总线上传输需要一段时间，在这一段时间内，另一个站通过监听也可能会认为总线空闲并发送报文到总线上，这样就会因为两个站同时发送而产生冲突。

为了防止冲突，在发送报文开始的一段时间，仍然监听总线，采用边发送边接收的办法，接收到的信息和自己发送的信息相比较，若相同则继续发送，称之为“边听边讲”：若不相同则产生冲突，立即停止发送报文，并发送一段简短的冲突标志（阻塞码序列），来通知总线上的其他站点。为了避免冲突的站同时重发它们的帧，采用专门的算法来计算重发的延迟时间。通常把这种“先听后讲”和“边听边讲”相结合的方法称为（CSMA/CD带冲突检测的载波侦听多路访问技术），其控制策略是竞争发送、广播式传送、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。

在以太网发展的初期，通信速率较低。如果网络中的设备较多，信息交换比较频繁，可能会经常出现竞争和冲突，影响信息传输的实时性。随着以太网传输速率的提高和采取了一系列措施，工业以太网较好地解决了实时性问题。以太网在工业控制中得到了广泛的应用，大型工业控制系统最上层的网络几乎全部采用以太网。以太网将会越来越多地用于工业控制网络中的底层网络。

（3）令牌总线

IEEE 802标准中的工业媒质访问技术是令牌总线，其编号为IEEE 802.4。在令牌总线中，媒体访问控制是通过传递一种称为令牌的特殊标志来实现的。按照逻辑顺序，令牌从一个装置传递到另一个装置，传递到最后一个装置后，再传递给第一个装置，如此周而复始，形成一个逻辑环。令牌有“空”、“忙”两个状态，令牌网开始运行时，由指定站产生一个空令牌沿逻辑环传送。任何一个要发送信息的站都要等到令牌传给自己，判断为空令牌时才发送信息。

发送站首先把令牌置成“忙”，并写入要传送的信息、发送站名和接收站名，然后将载有信息的令牌送入逻辑环传输。令牌沿逻辑环循环一周后返回发送站时，信息已被接收站复制，发送站将令牌置为“空”，送入逻辑环继续传送，以供其他站使用。如果在传送过程中令牌丢失，由监控站向网内注入一个新的令牌。

令牌传递式总线能在很重的负荷下提供实时同步操作，传送效率高，适于频繁、较短的数据传输，因此它最适合于需要进行实时通信的工业控制网络系统。

（4）令牌环

令牌环媒体访问方案是IBM开发的，它在IEEE 802标准中的编号为802.5，它有些类似于令牌总线。在令牌环上，最多只能有一个令牌绕环运动，不允许两个站同时发送数据。令牌环从本质上看是一种集中控制式的环，环上必须有一个中心控制站负责网的工作状态的检测和管理。

2.现场总线标准

IEC对现场总线（Fieldbus）的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替4～20mA现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表，它不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨槽上。现场总线I/O的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。

使用现场总线后，可以减少自控系统的配线、安装、高度等方面的费用。操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障点。

（1）IEC 61158

由于历史的原因，现在有多种现场总线标准并存，IEC的现场总线国际标准（IEC61158）在1999年年底获得通过，2000年又补充了两种类型。

近年来，为了满足实时性应用的需要，各大公司和标准化组织纷纷提出了各种提升工业以太网实时性的解决方案，从而产生了实时以太网（Real Time Ethernet，简称RTE）。2007年7月出版的IEC 61158第4版采纳了经过市场考验的20种现场总线（见表6-1）。

表6-1 IEC61158第4版的现场总线

其中的类型1是原IEC 61158第1版技术规范的内容，类型2 CIP包括DeviceNet、Con-trolNet和实时以太网Ethernet/IP。类型6因为市场应用很不理想，已被撤销。

EPA（Ethernet for Plant Automation，用于工厂自动化的以太网）是我国拥有自主知识产权的实时以太网通信标准，已被列入现场总线国际标准IEC 61158第4版的类型14。

（2）IEC 62026

IEC 62026是供低压开关设备与控制设备使用的控制器电气接口标准，于2000年6月通过。它包括：

IEC 62026.1：一般要求。

IEC 62026.2：执行器传感器接口（Actuator Sensor Interface，AS-i，西门子公司支持）。

IEC 62026.3：设备网络（Device Network，DN，美国Rockwell公司支持）。

IEC 62026.4：Lonworks（Local.Operating Networks）总线的通信协议LonTalk，已取消；

IEC 62026.5：智能分布式系统（Smart Distributed System，SDS，美国Honeywell公司支持）。

IEC 62026.6：串行多路控制总线（Serial Multiplexed Control Bus，SMCB，美国Honey-well公司支持）。