【正文】 期I/O通信方式 周期I/O通信方式常用于PLC的遠(yuǎn)程I/O鏈路中。遠(yuǎn)程I/O鏈路按主從方式工作，PLC遠(yuǎn)程I/O主單元為主站，其它遠(yuǎn)程I/O單元皆為從站。在主站中設(shè)立一個(gè)“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”，采用信箱結(jié)構(gòu)，劃分為幾個(gè)分箱與每個(gè)從站—一對(duì)應(yīng)，每個(gè)分箱再分為兩格，一格管發(fā)送，一格管接收。主站中通信處理器采用周期掃描方式，按順序與各從站交換數(shù)據(jù)，把與其對(duì)應(yīng)的分箱中發(fā)送分格的數(shù)據(jù)送給從站，從從站中讀取數(shù)據(jù)放入與其對(duì)應(yīng)的分箱的接收分格中。這樣周而復(fù)始，使主站中的“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”得到周期性的刷新。 在主站中PLC的CPU單元負(fù)責(zé)用戶程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進(jìn)行處理，每個(gè)周期都有一段時(shí)間集中進(jìn)行I/O處理，這時(shí)它對(duì)本地I/O單元及遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。PLC的CPU單元對(duì)用戶程序的周期性循環(huán)掃描，與PLC通信處理器對(duì)各遠(yuǎn)程I/O單元的周期性掃描是異步進(jìn)行的。盡管PLC的CPU單元沒(méi)有直接對(duì)遠(yuǎn)程I/O單元進(jìn)行操作，但是由于遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)獲得周期性刷新，PLC的CPU單元對(duì)遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)的讀寫操作，就相當(dāng)于直接訪問(wèn)了遠(yuǎn)程I/O單元。這種通信方式簡(jiǎn)單、方便，但要占用PLC的I/O區(qū)，因此只適用于少量數(shù)據(jù)的通信。2．全局I/O通信方式 全局I/O通信方式是一種串行共享存儲(chǔ)區(qū)的通信方式，它主要用于帶有鏈接區(qū)的PLC之間的通信。全局I/O方式的通信原理如圖727所示。在PLC網(wǎng)絡(luò)的每臺(tái)PLC的I/O區(qū)中各劃出一塊來(lái)作為鏈接區(qū)，每個(gè)鏈接區(qū)都采用郵箱結(jié)構(gòu)。相同編號(hào)的發(fā)送區(qū)與接收區(qū)大小相同，占用相同的地址段，一個(gè)為發(fā)送區(qū)，其它皆為接收區(qū)。采用廣播方式通信。PLC1把1＃發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)絡(luò)上廣播，PLCPLC3收聽(tīng)到后把它接收下來(lái)存入各自的1＃接收區(qū)中。PLC2把2＃發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)上廣播，PLCPLC3把它接收下來(lái)存入各自的2＃接收區(qū)中。PLC3把3＃發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)上廣播，PLCPLC2把它接收下來(lái)存入各自的3＃接收區(qū)中。顯然通過(guò)上述廣播通信過(guò)程，PLCPLCPLC3的各鏈接區(qū)中數(shù)據(jù)是相同的，這個(gè)過(guò)程稱為等值化過(guò)程。通過(guò)等值化通信使得PLC網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)PLC的鏈接區(qū)中的數(shù)據(jù)保持一致。它既包含著自己送出去的數(shù)據(jù)，也包含著其它PLC送來(lái)的數(shù)據(jù)。由于每臺(tái)PLC的鏈接區(qū)大小一樣，占用的地址段相同，每臺(tái)PLC只要訪問(wèn)自己的鏈接區(qū)，就等于訪問(wèn)了其它PLC的鏈接區(qū)，也就相當(dāng)于與其它PLC交換了數(shù)據(jù)。這樣鏈接區(qū)就變成了名符其實(shí)的共享存儲(chǔ)區(qū)，共享區(qū)成為各PLC交換數(shù)據(jù)的中介。圖727 全局I/O方式的通信原理 鏈接區(qū)可以采用異步方式刷新（等值化），也可以采用同步方式刷新。異步方式刷新與PLC中用戶程序無(wú)關(guān)，由各PLC的通信處理器按順序進(jìn)行廣播通信，周而復(fù)始，使其所有鏈接區(qū)保持等值化；同步方式刷新是由用戶程序中對(duì)鏈接區(qū)的發(fā)送指令啟動(dòng)一次刷新，這種方式只有當(dāng)鏈接區(qū)的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)變化時(shí)才刷新。 全局I/O通信方式中，PLC直接用讀寫指令對(duì)鏈接區(qū)進(jìn)行讀寫操作，簡(jiǎn)單、方便、快速，但應(yīng)注意在一臺(tái)PLC中對(duì)某地址的寫操作在其它PLC中對(duì)同一地址只能進(jìn)行讀操作。與周期I/O方式一樣，全局I/O方式也要占用PLC的I/O區(qū)，因而只適用于少量數(shù)據(jù)的通信。 3．主從總線通信方式 主從總線通信方式又稱為1：N通信方式，是指在總線結(jié)構(gòu)的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，其中只有1個(gè)主站，其它皆是從站。 1：N通信方式采用集中式存取控制技術(shù)分配總線使用權(quán)，通常采用輪詢表法。所謂輪詢表是一張從機(jī)號(hào)排列順序表，該表配置在主站中，主站按照輪詢表的排列順序?qū)恼具M(jìn)行詢問(wèn)，看它是否要使用總線，從而達(dá)到分配總線使用權(quán)的目的。 對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的站，可以在輪殉表中讓其從機(jī)號(hào)多出現(xiàn)幾次，賦予該站較高的通信優(yōu)先權(quán)。在有些1：N通信中把輪詢表法與中斷法結(jié)合使用，緊急任務(wù)可以打斷正常的周期輪詢，獲得優(yōu)先權(quán)。 1：N通信方式中當(dāng)從站獲得總線使用權(quán)后有兩種數(shù)據(jù)傳送方式。一種是只允許主從通信，不允許從從通信，從站與從站要交換數(shù)據(jù)，必須經(jīng)主站中轉(zhuǎn)；另一種是既允許主從通信也允許從從通信，從站獲得總線使用權(quán)后先安排主從通信，再安排自己與其它從站之間的通信。 4．令牌總線通信方式 令牌總線通信方式又稱為N：N通信方式是指在總線結(jié)構(gòu)的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，它們地位平等沒(méi)有主站與從站之分，也可以說(shuō)N個(gè)站都是主站。 N：N通信方式采用令牌總線存取控制技術(shù)。在物理總線上組成一個(gè)邏輯環(huán)，讓一個(gè)令牌在邏輯環(huán)中按一定方向依次流動(dòng)，獲得令牌的站就取得了總線使用權(quán)。令牌總線存取控制方式限定每個(gè)站的令牌持有時(shí)間，保證在令牌循環(huán)一周時(shí)每個(gè)站都有機(jī)會(huì)獲得總線使用權(quán)，并提供優(yōu)先級(jí)服務(wù)，因此令牌總線存取控制方式具有較好的實(shí)時(shí)性。 取得令牌的站有兩種數(shù)據(jù)傳送方式，即無(wú)應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式和有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式。采用無(wú)應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式時(shí)，取得令牌的站可以立即向目的站發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束，通信過(guò)程也就完成了；而采用有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式時(shí)，取得令牌的站向目的站發(fā)送完數(shù)據(jù)后并不算通信完成，必須等目的站獲得令牌并把應(yīng)答幀發(fā)給發(fā)送站后，整個(gè)通信過(guò)程才結(jié)束。后者比前者的響應(yīng)時(shí)間明顯增長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性下降。 5．浮動(dòng)主站通信方式 浮動(dòng)主站通信方式又稱N：M通信方式，適用于總線結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)，是指在總線上有M個(gè)站，其中N（N＜M＝個(gè)為主站，其余為從站。 N：M通信方式采用令牌總線與主從總線相結(jié)合的存取控制技術(shù)。首先把N個(gè)主站組成邏輯環(huán)，通過(guò)令牌在邏輯環(huán)中依次流動(dòng)，在N個(gè)主站之間分配總線使用權(quán)，這就是浮動(dòng)主站的含義。獲得總線使用權(quán)的主站再按照主從方式來(lái)確定在自己的令牌持有時(shí)間內(nèi)與哪些站通信。 一般在主站中配置有一張輪詢表，可按輪詢表上排列的其它主站號(hào)及從站號(hào)進(jìn)行輪詢。獲得令牌的主站對(duì)于用戶隨機(jī)提出的通信任務(wù)可按優(yōu)先級(jí)安排在輪詢之前或之后進(jìn)行。 獲得總線使用權(quán)的主站可以采用多種數(shù)據(jù)傳送方式與目的站通信，其中以無(wú)應(yīng)答無(wú)連接方式速度最快。 CSMA/CD通信方式是一種隨機(jī)通信方式，適用于總線結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)，總線上各站地位平等，沒(méi)有主從之分，采用CSMA/CD存取控制方式，即“先聽(tīng)后講，邊講邊聽(tīng)”。 CSMA/CD存取控制方式不能保證在一定時(shí)間周期內(nèi)，PLC網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)站都可獲得總線使用權(quán)，因此這是一種不能保證實(shí)時(shí)性的存取控制方式。但是它采用隨機(jī)方式，方法簡(jiǎn)單，而且見(jiàn)縫插針，只要總線空閑就搶著上網(wǎng)，通信資源利用率高，因而在PLC網(wǎng)絡(luò)中CSMA/CD通信法適用于上層生產(chǎn)管理子網(wǎng)。CSMA/CD通信方式的數(shù)據(jù)傳送方式可以選用有連接、無(wú)連接、有應(yīng)答、無(wú)應(yīng)答及廣播通信中的每一種，可按對(duì)通信速度及可靠性的要求進(jìn)行選擇。以上是PLC網(wǎng)絡(luò)中常用的通信方式，此外還有少量的PLC網(wǎng)絡(luò)采用其它通信方式，如令牌環(huán)的通信方式等。另外，在新近推出的PLC網(wǎng)絡(luò)中，常常把多種通信方式集成配置在某一級(jí)子網(wǎng)上，這也是今后技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。 第四節(jié) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。一、現(xiàn)場(chǎng)總線概述 20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一新時(shí)代的開(kāi)始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。 現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將通用或?qū)Ｓ梦⑻幚砥髦萌雮鹘y(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用一定的通信介質(zhì)作為總線，按照公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)實(shí)際需要的自控系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它把分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線將控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)被稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）。FCS實(shí)質(zhì)是一種開(kāi)放的、具有互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。 2．現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 從1984年IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）開(kāi)始制定現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)至今，爭(zhēng)奪現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的大戰(zhàn)持續(xù)了16年之久。先后經(jīng)過(guò)9次投票表決，最后通過(guò)協(xié)商、妥協(xié)，于2000年1月4日IEC TC65（負(fù)責(zé)工業(yè)測(cè)量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)）通過(guò)了8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線作為新的IEC61 158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 1）類型1 IEC技術(shù)報(bào)告（即FF的H1）； 2）類型2 ControlNet（美國(guó) Rockwell公司支持）； 3）類型3 Profibus（德國(guó) Siemens公司支持）； 4）類型4 PNet（丹麥 Process Data公司支持）； 5）類型5 FF HSE（即原FF的H2，F(xiàn)isherRosemount等公司支持）； 6）類型6 Swift Net（美國(guó)波音公司支持）； 7）類型7 World FIP（法國(guó) Alstom公司支持）； 8）類型8 Interbus（德國(guó)Phoenix Conact公司支持）。 加上IEC TC17B通過(guò)的3種現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即SDS（Smart Distributed System）。ASI（Actuator Sensor Interface）和DeviceNet，此外，ISO還有一個(gè)ISO 11898的CAN（Control Area Network），所以一共有12種之多。現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)雖然制定出來(lái)了，但它與IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）于1984年開(kāi)始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的初衷是相違背的。 3．現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀（1）多種總線共存 現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中采用了8種協(xié)議類型，以及其它一些現(xiàn)場(chǎng)總線。每種總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。不同領(lǐng)域的自動(dòng)化需求各有其特點(diǎn)，因此在某個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的總線技術(shù)一般對(duì)本領(lǐng)域的滿足度高一些，應(yīng)用多一些，適用性好一些。據(jù)美國(guó)ARC公司的市場(chǎng)調(diào)查，世界市場(chǎng)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)總線的需求為：過(guò)程自動(dòng)化15％（FF、PROFIBUSPA、WorldFIP），醫(yī)藥領(lǐng)域18％（FF、PROFIBUSPA、WorldFIP），加工制造15％（PROFIBUSDP、DeviceNet），交通運(yùn)輸15％（PROFIBUSDP、DeviceNet），航空、國(guó)防34％（PROFIBUSFMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet），農(nóng)業(yè)未統(tǒng)計(jì)（PNET、CAN、PROFIBUSPA/DP、DeviceNet、ControlNet），樓宇未統(tǒng)計(jì)（LonWorks、PROFIBUSFMS、DeviceNet）。由此可見(jiàn)，隨著時(shí)間的推移，占有市場(chǎng)80％左右的總線將只有六七種，而且其應(yīng)用領(lǐng)域比較明確，如 FF、PROFIBUSPA適用于冶金、石油、化工、醫(yī)藥等流程行業(yè)的過(guò)程控制，PROFIBUSDP、 DeviceNet適用于加工制造業(yè)，LonWorks、PROFIBUSFMS、DeviceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)。但這種劃分又不是絕對(duì)的，相互之間又互有滲透。 （2）總線應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展 每種總線都力圖拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴(kuò)張其勢(shì)力范圍。在一定應(yīng)用領(lǐng)域中已取得良好業(yè)績(jī)的總線，往往會(huì)進(jìn)一步根據(jù)需要向其它領(lǐng)域發(fā)展。如Profibus在DP的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)出PA，以適用于流程工業(yè)。 （3）不斷成立總線國(guó)際組織 大多數(shù)總線都成立了相應(yīng)的國(guó)際組織，力圖在制造商和用戶中創(chuàng)造影響，以取得更多方面的支持，同時(shí)也想顯示出其技術(shù)是開(kāi)放的。如WorldFIP國(guó)際用戶組織、FF基金會(huì)、Profibus國(guó)際用戶組織、PNet國(guó)際用戶組織及ControlNet國(guó)際用戶組織等。 （4）每種總線都以企業(yè)為支撐 各種總線都以一個(gè)或幾個(gè)大型跨國(guó)公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān)，如 Profibus以Siemens公司為主要支持，ControlNet以 Rockwe11公司為主要背景，WorldFIP以ALSTOM公司為主要后臺(tái)。 （5）一個(gè)設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織 大多數(shù)設(shè)備制造商都積極參加不止一個(gè)總線組織，有些公司甚至參加2 ~4個(gè)總線組織。道理很簡(jiǎn)單，裝置是要掛在系統(tǒng)上的。 （6）各種總線相繼成為自己國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn) 每種總線大多將自己作為國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)自己的競(jìng)爭(zhēng)地位?，F(xiàn)在的情況是：PNet已成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，Profibus已成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。上述3種總線于1994年成為并列的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170。其它總線也都成為各地區(qū)的技術(shù)規(guī)范。 （7）在競(jìng)爭(zhēng)中協(xié)調(diào)共存 協(xié)調(diào)共存的現(xiàn)象在歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)就出現(xiàn)過(guò)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170在制定時(shí)，將德、法、丹麥3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并列于一卷之中，形成了歐洲的多總線的標(biāo)準(zhǔn)體系，后又將ControlNet和FF加入歐洲標(biāo)準(zhǔn)的體系。各重要企業(yè)，除了力推自己的總線產(chǎn)品之外，也都力圖開(kāi)發(fā)接口技術(shù)，將自己的總線產(chǎn)品與其它總線相連接，如施耐德公司開(kāi)發(fā)的設(shè)備能與多種總線相連接。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。 （8）以太網(wǎng)成為新熱點(diǎn) 以太網(wǎng)正在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制市場(chǎng)上迅速增長(zhǎng)，幾乎所有遠(yuǎn)程I/O接口技術(shù)的供應(yīng)商均提供一個(gè)支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口，如Siemens、Rockwell、GEFanuc等，他們除了銷售各自PLC產(chǎn)品，同時(shí)提供與遠(yuǎn)程I/O和基于PC的控制系統(tǒng)相連接的接口。FF現(xiàn)