第8章 工業(yè)以太網(wǎng)

第8章工業(yè)以太網(wǎng)目前，工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展迅速，在過(guò)程控制、工業(yè)機(jī)器人、電力系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域或行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其是由德國(guó)BECKHOFF自動(dòng)化公司于2003年提出的EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。本章重點(diǎn)講述了EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)，首先對(duì)EtherCAT進(jìn)行了概述，然后講述了EtherCAT物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層、EtherCAT應(yīng)用層和EtherCAT系統(tǒng)組成，并介紹了EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)在KUKA機(jī)器人中的應(yīng)用案例和EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器控制應(yīng)用協(xié)議。本章還講述了SERCOS、POWERLINK、EPA和PROFInet工業(yè)以太網(wǎng)。

EtherCAT擴(kuò)展了IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，滿足了運(yùn)動(dòng)控制對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐綄?shí)時(shí)要求。它充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特性，并通過(guò)“OnFly”模式提高了數(shù)據(jù)傳送的效率。主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各個(gè)從站，從站直接處理接收的報(bào)文，并從報(bào)文中提取或插入相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)。其從站節(jié)點(diǎn)使用專用的控制芯片，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器。EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在全球多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如機(jī)器控制、測(cè)量設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、汽車和移動(dòng)設(shè)備以及無(wú)數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中。8.1.1EtherCAT概述8.1EtherCAT

EtherCAT作為國(guó)際工業(yè)以太網(wǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，BECKHOFF自動(dòng)化公司大力推動(dòng)EtherCAT的發(fā)展，EtherCAT的研究和應(yīng)用越來(lái)越被重視。工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)床、注塑機(jī)、包裝機(jī)、機(jī)器人等高速運(yùn)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，物流、高速數(shù)據(jù)采集等分布范圍廣控制要求高的場(chǎng)合。很多廠商如三洋、松下、庫(kù)卡等公司的伺服系統(tǒng)都具有EtherCAT總線接口。三洋公司應(yīng)用EtherCAT技術(shù)對(duì)三軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行同步控制。在機(jī)器人控制領(lǐng)域，EtherCAT技術(shù)作為通信系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性能的優(yōu)勢(shì)。2010年以來(lái)，庫(kù)卡一直采用EtherCAT技術(shù)作為庫(kù)卡機(jī)器人控制系統(tǒng)中的通信總線。EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的主要特點(diǎn)如下：⑴完全符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。⑵支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。⑶廣泛的適用性。⑷高效率、刷新周期短。⑸同步性能好。⑹無(wú)從屬子網(wǎng)。⑺擁有多種應(yīng)用層協(xié)議接口來(lái)支持多種工業(yè)設(shè)備行規(guī)?？焖僖蕴W(wǎng)全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從式的環(huán)型結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。這個(gè)過(guò)程利用了以太網(wǎng)設(shè)備獨(dú)立處理雙向傳輸（TX和RX）的特點(diǎn)，并運(yùn)行在全雙工模式下，發(fā)出的報(bào)文又通過(guò)RX線返回到控制單元。圖8-1快速以太網(wǎng)全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從式的環(huán)型結(jié)構(gòu)

EtherCAT采用了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，幾乎適用所有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是適用的，也就是說(shuō)可以使用傳統(tǒng)的基于交換機(jī)的星形結(jié)構(gòu)，但是EtherCAT的布線方式更為靈活，由于其主從的結(jié)構(gòu)方式，無(wú)論多少節(jié)點(diǎn)都可以一條線串接起來(lái)，無(wú)論是菊花鏈型還是樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可任意選配組合。8.1.2EtherCAT物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.EtherCAT數(shù)據(jù)幀

EtherCAT數(shù)據(jù)是遵從IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，直接使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)格式傳輸，不過(guò)EtherCAT數(shù)據(jù)幀是使用以太網(wǎng)幀的保留字0x88A4。EtherCAT數(shù)據(jù)報(bào)文是由兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)頭和44~1498字節(jié)的數(shù)據(jù)組成，一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文可以由一個(gè)或者多個(gè)EtherCAT子報(bào)文組成，每一個(gè)子報(bào)文是映射到獨(dú)立的從站設(shè)備存儲(chǔ)空間。8.1.3EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層2.尋址方式

EtherCAT的通信由主站發(fā)送EtherCAT數(shù)據(jù)幀讀寫(xiě)從站設(shè)備的內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是從站存儲(chǔ)區(qū)中讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)。在通信的時(shí)候，主站首先根據(jù)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭中的MAC地址來(lái)尋址所在的網(wǎng)段，尋址到第一個(gè)從站后，網(wǎng)段內(nèi)的其他從站設(shè)備只需要依據(jù)EtherCAT子報(bào)文頭中的32地址去尋址。在一個(gè)網(wǎng)段里面，EtherCAT支持使用兩種方式：設(shè)備尋址和邏輯尋址。

3.通信模式EtherCAT的通信方式分為周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信和非周期性郵箱數(shù)據(jù)通信。⑴周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信主要用在工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中實(shí)時(shí)性要求高的過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信時(shí)，需要使用邏輯尋址，主站是使用邏輯尋址的方式完成從站的讀、寫(xiě)或者讀寫(xiě)操作。⑵非周期性郵箱數(shù)據(jù)通信非周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通信主要用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合，在參數(shù)交換、配置從站的通信等操作時(shí)，可以使用非周期性郵箱數(shù)據(jù)通信，并且還可以雙向通信。在從站到從站通信時(shí)，主站是作為類似路由器功能來(lái)管理。

4.存儲(chǔ)同步管理器SM存儲(chǔ)同步管理SM是ESC用來(lái)保證主站與本地應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交換的一致性和安全性的工具，其實(shí)現(xiàn)的機(jī)制是在數(shù)據(jù)狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)來(lái)通知對(duì)方。EtherCAT定義了兩種同步管理器（SM）運(yùn)行模式：緩存模式和郵箱模式。

應(yīng)用層AL（ApplicationLayer）是EtherCAT協(xié)議最高的一個(gè)功能層，是直接面向控制任務(wù)的一層，它位控制程序訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供手段，同時(shí)為控制程序提供服務(wù)。應(yīng)用層不包括控制程序，它只是定義了控制程序和網(wǎng)絡(luò)交互的接口，使符合此應(yīng)用層協(xié)議的各種應(yīng)用程序可以協(xié)同工作，EtherCAT協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。8.1.4EtherCAT應(yīng)用層圖8-2EtherCAT協(xié)議結(jié)構(gòu)1.通信模型

EtherCAT應(yīng)用層區(qū)分主站與從站，主站與從站之間的通信關(guān)系是由主站開(kāi)始的。從站之間的通信是由主站作為路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不支持兩個(gè)主站之間的通信，但是兩個(gè)具有主站功能的設(shè)備并且其中一個(gè)具有從站功能時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)通信。EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)僅由一個(gè)主站設(shè)備和至少一個(gè)從站設(shè)備組成。系統(tǒng)中的所有設(shè)備必須支持EtherCAT狀態(tài)機(jī)和過(guò)程數(shù)據(jù)（ProcessData）的傳輸。2.從站⑴從站設(shè)備分類從站應(yīng)用層可分為不帶應(yīng)用層處理器的簡(jiǎn)單設(shè)備與帶應(yīng)用層處理器的復(fù)雜設(shè)備。⑵簡(jiǎn)單從站設(shè)備簡(jiǎn)單從站設(shè)備設(shè)置了一個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)布局，通過(guò)設(shè)備配置文件來(lái)描述。在本地應(yīng)用中，簡(jiǎn)單從站設(shè)備要支持無(wú)響應(yīng)的ESM應(yīng)用層管理服務(wù)。⑶復(fù)雜從站設(shè)備復(fù)雜從站設(shè)備支持EtherCAT郵箱、COE目標(biāo)字典、讀寫(xiě)對(duì)象字典數(shù)據(jù)入口的加速SDO服務(wù)以及讀對(duì)象字典中已定義的對(duì)象和緊湊格式入口描述的SDO信息服務(wù)。為了過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸，復(fù)雜從站設(shè)備支持PDO映射對(duì)象和同步管理器PDO賦值對(duì)象。復(fù)雜從站設(shè)備要支持可配置過(guò)程數(shù)據(jù)，可通過(guò)寫(xiě)PDO映射對(duì)象和同步管理器PDO賦值對(duì)象來(lái)配置。⑷應(yīng)用層管理應(yīng)用層管理包括EtherCAT狀態(tài)機(jī)，ESM描述了從站應(yīng)用的狀態(tài)及狀態(tài)變化。由應(yīng)用層控制器將從站應(yīng)用的狀態(tài)寫(xiě)入AL狀態(tài)寄存器，主站通過(guò)寫(xiě)AL控制寄存器進(jìn)行狀態(tài)請(qǐng)求。從邏輯上來(lái)說(shuō)，ESM位于EtherCAT從站控制器與應(yīng)用之間。ESM定義了四種狀態(tài)：初始化狀態(tài)（Init）、預(yù)運(yùn)行狀態(tài)（Pre-Operational）、安全運(yùn)行狀態(tài)（Safe-Operational）、運(yùn)行狀態(tài)（Operational）。⑸EtherCAT郵箱每一個(gè)復(fù)雜從站設(shè)備都有EtherCAT郵箱。EtherCAT郵箱數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，可以從主站到從站，也可以從站到主站。支持雙向多協(xié)議的全雙工獨(dú)立通信。從站與從站通信通過(guò)主站進(jìn)行信息路由。⑹EtherCAT過(guò)程數(shù)據(jù)過(guò)程數(shù)據(jù)通信方式下，主從站訪問(wèn)的是緩沖型應(yīng)用存儲(chǔ)器。對(duì)于復(fù)雜從站設(shè)備，過(guò)程數(shù)據(jù)的內(nèi)容將由CoE接口的PDO映射及同步管理器PDO賦值對(duì)象來(lái)描述。對(duì)于簡(jiǎn)單從站設(shè)備，過(guò)程數(shù)據(jù)是固有的，在設(shè)備描述文件中定義。3.主站主站各種服務(wù)與從站進(jìn)行通信。在主站中為每個(gè)從站設(shè)置了從站處理機(jī)（SlaveHandler），用來(lái)控制從站的狀態(tài)機(jī)（ESM）；同時(shí)每個(gè)主站也設(shè)置了一個(gè)路由器，支持從站與從站之間的郵箱通信。主站支持從站處理機(jī)通過(guò)EtherCAT狀態(tài)服務(wù)來(lái)控制從站的狀態(tài)機(jī)，從站處理機(jī)是從站狀態(tài)機(jī)在主站中的映射。從站處理機(jī)通過(guò)發(fā)送SDO服務(wù)去改變從站狀態(tài)機(jī)狀態(tài)。路由器將客戶從站的郵箱服務(wù)請(qǐng)求路由到服務(wù)從站；同時(shí)，將服務(wù)從站的服務(wù)響應(yīng)路由到客戶從站。4.EtherCAT設(shè)備行規(guī)EtherCAT設(shè)備行規(guī)包括以下幾種：⑴CANopenoverEtherCAT（CoE）CANopen最初是為基于CAN（ControlAeraNetwork）總線的系統(tǒng)所制定的應(yīng)用層協(xié)議。EtherCAT協(xié)議在應(yīng)用層支持CANopen協(xié)議，并作了相應(yīng)的擴(kuò)充，其主要功能有：使用郵箱通信訪問(wèn)CANopen對(duì)象字典及其對(duì)象，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化；使用CANopen應(yīng)急對(duì)象和可選的事件驅(qū)動(dòng)PDO消息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理；使用對(duì)象字典映射過(guò)程數(shù)據(jù)，周期性傳輸指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。CoE協(xié)議完全遵從CANopen協(xié)議，其對(duì)象字典的定義也相同，針對(duì)EtherCAT通信擴(kuò)展了相關(guān)通信對(duì)象0x1C00~0x1C4F，用于設(shè)置存儲(chǔ)同步管理器的類型、通信參數(shù)和PDO數(shù)據(jù)分配。⑵ServoDriveoverEtherCAT（SoE）IEC61491是國(guó)際上第一個(gè)專門(mén)用于伺服驅(qū)動(dòng)器控制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其商業(yè)名稱為SERCOS（SerialReal-timeCommunicationSpecification）。EtherCAT協(xié)議的通信性能非常適合數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，應(yīng)用層使用SERCOS應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口。⑶EthernetoverEtherCAT（EoE）除了前面描述的主從站設(shè)備之間的通信尋址模式外，EtherCAT也支持IP標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，比如TCP/IP、UDP/IP和所有其他高層協(xié)議（HTTP和FTP等）。⑷FileAccessoverEtherCAT（FoE）該協(xié)議通過(guò)EtherCAT下載和上傳固定程序和其他文件，其使用類似TFTP（TrivialFileTransferProtocol，簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議）的協(xié)議，不需要TCP/IP的支持，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。1.EtherCAT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)是主從站結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)段中可以有一個(gè)主站和一個(gè)或者多個(gè)從站組成。主站是網(wǎng)絡(luò)的控制中心，也是通信的發(fā)起者。一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段可以被簡(jiǎn)化為一個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)設(shè)備，從站可以直接處理接收的報(bào)文，并從報(bào)文中提取或者插入相關(guān)數(shù)據(jù)。然后將報(bào)文依次傳輸?shù)较乱粋€(gè)EtherCAT從站，最后一個(gè)EtherCAT從站返回經(jīng)過(guò)完全處理的報(bào)文，依次地逆序傳遞回到第一個(gè)從站并且最后發(fā)送給控制單元。EtherCAT是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特性。使用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC），主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給主從站，從站從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口卡，從站8.1.5EtherCAT系統(tǒng)組成使用專門(mén)的EtherCAT從站控制器ESC（EtherCATSlaveController），EtherCAT物理層使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件。從以太網(wǎng)的角度來(lái)看，一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段就是一個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備，它接收和發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的ISO/IEC8802-3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。但是，這種以太網(wǎng)設(shè)備并不局限于一個(gè)以太網(wǎng)控制器及相應(yīng)的微處理器，它可由多個(gè)EtherCAT從站組成。EtherCAT系統(tǒng)運(yùn)行如圖8-3所示。圖8-3EtherCAT系統(tǒng)運(yùn)行2.EtherCAT主站組成EtherCAT無(wú)需使用昂貴的專用有源插接卡，只需使用無(wú)源的NIC（NetworkInterfaceCard）卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可。EtherCAT主站很容易實(shí)現(xiàn)，尤其適用于中小規(guī)模的控制系統(tǒng)和有明確規(guī)定的應(yīng)用場(chǎng)合。使用PC計(jì)算機(jī)構(gòu)成EtherCAT主站時(shí)，通常是用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)卡作為主站硬件接口，網(wǎng)卡芯片集成了以太網(wǎng)通信的控制器和收發(fā)器。EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC，不需要專業(yè)的設(shè)備，EtherCAT主站很容易實(shí)現(xiàn)，只需要一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)或其他嵌入式計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。EtherCAT主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，傳輸介質(zhì)通常使用100BASE-TX規(guī)范的5類UTP線纜，如圖8-4所示。圖8-4EtherCAT物理層連接原理圖3.EtherCAT從站組成EtherCAT從站設(shè)備主要完成EtherCAT通信和控制應(yīng)用兩大功能，是工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。從站通常分為四大部分：EtherCAT從站控制器（ESC）、從站控制微處理器、物理層PHY器件和電氣驅(qū)動(dòng)等其他應(yīng)用層器件。從站的通信功能是通過(guò)從站ESC實(shí)現(xiàn)的。EtherCAT從站設(shè)備同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和控制應(yīng)用兩部分功能，其結(jié)構(gòu)如圖8-5所示。圖8-5EtherCAT從站組成EtherCAT從站由以下四部分組成。⑴EtherCAT從站控制器ESC⑵從站控制微處理器⑶物理層器件⑷其他應(yīng)用層器件。德國(guó)Acontis公司提供的EtherCAT主站是全球應(yīng)用最廣、知名度最高的商業(yè)主站協(xié)議棧，在全球已有超過(guò)300家用戶使用AcontisEtherCAT主站，其中包括眾多世界知名自動(dòng)化企業(yè)。Acontis公司提供完整的EtherCAT主站解決方案，其主站跨硬件平臺(tái)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。德國(guó)KUKA機(jī)器人是Acontis公司最具代表性的用戶之一，KUKA機(jī)器人C4系列產(chǎn)品全部采用Acontis公司的解決方案。C4系列機(jī)器人采用EtherCAT總線方式進(jìn)行多軸控制，控制器采用Acontis公司的EtherCAT主站協(xié)議棧；KUKA機(jī)器人控制器采用多核CPU，分別運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)和VxWorks操作系統(tǒng)，圖形界面運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，機(jī)器人控制軟件運(yùn)行在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，8.1.6KUKA機(jī)器人應(yīng)用案例Acontis提供的軟件VxWIN控制和協(xié)調(diào)兩個(gè)操作系統(tǒng)；控制器的組態(tài)軟件中集成了Acontis提供的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置及診斷工具EC-Engineer；另外，KUKA機(jī)器人還采用的Acontis提供的兩個(gè)擴(kuò)展功能包：熱插拔和遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能。KUKA機(jī)器人控制器多路獨(dú)立EtherCAT網(wǎng)絡(luò)如圖8-6所示。圖8-6KUKA機(jī)器人控制器多路獨(dú)立EtherCAT網(wǎng)絡(luò)IEC61800標(biāo)準(zhǔn)系列是一個(gè)可調(diào)速電子功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通用規(guī)范。其中，IEC61800-7定義了控制系統(tǒng)和功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，包括網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用行規(guī)，如圖8-7所示。EtherCAT作為網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，支持了CANopen協(xié)議中的行規(guī)CiA402和SERCOS協(xié)議的應(yīng)用層，分別稱為CoE和SoE。8.1.7EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器控制應(yīng)用協(xié)議圖8-7IEC61800-7體系結(jié)構(gòu)8.2PROFInetPROFInet是PROFIBUS國(guó)際組織在1999年開(kāi)始發(fā)展的新一代通信系統(tǒng)，是分布式自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代概念。它以互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單且無(wú)需作任何改變地將PROFIBUS系統(tǒng)與現(xiàn)有的其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成，這對(duì)于滿足從公司管理層到現(xiàn)場(chǎng)層的一致性要求是一個(gè)非常重要的方面。另外，它的重大貢獻(xiàn)在于保護(hù)了用戶的投資，因?yàn)楝F(xiàn)有系統(tǒng)的部件仍然可應(yīng)用到PROFInet系統(tǒng)中并不作任何改變。

PROFInet支持通過(guò)分布式自動(dòng)化和智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的成套裝備和機(jī)器的模塊化。這種工藝模塊化是分布式自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵特點(diǎn)，它簡(jiǎn)化了成套裝備和機(jī)器部件的重復(fù)使用和標(biāo)準(zhǔn)化。此外，由于模塊可事先在相應(yīng)的制造廠內(nèi)進(jìn)行廣泛的測(cè)試，因此顯著地減少了本地投運(yùn)所需要的時(shí)間。1．工藝模塊一個(gè)自動(dòng)化成套裝置或機(jī)器的功能是通過(guò)對(duì)機(jī)械、電子/電氣和控制邏輯/軟件規(guī)定的交互作用來(lái)體現(xiàn)的。根據(jù)這個(gè)基本原則，PROFInet定義了功能術(shù)語(yǔ)，如：“機(jī)械”、“電氣/電子”和“控制邏輯/軟件”，從而形成一種工藝模塊，通過(guò)軟件部件對(duì)這種工藝模塊即PROFInet部件進(jìn)行建模。8.2.1PROFInet部件模型2．PROFInet部件PROFInet部件代表系統(tǒng)范圍工程設(shè)計(jì)中的一種工藝模塊。它將其自動(dòng)化功能封裝在一個(gè)軟件部件內(nèi)，而且從工藝的角度看，它包含一個(gè)與其它部件交互作用所需要的變量。這些接口在PROFInet的連接編輯器中可以進(jìn)行圖形化互連。3．使用XML的部件描述PROFInet部件是用XML語(yǔ)言描述的。由此創(chuàng)建的XML文件包含關(guān)于PROFInet部件的功能和對(duì)象方面的信息。4．實(shí)時(shí)通信為了能滿足自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)要求，在PROFInet中規(guī)定了優(yōu)化的實(shí)時(shí)通信通道——軟件實(shí)時(shí)通道（SRT通道），它基于以太網(wǎng)的第2層。這種解決方案極大地減少了通信棧上占用的時(shí)間，從而提高了自動(dòng)化數(shù)據(jù)的刷新率方面的性能。一方面，幾個(gè)協(xié)議層的去除減少了報(bào)文長(zhǎng)度；另一方面，在需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒發(fā)送以及應(yīng)用準(zhǔn)備就緒處理之前，只需要較少的時(shí)間。同時(shí)，大大地減少了設(shè)備通信所需要的處理器功能。PROFInet的概念模型如圖8-8所示。圖8-8PROFInet概念模型5．部件對(duì)象模型（COM）微軟的COM是面向?qū)ο蠓矫娴倪M(jìn)一步開(kāi)發(fā)，它允許基于預(yù)制部件的應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。PROFInet使用此類部件模型。因此PROFInet對(duì)象是為自動(dòng)化應(yīng)用量身定做的COM對(duì)象。如自動(dòng)化對(duì)象那樣，COM對(duì)象基本上由以下部分組成：接口：帶有方法的完好定義的接口。實(shí)現(xiàn)：定義的接口及其語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)。在COM中，定義單個(gè)過(guò)程內(nèi)，一臺(tái)設(shè)備上的兩個(gè)過(guò)程之間，以及不同設(shè)備上的兩個(gè)過(guò)程之間的通信。6．運(yùn)行期和工程設(shè)計(jì)中的自動(dòng)化對(duì)象在PROFInet中使用自動(dòng)化對(duì)象時(shí)，一個(gè)基本的區(qū)別是工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)象（ES-Object）和運(yùn)行期系統(tǒng)對(duì)象（RT-Object）。ES-Object是RT-Object在工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的代表?；舅枷胧牵汗こ淘O(shè)計(jì)系統(tǒng)中的一個(gè)對(duì)象正好指定給運(yùn)行期系統(tǒng)的一個(gè)RT-Object，即一一對(duì)應(yīng)。這樣兩種對(duì)象模型也彼此協(xié)調(diào)。因此，在工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)和運(yùn)行期系統(tǒng)之間無(wú)需做什么耗費(fèi)精力的實(shí)現(xiàn)和映象操作。

PROFInet運(yùn)行期方案基于PROFInet部件模型。它制定了一種建立于以太網(wǎng)之上的、開(kāi)放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ爬砟?。TCP/IP或一條專用的實(shí)時(shí)通道可用于通信。該標(biāo)準(zhǔn)通信通過(guò)TCP/IP和DCOM布線協(xié)議運(yùn)行。通過(guò)此通道，可表達(dá)所有的IT功能。此通道允許從ERP/MES層到現(xiàn)場(chǎng)層的縱向集成，還可用于項(xiàng)目計(jì)劃和診斷。1．自動(dòng)化部件PROFInet運(yùn)行期方案定義了必要的功能和服務(wù)，這些功能和服務(wù)正是協(xié)調(diào)運(yùn)行的自動(dòng)化部件為了完成自動(dòng)化任務(wù)而必須執(zhí)行的。

8.2.2PROFInet運(yùn)行期每臺(tái)PROFInet設(shè)備有各自的、產(chǎn)品專用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)行系統(tǒng)，編程）。但是，從外部看，所有的PROFInet設(shè)備行為都是相同的方式，而且總是可視為一組自動(dòng)化對(duì)象，就好似帶有COM接口的COM對(duì)象。2．使用TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)通信PROFInet使用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為通信基礎(chǔ)。PROFInet包含以下三個(gè)方面：為基于通用對(duì)象模型（COM）的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)定義了體系結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步指定了PROFIBUS和國(guó)際IT標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開(kāi)放和透明通信。提供了一個(gè)獨(dú)立于制造商，包括設(shè)備層和系統(tǒng)層的完整系統(tǒng)模型。以上充分考慮到PROFIBUS的需求和條件，以保證PROFIBUS和PROFInet之間具有最好的透明性。PROFInet可以采用星形結(jié)構(gòu)、樹(shù)形結(jié)構(gòu)、總線形結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)（冗余）。PROFInet系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8-9所示。

8.2.3PROFInet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖8-9PROFInet的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PROFInet和OPC在DCOM中享有相同的技術(shù)基礎(chǔ)。這就導(dǎo)致了系統(tǒng)的不同部分之間數(shù)據(jù)通信用戶的友好性。OPC是自動(dòng)化技術(shù)中基于Windows應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的一種廣泛使用的接口。OPC為多制造商站及它們的內(nèi)部鏈接之間提供了一種無(wú)需編程的靈活性選擇。1．OPCDAOPCDA（數(shù)據(jù)存?。┦且环N工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了一套從測(cè)量和控制設(shè)備中存取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用接口、查找OPC服務(wù)器的接口和瀏覽服務(wù)器名空間的接口。8.2.4PROFInet與OPC的數(shù)據(jù)交換2．OPCDXOPCDX（數(shù)據(jù)交換）定義了不同品牌和類型的控制系統(tǒng)之間相同層上的非時(shí)間苛求的用戶數(shù)據(jù)的高層交換，例如：PROFInet和CIP之間的數(shù)據(jù)交換。但是，OPCDX不允許對(duì)一個(gè)不同系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層直接存取。3．OPCDX和PROFInet開(kāi)發(fā)OPCDX的目的是使得各種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議之間最低限度的互操作性，而無(wú)需折中各種技術(shù)的集成。為了獲得對(duì)其它系統(tǒng)領(lǐng)域的開(kāi)放鏈接，在PROFInet中集成了OPCDX，從而實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)方面：1）每個(gè)PROFInet節(jié)點(diǎn)可編址為一個(gè)OPC服務(wù)器，因?yàn)榛拘阅芤呀?jīng)以PROFInet運(yùn)行期實(shí)現(xiàn)的形式而存在。2）每個(gè)OPC服務(wù)器可通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的適配器作為PROFInet節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。這是通過(guò)Objectizer部件實(shí)現(xiàn)的，該部件以PC中的一個(gè)OPC服務(wù)器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)PROFInet設(shè)備。該部件只需實(shí)現(xiàn)一次，然后可用于所有的OPC服務(wù)器。PROFInet的功能遠(yuǎn)比OPC的功能強(qiáng)大。PROFInet提供了自動(dòng)化解決方案所需要的實(shí)時(shí)能力。另一方面，OPC提供了更高等級(jí)的互操作性。POWERLINK是IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T-27960）。如圖8-10所示，POWERLINK是一個(gè)3層的通信網(wǎng)絡(luò)，它規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，這3層包含了OSI模型中規(guī)定的7層協(xié)議。如圖8-11所示，具有3層協(xié)議的OWERLINK在應(yīng)用層上可以連接各種設(shè)備，例如I/O\、閥門(mén)、驅(qū)動(dòng)器等。在物理層之下連接了Ethernet控制器，用來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)控制器的種類很多，不同的以太網(wǎng)控制器需要不同的驅(qū)動(dòng)程序，因此在“Ethernet控制器”和“POWERLINK傳輸”之間有一層“Ethernet驅(qū)動(dòng)器”。8.3.1POWERLINK的原理8.3POWERLINK圖8-10POWERLINK的OSI模型圖8-11POWERLINK通信模型的層次1.POWERLINK的物理層POWERLINK的物理層采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，遵循IEEE802.3快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，無(wú)論是POWERLINK的主站還是從站，都可以運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)之上。POWERLINK具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）只要有以太網(wǎng)的地方就可以實(shí)現(xiàn)POWERLINK，例如，在用戶的PC機(jī)上可以運(yùn)行POWERLINK，在一個(gè)帶有以太網(wǎng)接口的ARM上可以運(yùn)行POWERLINK，在一片F(xiàn)PGA上也可以運(yùn)行POWERLINK.2）以太網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步就會(huì)帶來(lái)POWERLINK的技術(shù)進(jìn)步。3）實(shí)現(xiàn)成本低。2.POWERLINK的數(shù)據(jù)鏈路層POWERLINK基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)（IEEE802.3）,因此可工作在所有傳統(tǒng)以太網(wǎng)硬件上。但是，POWERLINK不使用IEEE802.3定義的用于解決沖突的報(bào)文重傳機(jī)制，該機(jī)制會(huì)引起傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定行為。POWERLINK的從站通過(guò)獲得POWERLINK主站的允許來(lái)發(fā)送自己的幀，所以不會(huì)發(fā)生沖突，因?yàn)楣芾砉?jié)點(diǎn)會(huì)統(tǒng)一規(guī)劃每個(gè)節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的確定時(shí)序。由于POWERLINK的物理層采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，因此以太網(wǎng)支持的所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)它都支持。而且可以使用HUB和Switch等標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這使得用戶可以非常靈活的組網(wǎng)，如：菊花鏈、樹(shù)型、星型、環(huán)型和其他任意組合。8.3.2POWERLINK網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)POWERLINK是一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范和方案，它是一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)這個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自己開(kāi)發(fā)一套代碼，也就是POWERLINK的具體實(shí)現(xiàn)。POWERLINK的具體實(shí)現(xiàn)有多個(gè)版本，如ABB公司的POWERLINK運(yùn)動(dòng)控制器和伺服控制器、赫優(yōu)訊的從站解決方案、SYSTEC的解決方案等。OpenPOWERLINK是一個(gè)C語(yǔ)言的解決方案，它最初是SYSTEC的商業(yè)收費(fèi)方案，后來(lái)被B&R公司買(mǎi)斷版權(quán)。為了推廣POWERLINK，B&R將源代碼開(kāi)放?，F(xiàn)在這個(gè)方案由B&R公司和SYSTEC共同維護(hù)。目前常用的POWERLINK方案有兩種：基于MCU/CPU的C語(yǔ)言方案和基于FPGA的VerilogHDL方案。C語(yǔ)言的方案以openPOWERLINK為代表。下面僅分別介紹C語(yǔ)言方案。8.3.3POWERLINK的實(shí)現(xiàn)方案1.C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)方案該方案最初由SYSTEC開(kāi)發(fā)，B&R公司負(fù)責(zé)后期的維護(hù)與升級(jí)。該方案包含了POWERLINK完整的3層協(xié)議：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和CANopen應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)鏈路層和CANopen應(yīng)用層采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，因此該方法可運(yùn)行于各種MCU/CPU平臺(tái)。該方案性能的優(yōu)劣取決于運(yùn)行該方案的軟硬件平臺(tái)的性能，例如MCU/CPU的主頻、操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性等。（1）硬件平臺(tái)該方案可支持ARM、DSP、X86CPU等平臺(tái)，物理層采用MCU/CPU自帶的以太網(wǎng)接口或者外接以太網(wǎng)。該方案如果運(yùn)行于FPGA中，需要在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟的處理器，如Nios或Microblaze。數(shù)據(jù)鏈路層和CANopen應(yīng)用層運(yùn)行于MCU/CPU之上。（2）軟件平臺(tái)該方案可支持VxWorks、Linux、Windows等各種操作系統(tǒng)。在沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況下，也可以運(yùn)行。POWERLINK協(xié)議棧在軟件上需要高精度時(shí)鐘接口和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)接口。由于POWERLINK協(xié)議棧的行為由定時(shí)器觸發(fā)，即什么時(shí)刻做什么事情。因此如果需要保證實(shí)時(shí)性，就需要操作系統(tǒng)提供一個(gè)高精度的定時(shí)器，以及快速的中斷響應(yīng)。（3）基于Windows的方案基于Windows的openPOWERLINK解決方案，以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)采用wincap。由于Windows本身的非實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致該方案的實(shí)時(shí)性成本不高，循環(huán)周期最短約為3~5ms，抖動(dòng)為1ms左右，因此該方案可用于實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，或者用于測(cè)試。該方案的好處是，運(yùn)行簡(jiǎn)單，不需要額外的硬件，一臺(tái)帶有以太網(wǎng)的普通PC就可以運(yùn)行。（4）基于Linux的方案openPOWERLINK需要Linux的內(nèi)核版本為2.6.23或者更高。（5）基于VxWorks的方案POWERLINK運(yùn)行在MUX層之上。該方案使用了VxWorks本身的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，openPOWERLINK需要一個(gè)高精度的時(shí)鐘，否則性能受到影響?；赩xWorks的高精度的時(shí)鐘，通常由硬件產(chǎn)生，用戶往往需要根據(jù)自己的硬件編寫(xiě)一個(gè)高精度timer的驅(qū)動(dòng)程序。（6）基于FPGA的方案OpenPOWERLINK采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，如果要在FPGA中運(yùn)行C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，需要一個(gè)軟核，結(jié)構(gòu)如圖8-12所示。圖8-12基于FPGA的POWERLINK的結(jié)構(gòu)POWERLINK技術(shù)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)用層為CANopen，但是CANopen并不是必需的，用戶可以根據(jù)自己的需要自定義應(yīng)用層，或者根據(jù)其他行規(guī)編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用層。無(wú)論是openPOWERLINK還是前面提到的HDLPOWERLINK，都可以使用本章介紹的應(yīng)用層軟件。1.CANopen應(yīng)用層POWERLINK的應(yīng)用層遵循CANopen標(biāo)準(zhǔn)。CANopen是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，它為應(yīng)用程序提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口，使得不同的設(shè)備與應(yīng)用程序之間有統(tǒng)一的訪問(wèn)方式。CANopen協(xié)議有3個(gè)主要部門(mén)：PDO、SDO、和對(duì)象字典OD。8.3.4POWERLINK的應(yīng)用層1）PDO：過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象，可以理解為在通信過(guò)程中，需要周期性、實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。2）SDO：服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象，可以理解為在通信過(guò)程中，非周期性傳輸、實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)，例如網(wǎng)絡(luò)配置命令、偶爾要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等。3）OD：對(duì)象字典，可以理解為所有參數(shù)、通信對(duì)象的集合。2.對(duì)象字典對(duì)象字典就是很多對(duì)象（object）的集合。3.XDD文件XDD文件就是用來(lái)描述對(duì)象字典的電子說(shuō)明文檔，是XMLDeviceDescription的簡(jiǎn)寫(xiě)。設(shè)備生產(chǎn)商在自己的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了對(duì)象字典，該對(duì)象字典存儲(chǔ)在設(shè)備里，因此設(shè)備提供商需要向設(shè)備使用者提供一個(gè)說(shuō)明文檔，讓使用者知道該設(shè)備有哪些參數(shù)，以及這些參數(shù)的屬性。XDD文件的內(nèi)容要與對(duì)象字典的內(nèi)容一一對(duì)應(yīng)，即在對(duì)象字典中實(shí)現(xiàn)了哪些參數(shù)，那么在XDD文件中就應(yīng)該有這些參數(shù)的描述。一個(gè)XDD文件主要由兩部分組成：設(shè)備描述（DeviceProfile）和網(wǎng)絡(luò)通信描述（Communicationnetworkprofile）。POWERLINK技術(shù)應(yīng)用廣泛，在運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制方面有眾多國(guó)內(nèi)外知名廠家支持。1．運(yùn)動(dòng)控制（1）典型應(yīng)用：伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，用于各種機(jī)器系統(tǒng)，如包裝機(jī)、紡織機(jī)、印刷機(jī)、機(jī)器人等。（2）典型廠家：B&R,ABB，武漢邁信電氣技術(shù)有限公司，上海新時(shí)達(dá)電氣股份有限公司等。2．過(guò)程控制（1）典型應(yīng)用：DCS系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化。（2）典型廠家：Alston，B&R,北京和利時(shí)集團(tuán)，北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，南京南瑞，南京大全電氣有限公司，中國(guó)南車，卡斯柯信號(hào)有限公司等。8.3.5POWERLINK在運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制的應(yīng)用案例1.EPA簡(jiǎn)介EPA工廠自動(dòng)化以太網(wǎng)（ethernetforplantautomation，EPA）即是建立在此基礎(chǔ)上的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)，不僅可以使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（例如，現(xiàn)場(chǎng)控制器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的通信，而且可以使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)不游離于主流通信技術(shù)之外，并與主流通信技術(shù)同步發(fā)展，同時(shí)，用以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制層、管理層等所有層次網(wǎng)絡(luò)的“E網(wǎng)到底”，實(shí)現(xiàn)工業(yè)/企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)各層次的信息無(wú)縫集成，推動(dòng)工業(yè)企業(yè)的技術(shù)改造和提升、加快信息化改造進(jìn)程。8.4.1EPA概述8.4EPA2.EPA的發(fā)展過(guò)程2001年10月，由浙江大學(xué)牽頭，以浙大中控為主，清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、重慶郵電學(xué)院、TC124等單位聯(lián)合承擔(dān)國(guó)家“863”計(jì)劃CIMS主題重點(diǎn)課題“基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制設(shè)備”，開(kāi)始制定EPA標(biāo)準(zhǔn)。2005年12月，EPA被正式列入現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158（第四版）中的第十四類型，并列為與IEC61158相配套的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61784-2中的第十四應(yīng)用行規(guī)簇（commonprofilefamily14，CPF14）。3.EPA的技術(shù)特點(diǎn)（1）確定性通信（2）“E”網(wǎng)到底（3）互操作性（4）開(kāi)放性（5）分層的安全策略（6）冗余1.EPA體系結(jié)構(gòu)EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)系統(tǒng)框架，用于描述若干個(gè)設(shè)備如何連接起來(lái)，他們之間如何進(jìn)行通信，如何交換數(shù)據(jù)和如何組態(tài)。（1）EPA通信模型結(jié)構(gòu)參考ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型（GB/T9387），EPA采用了其中的第一、二、三、四層和第七層，并在第七層之上增加了第八層（即用戶層），共構(gòu)成6層結(jié)構(gòu)的通信模型。EPA對(duì)ISO/OSI模型的映射關(guān)系如表8-3所示。8.4.2EPA技術(shù)原理表8-3EPA對(duì)ISO/OSI模型的映射ISO各層EPA各層

（（用戶層）用戶應(yīng)用進(jìn)程）應(yīng)用層HTTP、FTP、DHCP、SNTP、SNMP等EPA應(yīng)用層ISO各層EPA各層表示層未使用會(huì)話層傳輸層TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)層IP數(shù)據(jù)鏈路層EPA通信調(diào)度管理實(shí)體GB/T15629.3/IEEE802.11/IEEE802.15物理層

（2）EPA系統(tǒng)組成EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要組成如圖8-13所示。除了GB/T15629.3—1995、IEEEStd802.11、IEEEStd802.15、TCP（UDP）/IP以及信息技術(shù)（IT）應(yīng)用協(xié)議等組件外，它還包括以下幾個(gè)部分：①應(yīng)用進(jìn)程，包括EPA功能塊應(yīng)用進(jìn)程與非實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)程。②EPA應(yīng)用實(shí)體。③EPA通信調(diào)度管理實(shí)體。圖8-13EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要組成

（3）EPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)EPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8-14所示，它由兩個(gè)網(wǎng)段組成：監(jiān)控級(jí)L2網(wǎng)段和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)L1網(wǎng)段。圖8-14EPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)2.EPA數(shù)據(jù)鏈路層EPA采用GB/T15629.3—1995、IEEEStd802.11系列、IEEEStd802.15.1:2002協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。EPA還對(duì)GB/T15629.3—1995協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了一個(gè)EPA通信調(diào)度管理實(shí)體（EPAcommunicationschedulingmanagemententity，EPA_CSME）。EPA通信調(diào)度管理實(shí)體EPA_CSME支持：1）完全基于CSMA/CD的自由競(jìng)爭(zhēng)的通信調(diào)度。EPA通信調(diào)度管理實(shí)體EPA_CSME直接傳輸DLE與DLS_User之間交互的數(shù)據(jù)，而不作任何緩存和助理。2）基于分時(shí)CSMA/CD的自由競(jìng)爭(zhēng)的通信調(diào)度。數(shù)據(jù)鏈路層模型如圖8-15所示。圖8-15數(shù)據(jù)鏈路層模型3.EPA應(yīng)用層EPA應(yīng)用層的服務(wù)提供了對(duì)EPA管理系統(tǒng)以及用戶層應(yīng)用進(jìn)程的支持。（1）EPA應(yīng)用層的體系結(jié)構(gòu)關(guān)系按照OSI分層原理，已經(jīng)描述了EPA應(yīng)用層的功能。但是，它們與低層的結(jié)構(gòu)關(guān)系是不同的，與OSI基本參考模型的關(guān)系如圖8-16所示。圖8-16與OSI基本參考模型的關(guān)系4.基于XML的EPA設(shè)備描述技術(shù)在EPA系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)不同廠家現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互操作和集成，EPA工作組根據(jù)EPA網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)基于XML定義了一套標(biāo)簽語(yǔ)言用于描述EPA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備屬性實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集成與互操作，并把這套標(biāo)簽語(yǔ)言叫做XDDL（extensibledevicedescriptionlanguage，XDDL），XDDL是為實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作而設(shè)計(jì)，采用XDDL設(shè)備描述語(yǔ)言具有可描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能?；赬DDL文件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成原理如圖8-17所示。圖8-17基于XDDL文件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成原理1.概述EPA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)主要包括EPA硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)。EPA設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)基本是依照EPA的通信協(xié)議模型。2.EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊以及儀表開(kāi)發(fā)通用平臺(tái)，是一個(gè)封裝了EPA通信協(xié)議棧的以太網(wǎng)通信接口模塊。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了EPA確定性通信調(diào)度、PTP精確時(shí)鐘同步、EPA系統(tǒng)管理實(shí)體、EPA套接字映射、EPA應(yīng)用訪問(wèn)實(shí)體等功能，并提供與用戶功能塊進(jìn)程交互的硬件接口和軟件接口，可供各廠家進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。8.4.3基于EPA的技術(shù)開(kāi)發(fā)EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)有兩種開(kāi)發(fā)模式，分別為單CPU模式和雙CPU模式。在單CPU開(kāi)發(fā)模式中，用戶程序與EPA通信協(xié)議棧程序運(yùn)行在一個(gè)CPU上。EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了EPA通信協(xié)議棧的功能，但需要在EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)用戶應(yīng)用程序，來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的EPA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。單CPU開(kāi)發(fā)模式下的EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8-18所示。圖8-18單CPU開(kāi)發(fā)模式下的EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖8-19雙CPU開(kāi)發(fā)模式下的EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)雙CPU開(kāi)發(fā)模式下的EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8-19所示。3.串行接口EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)在串行接口EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，硬件接口包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、一個(gè)串行接口以及部分GPIO接口，基于串行接口的EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)如圖8-20所示。基于串行接口EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)有兩類開(kāi)發(fā)模式，分為單CPU模式和雙CPU模式。圖8-20基于串行接口的EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)在單CPU模式中，由GPIO接口模擬SPI、I2C接口完成對(duì)A/D、D/A等外圍I/O模塊的訪問(wèn)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)直接作為過(guò)程控制的控制器使用，實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序的功能。該模式中不需要有自定義通信交互協(xié)議，而用戶功能塊應(yīng)用進(jìn)程也直接在EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)中運(yùn)行。EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)單CPU模式如圖8-21所示。圖8-21EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)單CPU模式在雙CPU模式中，用戶CPU需要實(shí)現(xiàn)串行接口通信協(xié)議與EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行交互，完成用戶功能塊應(yīng)用進(jìn)程的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)EPA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)雙CPU模式如圖8-22所示。圖8-22EPA開(kāi)發(fā)平臺(tái)雙CPU模式4.基于EPA芯片的EPA智能設(shè)備開(kāi)發(fā)采用帶有EPA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的軟芯片，通過(guò)串行接口，進(jìn)行交互的開(kāi)發(fā)方式開(kāi)發(fā)EPA儀表，通過(guò)事先規(guī)定的通信協(xié)議，完成EPA協(xié)議中的基本服務(wù)，從而快捷、方便的開(kāi)發(fā)出EPA標(biāo)準(zhǔn)儀表。EPA軟芯片開(kāi)發(fā)原理結(jié)構(gòu)圖如圖8-23所示，其通過(guò)接插件的形式從用戶板獲取相關(guān)信息。圖8-23EPA軟芯片開(kāi)發(fā)原理結(jié)構(gòu)圖MCU采用Luminary公司的LM3S8962，該芯片采用ARM?CortexTM-M3v7M構(gòu)架，內(nèi)含64KB單周期訪問(wèn)SRAM、256KB單周期FLASH、10M/100M以太網(wǎng)收發(fā)器、同步串口接口（SSI）、CAN、UART、I2C等，將其中SSI、CAN、UART、I2C、10M/100M以太網(wǎng)引出，引出腳均加SRV05-4進(jìn)行防護(hù)，10M/100M以太網(wǎng)增加網(wǎng)絡(luò)變壓器HY60168T進(jìn)行隔離，隔離電壓1500V。采用EPA軟芯片開(kāi)發(fā)的EPA-LM3V1.0通信接口模塊，用戶CPU通過(guò)UART、I2C、SPI接口與它進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成EPA儀表開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)使用的硬件資源包括：（1）EPA-RT協(xié)議軟芯片（CEC111）。（2）軟件包括：WindowsXP系統(tǒng)。（3）EPA工具軟件包。（4）XML設(shè)備描述文件編輯軟件。（5）EPA組態(tài)軟件。8.5PROFInet

PROFInet是PROFIBUS國(guó)際組織在1999年開(kāi)始發(fā)展的新一代通信系統(tǒng)，是分布式自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代概念。它以互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單且無(wú)需作任何改變地將PROFIBUS系統(tǒng)與現(xiàn)有的其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成，這對(duì)于滿足從公司管理層到現(xiàn)場(chǎng)層的一致性要求是一個(gè)非常重要的方面。另外，它的重大貢獻(xiàn)在于保護(hù)了用戶的投資，因?yàn)楝F(xiàn)有系統(tǒng)的部件仍然可應(yīng)用到PROFInet系統(tǒng)中并不作任何改變。

PROFInet支持通過(guò)分布式自動(dòng)化和智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的成套裝備和機(jī)器的模塊化。這種工藝模塊化是分布式自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵特點(diǎn)，它簡(jiǎn)化了成套裝備和機(jī)器部件的重復(fù)使用和標(biāo)準(zhǔn)化。此外，由于模塊可事先在相應(yīng)的制造廠內(nèi)進(jìn)行廣泛的測(cè)試，因此顯著地減少了本地投運(yùn)所需要的時(shí)間。1．工藝模塊一個(gè)自動(dòng)化成套裝置或機(jī)器的功能是通過(guò)對(duì)機(jī)械、電子/電氣和控制邏輯/軟件規(guī)定的交互作用來(lái)體現(xiàn)的。根據(jù)這個(gè)基本原則，PROFInet定義了功能術(shù)語(yǔ)，如：“機(jī)械”、“電氣/電子”和“控制邏輯/軟件”，從而形成一種工藝模塊，通過(guò)軟件部件對(duì)這種工藝模塊即PROFInet部件進(jìn)行建模。8.5.1PROFInet部件模型2．PROFInet部件PROFInet部件代表系統(tǒng)范圍工程設(shè)計(jì)中的一種工藝模塊。它將其自動(dòng)化功能封裝在一個(gè)軟件部件內(nèi)，而且從工藝的角度看，它包含一個(gè)與其它部件交互作用所需要的變量。這些接口在PROFInet的連接編輯器中可以進(jìn)行圖形化互連。3．使用XML的部件描述PROFInet部件是用XML語(yǔ)言描述的。由此創(chuàng)建的XML文件包含關(guān)于PROFInet部件的功能和對(duì)象方面的信息。在PROFInet中XML部件文件包含下列數(shù)據(jù)：1）作為一個(gè)庫(kù)元素的部件描述：部件識(shí)別，部件名。2）硬件描述：IP地址的保存，對(duì)診斷數(shù)據(jù)的存取，連接的下載。3）軟件功能描述：軟件硬件分配，部件接口，變量的特性及它們的工藝名稱、數(shù)據(jù)、類型、方向（輸入或輸出）。4）部件項(xiàng)目的存儲(chǔ)地點(diǎn)。構(gòu)成部件庫(kù)是為了支持重復(fù)使用性。在PROFInet中確定DCOM（分布式的COM）作為PROFInet設(shè)備之間的公共應(yīng)用協(xié)議。DCOM是COM（部件對(duì)象模型）協(xié)議的擴(kuò)展，用于網(wǎng)絡(luò)中分布式對(duì)象和它們的互操作性。存取工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)，例如：連接的裝載，診斷數(shù)據(jù)的讀取，設(shè)備參數(shù)化和組態(tài)，以及連接的建立和部分用戶數(shù)據(jù)的交換等，PROFInet都是通過(guò)DCOM完成的。4．實(shí)時(shí)通信對(duì)各種TCP/IP實(shí)現(xiàn)的分析已揭示使用標(biāo)準(zhǔn)通信棧來(lái)管理這些數(shù)據(jù)包需要相當(dāng)可觀的運(yùn)行時(shí)間。可以優(yōu)化這些運(yùn)行時(shí)間，但所要求的TCP/IP棧不再是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品而是一種專用實(shí)現(xiàn)。使用UDP/IP時(shí)同樣如此。在PROFInet中為實(shí)時(shí)應(yīng)用創(chuàng)建了一種有效的解決方案，這種實(shí)時(shí)應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化中是常見(jiàn)的，其刷新或響應(yīng)時(shí)間最少在5~10ms。刷新時(shí)間可理解為以下過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間：在一臺(tái)設(shè)備應(yīng)用中創(chuàng)建一個(gè)變量，然后通過(guò)通信系統(tǒng)將該變量發(fā)送給一個(gè)伙伴，其后可在該伙伴設(shè)備的應(yīng)用中再次獲得該變量。為了能滿足自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)要求，在PROFInet中規(guī)定了優(yōu)化的實(shí)時(shí)通信通道——軟件實(shí)時(shí)通道（SRT通道），它基于以太網(wǎng)的第2層。這種解決方案極大地減少了通信棧上占用的時(shí)間，從而提高了自動(dòng)化數(shù)據(jù)的刷新率方面的性能。一方面，幾個(gè)協(xié)議層的去除減少了報(bào)文長(zhǎng)度；另一方面，在需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒發(fā)送以及應(yīng)用準(zhǔn)備就緒處理之前，只需要較少的時(shí)間。同時(shí)，大大地減少了設(shè)備通信所需要的處理器功能。PROFInet的概念模型如圖8-22所示。圖8-22PROFInet概念模型5．部件對(duì)象模型（COM）微軟的COM是面向?qū)ο蠓矫娴倪M(jìn)一步開(kāi)發(fā)，它允許基于預(yù)制部件的應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。PROFInet使用此類部件模型。因此PROFInet對(duì)象是為自動(dòng)化應(yīng)用量身定做的COM對(duì)象。如自動(dòng)化對(duì)象那樣，COM對(duì)象基本上由以下部分組成：接口：帶有方法的完好定義的接口。實(shí)現(xiàn)：定義的接口及其語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)。在COM中，定義單個(gè)過(guò)程內(nèi)，一臺(tái)設(shè)備上的兩個(gè)過(guò)程之間，以及不同設(shè)備上的兩個(gè)過(guò)程之間的通信。6．運(yùn)行期和工