現場總線與工業(yè)以太網及其應用技術 第2版 課件全套 第1-10章 緒論、控制網絡基礎 - 時間敏感網絡TSN

第1章

緒論現場總線技術經過二十多年的發(fā)展，現在已進入穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，工業(yè)以太網技術的研究與應用得到了迅速的發(fā)展，以其應用廣泛、通信速率高、成本低廉等優(yōu)勢引入到工業(yè)控制領域，成為新的熱點。本章首先對現場總線與工業(yè)以太網進行了概述，講述了現場總線的產生、現場總線的本質、現場總線的特點、現場總線標準的制定、現場總線的現狀和現場總線網絡的實現。同時講述了工業(yè)以太網技術及其通信模型、實時以太網和實時工業(yè)以太網模型分析、企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)。然后介紹了比較流行的現場總線FF、CAN和CANFD、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、CC-Link、ControlNet，同時對常用的工業(yè)以太網EtherCAT、SERCOS、EthernetPOWERLINK、PROFINET和EPA進行了介紹。最后講述了現場總線設備。1.1現場總線概述現場總線（fieldbus）自產生以來，一直是自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網，各自動化廠商紛紛推出自己的現場總線產品，并在不同的領域和行業(yè)得到了越來越廣泛的應用。按照IEC對現場總線一詞的定義，現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數字通信的技術。這是由IEC/TC65負責測量和控制系統(tǒng)數據通信部分國際標準化工作的SC65/WG6定義的。1.1.1現場總線的產生隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應用，產生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數字式智能化儀表產品，其本身具備了諸如自動量程轉換、自動調零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告、趨勢圖等功能。通信技術的發(fā)展，促使傳送數字化信息的網絡技術開始廣泛應用。與此同時，基于質量分析的維護管理、與安全相關系統(tǒng)的測試的記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當地處理信息，并在必要時允許被管理和訪問，這些也使現場儀表與上級控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實際應用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導致了現場總線的產生。1.1.2現場總線的本質現場總線的本質含義主要表現在以下6個方面：1.現場通信網絡用于過程以及制造自動化的現場設備或現場儀表互連的通信網絡。2.現場設備互連現場設備或現場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質。3.互操作性現場設備或現場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現場設備，所以，互相連接不同制造商的產品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產品，并將其集成在一起，實現“即接即用”；用戶希望對不同品牌的現場設備統(tǒng)一組態(tài)，構成他所需要的控制回路。這些就是現場總線設備互操作性的含義。1.1.2現場總線的本質4.分散供能塊FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，從而構成虛擬控制站。5.通信線供電通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現場儀表，可采用這種供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產現場有可燃性物質，所有現場設備都必須嚴格遵循安全防爆標準?，F場總線設備也不例外。6．開放式互連網絡現場總線為開放式互連網絡，它既可與同層網絡互連，也可與不同層網絡互連，還可以實現網絡數據庫的共享。不同制造商的網絡互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過網絡對現場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網絡及設備融為一體，構成統(tǒng)一的FCS。。1.1.3現場總線的特點和優(yōu)點1.現場總線的結構特點現場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接。位于現場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接?，F場總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現場設備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制?，F場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結構對比如圖1-1所示。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接。位于現場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接。1.1.3現場總線的特點和優(yōu)點由于采用數字信號替代模擬信號，因而可實現一對電線上傳輸多個信號，如運行參數值、多個設備狀態(tài)、故障信息等，同時又為多個設備提供電源，現場設備以外不再需要模擬/數字、數字/模擬轉換器件。圖1-1FCS與DCS結構比較1.1.3現場總線的特點和優(yōu)點2．現場總線的技術特點（1）系統(tǒng)的開放性（2）互可操作性與互用性（3）現場設備的智能化與功能自治性（4）系統(tǒng)結構的高度分散性（5）對現場環(huán)境的適應性3．現場總線的優(yōu)點（1）節(jié)省硬件數量與投資（2）節(jié)省安裝費用（3）節(jié)約維護開銷（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性1.1.4現場總線標準的制定數字技術的發(fā)展完全不同于模擬技術，數字技術標準的制定往往早于產品的開發(fā)，標準決定著新興產業(yè)的健康發(fā)展。國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手現場總線標準工作，但統(tǒng)一的標準至今仍未完成。IECTC65（負責工業(yè)測量和控制的第65標準化技術委員會）于1999年底通過的8種類型的現場總線作為IEC61158最早的國際標準。最新的IEC61158Ed.4標準于2007年7月出版。IEC61158第四版由多個部分組成，主要包括以下內容：IEC61158–1總論與導則IEC61158–2物理層服務定義與協(xié)議規(guī)范IEC61158–300數據鏈路層服務定義IEC61158–400數據鏈路層協(xié)議規(guī)范IEC61158–500應用層服務定義IEC61158–600應用層協(xié)議規(guī)范1.1.4現場總線標準的制定IEC61158Ed.4標準包括的現場總線類型如下：Type11TCnet實時以太網Type12EtherCAT實時以太網Type13EthernetPowerlink實時以太網Type14EPA實時以太網Type15Modbus-RTPS實時以太網Type16SERCOSI、II現場總線Type17VNET/IP實時以太網Type18CC-Link現場總線Type19SERCOSIII現場總線Type20HART現場總線Type1IEC61158（FF的H1）Type2CIP現場總線Type3PROFIBUS現場總線Type4P-Net現場總線Type5FFHSE現場總線Type6SwiftNet被撤銷Type7WorldFIP現場總線Type8INTERBUS現場總線Type9FFH1以太網Type10PROFINET實時以太網1.1.6現場總線網絡的實現目前，各個公司生產的現場總線產品沒有一個統(tǒng)一的協(xié)議標準，但是各公司在制定自己的通信協(xié)議時，都參考OSI七層協(xié)議標準，且大都采用了其中的第1層、第2層和第7層，即物理層、數據鏈路層和應用層，并增設了第8層即用戶層。1.物理層物理層定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等?，F場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。Manchester編碼采用基帶傳輸，而NRZ編碼采用頻帶傳輸。調制方式主要有CPFSK和COFSK?，F場總線傳輸介質主要有有線電纜、光纖和無線介質。2．數據鏈路層數據鏈路層又分為兩個子層，即介質訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對傳輸介質傳送的信號進行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對數據鏈進行控制，保證數據傳送到指定的設備上。現場總線網絡中的設備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數據的權利，而從站則只有響應主站訪問的權利。1.1.6現場總線網絡的實現3．應用層應用層可以分為兩個子層，上面子層是應用服務層（FMS層），它為用戶提供服務；下面子層是現場總線存取層（FAS層），它實現數據鏈路層的連接。應用層可以分為兩個子層，上面子層是應用服務層（FMS層），它為用戶提供服務；下面子層是現場總線存取層（FAS層），它實現數據鏈路層的連接。應用層的功能是進行現場設備數據的傳送及現場總線變量的訪問。它為用戶應用提供接口，定義了如何應用讀、寫、中斷和操作信息及命令，同時定義了信息、句法（包括請求、執(zhí)行及響應信息）的格式和內容。應用層的管理功能在初始化期間初始化網絡，指定標記和地址。同時按計劃配置應用層，也對網絡進行控制，統(tǒng)計失敗和檢測新加入或退出網絡的裝置。4.用戶層用戶層是現場總線標準在OSI模型之外新增加的一層，是使現場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關鍵。1.2 工業(yè)以太網概述1.2.1以太網技術20世紀70年代早期，國際上公認的第一個以太網系統(tǒng)出現于Xerox公司的PaloAltoResearchCenter（PARC），它以無源電纜作為總線來傳送數據，在1000m的電纜上連接了100多臺計算機，并以曾經在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名，這就是如今以太網的鼻祖。1.2.2工業(yè)以太網技術人們習慣將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網統(tǒng)稱為工業(yè)以太網。按照國際電工委員會SC65C的定義，工業(yè)以太網是用于工業(yè)自動化環(huán)境、符合IEEE802.3標準、按照IEEE802.1D“媒體訪問控制（MAC）網橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網虛擬網橋”規(guī)范、對其沒有進行任何實時擴展（extension）而實現的以太網。以太網與工業(yè)以太網比較如表1-4所示。項目工業(yè)以太網設備商用以太網設備元器件工業(yè)級商用級接插件耐腐蝕、防塵、防水，如加固型RJ45、DB-9、航空插頭等一般RJ45工作電壓24VDC220VAC電源冗余雙電源一般沒有安裝方式DIN導軌和其他固定安裝桌面、機架等工作溫度-40

C~85

C、或-20

C~70

C5

C~40

C電磁兼容性標準EN50081-2（工業(yè)級EMC）EN50082-2（工業(yè)級EMC）辦公室用EMCMTBF值至少10年3~5年表1-4以太網和工業(yè)以太網的比較1.2.2工業(yè)以太網技術工業(yè)控制網絡應滿足以下要求：⑴具有較好的響應實時性：工業(yè)控制網絡不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應快，即響應實時性好。⑵可靠性和容錯性要求：既能安裝在工業(yè)控制現場，又能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定運行，在網絡局部鏈路出現故障的情況下，能在很短的時間內重新建立新的網絡鏈路。⑶力求簡潔：減小軟硬件開銷，從而降低設備成本，同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性。⑷環(huán)境適應性要求：包括機械環(huán)境適應性（如耐振動、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應性（工作溫度要求為-40℃~85℃，至少為-20℃~70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN50081-2/EN50082-2標準。⑸開放性好：由于以太網技術被大多數的設備制造商所支持，并且具有標準的接口，系統(tǒng)集成和擴展更加容易。⑹安全性要求：在易爆可燃的場合，工業(yè)以太網產品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質安全。⑺總線供電要求：即要求現場設備網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備提供工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低成本。IEEE802.3af標準對總線供電進行了規(guī)范。⑻安裝方便：適應工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導軌安裝。1.2.3工業(yè)以太網通信模型工業(yè)以太網的通信模型如圖1-2所示。圖1-2工業(yè)以太網的通信模型工業(yè)以太網與商用以太網相比，具有以下特征：⑴通信實時性⑵環(huán)境適應性和安全性⑶產品可靠性設計⑷網絡可用性1.2.4工業(yè)以太網的優(yōu)勢以太網發(fā)展到工業(yè)以太網，從技術方面來看，與現場總線相比，工業(yè)以太網具有以下優(yōu)勢：⑴應用廣泛。⑵成本低廉。⑶通信速率高。⑷開放性和兼容性好，易于信息集成。⑸控制算法簡單。⑹軟硬件資源豐富。⑺不需要中央控制站。⑻可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。⑼易于與Internet連接。1.2.5實時以太網根據IEC61784-2-2010標準定義，所謂實時以太網，就是根據工業(yè)數據通信的要求和特點，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎上，通過增加一些必要的措施，使之具有實時通信能力：⑴網絡通信在時間上的確定性，即在時間上，任務的行為可以預測；⑵實時響應適應外部環(huán)境的變化，包括任務的變化、網絡節(jié)點的增/減、網絡失效診斷等；⑶減少通信處理延遲，使現場設備間的信息交互在極小的通信延遲時間內完成。2007年出版的IEC61158現場總線國際標準和IEC61784-2實時以太網應用國際標準收錄了以下十種實時以太網技術和協(xié)議如表1-5所示。表1-5IEC國際標準收錄的工業(yè)以太網技術名稱技術來源應用領域Ethernet/IP美國Rockwell公司過程控制PROFINET德國Siemens公司過程控制、運動控制P-NET丹麥Process-DataA/S公司過程控制Vnet/IP日本Yokogawa橫河過程控制TC-net東芝公司過程控制EtherCAT德國Beckhoff公司運動控制EthernetPowerlink奧地利B&R公司運動控制EPA浙江大學、浙江中控公司等過程控制、運動控制Modbus/TCP法國Schneider-electric公司過程控制SERCOS-III德國Hilscher公司運動控制1.2.6實時工業(yè)以太網模型分析實時工業(yè)以太網采用不同的實時策略來提高實時性能，根據其提高實時性策略的不同，實現模型可分為3種。實時工業(yè)以太網實現模型如圖1-3所示。圖1-3實時工業(yè)以太網實現模型1.2.7幾種實時工業(yè)以太網的比較幾種實時工業(yè)以太網的對比如表1-6所示。實時工業(yè)以太網EtherCATSERCOSⅢPROFINETIRTPOWERLINKEPAEthernet/IP管理組織ETGIGSPNOEPGEPA俱樂部ODVA通信機構主/從主/從主/從主/從C/SC/S傳輸模式全雙工全雙工半雙工半雙工全雙工全雙工實時特性100軸，響應時間100μs8個軸，響應時間32.5μs100軸，響應時間1ms100軸，響應時間1ms同步精度為μs級，通信周期為ms級1~5ms拓撲結構星形、線形、環(huán)形、樹形、總線形線形、環(huán)形星形、線形星形、樹形、總線形樹形、星形星形、樹形同步方法時間片+IEEE1588主節(jié)點+循環(huán)周期時間槽調度+IEEE1588時間片+IEEE1588IEEE1588IEEE1588同步精度100ns<1μs1μs1μs500ns1μs表1-6幾種實時工業(yè)以太網的對比1.2.7幾種實時工業(yè)以太網的比較幾個實時工業(yè)以太網數據傳輸速率對比如圖1-4所示。實驗中有40個軸（每個軸20Byte輸入和輸出數據），50個I/O站（總計560個EtherCAT總線端子模塊），2000個數字量，200個模擬量，總線長度500m。結果測試得到EtherCAT網絡循環(huán)時間是276μs，總線負載44%，報文長度122μs，性能遠遠高于SERCOSIII、PROFINETIRT和POWERLINK。圖1-4幾個實時工業(yè)以太網數據傳輸速率對比1.3 企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)1.3.1企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構統(tǒng)一的企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)應具有3層結構，企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構如圖1-5所示，從底向上依次為：過程控制層（PCS）、制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。圖1-5企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構1.3.1企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構1．過程控制層依照現場總線的協(xié)議標準，智能設備采用功能塊的結構，通過組態(tài)設計，完成數據采集、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能。智能轉換器對傳統(tǒng)檢測儀表電流電壓進行數字轉換和補償。此外，總線上應有PLC接口，便于連接原有的系統(tǒng)?，F場設備以網絡節(jié)點的形式掛接在現場總線網絡上，為保證節(jié)點之間實時、可靠的數據傳輸，現場總線控制網絡必須采用合理的拓撲結構。常見的現場總線網絡拓撲結構有以下幾種。（1）環(huán)形網（2）總線網（3）樹形網（4）令牌總線網過程控制層通信介質不受限制，可用雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、無線、紅外線等各種形式。2．制造執(zhí)行層這一層從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設計和下裝。1.3.1企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構3．企業(yè)資源規(guī)劃層其主要目的是在分布式網絡環(huán)境下構建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。4．現場總線與局域網的區(qū)別現場總線與數據網絡相比，主要有以下特點：（1）現場總線主要用于對生產、生活設備的控制，對生產過程的狀態(tài)檢測、監(jiān)視與控制，或實現“家庭自動化”等；數據網絡則主要用于通信、辦公，提供如文字、聲音和圖像等數據信息。（2）現場總線和數據網絡具有各自的技術特點：控制網絡信息/控制網絡最低層，要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網絡接口盡可能簡單，成本盡量降低，數據傳輸量一般較??；數據網絡則需要適應大批量數據的傳輸與處理。（3）現場總線采用全數字式通信，具有開放式、全分布、互操作性等特點。（4）在現代生產和社會生活中，這兩種網絡將具有越來越緊密的聯系。兩者的不同特點決定了它們的需求互補以及它們之間需要信息交換。控制網絡信息與數據網絡信息的結合，溝通了生產過程現場控制設備之間及其與更高控制管理層網絡之間的聯系，可以更好地調度和優(yōu)化生產過程，提高產品的產量和質量，為實現控制、管理、經營一體化創(chuàng)造了條件。1.3.2現場總線的作用現場總線控制網絡處于企業(yè)網絡的底層，或者說，它是構成企業(yè)網絡的基礎。而生產過程的控制參數與設備狀態(tài)等信息是企業(yè)信息的重要組成部分。企業(yè)網絡各功能層次的網絡類型如圖1-6所示。從圖中可以看出，除現場的控制網絡外，上面的ERP和MES都采用以太網。圖1-6各功能層次的網絡類型1.3.3現場總線與上層網絡的互聯目前，現場總線與上層網絡的連接方式一般有以下三種：一是采用專用網關完成不同通信協(xié)議的轉換，把現場總線網段或DCS連接到以太網上。圖1-7示出了通過網關連接現場總線網段與上層網絡的示意圖。二是將現場總線網卡和以太網卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內，在PC機內完成數據交換。在圖1-8中采用現場總線的PCI卡，實現現場總線網段與上層網絡的連接。三是將Web服務器直接置入PLC或現場控制設備內，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現數據信息的動態(tài)交互。圖1-7通過網關連接現場總線網段與上層網絡圖1-8采用PCI卡連接現場總線網段與上層網絡1.3.4現場總線網絡集成應考慮的因素應用現場總線要適合企業(yè)的需要，選擇現場總線應考慮以下因素：1．控制網絡的特點（1）適應工業(yè)控制應用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好。（2）網絡傳輸的是測控數據及其相關信息，因而多為短幀信息，傳輸速率低。（3）用戶從滿足應用需要的角度去選擇、評判。2．標準支持國際、國家、地區(qū)、企業(yè)標準。3．網絡結構支持的介質；網絡拓撲；最大長度/段；本質安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點數；可掛接的最大節(jié)點數；介質冗余等。1.3.4現場總線網絡集成應考慮的因素4．網絡性能傳輸速率；時間同步準確度；執(zhí)行同步準確度；媒體訪問控制方式；發(fā)布/預訂接收能力；報文分段能力（報文大小限制，最大數據/報文段）；設備識別；位號名分配；節(jié)點對節(jié)點的直接傳輸；支持多段網絡；可尋址的最大網段數。5．測控系統(tǒng)應用考慮功能塊；應用對象；設備描述。6．市場因素支持的介質；網絡拓撲；最大長度/段；本質安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點數；可掛接的最大節(jié)點數；介質冗余等。7．其他因素一致性測試；互操作測試機制。1.4 現場總線簡介1.4.1FF基金會現場總線，即FoundationFieldbus，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(fā)展前景的技術。以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂了ISP協(xié)議；以Honeywell公司為首、聯合歐洲等地的150家公司制訂了WorldFIP協(xié)議。1994年9月，制訂上述兩種協(xié)議的多家公司成立了現場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)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?；饡F場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kbit/s，通信距離可達1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbit/s和2.5Mbit/s兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。1.4.2CAN和CANFDCAN是控制器局域網ControllerAreaNetwork的簡稱，最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信。其總線規(guī)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。CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結構只有3層，只取OSI的物理層、數據鏈路層和應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，在40m的距離時，通信速率最高可達1Mbit/s；在通信速率為5kbit/s時，直接傳輸距離最遠可達10km，可掛接設備最多可達110個。CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯系，使總線上的其他節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網絡上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數據。它采用總線仲裁技術，當出現幾個節(jié)點同時在網絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數據，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。1.4.2CAN和CANFD已有多家公司開發(fā)生產了符合CAN協(xié)議的通信控制器，如NXP公司的SJA1000、Mirochip公司的MCP2515、內嵌CAN通信控制器的ARM和DSP等。還有插在PC機上的CAN總線適配器，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。在汽車領域，隨著人們對數據傳輸帶寬要求的增加，傳統(tǒng)的CAN總線由于帶寬的限制難以滿足這種增加的需求。當今社會，汽車已經成為生活中不可缺少的一部分，人們希望汽車不僅僅是一種代步工具，更希望汽車是生活及工作范圍的一種延伸。在汽車上就像呆在自己的辦公室和家里一樣，可以打電話、上網、娛樂和工作。因此，汽車制造商為了提高產品競爭力，將越來越多的功能集成到了汽車上。ECU（電子控制單元）大量地增加使總線負載率急劇增大，傳統(tǒng)的CAN總線越來越顯得力不從心。此外為了縮小CAN網絡（最大1Mbit/s）與FlexRay（最大10Mbit/s）網絡的帶寬差距，BOSCH公司2011年推出了CANFD（CANwithFlexibleData-Rate）方案。1.4.3DeviceNet在現代的控制系統(tǒng)中，不僅要求現場設備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務，還要能通過網絡與其他控制設備及PLC進行對等通信，因此現場設備多設計成內置智能式。基于這樣的現狀，美國RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet網絡，實現低成本高性能的工業(yè)設備的網絡互連。DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設備連接到網絡，從而免去了昂貴的硬接線。DeviceNet又是一種簡單的網絡解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設備的成本和時間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設備間的通信，而且同時提供了相當重要的設備級診斷功能，這是通過硬接線I/O接口很難實現的。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點：（1）DeviceNet基于CAN總線技術，它可連接開關、光電傳感器、閥組、電動機起動器、過程傳感器、變頻調速設備、固態(tài)過載保護裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機界面等，傳輸速率為125~500kbit/s，每個網絡的最大節(jié)點數是64個，干線長度100~500m。（2）DeviceNet使用的通信模式是：生產者/客戶（Producer/Consumer）。該模式允許網絡上的所有節(jié)點同時存取同一源數據，網絡通信效率更高；采用多信道廣播信息發(fā)送方式，各個客戶可在同一時間接收到生產者所發(fā)送的數據，網絡利用率更高。生產者/客戶模式與傳統(tǒng)的“源/目的”通信模式相比，前者采用多信道廣播式，網絡節(jié)點同步化，網絡效率高；后者采用應答式，如果要向多個設備傳送信息，則需要對這些設備分別進行“呼”、“應”通信，即使是同一信息，也需要制造多個信息包，這樣，增加了網絡的通信量，網絡響應速度受限制，難以滿足高速的、對時間苛求的實時控制。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點：（3）設備可互換性。各個銷售商所生產的符合DeviceNet網絡和行規(guī)標準的簡單裝置（如按鈕、電動機起動器、光電傳感器、限位開關等）都可以互換，為用戶提供靈活性和可選擇性。（4）DeviceNet網絡上的設備可以隨時連接或斷開，而不會影響網上其他設備的運行，方便維護和減少維修費用，也便于系統(tǒng)的擴充和改造。（5）DeviceNet網絡上的設備安裝比傳統(tǒng)的I/O布線更加節(jié)省費用，尤其是當設備分布在幾百米范圍內時，更有利于降低布線安裝成本。（6）利用RSNetworkforDeviceNet軟件可方便地對網絡上的設備進行配置、測試和管理。網絡上的設備以圖形方式顯示工作狀態(tài)，一目了然。1.4.4LonWorks美國Echelon公司于1992年成功推出了LonWorks智能控制網絡。LON（LocalOperatingNetworks）總線是該公司推出的局部操作網絡，Echelon公司開發(fā)了LonWorks技術，為LON總線設計和成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺。其通信協(xié)議LonTalk支持OSI/RM的所有七層模型，這是LON總線最突出的特點。LonTalk協(xié)議通過神經元芯片（NeuronChip）上的硬件和固件（firmware）實現，提供介質存取、事務確認和點對點通信服務；還有一些如認證、優(yōu)先級傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等高級服務。網絡拓撲結構可以是總線形、星形、環(huán)形和混合形，可實現自由組合。另外，通信介質支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等。應用程序采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信的設計簡化為參數設置，大大縮短了產品開發(fā)周期。LonWorks控制網絡技術可用于各主要工業(yè)領域，如工廠廠房自動化、生產過程控制、樓宇及家庭自動化、農業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等，為實現智能控制網絡提供完整的解決方案。1.4.4LonWorks2005年之前，LonWorks技術的核心是神經元芯片（NeuronChip）。神經元芯片主要有3120和3150兩大系列，生產廠家最早的有Motorola公司和TOSHIBA公司，后來生產神經元芯片的廠家是TOSHIBA公司和美國的Cypress公司。TOSHIBA公司生產的神經元芯片型號為TMPN3120和TMPN3150兩個系列。TMPN3120不支持外部存儲器，它本身帶有EEPROM；TMPN3150支持外部存儲器，適合功能較為復雜的應用場合。Cypress公司生產的神經元芯片型號為CY7C53120和CY7C53150兩個系列。2005年之后，上述神經元芯片不再給用戶供貨，Echelon公司主推FT智能收發(fā)器和Neuron處理器。2018年9月，總部位于美國加州的AdestoTechnologies（阿德斯托技術）公司收購了Echelon公司。Adesto公司成功推出的FT6050智能收發(fā)器和Neuron6050處理器是用于現代化和整合智能控制網絡的片上系統(tǒng)。1.4.5PROFIBUSPROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線，ISO/OSI模型也是它的參考模型。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規(guī)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。PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。1.4.5PROFIBUS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。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158-2（H1）標準，可實現總線供電與本質安全防爆。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6kbit/s~12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6kbit/s時為1200m，1.5Mbit/s時為200m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。1.4.6CC-Link在1996年11月，以三菱電機為主導的多家公司以“多廠家設備環(huán)境、高性能、省配線”理念開發(fā)、公布和開放了現場總線CC-Link，第一次正式向市場推出了CC-Link這一全新的多廠商、高性能、省配線的現場網絡。并于1997年獲得日本電機工業(yè)會（JEMA）頒發(fā)的杰出技術成就獎。CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱。即：在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數據同時以10Mbit/s高速傳輸的現場網絡。CC-Link具有性能卓越、應用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點。作為開放式現場總線，CC-Link是惟一起源于亞洲地區(qū)的總線系統(tǒng)，CC-Link的技術特點尤其適合亞洲人的思維習慣。1998年，汽車行業(yè)的馬自達、五十鈴、雅馬哈、通用、鈴木等也成為了CC-Link的用戶，而且CC-Link迅速進入中國市場。CC-Link是一個技術先進、性能卓越、應用廣泛、使用簡單、成本較低的開放式現場總線，其在中國的技術發(fā)展和應用有著廣闊的前景。1.4.6CC-Link1.CC-Link現場網絡的組成CC-Link現場總線由CC-Link、CC-Link/LT、CC-LinkSafety、CC-LinkIEControl、CC-LinkIEField、SLMP組成。CC-Link協(xié)議已經獲得許多國際和國家標準認可，如：國際化標準組織ISO15745（應用集成框架）；IEC國際組織61784/61158（工業(yè)現場總線協(xié)議的規(guī)定）；SEMIE54.12；中國國家標準GB/T19780；韓國工業(yè)標準KSBISO15745-5。1.4.6CC-Link1.CC-Link現場網絡的特點⑴CC-Link是基于RS485的現場網絡。⑵CC-Link/LT是基于RS485高性能、高可靠性、省配線的開放式網絡。⑶CC-LinkSafety專門基于滿足嚴苛的安全網絡要求打造而成。⑷CC-LinkIEControl是基于以太網的千兆控制層網絡，采用雙工傳輸路徑，穩(wěn)定可靠。⑸CC-LinkIEField是基于以太網的千兆現場層網絡。⑹SLMP可使用標準幀格式跨網絡進行無縫通信，使用SLMP實現輕松連接，若與CSP+相結合，可以延伸至生產管理和預測維護領域。CC-Link工業(yè)網絡結構如圖1-10所示。圖1-10CC-Link工業(yè)網絡結構1.4.6CC-Link1.CC-LinkSafety系統(tǒng)構成與特點CC-LinkSafety構筑最優(yōu)化的工廠安全系統(tǒng)取得GB/Z294-2013控制與通信網絡CC-LinkSafety規(guī)范。國際標準的制定，呼吁安全網絡的重要性，幫助制造業(yè)構筑工廠生產線的安全系統(tǒng)、實現安全系統(tǒng)的節(jié)省配線、提高生產效率、并且與控制系統(tǒng)緊密結合的安全網絡。CC-LinkSafety系統(tǒng)構成如圖1-11所示。圖1-11CC-LinkSafety系統(tǒng)構成CC-LinkSafety的特點如下：①高速通信的實現②通信異常的檢測③原有資源的有效利用④RAS功能⑤兼容產品開發(fā)的效率化1.4.7ControlNet1.ControlNet的歷史與發(fā)展工業(yè)現場控制網絡的許多應用不僅要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應有確定性和可重復性。在ControlNet出現以前，沒有一個網絡在設備或信息層能有效的實現這樣的功能要求。ControlNet是由在北美（包括美國、加拿大等）地區(qū)的工業(yè)自動化領域中技術和市場占有率穩(wěn)居第一位的美國羅克韋爾自動化公司（RockwellAutomation）于1997年推出的一種新的面向控制層的實時性現場總線網絡。ControlNet是一種最現代化的開放網絡，它提供如下功能：（1）在同一鏈路上同時支持I/O信息，控制器實時互鎖以及對等通信報文傳送和編程操作。（2）對于離散和連續(xù)過程控制應用場合，均具有確定性和可重復性。1.4.7ControlNet2．ControlNetInternational簡介為了促進ControlNet技術的發(fā)展、推廣和應用，1997年7月由羅克韋爾等22家公司聯合發(fā)起成立了控制網國際組織（ControlNetInternational-CI）。同時，羅克韋爾自動化將ControlNet技術轉讓給了CI。CI是一個為用戶和供貨廠商服務的非盈利性的獨立組織，它負責ControlNet技術規(guī)范的管理和發(fā)展，并通過開發(fā)測試軟件提供產品的一致性測試，出版ControlNet產品目錄，進行ControlNet技術培訓等，促進世界范圍內ControlNet技術的推廣和應用。1.4.7ControlNet2．ControlNet簡介ControlNet是一個高速的工業(yè)控制網絡，在同一電纜上同時支持I/O信息和報文信息（包括程序、組態(tài)、診斷等信息），集中體現了控制網絡對控制（Control）、組態(tài)（Configuration）、采集（Collect）等信息的完全支持，ControlNet基于生產者/消費者這一先進的網絡模型，該模型為網絡提供更高有效性、一致性和柔韌性。ControlNet上可連接以下典型的設備：邏輯控制器（例如可編程邏輯控制器、軟控制器等）；I/O機架和其他I/O設備；人機界面設備；操作員界面設備；電動機控制設備；變頻器；機器人；氣動閥門；過程控制設備；網橋/網關等。1.4.8AS-iAS-i（Actuator-Sensorinterface）是執(zhí)行器-傳感器接口的英文縮寫。它是一種用來在控制器（主站、Master）和傳感器/執(zhí)行器（從站、Slave）之間雙向交換信息、主從結構的總線網絡，它屬于現場總線下面設備級的底層通信網絡。AS-i總線用于具有開關量特征的傳感器/執(zhí)行器中，也可用于各種開關電器中。AS-i是總線供電，即兩條傳輸線既傳輸信號，又向主站和從站提供電源。AS-i主站由帶有AS-i主機電路板的可編程序控制器（PLC）或工業(yè)計算機（IPC）組成，它是AS-i總線的核心。AS-i總線的發(fā)展是由11家公司聯合資助和規(guī)劃的，并得到德國科技部的支持，現已成立了AS-i國際協(xié)會（AS-InternationalAssociation），它的任務是規(guī)劃AS-i部件的開發(fā)和系統(tǒng)的定義，進行有關標準化的工作，組織產品的標準測試和軟件認證，以保證AS-i產品的開放性和互操作性。1.4.9P-NetP-Net現場總線由丹麥Process-DataA/S公司提出，1984年開發(fā)出第一個多主控器現場總線的產品，主要應用于農業(yè)、水產、飼養(yǎng)、林業(yè)、食品等行業(yè)，現已成為歐洲標準EN50170的第一部分、IEC61158類型4。P-Net采用了ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層、網絡層、服務器和應用層。P-Net是一種多主控器主從式總線（每段最多可容納32個主控器），使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，采用NRZ編碼異步傳輸，數據傳輸速率為76.8kbit/s。P-Net總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時應用在工廠自動化系統(tǒng)的幾個層次上，而各層次的運輸速率保持一致。這樣構成的多網絡結構使各層次之間的通信不需要特殊的耦合器，幾個總線分段之間可實現直接尋址，它又稱為多網絡結構。P-Net總線訪問采用一種“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權通過虛擬令牌在主站之間循環(huán)傳遞，即通過主站中的訪問計數器和空閑總線位周期計數器，確定令牌的持有者和持有令牌的時間。這種基于時間的循環(huán)機制，不同于采用實報文傳遞令牌的方式，節(jié)省了主控制器的處理時間，提高了總線的傳輸效率，而且它不需要任何總線仲裁的功能。P-Net不采用專用芯片，它對從站的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼，因此它結構簡單，易于開發(fā)和轉化。1.5 工業(yè)以太網簡介1.5.1EtherCATEtherCAT是由德國BECKHOFF公司開發(fā)的，并且在2003年底成立了ETG工作組（EthernetTechnologyGroup）。EtherCAT是一個可用于現場級的超高速I/O網絡，它使用標準的以太網物理層和常規(guī)的以太網卡，介質可為雙絞線或光纖。1.5.1EtherCAT1．以太網的實時能力一般常規(guī)的工業(yè)以太網的傳輸方法都采用先接收通信幀，進行分析后作為數據送入網絡中各個模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網協(xié)議幀中已經包含了網絡中各個模塊的數據。數據的傳輸采用移位同步的方法進行，即在網絡的模塊中得到其相應地址數據的同時，數據幀可以傳送到下一個設備，相當于數據幀通過一個模塊時輸出相應的數據后，立即轉入下一個模塊。由于這種數據幀的傳送從一個設備到另一個設備延遲時間僅為微秒級，所以與其他以太網解決方法相比，性能比得到了提高。在網絡段的最后一個模塊結束了整個數據傳輸的工作，形成了一個邏輯和物理環(huán)形結構。所有傳輸數據與以太網的協(xié)議相兼容，同時采用雙工傳輸，提高了傳輸的效率。1.5.1EtherCAT2.EtherCAT的運行原理EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術，無需接收以太網數據包，將其解碼，之后再將過程數據復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經過其節(jié)點時讀取相應的編址數據，同樣，輸入數據也是在報文經過時插入至報文中。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。由于發(fā)送和接收的以太網幀壓縮了大量的設備數據，所以有效數據率可達90%以上。100Mbit/sTX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數據率可大于100Mbit/s。EtherCAT的通信協(xié)議模型如圖1-12所示。圖1-12EtherCAT通信協(xié)議模型1.5.1EtherCAT3.EtherCAT的技術特征EtherCAT是用于過程數據的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網類型，它可以在以太網幀內直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內存區(qū)域，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。數據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通信均得以實現。當需要實現最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網操作時，則直接采用以太網幀傳輸。4.EtherCAT的實施由于EtherCAT無需集線器和交換機，因此，在環(huán)境條件允許的情況下，可以節(jié)省電源、安裝費用等設備方面的投資，只需使用標準的以太網電纜和價格低廉的標準連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標準，使用增強密封保護等級的連接器。EtherCAT擁有多種機制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通信。它實現了安全功能，采用技術可行且經濟實用的方法，使以太網技術可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優(yōu)越，可以完全兼容以太網，可將因特網技術嵌入到簡單設備中，并最大化地利用了以太網所提供的巨大帶寬，是一種實時性能優(yōu)越且成本低廉的網絡技術。1.5.1EtherCAT5.EtherCAT的應用機器人；機床；包裝機械；印刷機；塑料制造機器；沖壓機；半導體制造機器；試驗臺；測試系統(tǒng)；抓取機器；電廠；變電站；材料處理應用；行李運送系統(tǒng)；舞臺控制系統(tǒng)；自動化裝配系統(tǒng)；紙漿和造紙機；隧道控制系統(tǒng)；焊接機；起重機和升降機；農場機械；海岸應用；鋸木廠；窗戶生產設備；樓宇控制系統(tǒng)；鋼鐵廠；風機；家具生產設備；銑床；自動引導車；娛樂自動化；制藥設備；木材加工機器；平板玻璃生產設備；稱重系統(tǒng)。1.5.2SERCOSSERCOS（SerialReal-timeCommunicationSpecification，串行實時通信協(xié)議）是一種用于工業(yè)機械電氣設備的控制單元和數字伺服裝置之間高速串行實時通信的數字交換協(xié)議。1986年，德國電力電子協(xié)會與德國機床協(xié)會聯合召集了歐洲一些機床、驅動系統(tǒng)和CNC設備的主要制造商（Bosch，ABB，AMK，Banmuller，Indramat，Siemens，PacificScientific等）組成了一個聯合小組。該小組旨在開發(fā)出一種用于數字控制器與智能驅動器之間的開放性通信接口，以實現CNC技術與伺服驅動技術的分離，從而使整個數控系統(tǒng)能夠模塊化、可重構與可擴展，達到低成本、高效率、強適應性地生產數控機床的目的。經過多年的努力，此技術終于在1989年德國漢諾國際機床博覽會上展出，這標志著SERCOS總線正式誕生。1995年，國際電工委員會把SERCOS接口采納為標準IEC61491，1998年，SERCOS接口被確定為歐洲標準EN61491。2005年基于以太網的SERCOSⅢ面世，并于2007年成為國際標準IEC61158/61784。迄今為止，SERCOS已發(fā)展了三代，SERCOS接口協(xié)議成為當今唯一專門用于開放式運動控制的國際標準，得到了國際大多數數控設備供應商的認可。1.5.2SERCOSSERCOS接口技術是構建SERCOS通信的關鍵技術，經SERCOS協(xié)會組織和協(xié)調，推出了一系列SERCOS接口控制器，通過它們便能方便地在數控設備之間建立起SERCOS通信。SERCOS總線的眾多優(yōu)點，使得它在數控加工中心、數控機床、精密齒輪加工機械、印刷機械、裝配線和裝配機器人等運動控制系統(tǒng)中獲得了廣泛應用。目前，很多廠商如西門子、倫茨等公司的伺服系統(tǒng)都具有SERCOS總線接口。國內SERCOS接口用戶有多家，其中包括清華大學、沈陽第一機床廠、華中數控集團、北京航空航天大學、上海大眾汽車廠、上海通用汽車廠等單位。1.SERCOS總線的技術特性SERCOS總線協(xié)議具有如下技術特性：⑴標準性⑵開放性⑶兼容性⑷實時性⑸擴展性1.5.2SERCOS2.SERCOSIII總線⑴SERCOSIII總線概述由于SERCOSIII是SERCOSII技術的一個變革，與以太網結合以后，SERCOS技術已經從專用的伺服接口向廣泛的實時以太網轉變。原來的優(yōu)良的實時特性仍然保持，新的協(xié)議內容和功能擴展了SERCOS在工業(yè)領域的應用范圍。SERCOSIII系統(tǒng)是基于環(huán)狀拓撲結構的。支持全雙工以太網的環(huán)狀拓撲結構可以處理冗余；線狀拓撲結構的系統(tǒng)則不能處理冗余，但在較大的系統(tǒng)中能節(jié)省很多電纜。由于是全雙工數據傳輸，當在環(huán)上的一處電纜發(fā)生故障時，通信不被中斷，此時利用診斷功能可以確定故障地點；并且能夠在不影響其它設備正常工作的情況下得到維護。SERCOSIII不使用星狀的以太網結構，數據不經過路由器或轉換器，從而可以使傳輸延時將減少到最小。SERCOSⅢ的主要特點：高的傳輸速率，達到全雙工100Mbit/s；采用時間槽技術避免了以太網的報文沖突，提高了報文的利用率；向下兼容，兼容以前SERCOS總線的所有協(xié)議；降低了硬件的成本；集成了IP協(xié)議；使從站之間可以交叉通信CC（CrossCommunication）；支持多個運動控制器的同步C2C（ControltoControl）；擴展了對I/O等控制的支持；支持與安全相關的數據的傳輸；增加了通信冗余、容錯能力和熱插拔功能。1.5.2SERCOS2.SERCOSIII總線（2）SERCOSIII系統(tǒng)特性SERCOSIII系統(tǒng)具有如下特性：1）實時通道的實時數據的循環(huán)傳輸2）為集中式和分布式驅動控制提供了很好的方案3）從站與從站（CC）或主站與主站（C2C）之間皆可以通信4）SERCOS安全5）IP通道6）SERCOSIII硬件模式和I/O1.5.3POWERLINKPOWERLINK是由奧地利B&R公司開發(fā)的，2002年4月公布了EthernetPOWERLINK標準，其主攻方面是同步驅動和特殊設備的驅動要求。POWERLINK通信協(xié)議模型如圖1-13所示。圖1-13POWERLINK通信協(xié)議模型1.5.3POWERLINK1.POWERLINK通信模型POWERLINK是IEC國際標準，同時也是中國的國家標準（GB/T-27960）。如圖1-14所示，POWERLINK是一個3層的通信網絡，它規(guī)定了物理層、數據鏈路層和應用層，這3層包含了OSI模型中規(guī)定的7層協(xié)議。圖1-14POWERLINK的OSI模型1.5.3POWERLINK1.POWERLINK通信模型如圖1-15所示，具有3層協(xié)議的POWERLINK在應用層上可以連接各種設備，例如I/O、閥門、驅動器等。在物理層之下連接了Ethernet控制器，用來收發(fā)數據。由于以太網控制器的種類很多，不同的以太網控制器需要不同的驅動程序，因此在“Ethernet控制器”和“POWERLINK傳輸”之間有一層“Ethernet驅動器”。圖1-15POWERLINK通信模型的層次1.5.3POWERLINK2.POWERLINK網絡拓撲結構由于POWERLINK的物理層采用標準的以太網，因此以太網支持的所有拓撲結構它都支持。而且可以使用HUB和Switch等標準的網絡設備，這使得用戶可以非常靈活的組網，如：菊花鏈、樹型、星型、環(huán)型和其他任意組合。3.POWERLINK的功能和特點⑴一“網”到底POWERLINK物理層采用普通以太網的物理層，因此可以使用工廠中現有的以太網布線，從機器設備的基本單元到整臺設備、生產線，再到辦公室，都可以使用以太網，從而實現一“網”到底。1）多路復用POWERLINK網絡可以適用于各種設備，如圖1-16所示。2）大數據量通信3）故障診斷4）網絡配置圖1-16POWERLINK網絡系統(tǒng)1.5.3POWERLINK⑵節(jié)點的尋址POWERLINKMAC的尋址遵循IEEE802.3，每個設備的地址都是唯一的，稱為節(jié)點ID。因此新增一個設備就意味著引入一個新地址。節(jié)點ID可以通過設備上的撥碼開關手動設置，也可以通過軟件設置，撥碼FF默認為軟件配置地址。此外還有三個可選方法，POWERLINK也可以支持標準IP地址。因此，POWERLINK設備可以通過萬維網隨時隨地被尋址。⑶熱插拔POWERLINK支持熱插拔，而且不會影響整個網絡的實時性。根據這個屬性，可以實現網絡的動態(tài)配置，即可以動態(tài)地增加或減少網絡中的節(jié)點。⑷冗余POWERLINK的冗余包括3種：雙網冗余、環(huán)網冗余和多主冗余。1.5.4PROFINETPROFINET是由PROFIBUS國際組織（PROFIBUSInternational，PI）提出的基于實時以太網技術的自動化總線標準，將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術有機地融為一體，同時又完全保留了PROFIBUS現有的開放性。PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形之外的拓撲結構。為了減少布線費用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便地實現PROFINET的安裝。特別設計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內形成標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。PROFINET滿足了實時通信的要求，可應用于運動控制。PROFINET的系統(tǒng)結構如圖1-17所示。PROFINET是一個整體的解決方案，PROFINET的通信模型如圖1-18所示。圖1-17PROFINET的系統(tǒng)結構圖1-18PROFINET通信協(xié)議模型1.5.5EPA2004年5月，由浙江大學牽頭，重慶郵電大學作為第4核心成員制定的新一代現場總線標準——《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標準》（簡稱EPA標準）成為我國第一個擁有自主知識產權并被IEC認可的工業(yè)自動化領域國際標準（IEC/PAS62409）。EPA（EthernetforPlantAutomation）系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，它是利用ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15等協(xié)議定義的網絡，將分布在現場的若干個設備、小系統(tǒng)以及控制、監(jiān)視設備連接起來，使所有設備一起運作，共同完成工業(yè)生產過程和操作過程中的測量和控制。EPA系統(tǒng)可以用于工業(yè)自動化控制環(huán)境。EPA標準定義了基于ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15以及RFC791、RFC768和RFC793等協(xié)議的EPA系統(tǒng)結構、數據鏈路層協(xié)議、應用層服務定義與協(xié)議規(guī)范以及基于XML的設備描述規(guī)范。1.5.5EPA1.EPA技術與標準EPA根據IEC61784-2的定義，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎上，進行了針對通信確定性和實時性的技術改造，其通信協(xié)議模型如圖1-19所示。除了ISO/IEC8802-3/IEEE802.11/IEEE802.15、TCP(UDP)/IP以及IT應用協(xié)議等組件外，EPA通信協(xié)議還包括EPA實時性通信進程、EPA快速實時性通信進程、EPA應用實體和EPA通信調度管理實體。針對不同的應用需求，EPA確定性通信協(xié)議簇中包含了以下幾個部分：⑴非實時性通信協(xié)議（N-real-time，NRT）⑵實時性通信協(xié)議（real-time，RT）⑶快速實時性通信協(xié)議（fastreal-time，FRT）⑷塊狀數據實時性通信協(xié)議（blockreal-time，BRT）圖1-19EPA通信協(xié)議模型1.5.5EPA基于EPA的IEC國際標準體系有如下協(xié)議：⑴EPA現場總線協(xié)議（IEC61158/Type14）在不改變以太網結構的前提下，定義了專利的確定性通信協(xié)議，避免工業(yè)以太網通信的報文碰撞，確保了通信的確定性，同時也保證了通信過程中不丟包，它是EPA標準體系的核心協(xié)議，該標準于2007年12月14日正式發(fā)布。⑵EPA分布式冗余協(xié)議（distributedredundancyprotocol，DRP）（IEC62439-6-14）針對工業(yè)控制以及網絡的高可用性要求，DRP采用專利的設備并行數據傳輸管理和環(huán)網鏈路并行主動故障探測與恢復技術，實現了故障的快速定位與快速恢復，保證了網絡的高可靠性。⑶EPA功能安全通信協(xié)議EPASafety（IEC61784-3-14）針對工業(yè)數據通信中存在的數據破壞、重傳、丟失、插入、亂序、偽裝、超時、尋址錯誤等風險，EPASafety功能安全通信協(xié)議采用專利的工業(yè)數據加解密方法、工業(yè)數據傳輸多重風險綜合評估與復合控制技術，將通信系統(tǒng)的安全完整性水平提高到SIL3等級，并通過德國萊茵TuV的認證。⑷EPA實時以太網應用技術協(xié)議（IEC61784-2/CPF14）定義了三個應用技術行規(guī)，即EPA-RT、EPA-FRT和EPA-nonRT。其中EPA-RT用于過程自動化，EPA-FRT用于工業(yè)自動化，EPA-nonRT用于一般工業(yè)場合。⑸EPA線纜與安裝標準（IEC61784-5-14）定義了基于EPA的工業(yè)控制系統(tǒng)在設計、安裝和工程施工中的要求。從安裝計劃，網絡規(guī)模設計，線纜和連接器的選擇、存儲、運輸、保護、路由以及具體安裝的實施等各個方面提出了明確的要求和指導。EPA國家標準則包括《用于測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結構與通信規(guī)范》、《EPA一致性測試規(guī)范》、《EPA互可操作測試規(guī)范》、《EPA功能塊應用規(guī)范》、《EPA實時性能測試規(guī)范》、《EPA網絡安全通用技術條件》等。1.5.5EPA2.EPA確定性通信機制為提高工業(yè)以太網通信的實時性，一般采用以下措施：提高通信速率；減少系統(tǒng)規(guī)模，控制網絡負荷；采用以太網的全雙工交換技術；采用基于IEEE802.3p的優(yōu)先級技術。采用上述措施可以使其不確定性問題得到相當程度的緩解，但不能從根本上解決以太網通信不確定性的問題。3.EPA-FRT強實時通信技術EPA-RT標準是根據流程控制需求制定的，其性能完全滿足流程控制對實時、確定通信的需求，但沒有考慮到其他控制領域的需求，如運動控制、飛行器姿態(tài)控制等強實時性領域，在這些領域方面，提出了比流程控制領域更為精確的時鐘同步要求和實時性要求，且其報文特征更為明顯。相比于流程控制領域，運動控制系統(tǒng)對數據通信的強實時性和高同步精度提出了更高的要求1.5.5EPA3.EPA-FRT強實時通信技術⑴高同步精度的要求。由于一個控制系統(tǒng)中存在多個伺服和多個時鐘基準，為了保證所有伺服協(xié)調一致的運動，必須保證運動指令在各個伺服中同時執(zhí)行。因此高性能運動控制系統(tǒng)必須有精確的同步機制，一般要求同步偏差小于1μs。⑵強實時性的要求。在帶有多個離散控制器的運動控制系統(tǒng)中，伺服驅動器的控制頻率取決于通信周期。高性能運動控制系統(tǒng)中，一般要求通信周期小于1ms，周期抖動小于1μs。EPA-RT系統(tǒng)的同步精度為微秒級，通信周期為毫秒，雖然可以滿足大多數工業(yè)環(huán)境的應用需求，但對高性能運動控制領域的應用卻有所不足，而EPA-FRT系統(tǒng)的技術指標必須滿足高性能運動控制領域的需求。4.EPA的技術特點EPA具有以下技術特點：⑴確定性通信⑵“E”網到底⑶互操作性⑷開放性⑸分層的安全策略⑹冗余1.6 現場總線設備現場總線設備（FieldbusDevice）是指連接在現場總線上的各種儀表設備。這些設備按其功能可分為變送器設備、執(zhí)行器類設備、信號轉換類設備、接口類設備、電源類設備和附件類設備。1.6.1現場總線設備的分類與特點1.現場總線設備的分類現場總線設備是指內置微處理器，并具有數字計算、數字通信功能的現場設備。這類現場總線設備通常被稱為現場總線儀表，它們安裝在現場，與現場總線連接，輸入或輸出現場總線信號?，F場總線設備分類如下：（1）現場總線變送器類設備（2）現場總線執(zhí)行器類設備（3）現場總線信號轉換類設備（4）現場總線接口類設備（5）現場總線電源類設備（6）現場總線附件類設備1.6.1現場總線設備的分類與特點2.現場總線設備的特點現場總線設備與一般的智能儀表之間的主要區(qū)別如下：一般智能儀表通常不具有通信功能，或不能用現場總線通信；而現場總線設備則采用現場總線實現數據通信。一般智能儀表沒有節(jié)點地址，在使用時也不存在尋址問題；而現場總線設備具有唯一的節(jié)點地址，這是在儀表出廠時就設置好的。一般智能儀表的組態(tài)既可以從上位機下裝，也可通過手握式編程器實現；現場總線設備通常由資源塊、轉換器塊和相關功能塊組成，對它的組態(tài)通常由上位機下裝實現?，F場總線設備的特點如下：全數字：現場總線設備是全數字式儀表，采用全數字通信，它的輸入/輸出信號是現場總線信號。精度高：現場總線設備減少了數字量與模擬量之間的轉換環(huán)節(jié)，消除了儀表本身的轉換誤差，提高了儀表的測量精度。多變量測量：一般儀表只能測量一個過程變量，而現場總線設備可同時測量多個過程變量。多變量傳送：現場總線設備可輸出多個信號并同時傳輸抗干擾能力強：因為現場總線設備采用全數字通信，所以一般的電磁干擾對其影響不大，加上現場總線通信采用循環(huán)冗余碼檢驗、重發(fā)等抗干擾機制，信號傳輸的誤碼率大大降低，提高了儀表的抗干擾能力。1.6.1現場總線設備的分類與特點2.現場總線設備的特點現場總線設備與一般的智能儀表之間的主要區(qū)別如下：數據信息量大：現場總線設備可同時傳輸多個信號和多種類型的信號。計算和控制功能強：現場總線設備可內置各種計算和控制功能塊，進而可實現所需的計算或控制功能，縮短了傳輸延遲，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分散控制：現場總線設備將控制分散到現場，從而使危險被分散。·改善控制系統(tǒng)控制品質：現場總線執(zhí)行器采用前向補償環(huán)節(jié)實現對被控對象的非線性補償，從根本上解決了閥門定位器采用反饋凸輪引入的串級副環(huán)非線性和不穩(wěn)定問題。因此，它不僅可以補償被控對象的非線性特性，還可以解決壓降比造成的非線性問題。機電儀一體化：現場總線設備是機電儀一體化產品，它將控制和管理集成，將機電儀表集成，因此，最終的產品更簡單，性能更可靠，管理更方便，運行更穩(wěn)定。標準化：現場總線設備采用標準通信協(xié)議，標準功能塊和對象字典等，因此，降低了設計、安裝和維護人員的培訓費用，便于過程操作、組態(tài)操作和維修操作?；ゲ僮餍裕夯ゲ僮餍允遣煌圃焐痰漠a品可互相操作而不影響其功能的性能。綜合成本降低：現場總線設備可檢測多個過程變量，并可帶多個計算或控制功能塊，可傳送多個變量，它不需要信號轉換和隔離等措施，而且減少了電纜數量和安裝費用，減少了機柜、接插件和電纜橋架等安裝空間和部件，降低了設計成本和調試成本。1.6.2現場總線差壓變送器現場總線差壓變送器是測量差壓、表壓、絕壓、液位和流量的一種智能化變送器，也是將差壓、表壓、絕壓、液位和流量等過程變量轉換為現場總線數字通信信號的轉換器。它的檢測部分采用高性能、高可靠性的壓阻式傳感器、電容式傳感器等，與一般智能變送器的檢測部分類似。現場總線差壓變送器中所采用的數字技術使用戶可以選擇各種變量的變送器功能，如檢測差壓、絕壓或流量等。現場總線差壓變送器內部除了有壓力或差壓檢測變送模塊外，通常還有對本體溫度的檢測變送模塊。一些變送器通常還帶有內置的PID控制功能塊和計算功能塊，這樣就無須再添加控制裝置，使得應用更方便，通信量減少，傳輸延遲縮短，而且成本也有所降低，控制系統(tǒng)的實時性也將提高?，F場總線控制系統(tǒng)中還有其他一些功能塊，可以實現多種控制策略。霍尼