openSAFETY基礎(chǔ)引導(dǎo)（二）

1.PROFINET上的openSAFETY
PROFINET技術(shù)的發(fā)展主要來自于西門子和其他PROFIBUS用戶組織PNO的成員。它的名字是“process field network”的縮寫。PROFINET是Profibus DP的以太網(wǎng)類的繼承者。其通信系統(tǒng)有I/O控制器之間的完整的數(shù)據(jù)傳輸說明，以及參數(shù)化、診斷和網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的說明。根據(jù)時(shí)間要求不同，PROFINET又被分為PROFINET RT和PROFINETIRT，前者沒有或是軟實(shí)時(shí)，后者硬實(shí)時(shí)。
•原理
PROFINET使用不同協(xié)議和服務(wù)來滿足不同性能級(jí)別要求。根據(jù)用戶需求和一定原則，實(shí)時(shí)型PROFINET RT可以在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)發(fā)送有效載荷數(shù)據(jù)和對(duì)時(shí)間要求不高的數(shù)據(jù)。又預(yù)留一個(gè)RT通道，通過以太網(wǎng)協(xié)議傳輸高優(yōu)先級(jí)的載荷數(shù)據(jù)。而診斷和配置信息通過UDP/IP發(fā)送。因此，對(duì)于I/O的應(yīng)用，循環(huán)周期可以達(dá)到10ms。應(yīng)用基于交換管理的時(shí)分復(fù)用，PROFINET RT時(shí)鐘同步的1ms以下的循環(huán)周期，滿足運(yùn)動(dòng)控制的要求。PROFINET IRT采用一種特殊幀格式——PROFINET實(shí)時(shí)報(bào)文，使信號(hào)端需要一種特定的ASIC才能工作。
•用戶組織
PROFIBUS & PROFINET International (PI)代表PROFINET。它是一個(gè)傘式組織，與PROFIBUS用戶組織PNO和24個(gè)區(qū)域性PROFIBUS組織協(xié)力發(fā)展。
•openSAFETY
openSAFETY因其黑色通道原理與數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制分離，使得PROFINET同其他協(xié)議一樣，對(duì)openSAFETY的實(shí)施毫無影響。

2. SERCOS III上的openSAFETY
作為一個(gè)開源、獨(dú)立于生產(chǎn)商的數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口標(biāo)準(zhǔn)，SERCOS III不僅定義了物理連接的硬件結(jié)構(gòu)和協(xié)議結(jié)構(gòu)，也支持廣泛的配置文件定義。Sercos接口最初在1985年引入到市場(chǎng)，到今天第三代的SERCOS III，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，主要用于運(yùn)動(dòng)控制為主的自動(dòng)化系統(tǒng)。
•原理
SERCOS III需要主站和從站端都有專用硬件才能工作。該專有硬件將CPU從通信任務(wù)中解放出來，確?？焖賹?shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和硬件為基礎(chǔ)的同步。SERCOS用戶組織提供SERCOS III IP core支持用FPGA的SERCOS III硬件開發(fā)。
SERCOS III使用幀求和的方法，要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用菊花鏈或閉環(huán)的方式連接。數(shù)據(jù)在每經(jīng)過一個(gè)設(shè)備的時(shí)候就被處理，不同通信類型對(duì)應(yīng)不同報(bào)文類型。由于以太網(wǎng)連接的全雙工特點(diǎn)，菊花鏈已經(jīng)滿足一個(gè)單環(huán)，而一個(gè)適當(dāng)?shù)耐負(fù)鋾?huì)生產(chǎn)一個(gè)雙環(huán)，可以滿足冗余數(shù)據(jù)的傳輸。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)通信接口（用于菊花鏈和環(huán)形網(wǎng)），使其具有交叉通信的功能。實(shí)時(shí)報(bào)文會(huì)來回經(jīng)過線路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)，即，他們?cè)诿總€(gè)循環(huán)周期里被處理兩次。所以，設(shè)備可以在一個(gè)循環(huán)周期中完成彼此通信，無需先經(jīng)過主站。
實(shí)時(shí)通道使用有預(yù)留帶寬的時(shí)間槽來確保沒有沖突的數(shù)據(jù)傳輸。除此之外SERCOS III還提供一個(gè)可選的非實(shí)時(shí)通道。節(jié)點(diǎn)在硬件層面同步，它直接從通信周期開始的第一個(gè)實(shí)時(shí)報(bào)文中取得同步信息。主站同步報(bào)文（MST）為此被嵌入到第一個(gè)報(bào)文中。為保證同步便宜地域100ns，一個(gè)基于硬件的過程負(fù)責(zé)補(bǔ)償因以太網(wǎng)硬件導(dǎo)致的系統(tǒng)差異。各種網(wǎng)絡(luò)可以使用不同的循環(huán)時(shí)鐘，依然達(dá)到完全同步。

SERCOS III上實(shí)現(xiàn)openSAFETY的層級(jí)式模型

•用戶組織
SERCOS International e.V.是一個(gè)支持該技術(shù)持續(xù)發(fā)展并堅(jiān)守該標(biāo)準(zhǔn)的注冊(cè)協(xié)會(huì)。超過50家控制系統(tǒng)生產(chǎn)者和30家以上伺服制造商是其成員。
•openSAFETY
利用“黑色通道原理”，openSAFETY在現(xiàn)有SERCOS III方案原封不動(dòng)的基礎(chǔ)上就可以實(shí)施。
SERCOS III有交叉通信的功能。openSAFETY利用該功能進(jìn)行周期性安全數(shù)據(jù)交換。SSDO在非實(shí)時(shí)通道（NRT）傳輸。通過SERCOS III功能配置（FSP），可以確保理想的停泊。（ideal docking）

安全SERCOS III網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)典型環(huán)形拓?fù)?/p> 3. EtherNet/IP上的openSAFETY

EtherNet/IP在2000年發(fā)布，是由Allen-Bradley (Rockwell Automation)和OVDA (Open DeviceNet Vendors Association) 開發(fā)的、開源的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。“以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議”（EIP）本質(zhì)上是CIP（Common Industrial Protocol）應(yīng)用協(xié)議的一個(gè)端口，被用在ControlNet和DeviceNet上。在美國市場(chǎng)上尤其成功，經(jīng)常用于羅克韋爾的控制系統(tǒng)中。
原理
EtherNet/IP運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件之上，使用TCP/IP和UDP/IP為數(shù)據(jù)傳輸。因CIP協(xié)議支持的“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”功能，EtherNet/IP可選用各種各樣的通信機(jī)制，比如輪詢，定時(shí)或事件觸發(fā)，多重廣播或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。
針對(duì)的配置和數(shù)據(jù)請(qǐng)求，CIP應(yīng)用協(xié)議會(huì)區(qū)分“隱式”的I/O信息和“顯式”的查詢/應(yīng)答報(bào)文。顯式信息被嵌入到TCP幀中，實(shí)時(shí)應(yīng)用信息通過UDP發(fā)送，因其更緊湊的格式和較小的幀頭。以太網(wǎng)幀里的VLAN標(biāo)識(shí)是用來給予實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以優(yōu)先級(jí)的。交換機(jī)作為星形網(wǎng)絡(luò)的中心，防止通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)沖突。EtherNet/IP一般能達(dá)到10ms的循環(huán)周期這樣的軟實(shí)時(shí)性能。增強(qiáng)的擴(kuò)展協(xié)議CIPSync和CIPMonitor目前尚不可用。IEEE1588中規(guī)定通過分布時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)精確同步能達(dá)到滿足伺服電機(jī)控制所要求的足夠小的循環(huán)周期和抖動(dòng)。