1.3 几种流行的工业以太网

1.3.1 EtherCAT

EtherCAT是由德国倍福公司开发的，并且在2003年底成立了ETG工作组（EtherNetTechnologyGroup）。EtherCAT是一个可用于现场级的超高速I/O网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡，介质可为双绞线或光纤。

1.以太网的实时能力

目前，有许多方案力求实现以太网的实时能力。

例如，CSMA/CD介质存取过程方案，即禁止高层协议访问过程，而由时间片或轮循方式所取代的一种解决方案。

另一种解决方案则是通过专用交换机精确控制时间的方式来分配以太网包。

这些方案虽然可以在某种程度上快速准确地将数据包传送给所连接的以太网节点，但是，输出或驱动控制器重定向所需要的时间以及读取输入数据所需要的时间都要受制于具体的实现方式。

如果将单个以太网帧用于每个设备，从理论上讲，其可用数据率非常低。例如，最短的以太网帧为84Byte（包括内部的包间隔IPG）。如果一个驱动器周期性地发送4Byte的实际值和状态信息，并相应地同时接收4Byte的命令值和控制字信息，那么，即便是总线负荷为100%时，其可用数据率也只能达到4/84=4.8%。如果按照10μs的平均响应时间估计，则速率将下降到1.9%。对所有发送以太网帧到每个设备（或期望帧来自每个设备）的实时以太网方式而言，都存在这些限制，但以太网帧内部所使用的协议则是例外。

一般常规的工业以太网的传输方法都采用先接收通信帧，进行分析后作为数据送入网络中各个模块的通信方式，而EtherCAT的以太网协议帧中已经包含了网络中各个模块的数据。

数据的传输采用移位同步的方法进行，即在网络的模块中得到其相应地址数据的同时，数据帧可以传送到下一个设备，相当于数据帧通过一个模块时输出相应的数据后，立即转入下一个模块。由于这种数据帧的传送从一个设备到另一个设备的延迟时间仅为微秒级，所以与其他以太网解决方法相比，性能得到了提高。在网络段的最后一个模块结束整个数据传输的工作，形成了一个逻辑和物理环形结构。所有传输数据与以太网的协议相兼容，同时采用双工传输，提高了传输的效率。

2.EtherCAT的运行原理

EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制，通过该项技术，无须接收以太网数据包，再将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。

由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达90%以上。100Mbit/sTX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可大于100Mbit/s。

符合IEEE802.3标准的以太网协议无须附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层可以将双绞线或光纤转换为LVDS，以满足电子端子块等模块化设备的需求。这样，就可以非常经济地对模块化设备进行扩展。

EtherCAT的通信协议模型如图1-4所示。EtherCAT通过协议内部可区别传输数据的优先权（ProcessData），组态数据或参数的传输是在一个确定的时间中通过一个专用的服务通道进行（AcyclicData），EtherCAT系统的以太网功能与传输的IP协议兼容。

3.EtherCAT的技术特征

EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通信均得以实现。当需要实现最佳性能，且要求Eth-erCAT组件和控制器在同一子网操作时，则直接采用以太网帧传输。

然而，EtherCAT不止于单个子网的应用。EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，这意味着任何以太网协议栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通信还可以通过路由器跨接到其他子网中。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以Eth-erCAT网络自身的响应时间基本不受影响。

另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通信。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通信接口也相同。

从站到从站的通信则有两种机制以供选择。

一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通信，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通信，如打印或包装应用等。

而对于自由配置的从站到从站的通信，则可以采用第二种机制，即数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。

EtherCAT仅使用标准的以太网帧，无任何压缩。因此，EtherCAT以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具。

EtherCAT使网络性能达到了一个新境界。借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取，整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此，EtherCAT完全独立于协议栈的实时运行系统、CPU性能或软件实现方式。

超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统难以实现的控制理念。Ether-CAT使通信技术与现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性，并不束缚于100Mbit/s的通信速率，甚至有可能扩展为1000Mbit/s的以太网。

现场总线系统的实际应用经验表明，有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研发过程中，特别注重强化诊断特征。

试运行期间，驱动或I/O端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查，拓扑结构也需要与配置相匹配。由于整合的拓扑识别过程已延伸至各个端子，因此，这种检查不仅可以在系统启动期间进行，也可以在网络自动读取时进行。

可以通过评估CRC校验，有效检测出数据传送期间的位故障。除断线检测和定位之外，EtherCAT系统的协议、物理层和拓扑结构还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。此外，对于电磁干扰、连接器破损或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言，即便它们尚未过度应变到网络自恢复能力的范围，也可对其进行检测与定位。

选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。可以很经济地增加冗余特性，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口，无须专用网卡或接口，并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可。当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。EtherCAT也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时EtherCAT从站控制器将立刻自动返回数据帧，一个设备的失败不会导致整个网络的瘫痪。

为了实现EtherCAT安全数据通信，EtherCAT安全通信协议已经在ETG组织内部公开。EtherCAT被用作传输安全和非安全数据的单一通道。传输介质被认为是“黑色通道”而不被包括在安全协议中。EtherCAT过程数据中的安全数据报文包括安全过程数据和所要求的数据备份。这个“容器”在设备的应用层被安全地解析。通信仍然是单一通道的，这符合IEC61784-3附件中的模型A。

EtherCAT安全协议已经由德国技术监督局（TÜV）评估为满足IEC61508定义的SIL3等级的安全设备之间传输过程数据的通信协议。设备上实施EtherCAT安全协议必须满足安全目标的需求。

4.EtherCAT的连接

由于EtherCAT无须集线器和交换机，因此，在环境条件允许的情况下，可以节省电源、安装费用等设备方面的投资，只需使用标准的以太网电缆和价格低廉的标准连接器即可。如果环境条件有特殊要求，则可以依照IEC标准，使用增强密封保护等级的连接器。

EtherCAT技术是面向经济的设备而开发的，如I/O端子、传感器和嵌入式控制器等。EtherCAT使用遵循IEEE802.3标准的以太网帧，这些帧由主站设备发送，从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和/或插入数据。因此，EtherCAT使用标准的以太网MAC，这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样，EtherCAT从站控制器采用ASIC芯片，在硬件中处理过程数据协议，确保提供最佳实时性能。

EtherCAT接线非常简单，并对其他协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准。可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用EtherCAT技术，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星形以太网拓扑结构，无须昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其他的以太网设备。其他的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡（NIC）便可实现。

EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通信。它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。

5.EtherCAT的应用

EtherCAT广泛适用于以下领域。

1） 机器人。

2）机床。

3） 包装机械。

4） 印刷机。

5） 塑料制造机器。

6） 冲压机。

7）半导体制造机器。

8）试验台。

9） 测试系统。

10） 抓取机器。

11） 电厂。

12）变电站。

13） 材料处理应用。

14） 行李运送系统。

15） 舞台控制系统。

16） 自动化装配系统。

17） 纸浆和造纸机。

18） 隧道控制系统。

19） 焊接机。

20） 起重机和升降机。

21） 农场机械。

22） 海岸应用。

23） 锯木厂。

24） 窗户生产设备。

25） 楼宇控制系统。

26） 钢铁厂。

27）风机。

28） 家具生产设备。

29） 铣床。

30） 自动引导车。

31） 娱乐自动化。

32） 制药设备。

33） 木材加工机器。

34） 平板玻璃生产设备。

35） 称重系统。

1.3.2 SERCOS

SERCOS（SerialReal-timeCommunicationSpecification，串行实时通信协议）是一种用于工业机械电气设备的控制单元和数字伺服装置之间高速串行实时通信的数字交换协议。

1986年，德国电力电子协会与德国机床协会联合召集了欧洲一些机床、驱动系统和CNC设备的主要制造商（Bosch、ABB、AMK、Banmuller、Indramat、Siemens，PacificScien-tific等）组成了一个联合小组。该小组旨在开发出一种用于数字控制器与智能驱动器之间的开放性通信接口，以实现CNC技术与伺服驱动技术的分离，从而使整个数控系统能够模块化、可重构与可扩展，达到低成本、高效率、强适应性地生产数控机床的目的。经过多年的努力，此技术终于在1989年德国汉诺威国际机床博览会上展出，这标志着SERCOS总线正式诞生。1995年，国际电工委员会把SERCOS 接口采纳为标准IEC61491，1998年，SER-COS接口被确定为欧洲标准EN61491。2005年基于以太网的SERCOSⅢ面世，并于2007年成为国际标准IEC61158/61784。迄今为止，SERCOS已历经了三代，SERCOS接口协议成为专门用于开放式运动控制的国际标准，得到了国际大多数数控设备供应商的认可。到今天已有两百多万个SERCOS站点在工业实际中使用，超过50个控制器和30个驱动器制造厂推出了基于SERCOS的产品。

SERCOS接口技术是构建SERCOS通信的关键技术，经SERCOS协会组织和协调，推出了一系列SERCOS接口控制器，通过它们便能方便地在数控设备之间建立起SERCOS通信。

SERCOS目前已经发展到了SERCOSⅢ，继承了SERCOS协议在驱动控制领域的优良实时和同步特性，是基于以太网的驱动总线，物理传输介质也从仅仅支持光纤扩展到了以太网线CAT5e，拓扑结构也支持线性结构。借助于新一代的通信控制芯片netX，使用标准的以太网硬件将运行速率提高到100Mbit/s。在第一、二代时，SERCOS只有实时通道，通信智能在主从（MasterandSlaverMS）之间进行。SERCOSⅢ扩展了非实时的IP 通道，在进行实时通信的同时可以传递普通的IP报文，主站和主站、从站和从站之间可以直接通信，在保持服务通道的同时，还增加了SERCOS消息协议SMP（SERCOSMessagingProtocol）。

自SERCOS接口成为国际标准以来，已经得到了广泛应用。至今全世界有多家公司拥有SERCOS接口产品（包括数字伺服驱动器、控制器、输入/输出组件、接口组件及控制软件等）及技术咨询和产品设计服务。SERCOS接口已经广泛应用于机床、印刷机、食品加工和包装、机器人以及自动装配等领域。2000年ST公司开发出了SERCON816ASIC控制器，把传输速率提高到了16Mbit/s，大大提高了SERCOS接口的工作能力。

SERCOS总线的众多优点使得它在数控加工中心、数控机床、精密齿轮加工机械、印刷机械、装配线和装配机器人等运动控制系统中获得了广泛应用。目前，很多厂商如西门子、伦茨等公司的伺服系统都具有SERCOS总线接口。国内SERCOS接口用户有多家，其中包括清华大学、沈阳第一机床厂、华中数控集团、北京航空航天大学、上海大众汽车厂及上海通用汽车厂等单位。

1.SERCOS总线的技术特性

SERCOS接口规范使控制器和驱动器间数据交换的格式及从站数量等进行组态配置。在初始化阶段，接口的操作根据控制器和驱动器的性能特点来具体确定。所以，控制器和驱动器都可以执行速度、位置或扭矩控制方式。灵活的数据格式使得SERCOS接口能用于多种控制结构和操作模式，控制器可以通过指令值和反馈值的周期性数据交换来达到与环上所有驱动器的精确同步，其通信周期可在62.5μs、125μs、250μs 及250μs的整数倍间进行选择。在SERCOS接口中，控制器与驱动器之间的数据传送分为周期性数据传送和非周期性数据传送（服务通道数据传送）两种，周期性数据传送主要用于传送指令值和反馈值，在每个通信周期数据传送一次。非周期数据传送则是用于自控制器和驱动器之间交互的参数（IDN），独立于任何制造厂商。它提供了高级的运动控制能力，内含用于I/O控制的功能，使机器制造商不需要使用单独的I/O总线。

SERCOS技术发展到了第三代基于实时以太网技术，将其应用从工业现场扩展到了管理办公环境，并且由于采用了以太网技术，不仅降低了组网成本还增加了系统柔性，在缩短最少循环时间（31.25μs）的同时，还采用了新的同步机制提高了同步精度（小于20ns），并且实现了网上各个站点的直接通信。

SERCOS采用环形结构，使用光纤作为传输介质，是一种高速、高确定性的总线，16Mbit/s的接口实际数据通信速度已接近于以太网。采用普通光纤为介质时的环传输距离可达40m，可最多连接254个节点。实际连接的驱动器数目取决于通信周期时间、通信数据量和速率。系统确定性由SERCOS的机械和电气结构特性保证，与传输速率无关，系统可以保证毫秒级精确度的同步。

SERCOS总线协议具有如下技术特性。

（1） 标准性

SERCOS标准是有关运动控制的国际通信标准。其所有的底层操作、通信以及调度等，都按照国际标准的规定设计，具有统一的硬件接口、通信协议及命令码IDN等。其提供给用户的开发接口、应用接口及调试接口等都符合SERCOS国际通信标准IEC61491。

（2）开放性

SERCOS技术是由国际上很多知名的研究运动控制技术的厂家和组织共同开发的，SER-COS的体系结构、技术细节等都是向世界公开的，SERCOS标准的制定是SERCOS开放性的一个重要方面。

（3）兼容性

因为所有的SERCOS接口都是按照国际标准设计，支持不同厂家的应用程序，也支持用户自己开发的应用程序。接口的功能与具体操作系统、硬件平台无关，不同的接口之间可以相互替代，移植花费的代价很小。

（4）实时性

SERCOS接口的国际标准中规定SERCOS总线采用光纤作为传输环路，支持2/4/8/16Mbit/s的传输速率。

（5）扩展性

每一个SERCOS接口可以连接8个节点，如果需要更多的节点则可以通过SERCOS接口的级联方式扩展。通过级联，每一个光纤环路上可以最多有254个节点。

另外SERCOS总线接口还具有抗干扰性能好、即插即用等其他优点。

2.SERCOSⅢ总线

（1）SERCOSⅢ总线概述

由于SERCOSⅢ是SERCOSⅡ技术的一个变革，与以太网结合以后，SERCOS 技术已经从专用的伺服接口向广泛的实时以太网转变。原来优良的实时特性仍然保持，新的协议内容和功能扩展了SERCOS在工业领域的应用范围。

在数据传输上，硬件连接既可以应用光缆也可以用CAT5e电缆；报文结构方面，为了应用以太网的硬实时的环境，SERCOSⅢ增加了一个与非实时通道同时运行的实时通道。该通道用来传输SERCOSⅢ报文，也就是传输命令值和反馈值；参数化的非实时通道与实时通道一起传输以太网信息和基于IP协议的信息，包括TCP/IP和UDP/IP。数据采用标准的以太网帧来传输，这样实时通道和非实时通道可以根据实际情况进行配置。

SERCOSⅢ系统是基于环状拓扑结构的，支持全双工以太网的环状拓扑结构可以处理冗余；线状拓扑结构的系统则不能处理冗余，但在较大的系统中能节省很多电缆。由于是全双工数据传输，当在环上的一处电缆发生故障时，通信不被中断，此时利用诊断功能可以确定故障地点；并且能够在不影响其他设备正常工作的情况下得到维护。SERCOSⅢ不使用星状的以太网结构，数据不经过路由器或转换器，从而可以使传输延时减少到最小。安装SER-COSⅢ网络不需要特殊的网络参数。在SERCOSⅢ系统领域内，连接标准的以太网设备和其他第三方部件的以太网端口可以交换使用，如P1与P2。EtherNet协议或者IP协议内容皆可以进入设备并且不影响实时通信。

SERCOSⅢ协议是建立在已被工业实际验证的SERCOS 协议之上，它继承了SERCOS 在伺服驱动领域的高性能和高可靠性，同时将SERCOS协议搭载到以太网的通信协议IEEE802.3之上，使SERCOSⅢ迅速成为基于实时以太网的应用于驱动领域的总线。相比于前两代，SERCOSⅢ的主要特点如下。

1）高的传输速率，达到全双工100Mbit/s。

2） 采用时间槽技术，避免了以太网的报文冲突，提高了报文的利用率。

3） 向下兼容，可兼容以前SERCOS总线的所有协议。

4） 降低了硬件的成本。

5） 集成了IP协议。

6） 使从站之间可以交叉通信（CrossCommunication，CC）。

7） 支持多个运动控制器的同步（ControltoControl，C2C）。

8） 扩展了对I/O等控制的支持。

9）支持与安全相关的数据的传输。

10） 增加了通信冗余、容错能力和热插拔功能。

（2）SERCOSⅢ系统特性

SERCOSⅢ系统具有如下特性。

1）实时通道的实时数据的循环传输

在SERCOS主站和从站，或从站之间，可以利用服务通道进行通信设置以及参数和诊断数据的交换。为了保持兼容性，服务通道在SERCOSⅠ-Ⅱ中仍旧存在。在实时通道和非实时通道之间，循环通信和100Mbit/s的带宽能够满足各类用户的需求，为SERCOSⅢ的应用提供了更广阔的空间。

2）为集中式和分布式驱动控制提供了很好的方案

SERCOSⅢ的数据传输率为100Mbit/s，最小循环时间是31.25μs，对应8轴与6Byte。当循环时间为1ms时，对应254轴12Byte，可见其在一定的条件下支持的轴数足够多，这就为分布式控制提供了良好的环境。分布式控制的驱动控制单元中，所有的控制环都是封闭的；集中式控制中仅仅在当前驱动单元中的控制环是封闭的，中心控制器用来控制各个轴对应的控制环。

3）从站与从站（CC）或主站与主站（C2C）之间皆可以通信

在前两代SERCOS技术中，由于光纤连接的传输单向性，站与站之间不能够直接的进行数据交换。SERCOSⅢ中数据传输采用的是全双工的以太网结构，不但从站之间可以直接通信，而且主站和主站之间也可以直接进行通信，通信的数据包括参数以及轴的命令值和实际值，保证了在硬件实时系统层的控制器同步。

4）SERCOS安全

在工厂的生产中，为了减少对人机的损害，SERCOSⅢ增加了系统安全功能，在2005年11月，SERCOS安全方案通过了TÜVRheinland认证，并达到了IEC61508中的SL3标准，带有安全功能的系统于2007年底面世。安全相关的数据与实时数据或其他标准的以太网协议数据在同一个物理层媒介上传输。在传输过程中，最多可以有64位安全数据植入SER-COSⅢ数据报文中，同时安全数据也可以在从站与从站之间进行通信。由于安全功能独立于传输层，除了SERCOSⅢ外，其他的物理层媒介也可以应用，这种传输特性为系统向安全等级低一层的网络扩展提供了便利条件。

5）IP通道

利用IP通信时，可以不进行控制系统和SERCOSⅢ系统之间的通信，这对于调试前对设备的参数设置相当方便。IP通道为以下操作提供了灵活和透明的大容量数据传输：设备操作、调试和诊断、远程维护、程序下载和上传以及度量来自传感器等的记录数据和数据质量。

6）SERCOSⅢ硬件模式和I/O

随着SERCOSⅢ系统的面世，新的硬件在满足该系统的条件下，开始支持更多的驱动和控制装置以及I/O模块，这些装置将逐步被定义和标准化。

为了使SERCOSⅢ系统的功能在工程中得到很好的应用，欧洲很多自动化生产商已经开始对系统的主站卡和从站卡进行开发，各项功能得到了不断的完善。一种方案是采用了FP-GA（现场可编程门阵列）技术，目前产品有Spartan-3和Cyclone Ⅱ。另一种是SERCOSⅢ控制器集成在一个可以支持大量协议的标准的通用控制器（GPCC）上，如德国赫优讯公司netX系列的芯片，其他的产品也将逐步面世。SERCOSⅢ的数据结构和系统特性表明该系统更好地实现了伺服驱动单元和I/O单元的实时性、开放性，以及很高的经济价值、实用价值和潜在的竞争价值。可以确信基于SERCOSⅢ的系统将在未来的工业领域中占有十分重要的地位。

1.3.3 EtherNet POWERLINK

EtherNet POWERLINK是由奥地利B&R公司开发的，2002年4月EtherNetPOWERLINK标准公布，其主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要求。POWERLINK通信协议模型如图1-5所示。

POWERLINK协议对第3和第4层的TCP（UDP）/IP栈进行了实时扩展，增加的基于TCP/IP的Async中间件用于异步数据传输，Isochron等时中间件用于快速、周期性的数据传输。POWERLINK栈控制着网络上的数据流量。EtherNetPOWER-LINK避免网络上数据冲突的方法是采用时间片网络通信管理机制（SlotCommuni-cationNetworkManagement，SCNM）。SCNM能够做到无冲突的数据传输，专用的时间片用于调度等时同步传输的实时数据；共享的时间片用于异步的数据传输。在网络上，只能指定一个站为管理站，它为所有网络上的其他站建立一个配置表，并分配时间片，只有管理站能接收和发送数据，其他站只有在管理站授权下才能发送数据，因此，POWERLINK需要采用基于IEEE1588的时间同步。

1.POWERLINK通信模型

POWERLINK是IEC国际标准，同时也是中国的国家标准（GB/T-27960）。

如图1-6所示，POWERLINK是一个3层的通信网络，它规定了物理层、数据链路层和应用层，这3层包含了OSI模型中规定的7层协议。

如图1-7所示，具有3层协议的POWERLINK在应用层上可以连接各种设备，例如I/O、阀门及驱动器等。在物理层之下连接了EtherNet控制器，用来收发数据。由于以太网控制器的种类很多，不同的以太网控制器需要不同的驱动程序，因此在“EtherNet 控制器”和“POWERLINK传输”之间有一层“EtherNet驱动器”。

2.POWERLINK网络拓扑结构

由于POWERLINK的物理层采用标准的以太网，因此以太网支持的所有拓扑结构它都支持。而且可以使用HUB和Switch等标准的网络设备，这使得用户可以非常灵活地组网，如菊花链、树形、星形、环形和其他任意组合。

因为逻辑与物理无关，所以用户在编写程序的时候无须考虑拓扑结构。网路中的每个节点都有一个节点号，POWERLINK通过节点号来寻址节点，而不是通过节点的物理位置来寻址。

由于协议独立的拓扑配置功能，POWERLINK的网络拓扑与机器的功能无关。因此POWERLINK的用户无须考虑任何网络相关的需求，只需专注满足设备制造的需求。

3.POWERLINK的功能和特点

（1） 一“网”到底

POWERLINK物理层采用普通以太网的物理层，因此可以使用工厂中现有的以太网布线，从机器设备的基本单元到整台设备、生产线，再到办公室，都可以使用以太网，从而实现一“网”到底。

1）多路复用。网络中不同的节点具有不同的通信周期，兼顾快速设备和慢速设备，使网络设备达到最优。

一个POWERLINK周期中既包含同步通信阶段，也包括异步通信阶段。同步通信阶段即周期性通信，用于周期性传输通信数据；异步通信阶段即非周期性通信，用于传输非周期性的数据。

因此POWERLINK网络可以适用于各种设备，如图1-8所示。

2）大数据量通信。POWERLINK每个节点的发送和接收分别采用独立的数据帧，每个数据帧最大为1490Byte，与一些采用集束帧的协议相比，通信量提高数百倍。在集束帧协议里，网络中的所有节点的发送和接收共用一个数据帧，这种机制无法满足大数据量传输的场合。

在过程控制中，网络的节点数多，每个节点传输的数据量大，因而POWERLINK很受欢迎。

3）故障诊断。组建一个网络，网络启动后，可能会由于网络中的某些节点配置错误或者节点号冲突等，导致网络异常。因此需要有一些手段来诊断网络的通信状况，找出故障的原因和故障点，从而修复网络异常。

POWERLINK的诊断有两种工具：Wireshark和Omnipeak。

诊断的方法是将待诊断的计算机接入POWERLINK网络中，由Wireshark或Omnipeak自动抓取通信数据包，分析并诊断网络的通信状况及时序。这种诊断不占用任何宽带，并且是标准的以太网诊断工具，只需要一台带有以太网接口的计算机即可。

4）网络配置。POWERLINK使用开源的网络配置工具openCONFIGURATOR，用户可以单独使用该工具，也可以将该工具的代码集成到自己的软件中，成为软件的一部分。使用该软件可以方便地组建和配置POWERLINK网络。

（2）节点的寻址

POWERLINK MAC的寻址遵循IEEE802.3标准，每个设备的地址都是唯一的，称为节点ID。因此，新增一个设备就意味着引入一个新地址。节点ID可以通过设备上的拨码开关手动设置，也可以通过软件设置，拨码FF 默认为软件配置地址。此外还有三个可选方法，POWERLINK也可以支持标准IP地址，因此POWERLINK设备可以通过万维网随时随地被寻址。

（3）热插拔

POWERLINK支持热插拔，而且不会影响整个网络的实时性。根据这个属性，可以实现网络的动态配置，即可以动态地增加或减少网络中的节点。

实时总线上，热插拔能力带给用户两个重要的好处：当模块增加或替换时，无须重新配置；在运行的网络中替换或激活一个新模块不会导致网络瘫痪，系统会继续工作，不管是不断的扩展还是本地的替换，其实时能力不受影响。在某些场合中系统不能断电，如果不支持热插拔，这会造成即使小机器一部分被替换，都不可避免地导致系统停机。

配置管理是POWERLINK系统中最重要的一部分。它能本地保存自己和系统中所有其他设备的配置数据，并在系统启动时加载。这个特性可以实现即插即用，这使得初始安装和设备替换非常简单。

POWERLINK允许无限制地即插即用，因为该系统集成了CANopen机制。新设备只需插入就可立即工作。

（4）冗余

POWERLINK的冗余包括3种：双网冗余、环网冗余和多主冗余。

1.3.4 PROFINET

PROFINET是由PROFIBUS国际组织（PROFIBUSInternational，PI）提出的基于实时以太网技术的自动化总线标准，将工厂自动化和企业信息管理层IT 技术有机地融为一体，同时又完全保留了PROFIBUS现有的开放性。

PROFINET支持除星形、总线型和环形之外的拓扑结构。为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便地实现PROFINET的安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并且在PROFINET框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。

PROFINET满足了实时通信的要求，可应用于运动控制。它具有PROFIBUS和IT标准的开放透明通信，支持从现场级到工厂管理层通信的连续性，从而增加了生产过程的透明度，优化了公司的系统运作。作为开放和透明的概念，PROFINET亦适用于EtherNet和任何其他现场总线系统之间的通信，可实现与其他现场总线的无缝集成。PROFINET同时实现了分布式自动化系统，提供了独立于制造商的通信、自动化和工程模型，将通信系统及以太网转换为适应于工业应用的系统。

PROFINET提供标准化的独立于制造商的工程接口。它能够方便地把各个制造商的设备和组件集成到单一系统中。设备之间的通信链接以图形形式组态，无须编程。PROFINET最早建立了自动化工程系统与微软操作系统及其软件的接口标准，使得自动化行业的工程应用能够被WindowsNT/2000所接收，将工程系统、实时系统以及Windows操作系统结合为一个整体，PROFINET的系统结构如图1-9所示。

PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，包括诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点问题。PROFI-NET包括8大主要模块，分别为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准集成与信息安全、故障安全和过程自动化。同时PROFINET也实现了从现场级到管理层的纵向通信集成，一方面，方便管理层获取现场级的数据，另一方面，原本在管理层存在的数据安全性问题也延伸到了现场级。为了保证现场网络控制数据的安全，PROFINET提供了特有的安全机制，通过使用专用的安全模块，可以保护自动化控制系统，使自动化通信网络的安全风险最小化。

PROFINET是一个整体的解决方案，PROFINET的通信模型如图1-10所示。

RT实时通道能够实现高性能传输循环数据和时间控制信号、报警信号，IRT 同步实时通道实现等时同步方式下的数据高性能传输。PROFINET使用了TCP/IP和IT标准，并符合基于工业以太网的实时自动化体系，覆盖了自动化技术的所有要求，能够实现与现场总线的无缝集成。更重要的是PROFINET所有的事情都在一条总线电缆中完成，IT服务和TCP/IP开放性没有任何限制，它可以满足所有从高性能到等时同步可以伸缩的实时通信需要的统一的通信。

1.3.5 EPA

2004年5月由浙江大学牵头制定的新一代现场总线标准——《用于工业测量与控制系统的EPA通信标准》（简称EPA标准）成为我国第一个拥有自主知识产权并被IEC认可的工业自动化领域国际标准（IEC/PAS62409）。

EPA（EtherNetforPlantAutomation）系统是一种分布式系统，它是利用ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15等协议定义的网络，将分布在现场的若干个设备、小系统以及控制、监视设备连接起来，使所有设备一起运作，共同完成工业生产过程和操作过程中的测量和控制。EPA系统可以用于工业自动化控制环境。

EPA标准定义了基于ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15以及RFC791、RFC768和RFC793等协议的EPA系统结构、数据链路层协议、应用层服务定义与协议规范以及基于XML的设备描述规范。

1.EPA技术与标准

EPA根据IEC61784-2的定义，在ISO/IEC8802-3协议基础上，进行了针对通信确定性和实时性的技术改造，其通信协议模型如图1-11所示。

除了ISO/IEC8802-3/IEEE802.11/IEEE802.15、TCP（UDP）/IP以及IT应用协议等组件外，EPA通信协议还包括EPA实时性通信进程、EPA 快速实时性通信进程、EPA应用实体和EPA通信调度管理实体。针对不同的应用需求，EPA确定性通信协议簇中包含了以下几个部分。

（1）非实时性通信协议（N-Real-Time，NRT）

非实时通信是指基于HTTP、FTP以及其他IT应用协议的通信方式，如HTTP服务应用进程、电子邮件应用进程、FTP应用进程等进程运行时进行的通信。在实际EPA应用中，非实时通信部分应与实时性通信部分利用网桥进行隔离。

（2）实时性通信协议（Real-Time，RT）

实时性通信是指满足普通工业领域实时性需求的通信方式，一般针对流程控制领域。利用EPACSME通信调度管理实体，对各设备进行周期数据的分时调度，以及非周期数据按优先级进行调度。

（3）快速实时性通信协议（FastReal-Time，FRT）

快速实时性通信是指满足强实时控制领域实时性需求的通信方式，一般针对运动控制领域。FRT快速实时性通信协议部分在RT实时性通信协议上进行了修改，包括协议栈的精简和数据复合传输，以此满足如运动控制领域等强实时性控制领域的通信需求。

（4）块状数据实时性通信协议（BlockReal-Time，BRT）

块状数据实时性通信是指对于部分大数据量类型的成块数据进行传输，以满足其实时性需求的通信方式，一般指流媒体（如音频流、视频流等）数据。在EPA协议栈中针对此类数据的通信需求定义了BRT块状数据实时性通信协议及块状数据的传输服务。

EPA标准体系包括EPA国际标准和EPA国家标准两部分。

EPA国际标准包括一个核心技术国际标准和四个EPA应用技术标准。以EPA为核心的系列国际标准为新一代控制系统提供了高性能现场总线的完整解决方案，可广泛应用于过程自动化、工厂自动化（包括数控系统、机器人系统运动控制等）及汽车电子等，可将工业企业综合自动化系统网络平台统一到开放的以太网技术上来。

基于EPA的IEC国际标准体系有如下协议。

1）EPA现场总线协议（IEC61158/Type14）在不改变以太网结构的前提下，定义了专利的确定性通信协议，避免工业以太网通信的报文碰撞，确保了通信的确定性，同时也保证了通信过程中不丢包，它是EPA标准体系的核心协议，该标准于2007年12月14日正式发布。

2）EPA分布式冗余协议（DistributedRedundancyProtocol，DRP）（IEC62439-6-14）针对工业控制以及网络的高可用性要求，DRP采用专利的设备并行数据传输管理和环网链路并行主动故障探测与恢复技术，实现了故障的快速定位与快速恢复，保证了网络的高可靠性。

3）EPA功能安全通信协议EPASafety（IEC61784-3-14）针对工业数据通信中存在的数据破坏、重传、丢失、插入、乱序、伪装、超时及寻址错误等风险，EPASafety功能安全通信协议采用拥有专利的工业数据加解密方法、工业数据传输多重风险综合评估与复合控制技术，将通信系统的安全完整性水平提高到SIL3等级，并通过德国莱茵TÜV的认证。

4）EPA实时以太网应用技术协议（IEC61784-2/CPF14）定义了三个应用技术行规，即EPA-RT、EPA-FRT和EPA-nonRT。其中EPA-RT用于过程自动化，EPA-FRT用于工业自动化，EPA-nonRT用于一般工业场合。

5）EPA线缆与安装标准（IEC61784-5-14）定义了基于EPA的工业控制系统在设计、安装和工程施工中的要求。从安装计划、网络规模设计、线缆和连接器的选择、存储、运输、保护、路由以及具体安装的实施等各个方面提出了明确的要求和指导。

EPA国家标准则包括《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范》《EPA一致性测试规范》《EPA互可操作测试规范》《EPA 功能块应用规范》《EPA 实时性能测试规范》《EPA网络安全通用技术条件》 等。

2.EPA确定性通信机制

为提高工业以太网通信的实时性，一般采取以下措施。

1） 提高通信速率。

2） 减少系统规模，控制网络负荷。

3） 采用以太网的全双工交换技术。

4）采用基于IEEE802.3p的优先级技术。

采用上述措施可以使其不确定性问题得到相当程度的缓解，但不能从根本上解决以太网通信不确定性的问题。

EPA采用分布式网络结构，并在原有以太网协议栈中的数据链路层增加了通信调度子层——EPA通信调度管理实体（EPACSME），定义了宏周期，并将工业数据划分为周期数据和非周期数据，对各设备的通信时段（包括发送数据的起始时刻、发送数据所占用的时间片）和通信顺序进行了严格的划分，以此实现分时调度。通过EPACSME实现的分时调度确保了各网段内各设备的发送时间内无碰撞发生的可能，以此达到了确定性通信的要求。

3.EPA-FRT强实时通信技术

EPA-RT标准是根据流程控制需求制定的，其性能完全满足流程控制对实时、确定通信的需求，但没有考虑到其他控制领域的需求，如运动控制、飞行器姿态控制等强实时性领域，这些领域，提出了比流程控制领域更为精确的时钟同步要求和实时性要求，且其报文特征更为明显。

相比于流程控制领域，运动控制系统对数据通信的强实时性和高同步精度提出了更高的要求，具体如下。

1）高同步精度的要求。由于一个控制系统中存在多个伺服和多个时钟基准，为了保证所有伺服协调一致的运动，必须保证运动指令在各个伺服中同时执行。因此高性能运动控制系统必须有精确的同步机制，一般要求同步偏差小于1μs。

2）强实时性的要求。在带有多个离散控制器的运动控制系统中，伺服驱动器的控制频率取决于通信周期。高性能运动控制系统中，一般要求通信周期小于1ms，周期抖动小于1μs。

EPA-RT系统的同步精度为微秒级，通信周期为毫秒级，虽然可以满足大多数工业环境的应用需求，但对高性能运动控制领域的应用却有所不足，而EPA-FRT系统的技术指标必须满足高性能运动控制领域的需求。

针对这些领域需求，并对其报文特点进行分析，EPA给出了对通信实时性的性能提高方法，其中最重要的两个方面为协议栈的精简和对数据的复合传输，以此解决特殊应用领域的实时性要求。如在运动控制领域中，EPA就针对其报文周期短、数据量小但交互频繁的特点提出了EPA-FRT扩展协议，满足了运动控制领域的需求。

4.EPA的技术特点

EPA具有以下技术特点。

（1） 确定性通信

以太网由于采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）介质访问控制机制，因此具有通信“不确定性”的特点，并成为其应用于工业数据通信网络的主要障碍。虽然以太网交换技术、全双工通信技术以及IEEE802.1P&Q规定的优先级技术在一定程度上避免了碰撞，但也存在着一定的局限性。

（2）“E”网到底

EPA是应用于工业现场设备间通信的开放网络技术，采用分段化系统结构和确定性通信调度控制策略，解决了以太网通信的不确定性问题，使以太网、无线局域网及蓝牙等广泛应用于工业/企业管理层、过程监控层网络的COTS（CommercialOff-The-Shelf）技术直接应用于变送器、执行机构、远程I/O及现场控制器等现场设备间的通信。采用EPA网络，可以实现工业/企业综合自动化智能工厂系统中，从底层的现场设备层再到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于以太网技术的统一，即所谓的“‘E（EtherNet）’ 网到底”。

（3）互操作性

《EPA标准》 除了解决实时通信问题外，还为用户层应用程序定义了应用层服务与协议规范，包括系统管理服务、域上载/下载服务、变量访问服务及事件管理服务等。至于ISO/OSI通信模型中的会话层、表示层等中间层次，为降低设备的通信处理负荷，可以省略，而在应用层直接定义与TCP/IP 协议的接口。

为支持来自不同厂商的EPA设备之间的互可操作，《EPA标准》 采用可扩展标记语言（ExtensibleMarkupLanguage，XML）扩展标记语言为EPA设备描述语言，规定了设备资源、功能块及其参数接口的描述方法。用户可采用Microsoft提供的通用DOM技术对EPA设备描述文件进行解释，而无须专用的设备描述文件编译和解释工具。

（4）开放性

《EPA 标准》 完全兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP（TCP）/IP等协议，采用UDP协议传输EPA协议报文，以减少协议处理时间，提高报文传输的实时性。

（5）分层的安全策略

对于采用以太网等技术所带来的网络安全问题，《EPA标准》 规定了企业信息管理层、过程监控层和现场设备层三个层次，采用分层化的网络安全管理措施。

（6）冗余

EPA支持网络冗余、链路冗余和设备冗余，并规定了相应的故障检测和故障恢复措施，例如设备冗余信息的发布、冗余状态的管理以及备份的自动切换等。