浅谈缝制数控设备系统互联
随着缝制设备向光机电一体化设备方向发展，其自动化程度越来越高，无论是利用PLC（可编程逻辑控制器）、控制器（电脑控制器）、HMI（人机界面）和伺服放大器组合设计开发智能缝制单元，还是综合利用各种缝前设备、缝中设备和缝后设备进行无人操作的自动化制衣厂的建设，都要求缝制数控设备能够互联互控，即对大系统中的控制设备、检测设备和执行设备等来说，需要各单元能够“开放”，系统中的某一个主要单元要能够接受其他设备单元的控制和通讯信号，用来完成一系列需要相互配合的动作或者时序控制。这要求系统中的各单元要能够相互联络，理解对方发出的信号和指令，并能做出正确的反映，并根据需要反馈给对方一个能够理解的信号。
目前国内外对互联技术早有研究，开放式系统互联参考模型OSI/RM（Open system Interconnection/ReferenceModel）就是近几十年来的研究成果。文章在简要分析这一模型的基础上，会介绍采用该标准模型的总线标准以及目前国家对开放式数控系统标准的制定情况，借此为缝制设备行业的开放式数控系统互联设计和标准制定提供有意义的参考。
OSI模型
随计算机网络的发展，网络互联已是大势所趋。
国际标准化组织ISO早在1977年就成立了专门委员会，在分析和综合现有网络的基础上，提出了一个不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互联模型。该模型于1979年公布，1981年正式发布。
开放，是指非独有的，可互联的和可获取的。所谓开放系统，是指遵从国际标准的、能够通过互连而相互作用的系统。显然，系统之间的相互作用只涉及系统的外部行为，而与系统内部的结构和功能无关。因而关于互连系统的任何标准都只是关于系统外部特性的规定。
OSI模型把网络通信的工作分为7层,它们由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。第一层到第三层属于OSI参考模型的低三层，负责创建网络通信连接的链路；第四层到第七层为OSI参考模型的高四层，具体负责端到端的数据通信。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持，实际通信在物理层完成的。
在OSI中实际数据的发送过程是：发送方将数据由上到下传递到物理介质，在从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，称为报头。到最底层物理层时已经成为由“0”或“1”组成的数据比特流，然后系统将其转换为电信号通过物理通讯介质传输到接收方的物理层。接收方从物理层开始向上逐层剥去发送方相应层加上的控制信息，最后到达接收的对等层。
为能够使发送方和接收方的对等层（如发送方应用层与接收方应用层、发送方表示层与接收方表示层、发送方对话层和接收方对话层）之间能够相互对话，必须使这些对等层之间共同遵守相同的信息编码协议，这种协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU, Protocol Data Unit)，但需要注意的是传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层称为数据段（Segment），网络层称为分组（数据包）（Packet），数据链路层称为数据帧（Frame），物理层称为比特（Bit）。
1. 物理层
这是整个OSI参考模型的最底层，该层规定了系统用于通信的部分在机械、电气、功能和规程（单工、半双工、全双工）等各方面的物理特性，如规定什么信号代表1、什么信号代表0、信号线如何定义、接口如何定义、使用何种通讯介质、串行还是并行、同步还是异步传输、接插件的规格尺寸、引脚数量和定义等。
该层传输的数据单位称为比特，它为数据链路层提供服务，从上层接收数据，按照规定形式的信号和格式将数据发送。它向数据链路层提供数据（把比特流还原为数据链路层可以理解的格式），并完成一些管理工作，如电路标识、故障状态及服务质量参数等。
属于物理层定义的典型规范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等，我们常见的双绞线、同轴电缆、接线设备（如网卡等）、RJ－45网线接口、串口和并口等在网络中都属于这个层次。
物理层要为通讯设备提供数据传输通路的实体，一条数据通路可能连接一个或多个物理媒体，无论这条数据通路连接了多少物理媒体，物理层都要保证在通讯时，两个通讯的数据终端（点到点），一个数据终端与多个数据终端（一点对多点），都能够通过相互之间的信号交换建立一条通路，同时要保证数据能在其上正确通过，还要提供足够的通讯速率，以减少通道上的堵塞。
2. 数据链路层
数据链路层建立在物理层之上，基于物理层提供的比特流传输能力和服务，为上一层提供服务，屏蔽了物理层的特征，使得通讯双方“感觉”是在同一层上通讯。以帧为单位传输数据，各帧按顺序传送，其接收上一层（网络层）提供的数据流，基于通讯双方共同的协议框架，实现数据链路的建立与释放，流量控制和差错控制，并通过接收端的校验检查和应答保证可靠的传输。
数据链路层在国际上已经实现的协议有SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。常见的集线器、低档的交换机和Modem设备都是工作在这个层次上。
3. 网络层
这一层用于解决网络之间的通讯问题，它把上一层传送来的数据组织编排成分组数据包在网络节点之间传送，这些分组数据包中包含有分组的长度、源站点和目的站点地址的网络地址，传送过程中提供路由，即为了能够将数据包传送到目标地址而选择的路线，所以网络层的主要功能是网络路线控制与选择（路由）、流量控制和拥挤控制的管理，而且该层能够针对不同的网络自动变化分组数据包格式，使得异构型网络也能够互联互通。网络层还可以接收下一层——数据链路层传送来的数据，也可以直接将数据链路层的数据帧解封，提取分组数据包，包中封装有网络层的包头，内含源站点和目的站点的网络地址（如IP地址等）。
常见计算机网络中的路由器就工作在这个层次上。网络层协议的代表包括：IP、IPX、OSPF等。
4. 传输层
这一层是在前三层服务的基础上提供一种通用的无差错的端到端连接服务，用于进一步提高网络层的传输服务质量，该层的数据单元也称数据包，它负责获取全部传送信息，包括数据单元碎片、乱序到达的数据包等。传输层的主要作用是作为数据通讯的一个缓冲服务，当网络层服务质量不能满足要求时，他参与进来提高；当网络层满足服务并质量较好时，他只占用很少的工作。该层还会根据通讯速率的要求，为端点建立建立多个网络连接（速率要求高时），或者用多路复用或分流的方式优化网络的传输效率（速率要求低时）。
传输层的功能包括：映像传输地址到网络地址、多路复用与分割、传输连接的建立与释放、分段与重新组装、组块与分块。
传输层协议的代表包括：TCP、UDP、SPX等。此外传输层还要具备差错恢复、流量控制等功能，以此对会话层屏蔽了通信子网在这些方面的细节与差异。
5. 会话层
会话层也称为会晤层或者对话层，会话层与传输层一般结合使用，他利用传输层来提供服务，但不参与具体的传输，只提供访问验证、会话管理、数据流同步和重新同步等服务，如服务器验证用户登录就是由会话层完成的。
会话层的功能主要有：网络连接的映射、数据报文的传送、会话连接的恢复和释放、会话管理、令牌管理和活动管理。在会话层及以上层次，数据传送的单位都统称为报文。对话的管理包括决定谁该发送报文，谁该接收报文。长的对话（例如传输一个长文件）需要分段传输，如有一段传输错误就需要回到分界点重新传。会话层标准定义了12种功能单元，各个开放系统可以以核心功能服务单元为基础，选配其他功能单元组成合理的会话服务子集。
会话层的主要标准有“DIS8236:会话服务定义”和“DIS8237:会话协议规范”。
6. 表示层
表示层位于应用层之下，它为应用层服务，提供一些数据解释服务包，主要解决数据信息的语法和语义，使得具有不同数据表示方法的开放系统之间能够互相理解，即提供数据格式化的表达标准和数据转换服务。表示层同时还负责对数据信息的压缩和解压缩，加密和解密等工作。例如图像格式的显示，就是由位于表示层的协议来支持。表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据，而表示层利用统一的数据编码、数据压缩格式、加密技术等将应用层数据处理成适合网络传输的报文。
7. 应用层
这是OSI参考模型的最高层，这一层直接为端用户服务，如事务处理、文件传输、数据检索、网络管理、加密等，直接面向用户的具体应用，为嵌入式操作系统或者网络应用程序提供网络服务接口，该服务包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能，如电子邮件和文件传输等，在这一层中TCP/IP协议中的FTP、SMTP、POP等协议得到了充分应用。应用层管理开放系统的互连，包括系统的启动、维持和终止，并保持应用进程间建立连接所需的数据记录，其他层都是为支持这一层的功能而存在的。一个应用是由一些相互合作的应用进程组成的，这些进程可以是任何形式的操作过程，例如，手工的、计算机化的或工业和物理过程等。这些应用进程根据应用层协议互相通信。
图1 OSI各层的数据处理流程示意
以上介绍的OSI七层结构中，作为发送端，数据流从应用层开始向下逐层传递，其每一层都接收来自上一层的数据包，数据包中包含有上一层协议通讯所需要的头和尾以及数据，在本层再增加一个协议头和协议尾，连同数据一起封装传递给下一层，最后到达物理层经过再次封装通过物理传输介质发送给接收端，在接收端，数据流从物理层开始向上逐层传递，其每一层都接收来自下一层的数据包，将本层所需要的协议头和尾去除，校验错误情况，如无误传递给上一层，最后到达接收端的应用层，应用层将还原出来的数据发给应用程序。在这个过程中，接收端的每一层都会根据数据包中协议头和尾的信息进行错误检查，在本层发现错误可以根据协议在本层要求对应的数据发送方进行数据重发或处理（图1说明了这一过程）。
然而，倘若我们要将OSI模型直接用于工业设备中的开放式系统互联时，就会发现实现起来特别复杂。有人指出OSI模型的一些缺点：层次数量与内容不是最佳，如会话层和表示层这两层几乎是空的，而数据链路层和网络层包含内容太多；模型中有很多的子层插入，每个子层都有不同的功能；模型以及相应的服务定义和协议极其复杂，实现起来很难；有些功能，如寻址、流量控制和差错控制，都会在每一层上重复出现，降低了系统的效率。
有关总线的介绍
国内在20世纪80年代就开始跟踪研究OSI模型，也都提出过开放式系统互联的问题，但是直到90年代末期，随我国机电设备的升级换代、计算机控制的机电一体化设备得到越来越广泛的使用和推广，相关领域对系统互联才真正重视起来。
比如，在机电一体化的研究中出现了“现场总线控制技术”，它就是要将安装在制造现场的各种控制装置和检测装置通过总线连接到安装在控制室内的自动化管理装置，再通过串行、数字式、多点、高抗扰度的物理介质链接起来，系统内的设备之间遵循开放性、互操作性、互换性和可集成性，极大地提高了系统的可靠性和集成度，便于制造企业迅速组件自动化生产线，组织快速生产、方便维护。
截至目前，国际上已经发展出40多种现场总线，这些总线都适用于各个工业领域，但是相互之间没有覆盖。按照这些总线传输数据的大小，可以将这些总线分为三类，分别是：基于位传输到传感器总线（sensor bus）、基于字节传输的设备总线（device bus）和基于数据流传输的现场总线。下面介绍几个应用领域较广的总线。
基金会现场总线，即Foudation Fieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。使用该总线标准的自动化供应商有：AB、ABB、Foxbro、横河、ABB、西门子Siemens等，主要应用领域：化工、石油、污水处理等。
LonWorks总线是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉Motorola、东芝Hitach公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。在称为Neuron的芯片中实现了LonWorks技术所采用的LonTalk协议，集成芯片中有3个8位CPU：一个用于完成开放互连模型中第 1～ 2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。
Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线。由Profibus -DP、Profibus -FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散型外设间的高速传输，用于设备级控制系统和分散式I/O设备通讯，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，标准目前还处于制定过程中，它遵从IEC1158-2标准，可实现总线供电与本质安全防爆。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。
CAN是控制网络Control Area Network的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了 Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域，可应用于除防爆领域之外的任何工业领域，目前在汽车行业应用最多，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达 1 0km/kbps，可挂接设备最多可达 110个。
HART总线是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，能由总线供电，可满足本安防爆要求，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。HART通信模型也是由3层组成 ：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK(Frequency Shift Keying）技术在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准；数据传输速率为1200bps，逻辑0的信号频率为2200Hz，逻辑1的信号传输频率为 1200Hz。
其他现场总线标准还有：WorldFIP（面向工业控制的现场总线），P-NET总线，AS-I（Actuator Sensor Interface，直接连接现场传感器和执行器的总线系统），Device Net, CC-Link（Control &Communication Link，控制与通信链路系统）, Control Net, Swift Net(主要用于航天领域)，InterBUS等。
本行业相关的标准和工作
我国在数控机床行业领域内首先提出了“开放式数控系统”的概念，为规范和引导国内开放式数控系统生产厂商相互支持与合作，共同提高国产数控系统的市场占有率，保护民族产业，近年来紧跟国际上有关开发式数控系统的有关标准，由挂靠在北京机床研究所的全国工业机械电气系统标准化技术委员会(SAC/TC231)组织计划立项，联合国内工业机械电气行业主干企业开展了《机械电气设备 开放式数控系统》标准的制定工作。
全国工业机械电气系统标准化技术委员会(SAC/TC231)目前是第四届，现由76名委员和1名顾问组成，下辖四个分技术委员会：纺织机械电气系统分技术委员会、机床电气系统分技术委员会、机械电气安全控制系统分技术委员会和缝制机械电气系统分技术委员会（筹），六个工作组：开放式数控系统工作组、建设和起重机械电气系统工作组、电磁兼容工作组、半导体设备电气系统工作组、塑料机械电气系统工作组和电敏装置工作组，由该委员会组成结构可以看出，该标委会的专家代表来自机电行业的不同领域，这对于制定符合各行业要求和发展实际的具有代表型的标准很重要。上海鲍麦克斯电子科技有限公司是前期首家参与该标准委员会的缝制机械数控系统企业，去年参与了国家标准《工业机械数字控制系统 第1部分：通用技术条件》的制修订。
目前标委会制定的开放式数控系统标准是一系列标准，主要由《GB/T 18759.1－2002 机械电气设备 开放式数控系统 第1部分：总则》、《GB/T 18759.2－2006 机械电气设备 开放式数控系统 第2 部分：体系结构》、《GB/T 18759.3－2009 机械电气设备 开放式数控系统 第3 部分：总线接口与通信协议》、《GB/T 18759.4-XXXX机械电气设备开放式数控系统 第4 部分：硬件平台》、《GB/T 18759.5-XXXX机械电气设备开放式数控系统第5部分 软件平台》、第6部分 网络接口与通讯协议、第7部分 通用技术条件、第8部分 试验与验收等组成，其中前三部分标准已经发布，第四部分标准已经报批，第五部分和第六部分标准在征求意见阶段，第七、八部分标准在草稿拟制阶段。该系列标准的使用范围包括（除第六部分外）：金属加工机械、纺织机械、印刷机械、缝制机械、塑料和橡胶机械、木工机械等电气设备的开放式数控系统，可以说覆盖的范围还是比较广的，标准中对开放式数控系统的定义为：指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上的数控系统，使应用软件具备可移植性、可操作性和人机界面的一致性。在标准的第6部分 网络接口与通讯协议中，对于开放式数控系统其网络接口与通讯协议应满足：开放性、可靠性和安全性的要求，在草稿阶段，提出开放式数控系统网络接口以TCP/IP为基础，由数据采集层、数据处理层和应用服务层组成，对信息模型做了定义，虽然标准没有全部覆盖到所有机电行业领域，但是作为机械电气设备互联的一个起步标准，需要整个机电行业的协同努力去不断完善。
综上，随着信息技术和网络技术的发展，物联网技术已经得到了全世界的重视，我国各行业都将很快面临网络接入和信息互通的问题，对于不同的厂家设备和网络，只有大家都遵循共同的网络协议和规范，才能互利合作，利用网络的优势实现各种自动化的集成，相信不久国际上一个大一统的国际互联网一定会在下一个十年出现，所以缝制设备行业的电控企业需要紧跟这些标准和规范的进展，适时开展有关方面的设计研究，为实现中国缝制机械的自动化和智能化做出应有的贡献。
