要了解現(xiàn)場總線的含義，先弄清楚通信是怎么回事。簡單地講，通信就是通過一種媒介傳達(dá)某些意圖的過程。比如電報、電話、無線電、互聯(lián)網(wǎng)等，他們都是應(yīng)用電子技術(shù)，把某種信息經(jīng)過處理(稱為調(diào)制)，然后通過電力電纜或者無線電波，發(fā)送到其他地方，在那里，把信息解析出來(稱為解調(diào))，再經(jīng)過放大等處理，還原成為原始的信息。這個完整的過程稱為通信。如圖1所示。
圖1 無線通信原理示意圖
從我們工控行業(yè)的角度來分析一下，信息的來源是通過采集數(shù)據(jù)的設(shè)備，如壓力變送器，熱電偶，熱電阻等；發(fā)送設(shè)備就是儀表內(nèi)的電路，至于功能，前面的章節(jié)已經(jīng)有過介紹，我們只把它看成一個設(shè)備就可以了；傳輸介質(zhì)就是電纜；接收設(shè)備就是采集卡，或者其他類型的采集模塊等；接收者就是監(jiān)控設(shè)備或者顯示設(shè)備。通過這樣的過程，就把現(xiàn)場的弱信號或者不易直觀表示的信號轉(zhuǎn)換為我們在生產(chǎn)工藝中需要的各種參數(shù)，當(dāng)然了，有來也有去，通信是雙方向的，完成接收功能的過程被稱為采集數(shù)據(jù)，承擔(dān)發(fā)送功能的過程被稱為控制指令或控制輸出。單臺設(shè)備是這樣的過程：那么，由很多臺采集設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備構(gòu)成這樣的雙向通信，就形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。
這種方式類似于我們的部門管理，市場或銷售部門收集產(chǎn)品信息、客戶需求等數(shù)據(jù)，通過e-mail或調(diào)研報告等方式傳送給領(lǐng)導(dǎo)者，領(lǐng)導(dǎo)者做出決策，安排產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，這樣就形成了一個過程，實施過程中會遇到各種各樣的問題，領(lǐng)導(dǎo)就會做出各種各樣的反應(yīng)來應(yīng)對，這樣，就形成了一套復(fù)雜的管理系統(tǒng)。
在沒有思維能力的各種設(shè)備之間，數(shù)據(jù)是怎樣來傳輸?shù)哪?可以說這是一門關(guān)于管理藝術(shù)的學(xué)科，它包含計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、加工工藝、通信技術(shù)等。要想熟知這門學(xué)科，必須先了解一些基本知識。
首先，數(shù)據(jù)需要編碼才能傳輸，也就是說，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候需要按照一定的規(guī)則編排起來；然后，接收的設(shè)備再把它按規(guī)則翻譯過來，就能知道是什么意思了，這里的規(guī)則就是編碼規(guī)則。
無規(guī)矩，不成方圓；沒有交通規(guī)則，高速公路就得經(jīng)常撞車；同樣的道理，沒有數(shù)據(jù)的編碼規(guī)則，我們就不能把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方。
有了規(guī)則，數(shù)據(jù)傳輸還必須借助網(wǎng)絡(luò)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的種類繁多，分類方法各異。按地域范圍可分為遠(yuǎn)程網(wǎng)和局域網(wǎng)。遠(yuǎn)程網(wǎng)的跨越范圍可從幾十公里到幾萬公里，其傳輸線造價很高?？紤]到信道上的傳輸衰減，其傳輸速度不能太高，一般小于100kbps。若要提高傳輸速度，就要大大增加通信費(fèi)用，或采用通信衛(wèi)星、微波通信技術(shù)等。
影響網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號方式、訪問控制方式、傳輸介質(zhì)等。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)形式。在圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，星形、環(huán)形、總線形和樹形較為常見。
圖2 四種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖
拓?fù)?topology)是將各種物體的位置表示成抽象位置。在網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)湫蜗蟮孛枋隽司W(wǎng)絡(luò)的安排和配置，包括各種節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的相互關(guān)系。拓?fù)洳魂P(guān)心事物的細(xì)節(jié)，也不在乎什么相互的比例關(guān)系，僅僅需要確定討論的范圍，確定范圍內(nèi)的事物，再把它們之間的關(guān)系通過圖表示出來。網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)等設(shè)備要實現(xiàn)互聯(lián)，就需要以一定的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行連接，這種連接方式就叫做“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”，通俗地講，是表示清楚這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何連接在一起的。
星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，任何兩站之間的通信都必須通過中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。一個站要傳送數(shù)據(jù)，首先向中央節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求，要求與目的站建立連接。連接建立后，該站才向目的站發(fā)送數(shù)據(jù)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是集中式通信控制策略，所有通信均由中央節(jié)點(diǎn)控制，中央節(jié)點(diǎn)必須建立和維持許多并行數(shù)據(jù)通路，因此中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)顯得非常復(fù)雜，而每個站的通信處理負(fù)擔(dān)相對很小，只需滿足點(diǎn)一點(diǎn)鏈路的簡單通信要求，結(jié)構(gòu)很簡單。星形拓?fù)洳捎秒娐方粨Q，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信量的綜合，適用于低數(shù)據(jù)率設(shè)備。因為這種拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)終端只需承擔(dān)很小的通信處理負(fù)擔(dān)，因而很適合要求終端密集的地方。它具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，便于管理；控制簡單，便于建網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)延遲時間較小，傳輸誤差較低。但缺點(diǎn)也是明顯的：成本高，可靠性較低，資源共享能力也較差。
大家思考：在中央節(jié)點(diǎn)工作的領(lǐng)導(dǎo)真的很累，什么事情都要管理，而其他節(jié)點(diǎn)就不用這么辛苦了，如果中央節(jié)點(diǎn)因領(lǐng)導(dǎo)生病了，可怎么辦？
在環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中有許多中繼器進(jìn)行點(diǎn)一點(diǎn)鏈路連接，構(gòu)成一個封閉的環(huán)路。中繼器接收前驅(qū)站發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后按原來速度一位一位地從另一條鏈路發(fā)送出去。鏈路是單向的，數(shù)據(jù)沿一個方向(順時針或逆時針)在網(wǎng)上環(huán)行。每個工作站通過中繼器再連至網(wǎng)絡(luò)。一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，按分組進(jìn)行，數(shù)據(jù)被拆成分組方式，然后加上控制信息，插入環(huán)上，通過其他中繼器到達(dá)目的站。由于多個工作站要共享環(huán)路，這就需要建立一種規(guī)則，也就是訪問控制方式，由這個規(guī)則來確定每個站在什么時候能向環(huán)上插入分組。一般采用分布控制，毎個站有存取邏輯和收發(fā)控制。環(huán)形拓?fù)湔门c星形拓?fù)湎喾?。星形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)處理功能，而工作站負(fù)擔(dān)最小，而環(huán)形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備只是很簡單的中斷器，而工作站則需提供拆包和存取控制邏輯等非常復(fù)雜的功能。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的中繼器之間可使用高速鏈路(如光纖)，因此，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與其他拓?fù)湎啾龋商峁└蟮耐掏铝?，適用于工業(yè)環(huán)境，但在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量、數(shù)據(jù)類型、可靠性方面存在某些局限。
在總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，傳輸介質(zhì)是一條總線，工作站通過標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口接至總線上。一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，所有其他站都能接收。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)展形式，傳輸介質(zhì)是不封閉的分支電纜。它和總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣，一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，其他站都能接收。因此，總線形和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸介質(zhì)稱作多點(diǎn)式或廣播式。因為所有節(jié)點(diǎn)共享一條傳輸鏈路，一次只允許一個站發(fā)送信息，這種方式也需要有某種存取控制方式，也就是規(guī)則，這樣可以確定下一個被允許發(fā)送數(shù)據(jù)的站是哪一個。信息也是按分組發(fā)送，達(dá)到目的站后，經(jīng)過地址識別，將信息復(fù)制下來。
做個形象一些的比喻，根據(jù)規(guī)則，在開會的時候，每次只允許一個人講話，人家聽，只有和自己有關(guān)系的事情，我們才記下了，然后執(zhí)行，否則，“左耳朵聽，右耳朵出”。
樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適應(yīng)性很強(qiáng)，可適用于很寬范圍，如對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量、數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)類型等沒有太多限制，可達(dá)到很高的帶寬。樹形結(jié)構(gòu)在單個局域網(wǎng)系統(tǒng)中采用不多，如果把多個總線形或星形網(wǎng)連在一起，或連到另一個大型機(jī)或一個環(huán)形網(wǎng)上，就形成了樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這在實際應(yīng)用環(huán)境中是非常需要的，樹形結(jié)構(gòu)非常適合于分主次、分等級的層次型管理系統(tǒng)。
有了編碼規(guī)則，又有了網(wǎng)絡(luò)，就要制訂傳輸?shù)囊?guī)則，也就是管理規(guī)則，現(xiàn)場總線應(yīng)該是一種數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，是智能化儀表與管理系統(tǒng)連接的開放系統(tǒng)。類似于我們的局域網(wǎng)，只不過這個網(wǎng)連接的是智能儀表等現(xiàn)場設(shè)備，至少形式上是這樣的。
有系統(tǒng)就必須有管理制度，否則就不能按要求工作，因此在總線上主動發(fā)起信息傳輸?shù)脑O(shè)備叫主設(shè)備，顯而易見，被領(lǐng)導(dǎo)的就是從設(shè)備，它只能被動接收主設(shè)備的信息，讓它改地址它就改地址，讓它傳數(shù)據(jù)它就傳數(shù)據(jù)。當(dāng)這個系統(tǒng)里有多個主設(shè)備的時候，就需要協(xié)同工作，就需要制訂一套規(guī)則-總線協(xié)議(bus protocol)。由此可見，現(xiàn)場總線技術(shù)其實是一門管理技巧，編制各個執(zhí)行部門，各司其職，協(xié)同工作，完成人的各種需求。那么這個協(xié)議-也就是管理規(guī)則都做哪些工作呢？
總線操作
在公司里，我們經(jīng)常會與領(lǐng)導(dǎo)溝通，一般的方式都是這樣進(jìn)行的；領(lǐng)導(dǎo)電話找你過去，你帶著匯報資料與領(lǐng)導(dǎo)交流，談得不錯，領(lǐng)導(dǎo)表揚(yáng)你幾句，你回到座位上繼續(xù)工作，領(lǐng)導(dǎo)又找別人交流。這個過程在這里把它表述為連接-數(shù)據(jù)傳輸-斷開，這樣一個操作順序叫一次總線交易，或一次總線操作。斷開(disconnect)的目的是讓主設(shè)備可以與其他從設(shè)備進(jìn)行交易。很早以前的電話局里面的人工交換操作就類似一次總線操作，說反了，應(yīng)該是總線操作類似人工接線。
數(shù)據(jù)傳輸
剛才說到的與領(lǐng)導(dǎo)交流就是數(shù)據(jù)傳輸，也就是交換意見，互通有無。提問的是“讀-read”，回答的是“寫-write”，溝通的方式大概有幾種：一問一答，一問多答，有沒有只問不答呢？有，說明不是網(wǎng)絡(luò)有問題就是從設(shè)備故障，得到的結(jié)果很可能是“下崗”。還應(yīng)該有一種情況，不問也答的情況，這個是可以的，從設(shè)備只管說，接不接受是主設(shè)備的事兒，需要了就接受，否則不接受，這也是一種傳輸方式。所以，無論什么時候都要搞清楚“主”是誰，為“主”服務(wù)。
通信請求各個部門職能不同，完成的工作就不同，有些時候我們就必須要求別的部門給予配合，就得發(fā)出請求-通信請求。對于不同的標(biāo)準(zhǔn)，請求的方式就有多種方式。
經(jīng)過以上一些操作，我們完成了數(shù)據(jù)傳輸，形成了傳輸標(biāo)準(zhǔn)，osi模型。