隨著縫制設備向光機電一體化設備方向發展，其自動化程度越來越高，無論是利用PLC（可編程邏輯控制器）、控制器（電腦控制器）、HMI（人機界面）和伺服放大器組合設計開發智能縫制單元，還是綜合利用各種縫前設備、縫中設備和縫后設備進行無人操作的自動化制衣廠的建設，都要求縫制數控設備能夠互聯互控，即對大系統中的控制設備、檢測設備和執行設備等來說，需要各單元能夠“開放”，系統中的某一個主要單元要能夠接受其他設備單元的控制和通訊信號，用來完成一系列需要相互配合的動作或者時序控制。這要求系統中的各單元要能夠相互聯絡，理解對方發出的信號和指令，并能做出正確的反映，并根據需要反饋給對方一個能夠理解的信號。

       目前國內外對互聯技術早有研究，開放式系統互聯參考模型OSI/RM（Open system Interconnection/ReferenceModel）就是近幾十年來的研究成果。文章在簡要分析這一模型的基礎上，會介紹采用該標準模型的總線標準以及目前國家對開放式數控系統標準的制定情況，借此為縫制設備行業的開放式數控系統互聯設計和標準制定提供有意義的參考。

       OSI模型

       隨計算機網絡的發展，網絡互聯已是大勢所趨。

       國際標準化組織ISO早在1977年就成立了專門委員會，在分析和綜合現有網絡的基礎上，提出了一個不基于具體機型、操作系統或公司的網絡體系結構，稱為開放系統互聯模型。該模型于1979年公布，1981年正式發布。

       開放，是指非獨有的，可互聯的和可獲取的。所謂開放系統，是指遵從國際標準的、能夠通過互連而相互作用的系統。顯然，系統之間的相互作用只涉及系統的外部行為，而與系統內部的結構和功能無關。因而關于互連系統的任何標準都只是關于系統外部特性的規定。

       OSI模型把網絡通信的工作分為7層,它們由低到高分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。第一層到第三層屬于OSI參考模型的低三層，負責創建網絡通信連接的鏈路；第四層到第七層為OSI參考模型的高四層，具體負責端到端的數據通信。每層完成一定的功能，每層都直接為其上層提供服務，并且所有層次都互相支持，實際通信在物理層完成的。

       在OSI中實際數據的發送過程是：發送方將數據由上到下傳遞到物理介質，在從上到下逐層傳遞的過程中，每層都要加上適當的控制信息，稱為報頭。到最底層物理層時已經成為由“0”或“1”組成的數據比特流，然后系統將其轉換為電信號通過物理通訊介質傳輸到接收方的物理層。接收方從物理層開始向上逐層剝去發送方相應層加上的控制信息，最后到達接收的對等層。

       為能夠使發送方和接收方的對等層（如發送方應用層與接收方應用層、發送方表示層與接收方表示層、發送方對話層和接收方對話層）之間能夠相互對話，必須使這些對等層之間共同遵守相同的信息編碼協議，這種協議之間交換的信息單元統稱為協議數據單元(PDU, Protocol Data Unit)，但需要注意的是傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：傳輸層稱為數據段（Segment），網絡層稱為分組（數據包）（Packet），數據鏈路層稱為數據幀（Frame），物理層稱為比特（Bit）。

       1. 物理層

       這是整個OSI參考模型的最底層，該層規定了系統用于通信的部分在機械、電氣、功能和規程（單工、半雙工、全雙工）等各方面的物理特性，如規定什么信號代表1、什么信號代表0、信號線如何定義、接口如何定義、使用何種通訊介質、串行還是并行、同步還是異步傳輸、接插件的規格尺寸、引腳數量和定義等。

       該層傳輸的數據單位稱為比特，它為數據鏈路層提供服務，從上層接收數據，按照規定形式的信號和格式將數據發送。它向數據鏈路層提供數據（把比特流還原為數據鏈路層可以理解的格式），并完成一些管理工作，如電路標識、故障狀態及服務質量參數等。

       屬于物理層定義的典型規范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等，我們常見的雙絞線、同軸電纜、接線設備（如網卡等）、RJ－45網線接口、串口和并口等在網絡中都屬于這個層次。

       物理層要為通訊設備提供數據傳輸通路的實體，一條數據通路可能連接一個或多個物理媒體，無論這條數據通路連接了多少物理媒體，物理層都要保證在通訊時，兩個通訊的數據終端（點到點），一個數據終端與多個數據終端（一點對多點），都能夠通過相互之間的信號交換建立一條通路，同時要保證數據能在其上正確通過，還要提供足夠的通訊速率，以減少通道上的堵塞。

       2. 數據鏈路層

       數據鏈路層建立在物理層之上，基于物理層提供的比特流傳輸能力和服務，為上一層提供服務，屏蔽了物理層的特征，使得通訊雙方“感覺”是在同一層上通訊。以幀為單位傳輸數據，各幀按順序傳送，其接收上一層（網絡層）提供的數據流，基于通訊雙方共同的協議框架，實現數據鏈路的建立與釋放，流量控制和差錯控制，并通過接收端的校驗檢查和應答保證可靠的傳輸。

       數據鏈路層在國際上已經實現的協議有SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。常見的集線器、低檔的交換機和Modem設備都是工作在這個層次上。 

       3. 網絡層

       這一層用于解決網絡之間的通訊問題，它把上一層傳送來的數據組織編排成分組數據包在網絡節點之間傳送，這些分組數據包中包含有分組的長度、源站點和目的站點地址的網絡地址，傳送過程中提供路由，即為了能夠將數據包傳送到目標地址而選擇的路線，所以網絡層的主要功能是網絡路線控制與選擇（路由）、流量控制和擁擠控制的管理，而且該層能夠針對不同的網絡自動變化分組數據包格式，使得異構型網絡也能夠互聯互通。網絡層還可以接收下一層——數據鏈路層傳送來的數據，也可以直接將數據鏈路層的數據幀解封，提取分組數據包，包中封裝有網絡層的包頭，內含源站點和目的站點的網絡地址（如IP地址等）。

       常見計算機網絡中的路由器就工作在這個層次上。網絡層協議的代表包括：IP、IPX、OSPF等。

       4. 傳輸層

       這一層是在前三層服務的基礎上提供一種通用的無差錯的端到端連接服務，用于進一步提高網絡層的傳輸服務質量，該層的數據單元也稱數據包，它負責獲取全部傳送信息，包括數據單元碎片、亂序到達的數據包等。傳輸層的主要作用是作為數據通訊的一個緩沖服務，當網絡層服務質量不能滿足要求時，他參與進來提高；當網絡層滿足服務并質量較好時，他只占用很少的工作。該層還會根據通訊速率的要求，為端點建立建立多個網絡連接（速率要求高時），或者用多路復用或分流的方式優化網絡的傳輸效率（速率要求低時）。

       傳輸層的功能包括：映像傳輸地址到網絡地址、多路復用與分割、傳輸連接的建立與釋放、分段與重新組裝、組塊與分塊。

       傳輸層協議的代表包括：TCP、UDP、SPX等。此外傳輸層還要具備差錯恢復、流量控制等功能，以此對會話層屏蔽了通信子網在這些方面的細節與差異。

       5. 會話層

       會話層也稱為會晤層或者對話層，會話層與傳輸層一般結合使用，他利用傳輸層來提供服務，但不參與具體的傳輸，只提供訪問驗證、會話管理、數據流同步和重新同步等服務，如服務器驗證用戶登錄就是由會話層完成的。

       會話層的功能主要有：網絡連接的映射、數據報文的傳送、會話連接的恢復和釋放、會話管理、令牌管理和活動管理。在會話層及以上層次，數據傳送的單位都統稱為報文。對話的管理包括決定誰該發送報文，誰該接收報文。長的對話（例如傳輸一個長文件）需要分段傳輸，如有一段傳輸錯誤就需要回到分界點重新傳。會話層標準定義了12種功能單元，各個開放系統可以以核心功能服務單元為基礎，選配其他功能單元組成合理的會話服務子集。

       會話層的主要標準有“DIS8236:會話服務定義”和“DIS8237:會話協議規范”。

       6. 表示層

       表示層位于應用層之下，它為應用層服務，提供一些數據解釋服務包，主要解決數據信息的語法和語義，使得具有不同數據表示方法的開放系統之間能夠互相理解，即提供數據格式化的表達標準和數據轉換服務。表示層同時還負責對數據信息的壓縮和解壓縮，加密和解密等工作。例如圖像格式的顯示，就是由位于表示層的協議來支持。表示層以下各層只關心如何可靠地傳輸數據，而表示層利用統一的數據編碼、數據壓縮格式、加密技術等將應用層數據處理成適合網絡傳輸的報文。

       7. 應用層

       這是OSI參考模型的最高層，這一層直接為端用戶服務，如事務處理、文件傳輸、數據檢索、網絡管理、加密等，直接面向用戶的具體應用，為嵌入式操作系統或者網絡應用程序提供網絡服務接口，該服務包含用戶應用程序執行通信任務所需要的協議和功能，如電子郵件和文件傳輸等，在這一層中TCP/IP協議中的FTP、SMTP、POP等協議得到了充分應用。應用層管理開放系統的互連，包括系統的啟動、維持和終止，并保持應用進程間建立連接所需的數據記錄，其他層都是為支持這一層的功能而存在的。一個應用是由一些相互合作的應用進程組成的，這些進程可以是任何形式的操作過程，例如，手工的、計算機化的或工業和物理過程等。這些應用進程根據應用層協議互相通信。

圖1 OSI各層的數據處理流程示意

       以上介紹的OSI七層結構中，作為發送端，數據流從應用層開始向下逐層傳遞，其每一層都接收來自上一層的數據包，數據包中包含有上一層協議通訊所需要的頭和尾以及數據，在本層再增加一個協議頭和協議尾，連同數據一起封裝傳遞給下一層，最后到達物理層經過再次封裝通過物理傳輸介質發送給接收端，在接收端，數據流從物理層開始向上逐層傳遞，其每一層都接收來自下一層的數據包，將本層所需要的協議頭和尾去除，校驗錯誤情況，如無誤傳遞給上一層，最后到達接收端的應用層，應用層將還原出來的數據發給應用程序。在這個過程中，接收端的每一層都會根據數據包中協議頭和尾的信息進行錯誤檢查，在本層發現錯誤可以根據協議在本層要求對應的數據發送方進行數據重發或處理（圖1說明了這一過程）。

       然而，倘若我們要將OSI模型直接用于工業設備中的開放式系統互聯時，就會發現實現起來特別復雜。有人指出OSI模型的一些缺點：層次數量與內容不是最佳，如會話層和表示層這兩層幾乎是空的，而數據鏈路層和網絡層包含內容太多；模型中有很多的子層插入，每個子層都有不同的功能；模型以及相應的服務定義和協議極其復雜，實現起來很難；有些功能，如尋址、流量控制和差錯控制，都會在每一層上重復出現，降低了系統的效率。

       有關總線的介紹

       國內在20世紀80年代就開始跟蹤研究OSI模型，也都提出過開放式系統互聯的問題，但是直到90年代末期，隨我國機電設備的升級換代、計算機控制的機電一體化設備得到越來越廣泛的使用和推廣，相關領域對系統互聯才真正重視起來。

       比如，在機電一體化的研究中出現了“現場總線控制技術”，它就是要將安裝在制造現場的各種控制裝置和檢測裝置通過總線連接到安裝在控制室內的自動化管理裝置，再通過串行、數字式、多點、高抗擾度的物理介質鏈接起來，系統內的設備之間遵循開放性、互操作性、互換性和可集成性，極大地提高了系統的可靠性和集成度，便于制造企業迅速組件自動化生產線，組織快速生產、方便維護。

       截至目前，國際上已經發展出40多種現場總線，這些總線都適用于各個工業領域，但是相互之間沒有覆蓋。按照這些總線傳輸數據的大小，可以將這些總線分為三類，分別是：基于位傳輸到傳感器總線（sensor bus）、基于字節傳輸的設備總線（device bus）和基于數據流傳輸的現場總線。下面介紹幾個應用領域較廣的總線。

       基金會現場總線，即Foudation Fieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。使用該總線標準的自動化供應商有：AB、ABB、Foxbro、橫河、ABB、西門子Siemens等，主要應用領域：化工、石油、污水處理等。

       LonWorks總線是由美國Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉Motorola、東芝Hitach公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。在稱為Neuron的芯片中實現了LonWorks技術所采用的LonTalk協議，集成芯片中有3個8位CPU：一個用于完成開放互連模型中第 1～ 2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現介質訪問的控制與處理；第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件計量時、網絡管理，并負責網絡通信控制、收發數據包等；第三個是應用處理器，執行操作系統服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實現CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區和應用緩沖區。它被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、運輸設備、工業過程控制等行業。

       Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現場總線。由Profibus -DP、Profibus -FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散型外設間的高速傳輸，用于設備級控制系統和分散式I/O設備通訊，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，標準目前還處于制定過程中，它遵從IEC1158-2標準，可實現總線供電與本質安全防爆。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口，FMS型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。

       CAN是控制網絡Control Area Network的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了  Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域，可應用于除防爆領域之外的任何工業領域，目前在汽車行業應用最多，其模型結構只有3層，只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂上層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率最高可達 1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 1 0km/kbps，可掛接設備最多可達 110個。

       HART總線是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫。最早由Rosemout公司開發并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協議，其特點是現有模擬信號傳輸線上實現數字通信，能由總線供電，可滿足本安防爆要求，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中工業過程控制的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發展。HART通信模型也是由3層組成 ：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用FSK(Frequency Shift Keying）技術在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標準；數據傳輸速率為1200bps，邏輯0的信號頻率為2200Hz，邏輯1的信號傳輸頻率為 1200Hz。

       其他現場總線標準還有：WorldFIP（面向工業控制的現場總線），P-NET總線，AS-I（Actuator Sensor Interface，直接連接現場傳感器和執行器的總線系統），Device Net, CC-Link（Control &Communication Link，控制與通信鏈路系統）, Control Net, Swift Net(主要用于航天領域)，InterBUS等。

       本行業相關的標準和工作

       我國在數控機床行業領域內首先提出了“開放式數控系統”的概念，為規范和引導國內開放式數控系統生產廠商相互支持與合作，共同提高國產數控系統的市場占有率，保護民族產業，近年來緊跟國際上有關開發式數控系統的有關標準，由掛靠在北京機床研究所的全國工業機械電氣系統標準化技術委員會(SAC/TC231)組織計劃立項，聯合國內工業機械電氣行業主干企業開展了《機械電氣設備 開放式數控系統》標準的制定工作。

       全國工業機械電氣系統標準化技術委員會(SAC/TC231)目前是第四屆，現由76名委員和1名顧問組成，下轄四個分技術委員會：紡織機械電氣系統分技術委員會、機床電氣系統分技術委員會、機械電氣安全控制系統分技術委員會和縫制機械電氣系統分技術委員會（籌），六個工作組：開放式數控系統工作組、建設和起重機械電氣系統工作組、電磁兼容工作組、半導體設備電氣系統工作組、塑料機械電氣系統工作組和電敏裝置工作組，由該委員會組成結構可以看出，該標委會的專家代表來自機電行業的不同領域，這對于制定符合各行業要求和發展實際的具有代表型的標準很重要。上海鮑麥克斯電子科技有限公司是前期首家參與該標準委員會的縫制機械數控系統企業，去年參與了國家標準《工業機械數字控制系統 第1部分：通用技術條件》的制修訂。

       目前標委會制定的開放式數控系統標準是一系列標準，主要由《GB/T 18759.1－2002 機械電氣設備 開放式數控系統 第1部分：總則》、《GB/T 18759.2－2006 機械電氣設備 開放式數控系統 第2 部分：體系結構》、《GB/T 18759.3－2009 機械電氣設備 開放式數控系統 第3 部分：總線接口與通信協議》、《GB/T 18759.4-XXXX機械電氣設備開放式數控系統 第4 部分：硬件平臺》、《GB/T 18759.5-XXXX機械電氣設備開放式數控系統第5部分 軟件平臺》、第6部分 網絡接口與通訊協議、第7部分 通用技術條件、第8部分 試驗與驗收等組成，其中前三部分標準已經發布，第四部分標準已經報批，第五部分和第六部分標準在征求意見階段，第七、八部分標準在草稿擬制階段。該系列標準的使用范圍包括（除第六部分外）：金屬加工機械、紡織機械、印刷機械、縫制機械、塑料和橡膠機械、木工機械等電氣設備的開放式數控系統，可以說覆蓋的范圍還是比較廣的，標準中對開放式數控系統的定義為：指應用軟件構筑于遵循公開性、可擴展性、兼容性原則的系統平臺之上的數控系統，使應用軟件具備可移植性、可操作性和人機界面的一致性。在標準的第6部分 網絡接口與通訊協議中，對于開放式數控系統其網絡接口與通訊協議應滿足：開放性、可靠性和安全性的要求，在草稿階段，提出開放式數控系統網絡接口以TCP/IP為基礎，由數據采集層、數據處理層和應用服務層組成，對信息模型做了定義，雖然標準沒有全部覆蓋到所有機電行業領域，但是作為機械電氣設備互聯的一個起步標準，需要整個機電行業的協同努力去不斷完善。

       綜上，隨著信息技術和網絡技術的發展，物聯網技術已經得到了全世界的重視，我國各行業都將很快面臨網絡接入和信息互通的問題，對于不同的廠家設備和網絡，只有大家都遵循共同的網絡協議和規范，才能互利合作，利用網絡的優勢實現各種自動化的集成，相信不久國際上一個大一統的國際互聯網一定會在下一個十年出現，所以縫制設備行業的電控企業需要緊跟這些標準和規范的進展，適時開展有關方面的設計研究，為實現中國縫制機械的自動化和智能化做出應有的貢獻。