第1章 現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述

第1章現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述

現(xiàn)場總線技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已進入穩(wěn)定發(fā)展期。

近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，以其應(yīng)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(lǐng)域，成為新的熱點。

本章首先對現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)進行了概述，講述了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生、現(xiàn)場總線的本質(zhì)、現(xiàn)場總線的特點、現(xiàn)場總線標(biāo)準的制定、現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。同時講述了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及其通信模型、實時以太網(wǎng)和實時工業(yè)以太網(wǎng)模型分析、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)。然后介紹了比較流行的現(xiàn)場總線FF、CAN和CANFD、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、CC-Link、ControlNet。最后對常用的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT、SERCOS、EthernetPOWERLINK、PROFINET和EPA進行了介紹。

1.1現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線（fieldbus）自產(chǎn)生以來，一直是自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)，各自動化廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，并在不同的領(lǐng)域和行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已處于穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，無線傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)也融入到工業(yè)測控系統(tǒng)中。按照IEC對現(xiàn)場總線一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。這是由IEC/TC65負責(zé)測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國際標(biāo)準化工作的SC65/WG6定義的。

隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)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(shè)備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動量程轉(zhuǎn)換、自動調(diào)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(shù)的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用。與此同時，基于質(zhì)量分析的維護管理、與安全相關(guān)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(dāng)?shù)靥幚硇畔?，并在必要時允許被管理和訪問，這些也使現(xiàn)場儀表與上級控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實際應(yīng)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(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。1.1.1

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生由于標(biāo)準實質(zhì)上并未統(tǒng)一，所以對現(xiàn)場總線也有不同的定義。但現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在以下6個方面。1．現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)。2．現(xiàn)場設(shè)備互連

現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設(shè)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(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。1.1.2

現(xiàn)場總線的本質(zhì)3．互操作性現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)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(xiàn)場設(shè)備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)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(chǎn)品，并將其集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”；用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場總線設(shè)備互操作性的含義。4．分散功能塊

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(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。

由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。5．通信線供電

通信線供電方式允許現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場設(shè)備都必須嚴格遵循安全防爆標(biāo)準?，F(xiàn)場總線設(shè)備也不例外。6．開放式互連網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。1．現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點

現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。

傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進行連接。位于現(xiàn)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(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達之間均為一對一的物理連接。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)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(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對比如圖1-1所示。1.1.3

現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點圖1-1FCS與DCS結(jié)構(gòu)比較2．現(xiàn)場總線的技術(shù)特點（1）系統(tǒng)的開放性；（2）互可操作性與互用性；（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。3．現(xiàn)場總線的優(yōu)點

由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。（1）節(jié)省硬件數(shù)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(quán)；（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展完全不同于模擬技術(shù)，數(shù)字技術(shù)標(biāo)準的制定往往早于產(chǎn)品的開發(fā)，標(biāo)準決定著新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場總線標(biāo)準工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準至今仍未完成。IECTC65（負責(zé)工業(yè)測量和控制的第65標(biāo)準化技術(shù)委員會）于1999年底通過的8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158最早的國際標(biāo)準。

最新的IEC61158Ed.4標(biāo)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(nèi)容：IEC61158–1總論與導(dǎo)則IEC61158–2物理層服務(wù)定義與協(xié)議規(guī)范IEC61158–300數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義IEC61158–600應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范1.1.4現(xiàn)場總線標(biāo)準的制定IEC61158–500應(yīng)用層服務(wù)定義IEC61158–600應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范IEC61158Ed.4標(biāo)準包括的現(xiàn)場總線類型如下：Type1IEC61158（FF的H1）Type2CIP現(xiàn)場總線Type3PROFIBUS現(xiàn)場總線Type4P-Net現(xiàn)場總線Type5FFHSE現(xiàn)場總線Type6SwiftNet被撤銷Type7WorldFIP現(xiàn)場總線Type8INTERBUS現(xiàn)場總線Type9FFH1以太網(wǎng)Type10PROFINET實時以太網(wǎng)Type11TCnet實時以太網(wǎng)Type12EtherCAT實時以太網(wǎng)Type13EthernetPowerlink實時以太網(wǎng)Type14EPA實時以太網(wǎng)Type15Modbus-RTPS實時以太網(wǎng)Type16SERCOSI、II現(xiàn)場總線Type17VNET/IP實時以太網(wǎng)Type18CC-Link現(xiàn)場總線Type19SERCOSIII現(xiàn)場總線Type20HART現(xiàn)場總線

國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場總線標(biāo)準工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準至今仍未完成。同時，世界上許多公司也推出了自己的現(xiàn)場總線技術(shù)。但太多存在差異的標(biāo)準和協(xié)議，會給實踐帶來復(fù)雜性和不便，影響開放性和可互操作性。因而在最近幾年里開始標(biāo)準統(tǒng)一工作，減少現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)量，以達到單一標(biāo)準協(xié)議的目標(biāo)。各種協(xié)議標(biāo)準合并的目的是為了達到國際上統(tǒng)一的總線標(biāo)準，以實現(xiàn)各家產(chǎn)品的互操作性。1．多種總線共存2．每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域3．每種總線各有其國際組織4．每種總線均有其支持背景

1.1.5

現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀5．設(shè)備制造商參加多個總線組織6．多種總線均作為國家和地區(qū)標(biāo)準7．協(xié)調(diào)共存8．工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域

各個公司生產(chǎn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品沒有一個統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)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(biāo)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(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增設(shè)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(zhì)、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等?，F(xiàn)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(diào)制方式主要有CPFSK和COFSK?，F(xiàn)場總線傳輸介質(zhì)主要有有線電纜、光纖和無線介質(zhì)。1.1.6

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層，即介質(zhì)訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對傳輸介質(zhì)傳送的信號進行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對數(shù)據(jù)鏈進行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設(shè)備上。現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數(shù)據(jù)的權(quán)利，而從站則只有響應(yīng)主站訪問的權(quán)利。3．應(yīng)用層

應(yīng)用層可以分為兩個子層，上面子層是應(yīng)用服務(wù)層（FMS層），它為用戶提供服務(wù)；下面子層是現(xiàn)場總線存取層（FAS層），它實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。

應(yīng)用層的功能是進行現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問。它為用戶應(yīng)用提供接口，定義了如何應(yīng)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(yīng)信息）的格式和內(nèi)容。應(yīng)用層的管理功能在初始化期間初始化網(wǎng)絡(luò)，指定標(biāo)記和地址。同時按計劃配置應(yīng)用層，也對網(wǎng)絡(luò)進行控制，統(tǒng)計失敗和檢測新加入或退出網(wǎng)絡(luò)的裝置。4．用戶層

用戶層是現(xiàn)場總線標(biāo)準在OSI模型之外新增加的一層，是使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關(guān)鍵。1.2工業(yè)以太網(wǎng)概述

20世紀70年代早期，國際上公認的第一個以太網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)于Xerox公司的PaloAltoResearchCenter（PARC），它以無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)，在1000m的電纜上連接了100多臺計算機，并以曾經(jīng)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(wǎng)的鼻祖。

以太網(wǎng)的主要標(biāo)準如表1-3所示。1.2.1

以太網(wǎng)技術(shù)表1-3以太網(wǎng)的主要標(biāo)準標(biāo)準內(nèi)容描述IEEE802.1體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、管理IEEE802.2邏輯鏈路控制IEEE802.3CSMA/CD媒體訪問控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3i10Base-T基帶雙絞線訪問控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3j10Base-F光纖訪問控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3u100Base-T、FX、TX、T4快速以太網(wǎng)IEEE802.3x全雙工IEEE802.3z千兆以太網(wǎng)IEEE802.3ae10Gbit/s以太網(wǎng)標(biāo)準IEEE802.3af以太網(wǎng)供電IEEE802.11無線局域網(wǎng)訪問控制方法與物理層規(guī)范IEEE802.3az100Gbit/s的以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范

人們習(xí)慣將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。

如果仔細劃分，按照國際電工委員會SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動化環(huán)境、符合IEEE802.3標(biāo)準、按照IEEE802.1D“媒體訪問控制（MAC）網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范、對其沒有進行任何實時擴展（extension）而實現(xiàn)的以太網(wǎng)。通過采用減輕以太網(wǎng)負荷、提高網(wǎng)絡(luò)速度、采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信、采用信息優(yōu)先級和流量控制以及虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，到目前為止可以將工業(yè)以太網(wǎng)的實時響應(yīng)時間做到5~10ms，相當(dāng)于現(xiàn)有的現(xiàn)場總線。

采用工業(yè)以太網(wǎng)，由于具有相同的通信協(xié)議，能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。

1.2.2工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

工業(yè)以太網(wǎng)即應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，它在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但又必須滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信的需求。在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、可靠性、抗干擾能力、實時性等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的應(yīng)用。一般而言，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足以下要求。（1）具有較好的響應(yīng)實時性工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(yīng)快，即響應(yīng)實時性好。（2）可靠性和容錯性要求：既能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場，且能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定運行，在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路。（3）力求簡潔：減小軟硬件開銷，從而降低設(shè)備成本，同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性。（4）環(huán)境適應(yīng)性要求：包括機械環(huán)境適應(yīng)性（如耐振動、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應(yīng)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(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2/EN50082-2標(biāo)準。（5）開放性好：由于以太網(wǎng)技術(shù)被大多數(shù)的設(shè)備制造商所支持，并且具有標(biāo)準的接口，系統(tǒng)集成和擴展更加容易。（6）安全性要求：在易爆可燃的場合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質(zhì)安全。（7）總線供電要求：即要求現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。這主要是從線纜鋪設(shè)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(biāo)準對總線供電進行了規(guī)范。（8）安裝方便：適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導(dǎo)軌安裝。

工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型如圖1-2所示。1.2.3

工業(yè)以太網(wǎng)通信模型圖1-2工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型

工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)相比，具有以下特征：（1）通信實時性

在工業(yè)以太網(wǎng)中，提高通信實時性的措施主要包括采用交換式集線器、使用全雙工（full-duplex）通信模式、采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)、提高質(zhì)量服務(wù)（QoS）、有效的應(yīng)用任務(wù)的調(diào)度等。（2）環(huán)境適應(yīng)性和安全性

首先，針對工業(yè)現(xiàn)場的振動、粉塵、高溫和低溫、高濕度等惡劣環(huán)境，對設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品針對機械環(huán)境、氣候環(huán)境、電磁環(huán)境等需求，對線纜、接口、屏蔽等方面做出專門的設(shè)計，符合工業(yè)環(huán)境的要求。

在易燃易爆的場合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品通過包括隔爆和本質(zhì)安全兩種方式來提高設(shè)備的生產(chǎn)安全性。

在信息安全方面，利用網(wǎng)關(guān)構(gòu)建系統(tǒng)的有效屏障，對經(jīng)過它的數(shù)據(jù)包進行過濾。同事隨著加密解密技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)的進一步融合，工業(yè)以太網(wǎng)的信息安全性也得到了進一步的保障。（3）產(chǎn)品可靠性設(shè)計

工業(yè)控制的高可靠性通常包含三個方面內(nèi)容：可使用性好，網(wǎng)絡(luò)自身不易發(fā)生故障；容錯能力強，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)局部單元出現(xiàn)故障，不影響整個系統(tǒng)的正常工作；可維護性高，故障發(fā)生后能及時發(fā)現(xiàn)和及時處理，通過維修使網(wǎng)絡(luò)及時恢復(fù)。（4）網(wǎng)絡(luò)可用性在工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中，通常采用冗余技術(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)的可用性，主要有端口冗余、鏈路冗余、設(shè)備冗余和環(huán)網(wǎng)冗余。

以太網(wǎng)發(fā)展到工業(yè)以太網(wǎng)，從技術(shù)方面來看，與現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：（1）應(yīng)用廣泛；（2）成本低廉；（3）通信速率高；（4）開放性和兼容性好，易于信息集成；（5）控制算法簡單；（6）軟硬件資源豐富；（7）不需要中央控制站；（8）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?；?）易于與Internet連接。1.2.4

工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢

根據(jù)IEC61784-2-2010標(biāo)準定義，所謂實時以太網(wǎng)，就是根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)通信的要求和特點，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎(chǔ)上，通過增加一些必要的措施，使之具有實時通信能力：（1）網(wǎng)絡(luò)通信在時間上的確定性，即在時間上，任務(wù)的行為可以預(yù)測；（2）實時響應(yīng)適應(yīng)外部環(huán)境的變化，包括任務(wù)的變化、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增/減、網(wǎng)絡(luò)失效診斷等；（3）減少通信處理延遲，使現(xiàn)場設(shè)備間的信息交互在極小的通信延遲時間內(nèi)完成。2007年出版的IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準和IEC61784-2實時以太網(wǎng)應(yīng)用國際標(biāo)準收錄了以下十種實時以太網(wǎng)技術(shù)和協(xié)議如表1-5所示。1.2.5

實時以太網(wǎng)表1-5IEC國際標(biāo)準收錄的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)名稱技術(shù)來源應(yīng)用領(lǐng)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(xué)、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

實時工業(yè)以太網(wǎng)采用不同的實時策略來提高實時性能，根據(jù)其提高實時性策略的不同，實現(xiàn)模型可分為3種。實時工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)模型如圖1-3所示。1.2.6

實時工業(yè)以太網(wǎng)模型分析圖1-3實時工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)模型幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的對比如表1-7所示。1.2.7

幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的比較表1-7幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的對比實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCATSERCOSⅢPROFINETIRTPOWERLINKEPAEthernet/IP管理組織ETGIGSPNOEPGEPA俱樂部ODVA通信機構(gòu)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(yīng)時間100μs8個軸，響應(yīng)時間32.5μs100軸，響應(yīng)時間1ms100軸，響應(yīng)時間1ms同步精度為μs級，通信周期為

ms級1~5ms拓撲結(jié)構(gòu)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(diào)度+IEEE1588時間片+IEEE1588IEEE1588IEEE1588同步精度100ns<1μs1μs1μs500ns1μs1.3企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和Internet、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)不同，控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過程，因此要求有很高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性。

為滿足這些特性，現(xiàn)場總線對標(biāo)準的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作了簡化，一般只包括ISO/OSI7層模型中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。此外，現(xiàn)場總線還要完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳遞。

基于上述考慮，統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)應(yīng)具有3層結(jié)構(gòu)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)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）。1.3.1

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖1-5企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1．過程控制層

現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通信網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則是用開放的現(xiàn)場總線控制通信網(wǎng)絡(luò)將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

常見的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有以下幾種。（1）環(huán)形網(wǎng)

其特點是時延確定性好，重載時網(wǎng)絡(luò)效率高，但輕載時等待令牌產(chǎn)生不必要的時延，傳輸效率下降。（2）總線網(wǎng)

其特點是節(jié)點接入方便，成本低。輕載時時延小，但網(wǎng)絡(luò)通信負荷較重時時延加大，網(wǎng)絡(luò)效率下降。此外傳輸時延不確定。（3）樹形網(wǎng)

其特點是可擴展性好，頻帶較寬，但節(jié)點間通信不便。（4）令牌總線網(wǎng)結(jié)合環(huán)形網(wǎng)和總線網(wǎng)的優(yōu)點，即物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng)。這樣，網(wǎng)絡(luò)傳輸時延確定無沖突，同時節(jié)點接入方便，可靠性好。

過程控制層通信介質(zhì)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(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)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(shè)計和下裝。制造執(zhí)行層的功能一般由上位計算機完成，它通過擴展槽中網(wǎng)絡(luò)接口板與現(xiàn)場總線相連，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信，或者通過專門的現(xiàn)場總線接口（轉(zhuǎn)換器）實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接，這種方式使系統(tǒng)配置更加靈活。3．企業(yè)資源規(guī)劃層

其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。首先要將中間監(jiān)控層的數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這樣遠程用戶就能隨時通過瀏覽器查詢網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)以及現(xiàn)場設(shè)備的工況，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控。4．現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別

現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比，主要有以下特點：（1）現(xiàn)場總線主要用于對生產(chǎn)、生活設(shè)備的控制，對生產(chǎn)過程的狀態(tài)檢測、監(jiān)視與控制，或?qū)崿F(xiàn)“家庭自動化”等；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則主要用于通信、辦公，提供如文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息；

（2）現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有各自的技術(shù)特點：控制網(wǎng)絡(luò)信息/控制網(wǎng)絡(luò)最低層，要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)接口盡可能簡單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)傳輸量一般較?。粩?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則需要適應(yīng)大批量數(shù)據(jù)的傳輸與處理；（3）現(xiàn)場總線采用全數(shù)字式通信，具有開放式、全分布、互操作性（Interoperability）等特點；（4）在現(xiàn)代生產(chǎn)和社會生活中，這兩種網(wǎng)絡(luò)將具有越來越緊密的聯(lián)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(wǎng)絡(luò)信息與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息的結(jié)合，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，可以更好地調(diào)度和優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，為實現(xiàn)控制、管理、經(jīng)營一體化創(chuàng)造了條件。

現(xiàn)場總線與管理信息網(wǎng)絡(luò)特性比較如表1-8所示。

表1-8現(xiàn)場總線與管理信息網(wǎng)絡(luò)特性比較特

性現(xiàn)場總線管理信息網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視與控制能力強弱可靠性與故障容限高高實時響應(yīng)快中信息報文長度短長OSI相容性低中、高體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議復(fù)雜性低中、高通信功能級別中級大范圍通信速率低、中高抗干擾能力強中

現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的底層，或者說，它是構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。而生產(chǎn)過程的控制參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)等信息是企業(yè)信息的重要組成部分。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)各功能層次的網(wǎng)絡(luò)類型如圖1-6所示。從圖中可以看出，除現(xiàn)場的控制網(wǎng)絡(luò)外，上面的ERP和MES都采用以太網(wǎng)。1.3.2現(xiàn)場總線的作用圖1-6各功能層次的網(wǎng)絡(luò)類型

由于現(xiàn)場總線所處的特殊環(huán)境及所承擔(dān)的實時控制任務(wù)是普通局域網(wǎng)和以太網(wǎng)技術(shù)難以取代的，因而現(xiàn)場總線至今依然保持著它在現(xiàn)場控制層的地位和作用。但現(xiàn)場總線需要同上層與外界實現(xiàn)信息交換。

目前，現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式一般有以下三種：

一是采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場總線網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上。圖1-7示出了通過網(wǎng)關(guān)連接現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

二是將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內(nèi)，在PC機內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。在圖1-8中采用現(xiàn)場總線的PCI卡，實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的連接。

1.3.3現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)三是將Web服務(wù)器直接置入PLC或現(xiàn)場控制設(shè)備內(nèi)，借助Web服務(wù)器和通用瀏覽工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互。這是近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場直接應(yīng)用的結(jié)果，但它需要有一直延伸到工廠底層的以太網(wǎng)支持。正是因為控制設(shè)備內(nèi)嵌Web服務(wù)器，使得現(xiàn)場總線的設(shè)備有條件直接通向互聯(lián)網(wǎng)，與外界直接溝通信息。而在這之前，現(xiàn)場總線設(shè)備是不能直接與外界溝通信息的。圖1-7通過網(wǎng)關(guān)連接現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)圖1-8采用PCI卡連接現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)用現(xiàn)場總線要適合企業(yè)的需要，選擇現(xiàn)場總線應(yīng)考慮以下因素。1．控制網(wǎng)絡(luò)的特點（1）適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好；（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖菧y控數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息，因而多為短幀信息，傳輸速率低；（3）用戶從滿足應(yīng)用需要的角度去選擇、評判。2．標(biāo)準支持

國際、國家、地區(qū)、企業(yè)標(biāo)準。1.3.4現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)考慮的因素3．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

支持的介質(zhì)；網(wǎng)絡(luò)拓撲；最大長度/段；本質(zhì)安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點數(shù)；可掛接的最大節(jié)點數(shù)；介質(zhì)冗余等。4．網(wǎng)絡(luò)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(yù)訂接收能力；報文分段能力（報文大小限制，最大數(shù)據(jù)/報文段）；設(shè)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(wǎng)絡(luò)；可尋址的最大網(wǎng)段數(shù)。5．測控系統(tǒng)應(yīng)用考慮

功能塊；應(yīng)用對象；設(shè)備描述。6．市場因素

供應(yīng)商供貨的成套性、持久性、地區(qū)性、產(chǎn)品互換性和性能價格比。7．其他因素

一致性測試；互操作測試機制。1.4現(xiàn)場總線簡介

由于技術(shù)和利益的原因，目前國際上存在著幾十種現(xiàn)場總線標(biāo)準，比較流行的主要有FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等現(xiàn)場總線。

基金會現(xiàn)場總線，即FoundationFieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。

以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)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(lián)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(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。

1.4.1FF基金會現(xiàn)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(zhì)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(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準。

CAN是控制器局域網(wǎng)ControllerAreaNetwork的簡稱，最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準組織制訂為國際標(biāo)準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)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(shè)備最多可達110個。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)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。1.4.2CAN和CANFDCAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，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。已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)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(nèi)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(lǐng)域，隨著人們對數(shù)據(jù)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。

因此，汽車制造商為了提高產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)（最大1Mbit/s）與FlexRay（最大10Mbit/s）網(wǎng)絡(luò)的帶寬差距，BOSCH公司2011年推出了CANFD（CANwithFlexibleData-Rate）方案。

在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場設(shè)備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務(wù)，還要能通過網(wǎng)絡(luò)與其他控制設(shè)備及PLC進行對等通信，因此現(xiàn)場設(shè)備多設(shè)計成內(nèi)置智能式。基于這樣的現(xiàn)狀，美國RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)低成本高性能的工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，從而免去了昂貴的硬接線。

DeviceNet是一個開放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準。規(guī)范和協(xié)議都是開放的，廠商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時，無需購買硬件、軟件或許可權(quán)。任何人都能以少量的復(fù)制成本從開放式DeviceNet供貨商協(xié)會（ODVA）獲得DeviceNet規(guī)范。任何制造DeviceNet產(chǎn)品的公司都可以加入ODVA，并參加對DeviceNet規(guī)范進行增補的技術(shù)工作組。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點：（1）DeviceNet基于CAN總線技術(shù)，它可連接開關(guān)、光電傳感器、閥組、電動機起動器、過程傳感器、變頻調(diào)速設(shè)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(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點數(shù)是64個，干線長度100~500m。（2）DeviceNet使用的通信模式是：生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）。該模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點同時存取同一源數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)利用率更高。（3）設(shè)備可互換性。各個銷售商所生產(chǎn)的符合DeviceNet網(wǎng)絡(luò)和行規(guī)標(biāo)準的簡單裝置（如按鈕、電動機起動器、光電傳感器、限位開關(guān)等）都可以互換，為用戶提供靈活性和可選擇性。（4）DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以隨時連接或斷開，而不會影響網(wǎng)上其他設(shè)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(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備安裝比傳統(tǒng)的I/O布線更加節(jié)省費用，尤其是當(dāng)設(shè)備分布在幾百米范圍內(nèi)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(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進行配置、測試和管理。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備以圖形方式顯示工作狀態(tài)，一目了然。2000年2月上海電器科學(xué)研究所與ODVA簽署合作協(xié)議，共同籌建ODVAChina，目的是把DeviceNet這一先進技術(shù)引入中國，促進我國自動化和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。2002年10月8日，DeviceNet現(xiàn)場總線被批準為國家標(biāo)準。DeviceNet中國國家標(biāo)準編號為GB/T18858.3-2002，名稱為《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備控制器——設(shè)備接口（CDI）第3部分：DeviceNet》。該標(biāo)準于2003年4月1日開始實施。

美國Echelon公司于1992年成功推出了LonWorks智能控制網(wǎng)絡(luò)。LON（LocalOperatingNetworks）總線是該公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，Echelon公司開發(fā)了LonWorks技術(shù)，為LON總線設(shè)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(jīng)元芯片（NeuronChip）上的硬件和固件（firmware）實現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事務(wù)確認和點對點通信服務(wù)；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(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、環(huán)形和混合形，可實現(xiàn)自由組合。另外，通信介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等。應(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。1.4.4LonWorksLonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于各主要工業(yè)領(lǐng)域，如工廠廠房自動化、生產(chǎn)過程控制、樓宇及家庭自動化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等，為實現(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò)提供完整的解決方案。2005年之前，LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片（NeuronChip）。神經(jīng)元芯片主要有3120和3150兩大系列，生產(chǎn)廠家最早的有Motorola公司和TOSHIBA公司，后來生產(chǎn)神經(jīng)元芯片的廠家是TOSHIBA公司和美國的Cypress公司。TOSHIBA公司生產(chǎn)的神經(jīng)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(fù)雜的應(yīng)用場合。Cypress公司生產(chǎn)的神經(jīng)元芯片型號為CY7C53120和CY7C53150兩個系列。2005年之后，上述神經(jīng)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(shù)）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(xiàn)代化和整合智能控制網(wǎng)絡(luò)的片上系統(tǒng)。PROFIBUS是作為德國國家標(biāo)準DIN19245和歐洲標(biāo)準EN50170的現(xiàn)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(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)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(guān)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(biāo)準。

該項技術(shù)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。1.4.5PROFIBUS

它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準第一部分的子集，DP型隱去了3~7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3~6層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準的第二部分。PA型的標(biāo)準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2（H1）標(biāo)準，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)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(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。

在1996年11月，以三菱電機為主導(dǎo)的多家公司以“多廠家設(shè)備環(huán)境、高性能、省配線”理念開發(fā)、公布和開放了現(xiàn)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(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。并于1997年獲得日本電機工業(yè)會（JEMA）頒發(fā)的杰出技術(shù)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(shù)據(jù)同時以10Mbit/s高速傳輸?shù)默F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。CC-Link具有性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點。作為開放式現(xiàn)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(shù)特點尤其適合亞洲人的思維習(xí)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。

1.4.6CC-Link

為了使用戶能更方便地選擇和配置自己的CC-Link系統(tǒng)，2000年11月，CC-Link協(xié)會（CC-LinkPartnerAssociation簡稱CLPA）在日本成立。CLPA由“Woodhead”、“Contec”、“Digital”、“NEC”、“松下電工”和“三菱電機”等6個常務(wù)理事會員發(fā)起。到2002年3月底，CLPA在全球擁有252家會員公司，其中包括浙大中控、中科軟大等幾家中國大陸地區(qū)的會員公司。CC-Link是一個技術(shù)先進、性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡單、成本較低的開放式現(xiàn)場總線，其在中國的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的前景。1.CC-Link現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的組成與特點CC-Link現(xiàn)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(jīng)獲得許多國際和國家標(biāo)準認可，如：國際化標(biāo)準組織ISO15745（應(yīng)用集成框架）；IEC國際組織61784/61158（工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的規(guī)定）；SEMIE54.12；中國國家標(biāo)準GB/T19780；韓國工業(yè)標(biāo)準KSBISO15745-5。CC-Link網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。圖1-9CC-Link網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)（1）CC-Link是基于RS485的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。CC-Link提供高速、穩(wěn)定的輸入/輸出響應(yīng)，并具有優(yōu)越的靈活擴展?jié)撃?。?）CC-Link/LT是基于RS485高性能、高可靠性、省配線的開放式網(wǎng)絡(luò)。它解決了安裝現(xiàn)場復(fù)雜的電纜配線或不正確的電纜連接。繼承了CC-Link諸如開放性、高速和抗噪音等優(yōu)異特點，通過簡單設(shè)置和方便的安裝步驟來降低工時，適用于小型I/O應(yīng)用場合的低成本型網(wǎng)絡(luò)。（3）CC-LinkSafety專門基于滿足嚴苛的安全網(wǎng)絡(luò)要求打造而成。（4）CC-LinkIEControl是基于以太網(wǎng)的千兆控制層網(wǎng)絡(luò)，采用雙工傳輸路徑，穩(wěn)定可靠。其核心網(wǎng)絡(luò)打破了各個現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)或運動控制網(wǎng)絡(luò)的界限，通過千兆大容量數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)控制層網(wǎng)絡(luò)的分布式控制。憑借新增的安全通信功能，可以在各個控制器之間實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)共享。作為工廠內(nèi)使用的主干網(wǎng)，實現(xiàn)在大規(guī)模分布式控制器系統(tǒng)和獨立的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)調(diào)管理。（5）CC-LinkIEField是基于以太網(wǎng)的千兆現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)。針對智能制造系統(tǒng)設(shè)計，它能夠在連有多個網(wǎng)絡(luò)的情況下，以千兆傳輸速度實現(xiàn)對I/O的“實時控制+分布式控制”。為簡化系統(tǒng)配置，增加了安全通信功能和運動通信功能。在一個開放的、無縫的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，它集高速I/O控制、分布式控制系統(tǒng)于一個網(wǎng)絡(luò)中，可以隨著設(shè)備的布局靈活敷設(shè)電纜。（6）SLMP可使用標(biāo)準幀格式跨網(wǎng)絡(luò)進行無縫通信，使用SLMP實現(xiàn)輕松連接，若與CSP+相結(jié)合，可以延伸至生產(chǎn)管理和預(yù)測維護領(lǐng)域。CC-Link是高速的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，它能夠同時處理控制和信息數(shù)據(jù)。在高達10Mbit/s的通信速度時，CC-Link可以達到100m的傳輸距離并能連接64個邏輯站。CC-Link的特點如下：①

高速和高確定性的輸入輸出響應(yīng)；②CC-Link對眾多廠商產(chǎn)品提供兼容性；③

傳輸距離容易擴展；④

省配線；⑤

依靠RAS功能實現(xiàn)高可能性；⑥CC-LinkV2.0提供更多功能和更優(yōu)異的性能。CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。圖1-10CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成與特點

CC-LinkSafety構(gòu)筑最優(yōu)化的工廠安全系統(tǒng)取得GB/Z29496.1.2.3-2013控制與通信網(wǎng)絡(luò)CC-LinkSafety規(guī)范。國際標(biāo)準的制定，呼吁安全網(wǎng)絡(luò)的重要性，幫助制造業(yè)構(gòu)筑工廠生產(chǎn)線的安全系統(tǒng)、實現(xiàn)安全系統(tǒng)的節(jié)省配線、提高生產(chǎn)效率、并且與控制系統(tǒng)緊密結(jié)合的安全網(wǎng)絡(luò)。CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-11所示。CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-11所示。圖1-11CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成

CC-LinkSafety的特點如下：①

高速通信的實現(xiàn)實現(xiàn)10Mbit/s的安全通信速度，憑借與CC-Link同樣的高速通信，可構(gòu)筑具高度響應(yīng)性能的安全系統(tǒng)。②

通信異常的檢測能實現(xiàn)可靠緊急停止的安全網(wǎng)絡(luò)，具備檢測通信延遲或缺損等所有通信出錯的安全通信功能，發(fā)生異常時能可靠停止系統(tǒng)。③

原有資源的有效利用可繼續(xù)利用原有的網(wǎng)絡(luò)資源，可使用CC-Link專用通信電纜，在連接報警燈等設(shè)備時，可使用原有的CC-Link遠程站。④

RAS功能集中管理網(wǎng)絡(luò)故障及異常信息，安全從站的動作狀態(tài)和出錯代碼傳送至主站管理，還可通過安全從站、網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)視，解決前期故障。⑤

兼容產(chǎn)品開發(fā)的效率化Safety兼容產(chǎn)品開發(fā)更加簡單，CC-LinkSafety技術(shù)已通過安全審查機構(gòu)審查，可縮短兼容產(chǎn)品的安全審查時間。1．ControlNet的歷史與發(fā)展

工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用不僅要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應(yīng)有確定性和可重復(fù)性。在ControlNet出現(xiàn)以前，沒有一個網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備或信息層能有效的實現(xiàn)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(lǐng)域中技術(shù)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(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。ControlNet是一種最現(xiàn)代化的開放網(wǎng)絡(luò)，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。

1.4.7ControlNet（2）對于離散和連續(xù)過程控制應(yīng)用場合，均具有確定性和可重復(fù)性。ControlNet廣泛應(yīng)用于交通運輸、汽車制造、冶金、礦山、電力、食品、造紙、石油、化工、娛樂及很多其他領(lǐng)域的工廠自動化和過程自動化。世界上許多知名的大公司，包括福特汽車公司、通用汽車公司、巴斯夫公司、柯達公司、現(xiàn)代集團公司等以及美國宇航局等政府機關(guān)都是ControlNet的用戶。2．ControlNetInternational簡介

為了促進ControlNet技術(shù)的發(fā)展、推廣和應(yīng)用，1997年7月由羅克韋爾等22家公司聯(lián)合發(fā)起成立了控制網(wǎng)國際組織（ControlNetInternational-CI）。同時，羅克韋爾自動化將ControlNet技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了CI。CI是一個為用戶和供貨廠商服務(wù)的非盈利性的獨立組織，它負責(zé)ControlNet技術(shù)規(guī)范的管理和發(fā)展，并通過開發(fā)測試軟件提供產(chǎn)品的一致性測試，出版ControlNet產(chǎn)品目錄，進行ControlNet技術(shù)培訓(xùn)等，促進世界范圍內(nèi)ControlNet技術(shù)的推廣和應(yīng)用。3．ControlNet簡介ControlNet是一個高速的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，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(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)對控制（Control）、組態(tài)（Configuration）、采集（Collect）等信息的完全支持，ControlNet基于生產(chǎn)者/消費者這一先進的網(wǎng)絡(luò)模型，該模型為網(wǎng)絡(luò)提供更高有效性、一致性和柔韌性。ControlNet協(xié)議的制定參照了OSI7層協(xié)議模型，并參照了其中的1、2、3、4、7層。既考慮到網(wǎng)絡(luò)的效率和實現(xiàn)的復(fù)雜程度，沒有像LonWorks一樣采用完整的7層；又兼顧到協(xié)議技術(shù)的向前兼容性和功能完整性，與一般現(xiàn)場總線相比增加了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。這對于和異種網(wǎng)絡(luò)的互連和網(wǎng)絡(luò)的橋接功能提供了支持，更有利于大范圍的組網(wǎng)。

ControlNet上可連接以下典型的設(shè)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(shè)備；人機界面設(shè)備；操作員界面設(shè)備；電動機控制設(shè)備；

變頻器；機器人；氣動閥門；過程控制設(shè)備；

網(wǎng)橋/網(wǎng)關(guān)等。AS-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(jié)構(gòu)的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場總線下面設(shè)備級的底層通信網(wǎng)絡(luò)。

一個AS-i總線中的主站最多可以帶31個從站，從站的地址為5位，可以有32個地址，但“0”地址留作地址自動分配時的特殊用途。一個AS-i的主站又可以通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接，作為它的一個從站。AS-i總線用于具有開關(guān)量特征的傳感器/執(zhí)行器中，也可用于各種開關(guān)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。

1.4.8AS-iAS-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從站一般可分為兩種：第一種是智能型開關(guān)裝置，它本身就帶有從機專用芯片和配套電路，形成一體化從站，這種智能化傳感器/執(zhí)行器或其他開關(guān)電器就可以直接和AS-i網(wǎng)線連接。第二種使用專門設(shè)計的AS-i接口“用戶模塊”。在這種“用戶模塊”中帶有從機專用芯片和配套電路，它除了有通信接口外，一般還帶有8個I/O口，這樣它就可以和8個普通的開關(guān)元件相連接構(gòu)成分離型從站。AS-i總線的發(fā)展是由11家公司聯(lián)合資助和規(guī)劃的，并得到德國科技部的支持，現(xiàn)已成立了AS-i國際協(xié)會（AS-InternationalAssociation），它的任務(wù)是規(guī)劃AS-i部件的開發(fā)和系統(tǒng)的定義，進行有關(guān)標(biāo)準化的工作，組織產(chǎn)品的標(biāo)準測試和軟件認證，以保證AS-i產(chǎn)品的開放性和互操作性。P-Net現(xiàn)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(xiàn)場總線的產(chǎn)品。主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、飼養(yǎng)、林業(yè)、食品等行業(yè)，現(xiàn)已成為歐洲標(biāo)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(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)器和應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸速率為76.8kbps。P-Net總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時應(yīng)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(gòu)成的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(xiàn)直接尋址，它又稱為多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.4.9P-Net

P-Net總線訪問采用一種“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權(quán)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(shù)器和空閑總線位周期計數(shù)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(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)和轉(zhuǎn)化。1.5工業(yè)以太網(wǎng)簡介

EtherCAT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(xiàn)場級的超高速I/O網(wǎng)絡(luò)，它使用標(biāo)準的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，介質(zhì)可為雙絞線或光纖。1.以太網(wǎng)的實時能力

目前，有許多方案力求實現(xiàn)以太網(wǎng)的實時能力。

例如，CSMA/CD介質(zhì)存取過程方案，即禁止高層協(xié)議訪問過程，而由時間片或輪循方式所取代的一種解決方案。1.5.1EtherCAT

另一種解決方案則是通過專用交換機精確控制時間的方式來分配以太網(wǎng)包。

這些方案雖然可以在某種程度上快速準確地將數(shù)據(jù)包傳送給所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但是，輸出或驅(qū)動控制器重定向所需要的時間以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需要的時間都要受制于具體的實現(xiàn)方式。

一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀，進行分析后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中各個模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已經(jīng)包含了網(wǎng)絡(luò)中各個模塊的數(shù)據(jù)。2.EtherCAT的運行原理

EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。EtherCAT從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)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(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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3.EtherCAT的技術(shù)特征

EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)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(xiàn)。當(dāng)需要實現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時，則直接采用以太網(wǎng)幀傳輸。然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCATUDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文，這意味著任何以太網(wǎng)協(xié)議棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通信還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。因為UDP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時間基本不受影響。

EtherCAT安全協(xié)議已經(jīng)由德國技術(shù)監(jiān)督局（TüV）評估為滿足IEC61508定義的SIL3等級的安全設(shè)備之間傳輸過程數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。設(shè)備上實施EtherCAT安全協(xié)議必須滿足安全目標(biāo)的需求。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(shè)備方面的投資，只需使用標(biāo)準的以太網(wǎng)電纜和價格低廉的標(biāo)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(biāo)準，使用增強密封保護等級的連接器。EtherCAT技術(shù)是面向經(jīng)濟的設(shè)備而開發(fā)的，如I/O端子、傳感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3標(biāo)準的以太網(wǎng)幀。這些幀由主站設(shè)備發(fā)送，從站設(shè)備只是在以太網(wǎng)幀經(jīng)過其所在位置時才提取和/或插入數(shù)據(jù)。因此，EtherCAT使用標(biāo)準的以太網(wǎng)MAC，這正是其在主站設(shè)備方面智能化的表現(xiàn)。同樣，EtherCAT從站控制器采用ASIC芯片，在硬件中處理過程數(shù)據(jù)協(xié)議，確保提供最佳實時性能。EtherCAT接線非常簡單，并對其它協(xié)議開放。5.EtherCAT的應(yīng)用

EtherCAT廣泛適用于：機器人；機床；包裝機械；印刷機；塑料制造機器；沖壓機；半導(dǎo)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(yīng)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(nóng)場機械；海岸應(yīng)用；鋸木廠；窗戶生產(chǎn)設(shè)備；樓宇控制系統(tǒng)；鋼鐵廠；風(fēng)機；家具生產(chǎn)設(shè)備；銑床；自動引導(dǎo)車；娛樂自動化；制藥設(shè)備；木材加工機器；平板玻璃生產(chǎn)設(shè)備；稱重系統(tǒng)。SERCOS（SerialReal-timeCommunicationSpecification，串行實時通信協(xié)議）是一種用于工業(yè)機械電氣設(shè)備的控制單元和數(shù)字伺服裝置之間高速串行實時通信的數(shù)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(lián)合召集了歐洲一些機床、驅(qū)動系統(tǒng)和CNC設(shè)備的主要制造商（Bosch，ABB，AMK，Banmuller，Indramat，Siemens，PacificScientific等）組成了一個聯(lián)合小組。

該小組旨在開發(fā)出一種用于數(shù)字控制器與智能驅(qū)動器之間的開放性通信接口，以實現(xiàn)CNC技術(shù)與伺服驅(qū)動技術(shù)的分離，從而使整個數(shù)控系統(tǒng)能夠模塊化、可重構(gòu)與可擴展，達到低成本、高效率、強適應(yīng)性地生產(chǎn)數(shù)控機床的目的。

1.5.2SERCOS

經(jīng)過多年的努力，此技術(shù)終于在1989年德國漢諾國際機床博覽會上展出，這標(biāo)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(biāo)準IEC61491，1998年，SERCOS接口被確定為歐洲標(biāo)準EN61491。2005年基于以太網(wǎng)的SERCOSⅢ面世，并于2007年成為國際標(biāo)準IEC61158/61784。迄今為止，SERCOS已發(fā)展了三代，SERCOS接口協(xié)議成為當(dāng)今唯一專門用于開放式運動控制的國際標(biāo)準，得到了國際大多數(shù)數(shù)控設(shè)備供應(yīng)商的認可。到今天已有二百多萬個SERCOS站點在工業(yè)實際中使用，超過50個控制器和30個驅(qū)動器制造廠推出了基于SERCOS的產(chǎn)品。

SERCOS接口技術(shù)是構(gòu)建SERCOS通信的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)SERCOS協(xié)會組織和協(xié)調(diào)，推出了一系列SERCOS接口控制器，通過它們便能方便地在數(shù)控設(shè)備之間建立起SERCOS通信。SERCOS目前已經(jīng)發(fā)展到了SERCOSIII，繼承了SERCOS協(xié)議在驅(qū)動控制領(lǐng)域的優(yōu)良實時和同步特性，是基于以太網(wǎng)的驅(qū)動總線，物理傳輸介質(zhì)也從僅僅支持光纖擴展到了以太網(wǎng)線CAT5e，拓撲結(jié)構(gòu)也支持線性結(jié)構(gòu)。1.SERCOS總線的技術(shù)特性SERCOS總線協(xié)議具有如下技術(shù)特性：（1）標(biāo)準性SERCOS標(biāo)準是唯一的有關(guān)運動控制的國際通信標(biāo)準。其所有的底層操作、通信、調(diào)度等，都按照國際標(biāo)準的規(guī)定設(shè)計，具有統(tǒng)一的硬件接口、通信協(xié)議、命令碼IDN等。其提供給用戶的開發(fā)接口、應(yīng)用接口、調(diào)試接口等都符合SERCOS國際通信標(biāo)準IEC61491。（2）開放性SERCOS技術(shù)是由國際上很多知名的研究運動控制技術(shù)的廠家和組織共同開發(fā)的，SERCOS的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)細節(jié)等都是向世界公開的，SERCOS標(biāo)準的制定是SERCOS開放性的一個重要方面。（3）兼容性因為所有的SERCOS接口都是按照國際標(biāo)準設(shè)計，支持不同廠家的應(yīng)用程序，也支持用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序。接口的功能與具體操作系統(tǒng)、硬件平臺無關(guān)，不同的接口之間可以相互替代，移植花費的代價很小。（4）實時性SERCOS接口的國際標(biāo)準中規(guī)定SERCOS總線采用光纖作為傳輸環(huán)路，支持2/4/8/16Mbit/s的傳輸速率。（5）擴展性每一個SERCOS接口可以連接8個節(jié)點，如果需要更多的節(jié)點則可以通過SERCOS接口的級聯(lián)方式擴展。通過級聯(lián)，每一個光纖環(huán)路上可以最多有254個節(jié)點。另外SERCOS總線接口還具有抗干擾性能好、即插即用等其他優(yōu)點。2.SERCOSIII總線（1）SERCOSIII總線概述

由于SERCOSIII是SERCOSII技術(shù)的一個變革，與以太網(wǎng)結(jié)合以后，SERCOS技術(shù)已經(jīng)從專用的伺服接口向廣泛的實時以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變。原來的優(yōu)良的實時特性仍然保持，新的協(xié)議內(nèi)容和功能擴展了SERCOS在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

在數(shù)據(jù)傳輸上，硬件連接既可以應(yīng)用光纜也可以用CAT5e電纜；報文結(jié)構(gòu)方面，為了應(yīng)用以太網(wǎng)的硬實時的環(huán)境，SERCOSIII增加了一個與非實時通道同時運行的實時通道。該通道用來傳輸SERCOSIII報文，也就是傳輸命令值和反饋值；參數(shù)化的非實時通道與實時通道一起傳輸以太網(wǎng)信息和基于IP協(xié)議的信息，包括TCP/IP和UDP/IP。數(shù)據(jù)采用標(biāo)準的以太網(wǎng)幀來傳輸，這樣實時通道和非實時通道可以根據(jù)實際情況進行配置。SERCOSIII系統(tǒng)是基于環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)的。SERCOSIII協(xié)議是建立在已被工業(yè)實際驗證的SERCOS協(xié)議之上，它繼承了SERCOS在伺服驅(qū)動領(lǐng)域的高性能高可靠性，同時將SERCOS協(xié)議搭載到以太網(wǎng)的通信協(xié)議IEEE802.3之上，使SERCOSIII迅速成為基于實時以太網(wǎng)的應(yīng)用于驅(qū)動領(lǐng)域的總線。

針對前兩代SERCOS，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(shù)避免了以太網(wǎng)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(guān)的數(shù)據(jù)的傳輸；增加了通信冗余、容錯能力和熱插拔功能。（2）SER